水庫容量計算探討

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近年來,我國各大中城市都面臨飲用水資源缺乏的問題。水庫作為人類蓄水發電、灌溉和防洪調度等的重要設施,發揮著越來越大的作用,并取得了巨大的效益和經濟效益。水庫庫容是水庫調度的重要參數,其精度直接到水庫的防洪安全與蓄水興利。但由于興建水庫時的庫容測量方法和計算方法都較落后,并且隨著時間的推移大量的淤泥沉淀和水庫本身引起的局部地形變化。老的庫容數據在精度和現時性上都無法滿足城市建設的需要。本文在傳統水庫庫容測量基礎上,依靠高精度GPS(GlobalPositioningSystem,簡稱GPS)定位和直接測深技術相結合,對七臺河庫區水下地形進行了測量,并提出了根據三角形構網方法,利用“三角柱”的水柱體積獲得庫容的新見解,經實際運用,取得了滿意效果。

一、常規庫容確定

1.斷面法。其庫區容量的計算模型為:

式中:Vi、Li為第i個斷面到第i+1個斷面間的庫容和距離;n為分段個數;Si、m、d、hi分別為第i個斷面的面積、測點個數、點間距和每個測點的深度測量值。采用斷面法雖然操作簡單,但受前提假設的制約,精度難以保證。

2.等高線法。先求每條等高線與壩軸線所圍成的面積,然后計算每兩條相鄰等高線的體積,其總和即是庫容。A1,A2,…,An+1依次為各條等高線所圍成的面積,h為等高距;設第一條等高線與第二條等高線間的高差為h′,第n條等高線(最低一條等高線)與庫底最低點間的高差為h″,則各層體積為:

這種方法只適用于水下地貌較規整的水庫,或者精度不高的庫容概算,對于水下微地貌較多并未經修整的大型水庫,這種計算方法就不能滿足要求了。

二、高精度水下地形測量技術

1.水下地形測量所謂水下地形測量,就是利用測量儀器來確定水底點的三維坐標的過程。隨著GPS技術的迅速發展,水下地形測量方法取得了很大的進展。水下地形測量技術已定型于采用GPS獲取平面坐標,測深儀獲取深度數據的基本模式。

2.GPS載波相位差分定位技術和回聲測深技術隨著GPS技術的發展,GPS日益廣泛應用于水利電力工程的各個方面。為了提高定位精度,一般均采用差分技術。在眾多的差分技術中,偽距差分和載波相位差分是最為常用的兩種測量模式,后者的定位精度較高(厘米級),通常用于高精度的測量工程和研究中。

回聲測深儀是一種單波束測深設備,深度的測量是根據最小聲程決定。按照使用頻率個數的不同,又可分為單頻和雙頻。雙頻測深儀根據兩個頻率測量深度較差獲得淤積層厚度。

庫容測量采用現代水下地形測量方法,即利用GPS載波相位差分測量技術進行平面定位,測深儀進行深度測量,GPS和測深儀保證同步作業,獲取水底測點平面和深度信息的作業模式。為了保證庫容的計算精度,需要對庫區進行測線設計,GPS和測深采樣也要按照水下地形測量規范等間隔或等時間采樣。設測量比例尺為1:Scale,測量船的平均速度為,則測線間距d和時間間隔Δt為:d=Scale×10-4

為了提高測量精度,在測線布設時,還應該考慮水下地形的變化趨勢,若變化相對比較平坦,則測線間距可以適當放寬,否則,需加密測線。這有利于使測點均勻分布于整個測區,同時在測區水下地形變化復雜的地區使測點深度或高程能更好地反映水下地形的真實面貌。

但由于本次作業為北方冬季作業,測深采用打孔量深的方法測量。

三、庫容計算方法

1.計算原理為了提高計算精度,充分利用水下地形測量數據,本文提出了一種三角柱計算庫容的方法。該法建立在實際測點的基礎上,相鄰三個測點可構成的三角柱體積為:

2.三角網的構建Delaunay三角網是目前公認的最優三角網,Delaunay三角網構建必須滿足相互鄰接且不重疊的三角型的集合,每一個三角網的外接圓內不包括其他點。Delaunay三角網的生長算法的基本步驟首先從所采集的離散點V中選任意點P1為起始點,查找離此點最近的點P2,然后連接P1P2作為基準線;在基線的右邊應用Delaunay法則搜尋第三點生成Delaunay三角形,以三角形的兩條新邊作為新的基線;重復該過程直至所有基線處理完畢。

四、本次水下地形測量實施及庫容的計算

為查清七臺河桃山水庫的蓄水量,國家測繪局第二大地測量隊受桃山水庫管理單位委托,承擔桃山水庫12平方公里的水下地形測量任務。本次作業正值嚴冬季節,測深采用打孔量深的方法測量。具體的施測方法為:

首先在水庫的中心選取一條中軸線,沿中軸線采用GPS方法先測量4個已知控制點,利用全站儀沿中線方向做一條導線并沒50米放一個中線點,利用全站儀沿中線方向每隔50米做一個采點間隔50米的橫斷,利用全站儀準確放出并測出橫斷點的坐標及高程,利用打孔量深的方法計算出水下地形點的三維坐標,對坐標采用Delaunay法則構Delaunay三角網,累計三角椎體積計算庫容。

由于冬季冰面作業,其視線開闊且放樣多為直線方向,利用全站儀給出方向,利用測繩控制距離,其放樣成本低、速度快。

作業前在內業對水域進行放樣點布設及編號,保證了所有放樣點與量深點一一對應,水下地形點高程采取計算機查詢計算,減少了人工帶來的誤差。

4庫容測量、計算的實施及結論

本次測量由于為冬季作業,采取了傳統測量方法。共投入放點組2個,量深組3個,共計15人,平均每天測量1.5平方公里(約600個水深點)水下地形。

隨著市場任務的不斷增多,很多新的工程測量項目由于受工作環境、作業期、量測精度、工程消耗等因數的影響,要求作業人員根據具體情況合理調配儀器采用合理的測量及計算方法完成項目獲得較高的市場效益。