摘要：水库库区的淤积测量是研究水库水文要素变化规律的基础，是保证水库安全运行的重要工作。基于此，为了给水库正确调度提供依据，确保水库建设效益的充分发挥，本文以差分GPS技术为研究对象，研究分析其在水库淤积测量中的应用及效果。
关键词：淤积测量；GPS定位技术；观测时段；控制网点
水库工程的建设具有防洪、发电、灌溉、供水、航运等多方面的社会与经济效益，同时能够改善当地的生态环境。随着我国经济的发展，兴建了大量的水库，为改善民生、发展经济做出了巨大的贡献。但是随着水库使用年限的增加，水库淤积会逐渐的增加，影响水库的库容，降低水库的功能的发挥，这就需要对水库淤积进行测量。目前，部分水库对水库淤积情况不了解，淤积量、淤积分布规律没有系统准确的资料，影响了水库效益的发挥。而测量手段的选择对数据精度、时效性影响巨大。
1.概述
1.1差分GPS定位技术
包括GPS定位系统的卫星传输误差、接收仪器误差、观测失误误差和测站误差等在内的许多误差深层次原因都是由同一区域内用户的公共性所引起，诸如此类的公共性固定误差，都可以通过差分补偿技术进行测量及定位。在差分GPS定位技术下，首先建立差分基准台，并将其接收机安装在预先设定的精确坐标点上，以便接收连续不断的精确GPS信号，所获取的数据还要与同类基准站已经获取的数据进行横向比较以确定误差大小，并进行精准修正，将修正值采用数据连接方式传输给区域用户，用户借此修正定位解并改善自身定位精度[1]。
1.2超声数字测深技术
位于水面位置的换能器发出声波，声波经由河流到达水底并反射回来，换能器接收到声波信号后进行记录统计，假设从换能器发出声波到其再次接收到声波之间的时间为T，这样就可以计算出水深，公式为：
式中
H———水深，m；
C———声波在水中传播的速率，m/s。
测船在水上匀速航行过程中，事先布设在船上的测深仪会监测到一条连续不断的水深线，通过观察研究和比对水深线的变化便可提取到水下有关的地形地貌数据，并将信息转换成数字量输出与资源共享。
当移动站移动至水库库区某一既定位置，便可通过GPS定位技术将其所处位置的平面坐标、高程、水深等数据测量出来，并以此确定出水库库底反射点位置的三维坐标，这种方法与常用方法相比，测量精确度更高、测深速度更快、工作量大大减少、定位更加准确可靠。
1.3库区测量系统组成
图1 该水库库区测量系统流程图
某水库库区差分GPS淤积测量中，平面定位选用的是SＲ510ＲTDGPS接收机，并选用SDH—13超声数字测深仪作为数据采集的主要手段，并辅之以全站仪、测距仪及数码摄影摄像机对两岸及水下地形地貌进行测量。通过导航软件对库区淤积情况进行实时定位，并与测深仪测深数据进行同步传输与记录，利用库区基础控制网进行全过程解算与数据转换（该水库库区测量系统如图1所示）。
2.工程概况
该市水库数目众多，包括8个小（1）水库和68个小（2）水库，为给小（1）、小（2）型水库的安全性复核提供详尽的地形资料，受该市水利建筑设计院委托要求，需完成相应的水库库区淤积测量任务。
3.测量步骤
3.1建立GPS控制网
每个水库建立一个GPS控制网。以《各水库起算点情况统计表》中的控制点作为起算点，以三角形为基本形式采用边连接方式组成GPS控制网。每个水库不少于3个待定点。编号分别为Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3，待定点全部设置永久性标志。GPS控制网的观测采用4台南方北极星9600型GPS测量系统，静态基线精度为±5mm（+1ppm）、高程精度为±10mm（+2ppm）。GPS控制网采用静态载波相位相对定位模式进行卫星信号的接收，卫星截止高度角为15°，采样间隔为10″，同步观测有效卫星数大于5颗，观测时段长度大于90min，精度因子GDOP值小于4[2]。仪器高在观测开始前和结束后，分别用小钢尺量取，两次较差不超过3mm，取其平均值。外业观测结束后，使用南方GPS数据处理软件，进行平差计算，GPS控制网平面约束平差必须满足表1要求。GPS接收机的天线必须与测深仪换能器一同安装在垂直的位置，且两台设备之间平面与垂直距离应为同一数值，这样便可以将荷载、航速、水流及风力等引发测量船测量误差的所有不利因素控制在可控范围内，减小误差。
表1GPS控制网点平面约束误差统计
从表1可见，随着误差椭圆区间的不断增大，GPS控制网点平面约束误差逐渐递减，说明控制网精度在逐渐提升[3]。
3.2断面测量
3.2.1大坝断面
大坝测3处横断。位置：大坝中心处，测1条大坝横断；以大坝中心与左右坝头之间取中心点处分别测大坝横断1条。横向远端为两侧坝脚以为20m。纵横向比例为1∶100。
3.2.2溢洪道断面
溢洪道位置在坝一端，以坝轴线往上游20m处为起点，至尾水渠以外30m测纵断；溢洪道在山体里的，以控制段断面最前点往上游20m处为起点，至尾水渠以外30m测纵断。纵断纵横向比例为1∶100。
溢洪道横断面间距20m。在溢洪道堰顶处增加断面。纵横向比例为1∶100。
3.2.3成图
内业整理断面成果表，采用测绘软件CASS7．0地形成图软件绘制断面图。
4.库容成果精度评价
4.1库容及淤积测量
利用绘图软件CASS7.0并结合DTM土方计算模型进行库容与水库淤积的测量计算。首先根据实际测点的相应坐标（x、y、h），运用该绘图软件生成三角网，并分别计算各个三棱锥的体积，采用DTM计算模型便可求得相应范围内的填方量与挖方量的累计值，其中填方量的累计值即为指定场高条件下的水库库容（相关计算过程及结果详见表2）。
表2该水库库区库容与预计量的计算单位：万m3
4.2库容成果精度的评价
运用差分GPS定位技术重新核定该水库库区水位—库容曲线，优化水库防洪调度的运行方式，进行洪水风险的客观评价，并实现水库调度的安全可靠运行，充分利用水库水力资源等提供科学指导[4]。
测量点所处的平面位置精确度与测量点测深的精度是影响库容精度的两个主要因素，假设GPS基准站测量误差为σ，流动站测量误差为ε，测深仪的测深精度为τ，断面i的高程h以下的断面面积用Shi表示，则Shi的计算公式如下：
若横断面上σ+ε范围内具有相同的水深，而断面函数曲线的变动一般是由平面定位过程中产生的各种误差引起，用f1（x）表示断面面积变大的最不利情况，f2（x）表示断面面积变小的最不利情况，则根据断面曲线所计算的断面面积如下：
其中：
上式中L为断面两岸岸坡曲线的长度。根据监测数据可知，GPS基准站误差σ应不大于5cm，流动站误差ε一般固定在30cm位置。
当水库正常高水位处于330.00m时，水深约为35m，水面的宽度约为300m，断面岸坡之间的长度L约为100m，只考虑平面定位误差而忽略其余误差的情况下，断面面积误差应为（30+4）×100m=34m2，此时断面面积应不小于10000m2，相对误差的取值范围在0.35%及以上。相反在只考虑测深误差而忽略其余误差的情况下，意味着将τ=0.4%的相对误差考虑到断面面积计算过程中，在最不利工况下，针对断面面积所计算出的相对误差ΔSS≤0.53%。
断面与断面之间的体积误差可以用下式计算：
Δ
=（S+ΔS）（D+ΔD）－SD
=SΔD+DΔS+ΔSΔD
相对误差为：
根据计算得，库容成果所产生的相对误差最大值为0.60%，完全符合规范对该水库库区淤积测量精度的要求，这显然与差分GPS定位技术的运用是分不开的，可见在水库库区淤积测量过程中，该方法的运用具有极大的精度优势，会大大提升测量的精确度。
在上述水库库容及淤积测量及分析模拟的过程中，定位、测深、采集获取数据、处理、成图等过程都是通过测量仪器及计算机系统自动完成，整个过程都是实时动态进行的，所以能够获取所有相关的数据信息，且数据精确度高、采集密度大，故测量结果比常规测量方式下的结果更加客观真实。
5.结语
综上，对于水库建设项目而言，水库淤积是一个普遍存在的问题，水库淤积测量是一项长期而重要的基础工作。上述测量工程的库容成果精度的评价表明，本研究提出的方法能对水电站库区淤积进行实时动态测量，大大地提高测量精度和工作效率，比常规方法显示出明显的技术优势，因而对类似工程具有指导借鉴意义。
参考文献：
[1]刘振山.基于GPS技术的水电站库区淤积测量研究[J].建材与装饰，2018（7）.
[2]汪亚峰，傅伯杰，侯繁荣等.基于差分GPS技术的淤地坝泥沙淤积量估算[J].农业工程学报，2009，25（9）：79-83.
[3]段宝珩，贾晓堂，董永刚.水库库容与淤积测量新技术浅析[C]//水利水电测绘信息网一、六片学术交流会.2009.
[4]徐建光，李幼木，瞿富强等.基于差分GPS技术的水电站库区淤积测量研究[J].水力发电学报，2008，27（3）：70-74.
论文作者:黄永斌
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/10
标签：水库论文; 测量论文; 误差论文; 断面论文; 库区论文; 库容论文; 精度论文; 《基层建设》2018年第22期论文;