水库库容和淤积测量技术研究

[12-11 16:58:43] 来源：http://www.tmgc8.com 水利水电 阅读：3209次

摘要：摘要：作者应用全球定位系统(gps)和回声测深技术，对水库库容和淤积测量进行了研究，并提出了三角形构网方法，经实际运用取得了满意的效果。
关键词：gps 库容淤积测量近年来，我国洪水灾害频繁发生，给国民经济和人民生命财产带来严重威胁和重大损失。水库作为人类蓄水发电、灌溉和防洪调度等的重要设施，发挥着越来越大的作用，并取得了巨大的社会效益和经济效益。水库库容和淤积量是水库调度的重要参数，其精度直接影响到水库的防洪安全与蓄水兴利。随着现代测控技术的迅速发展，将其应用到水利电力领域是一项值得研究和推广的课题。本文在分析传统水库库容及淤积量测量所存在问题的基础上，依靠高精度gps(global positioning system,简称gps)定位和回声测深技术，对湖南某库区水下地形进行了测量，并提出了根据三角形构网方法，利用“三角柱”的水柱体积和淤积体积来获得库容和淤积量的新见解，经实际运用，取得了满意效果。

1 常规库容及淤积量的确定

　　常规的库容计算方法多采用断面法。其库区容量的计算模型为： $\"07(1).gif$ (1) 式中：v_i、l_i为第i个断面到第i+1个断面间的库容和距离；n为分段个数；s_i、m、d、h_i分别为第i个断面的面积、测点个数、点间距和每个测点的深度测量值。

　　采用断面法虽然操作简单，但受前提假设的制约，精度难以保证。淤积量是根据前后两次的的库容较差获得，库容不准确，淤积量的计算精度就无从谈起。

2 高精度水下地形测量技术^[1,2]

2.1 水下地形测量 所谓水下地形测量，就是利用测量仪器来确定水底点的三维坐标的过程。随着gps技术的迅速发展，水下地形测量方法取得了很大的进展。目前，水下地形测量技术已定型于采用gps获取平面坐标，测深仪获取深度数据的基本模式。同时，为了获得水下地物的海拔高程，以及消除潮汐、水位落差等诸因素的影响，进行水位监测也是一个重要环节。水下地形测量现状示意图如下。针对上述现有模式，文献[1]对测量设备的选型、基准点的布设、潮汐观测的具体实施等诸多技术问题，进行了深入探讨。 2.2 gps载波相位差分定位技术和回声测深技术 随着gps技术的发展，gps日益广泛应用于水利电力工程的各个方面。为了提高定位精度，一般均采用差分技术。在众多的差分技术中，伪距差分和载波相位差分是最为常用的两种测量模式，后者的定位精度较高(厘米级)，通常用于高精度的测量工程和研究中。 $\"07t01.gif$
图1 水下地形测量现状示意　　载波相位差分测量的定位精度很大程度上依赖于整周模糊度能否在航精确确定。整周模糊度在航解算(otf)是一种动态环境下的模糊度确定方法，它可省去在精密动态定位中的的静态初始化过程。常规精密定位中复杂的整周跳变问题也因otf的引入变得十分简单。载波相位差分测量整周模糊度的确定模型为：www.tmgc8.com x_k=φ_k-1x_k-1+γ_k-1w_k-1 w_k～n(0,q_k)
z_k,_φ=h_k,_φx_k+v_k,_φv_k,_φ～n(0,r_k,_φ) (2) 式中：x_k=(d_x d_y d_z x y z d_n0 d_n1…d_nm)为状态向量；φ_k-1为状态转移矩阵；h_k,_φ为载波相位的测量矩阵；r_k,_φ为载波相位的方差阵；q_k为系数阵。 $\"07-1.gif$ =cc^t q_k=ff^t=min f=c^t(dn-d $\"07-2.gif$ ) (3) 　　由式(3)计算得到整周模糊度n后，代入载波相位观测方程，便可以获得厘米级甚至毫米级的平面定位精度。

　　回声测深仪是一种单波束测深设备，深度的测量是根据最小声程决定。按照使用频率个数的不同，又可分为单频和双频。双频测深仪根据两个频率测量深度较差获得淤积层厚度。

2.3 高精度库容和淤积量测量方法 库容和淤积量的精密测量采用现代水下地形测量方法，即利用gps载波相位差分测量技术进行平面定位，测深仪进行深度测量，gps和测深仪保证同步作业，获取水底测点平面和深度信息的作业模式。

　　为了保证库容和淤积量的计算精度，需要对库区进行测线设计，gps和测深采样也要按照水下地形测量规范等间隔或等时间采样。设测量比例尺为1:scale，测量船的平均速度为，则测线间距d和时间间隔δt为： d=scale×10^-4
δt=d/ $\"07-3.gif$ (4) 　　为了提高测量精度，在测线布设时，还应该考虑水下地形的变化趋势，若变化相对比较平坦，则测线间距可以适当放宽，否则，需加密测线。这有利于使测点均匀分布于整个测区，同时在测区水下地形变化复杂的地区使测点深度或高程能更好地反映水下地形的真实面貌。

3 库容和淤积量的计算方法

3.1 库容计算方法 为了提高计算精度，充分利用水下地形测量数据，本文提出了一种三角柱计算库容的方法。该法建立在实际测点的基础上，根据图2，相邻三个测点可构成的三角柱体积为：

www.tmgc8.com $\"07(5).gif$ (5) 设n为整个库区三角形个数，则整个库区的库容为： $\"07(6).gif$ (6) 3.2 淤积量计算方法 当库底为基岩构造时，采用双频(f1、f2)测深仪测深，淤积量的计算方法同库容相似。设相邻三个测点在淤积层表面利用f1测得深度分别为h₁、h₂和h₃，利用f2，在对应点基岩上测得的深度分别为h′₁、h′₂和h′₃，若设淤积层表面面积为s₂，基岩上的面积为s₃，则淤积量为： $\"07(7).gif$ (7) 式中淤积层上下面的面积s₂和s₃的计算方法同式(5)。

　　则库区的淤积量为： $\"07(8).gif$ (8) 　　对于上述情况，v′的计算还可采用模型： v′=v_f2-v_f1 (9) 式中：v_f1、v_f2分别代表根据f₁、f₂测得的淤积表面、基岩表面上的深度计算得到的体积。 $\"07t02.gif$ $\"07t03.gif$
图2 相邻三个测点构成的三角柱示意 www.tmgc8.com
图3 相邻三个测点构成的淤积三角柱示意　　然而，对于淤积层下地质是非基岩的情况，式(9)的库区淤积量计算模型就不再适用，而需要根据建库初期的原始床面(地形图)计算空库容，或者前期确定的库容量，与根据本次利用f1频率测量的水深(淤积层表面的水深)计算所得库容v_{[1] [2] 下一页

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