廣東省潮州供水樞紐庫區庫容及出?？谖彘l河槽槽蓄量計算與成果分析

問 娟，劉良福

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，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，是韓江下游及其三角洲地區水資源調配控制性工程。該樞紐是以合理調配東溪、西溪、北溪水資源為主，結合發電，兼顧航運、水環境保護的綜合性水利樞紐工程。水位庫容曲線是樞紐工程運行調度過程中的一項非常重要的基礎數據，其準確性直接影響樞紐實時入庫流量計算和入庫流量預報的精準度。該樞紐工程自建成運行后，于2009年對庫容進行過一次率定測量，至今已有10多年時間，為了解庫容的變化，確保韓江下游及三角洲地區供水和度汛安全，故需再次對庫區庫容進行重新率定[1]。

本次計算范圍包括潮州供水樞紐庫區和三角洲河網出?？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，潮州供水樞紐庫區計算范圍從樞紐閘前至韓江上游赤鳳鎮浮石村河段，線路總長23.4 km。五閘上游河槽被蓬洞河分成了東西兩個區域，“五閘上游河槽東區域”的計算范圍包含東里橋閘上游部分的南溪、蓮陽橋閘上游部分的蓮陽河及東溪河段、北溪，合計長60.6 km；“五閘上游河槽西區域”的計算范圍包含西溪、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，合計長45.5 km。位于東西兩區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，以水閘為界兩側的槽蓄量分別納入東溪及西溪進行計算。

圖1 總計算范圍示意

2 數據采集

2020年6—8月，本項目的陸地地形測量采用了無人機搭載激光雷達和數碼相機等先進航空攝影測量技術手段進行數據獲取，陸地地形圖制作采用“激光點云輔助正射影像進行矢量化法”，先室內繪制后野外調繪，再進行修改和清繪。水下地形測量采用了“GNSS RTK+單(多)波束數字測深儀”組成無人船測深系統進行數據采集，實時高程通過水深改正后可制作水下地形圖，最后把水陸地形圖進行合并便可制作完整的庫區及五閘河槽地形圖[2]。外業數據采集示意見圖2。

圖2 外業數據采集示意

3 坐標及高程轉換

3.1 坐標轉換

由于2009年施測的地形圖采用了1954年北京坐標系，與現階段的2000國家大地坐標系不一致。為了將當前的地形圖成果與2009年施測的地形圖成果更好地進行對比分析，需要將2009年施測的成果轉換為2000國家大地坐標系下的成果。本次坐標轉換采用的是理論最成熟、使用最廣泛的平面四參數轉換模型，具體的轉換模型為[3-5]：

(1)

式中：

Δx、Δy——2個平移參數，m；

α——旋轉參數，°；

m——尺度參數。

3.2 高程轉換

由于2009年施測地形圖采用的是珠江基面高程基準，與現階段的1985國家高程基準不一致，為了進行不同時期成果的比對分析，需要將2009年施測的成果轉為當前采用的1985國家高程基準下的成果。根據早期我省水利系統三等水準復測的轉換參數可知，珠江基面高程基準和1985國家高程基準之間存在一個常數誤差，具體轉換關系為[6]：

珠江基面高程基準=1985國家高程基準-0.744 m。

將經過坐標和高程轉換后的2009年地形圖，再與當前施測的地形圖進行庫容和槽蓄量計算及成果比對分析。

4 庫容及槽蓄量計算

4.1 基本原理

利用地形圖建立庫區數字高程模型(DEM)，根據實際庫底形態特征將水體微分成n個三棱柱體，通過對每個三棱柱的體積求和，便可求出整個水庫的庫容，其數學模型為[7-8]：

(2)

式中：

V——庫容，m3；

PS——單個DEM格網的面積，m2；

H——指定水位的高程面，m；

Hi——DEM三角格網角點高程面，m。

4.2 計算過程

提取地形圖成果中的數字高程模型(DEM)，繪制計算庫容的邊界范圍，導入庫容計算軟件。根據DEM建立不規則三角網(TIN)，再利用邊界范圍裁剪三角網，得到用于計算庫容的不規則三角網。軟件計算三角網中每個三角形在相應水位時對應的柱體體積，再對所有三角形柱體體積求和，得到相應水位的庫容和槽蓄量，同時計算出該水位的水面面積。對所有水位的庫容和槽蓄量成果進行匯編，得到庫容及和槽蓄量成果[9-10]。

2009年潮州供水樞紐庫區庫容率定采用的是2009年施測的地形圖，本次庫容計算邊界與2009年邊界范圍一致，五閘上游河槽槽蓄量計算邊界按業主的要求設定。

4.3 潮州供水樞紐庫區庫容計算

1)庫容成果

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

圖3 本次潮州水利樞紐不同水位的庫容曲線示意

2)總體庫容比較

本次庫容成果與往期庫容對比見表1[11]。

表1 潮州供水樞紐庫區兩期庫容數據對比

3)壩址上游1 km重要堤段庫容比較

按照業主的要求，把潮州供水樞紐庫區壩址上游1 km處的2009年與2020年水下范圍作為重要堤段進行比較，利用水下地形高程點和等高線，通過Arcgis軟件創建TIN和DEM，采用疊加分析的方法對2009年與2020年的DEM制作等值線沖淤變化圖(見圖4)，2020年相對于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

根據業主的需要，分別在淤積最大處和下切最大處垂直河床作一條斷面進行對比，結果如圖5和圖6所示，箭頭表示淤積和下切最大處的位置。

圖5 淤積最大處斷面對比示意

圖6 下切最大處斷面對比示意

4.4 五閘上游河槽槽蓄量計算

1)五閘上游西區域槽蓄量計算

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

圖7 五閘上游西區域不同水位的槽蓄量曲線示意

2)五閘上游東區域槽蓄量計算

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

圖8 五閘上游東區域不同水位的槽蓄量曲線示意

3)五閘上游總槽蓄量計算

由于五閘上游河槽西區域計算槽蓄量水位從0～2.65 m，東區域計算槽蓄量水位從0～3.05 m，匯總東西兩區域槽蓄量成果，計算水位取最小值從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 成果精度驗證

1)轉換成果驗證

為了確保本次坐標和高程轉換的可靠性，均勻采用能覆蓋測區的已有6個高等級平高控制點進行轉換參數計算，另外利用測區已有的2個高等級控制點進行轉換后成果檢查，轉換后的成果與已知點對比均小于3 cm，說明轉換方法正確，成果質量滿足規范要求。

2)計算成果驗證

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

① 潮州供水樞紐庫區庫容主算成果與核算成果較差最大為0.63%，最小為0.08%。

② 五閘上游西區域槽蓄量計算中，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 五閘上游東區域槽蓄量計算中，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%。

通過以上主算和核算的計算成果可知，本次主算和核算的較差屬于合理范圍，說明計算方法正確，成果質量準確可靠。

5 潮州供水樞紐庫區庫容變化原因分析

由表1可知，2020年庫容較2009年庫容明顯增加；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。

經分析認為，造成庫區整體庫容增大的原因主要分為自然因素和人為因素兩個方面，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、河灘地開發利用和兩岸堤防建設等，使得洪水歸槽，引起河床下切，從而導致河道行洪面積增大，最終引起庫容的增加[11-12]。

由于五閘上游的槽蓄量是第一次計算，故本次不作分析。

6 總結與建議

本文采用無人機搭載激光雷達、多波束無人船等先進測量設備進行數據采集，2020年與2009年兩期地形圖制作采用了相同的坐標系統、高程基準、比例尺和繪制軟件，且采用相同的數據處理軟件和計算方法進行庫容和槽蓄量計算，并利用不同的軟件對庫容和槽蓄量進行核算，主算和核算的較差滿足規范要求，成果質量可靠。

從本次潮州供水樞紐庫區庫容的復核可知，經過10多年的變化發展，潮州供水樞紐庫區庫容發生了較明顯的變化，由于庫容和槽蓄量是樞紐工程運行調度的重要基礎數據，為確保韓江下游及三角洲地區防洪及供水安全，建議相關部門在岸線和庫區管理中承擔起相應職責，依法依規加強岸線保護與水資源的利用和運行管理工作，并且定期組織對庫區庫容和五閘上游的槽蓄量進行復測，對韓江下游及三角洲地區的水災害預報和造?；洊|人民具有非常重要的現實意義。