浅谈利用南方cass计算三门峡水库库容的方法

刘迎新

（陕西水环境工程勘测设计研究院 陕西 西安 710021）

1 概述

三门峡水库始建于1957年，1960年9月该水库建成蓄水投入使用，该水库淹没线高程为335m，设计库容为60亿m3，属于一座大型水库。三门峡库区使用的平面坐标系统为三角山坐标系，高程系统为大沽高程系统。三角山坐标系是在1954年黄委会为了测三门峡库区1∶10000地形图建立的基本控制网。20世纪50年代初期，1954年北京坐标系尚未传递到三门峡测区，测区内尚无统一的基本水平控制和高程控制。1954年～1955年，黄委会利用1953年～1954年由中央军委总参谋部测绘局所测的西安至陕县的国家一等三角锁，长208km，作为本测区长度的起算数据。一等锁以陕县基线网的三角山二等天文点的天文观测资料为方位和坐标起算数据，在六度带投影平面上，对西安至陕县的国家一等锁进行平差并推算出各三角点的大地坐标，故称之为“三角山坐标系”。大沽高程是在解放前，国民政府的黄河水利委员会测有巩县到潼关的精密水准路线，系大沽零点高程系统。后来在三门峡坝址区布设的二等水准环，就是引自该水准路线上的原老陕州火车站附近的水准点CCTKBM94的旧高程，1954年黄委会又从郑州保合寨水准点PBMIL以精密水准引至三门峡测区，在三门峡水库区外围布设了一个精密水准环，即：陕县—华阴—临潼—富县—河津—侯马—陕县，周长922．6km，环形闭合差＋6．9mm（允许限差为121．2mm），以此环作为三门峡水库区各种测量工作的高程起算数据。

三门峡水库淹没区和影响区涉及陕西、山西和河南三省，水库库容主要在陕西潼关县以上的黄河、渭河和洛河汇流区。由于河流夹带泥沙严重，来沙不断淤积，河底高程随之不断抬高。几十年来有关部门一刻不停的监测着三门峡库水库的变化情况，特别是三门峡水库的库容情况，是人们十分关注的问题。

2 南方cass计算库容的原理

传统的库容计算方法一般是采用断面法，在库区布设一定数量的断面，然后根据断面测量数据进行库容计算。断面法计算库容相对比较简便，但是利用断面法计算库容有一定的局限性，其前提是要求断面水下地形平坦、河床变化规则、测区不能有支流，并且要精确测量出各条断面的间距，只有满足这样的条件，利用断面法计算出来的库容值精度才会有保障。然而实地地形都是变化错综复杂，河床参差不齐，整个测区也不可能没有支流，这种情况下所布设的断面不能完全反应整个库区的地形，同时准确测量各断面间距也有很大困难，这样以来，基础数据产生了误差，当然计算出的库容精度就相对较低，误差也较大。

然而，南方cass计算库容是建立在数字化地形图上的。南方cass软件可根据DTM法、方格网法、等高线法等方法计算库容。DTM法计算库容工作量相对较小，步骤简便，精度较高，应用十分广泛。不管是那种方法其原理是一样的，都是将野外采集的地形数据经过编辑处理，在南方cass中建立DTM模型，然后根据三角网形状将整个库容分割成若干个三角柱体，计算每个三角柱体的体积，所有三角柱体的体积总和值就是该水库的库容值。

3 利用南方cass计算三门峡水库库容的实现

3.1 数据采集

可采用常规仪器采集库区地形数据，也可采用GPS卫星全球定位系统进行数据采集。水下地形测量一般采用GPS定位配合测深仪器进行，其在库区水下地形点测量前，先进行测线设计，GPS定位和测深采样按照水下地形测量规范要求进行测点间隔设置，对于测区水下地形变化复杂的地区可以加密测点，使测点能更好地反映水下地形的变化趋势。

利用南方cass计算库容所需要的地形数据对于三门峡水库来说已不是问题。首先，三门峡库区的数字化地形图每过几年就会更新一次，虽然库区地形图不能完整的绘制出水下地形，但那也只是一小部分没有表示出来，外业补充采集地形数据的工作量已十分小了，这就为利用南方cass计算库容提供了保障性的基础。其次，三门峡库区在渭河、洛河、黄河分别布设了一定数量的淤积断面，这些断面每年大汛前后都会施测，监测河床淤积变化情况，淤积断面测量频次高，而且施测时间有规律，从中可以很好的掌握库区河势、淤积的变化情况，施测淤积断面所采集的数据完全可以作为计算库容的基础数据，而且还会持续的更新。再次，库区范围内不时有新修工程或旧工程重修的现象，这些工程都需要采集野外数据，这些数据经过整理都可以作为更新三门峡水库库容计算的地形数据。

总之，三门峡库区内有着足以计算出高精度库容的地形数据，并且这些数据还会不断的更新，当然三门峡水库的库容值也会随着而变化。

3.2 生成数字地面模型(DTM)及库容计算

整理库区校准洪水位高程以下的地形数据，将这些数据转换为南方cass软件可读取的dat格式，再将其高程展绘到南方cass软件中去，利用多段线划定所展绘高程点的范围，在等高线命令栏选择“建立DTM”→选择建立DTM的方式“由数据文件生成”或“由图面数据生成”→点击“确定”→根据cass软件左下方命令栏提示操作，南方cass软件就会自动生成DTM模型，对于新生成的DTM模型不能直接用来计算库容值，应该对三角网进行适当的处理，修改或去除掉不合适的部分，然后在等高线命令栏选择“修改结果存盘”。这时DTM模型已经生成，在工程应用命令栏选择“DTM法土方计算”→“根据图上三角网”→根据cass软件左下方命令栏提示操作即可计算出给定标高下的水库库容。

3.3 绘制库容曲线

计算库容很重要，但是绘制库容曲线图更重要，可以根据标高和库容值绘制成X-Y坐标下的库容曲线图，绘制不同时期相同校正洪水位下的库容曲线，是防汛抗旱、水库调度、水量调度、应急监测及水库河道研究的重要基础资料。

4 利用南方cass计算三门峡水库库容的优点

首先，三门峡库区数字化地形图、水下地形资料、淤积断面数字化资料等各种工程数字化资料丰富，大大减少了外业采集数据的工作量。这些数据都是采用了现代高精度的GPS定位系统、全站仪、回声测深仪等先进设备和先进技术采集而来，数据的精度可以达到厘米级甚至毫米级，完全可以满足甚至优于库容测量的精度要求。

其次，从计算方法角度讲,库容计算是完全建立在高精度、高密度测量数据的基础上，而且是根据每一个小三角柱单元计算所得体积的叠加来获得最终计算结果的，三角柱单元的体积计算在数学上是严密的，计算所得结果几乎不损失精度。因而在三门峡库区利用南方cass计算库容完全可以实现高精度的库容值。

5 三门峡水库库容计算过程中需要解决的一些问题

诚然，相对传统的库容计算方法，本文所述方法自然增大了测量的工作量、数据整理的工作量和计算技术上的复杂度，但这些均可通过计算机编程或借助相关专业软件来自动化实现。

（1）在三门峡库区积累有几十年的水文、地形等资料，资料种类繁多，想要把所用有价值的资料都利用起来，显然数据整理是一项庞大的工作。针对这一问题，我们可以利用计算机建立数据库，根据整理数据的施测年代、施测方法、施测精度、施测内容进行细化分类，然后再纳入数据库；这样以来只是第一次的数据整理工作量比较庞大，但是以后利用起来就会方便很多；同时数据库也会随着数据的新增而实时更新。

（2）根据文中的测量和计算原理可以看出，对于三门峡这个比较大的库区，利用地形数据在南方cass中生成DTM数字模型时，会因存储量和搜索范围过大，占用过多的计算机内存，可能会导致计算速度过慢或者死机。为了克服这个问题，在三角形构造中可采用域搜索法组建三角网，事先对整个区域根据坐标进行划分，然后结合拓展三角形的范围索引各个分割区，在小区域内实现快速搜索。这样可以大大的节约计算机内存，提高三角形的构网速度。

（3）三门峡库区建库的基础平面系统为三角山坐标系，高程基准为大沽高程系统，但是目前三门峡库区收集到的地形数据所采用的坐标系统和高程系分别有：1980西安坐标系、1954年北京坐标系、2000国家坐标系、1956年黄海高程系统、1985国家高程基准。地形数据参与库容计算时应转换成同一坐标系、同一高程基准下的数据成果。坐标系转换计算工作量相对较大，手工计算根本无法完成，针对这样的问题，目前市场上已出现一批坐标转换计算的软件如：科傻、南方cass、TGPPS等软件，同时还可以根据自己的需要和要求编写一些小软件进行计算，利用这些软件借助计算机会很容易的实现坐标转换计算。

6 结论

随着计算机水平的飞速发展，测量技术水平的不断提高、先进测量设备的不断更新，再加之三门峡库区有着丰富的已成数字化资料，利用南方cass计算水库库容的方法的优越性日趋明显，其势必替代传统的计算方法。陕西水利

[1]张军． 数字高程模型的建立及应用研究[D],2002,12-15.

[2]周秋生.建立数字地面模型的算法研究[J].测绘工程，200l(1),34-36.

[3]陕西省江河水库管理局.渭河流域基础资料手册[R]，2007.1.