黄龙带水库库容曲线复核及淤积现状分析对策.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER299第 39 卷第 8 期0 引言蓄水能力是确定蓄水工程运行管理中蓄水功能的重要依据，对防洪安全和流域运行管理有直接影响，因此确定蓄水能力是蓄水工程规划设计中最重要的工作之一，也是流域管理者高度重视的一个指标1-2。以黄龙带水库库容复核项目为例，利用现有的无人机倾斜摄影与声波测深技术，利用无人机和无人船，对黄龙带水库进行库容复核，建立库区的三维模型，以实现黄龙带水库库容的复核，为水库今后的工程管理、地形摸查、水土流失监测、洪水期间灾区应急监测等提供指导。1 项目背景黄龙背水库位于从化市东北部，南与良口市黄龙带水库库容曲线复核及淤积现状分析对策毛镇南（广州市黄龙带水库管理中心，广东 广州 510000）摘要：以黄龙带水库库容复核项目为例，开展黄龙带水库库容复核及淤积分析对策研究。利用已有的无人机倾斜摄影技术和无人船声波测深技术，通过先进的无人机和无人船设备，利用自主研发的无人机智能操控系统准确获取黄龙带水库的地形数据，然后利用专业数据处理软件对自动化采集的数据进行快速建模，得到库区的地形三维模型，最后基于不规则三角网的库容计算方法，对黄龙带水库的库容进行了复测。在此基础上对建库时的 1977 年库容和此次测量获取的 2019 年库容进行了对比分析，提出了防治对策。有效地解决库容的复测问题，降低了成本，推动了水利科技进步，具有实践意义。关键词：水库；库容曲线；淤积防治；地形建模中图分类号：TV697.3+1文献标识码：A文章编号：1006-3951(2023)08-0299-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.072Review of Reservoir Capacity Curve and Analysis of Sedimentation Status in Huanglongdai Reservoir and CountermeasuresMAO Zhen-nan(Guangzhou Huanglongdai Reservoir Management Center,Guangzhou 510000,China)Abstract:Taking the capacity review project of Huanglongdai Reservoir as an example,this article conducts research on the capacity review and sedimentation analysis countermeasures of Huanglongdai Reservoir.By utilizing existing unmanned aerial vehicle tilt photography technology and unmanned ship acoustic sounding technology,the terrain data of the Huanglongdai Reservoir is accurately obtained through the independently developed unmanned aerial vehicle intelligent control system.Then,professional data processing software is used to quickly model the automatically collected data and obtain a three-dimensional terrain model of the reservoir area.Finally,based on the irregular triangular network storage capacity calculation method,the storage capacity of Huanglongdai Reservoir was retested.On this basis,a comparative analysis was conducted between the 1977 storage capacity at the time of construction and the 2019 storage capacity obtained from this measurement,and prevention and control measures were proposed.It effectively solves the problem of retesting storage capacity,reduces costs,and promotes the progress of water conservancy technology,which has practical significance.Key words:reservoir;storage capacity curve;siltation prevention and control,terrain modeling收稿日期：2023-03-20作者简介：毛镇南（1976-），男，广东广州人，工程师，主要从事水库管理工作。*300云南水力发电2023 年第 8 期接壤，东与流溪河国家森林公园相连，北与福安县毗邻。它距离从化市 30 km，距离广州市 90 km。水库建于 1972 年 12 月，于 1975 年 11 月竣工。集水面积为 92.3 km2，总容量为 9 097104m3，是一座集灌溉、防洪、发电和供水为一体的多功能水库。经过几十年的波动，库区出现了淤积、水土流失等地质现象，使水库建成前测得的库容不能反映库容的实际变化，给洪水分析和防汛决策带来了安全隐患。水库呈南北狭长型延伸，蜿蜒曲折，地形复杂，采用传统方法采集上述数据难度大、要求高，需要大量的人力、物力和时间，造成监测工作难以完成、监测不全面等问题。因此，在现有声学测深和无人机倾斜测量技术的基础上，对水库容积进行了重新测量。通过测量水下地形，分析淤积情况，重新核定水库库容，对黄龙带水库实现精细化管理，充分发挥水库防洪、供水、灌溉、发电等功能具有重要的意义。2 水上地形测量及三维建模2.1 无人机水上地形航空摄影2.1.1 像片控制点布设目标影像参考点应清晰，易于评估和测量，通常选择在小型线性地物的 30 150交汇处，明显的角点，中心小于 33 像素，同时该点的高度起伏较小，易于准确定位和测量；弯曲的地物和影像以及其他难以准确看到的现场位置不应选择作为目标点。地形参考点应选择在高差不大的地方，以及线性地物和平坦山丘相交的地方；狭长的陡坡和陡峭的山顶不适合作为参考点。影像参考点的坐标可以用 GPS、高速静态或 RTK 定位系统、全站仪和其他常规测绘设备来确定，这些设备的应用要求和测量精度符合常规航测的相关规范。采用网络 GPS-RTK 技术施测，测量得到的数据为平高点。2.1.2 航空摄影利用自主研发的无人机智能操作系统，对黄龙带水库库区共 12 km2区域进行彩色数码航空倾斜摄影，获取 5 个架次的真彩数码航片。通过收集资料，现场调研，确定航摄范围，完成航摄参数计算与设定。设定地面分辨率为 20 cm，航向重叠率 80%，航向重叠率 60%，空中测量飞行必须严格按照技术设计的要求进行。为了保证 GPS 数据的质量，在航测飞行过程中，飞机必须处于尽可能平整的位置，转弯半径大，倾斜角度不超过15，以避免 GPS 信号的丢失。航空摄影的比例尺是根据规划和项目开发所需的地形图的比例尺和精度的要求来确定的，对于大规模的航空摄影，应考虑到地形条件、测绘方法和所用仪器的特点。根据测绘的预期精度，应选择一个能缩短测绘周期、降低成本、提高整体测绘效率的原则。空中测量比例尺的分母和测绘比例尺的分母之间的比例应该是 4 6 倍。数字航空照片的地面分辨率（GSD）取决于飞行高度：式中：h飞行高度；f镜头焦距；a像元尺寸；GSD地面分辨率。2.2 无人机水上地形三维建模无人机航空摄影完毕后，采用专业的遥感影像处理软件进行内定向处理、提取连接点、平差计算，然后输入无人机记录的高精度 POS 数据进行航摄姿态的校正。利用 Context Capture Centre 软件处理梯度摄影数据进行三维建模，首先对图像进行预处理，然后对每张图像中的特征点进行识别和匹配，然后进行空三解，提取每张图像的内外方位特征，提取密集的点云数据，并从大量数据中进行分布式点云面的重建，构建白色 TIN 网格模型。基于白色 TIN 网格模型，可以生成各种输出数据，如三维模型、点云数据、DSM、DOM 等。处理过程如图 1 所示3-4。?图 1 无人机水上地形三维建模流程图获取的激光点云数据如图 2 所示，数据量约为 1.3108个点。毛镇南 黄龙带水库库容曲线复核及淤积现状分析对策3013 水下地形测量及三维建模3.1 无人船水下地形自动勘测一艘全自动无人驾驶的多用途船将被用来携带单波段测深系统，在黄龙带水库周边海域进行测深作业。该设备可实现无人遥控、GPS自动导航、自主导航、自动避障、视频传输等功能，可在不同区域进行航海作业，尽可能避免人员的安全隐患，大幅提高航海作业的机动性和效率5。为了提高测量精准度，选择在夏季丰水期且风力小于 3 级的时间进行测量，详细步骤如下。1）设备连接。在岸上架起板状天线与无线网桥，然后与无人船基站（或笔记本电脑）进行连接。注意板状天线的高度架设应 1.5 m，以获得更远的无线传输距离。开启电源等待连接，正常情况下，SE40 船在电源开启后的 1 min 内即与遥控器连接成功，然后可观察到遥控器信号强度的指示范围大约在-55-80db之间徘徊（如下图所示）。此时请切换至遥控器的双手模式并测试喷泵推进器的前进后退以及左右动作是否有响应。2）外出前船的检查操作。首先打开船舱的两个顶盖，检查电路板上的各个接口线（电源、网络、电机、仪器、天线等）是否接上，连接是否牢固。然后将测控船尾部垫高，让推进器远离地面。用钥匙将船电源打开，同时将无线遥控器电源打开。电路板电源灯亮、电调风扇响，则船体电源正常。查看遥控器液晶面板是否正常显示，听到遥控器“哒哒”有规律地响，则说明无线通讯正常。3）生成轨迹航线。根据上述水体，按照标准比例要求确定无人船的航线，主要通过数据传输模块从微机加载相应参数。4）执行水下地形测量任务。在所有参数设置完毕，数据下载完毕后，立即进行勘测，并遥控无人船进行自动勘测和数据采集。5）数据传输与数据处理。测控软件与无人船控制器通过无线以太网和无线电台两种通讯方式实现。根据 TCP/IP 协议，采用 C/S 结构，程序通过 CClientSocket 类实现基站与无人船之间的以太网通讯，实现定位数据的传输和无人船状态信息的反馈。航路数据下载和轨迹数据上传时采用数据动态分帧的方式，根据数据量大小科学划分数据包的大小，实现复杂数据的快速交互。通过结合测深记录或电子测深图像来处理部分地形测量数据，以验证所有测量线的测深数据，并排除或纠正不规则的测深。同时，将地形特征（低点和高点）内插到测深纸上的测深痕迹坐标中。部分地形测量中每个点的高程是通过从探头测量的深度中减去水位来确定的。3.2 无人船水下地形三维建模通过数据处理后得到水下地形测量各测点的高程，并生成相应 DEM 文件用于制作水下全覆盖水深图，获取测区水下地形及特殊地貌与地物分布。水深测量的成果图主要包含水深地形图、彩色立体图、影像图等，可根据项目需要来绘制。利用单波束数据成图，一般是水深地形图，图上主要包含坐标网格、水深值、等深线、图名、图例以及成图参数说明。水下地形的测量总时长为 31 d，图 3 为测量的成果图，数据量约为 16104个点。4 水库库容计算复核水库的容量决定了其控制径流的能力和水库所能提供的效率指数值。传统的水库容量计算方法包括等高线法、横断面法和方格法。随着测绘工具的不断发展，传统的计算方法由于工作量大、精度低，已经不能满足水库库容计算的精度要求，图 2 水上激光点云数据图302云南水力发电2023 年第 8 期年和 2019 年黄龙带水库库容曲线对比图 5 所示。图 3 水下地形三维模型图?图 4 黄龙带水库库容曲线图目前应用最广泛的水库库容计算方法是三角形不规则网格法（TIN 法）。这种方法的基本思路是首先确定每个不规则三角形的体积，然后将一定区域内所有不规则三角形的体积相加，最后确定整个水库区域的体积6-7。把水库按设定大小网格划分成 N 个矩形网或三角网，则每个网格的面积（校核洪水位-测量高程）=水的体积，N 个网格之和即为当前水库的库容。采用专业 GIS 软件中 3D Analyst 工具的表面体积工具，利用 TIN 文件或栅格高程数字模型计算出对应水位或高程的水库库容，输出内容包括对应水位或高程的水面面积、水面以下的曲面面积、水体体积和水面以上到校核洪水位的体积。然后用 SPSS 软件对数据进行拟合，拟合的准确度为六倍曲线（=0.999 5），其结果如图 4 所示。所得的集水区容量曲线可以快速确定集水区容量和特定水位下的相应洪泛区，从而为防洪预测提供科学依据。5 水库淤积分析对策研究5.1 淤积分析由于黄龙带水库自建库以来 40+a 没有进行过库容校核，因此此项目只对建库时的 1977 年库容和本次测量获取的 2019 年库容进行对比分析。1977图 5 黄龙带水库库容曲线对比图?由图 5 可知，相同水位下，2019 年库容较1977 年库容有着较为明显的减少，库区总体呈淤积现象。利用 2019 年与 1977 年的库容计算得到的黄龙带淤积量见表 1。表 1 黄龙带水库淤积量表 104m3名称水位/m1977 年库容 2019 年库容淤积量死水位139.91239.81140.1199.7正常蓄水位175.018 288.886 889.151 399.73设计洪水位175.908 724.427 293.921 430.5校核洪水位176.629 099.217 626.641 472.57由 表 1 可 知，2019 年 死 水 位 139.91 m 对应 的 库 容 为 140.11104m3，较 1977 年 减 少了 99.7104m3；正 常 蓄 水 位 175.01 m 对 应的 库 容 为 6 889.15104m3，较 1977 年 减 少了 1 399.73104m3；设 计 洪 水 位 175.90 m 对毛镇南 黄龙带水库库容曲线复核及淤积现状分析对策303应 的 库 容 为 7 293.92104m3，较 1977 年 减 少了 1 430.5104m3；校 核 洪 水 位 176.62 m 对 应的 库 容 为 7 626.64104m3，较 1977 年 减 少 了1 472.57104m3。造成此淤积现象的原因主要是由于黄龙带水库上游流域土质较为松软，植被相对稀少，从而引发水土流失，使得库区的含沙量增大，水库库容减少8。5.2 水库淤积主要防治对策针对库区的含沙量增大，水库库容减少的情况，开展以下治理对策。1）开展水土保持工作。黄龙带的水土保持措施一般是以生物措施和技术相结合的方式来减少盆地内的沉积物。生物措施：在黄龙背流域的上游地区，植被稀少，水土流失严重。在集水区进行水土管理，种植草木，封闭高地造林，是控制水土流失，减少流域沉积的有效方法；结构性措施：在黄龙背流域的上游，应建设集集水、蓄水、排水于一体的堰塞湖、水坝、渠道和其他流量控制系统，以保留流域内的沉积物。2）机械清淤。机械清淤使用挖泥船和吸泥泵等机械装置，此方法适用于中小型水库和大型枢纽航道。黄龙带水库是一座以灌溉为主，兼集防洪、发电等综合运用的中型水库，可根据实际情况选择合适的机械装置进行清淤9。6 结束语水库库容是水库调度、水利枢纽设计和运营管理的重要参数，其精度直接影响到水库的防洪安全与蓄水兴利。黄龙带水库呈南北狭长型延伸，蜿蜒曲折，地形地貌复杂，采用传统方式获取上述数据是一项艰巨、复杂的工作，需要大量的人力、物力和时间，且存在监测工作实施困难以及监测不全面等难题。因此该研究基于现有的无人机倾斜摄影与声波测深技术对水库库容进行复测。通过测量水下地形，分析淤积情况，重新核定水库库容，对黄龙带水库实现精细化管理，充分发挥水库防洪、供水、灌溉、发电等功能具有重要的指导意义。参考文献：1袁军.横坑水库地形测量及库容复核J.陕西水利，2021,（5）:242-244.2温开祥.基于机器学习和卫星遥感的水库库容计算方法D.广州：广东工业大学，2020.3李鑫龙，阮宝民，陈和权.无人机倾斜摄影测量技术在水库库容量算中的应用J.东北水利水电，2021，39（12）:59-61+72.4周伟.几种数学模型在水库库容分析中的应用J.北京测绘，2020，34（6）:872-875.5唐卓君，唐继利，薛小松，等.基于无人智能技术的水库地形测量与库容计算研究J.水利科技与经济，2022，28（11）:114-118.6 郑灿辉，田振凯，王刚.无人船技术在水库库容测量中的应用 J.经纬天地，2022,（1）:27-29.7李浩，许霞，李凌云.两种水库库容计算方法的比较分析J.山东水利，2021,（9）:58-59+65.8袁伟.DEM 在水库冲刷淤积分析中的应用J.云南水力发电，2020，36（5）:105-108.9邓安军，陈建国，胡海华，等.我国水库淤损情势分析J.水利学报，2022，53（3）:325-332.