問 娟，劉良福

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510170)

1 概述

廣東省潮州供水樞紐位于廣東省潮州市境內(nèi)，是韓江下游及其三角洲地區(qū)水資源調(diào)配控制性工程。該樞紐是以合理調(diào)配東溪、西溪、北溪水資源為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧航運(yùn)、水環(huán)境保護(hù)的綜合性水利樞紐工程。水位庫(kù)容曲線是樞紐工程運(yùn)行調(diào)度過(guò)程中的一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性直接影響樞紐實(shí)時(shí)入庫(kù)流量計(jì)算和入庫(kù)流量預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度。該樞紐工程自建成運(yùn)行后，于2009年對(duì)庫(kù)容進(jìn)行過(guò)一次率定測(cè)量，至今已有10多年時(shí)間，為了解庫(kù)容的變化，確保韓江下游及三角洲地區(qū)供水和度汛安全，故需再次對(duì)庫(kù)區(qū)庫(kù)容進(jìn)行重新率定[1]。

本次計(jì)算范圍包括潮州供水樞紐庫(kù)區(qū)和三角洲河網(wǎng)出?？谖彘l上游各支流至潮州供水樞紐攔河閘河槽(見圖1)。其中，潮州供水樞紐庫(kù)區(qū)計(jì)算范圍從樞紐閘前至韓江上游赤鳳鎮(zhèn)浮石村河段，線路總長(zhǎng)23.4 km。五閘上游河槽被蓬洞河分成了東西兩個(gè)區(qū)域，“五閘上游河槽東區(qū)域”的計(jì)算范圍包含東里橋閘上游部分的南溪、蓮陽(yáng)橋閘上游部分的蓮陽(yáng)河及東溪河段、北溪，合計(jì)長(zhǎng)60.6 km；“五閘上游河槽西區(qū)域”的計(jì)算范圍包含西溪、梅溪橋閘上游梅溪河段、下埔橋閘上游新津河河段、外砂橋閘上游外砂河河段，合計(jì)長(zhǎng)45.5 km。位于東西兩區(qū)域交界的蓬洞河屬于人工河，中間有水閘隔開成東溪和西溪，以水閘為界兩側(cè)的槽蓄量分別納入東溪及西溪進(jìn)行計(jì)算。

圖1 總計(jì)算范圍示意

2 數(shù)據(jù)采集

2020年6—8月，本項(xiàng)目的陸地地形測(cè)量采用了無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)和數(shù)碼相機(jī)等先進(jìn)航空攝影測(cè)量技術(shù)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，陸地地形圖制作采用“激光點(diǎn)云輔助正射影像進(jìn)行矢量化法”，先室內(nèi)繪制后野外調(diào)繪，再進(jìn)行修改和清繪。水下地形測(cè)量采用了“GNSS RTK+單(多)波束數(shù)字測(cè)深儀”組成無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)高程通過(guò)水深改正后可制作水下地形圖，最后把水陸地形圖進(jìn)行合并便可制作完整的庫(kù)區(qū)及五閘河槽地形圖[2]。外業(yè)數(shù)據(jù)采集示意見圖2。

圖2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集示意

3 坐標(biāo)及高程轉(zhuǎn)換

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于2009年施測(cè)的地形圖采用了1954年北京坐標(biāo)系，與現(xiàn)階段的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系不一致。為了將當(dāng)前的地形圖成果與2009年施測(cè)的地形圖成果更好地進(jìn)行對(duì)比分析，需要將2009年施測(cè)的成果轉(zhuǎn)換為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系下的成果。本次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用的是理論最成熟、使用最廣泛的平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，具體的轉(zhuǎn)換模型為[3-5]：

(1)

式中：

Δx、Δy——2個(gè)平移參數(shù)，m；

α——旋轉(zhuǎn)參數(shù)，°；

m——尺度參數(shù)。

3.2 高程轉(zhuǎn)換

由于2009年施測(cè)地形圖采用的是珠江基面高程基準(zhǔn)，與現(xiàn)階段的1985國(guó)家高程基準(zhǔn)不一致，為了進(jìn)行不同時(shí)期成果的比對(duì)分析，需要將2009年施測(cè)的成果轉(zhuǎn)為當(dāng)前采用的1985國(guó)家高程基準(zhǔn)下的成果。根據(jù)早期我省水利系統(tǒng)三等水準(zhǔn)復(fù)測(cè)的轉(zhuǎn)換參數(shù)可知，珠江基面高程基準(zhǔn)和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)之間存在一個(gè)常數(shù)誤差，具體轉(zhuǎn)換關(guān)系為[6]：

珠江基面高程基準(zhǔn)=1985國(guó)家高程基準(zhǔn)-0.744 m。

將經(jīng)過(guò)坐標(biāo)和高程轉(zhuǎn)換后的2009年地形圖，再與當(dāng)前施測(cè)的地形圖進(jìn)行庫(kù)容和槽蓄量計(jì)算及成果比對(duì)分析。

4 庫(kù)容及槽蓄量計(jì)算

4.1 基本原理

利用地形圖建立庫(kù)區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)，根據(jù)實(shí)際庫(kù)底形態(tài)特征將水體微分成n個(gè)三棱柱體，通過(guò)對(duì)每個(gè)三棱柱的體積求和，便可求出整個(gè)水庫(kù)的庫(kù)容，其數(shù)學(xué)模型為[7-8]：

(2)

式中：

V——庫(kù)容，m3；

PS——單個(gè)DEM格網(wǎng)的面積，m2；

H——指定水位的高程面，m；

Hi——DEM三角格網(wǎng)角點(diǎn)高程面，m。

4.2 計(jì)算過(guò)程

提取地形圖成果中的數(shù)字高程模型(DEM)，繪制計(jì)算庫(kù)容的邊界范圍，導(dǎo)入庫(kù)容計(jì)算軟件。根據(jù)DEM建立不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，再利用邊界范圍裁剪三角網(wǎng)，得到用于計(jì)算庫(kù)容的不規(guī)則三角網(wǎng)。軟件計(jì)算三角網(wǎng)中每個(gè)三角形在相應(yīng)水位時(shí)對(duì)應(yīng)的柱體體積，再對(duì)所有三角形柱體體積求和，得到相應(yīng)水位的庫(kù)容和槽蓄量，同時(shí)計(jì)算出該水位的水面面積。對(duì)所有水位的庫(kù)容和槽蓄量成果進(jìn)行匯編，得到庫(kù)容及和槽蓄量成果[9-10]。

2009年潮州供水樞紐庫(kù)區(qū)庫(kù)容率定采用的是2009年施測(cè)的地形圖，本次庫(kù)容計(jì)算邊界與2009年邊界范圍一致，五閘上游河槽槽蓄量計(jì)算邊界按業(yè)主的要求設(shè)定。

4.3 潮州供水樞紐庫(kù)區(qū)庫(kù)容計(jì)算

1)庫(kù)容成果

本次計(jì)算水位從0至10.7 m，其中0～8.5 m采用0.1 m水位間隔計(jì)算庫(kù)容，8.5～10.7 m采用0.05 m水位間隔計(jì)算庫(kù)容，不同高程面的庫(kù)容見圖3。

圖3 本次潮州水利樞紐不同水位的庫(kù)容曲線示意

2)總體庫(kù)容比較

本次庫(kù)容成果與往期庫(kù)容對(duì)比見表1[11]。

表1 潮州供水樞紐庫(kù)區(qū)兩期庫(kù)容數(shù)據(jù)對(duì)比

3)壩址上游1 km重要堤段庫(kù)容比較

按照業(yè)主的要求，把潮州供水樞紐庫(kù)區(qū)壩址上游1 km處的2009年與2020年水下范圍作為重要堤段進(jìn)行比較，利用水下地形高程點(diǎn)和等高線，通過(guò)Arcgis軟件創(chuàng)建TIN和DEM，采用疊加分析的方法對(duì)2009年與2020年的DEM制作等值線沖淤變化圖(見圖4)，2020年相對(duì)于2009年的河床整體淤積大于沖刷，淤積變化在0～5.0 m之間，主要集中在0～2 m之間，淤積最大位置位于樞紐右岸上游約770 m處；沖刷下切整體變化在0～4.4 m之間，主要集中在0～1 m之間，下切最大位置位于樞紐右岸上游約900 m處[11]。

圖4 壩址上游1 km重要堤段等值線沖淤變化示意

根據(jù)業(yè)主的需要，分別在淤積最大處和下切最大處垂直河床作一條斷面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5和圖6所示，箭頭表示淤積和下切最大處的位置。

圖5 淤積最大處斷面對(duì)比示意

圖6 下切最大處斷面對(duì)比示意

4.4 五閘上游河槽槽蓄量計(jì)算

1)五閘上游西區(qū)域槽蓄量計(jì)算

本次五閘上游西區(qū)域槽蓄量計(jì)算主要包括西溪、梅溪、新津河和外砂河，計(jì)算水位從0至2.65 m，采用0.05 m水位間隔計(jì)算槽蓄量，不同高程面的槽蓄量見圖7所示。

圖7 五閘上游西區(qū)域不同水位的槽蓄量曲線示意

2)五閘上游東區(qū)域槽蓄量計(jì)算

本次五閘上游東區(qū)域槽蓄量計(jì)算主要包括東溪、蓮陽(yáng)河、南溪和北溪，計(jì)算水位從0～3.05 m，采用0.05 m水位間隔計(jì)算槽蓄量，不同高程面的槽蓄量見圖8所示。

圖8 五閘上游東區(qū)域不同水位的槽蓄量曲線示意

3)五閘上游總槽蓄量計(jì)算

由于五閘上游河槽西區(qū)域計(jì)算槽蓄量水位從0～2.65 m，東區(qū)域計(jì)算槽蓄量水位從0～3.05 m，匯總東西兩區(qū)域槽蓄量成果，計(jì)算水位取最小值從0～2.65 m，不同高程面的槽蓄量見圖9所示。

圖9 五閘上游不同水位的總槽蓄量曲線示意

4.5 成果精度驗(yàn)證

1)轉(zhuǎn)換成果驗(yàn)證

為了確保本次坐標(biāo)和高程轉(zhuǎn)換的可靠性，均勻采用能覆蓋測(cè)區(qū)的已有6個(gè)高等級(jí)平高控制點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算，另外利用測(cè)區(qū)已有的2個(gè)高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后成果檢查，轉(zhuǎn)換后的成果與已知點(diǎn)對(duì)比均小于3 cm，說(shuō)明轉(zhuǎn)換方法正確，成果質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

2)計(jì)算成果驗(yàn)證

為了保證庫(kù)容及槽蓄量計(jì)算成果精度的可靠性，本次成果采用與2009年相同的ArcGIS軟件進(jìn)行主算，還采用了Bentley GEOPAK Site軟件進(jìn)行成果校核，確保主算成果與核算成果較差不超過(guò)±1%，具體的成果精度驗(yàn)證如下[11-12]：

① 潮州供水樞紐庫(kù)區(qū)庫(kù)容主算成果與核算成果較差最大為0.63%，最小為0.08%。

② 五閘上游西區(qū)域槽蓄量計(jì)算中，各河道槽蓄量的主算成果與核算成果較差最大為0.62%，最小為0.06%。

③ 五閘上游東區(qū)域槽蓄量計(jì)算中，各河道槽蓄量的主算成果與核算成果較差最大為0.66%，最小為0.07%。

通過(guò)以上主算和核算的計(jì)算成果可知，本次主算和核算的較差屬于合理范圍，說(shuō)明計(jì)算方法正確，成果質(zhì)量準(zhǔn)確可靠。

5 潮州供水樞紐庫(kù)區(qū)庫(kù)容變化原因分析

由表1可知，2020年庫(kù)容較2009年庫(kù)容明顯增加；由圖4可知壩址上游1 km處的河床整體淤積大于沖刷，主要是由于樞紐東西兩壩導(dǎo)致河水流速減小從而引起泥沙落淤等原因所致，總體的沖刷段位于壩址上游的1～23.4 km。

經(jīng)分析認(rèn)為，造成庫(kù)區(qū)整體庫(kù)容增大的原因主要分為自然因素和人為因素兩個(gè)方面，自然因素為河道受汛期洪水的沖刷以及河道上游水沙自然演變等；人為因素為河道采砂、航道整治疏浚、河灘地開發(fā)利用和兩岸堤防建設(shè)等，使得洪水歸槽，引起河床下切，從而導(dǎo)致河道行洪面積增大，最終引起庫(kù)容的增加[11-12]。

由于五閘上游的槽蓄量是第一次計(jì)算，故本次不作分析。

6 總結(jié)與建議

本文采用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)、多波束無(wú)人船等先進(jìn)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，2020年與2009年兩期地形圖制作采用了相同的坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)、比例尺和繪制軟件，且采用相同的數(shù)據(jù)處理軟件和計(jì)算方法進(jìn)行庫(kù)容和槽蓄量計(jì)算，并利用不同的軟件對(duì)庫(kù)容和槽蓄量進(jìn)行核算，主算和核算的較差滿足規(guī)范要求，成果質(zhì)量可靠。

從本次潮州供水樞紐庫(kù)區(qū)庫(kù)容的復(fù)核可知，經(jīng)過(guò)10多年的變化發(fā)展，潮州供水樞紐庫(kù)區(qū)庫(kù)容發(fā)生了較明顯的變化，由于庫(kù)容和槽蓄量是樞紐工程運(yùn)行調(diào)度的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為確保韓江下游及三角洲地區(qū)防洪及供水安全，建議相關(guān)部門在岸線和庫(kù)區(qū)管理中承擔(dān)起相應(yīng)職責(zé)，依法依規(guī)加強(qiáng)岸線保護(hù)與水資源的利用和運(yùn)行管理工作，并且定期組織對(duì)庫(kù)區(qū)庫(kù)容和五閘上游的槽蓄量進(jìn)行復(fù)測(cè)，對(duì)韓江下游及三角洲地區(qū)的水災(zāi)害預(yù)報(bào)和造?；洊|人民具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。