水利工程論文-水庫(kù)庫(kù)容和淤積測(cè)量技術(shù)研究.doc

水利工程論文-水庫(kù)庫(kù)容和淤積測(cè)量技術(shù)研究摘要：摘要：作者應(yīng)用全球定位系統(tǒng)(GPS)和回聲測(cè)深技術(shù)，對(duì)水庫(kù)庫(kù)容和淤積測(cè)量進(jìn)行了研究，并提出了三角形構(gòu)網(wǎng)方法，經(jīng)實(shí)際運(yùn)用取得了滿意的效果。關(guān)鍵詞：GPS庫(kù)容淤積測(cè)量近年來(lái)，我國(guó)洪水災(zāi)害頻繁發(fā)生，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅和重大損失。水庫(kù)作為人類蓄水發(fā)電、灌溉和防洪調(diào)度等的重要設(shè)施，發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，并取得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。水庫(kù)庫(kù)容和淤積量是水庫(kù)調(diào)度的重要參數(shù)，其精度直接影響到水庫(kù)的防洪安全與蓄水興利。隨著現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的迅速發(fā)展，將其應(yīng)用到水利電力領(lǐng)域是一項(xiàng)值得研究和推廣的課題。本文在分析傳統(tǒng)水庫(kù)庫(kù)容及淤積量測(cè)量所存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，依靠高精度GPS(GlobalPositioningSystem,簡(jiǎn)稱GPS)定位和回聲測(cè)深技術(shù)，對(duì)湖南某庫(kù)區(qū)水下地形進(jìn)行了測(cè)量，并提出了根據(jù)三角形構(gòu)網(wǎng)方法，利用“三角柱”的水柱體積和淤積體積來(lái)獲得庫(kù)容和淤積量的新見(jiàn)解，經(jīng)實(shí)際運(yùn)用，取得了滿意效果。1常規(guī)庫(kù)容及淤積量的確定常規(guī)的庫(kù)容計(jì)算方法多采用斷面法。其庫(kù)區(qū)容量的計(jì)算模型為：(1)式中：Vi、Li為第i個(gè)斷面到第i+1個(gè)斷面間的庫(kù)容和距離；n為分段個(gè)數(shù)；Si、m、d、hi分別為第i個(gè)斷面的面積、測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)、點(diǎn)間距和每個(gè)測(cè)點(diǎn)的深度測(cè)量值。采用斷面法雖然操作簡(jiǎn)單，但受前提假設(shè)的制約，精度難以保證。淤積量是根據(jù)前后兩次的的庫(kù)容較差獲得，庫(kù)容不準(zhǔn)確，淤積量的計(jì)算精度就無(wú)從談起。2高精度水下地形測(cè)量技術(shù)1,22.1水下地形測(cè)量所謂水下地形測(cè)量，就是利用測(cè)量?jī)x器來(lái)確定水底點(diǎn)的三維坐標(biāo)的過(guò)程。隨著GPS技術(shù)的迅速發(fā)展，水下地形測(cè)量方法取得了很大的進(jìn)展。目前，水下地形測(cè)量技術(shù)已定型于采用GPS獲取平面坐標(biāo)，測(cè)深儀獲取深度數(shù)據(jù)的基本模式。同時(shí)，為了獲得水下地物的海拔高程，以及消除潮汐、水位落差等諸因素的影響，進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。水下地形測(cè)量現(xiàn)狀示意圖如下。針對(duì)上述現(xiàn)有模式，文獻(xiàn)1對(duì)測(cè)量設(shè)備的選型、基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)、潮汐觀測(cè)的具體實(shí)施等諸多技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)行了深入探討。2.2GPS載波相位差分定位技術(shù)和回聲測(cè)深技術(shù)隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，GPS日益廣泛應(yīng)用于水利電力工程的各個(gè)方面。為了提高定位精度，一般均采用差分技術(shù)。在眾多的差分技術(shù)中，偽距差分和載波相位差分是最為常用的兩種測(cè)量模式，后者的定位精度較高(厘米級(jí))，通常用于高精度的測(cè)量工程和研究中。圖1水下地形測(cè)量現(xiàn)狀示意載波相位差分測(cè)量的定位精度很大程度上依賴于整周模糊度能否在航精確確定。整周模糊度在航解算(OTF)是一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下的模糊度確定方法，它可省去在精密動(dòng)態(tài)定位中的的靜態(tài)初始化過(guò)程。常規(guī)精密定位中復(fù)雜的整周跳變問(wèn)題也因OTF的引入變得十分簡(jiǎn)單。載波相位差分測(cè)量整周模糊度的確定模型為：Xk=k-1Xk-1+k-1Wk-1WkN(0,Qk)Zk,=Hk,Xk+Vk,Vk,N(0,Rk,)(2)式中：Xk=(dxdydzxyzdn0dn1dnm)為狀態(tài)向量；k-1為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Hk,為載波相位的測(cè)量矩陣；Rk,為載波相位的方差陣；Qk為系數(shù)陣。=CCTQk=ffT=minf=CT(DN-D)(3)由式(3)計(jì)算得到整周模糊度N后，代入載波相位觀測(cè)方程，便可以獲得厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的平面定位精度?；芈暅y(cè)深儀是一種單波束測(cè)深設(shè)備，深度的測(cè)量是根據(jù)最小聲程決定。按照使用頻率個(gè)數(shù)的不同，又可分為單頻和雙頻。雙頻測(cè)深儀根據(jù)兩個(gè)頻率測(cè)量深度較差獲得淤積層厚度。2.3高精度庫(kù)容和淤積量測(cè)量方法庫(kù)容和淤積量的精密測(cè)量采用現(xiàn)代水下地形測(cè)量方法，即利用GPS載波相位差分測(cè)量技術(shù)進(jìn)行平面定位，測(cè)深儀進(jìn)行深度測(cè)量，GPS和測(cè)深儀保證同步作業(yè)，獲取水底測(cè)點(diǎn)平面和深度信息的作業(yè)模式。為了保證庫(kù)容和淤積量的計(jì)算精度，需要對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行測(cè)線設(shè)計(jì)，GPS和測(cè)深采樣也要按照水下地形測(cè)量規(guī)范等間隔或等時(shí)間采樣。設(shè)測(cè)量比例尺為1:Scale，測(cè)量船的平均速度為，則測(cè)線間距d和時(shí)間間隔t為：d=Scale10-4t=d/(4)為了提高測(cè)量精度，在測(cè)線布設(shè)時(shí)，還應(yīng)該考慮水下地形的變化趨勢(shì)，若變化相對(duì)比較平坦，則測(cè)線間距可以適當(dāng)放寬，否則，需加密測(cè)線。這有利于使測(cè)點(diǎn)均勻分布于整個(gè)測(cè)區(qū)，同時(shí)在測(cè)區(qū)水下地形變化復(fù)雜的地區(qū)使測(cè)點(diǎn)深度或高程能更好地反映水下地形的真實(shí)面貌。3庫(kù)容和淤積量的計(jì)算方法3.1庫(kù)容計(jì)算方法為了提高計(jì)算精度，充分利用水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)，本文提出了一種三角柱計(jì)算庫(kù)容的方法。該法建立在實(shí)際測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)圖2，相鄰三個(gè)測(cè)點(diǎn)可構(gòu)成的三角柱體積為：(5)設(shè)n為整個(gè)庫(kù)區(qū)三角形個(gè)數(shù)，則整個(gè)庫(kù)區(qū)的庫(kù)容為：(6)3.2淤積量計(jì)算方法當(dāng)庫(kù)底為基巖構(gòu)造時(shí)，采用雙頻(f1、f2)測(cè)深儀測(cè)深，淤積量的計(jì)算方法同庫(kù)容相似。設(shè)相鄰三個(gè)測(cè)點(diǎn)在淤積層表面利用f1測(cè)得深度分別為h1、h2和h3，利用f2，在對(duì)應(yīng)點(diǎn)基巖上測(cè)得的深度分別為h1、h2和h3，若設(shè)淤積層表面面積為S2，基巖上的面積為S3，則淤積量為：(7)式中淤積層上下面的面積S2和S3的計(jì)算方法同式(5)。則庫(kù)區(qū)的淤積量為：(8)對(duì)于上述情況，V的計(jì)算還可采用模型：V=Vf2-Vf1(9)式中：Vf1、Vf2分別代表根據(jù)f1、f2測(cè)得的淤積表面、基巖表面上的深度計(jì)算得到的體積。圖2相鄰三個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成的三角柱示意圖3相鄰三個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成的淤積三角柱示意然而，對(duì)于淤積層下地質(zhì)是非基巖的情況，式(9)的庫(kù)區(qū)淤積量計(jì)算模型就不再適用，而需要根據(jù)建庫(kù)初期的原始床面(地形圖)計(jì)算空庫(kù)容，或者前期確定的庫(kù)容量，與根據(jù)本次利用f1頻率測(cè)量的水深(淤積層表面的水深)計(jì)算所得庫(kù)容Vf1較差得到實(shí)際的庫(kù)區(qū)淤積量。其計(jì)算模型為：V=Vf1-V前期庫(kù)容(10)4問(wèn)題討論本文所提出的基于現(xiàn)代水下地形測(cè)量技術(shù)的水庫(kù)庫(kù)容和淤積量確定方法相對(duì)于傳統(tǒng)的斷面法具有許多優(yōu)點(diǎn)，諸如定位精度高、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、所得數(shù)據(jù)可用于水下地形圖的繪制及DTM的建立等。然而，相對(duì)于傳統(tǒng)庫(kù)容和淤積量的確定方法，由于采用了先進(jìn)的測(cè)控設(shè)備，無(wú)疑會(huì)增大測(cè)量和計(jì)算方法上的復(fù)雜度，但這些是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)編程來(lái)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)將上述方法在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中的幾個(gè)難點(diǎn)加以討論。(1)對(duì)于比較大的庫(kù)區(qū)，如江河形成的自然庫(kù)區(qū)，數(shù)據(jù)量會(huì)隨水域面積的增加而急劇增大。在利用這些數(shù)據(jù)構(gòu)造庫(kù)區(qū)三角形時(shí)會(huì)因存儲(chǔ)量和搜索范圍過(guò)大，占用過(guò)多的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算速度過(guò)慢或者死機(jī)。為克服這一問(wèn)題，在三角形構(gòu)造中可采用一種快速的三角形構(gòu)網(wǎng)方法，即局域搜索法。根據(jù)測(cè)區(qū)范圍和測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，可事先對(duì)整個(gè)區(qū)域根據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行劃分，然后在結(jié)合拓展三角形的范圍索引各個(gè)分割區(qū)，在小區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速搜索。這樣可以大大的節(jié)約計(jì)算機(jī)內(nèi)存，提高三角形的構(gòu)網(wǎng)速度。(2)通過(guò)水下地形測(cè)量可給出水面以下的深度，以及根據(jù)水面下的實(shí)測(cè)結(jié)果計(jì)算水底到水面高程變化的庫(kù)容曲線，而對(duì)于高于當(dāng)前水面的水位面庫(kù)容曲線無(wú)法進(jìn)行計(jì)算和繪制。為了得到一個(gè)全面反映庫(kù)區(qū)容量變化的庫(kù)容曲線，需要將庫(kù)區(qū)邊緣數(shù)字高程信息引入庫(kù)容計(jì)算中。庫(kù)區(qū)邊緣陸地的數(shù)字高程信息可通過(guò)兩種途徑獲得。一種是利用GPS載波相位差分技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)地形測(cè)量獲得；另一種方法是通過(guò)已有的地形圖或DTM獲得。若利用GPS載波相位差分測(cè)量技術(shù)獲得陸地?cái)?shù)字信息，則GPS天線相位中心的平面位置即為陸地測(cè)點(diǎn)的平面位置，相位中心的高程減去天線高便是陸地高程。(3)在(2)中，已有地形圖與現(xiàn)有測(cè)量成果共同用于庫(kù)容曲線計(jì)算時(shí)，兩套資料的高程和坐標(biāo)基準(zhǔn)必須匹配。對(duì)于將水底點(diǎn)的深度轉(zhuǎn)換成高程問(wèn)題，傳統(tǒng)的解決方法是，在進(jìn)行水下地形測(cè)量的同時(shí)，同步進(jìn)行水位觀測(cè)，以獲取水位面高程。當(dāng)測(cè)區(qū)的水位面隨時(shí)間(或距離)變化較大時(shí)，要定期(或定距離)的進(jìn)行水位觀測(cè)，并利用觀測(cè)所得時(shí)間(或距離)與潮位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，內(nèi)插出每一時(shí)刻(或每一位置)的水位面高程；若水位變化微小或基本不發(fā)生變化，無(wú)須內(nèi)插，僅測(cè)量一個(gè)水位面高程即可。根據(jù)文獻(xiàn)3和4，現(xiàn)代水下地形測(cè)量，省去了上述煩瑣的過(guò)程，直接利用GPSRTK技術(shù)獲得水底點(diǎn)高程。根據(jù)圖1和GPS載波相位測(cè)量技術(shù)，只要量取GPS天線相位中心到換能器之間的垂距hG-T得水位面的高程hsurface，進(jìn)而獲得水底點(diǎn)的高程hb。設(shè)h為測(cè)量的水深，GPS相位中心的高程為hGPS，則hb可表達(dá)為：hb=hsurface-h=(hGPS-hG-T)-h(11)式(11)是在作業(yè)條件相對(duì)較好情況下計(jì)算水底點(diǎn)高程的模型，若由于波浪、船體的運(yùn)動(dòng)，上述條件很難滿足，為此，在實(shí)際測(cè)量中需要引入姿態(tài)測(cè)量的內(nèi)容。