芦云峰1，2 谭德宝1 杨中华3
(1长江科学院空间信息技术研究所，武汉 430010；2武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430079；3武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)
摘要：传统的水库库容计算方法难以快速、准确地计算出大型水库库容值，满足不了水库运行调度的需求。本文基于空间信息技术，在采集和构建高精度的水库地形数字高程模型（DEM）的基础上，结合GIS组件二次开发技术，对水库库容的精确计算提出一种新方法。运用该方法编写通用的库容计算软件平台对三峡水库静库容和动库容进行了计算，计算结果较为准确，表明该方法准确有效，可以在其它具有地形DEM数据的大型水库推广运用。
关键字：空间信息技术 静库容 动库容 DEM 水库调度
1．引言
大型水库库容曲线（包括静库容、动库容）是水库运行调度与管理的基本依据，关系到水库长期效益的发挥。对于湖泊型水库，采用静库容曲线进行洪水调节计算就可满足水库运行调度要求。但对于大型河道型水库，水库水面不是水平的，水库库容包括水平面以下的静库容和水库实际水面与水平面之间的楔形库容，两部分库容都参与了水库调洪的整个过程，仅使用静库容曲线进行水库调度是不可靠的，必须使用动库容调洪的方式进行水库调度。传统的水库库容计算方法难以快速、准确地计算出大型水库库容值（包括静库容、动库容），满足不了水库运行调度的需求，分析其主要原因还是受库容计算方法和技术手段的限制。
基于空间信息技术，通过采集并建立水库地形高精度数字高程模型数据（DEM），精确模拟水库现状地形，可以快速而准确地计算水库静库容。对于大型河道型水库，以水库河道地形DEM为基础，获取地形断面数据，建立一维非恒定水动力学模型，应用GIS组件二次开发技术可以实现对水库动库容的实时计算，确定水库真实库容参数，指导水库运行调度,将是直接提高水库经济效益和社会效益的重要手段，具有重大的现实意义。
2．水库地形数据采集与集成
本文提出的库容计算方法是建立在水库地形高精度DEM基础上的，因此首先必须采集高精度的水库地形数据，构建水库地形数字高程模型（DEM）。为了保证库容计算精度，通常要求DEM数据的精度比较高，最好达到比例尺1：5000以上。
2.1 水库地形数据采集
通过数字摄影测量方法可以采集到高精度的水库水上地形数据，而水库水下地形数据可以应用GPS和“水声纳”技术采集得到。水库地形数据采集范围：对于湖泊型水库，仅需采集水库校核洪水位以下的地形数据；对于河道型水库，则根据实际水库防洪标准的，需要相应频率下典型洪水淹没范围河道地形数据。
2.2 水库地形数据预处理与集成
由于水上水下地形数据由不同的技术分别采集得到，数据采集的格式、采样间隔、坐标系统等存在差异，需要进行统一和标准化处理。首先要整理水下DEM数据，剔除噪声，统一其数据格式，包括坐标系统、高程系统、分带标准等；然后对DEM数据进行拼接，不同分幅的DEM数据接边可能存在重叠或裂缝，需要逐幅进行处理，以确保数据拼接的无缝和平滑特性。
3．静库容计算方法
水库静库容是指某一水位以下的蓄水容积。本文基于水库地形DEM数据采用格网法进行静库容计算，计算原理为：把DEM数据每个栅格点中心点的高程值作为该栅格的高程值，求得每个栅格与指定水库水位之间围成的棱柱体体积后进行累加即为该水位下水库的静库容值。计算公式如下：
具体实现过程如下：
（1）大型水库高精度的地形DEM数据量很大，需要分块存储。对于河道型水库，仅河道内的DEM数据为有效数据，每块DEM数据可能存在大量用冗余数据，因此还必须采用无损压缩技术进行DEM数据压缩。
（2）结合GIS组件二次开发技术，应用可视化开发环境Visual C++6.0和ArcEngine9.2开发水库静库容计算模块，界面如图1所示。
（3）静库容计算模块根据用户输入的最低水位、最高水位和水位间隔值，采用扫描线种子填充算法依次读入水库地形DEM数据每个栅格高程值，利用公式①可以快速地批量计算出从最低水位到最高水位，间隔为用户输入的水位间隔值的静库容值。
4．动库容计算方法
大型河道型水库运行调度必须采用动库容曲线进行调洪计算。但动库容除与库区河道地形有关外，还与入库洪水组成、水库调度方式、河道水力特性等多个因素密切相关，计算难度较大。本文基于空间信息技术，结合水库河道一维非恒定流水动力学模型，实现了大型河道型水库动库容的快速准确计算。
4.1河道型水库动库容计算原理
计算分三步：首先，建立水库河道一维非恒定流水动力学模型，实现水库不同洪水条件下的沿程水面线计算；其次，应用GIS组件二次开发技术，结合沿程水面线数据进行空间插值生成水库河道水面DEM数据；最后，求出水库河道水面DEM与河道底部DEM各栅格构成的棱柱体的体积后，进行累加得到水库动库容值。
4.2 河道一维非恒定水动力学模型
水库河道一维非恒定流水动力学模型采用组建立。采用四点线性隐式差分格式（Preismann格式）进行离散计算。衡量水力学模型计算准确与否的方法一般是通过实测洪水过程的计算进行验证。即对于一次历史洪水过程，采用上游来流量和区间入流量以及下游控制断面水位变化作为边界条件进行水动力学计算，计算可以得到每个断面上的水位和流量过程，对于重要的水文站点所在计算断面，可以将计算出的水位流量和实测的水位流量进行比较，判断计算误差大小，然后通过修正和优化参数，提高计算结果与实测资料的接近程度。利用Compaq Fortran6.6开发了水动力学计算模块，界面如图2所示。
4.3 基于DEM和水动力学模型的水库动库容计算
采用水动力学模型计算得到的河道沿程水面线，并不能直接参与计算动库容值，还需要解决以下两个问题。
（1）水动力学模型计算得到的流场数据是每个计算断面线的水面高程，并不是河道水面DEM数据每个栅格的水面高程，对于这个问题可以采用空间插值的方法解决。在两个相邻的断面线之间，离上游断面线越近的栅格水面高程越接近于上游断面线的水面高程，离下游断面线越近的栅格水面高程越接近于下游断面线的水面高程。另外，在建立河道非恒定流一维水动力学模型的过程中，划分的断面与断面之间的河道地形比较顺直才能满足水力学模型计算的要求。所以可以考虑采用与距离相关的线性插值方法插值得到每个栅格的水面高程,与该栅格水下高程数据比较，识别出水库的水面范围，生成相应的河道水面DEM数据,采用格网法可以计算出动库容值。
（2）采用水动力学模型计算得到的河道沿程水面线，仅仅包括河道干流和部分大支流断面线的水位高程值。对于一些无法计算出水面线的细小支流，取河道支流与干流交汇处的中心点的水面高程作为该支流的水面高程, 该中心点的水面高程可以采用空间插值方法得到, 再利用静库容的计算方法算出这些支流的库容值。
把以上两部分库容相加即可得到水库动库容值。
结合GIS组件二次开发技术，应用可视化开发环境Visual C++6.0和ArcEngine9.2开发了水库动库容计算模块，界面如图3所示。
5．在三峡水库静库容和动库容计算中的应用
为了验证以上库容计算方法的可行性，运用上述方法编写通用的库容计算软件对三峡水库静库容和动库容进行了计算。
5.1 三峡水库静库容计算
三峡水库正常蓄水位175m（防洪高水位），汛期限制水位145m。采用静库容计算模块，基于DEM数据计算的三峡水库175m以下库容值为388.95亿m3，145m以下库容值为168.55亿m3，145～175m之间的防洪库容为220.4亿m3，同初步设计中的防洪库容221.5亿m3相比，减小1.1亿m3。计算结果与三峡水库初步设计阶段静库容结果基本一致。
5.2三峡水库动库容计算
采用水动力学计算模块，结合三峡水库156米蓄水过程实测水文数据计算了该过程中的三峡水库一维流场数据。然后采用动库容计算模块，基于DEM数据计算了动库容过程值，时间间隔为8小时，利用计算结果数据绘制的动库容随时间变化曲线如图4所示。
根据计算结果，2006-9-20 16:03时三峡水库动库容值为170.93亿立方米，近似作为三峡水库156米蓄水过程的开始。2006-10-27 8:03时动库容值为277.08亿立方米，近似作为三峡水库156米蓄水过程的终止。二者之差应为三峡水库156米蓄水过程中的累计蓄水量，结果为106.15亿立方米，与三峡总公司发布的累积蓄水量105亿立方米相差1.15亿立方米。表明计算结果准确有效。
6．结论
基于空间信息技术，在采集和构建高精度的水库地形数字高程模型（DEM）的基础上，结合GIS组件二次开发技术，运用本文所述库容计算方法研发通用的库容计算软件，可以实现大型水库静库容和动库容的快速计算。高精度的水库实测地形DEM数据保证了库容计算成果的高精度。通过对三峡水库静库容和动库容进行计算，计算结果较为准确，表明该方法准确有效，可以在其它具有地形DEM数据的大型水库推广运用。
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