導(dǎo)語(yǔ)：水庫(kù)淤積測(cè)量技術(shù)分析論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

近年來(lái)，我國(guó)洪水災(zāi)害頻繁發(fā)生，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅和重大損失。水庫(kù)作為人類蓄水發(fā)電、灌溉和防洪調(diào)度等的重要設(shè)施，發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，并取得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。水庫(kù)庫(kù)容和淤積量是水庫(kù)調(diào)度的重要參數(shù)，其精度直接影響到水庫(kù)的防洪安全與蓄水興利。隨著現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的迅速發(fā)展，將其應(yīng)用到水利電力領(lǐng)域是一項(xiàng)值得研究和推廣的課題。本文在分析傳統(tǒng)水庫(kù)庫(kù)容及淤積量測(cè)量所存在問題的基礎(chǔ)上，依靠高精度GPS(GlobalPositioningSystem,簡(jiǎn)稱GPS)定位和回聲測(cè)深技術(shù)，對(duì)湖南某庫(kù)區(qū)水下地形進(jìn)行了測(cè)量，并提出了根據(jù)三角形構(gòu)網(wǎng)方法，利用“三角柱”的水柱體積和淤積體積來(lái)獲得庫(kù)容和淤積量的新見解，經(jīng)實(shí)際運(yùn)用，取得了滿意效果。

1常規(guī)庫(kù)容及淤積量的確定

常規(guī)的庫(kù)容計(jì)算方法多采用斷面法。其庫(kù)區(qū)容量的計(jì)算模型為：

(1)

式中：Vi、Li為第i個(gè)斷面到第i+1個(gè)斷面間的庫(kù)容和距離；n為分段個(gè)數(shù)；Si、m、d、hi分別為第i個(gè)斷面的面積、測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)、點(diǎn)間距和每個(gè)測(cè)點(diǎn)的深度測(cè)量值。

采用斷面法雖然操作簡(jiǎn)單，但受前提假設(shè)的制約，精度難以保證。淤積量是根據(jù)前后兩次的的庫(kù)容較差獲得，庫(kù)容不準(zhǔn)確，淤積量的計(jì)算精度就無(wú)從談起。

2高精度水下地形測(cè)量技術(shù)[1,2]

2.1水下地形測(cè)量所謂水下地形測(cè)量，就是利用測(cè)量?jī)x器來(lái)確定水底點(diǎn)的三維坐標(biāo)的過程。隨著GPS技術(shù)的迅速發(fā)展，水下地形測(cè)量方法取得了很大的進(jìn)展。目前，水下地形測(cè)量技術(shù)已定型于采用GPS獲取平面坐標(biāo)，測(cè)深儀獲取深度數(shù)據(jù)的基本模式。同時(shí)，為了獲得水下地物的海拔高程，以及消除潮汐、水位落差等諸因素的影響，進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。水下地形測(cè)量現(xiàn)狀示意圖如下。針對(duì)上述現(xiàn)有模式，文獻(xiàn)[1]對(duì)測(cè)量設(shè)備的選型、基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)、潮汐觀測(cè)的具體實(shí)施等諸多技術(shù)問題，進(jìn)行了深入探討。

2.2GPS載波相位差分定位技術(shù)和回聲測(cè)深技術(shù)隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，GPS日益廣泛應(yīng)用于水利電力工程的各個(gè)方面。為了提高定位精度，一般均采用差分技術(shù)。在眾多的差分技術(shù)中，偽距差分和載波相位差分是最為常用的兩種測(cè)量模式，后者的定位精度較高(厘米級(jí))，通常用于高精度的測(cè)量工程和研究中。

圖1水下地形測(cè)量現(xiàn)狀示意

載波相位差分測(cè)量的定位精度很大程度上依賴于整周模糊度能否在航精確確定。整周模糊度在航解算(OTF)是一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下的模糊度確定方法，它可省去在精密動(dòng)態(tài)定位中的的靜態(tài)初始化過程。常規(guī)精密定位中復(fù)雜的整周跳變問題也因OTF的引入變得十分簡(jiǎn)單。載波相位差分測(cè)量整周模糊度的確定模型為：

Xk=Φk-1Xk-1+Γk-1Wk-1Wk～N(0,Qk)

Zk,φ=Hk,φXk+Vk,φVk,φ～N(0,Rk,φ)

(2)

式中：Xk=(dxdydzxyzdn0dn1…dnm)為狀態(tài)向量；Φk-1為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Hk,φ為載波相位的測(cè)量矩陣；Rk,φ為載波相位的方差陣；Qk為系數(shù)陣。

=CCTQk=ffT=minf=CT(DN-D)

(3)

由式(3)計(jì)算得到整周模糊度N后，代入載波相位觀測(cè)方程，便可以獲得厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的平面定位精度。

回聲測(cè)深儀是一種單波束測(cè)深設(shè)備，深度的測(cè)量是根據(jù)最小聲程決定。按照使用頻率個(gè)數(shù)的不同，又可分為單頻和雙頻。雙頻測(cè)深儀根據(jù)兩個(gè)頻率測(cè)量深度較差獲得淤積層厚度。

2.3高精度庫(kù)容和淤積量測(cè)量方法庫(kù)容和淤積量的精密測(cè)量采用現(xiàn)代水下地形測(cè)量方法，即利用GPS載波相位差分測(cè)量技術(shù)進(jìn)行平面定位，測(cè)深儀進(jìn)行深度測(cè)量，GPS和測(cè)深儀保證同步作業(yè)，獲取水底測(cè)點(diǎn)平面和深度信息的作業(yè)模式。

為了保證庫(kù)容和淤積量的計(jì)算精度，需要對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行測(cè)線設(shè)計(jì)，GPS和測(cè)深采樣也要按照水下地形測(cè)量規(guī)范等間隔或等時(shí)間采樣。設(shè)測(cè)量比例尺為1:Scale，測(cè)量船的平均速度為，則測(cè)線間距d和時(shí)間間隔Δt為：

d=Scale×10-4

Δt=d/

(4)

為了提高測(cè)量精度，在測(cè)線布設(shè)時(shí)，還應(yīng)該考慮水下地形的變化趨勢(shì)，若變化相對(duì)比較平坦，則測(cè)線間距可以適當(dāng)放寬，否則，需加密測(cè)線。這有利于使測(cè)點(diǎn)均勻分布于整個(gè)測(cè)區(qū)，同時(shí)在測(cè)區(qū)水下地形變化復(fù)雜的地區(qū)使測(cè)點(diǎn)深度或高程能更好地反映水下地形的真實(shí)面貌。

3庫(kù)容和淤積量的計(jì)算方法

3.1庫(kù)容計(jì)算方法為了提高計(jì)算精度，充分利用水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)，本文提出了一種三角柱計(jì)算庫(kù)容的方法。該法建立在實(shí)際測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)圖2，相鄰三個(gè)測(cè)點(diǎn)可構(gòu)成的三角柱體積為：

(5)

設(shè)n為整個(gè)庫(kù)區(qū)三角形個(gè)數(shù)，則整個(gè)庫(kù)區(qū)的庫(kù)容為：

(6)

3.2淤積量計(jì)算方法當(dāng)庫(kù)底為基巖構(gòu)造時(shí)，采用雙頻(f1、f2)測(cè)深儀測(cè)深，淤積量的計(jì)算方法同庫(kù)容相似。設(shè)相鄰三個(gè)測(cè)點(diǎn)在淤積層表面利用f1測(cè)得深度分別為h1、h2和h3，利用f2，在對(duì)應(yīng)點(diǎn)基巖上測(cè)得的深度分別為h′1、h′2和h′3，若設(shè)淤積層表面面積為S2，基巖上的面積為S3，則淤積量為：

(7)

式中淤積層上下面的面積S2和S3的計(jì)算方法同式(5)。

則庫(kù)區(qū)的淤積量為：

(8)

對(duì)于上述情況，V′的計(jì)算還可采用模型：

V′=Vf2-Vf1

(9)

式中：Vf1、Vf2分別代表根據(jù)f1、f2測(cè)得的淤積表面、基巖表面上的深度計(jì)算得到的體積。

圖2相鄰三個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成的三角柱示意

圖3相鄰三個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成的淤積三角柱示意

然而，對(duì)于淤積層下地質(zhì)是非基巖的情況，式(9)的庫(kù)區(qū)淤積量計(jì)算模型就不再適用，而需要根據(jù)建庫(kù)初期的原始床面(地形圖)計(jì)算空庫(kù)容，或者前期確定的庫(kù)容量，與根據(jù)本次利用f1頻率測(cè)量的水深(淤積層表面的水深)計(jì)算所得庫(kù)容Vf1較差得到實(shí)際的庫(kù)區(qū)淤積量。其計(jì)算模型為：

V′=Vf1-V前期庫(kù)容

(10)

4問題討論

本文所提出的基于現(xiàn)代水下地形測(cè)量技術(shù)的水庫(kù)庫(kù)容和淤積量確定方法相對(duì)于傳統(tǒng)的斷面法具有許多優(yōu)點(diǎn)，諸如定位精度高、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、所得數(shù)據(jù)可用于水下地形圖的繪制及DTM的建立等。然而，相對(duì)于傳統(tǒng)庫(kù)容和淤積量的確定方法，由于采用了先進(jìn)的測(cè)控設(shè)備，無(wú)疑會(huì)增大測(cè)量和計(jì)算方法上的復(fù)雜度，但這些是可以通過計(jì)算機(jī)編程來(lái)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)將上述方法在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中的幾個(gè)難點(diǎn)加以討論。

(1)對(duì)于比較大的庫(kù)區(qū)，如江河形成的自然庫(kù)區(qū)，數(shù)據(jù)量會(huì)隨水域面積的增加而急劇增大。在利用這些數(shù)據(jù)構(gòu)造庫(kù)區(qū)三角形時(shí)會(huì)因存儲(chǔ)量和搜索范圍過大，占用過多的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算速度過慢或者死機(jī)。為克服這一問題，在三角形構(gòu)造中可采用一種快速的三角形構(gòu)網(wǎng)方法，即局域搜索法。根據(jù)測(cè)區(qū)范圍和測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，可事先對(duì)整個(gè)區(qū)域根據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行劃分，然后在結(jié)合拓展三角形的范圍索引各個(gè)分割區(qū)，在小區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速搜索。這樣可以大大的節(jié)約計(jì)算機(jī)內(nèi)存，提高三角形的構(gòu)網(wǎng)速度。

(2)通過水下地形測(cè)量可給出水面以下的深度，以及根據(jù)水面下的實(shí)測(cè)結(jié)果計(jì)算水底到水面高程變化的庫(kù)容曲線，而對(duì)于高于當(dāng)前水面的水位面庫(kù)容曲線無(wú)法進(jìn)行計(jì)算和繪制。為了得到一個(gè)全面反映庫(kù)區(qū)容量變化的庫(kù)容曲線，需要將庫(kù)區(qū)邊緣數(shù)字高程信息引入庫(kù)容計(jì)算中。庫(kù)區(qū)邊緣陸地的數(shù)字高程信息可通過兩種途徑獲得。一種是利用GPS載波相位差分技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)地形測(cè)量獲得；另一種方法是通過已有的地形圖或DTM獲得。若利用GPS載波相位差分測(cè)量技術(shù)獲得陸地?cái)?shù)字信息，則GPS天線相位中心的平面位置即為陸地測(cè)點(diǎn)的平面位置，相位中心的高程減去天線高便是陸地高程。

(3)在(2)中，已有地形圖與現(xiàn)有測(cè)量成果共同用于庫(kù)容曲線計(jì)算時(shí)，兩套資料的高程和坐標(biāo)基準(zhǔn)必須匹配。對(duì)于將水底點(diǎn)的深度轉(zhuǎn)換成高程問題，傳統(tǒng)的解決方法是，在進(jìn)行水下地形測(cè)量的同時(shí)，同步進(jìn)行水位觀測(cè)，以獲取水位面高程。當(dāng)測(cè)區(qū)的水位面隨時(shí)間(或距離)變化較大時(shí)，要定期(或定距離)的進(jìn)行水位觀測(cè)，并利用觀測(cè)所得時(shí)間(或距離)與潮位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，內(nèi)插出每一時(shí)刻(或每一位置)的水位面高程；若水位變化微小或基本不發(fā)生變化，無(wú)須內(nèi)插，僅測(cè)量一個(gè)水位面高程即可。根據(jù)文獻(xiàn)[3]和[4]，現(xiàn)代水下地形測(cè)量，省去了上述煩瑣的過程，直接利用GPSRTK技術(shù)獲得水底點(diǎn)高程。根據(jù)圖1和GPS載波相位測(cè)量技術(shù)，只要量取GPS天線相位中心到換能器之間的垂距hG-T得水位面的高程hsurface，進(jìn)而獲得水底點(diǎn)的高程hb。設(shè)h為測(cè)量的水深，GPS相位中心的高程為hGPS，則hb可表達(dá)為：

hb=hsurface-h=(hGPS-hG-T)-h

(11)

式(11)是在作業(yè)條件相對(duì)較好情況下計(jì)算水底點(diǎn)高程的模型，若由于波浪、船體的運(yùn)動(dòng)，上述條件很難滿足，為此，在實(shí)際測(cè)量中需要引入姿態(tài)測(cè)量的內(nèi)容。姿態(tài)測(cè)量通常采用波浪補(bǔ)償儀或姿態(tài)儀，但由于儀器費(fèi)用昂貴，這里引進(jìn)GPS姿態(tài)測(cè)量技術(shù)。只需增加船載的2臺(tái)GPS接收機(jī)，使可獲得船體的姿態(tài)。儀器的架設(shè)如圖4。

圖4測(cè)姿GPS天線安放

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，GPS測(cè)姿完全可以滿足IHO的精度要求。姿態(tài)參數(shù)(橫搖r、縱搖p、動(dòng)態(tài)吃水ds)測(cè)定后，便可對(duì)式(11)中的hG-T和h實(shí)施修正。設(shè)實(shí)際測(cè)量值分別為h′G-T和h′,則修正后的hG-t和h為：

h=h′-Δhr-Δhp-ds=h′(cosp+cosr-1)-ds

hG-T=h′G-T-ΔhG-T,r-ΔhG-T,p=h′G-T(cosp+cosr-1)

(12)

這樣，利用式(11)和(12)便可獲得水底點(diǎn)的高程。這種方法無(wú)須進(jìn)行水位改正，直接得到同陸地高程基準(zhǔn)一致的高程。水下地形測(cè)量的平面坐標(biāo)系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)便可設(shè)置為同一系統(tǒng)；若不為同一系統(tǒng)，還要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

5實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

該方法在湖南某“水庫(kù)淤積測(cè)量及庫(kù)容曲線修正研究”課題中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。該水庫(kù)為山區(qū)的一個(gè)天然水庫(kù)(地質(zhì)為巖石結(jié)構(gòu))，主要用于電廠的發(fā)電和蓄洪，水庫(kù)面積約150km2。1998年，由武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院(原武漢測(cè)繪科技大學(xué)地測(cè)學(xué)院)承擔(dān)了此項(xiàng)測(cè)量工作，總計(jì)測(cè)量3～4萬(wàn)個(gè)測(cè)點(diǎn)。利用該方法計(jì)算僅花費(fèi)不到2秒的時(shí)間，完成了庫(kù)容的計(jì)算，不同水位面庫(kù)容數(shù)據(jù)和庫(kù)容曲線計(jì)算結(jié)果如表1所示：

表1不同起算面的庫(kù)容量

高程起算面/m

庫(kù)容/m3

高程起算面/m

庫(kù)容/m3

84.00

86.00

88.00

90.00

92.00

94.00

96.00

98.00

100.00

102.00

0.00

236.83

2605.17

4989.83

13215.12

33995.46

116176.44

425711.85

1202286.67

2594917.95

104.00

106.00

108.00

110.00

112.00

114.00

116.00

118.00

120.00

4693450.36

7870823.68

12656827.05

18927380.47

26959658.83

37062902.96

48781192.88

62376448.42

77688490.85

將這種方法計(jì)算所得庫(kù)容曲線與結(jié)合已有淤積資料，并根據(jù)1963年所測(cè)得庫(kù)容來(lái)推算而得到的庫(kù)容進(jìn)行比較，二者具有較好的一致性，進(jìn)而說明這種方法具有操作簡(jiǎn)潔、計(jì)算快速、準(zhǔn)確等常規(guī)方法所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

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