祁 江

(山西省水文水資源勘測總站運(yùn)城站，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

相關(guān)研究表明，水庫泥沙淤積是各類水庫病害中最為突出的，尤其是水庫尾部的淤積導(dǎo)致庫容減小，降低了水庫的可利用率[1-2]。工程竣工驗(yàn)收階段需對水庫庫容進(jìn)行測量，但隨著運(yùn)行年限的增加造成底部地形改變，測量數(shù)據(jù)也發(fā)生根本性變化，為保證水庫高效安全運(yùn)行，需重新測量分析現(xiàn)狀庫容特征。

1 龍渠水庫概況

龍渠水庫位于山西省晉城市沁水縣沁河干流上，是以城市生活和工業(yè)供水、農(nóng)村人畜飲水為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的大(Ⅱ)型水利樞紐工程。水庫樞紐包括：攔河大壩、導(dǎo)流泄洪洞、供水發(fā)電洞和溢洪道等。龍渠水庫采用100 a一遇洪水設(shè)計(jì)，2000 a一遇洪水校核。正常蓄水位759.0 m，設(shè)計(jì)洪水位760.80 m，死水位728.2 m。

2 庫區(qū)水下地形測量

HD-MAX全數(shù)字雙變頻測深儀是通過轉(zhuǎn)換器向水底發(fā)射由電能轉(zhuǎn)換成的聲能。聲能以波的形式從水底反射回來，通過轉(zhuǎn)換器檢測后將回波再次轉(zhuǎn)換成電能，計(jì)算出聲波的傳遞時間從而折算出水深數(shù)據(jù)，并且顯示回波圖形。

2.1 數(shù)據(jù)采集

測深工作前，通過觀測記錄時間、水位、安裝換能器的吃水深，來確定測船上RTK的天線高。采集測淤斷面數(shù)據(jù)時，使用萊卡測距儀測出換能器到水邊的距離，根據(jù)計(jì)劃線調(diào)整航向，實(shí)現(xiàn)實(shí)時導(dǎo)航，每個測淤斷面往返均需施測。本次共測得22處測淤斷面。采集縱斷數(shù)據(jù)時，水邊線在吃水允許條件下，盡量靠近水邊，本次縱斷測量長度約88 km。橫斷縱斷位置見圖1。

圖1 龍渠水庫測量斷面分布圖

2.2 測量結(jié)果處理

整個水庫的地形包括水下部分和水上部分，利用CASS軟件合并水下數(shù)據(jù)和水上地形數(shù)據(jù)，再由ArcGIS將合并的地形數(shù)據(jù)生成整個庫區(qū)的DEM。DEM是一個連續(xù)的柵格高程數(shù)據(jù)，見圖2。由圖2可知整個庫區(qū)高程值范圍為675.196 m～917.296 m。

圖2 水庫測量結(jié)果DEM顯示圖

3 庫容分析

3.1 DEM庫容分析理論基礎(chǔ)

DEM格網(wǎng)內(nèi)的高程數(shù)據(jù)是格網(wǎng)面積范圍內(nèi)的擬合地形。計(jì)算給定水位高程的庫容原理是DEM在給定水位高程范圍內(nèi)形成三維立體表面，格網(wǎng)到水面的形狀為四棱柱，計(jì)算四棱柱單元的體積累加即得到總庫容。使用不同高程的面去切割便可計(jì)算出相應(yīng)高程水位對應(yīng)的庫容了。計(jì)算公式見式(1)～(3)：

四棱柱體積計(jì)算公式：Vi=d2(H-hi)

(1)

總庫容計(jì)算公式：V=∑Vi

(2)

水面面積計(jì)算公式：S=d2n

(3)

式中：hi為第i個格網(wǎng)的高程；d為DEM格網(wǎng)間距；H為水位高程；Vi為第i個格網(wǎng)與水位為H的水面間四棱柱的體積；n為水位高程H以下的格網(wǎng)總數(shù)；V為水位H對應(yīng)的庫容；S為水位H對應(yīng)的面積。

3.2 DEM地形預(yù)處理

3.2.1 D8單流向算法

采用ArcGIS水文分析提供的D8單流向算法。D8單流向算法采用2^n表示流向，并從三點(diǎn)鐘方向開始按順時針方向依次遞增，具體的方向編碼見圖3。

圖3 D8單流向算法流向編碼示意圖

3.2.2 生成無凹陷DEM柵格數(shù)據(jù)

根據(jù)D8單流向算法，首先完成填洼操作?；诔醮瘟飨驏鸥駭?shù)據(jù)求得洼地分布圖后，進(jìn)行填洼操作，得到無凹陷的DWM柵格數(shù)據(jù)。判別流向柵格數(shù)據(jù)是否符合1，2，4，8，16，32，64，128等2^n數(shù)值要求，如若不符合則證明柵格中依然存在匯流，還需再次進(jìn)行填挖操作，再進(jìn)行下一步水文分析。

3.2.3 流域提取

使用填洼后的無凹陷柵格數(shù)據(jù)，再次計(jì)算得出流向柵格數(shù)據(jù)。完成流向分析后，在新流向柵格的基礎(chǔ)上，利用“流量”工具，輸入流向分析結(jié)果的柵格數(shù)據(jù)，計(jì)算出每個格網(wǎng)上游累積匯流數(shù)。提取流域范圍時使用分水嶺工具，輸入流向柵格和傾斜點(diǎn)計(jì)算得到集水區(qū)域，通過柵格轉(zhuǎn)面得到矢量面域數(shù)據(jù)。為了得到與集水流域邊界一致的水庫有效DEM，按照集水邊界裁剪原始柵格。

3.2.4 計(jì)算水庫蓄水時淹沒的區(qū)域

如前所述，水庫庫容通過確定的蓄水水面與下墊面之間的空間計(jì)算求得。利用工具箱中【Spatial Analyst】-【條件分析】-【設(shè)為空函數(shù)】工具計(jì)算。空函數(shù)是將柵格數(shù)據(jù)清除設(shè)置為NoData。如要計(jì)算水位762.63 m以下的水庫庫容，即使用空函數(shù)工具查找所有像元值大于762.63 m柵格單元，將表達(dá)式設(shè)置為Value>762.63，則會清除所有高程超過762.63 m的像元數(shù)據(jù)。這樣得到的是一個最高高程為762.63 m的水庫區(qū)域。

2.3.5 計(jì)算水庫庫容和面積

ArcGIS計(jì)算連續(xù)表面相對于給定參考面的之間的體積使用的是【3D分析】-【功能性表面】-【表面體積】工具，在參考面輸入指定蓄水位數(shù)據(jù)，計(jì)算得到淹沒區(qū)下墊面的體積和面積。以水庫的校核洪水位的淹沒區(qū)為上表面，下墊面作為下表面，即可輸出包含庫容信息在內(nèi)的ASCII碼文本文件。

3.2.6 水庫特性

計(jì)算一系列不同水位對應(yīng)的面積、庫容獲得水位-面積、庫容曲線。利用【設(shè)為空函數(shù)】工具和【表面體積】工具構(gòu)建成模型。通過設(shè)定特征水位和705 m～765 m的間隔5 m水位，計(jì)算出相對應(yīng)的面積、庫容。庫容曲線見圖4，面積曲線圖見圖5，關(guān)系表見表1。

圖4 龍渠水庫庫容曲線圖

圖5 龍渠水庫面積曲線圖

表1 龍渠水庫水位—面積—庫容表

從表1可以得到，本次測得總庫容為37410.10萬m3，死庫容為4941.31萬m3，興利庫容為27134.42萬m3，調(diào)洪庫容為8684.13萬m3，防洪庫容為4446.65萬m3，重疊庫容為3349.76萬m3。

4 結(jié)語

水庫蓄水是水資源利用的重要手段，但泥沙淤積問題嚴(yán)重威脅水庫的使用壽命和功能的充分發(fā)揮。采用HD-MAX測深儀對庫區(qū)水下地形進(jìn)行了精準(zhǔn)測量，結(jié)合水上地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建了整個庫區(qū)的DEM柵格數(shù)據(jù)。基于DEM庫容分析理論應(yīng)用ArcGIS軟件進(jìn)一步分析了水位-面積-庫容關(guān)系，生成了庫容曲線，為后續(xù)水庫淤積分析，規(guī)劃調(diào)整水庫調(diào)蓄運(yùn)行方案提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。