河道清淤工程淤泥方量計算方法的探討

陳良進

(浙江省錢塘江管理局，浙江 杭州 310016)

1 河道淤泥表、底高程的確定

淤泥的方量可以視為河道的2個體積之差，淤泥層表面至一個假定水位線SW的體積假設(shè)為VDIN，淤泥底至SW的體積假定為VDI，則淤泥的方量即是2個體積差V淤，V淤=VDI-VDIN。其中，淤泥頂層的高程通過測深儀獲取，淤泥底層的高程值通過插桿法獲取淤泥厚度計算得出。淤泥厚度的計算，用水下測量所用的比測花桿垂直下插淤泥測量，獲取淤泥頂層1個讀數(shù)HDIN、淤泥底層1個讀數(shù)HDI，2個讀數(shù)之差就是淤泥的厚度H。花桿須是直桿，桿上刻度均勻，以防花桿不達標(biāo)對測量精度造成影響。

2 河道淤泥方量的計算方法

2.1 斷面法

目前，河道溝渠土方量計算普遍用斷面法。在地形圖上，根據(jù)土方計算的范圍，以一定的間距等分線路，將線路劃分成若干個相互平行的橫截面，按照設(shè)計高程與地面線所組成的斷面圖，計算每條斷面線所圍成的面積，再由相鄰2個斷面之間的距離算出相鄰兩斷面間的體積，將各相鄰斷面的體積加起來，求出總體積，這種方法稱為斷面法。它不僅適用于面狀地形，而且適用于帶狀、有坎地形，利用斷面法計算淤泥方量，設(shè)計高程就等同于淤泥方量計算的假定水位線SW，淤泥面層、淤泥底層及水位線各組成一個斷面，淤泥底層計算的容積淤泥面層計算的容積差就是淤泥的方量。

斷面法計算原理:

式(1)中Vi為2個斷面間的容積，m3;di，i+1為Ai、Ai+1兩斷面的間距，m;Ai、Ai+1為兩斷面面積，m2。公式(1)具有嚴(yán)格立體幾何定義，要求兩底面平行且相似，各條側(cè)棱延長后交于一點(頂點)，兩底面面積與頂點到各底面距離的平方成正比例。實際線路斷面間幾何體難以滿足這些條件，但因其立體概念明確，理論嚴(yán)謹(jǐn)，工程條件近似時常使用［1］。

用斷面法計算土方量，斷面線的布設(shè)距離分隔要適當(dāng)。距離太遠時，外業(yè)工作量、內(nèi)業(yè)計算工作量相應(yīng)減少，但會降低精度;距離太近時，精度有保障，但外業(yè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理會增加不少工作量，不可取。

河道斷面線的布設(shè)影響土方計算的精度，布設(shè)須遵循以下原則:①河道斷面應(yīng)選在河道平面形態(tài)顯著變化處，斷面應(yīng)垂直于河道主流方向，以控制地形變化，正確反映淤積部位和形態(tài)，滿足計算淤積的精度要求;②測算容積及沖淤量的河道斷面設(shè)計，按照河道水庫平面大勢走向劃分較長的區(qū)段，在各個區(qū)段確定走向方向線，以盡可能與方向線正交的方向平行地布設(shè)各斷面，以便于斷面間距的確定和計算公式的選擇［2］;③當(dāng)河道彎曲較大或?qū)?、深變化較大時，應(yīng)增加斷面保證相鄰斷面間寬、深呈線性變化。

斷面法2個相鄰斷面之間距離的確定，通常有以下幾個方法:①斷面線中點連接法;②兩側(cè)邊線平均法;③斷面線多點連接法;④斷面形心連線法;⑤斷面線中點垂線法。具體的斷面線之間距離的確定看具體情況做出選擇。

2.2 DEM法

數(shù)字地面模型 (Digital Terrain Model，DTM)是地貌形態(tài)的離散表示。地表任一特征內(nèi)容如土壤類型、植被、高程等均可作為DTM的特征值。以高程為特征值的DTM稱為數(shù)字高程模型 (Didital Elevation Mdoel，DEM)用 (x，y，z)數(shù)字形式坐標(biāo)表達區(qū)域內(nèi)的地貌形態(tài)。DEM不僅適用于各種工程規(guī)劃和地形分析，也常用于土方工程量的計算。從技術(shù)上看，DEM技術(shù)直接使用原始數(shù)據(jù)，點密度大，DEM所提供的任意點高程精度高、剖面圖的可信度高。

2.2.1 基本原理

DEM模型的土方量計算是根據(jù)實地測定的地面點坐標(biāo)(X，Y，Z)和設(shè)計高程，通過生成三角網(wǎng)來計算每一個三棱錐的填挖方量，累加得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量，并繪出填挖方分界線。如果將DEM視為空間的曲面，填挖前后的2個DTM即為2個空間曲面，計算機可以自動計算2個曲面的交線，也可以用1個鉛垂面同時對2個曲面任意切割，計算2個切割下來的曲面間空間的體積，確認(rèn)土方計算的填挖交界線、填方量和挖方量。上面所說的DEM一般有2種表示方式，即基于規(guī)則格網(wǎng)的DEM(GridBased DEM)和基于三角網(wǎng)的DEM(Triangle Based DEM)。

2.2.2 土方量的計算

土方工程量是原始地表與設(shè)計地表之間的體積值，只需在計算區(qū)建立2個DTM，即1個原始地表DEM、1個設(shè)計地表DEM，根據(jù)2個DEM的差即可求出計算區(qū)的土方量。設(shè)原始地表DEM為DEM，設(shè)計地表DEM為DEMd，在相同的坐標(biāo)原點和格網(wǎng)分辨率的條件下，將同一區(qū)域的DEM和DEMd進行疊加，可得一新的DEM，設(shè)為△DEM，則△DEM=DEM-DEMd，其分量表示式為:

式中:z(i，j)表示地表DEM的格網(wǎng)點高程，m;z(i，j)d表示設(shè)計DEM的格網(wǎng)點高程，m。對任一格網(wǎng)(i，j)，若△Z(i，j)＞0，則該格網(wǎng)為挖方;若△Z(i，j)＜0，則該格網(wǎng)為填方。設(shè)格網(wǎng)面積為A=dx×dy，則該格網(wǎng)處的土方量為V(i，j)=△Z(i，j)×A，分別對△Z(i，j)＞0和△Z(i，j)＜0)的數(shù)據(jù)進行累加，即可求得該區(qū)域的填挖方量［3］。

與斷面法一樣，DEM法計算河道淤泥方量可以理解為2個方量的差值。假定設(shè)計地表就是一個固定的水位線，原始地表有2個，1個是淤泥頂層，1個是淤泥底層。淤泥底層計算的方量值為VDI，淤泥頂層計算的方量值為VDIN，則淤泥的土方量V淤即為V淤=VDI-VDIN。

DEM的土方量計算法適用于任何情形，DEM的精度是影響土方量計算準(zhǔn)確度的主要因素。DEM的實際精度主要由原始數(shù)據(jù)的采集誤差和高程內(nèi)插誤差2方面決定。數(shù)據(jù)采集誤差來自原始資料，采點設(shè)備、人為、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差。數(shù)字高程模型DEM對土方計算具有重要意義，基于DEM的土方計算方法克服了傳統(tǒng)方法作業(yè)人員計算量大、工作繁重、計算精度不高、容易出錯等缺點，實現(xiàn)了土方量計算的計算機自動化［4］。

3 斷面法和DEM法對比

目前河道淤泥土方計算普遍使用斷面法，結(jié)合浙江省海鹽縣“五水共治”海鹽縣城河道清淤工程，浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院對2種計算土方方法做了對比。選取1段500.00m長的河道，綜合河道形狀，寬度等各方面因素合理地布設(shè)斷面線，通過各斷面之間土方量的累加計算出土方量V1;DEM法利用南方CASS7.1計算，通過展高層點，將整理好的數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入CASS7.1;選取數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)，通過固定面積邊線計算設(shè)計高程分別與現(xiàn)有的淤泥頂層、淤泥底層之間的2個土方量數(shù)值，分2次計算，1次通過淤泥頂層數(shù)據(jù)計算得出VDIN，1次通過淤泥底層數(shù)據(jù)計算得出VDI，2次土方量計算的差值，即淤泥的土方量。通過計算，斷面法計算土方數(shù)值為12.38m3，DEM法計算土方數(shù)值為13.72m3，斷面法和DEM法計算的淤泥方量差值在5%～15%?？紤]到斷面之間淤泥厚度不均勻、DEM法計算的高程點不夠密等都可能影響最終結(jié)果，實際的淤泥方量可能是2種計算方式得出的中間值，哪種方式計算更接近真實值，還有待驗證。但是試驗表明:DEM法不僅適用于岸上土方計算，在水下淤泥方量的計算中結(jié)合CASS7.1，也帶來了意想不到的方便。

4 結(jié)語

根據(jù)理論算法的分析和實際計算證明，DEM法在河道淤泥土方量計算中同樣適用，其計算結(jié)果穩(wěn)定，誤差小，提高了工作效率，且計算結(jié)果與實際清淤工程量相差不大，得到了設(shè)計、施工及監(jiān)理部門的認(rèn)可。但該結(jié)論需要更多的實例來驗證其正確性、適用性，便于普及DEM法在河道淤泥土方量計算中的應(yīng)用。

［1］范俊武，李婷婷.斷面法在河道溝渠土方量計算中的應(yīng)用［J］. 門窗，2012(10):171-172.

［2］牛占，弓增喜，胡躍斌，等.布設(shè)斷面測算河道水庫容積及沖淤量的數(shù)學(xué)解析與概化［J］.泥沙研究，2004(4):61-67.

［3］蔣功旺.工程土方量DEM與方格網(wǎng)計算精度分析［J］.建材與裝飾，2008(4):405-406.

［4］聶偉，李清吉，曹傳萌.工程土方計算DEM法探討［J］.科技信息 (科學(xué)教研)，2007(19):109.