九甸峡水库淤积体体积测量方法初探

时间：2024-05-22

司江民

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州 730000）

0.概述

九甸峡水库位于甘肃省甘南藏族自治州卓尼、临潭两县交界处，洮河中游九甸峡峡口处。坝址区距上游古城水电站58km，距下游莲麓水电站5.5km，距下游临洮县城87km，距兰州市约190km。九甸峡水利枢纽工程是优先解决甘肃省中部干旱地区11个国家重点扶贫县城镇和农村人畜饮水及工业用水、生态环境用水，兼有灌溉、发电等综合利用功能的大型水利枢纽工程，其开发任务主要是供水，其次是发电。九甸峡水库正常蓄水位2202.0m，设计洪水位2201.3m，校核洪水位2205.1m，水库汛限水位2199.0m，水库死水位2166.0m。水库水域面积23.22km2，水库回水长度为53.86km。

九甸峡水库自2008年7月电站首台机组并网发电，其余两台机组分别于同年9月和12月投产运行。截至目前，电站已经安全运行13年。自运行以来，一直没有进行过相应的淤积测量工作。因此，了解、掌握库区淤积情况势在必行。

1.平面控制系统选取与平差

水库原有的平面坐标系统为1954年北京坐标系，是20世纪80年代测设的。为了适应发展及相关规定的需要，本次测绘平面系统采用CGCS2000，并基于该系统进行了工程坐标系的建立。在整个库区作业区域范围，埋设22座四等GNSS平面控制点。为了施测、使用方便，JK01～JK08均埋设在水库大坝至石门河临水库右岸一侧的公路边相对稳固的地方；自石门河口向上游至库尾，库区两岸都修建了公路，因此JK09～JK22成对埋设在左右岸。平面控制网的施测，严格遵照技术设计书的要求进行。CGCS2000平面控制网的计算，以GZ01、JK22作为已知点进行网平差计算。

1.1 GNSS网基线解算

采用南方GNSS数据处理软件，严格设置采样间隔10s，卫星截止高度角15°，根据基线残差分布，剔除周跳跳变影响的基线部分，使基线闭合差满足限差要求。

1.2 GNSS网平差计算

利用合格的基线，输入已知点坐标，进行WGS84系的三维网平差和CGCS2000系的二维约束平差。计算结果显示，各项测量指标都符合规范要求的四等GNSS网限差，网平差成果满足本次测量技术设计书要求。具体平差结果最弱点、最弱边（如表1、表2所示）：

表1 最弱点

表2 最弱边

工程坐标系的计算，以GZ01为起算基点，以GZ01～JK22的方位角为起算方位，选取坝顶高程2205m为边长投影面进行平差。最终成果采用CosaGPS数据处理软件进行平差，平差计算后的最弱点、最弱边（如表3、表4所示）：

表3 最弱点

表4 最弱边

从表中数据可以看出，控制网平差结果满足设计书及相关规范要求。

2.高程控制系统选取与施测精度

九甸峡水库原有的高程系统采用1956年黄海高程系，是20世纪80年代测设的。根据《中华人民共和国测绘法》和有关规定，高程系统须采用1985国家高程基准。为了满足工程运营管理的需要，本次测绘工程施测及计算过程中，确定了测区1956年黄海高程系与1985国家高程基准间的转换关系。

水库区的高程控制测量，分别布设了三等水准闭合路线和四等三角高程路线。枢纽区比较平缓，且水准路线较短，利用三等几何水准方法联测2个原有施工控制二等水准点高程至GZ01点，经平差计算，施测精度满足三等水准测量要求，从而确定了1956年黄海高程系与1985国家高程基准间的换算关系，即：H1985=H1956-0.153m。水库区域比较陡峭，采用四等三角高程路线测量，以GZ01为起算点，在测区沿水库两边道路敷设五条高程路线，经对向三角高程测量，平差后五条四等三角高程路线精度（如表5所示）：

表5 五条三角高程路线精度

此次共完成四等三角高程测量110km，利用南方平差易软件进行平差计算，结果为每千米高差全中误差为±7.60mm，满足四等水准测量要求。

3.水库地形图测绘

平高控制测量工作完成并经检校合格后，开展水库地形图的测绘。施测时已到水库防汛主汛期，水库已放水，使水位达到2175m～2177m。这样，水库地形图的测绘就分为水上部分和水下部分。

3.1 水面以上地形测绘

水上部分地形图测绘主要利用无人机航空摄影完成。对于石门河口至库尾相对平缓且两岸山体相对较低的区域，利用两架大疆精灵4无人机进行航拍；靶标布设基本按照300m间距埋设。对于石门河口至大坝枢纽区两岸山体高耸且沟壑纵横的区域，利用飞马V100无人机进行航拍；靶标的埋设基本按照500m间距控制。分5个区域进行航飞线路布置。航飞架次严格按测绘区域飞行，大疆精灵4低空无人机共进行8个区52架次航拍；飞马V100无人机共进行5个区8架次航拍；共布设靶标236个。自水库大坝至石门河口段的水面以上地形及石门河口至水库库尾的全部地形列入水面以上地形测绘范围。洮砚大桥上游至库尾河道水浅，机动船无法航行。该段河道利用华微3号无人船进行水下地形点的采集，急流、漩涡、深坑、陡崖、浅滩遍布，测量难度大，但为了数据的准确和可靠，困难再大也要克服。

每天对每个架次的航摄资料进行严格的检查，有漏片或漏POS数据的现象发生必须立即进行补飞，影像资料应与POS数据一一对应；有差分功能的无人机POS数据，每天要进行解算，并保证其正确。在影像资料和POS数据都合格的情况下，利用飞马快拼软件进行影像快拼，检查各项航摄参数是否正确。对检查合格后的航摄资料利用PhotoScan软件进行空三平差计算。首先根据立体影像判读进行地物、地貌矢量要素的采集形成航测数字化原图。数据采集按内业立体模型定位，外业最终定性的原则进行采集。数据采集时不应遗漏、移位，应保证数据的完整性、正确性。数据采集过程由专人进行错、漏检查，对于未按模型采集或漏采的地物、地貌应当重测或补测。五个分区依次加密像控点精度（如表6所示）：

表6 五个分区依次加密像控点精度

对于部分陡峭区域和隐蔽地方，可以采用全站仪和动态RTK进行作业，地形图测绘所使用的测绘仪器均经过了检验校正。在野外采集坐标、高程数据，利用全站仪内存及RTK手簿内存设备存储数据，同时外业绘制草图。水面以上地形图利用布设航测靶标时施测的检查点进行了检查评定。因测区范围内地物较少，实地共检查地物点32个，平面位置中误差±0.19m；检查高程点89个，高程中误差±0.13m，精度指标均满足相应地形图规范要求。

3.2 水面以下地形测绘

水下部分数据采集利用南方SDE230一体化测深系统和华微3号无人船共同采集。南方SDE230一体化测深系统开始作业前，首先要将测深探头牢固地固定在船体的一侧，并且尽量保证GNSS数据采集装置和测深探头处于同一铅垂线上，且测深探头要尽量离螺旋桨远一点，以免影响测深精度。准备工作完成后，开启测深系统，在相应界面输入校验参数，并输入测深探头的吃水深度及GNSS数据采集装置的天线高度，随后进行测深数据校验。这是每天作业开始前必须要做的工作。校验工作基本在浅水区进行，用花杆探测测深探头处水深，与测深仪所测水深进行比对，相符即开始作业，不符应分析原因重新校验。为了校验测深仪相关参数设置的正确性，利用测绳悬挂5kg的重锤在不超过20m的水域，对水深值进行多处比对。结果显示，南方SDE230一体化测深系统运行平稳，测深精度满足工作要求。华微3号无人船在入水后同样要进行校验参数设置。相关设置完成后，也必须进行水深校验，校验方法有花杆探测法和两船比对法，校验合格方能开展测深作业。华微3号无人船操作员搭乘承载南方SDE230一体化测深系统的机动船遥控指挥，华微3号无人船一般随行在机动船左右，便于操作。

数据采集过程中，需要刻意设计采集一定数量的检查航线点，用于检查测量数据的质量。检查航线多与正常航线垂直或平行或斜交，通过交点数据比对或者将检查航线点展绘在地形图上，检查地形相符性。水下地形施测时的水面高程为2177m，坝前最低点高程为2087.1m。经检查比对，绝大部分测点都在较差容许范围之内；有极少数测点受船姿、风浪等因素影响，水深较差超限。经过认真分析，对错误点进行了删除，并对地形图进行了修正。

水下地形不可见，即便是点位采集密度再大，也有很多遗漏的地形无法显示。为了把库区淤积体体积估算得更加准确、可靠，在水下地形图的绘制过程中，参照了该工程前期的部分测绘资料，主要有1993年测绘的坝址区1∶500地形图、2003年测绘的库区1∶2000移民、征地地形图，对于无法判定的地方，可以参照编辑。最终将库区地形图水上部分和水下部分合并，形成完整的库区地形图，进行目前库容计算。根据库容计算的要求，需要保证等高线（等深线）的连贯性，因此，地形图上的坡坎、陡崖都用等高线（等深线）表示。

4.水库淤积体体积计算

先计算水库库容，根据测绘仪器采集的数据编制完成的库区地形图，采用Civil3D三角网法与ArcGIS 3D Analyst体积法分别计算目前库容。经验证两个软件计算结果基本一致，最大较差为万分之四点三，满足规范千分之三的限差要求。为保持计算目前库容数据的一致性，选取ArcGIS 3D Analyst体积法计算的结果编制水位与库容关系表，用来绘制库容曲线图。选取九甸峡水库5个不同水位值时的设计库容，通过大量水面以上地形和水下地形测绘数据进行目前库容运算，通过不同水位库容做差法计算，可以计算出目前5个不同水位时的九甸峡水库淤积体体积（如表7所示）：

表7 九甸峡水库淤积体体积

设计库容采用早期设计报告中相关数据，目前库容是基于历史测绘数据和目前测绘数据联合计算出的。从计算结果来看，九甸峡水库运行13年来，平均淤积体体积为3.3802×107m3。