2010年第 1期
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作为管理的实施者和执行者，将付出大量的精力、体力。标准
化、规范化是在总结大量工作的基础上得到的，再加上良好的
工具配合，才会使他们轻松地去应对更多的任务。
同时应当注意到，相对于技术因素的严格来讲，管理因素
制定得再细致，在实际应用中也会存在欠缺和过分约束的情
况，可以将之比喻成框架结构，在实施中还应注意到：①充分
理解规范、规则和质量管理体系文件，把握原则、关键点；②需
要对船舶检验工作流程的每一个里程碑事件进行处理，形成
辅助的规范；③重视档案等辅助工作的形成过程，并根据实际
情况创造管理方式、方法；④协调验船师们对细节的处理方
式，形成统一的工作语言。
同时，服务是船舶检验工作的最终目标，在船舶检验过程
中整体服务意识的提高，是对验船师们的要求，也是工作跨越
新高度和持续改进的要求。验船师是整个船舶检验工作中，唯
一具有能动性的因素，他们对工作目标的要求，将直接决定工
作价值。比如根据货船的船期规律，在适航证书将要到期时，
及时通知船东，一方面可以避免船东由于各种原因造成证书
过期，影响生产；另一方面也可以使船舶检验工作始终处于可
控状态。
此外，还应当考虑到，管理是一项长期的任务，不可能一
蹴而就，在从无到有、持续改进的过程中，必定会出现短暂的
额外付出，这是引进新事物的必然规律，只有坚定地付出，最
终才能够使工作在和谐、有序、可控、高效的状态下运行。■
水库是人类蓄水发电、灌溉和防洪调度的重要设施，新中
国成立以来，全国各地修建了众多水库。水库工程在防御洪
水、调节径流、合理利用水资源等方面发挥了巨大的作用，水
库库容和淤积量的变化是水利电力部门十分关心的问题。正
确快速测定库容和淤积量对保证库区、大坝的安全和计划调
度发电均起着重要的作用。随着人们环境保护意识的提高和
抗洪工作的严峻性，获得准确的库容和淤积量具有重要的意
义。
随着河流测控技术的发展，特别是现代水下地形测量技
术和水文测量技术的突飞猛进，大批量、多时段河床冲淤数据
的快速获取已成为可能。从而为精确地确定水库库容及冲淤
演变分析奠定了基础。
鉴于上述，本研究提出了一种基于现代测控技术的库容
和淤积量精密测量及计算方法。
1 常规库容计算方法
常规的库容计算方法一般采用断面的方法。首先在需要
计算的库区设立一定数量的断面，然后根据计算精度的要求，
每隔一定间距来测定水深，那么库区的容量可按式（1）计算：
V=
n
i = 1
ΣVi Vi=Li Si+Si+12Σ Σ Si=
m
j = 1
Σ hi+hi+1Σ Σd/2 (1)
式中 Vi、Li为第 i 个断面到第 i+1 个断面间的库容和距
离，n为分段个数，Si、m、d、hi分别为第 i个断面的面积、测点个
数、点间距和每个测点的深度测量值。
传统的断面法计算库容延续了较长的时间，该法虽然在
操作和计算方面比较简单方便，但由（1）式可以看出，采用该
法的前提假设是断面间距能够正确的测定，断面间水底地形
和河床变化规则，而且无支流。然而，实际地形的变化却是错
综复杂的，河床参差不齐，这种情况下如果采用该法来计算库
容，则精度就无法保证。由于淤积量是根据前后两次测得的库
容较差来获得的，若库容测量不准确，那么淤积量的计算精度
也将无从谈起。
2 现代水下地形测量
现代水下地形测量是一种全自动化水下地形数据采集技
术，它具有自动化程度高、测量精确、将传统的点状测量转化
为面状测量等特点。这些特点保证了采样点能够将河床全覆
盖，且以密集的数据真实全面地反映河床的地形特征，因而，
该技术正成为现代河床演变数据采集的一个极具潜力的重要
手段。
水下地形测量基本模式
随着科技的发展，GPS 日益广泛地应用在水利工程的各
个方面。现代水下地形测量正定位为采用回声设备获取水深
数据、全球定位系统 GPS 获取定位数据，定位数据和测深数据
匹配，实时获取采样点平面位置和水深的基本模式。为了获得
河床的数字高程、潮汐资料或水位资料必须同步观测，则河床
王领法 （山东省菏泽市东鱼河流域工程管理处 山东菏泽 274000）
王领全 （中国市政工程华北设计研究总院 天津 300070）
水库库容的精密测量及计算
【摘 要】应用全球定位系统（GPS）和回声测深技术等现代测控技术对水库库容和淤积测量进行了研究,经实际运用
取得了满意的效果。
【关键词】全球定位系统（GPS） 回声测深技术 现代测控技术 水库库容测量
收稿日期：2010- 01 - 19
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的数字地面模型 DTM 或数字高程数据 DEM 可同时获得，这
为快速进行河床演变冲淤分析提供了数据保证。
为了提高该系统的观测精度，深度测量通常采用回声测
深系统，位置测量多采用差分 GPS 系统（RTD或 RTK）。其作
业模式如图 1所示。
图 1 水下地形测量原理图
图中参考站天线高为 hra，流动站天线高为 hka，即 GPS 天
线到换能器面的垂距；已知点的正常高为 hro，参考站 GPS 天
线处的大地高和正常高分别为 Hrg、HrM，高程异常为ξ；流动台
站 GPS 天线相位中心的大地高和正常高分别为 Hkg、HkM；换能
器的瞬时高程为 HGT。
根据图 1，水底点高程 H的计算模型为：
D= 12 cΔt H＝Hs -D （2）
式中，Hs为测量时刻的水面高程，D为测量深度，c、Δt分
别为声波在水中的传播速度和波束往返传播时间。
由于 GPS 在深度测量的同时进行位置确定，因而，水底点
的三维位置（x,y,H）便可获得。
GPS 载波相位差分定位技术
为了提高定位精度，一般均采用差分技术。在众多的差分
技术中，伪距差分和载波相位差分是最为常用的两种测量模
式，由于前者的定位精度一般为 1～3 m，后者为 cm 级，所以
载波相位差分测量模式通常用于高精度的测量工程和研究中。
载波相位差分测量的定位精度很大程度上依赖于整周模
糊度能否在航精确确定。整周模糊度在航解算（OTF）是一种动
态环境下的模糊度确定方法，它可省去在精密动态定位中的静
态初始化过程。常规精密定位中复杂的整周跳变问题也因
OTF的引入变得十分简单。载波相位差分测量整周模糊度的
确定模型为：
Xk=Φk-1Xk-1+Γk-1Wk-1 Wk~N(0,Qk)
Zk, =Hk Xk+Vk Vk ~N(0,Rk ) （3）
式中 Xk = dx dy dz x y z dn0 dn1 dnnn n为状态
向量；Φk-1为状态转移矩阵；Hk 为载波相位的测量矩阵；Rk 为
载波相位的方差阵；Qk为系数阵。
Q
-1
N =CC
T
Qk=ff
T
=min f=C
T
DN-Dn nN （4）
由式（4）计算得到整周模糊度 N后，代入载波相位观测方
程，便可以获得 cm 级甚至 mm 级的平面定位精度。
回声测深技术
回声测深仪是一种单波束测深设备，其测深原理是：
h=CT/2 （5）
式中 h为深度，C为声速，T为波束往返传播时间。
根据声波传播理论，不同频率的声波对于介质的穿透能力
不同；为了探测淤积层的厚度，测深仪设计了 2 个频率 f1、f2，f1
频段的波束刚好打到淤积层表面返回，f2频段的波束则穿透淤
积层打到水下基岩上，二者根据式（5）计算所得深度差便是测
点处的淤积层厚度。
3 高精度水库库容测量方法
库容精密测量
高精度的库容和淤积量的测量采用现代水下地形测量方
法，为了保证库容和淤积量的计算精度，首先需要对库区进行
测线设计，GPS 和测深采样也要按照水下地形测量规范等间
隔或等时间采样。
设测量比例尺为 1∶S，测量船的平均速度为V，则测线间距
d和时间间隔Δt为：
d=S×10
- 4
Δt=d/V （6）
为了提高测量精度，在测线布设时，还应该考虑水下地形
的变化趋势，若地形变化相对比较平坦，则测线间距可以适当
放宽，否则，需要加密测线。这有利于使测点均匀分布于整个测
区，同时在测区水下地形变化复杂的地区加密测点，使测点深
度或高程能更好地反映水下地形的变化趋势。
库容和淤积量的精密计算
高精度的库容和淤积量计算方法建立在实际测点的基础
上，根据图 2，相邻 3个测点可构成的三角柱体积为：
Vk=S
h1+h2+h3
3n n （7）
aij = xi -xjn n
2
+ yi -yjn n
2姨 i=1,2 j=2,3 i≠j
S= l-a12n nl-a23n nl-a31n n姨
l= a12 +a23 +a312
式中：aij为三角形的边长，S为三角柱的截面面积。
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图 2 相邻 3个测点构成的三角柱
则整个库区的库容为：
V＝
n
k = 1
ΣVk （8）
式中 n代表整个库区构成的三角形个数。
淤积量的计算方法同库容相似。设相邻 3个测点在淤积层
表面测得的深度分别为 h1、h2和 h3，在对应点基岩上测得的深
度分别为 h'1、h'2和 h'3，则淤积量为：
V'k=S'
Δh1+Δh2+Δh3
33 3 （9）
Δhi=h'i -hi i=1,2,3
式中 S'为三角柱的截面积，计算方法同上。则整个库区的
淤积量为：
V'=
n
i = 1
ΣV'k （10）
图 3 相邻 3个测点构成的淤积三角柱
库区淤积量也可通过式（11）获得：
V'＝Vf2 - Vf1 （11）
式中 Vf1、Vf2分别代表根据 f1、f2测得的淤积表面和基岩
表面上的深度计算得到的体积。
4 本方法优点
基于现代测控技术的高精度库区库容、淤积量的测量和计
算方法相对于传统的断面法具有许多优点，诸如定位精度高、
最大化程度高、计算结果准确、所得数据可用于水下地形图的
绘制及 DTM的建立等多种用处。
第一，采用了现代高精度的 GPS 定位和回声测深技术。定
位精度一般情况下可以达到 cm 级甚至 mm 级，因而从定位
角度讲，完全可以满足精密库容和淤积量测量的精度要求；回
声测深仪的测深技术指标可以达到 10 cm 以内，因而测深也
能满足其计算要求。
第二，从计算方法角度讲，由于库容和淤积量的计算是完
全建立在高精度、高密度测量数据的基础上，通过对每一个小
三角柱单元体积进行叠加来获得最终计算结果。三角柱单元的
体积计算在数学上是严密的，因而计算所得结果几乎不损失精
度。
第三，用于库容和淤积量计算的数据，还可用于水下地形
图的绘制、DTM的建立等其他方面。
5 问题讨论
相对于传统库容和淤积量的确定方法，由于采用了先进的
测控设备，无疑会给测量和计算方法增加一些难度，以下就实
际数据处理中的几个问题进行讨论。
第一，对于比较大的库区，如江河形成的自然库区，数据量
会随水域面积的增加而急剧增大。在利用这些数据构造库区三
角形时会因存储量和搜索范围过大，占用过多的计算机内存，
导致计算速度过慢或者死机。
为克服这个问题，在三角形构造中可采用一种快速的三角
形构网方法，即局域搜索法。根据测区范围和测点数量，事先对
整个区域根据坐标进行划分，然后在结合拓展三角形的范围索
引各个分割区，在小区域内实现快速搜索。这样可以大大的节
约计算机内存，提高三角形的构网速度。
第二，对于水库调度而言，最希望得到的是库区的库容曲
线。根据前面所述的高精度库容确定方法，计算出不同水位面
下的相应的库容，就可绘出库容曲线。由于水下地形测量仅仅
给出了水面以下的深度，根据水面下的实测结果计算水底到水
面高程变化的库容曲线，而对高于当前水面的水位面曲线无法
进行计算。
为了得到一个全面反映库区容量变化的库容曲线，需要将
库区边缘数字高程信息引入库容计算中。库区边缘陆地的数字
高程信息可通过两种途径获得。一种是利用 GPS 载波相位差
分技术获得；另一种方法是通过已有的地形图或 DTM获得。
第三，若利用 GPS 载波相位差分测量技术获得陆地数字
信息，则 GPS 天线相位中心的平面位置即为陆地测点的平面
位置，相位中心的高程减去天线高程便是陆地高程。GPS 载波
相位差分测量获得的点位高程可达到 cm 级，只要测量时测杆
保持垂直，反算陆地高程的精度远高于水深测量的精度。
第四，利用陆地和水下点位信息联合计算库容曲线时，陆
地和水下的平面坐标系统和高程系统必须统一。这就需要在进
行水下地形测量的同时，还要进行水位观测，获取水位面高程。
当测区的水位面随时间（或距离）变化较大时，要定期（或定距
离）进行水位观测，并利用观测所得时间（或距离）与潮位的对
应关系，拟合出每一时刻（或每一位置）的水位面高程。水位面
高程确定下来后，便可以对水深进行水位改正，获取同陆地高
程基准系统一致的高程。水下地形测量的平面坐标系统在测量
时便可设置为同一系统；若不是同一系统，还需要进行坐标转
换。
对于将水底点的深度转换成高程问题，传统的解决方法
是，在进行水下地形测量的同时，同步进行水位观测，以获取水
位面高程。当测区的水位面随时间（或距离）变化较大时，要定
期（或定距离）进行水位观测，并利用观测所得时间（或距离）与
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潮位的对应关系，内插出每一时刻（或每一位置）的水位面高
程；若水位变化微小或基本不发生变化，无须内插，仅测量一
个水位面高程即可。现代水下地形测量，省去了上述繁琐的过
程，直接利用 GPS RTK技术获得水底点高程。根据图 1 和
GPS 载波相位测量技术，只要量取 GPS 天线相位中心到换能
器之间的垂距 hG-T得水位面的高程 hsurface，进而获得水底点的
高程 hb。设 h为测量的水深，GPS 相位中心的高程为 hGPS，则
hb可表达为：
hb =hsurface -h= hGPS -hG-T! "-h （12）
式（12）是在作业条件相对较好情况下计算水底点高程的
模型，若由于波浪、船体的运动，上述条件很难满足，则在实际
测量中需要引入姿态测量的内容。姿态测量通常采用波浪补
偿仪或姿态仪，但由于仪器费用昂贵，这里引进 GPS 姿态测量
技术。只需增加船载的 2 台 GPS 接收机，便可获得船体的姿
态。仪器的架设如图 4。
图 4 测姿 GPS 天线安放图
根据相关文献，GPS 测姿是完全可以满足 IHO 的精度要
求的。姿态参数（横摇 r、纵摇 p、动态吃水 ds）测定后，便可对
式（12）中的 hG-T和 h实施修正。设实际测量值分别为 h'G-T和
h'，则修正后的 hG-T和 h为：
h=h'-Δhr -Δhp -ds=h' cosp+cosr-! "1 -ds
hG-T =h'G-T -ΔhG-T,r -ΔhG-T,p =h'G-T cosp+cosr-! "1 （13）
这样，利用式（12）和（13）便可获得水底点的高程。这种方
法无须进行水位改正，直接得到同陆地高程基准一致的高程。
该方法在“某水库淤积测量及库容曲线修正研究”课题中
得到了应用和验证。该水库为山区的一个天然水库（地质为岩
石结构），主要用于电厂的发电和蓄洪，水库面积约 150 km2，
总计测量 3~4 万个测点。利用该方法计算仅花费不到 2 s 的
时间，完成了库容的计算，不同水位面库容数据和库容曲线计
算结果如图 5和表 1所示。
将这种方法计算所得库容曲线结合已有淤积资料，根据
1963年所测得的库容来进行比较，二者具有较好的一致性，进
而说明这种方法具有操作简洁、计算快速、准确等常规方法所
无法比拟的优点。
图 5 库区库容曲线
表 1 不同起算面的库容量
7 结论
综上所述，可得出如下结论和建议：本文所述测量和计算
方法具有常规方法所无法比拟的优点。经实践验证，在理论上
是正确的，在实际上是可行的。所述测量方法建立在现代高精
度定位和测深的基础上，因而实测成果在技术和精度上是有
保证的。所述库容和淤积量的计算方法，在数学上是严密的，
保证了计算成果的高精度。为了提高计算速度，在三角形构网
时可采用优化的分区域搜索法。
为了得到一个比较全面反映库区变化的库容曲线，需要
将陆地和水下测点的坐标系统归于同一系统中，这就需要对
测量时的水位面进行连续的监测或内插。■
参考文献
[1 ]张红梅，赵建虎. 水库库容和淤积量精密测量及计算方法研究[J].
武汉大学学报，2003，36(5)：26- 29.
科学观察
6 实验
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