基于DEM高程模型对石梁河水库库容校核浅析

徐正飞 王 君 李德利 贾玉山 袁东升

石梁河水库自建库以来，为江苏省连云港市的“高质发展，后发先至”提供了有力的保障，特别是在防洪、灌溉、养殖、发电、供水等方面起着越来越重要的作用。建库以来水库周边及水下地形发生变化。2018年7～10月对石梁河水库进行无人机测绘及水下地形测量，取得现状原始数据，确保库容校核真实性、准确性，为进一步科学规范管理提供数据支撑。

一、水库概况

石梁河水库位于新沭河中游，江苏省赣榆区、东海县交界处，上游与山东省临沭县接壤。水库集水面积15365km2，是沂、沭、泗流域洪水东调南下工程的重要组成部分。水库100年一遇设计洪水位26.81m，2000年一遇校核洪水位28.0m，总库容5.31亿m3。枢纽工程有主坝一座、副坝两座、泄洪闸两座、灌溉输水涵洞四座、发电站一座。水库设计以防洪为主，兼顾灌溉、发电、水产养殖等综合效益。水库设计灌溉面积6万公顷，目前水库实际灌溉面积5.33万公顷，其中东海县、赣榆区各2.67万公顷。

二、水库库容校复核

1.水库利用GIS技术采集原始数据

库容校核采用无人机测绘与水下地形测量相结合的方法，其中无人机航测通过遥感技术对无人机进行控制操作，无人机在测区飞行时，通过地面站控制无人机的照相机进行拍照，获取地面几乎所有的现状物体的位置和高程信息；通过内业处理软件Pxi4d，绘制地形图，达到测量的目的。对石梁河水库滩地采用无人机测绘，通过规划航线，经过6个架次拍摄，采用相控法全覆盖测量。

水下地形测量使用无验潮模式下精密单波束水下地形测量方法施测，精密无验潮模式下的水下地形测量系统，在传统水深测量系统的基础上配备了运动传感器、声速剖面仪等辅助设备。采用实时动态载波相位差分（Real TimeKinematics，RTK）技术沿航线连续测量时，利用GPS-RTK技术实时确定水下地形点的平面位置和高程。对浅水区及水草茂密区等不能通行的区域采用人工方法测量，即用GPS-RTK测定水深点平面位置，布设测点，用人工方法测水深。

2.水库面积特征

水库面积特征是指水库水位高程与坝轴线所包括的面积。通过地形测量，主要包括水下地形测量与水面滩地测量，绘制不同等高线的水库水面面积，水库面积特征值变化能够间接反映库容变化。

通过表1直接反应不同等高线对应水库水面面积变化，库容面积变化最小为22m，水位变化值为-0.38 km2；库容面积变化最大为25m，水位变化值为-16.28km2。21m以下水位对应库容面积均为扩大趋势，而22～28m水位对应库容面积均呈减小趋势。

3.水库库容计算方法

（1）理论计算方法

水库库容是指水库水位与容积的关系曲线。可以直接由水库面积特征推算绘制。两相领等高线间的水层容积▽V按下式计算：

式中：

▽V—两相邻等高线间的水层容积；

△Z—两等高线之间的高程差；

F上，F下—相邻两等高线各自包含的水库面面积；

V—库容值。

（2）DEM模型计算方法

数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型（DEM Digital Elevation Model）。

从数学的角度，高程模型是高程Z关于平面坐标 X、Y两个自变量的连续函数，数字高程模型只是它的一个有限的离散表示，是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。高程是地理空间中的第三维坐标。由于传统的地理信息系统的数据结构是二维的，数字高程模型的建立是一个必要的补充。

表1 石梁河水库不同水位对应水库面积统计表

表2 石梁河水库不同水位水库库容值对比变化统计表

表3 石梁河水库特征水位及特征库容变化表

图1 库容变化值曲线图

DEM数字高程计算方法：通过Arcgis软件的空间分析工具和统计分析方法计算，利用Arcgis软件将采集到的石梁河水库水下地形高程点结合湖区的不同水位范围线分别拟合生成曲面数字高程模型（TIN），根据采样点的间距设置合理的最小栅格单元 ，并转换生成水下地形栅格DEM。最后将不同水位线下的数字高程模型分别与石梁河水库水下地形DEM通过地统计分析模块下的挖填方（Cut Fill）工具进行库容量计算，得到不同水位线下的库容量和水域面积统计值。

DEM模型计算精度，其主要影响因素有：水下地形图测量的精度、断面切割的精度、水下地形图的外延使用、计算水位的选取等。

三、水库库容校核分析

1.库容值统计表

建库库容值依据《连云港市大中型水库调度规程》引用，2018年库容值通过Arcgis计算分析所得，将高程14～28m水位不同水位对应库容计算出数值绘制为表2、图1，由表2可以看出库容变化值最小值为水位14m处，对应库容变化值为2729.69万m3；库容变化最大值为水位22m处，对应库容变化值为10007.03万m3。库容随水位增加而增加，2018年库容校核值均高于建库时库容值。由图2可以看出14～28m水位库容变化值呈抛物线趋势，峰值出现22m水位处。

2.水库库容特征值分析

水库特征水位和特征库容是水库防洪、灌溉、养殖、发电、供水的控制依据，及时修正相应特征值为水库科学调度提供数据支撑，水库的社会效益和经济效益得到最大发挥。根据石梁河水库建坝设计文件，确定水库特征水位。依据调度规范查明相应特征库容值。通过石梁河水库特征水位及特征库容值变化（表3），可以与建库库容值对比，总库容增大，兴利库容扩大了1.15亿m3，防洪库容减小了1.10亿m3，同时调度库容减小了0.08亿m3，死库容增加了0.82亿m3。

四、结论

综上所述，2018年石梁河水库库容与建库时库容相比变化较大，其中总库容增大到6.05亿m3，兴利库容扩大了1.15亿m3，防洪库容减小了1.10亿m3，同时调度库容减小了0.08亿m3，死库容增加了0.82亿m3；库容变化对水库的社会效益和经济效益影响有待进一步论证