【摘要】 水庫(kù)庫(kù)容是水庫(kù)調(diào)度的重要參數(shù)，其精度直接到水庫(kù)的防洪安全與蓄水興利。本文介紹了大中型水庫(kù)容測(cè)量與庫(kù)容計(jì)算的方法，論述了水庫(kù)庫(kù)容測(cè)量合理測(cè)圖比例尺的選取、具體作業(yè)方法；采用ArcGIS建立數(shù)字高程模型方式，利用Python腳本文件建立循環(huán)，更加快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)分層庫(kù)容自動(dòng)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。文中給出了Python腳本文件建立循環(huán)的實(shí)例，對(duì)大中型水庫(kù)庫(kù)容測(cè)量及庫(kù)容計(jì)算有較好的借鑒意義。
關(guān)鍵詞 庫(kù)容測(cè)量 庫(kù)容計(jì)算 數(shù)字高程模型 ArcGIS Python
1 概述
大中型水庫(kù)在防洪、灌溉、發(fā)電和水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面多發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，而且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，它將發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。水庫(kù)庫(kù)容作為當(dāng)今水利工程施工建設(shè)和運(yùn)行管理中不可忽略的重要參數(shù)之一，它是確定裝機(jī)容量、工程施工量、泄洪量以及水利功能的重要指導(dǎo)依據(jù)。在目前的工程項(xiàng)目中，庫(kù)容計(jì)算結(jié)果的精確度、可靠度的提高是水利工程事業(yè)發(fā)展的重要指導(dǎo)，更是對(duì)水利工程、水庫(kù)運(yùn)行管理決策與整合的技術(shù)指導(dǎo)。尤其是在近年來(lái)，隨著水利事業(yè)的興起和水利功能的發(fā)揮，水庫(kù)容量的重要性日漸突出，已成為衡量大壩安全、提高水庫(kù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的主要方法。水庫(kù)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，受地表徑流、洪水以及自然變化和人為活動(dòng)影響，庫(kù)區(qū)現(xiàn)狀的地形、地貌和庫(kù)容勢(shì)必發(fā)生變化，為了保證水庫(kù)的安全運(yùn)行和最大程度地發(fā)揮綜合效益，定期對(duì)庫(kù)容進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，以了解水庫(kù)淤積情況和水庫(kù)實(shí)際有效庫(kù)容，已成為當(dāng)今水庫(kù)工程中最受重視和關(guān)注的問(wèn)題之一。
2 庫(kù)容測(cè)量測(cè)圖比例尺選取
2.1 測(cè)圖比例尺的選取
大中型水庫(kù)一般多建設(shè)在山區(qū)，庫(kù)區(qū)的地形主要有河谷和山坡為主。庫(kù)區(qū)地形測(cè)圖比例尺的選取，不但關(guān)系著庫(kù)容測(cè)量和計(jì)算的精度，而且關(guān)系著外業(yè)工作量和直接生產(chǎn)成本。因此，合理的測(cè)圖比例尺的選取對(duì)庫(kù)容測(cè)量具有重要意義。根據(jù)本單位幾十年水庫(kù)測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，水庫(kù)在正常蓄水運(yùn)行十年后，庫(kù)區(qū)地形橫斷面近似為“U”字型，且非汛期興利庫(kù)容最高蓄水位以上部分地形較陡，平面投影面積較小，庫(kù)區(qū)地形淤積變化主要發(fā)生在死水庫(kù)容以下部分以及原河床部位。因此，庫(kù)容測(cè)量的重點(diǎn)在正常蓄水位以下部分，通常大中型水庫(kù)測(cè)量測(cè)圖比例尺為1：5000和1：10000，根據(jù)多年的資料進(jìn)行庫(kù)容計(jì)算分析對(duì)比，1：10000測(cè)圖比例過(guò)小，1：5000測(cè)圖通過(guò)適當(dāng)加密水下測(cè)點(diǎn)密度可以確保庫(kù)容計(jì)算精度。測(cè)圖比例尺過(guò)大對(duì)提高庫(kù)容精度沒(méi)有明顯提高，且會(huì)大大提高生產(chǎn)成本和外業(yè)工作量。建議選取測(cè)圖比例為1：5000為宜。
2.2 基本等高距的選擇
水庫(kù)庫(kù)區(qū)地形圖的基本等高距，應(yīng)根據(jù)水庫(kù)庫(kù)區(qū)地形特征及滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度的要求來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，庫(kù)區(qū)底部比較平緩，兩側(cè)山坡高度變化較大，同時(shí)為了提高庫(kù)容計(jì)算精度，基本等高局應(yīng)為1m，如庫(kù)區(qū)高差變化較小基本等高距可定位0.5m。
3 庫(kù)區(qū)數(shù)字地形測(cè)圖測(cè)量
3.1 控制測(cè)量
庫(kù)區(qū)水面以上地勢(shì)較陡，植被茂密，難以架設(shè)儀器，采用傳統(tǒng)的控制測(cè)量方法難以開(kāi)展。采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)不但可以提高精度，而且可以大大提高工作效率。以我單位近期施測(cè)的梅山水庫(kù)為例，我們?cè)谑y(cè)繪局購(gòu)買(mǎi)了4個(gè)平高控制點(diǎn)（平面為C級(jí)以上，高程Ⅵ以上）作為起算點(diǎn)，在庫(kù)區(qū)布設(shè)了20個(gè)D級(jí)GPS點(diǎn)，采用高程擬合解算控制點(diǎn)平面位置和高程。
為了確保高程精度，采用四等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)了5個(gè)控制點(diǎn)的高程，其余15個(gè)控制點(diǎn)采用AHCORS客戶(hù)端采集了三維坐標(biāo)并送安徽CORS中心換算了高程，與擬合高程進(jìn)行了對(duì)比，聯(lián)測(cè)點(diǎn)高程誤差均在3cm以?xún)?nèi)，CORS客戶(hù)端點(diǎn)誤差均小于5cm。利用D級(jí)GPS網(wǎng)平差前后數(shù)據(jù)解算庫(kù)區(qū)的七差數(shù)用于地形圖測(cè)繪，控制校核精度均小于7cm。
3.2 地形數(shù)據(jù)采集
要想得到比較準(zhǔn)確的庫(kù)容數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)采集的方法是關(guān)鍵。特別是特征部位的數(shù)據(jù)采集決定了DEM模型的質(zhì)量。
庫(kù)區(qū)水面以下地形數(shù)據(jù)采集適合采用橫斷面法觀測(cè)。應(yīng)在原有測(cè)圖上合理設(shè)計(jì)航線(xiàn)利用 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)以實(shí)時(shí)差分或CORS客戶(hù)端進(jìn)行測(cè)點(diǎn)平面位置定位，水深采用超聲波測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量中，測(cè)深與平面定位應(yīng)同時(shí)同位進(jìn)行，以消除滯后誤差，在斷面形狀變換處應(yīng)特別注意加密了測(cè)點(diǎn)，真實(shí)地反映地形變化的實(shí)際情況。
由于庫(kù)區(qū)平面形態(tài)比較復(fù)雜，水面以下地形數(shù)據(jù)采用橫斷面法還難以真實(shí)反映庫(kù)區(qū)地形平面凹凸變化情況。因此，應(yīng)順施測(cè)時(shí)水位淹沒(méi)線(xiàn)布設(shè)2～3條縱向航線(xiàn)，這樣能夠比較完整地反映庫(kù)區(qū)水面以下地形情況。
庫(kù)區(qū)水面以上地形采用CORS客戶(hù)端或GPS RTK法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集比較方便快捷。但是，由于庫(kù)區(qū)植被比較茂密，有時(shí)GPS難以固定，應(yīng)輔以全站儀進(jìn)行局部補(bǔ)充測(cè)量。如遇斜坡、陡坎、石崖等地形，在坎上、坎下成對(duì)測(cè)點(diǎn)，以保證等高線(xiàn)生成的精度。
有條件的情況下，庫(kù)區(qū)水面以下采用多波速測(cè)聲系統(tǒng)進(jìn)行水下地形掃測(cè)，將獲得更加完整的面狀DEM數(shù)據(jù)，能夠大大提高庫(kù)容計(jì)算的精度。
3.3 繪制數(shù)字地形圖
將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)采用專(zhuān)用成圖軟件（如CASS）進(jìn)行展點(diǎn)，繪制地物、地貌，建立三角網(wǎng)DEM，由軟件自動(dòng)繪制等高線(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際地形和地貌變化情況，對(duì)自動(dòng)生成的等高線(xiàn)進(jìn)行合理編輯、修改。為了提高庫(kù)容計(jì)算精度，在出圖之前生成的等高線(xiàn)盡量不要修剪，即使遇到斜坡、陡坎、石崖、房屋、建筑物等地形、地物也要使等高線(xiàn)均勻穿越，這樣可以提高ArcGIS中建模的精度和合理性。 4 水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算
4.1 傳統(tǒng)計(jì)算方法
傳統(tǒng)庫(kù)容計(jì)算主要采用等高線(xiàn)的臺(tái)錐體公式和斷面測(cè)量法。等高線(xiàn)法計(jì)算時(shí)是假定兩等高線(xiàn)之間體積變化是線(xiàn)形性，對(duì)于兩高程之間的地形起伏無(wú)法精確反映，特別對(duì)地勢(shì)較為平坦地區(qū)，計(jì)算結(jié)果誤差較大。要提高計(jì)算精確度就必須加密等高線(xiàn)，這將大大增加成圖的難度。
斷面法庫(kù)容計(jì)算主要是在庫(kù)區(qū)設(shè)定相互平行的斷面，要求斷面間的地形變化較為均勻，呈現(xiàn)線(xiàn)性，而且計(jì)算時(shí)針對(duì)不同高程的庫(kù)容計(jì)算極其繁鎖。當(dāng)庫(kù)區(qū)地形復(fù)雜，庫(kù)區(qū)支流縱多時(shí)，計(jì)算精度將難以保證。
4.2編輯構(gòu)建高程模型數(shù)據(jù)
ArcMap下的3D Analyst工具能滿(mǎn)足地形建模的需要，數(shù)字高程模型構(gòu)建的效率很高，但構(gòu)建時(shí)為全自動(dòng)。目前的成圖軟件大多是基于AutoCAD平臺(tái)下開(kāi)發(fā)的，ArcMap下能夠加載AutoCAD圖形和數(shù)據(jù)。因此，只要將編輯好的庫(kù)區(qū)數(shù)字地形圖，按圖層將等高線(xiàn)和高程點(diǎn)輸出，導(dǎo)入ArcMap中就能建立數(shù)字高程模型。
4.3 建立數(shù)字高程模型
將等高線(xiàn)和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcMap中，并導(dǎo)出生成“*.Shp”文件，利用3D Analyst工具中的創(chuàng)建TIN工具將“*.Shp”文件創(chuàng)建TIN文件。TIN文件為由三角網(wǎng)構(gòu)成的數(shù)值高程模型，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行修改，使數(shù)字高程模型更加合理。為了進(jìn)一步精化模型，可以將TIN文件轉(zhuǎn)化成柵格高程數(shù)字模型，柵格大小可以任意設(shè)置。
4.4 庫(kù)容計(jì)算
采用3D Analyst工具中功能性表面模塊中的表面體積工具，利用TIN文件或柵格高程數(shù)字模型可以快速地計(jì)算出你所需要對(duì)應(yīng)水位或高程的水庫(kù)庫(kù)容，輸出內(nèi)容包括對(duì)應(yīng)水位或高程的水面面積、水面以下的曲面面積和水體體積。
但是庫(kù)容計(jì)算往往要求計(jì)算不同水位的庫(kù)容，防汛調(diào)度上更是要求每0.01m的分層庫(kù)容，這樣一個(gè)一個(gè)的計(jì)算很麻煩，不但時(shí)間長(zhǎng)且容易出錯(cuò)。利用腳本文件能很容易地解決這個(gè)問(wèn)題。
4.5 Python腳本文件建立循環(huán)
ArcGIS中的許多任務(wù)多可以通過(guò)腳本程序模型輔助完成。Python腳本文件的主要目的是使枯燥的數(shù)據(jù)處理工作自動(dòng)化，通過(guò)邏輯來(lái)指揮處理過(guò)程。你所能用的ArcToolbox或Model中使用的工具都能夠用在Python腳本中，這些腳本可以生成腳本工具，像其他地理處理工具一樣使用。
下面就是一個(gè)編寫(xiě)腳本文件來(lái)自動(dòng)循環(huán)完成整個(gè)庫(kù)容計(jì)算的實(shí)例：
#導(dǎo)入ArcPy
import arcpy
from arcpy import env
import os
#設(shè)置輸入輸出工作空間
arcpy.CheckOutExtension（"3D"）
env.workspace = "c：/梅山水庫(kù)"
import math
#循環(huán)獲取計(jì)算庫(kù)容的水位
for i in range （76，128）：
mgs = str（i）
#設(shè)置輸出文件名稱(chēng)
dl = str（i） + ".txt"
#對(duì)應(yīng)水位庫(kù)容計(jì)算
arcpy.SurfaceVolume_3d（"2013t"，dl， "below"， mgs ， "1"， "5"）
腳本文件可在記事本等文本工具中編寫(xiě)，將編寫(xiě)好的腳本文件另存文“*.py”，在ArcMap中你的工作目錄下新建工具箱，然后右鍵點(diǎn)取在工具箱添加文件名為“*.py”的腳本文件。添加完畢后直接雙擊腳本文件開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行完畢得到完整的庫(kù)容。也可在ArcToolbox中直接添加腳本文件。
5 總結(jié)
本文根據(jù)多年水庫(kù)庫(kù)容測(cè)量和庫(kù)容計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合近年安徽省梅山水庫(kù)庫(kù)容測(cè)量的具體實(shí)踐，從大中型水庫(kù)庫(kù)容測(cè)量測(cè)圖比例尺的選取、控制測(cè)量、地形數(shù)據(jù)的采集方法等方面進(jìn)行了論述。利用ArcGIS和Python腳本文件能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算庫(kù)區(qū)完整的庫(kù)容，可為同類(lèi)型水庫(kù)的測(cè)量計(jì)算提供參考。同時(shí)，建議大中型水庫(kù)庫(kù)容測(cè)量時(shí)，盡量選在水庫(kù)蓄水水位高、庫(kù)區(qū)植被樹(shù)葉比較稀少的季節(jié)，可以大大減少外業(yè)工作量。
參考文獻(xiàn)
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