莫正濤 王德明 莫曉鈺

(1.莒縣仕陽(yáng)水庫(kù)管理中心，山東 莒縣 276526；2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

1 庫(kù)容曲線測(cè)量的必要性

仕陽(yáng)水庫(kù)總庫(kù)容1.364億m3,興利庫(kù)容0.6987億m3，死庫(kù)容0.0245億m3，現(xiàn)狀庫(kù)容系數(shù)為1.05，具有較大的增容潛力，現(xiàn)有庫(kù)容曲線測(cè)量時(shí)間距今已40多年，由于多年來(lái)受自然與人為因素影響，庫(kù)區(qū)地形有所變化。為了更好地把握人類活動(dòng)和自然因素對(duì)庫(kù)區(qū)地形變化的影響，了解庫(kù)容曲線的變化情況，充分挖掘水庫(kù)的雨洪資源利用潛力，提高興利水位，獲取精度更高、準(zhǔn)確性更強(qiáng)的庫(kù)區(qū)地形資料，尤其是水下地形資料，準(zhǔn)確計(jì)算水位與庫(kù)容的關(guān)系，莒縣仕陽(yáng)水庫(kù)管理中心委托山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院組織技術(shù)人員進(jìn)行了水下和陸上地形測(cè)量，通過(guò)更為先進(jìn)的庫(kù)容計(jì)算方法，準(zhǔn)確計(jì)算水位與庫(kù)容的關(guān)系，為水庫(kù)增容工程實(shí)施，提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料，同時(shí)也將提高當(dāng)?shù)赜旰橘Y源利用水平，緩解當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾，因此進(jìn)行庫(kù)容曲線測(cè)量復(fù)核是非常必要的。

2 庫(kù)容曲線測(cè)量方案

1∶2000地形圖的水面以上陸地部分測(cè)圖方式為航攝綜合法測(cè)圖。本次航攝綜合法測(cè)圖利用了無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍，獲取外業(yè)最原始影像數(shù)據(jù)，利用后處理動(dòng)態(tài)(PPK)GNSS技術(shù)建立準(zhǔn)確的圖像位置，實(shí)現(xiàn)了無(wú)像控航攝。為確保成果質(zhì)量，布設(shè)一個(gè)校核點(diǎn)，用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量。具體作業(yè)模式為：首先實(shí)施外業(yè)航飛，完成測(cè)區(qū)內(nèi)像控點(diǎn)平高校核，先后完成對(duì)數(shù)碼相片的空三加密、正射影像測(cè)圖、數(shù)字高程模型制作與編輯、數(shù)字正攝影像生產(chǎn)與后處理等工序，然后將正攝影像和數(shù)字線劃圖疊加，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪補(bǔ)測(cè)?？紤]到水利工程項(xiàng)目對(duì)于高程的特殊要求，圖面高程點(diǎn)全部以全野外數(shù)字化方式采集，最后利用實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字高程模型精化編輯，并生成等高線等地貌要素，最后提供全要素的數(shù)字化地形圖。

1∶2000地形圖水下地形測(cè)量采用測(cè)量船上架設(shè)GPS接收機(jī)掛接全數(shù)字雙頻測(cè)深儀的模式，由GPS接收機(jī)獲取水下點(diǎn)的平面坐標(biāo)，測(cè)深儀直接獲取水下點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，完成水庫(kù)水下地形測(cè)量，最終室內(nèi)生成水下等深線。本次水下測(cè)量采用的方法為斷面法，相鄰航線間距為40m，航線上每隔10m采集一次數(shù)據(jù)。

3 水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算

本項(xiàng)目采用等高線容積法進(jìn)行水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算，等高線容積法計(jì)算水庫(kù)庫(kù)容是一種計(jì)算精度較高的方法，根據(jù)1∶2000地形圖準(zhǔn)確量算出各水位高程等高線的面積，通過(guò)模型計(jì)算出不同水位的水庫(kù)庫(kù)容。該計(jì)算模型建立在把水體按不同高程面微分成n層臺(tái)體，整體庫(kù)容由n層臺(tái)體體積積分求得?？紤]到形體的不規(guī)則性，等高線容積法計(jì)算水庫(kù)庫(kù)容數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中V——庫(kù)容,m3；

Si——第i根等高線面積,m2,且S0=0；

hi——第i～i+1根等高線之間高程差,m。

本次新測(cè)量高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。1985國(guó)家高程基準(zhǔn)于1987年5月開(kāi)始啟用，1956年黃海高程系統(tǒng)廢止。由于搜集到的仕陽(yáng)水庫(kù)的歷史資料高程系均采用1956年黃海高程系，規(guī)劃設(shè)計(jì)部門所提的參數(shù)指標(biāo)也采用1956年黃海高程系，現(xiàn)測(cè)區(qū)內(nèi)的水準(zhǔn)標(biāo)石成果高程系均為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，不具備在1956年黃海高程系下進(jìn)行高程測(cè)量的條件。為了與歷史資料進(jìn)行對(duì)比，本項(xiàng)目將提供水庫(kù)庫(kù)容曲線1956年黃海高程系成果，為此搜集測(cè)區(qū)附近同時(shí)具備兩套高程系成果水文站點(diǎn)的水準(zhǔn)標(biāo)石成果，求取測(cè)區(qū)高程系間的換算關(guān)系,見(jiàn)表1。

表1 高程成果比較 單位：m

由于水準(zhǔn)點(diǎn)Ⅲ魯臨水文1就在測(cè)區(qū)內(nèi)，采用Ⅲ魯臨水文1的兩套高程成果差值為本項(xiàng)目的高程換算關(guān)系，即：1956年黃海高程系高程=1985國(guó)家高程基準(zhǔn)高程+0.041m。

4 庫(kù)容曲線測(cè)量成果的合理性分析

仕陽(yáng)水庫(kù)現(xiàn)采用的庫(kù)容曲線為山東省水利廳1985年刊印的《山東省水利工程三查三定資料匯編》中的成果，資料來(lái)源(79)魯水文字第5號(hào)“仕陽(yáng)水庫(kù)水位、庫(kù)容、面積、泄量關(guān)系表”，高程系為1956年黃海高程系。仕陽(yáng)水庫(kù)建庫(kù)已近60年，現(xiàn)有庫(kù)容曲線測(cè)量時(shí)間距今已40多年，這期間庫(kù)區(qū)受自然因素及采砂等人類活動(dòng)影響，水位-面積-庫(kù)容關(guān)系將產(chǎn)生一定的變化，為明晰水位-庫(kù)容-面積關(guān)系的變化，本次重新對(duì)仕陽(yáng)水庫(kù)庫(kù)區(qū)進(jìn)行了測(cè)算。仕陽(yáng)水庫(kù)水位-面積-庫(kù)容關(guān)系與三查三定成果對(duì)比(1956年黃海高程系)見(jiàn)表2。

表2 仕陽(yáng)水庫(kù)水位-面積-庫(kù)容關(guān)系與三查三定成果對(duì)比(1956年黃海高程系)

4.1 測(cè)量成果對(duì)比

“三查三定資料”與本次新測(cè)量仕陽(yáng)水庫(kù)水位-面積曲線、水位-庫(kù)容曲線相比，新測(cè)量的水庫(kù)庫(kù)容在水位145m以下有所減少，在145m以上有所增加，在高程137.00～139.00m所在區(qū)域水面面積有所減少。具體情況見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 新測(cè)量成果與三查三定成果水位面積差

圖2 新測(cè)量成果與三查三定成果庫(kù)容增量

4.2 測(cè)量成果分析

經(jīng)過(guò)綜合分析，在死水位141m時(shí)，庫(kù)容減少值達(dá)到最大，之后庫(kù)容開(kāi)始逐步增加，減少的58.2萬(wàn)m3是由于水庫(kù)的淤積，相對(duì)三查三定成果有所減少；在141m以上各水位下水庫(kù)庫(kù)容均有所增加，在160m處庫(kù)容增加193.5萬(wàn)m3，是因?yàn)樗畮?kù)受上游河道多年的自然沖刷、治理以及當(dāng)?shù)厝罕娮园l(fā)取土取砂影響。

高程137.00m和139.00m所在區(qū)域面積減少，與水庫(kù)淤積的實(shí)際情況相符；高程155.00m區(qū)域面積減少，與后期修建的穿越庫(kù)區(qū)的鐵路占地情況基本相符。

與三查三定成果相比較，高程137.00～139.00m區(qū)間與139.00～141.00m區(qū)間的庫(kù)容在減少，與水庫(kù)淤積情況相符合；高程150.00～150.50m、150.50～151.00m、155.00～155.35m、155.35～156.00m區(qū)間，從數(shù)據(jù)上看庫(kù)容確實(shí)發(fā)生了突變，但考慮到150.50m、155.35m的三查三定庫(kù)容是線性內(nèi)插的數(shù)據(jù)，在150.50～151.00m、155.35～156.00m區(qū)間數(shù)據(jù)上出現(xiàn)了一個(gè)突變，同時(shí)在150.00～150.50m、155.00～155.35m區(qū)間也出現(xiàn)一個(gè)符號(hào)相反的突變，該變化可以認(rèn)定為內(nèi)插數(shù)據(jù)精度導(dǎo)致的。

從整體來(lái)看，本次新的測(cè)圖范圍要明顯大于三查三定的庫(kù)區(qū)范圍，尤其是各支流的追溯距離，這也是158.00m高程以上無(wú)論是面積還是庫(kù)容都增大的原因，另外由于20世紀(jì)70年代所采用測(cè)量方法受當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，觀測(cè)精度、點(diǎn)位密度均不及現(xiàn)在，也造成一定的系統(tǒng)差異。經(jīng)資料收集，仕陽(yáng)水庫(kù)庫(kù)區(qū)里莊村附近存在采砂行為。

經(jīng)分析認(rèn)為：本次基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采用、計(jì)算方法、測(cè)量技術(shù)以及地形圖的精度都優(yōu)于以前；并且水庫(kù)庫(kù)區(qū)受自然與人為因素影響，庫(kù)區(qū)地形有所變化也是正常的。

a.測(cè)量技術(shù)手段比較：本次測(cè)量采用了先進(jìn)的觀測(cè)設(shè)備GPS接收機(jī)、測(cè)深儀等，在觀測(cè)手段上和數(shù)據(jù)處理上，精度要優(yōu)于早期的方式；地形圖測(cè)量和水下測(cè)量由于采用了全野外數(shù)字化采集方式，在高程精度和平面精度方面，也大大優(yōu)于早期的數(shù)據(jù)采集方式。

b.采用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比較：現(xiàn)在的庫(kù)容曲線是在1∶2000 地形圖數(shù)據(jù)上進(jìn)行求取的，早期的測(cè)量成果成圖比例一般都小于1∶2000，其技術(shù)數(shù)據(jù)的精度較本次的成果相對(duì)要差。

c.后期修建的鐵路、挖設(shè)的魚(yú)塘、局部取砂以及河道多年的自然沖刷、治理等情況均對(duì)庫(kù)容產(chǎn)生影響。

因?yàn)閮纱螏?kù)容曲線測(cè)量相隔近40年，隨著年代的變遷，在自然及人力的影響下庫(kù)區(qū)地形有所變化，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)面積和庫(kù)容發(fā)生一定變化。

5 庫(kù)容差異說(shuō)明及保護(hù)建議

與三查三定測(cè)量成果相比，本次新測(cè)量的水庫(kù)庫(kù)容曲線在死水位141m以下庫(kù)容減少58.2萬(wàn)m3，死庫(kù)容由304萬(wàn)m3變?yōu)?45萬(wàn)m3,在興利水位153.50m以下庫(kù)容增加65.5萬(wàn)m3，但在145m以下減少28.7萬(wàn)m3，興利庫(kù)容由6863萬(wàn)m3變?yōu)?987萬(wàn)m3，由于145m以上庫(kù)容均有所增加，防洪庫(kù)容由2170m3變?yōu)?181萬(wàn)m3，調(diào)洪庫(kù)容由2479m3變?yōu)?486萬(wàn)m3，因仕陽(yáng)水庫(kù)批復(fù)的防洪限制水位和興利水位為同一水位153.50m,所以重疊庫(kù)容為0，經(jīng)分析認(rèn)為，145m以下庫(kù)容減少是由于水庫(kù)的淤積造成的，145m以上庫(kù)容增加是由于水庫(kù)受上游河道多年的自然沖刷、治理以及當(dāng)?shù)厝罕娮园l(fā)取土取砂造成的影響，因此建議：

a.加快推進(jìn)水庫(kù)增容工程，通過(guò)實(shí)施增容工程，在保證防洪安全的前提下，提高水庫(kù)興利水位以增強(qiáng)其水資源調(diào)蓄能力，提高雨洪資源利用率。

b.積極開(kāi)展“林水會(huì)戰(zhàn)”、小流域綜合治理等工程，通過(guò)生態(tài)修復(fù)，增加區(qū)域內(nèi)林草植被覆蓋率，減輕水庫(kù)上游水土流失對(duì)水庫(kù)的淤積。

c.加強(qiáng)水法規(guī)和河湖管理?xiàng)l例的宣傳，依法治理水庫(kù)管理和保護(hù)范圍內(nèi)違法建筑和亂開(kāi)亂采現(xiàn)象，加強(qiáng)飲用水水源保護(hù)區(qū)規(guī)范化建設(shè)，建設(shè)物理防護(hù)隔離、生態(tài)防護(hù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，完善應(yīng)急防控體系,全面實(shí)施飲用水水源地周邊及上游地區(qū)的污染治理，加強(qiáng)提升水源涵養(yǎng)能力。

6 結(jié) 語(yǔ)

新測(cè)量庫(kù)容曲線計(jì)算采用了更為先進(jìn)的測(cè)量方法和裝備，技術(shù)數(shù)據(jù)的精度優(yōu)于早期觀測(cè)成果，與水庫(kù)庫(kù)區(qū)實(shí)際狀況更為相符，充分反映了自然因素和人為因素對(duì)水位-庫(kù)容-面積關(guān)系的影響，經(jīng)山東省水利廳組織專家評(píng)審，認(rèn)定新測(cè)庫(kù)容曲線測(cè)量成果合理可行，將對(duì)今后仕陽(yáng)水庫(kù)防洪和興利起到技術(shù)性指導(dǎo)作用，以便真正起到庫(kù)容測(cè)量復(fù)核的目的。