劉迎新

（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710021）

1 概述

三門峽水庫始建于1957年，1960年9月該水庫建成蓄水投入使用，該水庫淹沒線高程為335m，設(shè)計(jì)庫容為60億m3，屬于一座大型水庫。三門峽庫區(qū)使用的平面坐標(biāo)系統(tǒng)為三角山坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為大沽高程系統(tǒng)。三角山坐標(biāo)系是在1954年黃委會(huì)為了測(cè)三門峽庫區(qū)1∶10000地形圖建立的基本控制網(wǎng)。20世紀(jì)50年代初期，1954年北京坐標(biāo)系尚未傳遞到三門峽測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)內(nèi)尚無統(tǒng)一的基本水平控制和高程控制。1954年～1955年，黃委會(huì)利用1953年～1954年由中央軍委總參謀部測(cè)繪局所測(cè)的西安至陜縣的國家一等三角鎖，長208km，作為本測(cè)區(qū)長度的起算數(shù)據(jù)。一等鎖以陜縣基線網(wǎng)的三角山二等天文點(diǎn)的天文觀測(cè)資料為方位和坐標(biāo)起算數(shù)據(jù)，在六度帶投影平面上，對(duì)西安至陜縣的國家一等鎖進(jìn)行平差并推算出各三角點(diǎn)的大地坐標(biāo)，故稱之為“三角山坐標(biāo)系”。大沽高程是在解放前，國民政府的黃河水利委員會(huì)測(cè)有鞏縣到潼關(guān)的精密水準(zhǔn)路線，系大沽零點(diǎn)高程系統(tǒng)。后來在三門峽壩址區(qū)布設(shè)的二等水準(zhǔn)環(huán)，就是引自該水準(zhǔn)路線上的原老陜州火車站附近的水準(zhǔn)點(diǎn)CCTKBM94的舊高程，1954年黃委會(huì)又從鄭州保合寨水準(zhǔn)點(diǎn)PBMIL以精密水準(zhǔn)引至三門峽測(cè)區(qū)，在三門峽水庫區(qū)外圍布設(shè)了一個(gè)精密水準(zhǔn)環(huán)，即：陜縣—華陰—臨潼—富縣—河津—侯馬—陜縣，周長922．6km，環(huán)形閉合差＋6．9mm（允許限差為121．2mm），以此環(huán)作為三門峽水庫區(qū)各種測(cè)量工作的高程起算數(shù)據(jù)。

三門峽水庫淹沒區(qū)和影響區(qū)涉及陜西、山西和河南三省，水庫庫容主要在陜西潼關(guān)縣以上的黃河、渭河和洛河匯流區(qū)。由于河流夾帶泥沙嚴(yán)重，來沙不斷淤積，河底高程隨之不斷抬高。幾十年來有關(guān)部門一刻不停的監(jiān)測(cè)著三門峽庫水庫的變化情況，特別是三門峽水庫的庫容情況，是人們十分關(guān)注的問題。

2 南方cass計(jì)算庫容的原理

傳統(tǒng)的庫容計(jì)算方法一般是采用斷面法，在庫區(qū)布設(shè)一定數(shù)量的斷面，然后根據(jù)斷面測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行庫容計(jì)算。斷面法計(jì)算庫容相對(duì)比較簡(jiǎn)便，但是利用斷面法計(jì)算庫容有一定的局限性，其前提是要求斷面水下地形平坦、河床變化規(guī)則、測(cè)區(qū)不能有支流，并且要精確測(cè)量出各條斷面的間距，只有滿足這樣的條件，利用斷面法計(jì)算出來的庫容值精度才會(huì)有保障。然而實(shí)地地形都是變化錯(cuò)綜復(fù)雜，河床參差不齊，整個(gè)測(cè)區(qū)也不可能沒有支流，這種情況下所布設(shè)的斷面不能完全反應(yīng)整個(gè)庫區(qū)的地形，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量各斷面間距也有很大困難，這樣以來，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了誤差，當(dāng)然計(jì)算出的庫容精度就相對(duì)較低，誤差也較大。

然而，南方cass計(jì)算庫容是建立在數(shù)字化地形圖上的。南方cass軟件可根據(jù)DTM法、方格網(wǎng)法、等高線法等方法計(jì)算庫容。DTM法計(jì)算庫容工作量相對(duì)較小，步驟簡(jiǎn)便，精度較高，應(yīng)用十分廣泛。不管是那種方法其原理是一樣的，都是將野外采集的地形數(shù)據(jù)經(jīng)過編輯處理，在南方cass中建立DTM模型，然后根據(jù)三角網(wǎng)形狀將整個(gè)庫容分割成若干個(gè)三角柱體，計(jì)算每個(gè)三角柱體的體積，所有三角柱體的體積總和值就是該水庫的庫容值。

3 利用南方cass計(jì)算三門峽水庫庫容的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集

可采用常規(guī)儀器采集庫區(qū)地形數(shù)據(jù)，也可采用GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。水下地形測(cè)量一般采用GPS定位配合測(cè)深儀器進(jìn)行，其在庫區(qū)水下地形點(diǎn)測(cè)量前，先進(jìn)行測(cè)線設(shè)計(jì)，GPS定位和測(cè)深采樣按照水下地形測(cè)量規(guī)范要求進(jìn)行測(cè)點(diǎn)間隔設(shè)置，對(duì)于測(cè)區(qū)水下地形變化復(fù)雜的地區(qū)可以加密測(cè)點(diǎn)，使測(cè)點(diǎn)能更好地反映水下地形的變化趨勢(shì)。

利用南方cass計(jì)算庫容所需要的地形數(shù)據(jù)對(duì)于三門峽水庫來說已不是問題。首先，三門峽庫區(qū)的數(shù)字化地形圖每過幾年就會(huì)更新一次，雖然庫區(qū)地形圖不能完整的繪制出水下地形，但那也只是一小部分沒有表示出來，外業(yè)補(bǔ)充采集地形數(shù)據(jù)的工作量已十分小了，這就為利用南方cass計(jì)算庫容提供了保障性的基礎(chǔ)。其次，三門峽庫區(qū)在渭河、洛河、黃河分別布設(shè)了一定數(shù)量的淤積斷面，這些斷面每年大汛前后都會(huì)施測(cè)，監(jiān)測(cè)河床淤積變化情況，淤積斷面測(cè)量頻次高，而且施測(cè)時(shí)間有規(guī)律，從中可以很好的掌握庫區(qū)河勢(shì)、淤積的變化情況，施測(cè)淤積斷面所采集的數(shù)據(jù)完全可以作為計(jì)算庫容的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且還會(huì)持續(xù)的更新。再次，庫區(qū)范圍內(nèi)不時(shí)有新修工程或舊工程重修的現(xiàn)象，這些工程都需要采集野外數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過整理都可以作為更新三門峽水庫庫容計(jì)算的地形數(shù)據(jù)。

總之，三門峽庫區(qū)內(nèi)有著足以計(jì)算出高精度庫容的地形數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)還會(huì)不斷的更新，當(dāng)然三門峽水庫的庫容值也會(huì)隨著而變化。

3.2 生成數(shù)字地面模型(DTM)及庫容計(jì)算

整理庫區(qū)校準(zhǔn)洪水位高程以下的地形數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為南方cass軟件可讀取的dat格式，再將其高程展繪到南方cass軟件中去，利用多段線劃定所展繪高程點(diǎn)的范圍，在等高線命令欄選擇“建立DTM”→選擇建立DTM的方式“由數(shù)據(jù)文件生成”或“由圖面數(shù)據(jù)生成”→點(diǎn)擊“確定”→根據(jù)cass軟件左下方命令欄提示操作，南方cass軟件就會(huì)自動(dòng)生成DTM模型，對(duì)于新生成的DTM模型不能直接用來計(jì)算庫容值，應(yīng)該對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，修改或去除掉不合適的部分，然后在等高線命令欄選擇“修改結(jié)果存盤”。這時(shí)DTM模型已經(jīng)生成，在工程應(yīng)用命令欄選擇“DTM法土方計(jì)算”→“根據(jù)圖上三角網(wǎng)”→根據(jù)cass軟件左下方命令欄提示操作即可計(jì)算出給定標(biāo)高下的水庫庫容。

3.3 繪制庫容曲線

計(jì)算庫容很重要，但是繪制庫容曲線圖更重要，可以根據(jù)標(biāo)高和庫容值繪制成X-Y坐標(biāo)下的庫容曲線圖，繪制不同時(shí)期相同校正洪水位下的庫容曲線，是防汛抗旱、水庫調(diào)度、水量調(diào)度、應(yīng)急監(jiān)測(cè)及水庫河道研究的重要基礎(chǔ)資料。

4 利用南方cass計(jì)算三門峽水庫庫容的優(yōu)點(diǎn)

首先，三門峽庫區(qū)數(shù)字化地形圖、水下地形資料、淤積斷面數(shù)字化資料等各種工程數(shù)字化資料豐富，大大減少了外業(yè)采集數(shù)據(jù)的工作量。這些數(shù)據(jù)都是采用了現(xiàn)代高精度的GPS定位系統(tǒng)、全站儀、回聲測(cè)深儀等先進(jìn)設(shè)備和先進(jìn)技術(shù)采集而來，數(shù)據(jù)的精度可以達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)，完全可以滿足甚至優(yōu)于庫容測(cè)量的精度要求。

其次，從計(jì)算方法角度講,庫容計(jì)算是完全建立在高精度、高密度測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，而且是根據(jù)每一個(gè)小三角柱單元計(jì)算所得體積的疊加來獲得最終計(jì)算結(jié)果的，三角柱單元的體積計(jì)算在數(shù)學(xué)上是嚴(yán)密的，計(jì)算所得結(jié)果幾乎不損失精度。因而在三門峽庫區(qū)利用南方cass計(jì)算庫容完全可以實(shí)現(xiàn)高精度的庫容值。

5 三門峽水庫庫容計(jì)算過程中需要解決的一些問題

誠然，相對(duì)傳統(tǒng)的庫容計(jì)算方法，本文所述方法自然增大了測(cè)量的工作量、數(shù)據(jù)整理的工作量和計(jì)算技術(shù)上的復(fù)雜度，但這些均可通過計(jì)算機(jī)編程或借助相關(guān)專業(yè)軟件來自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

（1）在三門峽庫區(qū)積累有幾十年的水文、地形等資料，資料種類繁多，想要把所用有價(jià)值的資料都利用起來，顯然數(shù)據(jù)整理是一項(xiàng)龐大的工作。針對(duì)這一問題，我們可以利用計(jì)算機(jī)建立數(shù)據(jù)庫，根據(jù)整理數(shù)據(jù)的施測(cè)年代、施測(cè)方法、施測(cè)精度、施測(cè)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化分類，然后再納入數(shù)據(jù)庫；這樣以來只是第一次的數(shù)據(jù)整理工作量比較龐大，但是以后利用起來就會(huì)方便很多；同時(shí)數(shù)據(jù)庫也會(huì)隨著數(shù)據(jù)的新增而實(shí)時(shí)更新。

（2）根據(jù)文中的測(cè)量和計(jì)算原理可以看出，對(duì)于三門峽這個(gè)比較大的庫區(qū)，利用地形數(shù)據(jù)在南方cass中生成DTM數(shù)字模型時(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)。為了克服這個(gè)問題，在三角形構(gòu)造中可采用域搜索法組建三角網(wǎng)，事先對(duì)整個(gè)區(qū)域根據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行劃分，然后結(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。

（3）三門峽庫區(qū)建庫的基礎(chǔ)平面系統(tǒng)為三角山坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)為大沽高程系統(tǒng)，但是目前三門峽庫區(qū)收集到的地形數(shù)據(jù)所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系分別有：1980西安坐標(biāo)系、1954年北京坐標(biāo)系、2000國家坐標(biāo)系、1956年黃海高程系統(tǒng)、1985國家高程基準(zhǔn)。地形數(shù)據(jù)參與庫容計(jì)算時(shí)應(yīng)轉(zhuǎn)換成同一坐標(biāo)系、同一高程基準(zhǔn)下的數(shù)據(jù)成果。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計(jì)算工作量相對(duì)較大，手工計(jì)算根本無法完成，針對(duì)這樣的問題，目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)一批坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算的軟件如：科傻、南方cass、TGPPS等軟件，同時(shí)還可以根據(jù)自己的需要和要求編寫一些小軟件進(jìn)行計(jì)算，利用這些軟件借助計(jì)算機(jī)會(huì)很容易的實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算。

6 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)水平的飛速發(fā)展，測(cè)量技術(shù)水平的不斷提高、先進(jìn)測(cè)量設(shè)備的不斷更新，再加之三門峽庫區(qū)有著豐富的已成數(shù)字化資料，利用南方cass計(jì)算水庫庫容的方法的優(yōu)越性日趨明顯，其勢(shì)必替代傳統(tǒng)的計(jì)算方法。陜西水利

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