水利工程河湖疏浚質(zhì)量檢測(cè)探析

黃 堅(jiān)

（德清縣水利建設(shè)發(fā)展有限公司， 浙江 德清 312300）

1 問(wèn)題的提出

我國(guó)中小河道淤積現(xiàn)象比較普遍，河道原有的調(diào)蓄洪水與防災(zāi)減災(zāi)能力有所減弱，部分河道的生態(tài)遭到一定程度的破壞，為此國(guó)家及地方政府加強(qiáng)河道及部分湖泊的治理力度，其中清淤工程作為主要措施被廣泛實(shí)施。目前河道清淤已經(jīng)從提高河道防洪、排澇和灌溉能力的傳統(tǒng)目標(biāo)向生態(tài)水利目標(biāo)拓展，眾多河道清淤項(xiàng)目均含有減少河道內(nèi)源污染、改善河道水質(zhì)的目標(biāo)。

為了解河道及湖泊清淤效果，需對(duì)疏浚項(xiàng)目進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)獲取的河湖現(xiàn)狀泥面高程判定欠挖、超深、挖槽每邊超寬等指標(biāo)是否在規(guī)范允許范圍內(nèi)。不同的檢測(cè)對(duì)象應(yīng)采用不同的檢測(cè)方法，常規(guī)模式可采用交會(huì)法、極坐標(biāo)法、斷面索法等進(jìn)行平面定位，采用測(cè)深桿、測(cè)深錘、模擬測(cè)深儀進(jìn)行水深測(cè)量；自動(dòng)化模式采用GNSS+單波束測(cè)深儀或多波束測(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮模式作業(yè)，免去設(shè)驗(yàn)潮站分帶內(nèi)插的方式獲得不同時(shí)段水位的步序[1-2]。測(cè)深桿、測(cè)深錘測(cè)量水深時(shí)受水流流速及方法限制，所測(cè)水深通常大于實(shí)際水深，配合采用的交會(huì)法及極坐法通常誤差較大，具有一定的局限性；GNSS+回聲測(cè)深儀具有較好的定位精度及測(cè)深精度，特別是利用空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲取布爾莎七參數(shù)后可采集較高精度的點(diǎn)位高程。目前無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量模式已成為河湖疏浚質(zhì)量檢測(cè)的主要技術(shù)手段，其檢測(cè)成果具有較好的準(zhǔn)確性及可靠性。

2 布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換

布爾莎-沃爾夫（Bursa-wolf）模型，即七參數(shù)模型是一種空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的嚴(yán)密模型，采用該模型進(jìn)行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的7 個(gè)參數(shù)即為布爾莎七參數(shù)。2 個(gè)橢球間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，一般而言比較嚴(yán)密的是用布爾莎七參數(shù)模型，本項(xiàng)目GPS 接收機(jī)采集到的是WGS-84 橢球的大地坐標(biāo)，項(xiàng)目最終成果是1954 橢球的地方坐標(biāo)，屬于2 個(gè)橢球之間的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，因此采用布爾莎七參數(shù)進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換較為嚴(yán)密可靠，更重要的是能獲取較高精度的點(diǎn)位高程。不同基準(zhǔn)下的2 個(gè)空間直角坐標(biāo)系見(jiàn)圖1。

圖1 布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型圖

坐標(biāo)變換存在3 個(gè)平移參數(shù)和3 個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，考慮到2 個(gè)坐標(biāo)系尺度上的差異，還存在1 個(gè)尺度變化參數(shù)m。相應(yīng)的坐標(biāo)變換公式為：

式中：ΔX0、ΔY0、ΔZ0為3 個(gè)平移參數(shù)；εX、εY、εZ為3 個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)；m為尺度變化參數(shù)。

由公式（1）可知，求解布爾莎七參數(shù)的重合點(diǎn)至少需要3 個(gè)[3-6]，且重合點(diǎn)的分布盡量覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)。布爾莎七參數(shù)的轉(zhuǎn)換精度與重合點(diǎn)的內(nèi)符合精度密切相關(guān)，為求得準(zhǔn)確的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，應(yīng)選擇測(cè)區(qū)內(nèi)分布均勻、精度較高的重合點(diǎn)，當(dāng)重合點(diǎn)大于3 個(gè)時(shí)，采用最小二乘法求轉(zhuǎn)換參數(shù)最或然值[7-9]。布爾莎七參數(shù)的測(cè)量范圍較大，一般可達(dá)100 km2，為提高測(cè)量成果的高程精度，通常通過(guò)加密控制點(diǎn)的辦法提高測(cè)區(qū)高程成果精度，控制點(diǎn)距離宜控制在1 km 范圍內(nèi)。

3 工程案例

3.1 工程基本情況

浙江省現(xiàn)代水利示范區(qū)（德清縣洛舍鎮(zhèn)）洛舍漾及周邊水系綜合整治項(xiàng)目清淤部分清淤河道12 條，清淤河道長(zhǎng)度9.99 km，湖漾2 個(gè)，總面積175 hm2，清淤總量171.6 萬(wàn)m3。

河道以設(shè)計(jì)橫斷面為依據(jù)布置主測(cè)深線，主測(cè)深線間距為50 m，主測(cè)深線覆蓋所有設(shè)計(jì)斷面。為檢核橫斷面測(cè)量成果的可靠性及補(bǔ)充橫斷面間疏浚效果，沿河道軸線方向設(shè)置測(cè)深縱向檢查線，即縱斷面測(cè)深線，測(cè)深檢查線垂直于主測(cè)深線，單波束檢查線長(zhǎng)度大于主測(cè)深線總長(zhǎng)度的5%。由于湖漾呈不規(guī)則形狀，故測(cè)線布設(shè)成格網(wǎng)狀，格網(wǎng)大小為50 m×50 m，縱、橫向測(cè)線兼作檢查線。

3.2 檢測(cè)測(cè)量方法選擇

本工程需檢測(cè)的河道大多為小型河道，可采用斷面索+測(cè)深桿或RTK+測(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮2 種模式。前者需測(cè)量河道水位，斷面測(cè)點(diǎn)平面位置偏差大，由于水流作用及人為操作的缺陷均會(huì)導(dǎo)致所測(cè)水深大于實(shí)際水深，因此斷面索+測(cè)深桿誤差較大，對(duì)疏浚方量的計(jì)算偏差相對(duì)要大；RTK+測(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮檢測(cè)時(shí)無(wú)需測(cè)量水位，測(cè)深點(diǎn)的高程精度完全由RTK 測(cè)量精度及水深測(cè)量精度決定，采用布爾莎七參數(shù)測(cè)定的地物點(diǎn)高程精度可控制在3 cm 以內(nèi)，水深測(cè)量精度主要由聲速、船體航行姿態(tài)、吃水深度量取的準(zhǔn)確性等決定，因此采用無(wú)驗(yàn)潮作業(yè)模式可取得較好的疏浚質(zhì)量檢測(cè)成果。河道近岸側(cè)受船舶吃水深度的影響，無(wú)法采用無(wú)驗(yàn)潮作業(yè)模式，直接采用RTK 作業(yè)模式獲取疏浚后邊坡高程。

本項(xiàng)目的2 個(gè)湖漾水域?qū)掗?，GNSS 接收機(jī)可較好地接收衛(wèi)星信號(hào)，采用RTK+測(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮作業(yè)方式具有作業(yè)效率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)；本項(xiàng)目湖漾疏浚范圍距水岸線為2～3 m，因此水下邊坡檢測(cè)亦采用RTK+測(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮作業(yè)方式。無(wú)驗(yàn)潮作業(yè)模式應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注RTK-GPS 流動(dòng)站所測(cè)三維坐標(biāo)是否固定解，如解狀態(tài)為單點(diǎn)定位或浮點(diǎn)解應(yīng)停止水深數(shù)據(jù)的采集，直至解狀態(tài)為固定解；天線高的量取與輸入是獲取水深點(diǎn)準(zhǔn)確高程的關(guān)鍵，輸入測(cè)深儀時(shí)通常需要考慮天線高固定差改正值。

3.3 測(cè)區(qū)已有資料的收集與分析利用

湖漾及河道疏浚前已完成施工平面及高程控制網(wǎng)的測(cè)量工作，控制網(wǎng)點(diǎn)共14 個(gè)，其中起算點(diǎn)2 個(gè)，分別為Ⅱ湖航6（C 級(jí)點(diǎn)）、姚家壩（C 級(jí)點(diǎn)），除DQ40 因其他工程施工破壞外，其余控制點(diǎn)DQ33～DQ44 均保存完好，可用作疏浚后檢測(cè)首級(jí)控制測(cè)量成果。根據(jù)原控制測(cè)量控制點(diǎn)點(diǎn)位分布圖（見(jiàn)圖2），選擇7 個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行布爾莎七參數(shù)的解算，轉(zhuǎn)換殘差見(jiàn)表1。從表1 看出，平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差最大為7.9 mm，高程轉(zhuǎn)換殘差最大為11.9 mm，均優(yōu)于±2 cm，滿足CH/T 2009—2010《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）測(cè)量技術(shù)規(guī)范》中對(duì)轉(zhuǎn)換殘差限差的要求。

表1 控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換殘差表 m

圖2 控制點(diǎn)點(diǎn)位分布圖

為驗(yàn)證已解算布爾莎七參數(shù)的準(zhǔn)確性及可靠性，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)未參與解算點(diǎn)DQ40 進(jìn)行了三維坐標(biāo)的觀測(cè)，與已有坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，X 向及Y 向偏差均在1.5 cm 內(nèi)，高程偏差在2.0 cm 內(nèi)，說(shuō)明解算的布爾莎七參數(shù)準(zhǔn)確可靠，可用于河湖疏浚質(zhì)量檢測(cè)。

3.4 檢測(cè)參數(shù)設(shè)置及異常情況處理

3.4.1 測(cè)深儀及RTK模式選擇

水深測(cè)量采用中海達(dá)HDMAX 測(cè)深儀。

RTK 模式分網(wǎng)絡(luò)RTK 和單基站RTK 兩種。網(wǎng)絡(luò)RTK 模式作業(yè)精度均勻，不受距離控制，但數(shù)據(jù)通信鏈路在部分區(qū)域效果不佳，一旦鏈路發(fā)生故障，流動(dòng)站很難收到虛擬參考站的差分?jǐn)?shù)據(jù)，無(wú)法獲得固定解；單基站RTK 模式作業(yè)精度受距離限制，流動(dòng)站獲取的點(diǎn)位精度隨著距離的增大而降低，一般不宜超過(guò)5 km，但數(shù)據(jù)通信鏈路由電臺(tái)控制，將電臺(tái)架設(shè)在高點(diǎn)后流動(dòng)站與基準(zhǔn)站通訊流暢。本項(xiàng)目周邊GSM 信號(hào)弱，因此采用單基站RTK 作業(yè)模式。

3.4.2 投影參數(shù)設(shè)置

主要為橢球、投影、橢球轉(zhuǎn)換等設(shè)置。源橢球?yàn)閃GS84 橢球，當(dāng)?shù)貦E球?yàn)楸本?4 橢球；投影參數(shù)的作用是完成空間直角坐標(biāo)系到平面直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，選擇“高斯自定義”，中央子午線、北加常數(shù)采用當(dāng)?shù)貐?shù)；將計(jì)算好的布爾莎七參數(shù)輸入測(cè)深儀測(cè)深軟件，測(cè)量過(guò)程中可直接了解水面高程、泥面高程等。

3.4.3 天線高設(shè)置

天線高的正確輸入是獲取泥面正確高程的關(guān)鍵要素。一般天線高為湖漾及河道水面至天線相位中心的距離，功能齊全的導(dǎo)航軟件一般會(huì)提供幾種輸入方式，直接輸入量取的天線高時(shí)所測(cè)水面高程往往與實(shí)際高程相差8～12 cm，主要因測(cè)深軟件未提供天線相位改正。建議選擇根據(jù)水面高程計(jì)算天線高，通過(guò)正確的水面高程及量取的天線高計(jì)算正確的天線高，以獲取準(zhǔn)確的水底高程。

3.4.4 測(cè)深設(shè)置

測(cè)深設(shè)置中“吃水設(shè)置”及“聲速設(shè)置”較為重要，吃水設(shè)置關(guān)系到換能器至水面深度的水深值準(zhǔn)確性，聲速設(shè)置關(guān)系到換能器至水底深度水深值的準(zhǔn)確性，兩者直接關(guān)系到水深測(cè)值的準(zhǔn)確性。

（1）吃水設(shè)置。換能器吃水深度設(shè)置關(guān)系到水深成果的準(zhǔn)確性，一般在平靜水域量取換能器吹水深度。如果測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)平靜水域，則量取波浪引起的吃水峰、谷均值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，船舶在前進(jìn)過(guò)程中會(huì)有一定的下沉，其吃水深度應(yīng)適當(dāng)偏大，綜合考慮河道邊坡水深較淺等因素，本項(xiàng)目換能器吃水在25～30 cm。

（2）聲速設(shè)置。本項(xiàng)目水深相對(duì)較淺，采用塔尺測(cè)定換能器處水深值，將實(shí)際水深輸入測(cè)深儀自動(dòng)計(jì)算實(shí)際聲速值。

3.4.5 航速控制

測(cè)量船在測(cè)量過(guò)程中勻速航行，船速在6～8節(jié)，作業(yè)過(guò)程中時(shí)刻注意外甲板、觀察發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)深桿是否異常，如傾斜等；測(cè)線間轉(zhuǎn)彎時(shí)適當(dāng)減速，減小船體傾斜引起的測(cè)量誤差。

3.4.6 異常情況處理

測(cè)量過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注水深測(cè)值的異常。當(dāng)出現(xiàn)測(cè)值缺失或其跳躍幅度較大時(shí)，及時(shí)停止船舶的前進(jìn)，檢查換能器的工作情況及RTK-GPS 整周未知數(shù)的固定情況。測(cè)值缺失一般因測(cè)深儀損壞引起，測(cè)值跳躍幅度較大一般由船體波動(dòng)及衛(wèi)星信號(hào)較弱引起。

3.5 成果質(zhì)量檢查

測(cè)量成果的自檢及最終檢查是確保成果的準(zhǔn)確性與可靠性的重要保障。對(duì)測(cè)深成果進(jìn)行100%內(nèi)業(yè)檢查，采用縱斷面測(cè)深對(duì)主測(cè)深線的測(cè)深成果進(jìn)行檢查。根據(jù)SL 197—2013《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》要求，0～10 m 水深的測(cè)深中誤差應(yīng)小于±15 cm。測(cè)深中誤差根據(jù)檢查線與主測(cè)深線相交處水深差值及測(cè)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算，測(cè)深中誤差為2.2～7.1 cm。

水深測(cè)量中誤差計(jì)算公式：

式中：n為各條河道檢核的測(cè)點(diǎn)數(shù)量；Δi為縱橫斷面共同測(cè)量點(diǎn)水深差值。

3.6 疏浚質(zhì)量評(píng)定

疏浚檢測(cè)測(cè)量工作完成后應(yīng)及時(shí)整理疏浚檢測(cè)成果，成果圖件包括平面圖及橫斷面圖，根據(jù)檢測(cè)成果對(duì)疏浚質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。評(píng)定應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范要求實(shí)施，水利工程疏浚質(zhì)量評(píng)定通常參照水利部標(biāo)準(zhǔn)，也有地質(zhì)條件特殊地區(qū)的地方標(biāo)準(zhǔn)。通常將欠挖深度、允許超深、挖槽每邊允許超寬規(guī)定為主控項(xiàng)目。欠挖深度是較為重要的主控項(xiàng)目，通常要求欠挖深度小于設(shè)計(jì)水深的5%或小于0.3 m，兩者間取小值，對(duì)于河道疏浚項(xiàng)目設(shè)計(jì)水深的5%通常小于0.3 m，因此欠挖深度一般與河湖常水位相關(guān)；河道疏浚超深過(guò)大后會(huì)引起兩側(cè)邊坡或擋土墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此疏浚超深問(wèn)題應(yīng)予以控制，將其設(shè)置為主控項(xiàng)目是基于結(jié)構(gòu)安全考慮，對(duì)不同的疏浚工藝其超深控制指標(biāo)不相同；在疏浚斷面邊坡坡度不變的條件下，疏浚斷面超寬會(huì)引起坡底的不穩(wěn)定，超寬過(guò)大將引起邊坡失穩(wěn)，從而引起邊坡或擋土墻的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，將其設(shè)置為主控項(xiàng)同樣是基于結(jié)構(gòu)安全考慮，對(duì)不同的疏浚工藝其超寬控制指標(biāo)也不相同。

單元工程質(zhì)量評(píng)定分為合格和優(yōu)良2 個(gè)等級(jí)。單元工程各檢測(cè)斷面檢測(cè)點(diǎn)滿足規(guī)范要求的即為合格點(diǎn)；90%以上測(cè)點(diǎn)合格的斷面為合格斷面，95%以上測(cè)點(diǎn)合格的斷面為優(yōu)良斷面；主控項(xiàng)目斷面合格率100%或測(cè)點(diǎn)合格率90%以上為合格，主控項(xiàng)目斷面合格率100%或測(cè)點(diǎn)合格率95%以上為優(yōu)良。

3.7 實(shí)際疏浚方量計(jì)算

湖漾及河道疏浚質(zhì)量檢測(cè)不合格的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行整改，整改合格后進(jìn)行實(shí)際疏浚方量計(jì)算。通常湖漾由于面積大，湖底疏浚方量常采用方格網(wǎng)法或三角網(wǎng)法進(jìn)行計(jì)算；邊坡部分采用平均斷面法實(shí)測(cè)計(jì)算；河道一般呈帶狀分布，通常采用平均斷面法計(jì)算疏浚方量。方量計(jì)算時(shí)，基準(zhǔn)面為疏浚前高程面，當(dāng)實(shí)測(cè)高程面低于設(shè)計(jì)高程面時(shí)，以設(shè)計(jì)高程面為計(jì)算面；當(dāng)實(shí)測(cè)高程面高于設(shè)計(jì)高程面時(shí)，以實(shí)測(cè)高程面為計(jì)算面。

4 結(jié) 論

（1）水利工程河湖疏浚是惠及民生的工程，疏浚后質(zhì)量檢測(cè)工作十分重要，檢測(cè)成果的準(zhǔn)確性與可靠性依賴于測(cè)量方法，測(cè)量方法的選擇應(yīng)根據(jù)河湖規(guī)模、周邊環(huán)境條件、區(qū)域GSM 信號(hào)等，建議優(yōu)先采用RTK+測(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮模式實(shí)施疏浚質(zhì)量檢測(cè)，避免人為干擾因素引起的測(cè)量粗差。

（2）成果質(zhì)量檢查是確保檢測(cè)成果準(zhǔn)確可靠的環(huán)節(jié)，疏浚質(zhì)量過(guò)程中必須實(shí)施縱斷面檢查，通過(guò)縱斷面與各橫斷面交點(diǎn)處的較差進(jìn)行水深測(cè)量中誤差的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，有利于評(píng)價(jià)總體檢測(cè)水平。

（3）疏浚質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的選擇應(yīng)考慮不同地區(qū)地質(zhì)條件的差異，欠挖深度、允許超深、挖槽每邊允許超寬主控項(xiàng)目應(yīng)嚴(yán)格按照實(shí)測(cè)成果予以評(píng)定。疏浚質(zhì)量評(píng)定合格后方可進(jìn)行疏浚方量計(jì)算。