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精卫要是掌握了这些方法,就不会想要去填海了

图片:Public Domain

一个湖的水量是怎么测出来的?

Villain,水环境工程师/Fortran狗/海外工作狗/运动爱好者

终于碰到一个专业相关的问题了。

要求一个湖泊的水量,其实就是要知道湖泊的地形。用卫星遥感测地形理论上可行,但说实话实际案例中很少用到卫星数据,我见过的卫星遥感地图基本上没有湖泊深度数据的。这个我也不知道为什么,还请相关专业人士来解惑。来谈谈我所知的案例吧:

首先:划范围

要知道一个湖泊的水量,首先要知道一个湖泊的范围。这时候就需要运用到水文知识了。首先大 boss 要设定的多少年一遇的防洪标准,比如说百年一遇,或者历史最高洪水位,或者平均水位、或者客户指定一个标高,确定了这个数据以后,就把地形图拿来,把这个水位以下的地给圈起来,然后就认为这个高度就是要求的。

第二:测数据

测数据的方法有很多种,简单粗暴的就是用过往资料。拿到等高线,把数据抠出来就好了。当然有人肯定嫌不够给力,那常用的方法就是人工测了。上文提到过,湖泊的范围是人为规定的,实际上岸边有很多土地都是露出来的。测这部分土地非常简单,各种常规的方法都可以,比如说拿全站仪测、让一个人带着 GPS 沿着岸边溜溜,高大上一点的就是航测了,找个航测的公司用飞机把这一片区域扫一遍,最近比较流行的就是用无人机了。有人肯定要问那岸边的植被啊房屋啊什么的怎么办,其实现在的航测的技术其实很成熟了,植被的高度都可以被测出来然后在地形图上抹去的。但是航测有个缺点就是没法穿透水,反正我见过的所有的 LP 数据没有一个能直接出湖底的地形图的。

测湖底的地形图就只有老老实实的利用各种工具来测了。找个枯水季,水深两三米的敌方用全站仪加标杆就能搞定,有钱一点的弄个船或者拉个绳子吊一个多普勒测量仪一个断面一个断面的扫过去就 OK 了。

至于深一点而且范围很大的湖泊 / 海湾,那就不能这么玩了。那就只能老老实实一个点一个点的测了。测量方法就是搞一艘船,定几个测量点,然后驾船开过去,记录下当时的水位,然后把仪器放下去,测一下水深就 OK 了。当然土豪的话就用声纳扫呗。这个本人有过亲身体验,跟一个研究室的小伙子早上五点跑到日本的有明海,一个点一个点的测,反正仪器放下去水深、水温、pH、Chla、salinity(盐分?)都出来了。

第三,算容量

如果看到这,大概会发现除了土豪用声纳啊卫星扫能够直接扫出一个面的高程出来,普通的测量测的都是个断面甚至一个点的数据啊。确实,通过普通方法测出来的数据通常如下:

一个标准的断面数据

某区域内测量的测量点

接下来就是插值了。首先是划网格:

某区域的平面图

三维图

然后插值。一些商业软件会提供 N 种插值方法,比较常用的有什么距离倒平方法、spline 法、线性插值法(最常用有木有!!!),每个插值方法都有不同特点,有的比较平滑且稳定性高,但是需要的时间比较久,有的快,但是插出来的值简直非常粗糙。这个根据需求不同自己做一个取舍。当然如果实在非要不用商业软件的话自己编程也没啥难度,只要给出算法知乎上的大牛分分钟给你弄一个出来。最后插出来的数据大致如下:

平面图

三维图

弄到这里基本上问题就解决了。给一个高程,所有的网格体积加一下,水量就出来了。

当然这样得话太粗暴了,你必须证明自己算的是对的。这时候搞个水动力模型,算几个 case,把计算值和观测值对比一下,发现计算的水深、水温、流速等跟观测值差不多了,就说明你的地形图应该没啥问题了。

上面答案有人提到用水位容积曲线来推算。要推导这些曲线都得需要地形数据的。除非是那种会完全干涸的湖泊,搞清楚上游流入量和下游流出量,估算一下蒸发、渗流损失,然后拟合出一条曲线,或者是一些前辈被逼得没办法了,拿出某个典型断面或者光凭经验,然后粗暴的四舍五入,拟合几条曲线,然后根据一些流量观测值来算几个实例,找出最合适的。

可能有人说这种方法不准啥的,如果想要更准的,那就多测几个点,网格搞密一些呗。反正我等人士绝对不会嫌钱多的。再者,这种数据都是估计,上万立方米的水放到一个大中型湖泊中水位的变化基本上在水位测量仪器精度以外了。当年毕业论文我算出来的结果结果跟观测值差得不止一点,照样厚着脸皮说算出来的结果跟观测值拟合很好。

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