探析水利水电工程测量中GPS测量的应用

张磊

摘要：水利水电工程由于通常位于地形极为复杂的地区，故在施工之前必须对其地质状况进行精细的测量。传统的人工测量形式已经难以适应现今水电工程的需要，于是人们开始借助于GPS这种相对新颖的测量方式，为水利水电工程的施工进行前期测量。本文以GPS技术为研究对象，试探讨其在水利水电工程中的具体应用。

关键词：测量；水利水电工程；GPS技术；功能优势

为了工程所产生的电力足够支持人们的生活生产需求，水利水电工程通常会建设于地形复杂的区域，以借助地势的落差来发电。故水利水电工程必须在其施工之前对施工区域进行精确测量，并以测量结果来选择合适的地址与施工方案。否则，工程将有可能出现质量缺陷，在未来的使用中甚至其寿命会大大降低。而GPS技术的应用，正好满足了人们对测量的高精度要求。

一、所谓GPS技术

GPS汉译为全球定位系统，是一种借助卫星在全世界范围内进行定位与导航的新型技术。该系统有三大模块，第一大模块是空间模块，即距地面2公里的大气外的24颗卫星，这些卫星均匀分布于6个轨道面上，可以全天候、全角度、全时间的进行对地观测，虽然在大气的影响下导航精度会有所改变，但精度依然可以满足人们的需求；第二大模块是地面控制系统，该系统由地面主控制站、地面天线以及地面检测中心三个部分组成，作用是接收卫星发射出来的信号，并予以转码和处理，使信号变成人们能够理解的内容；第三大模块是用户设备，地面控制系统最终得出的信息在转化为GPS信号后会发送至用户手中的终端设备，用户得以获知测量而出的距离、三维坐标等数据，然后将之应用于工程测量与施工中。

由于该技术适应性强、高度自动化、操作简单、精度高，故在许多工程中都有广泛使用。即使是大型水利水电工程，也只需要提供足够的电力，再于必要的位置合理放置仪器，便可以迅速得出测量结果。

二、GPS技术在水电工程中的实际应用

（一）高程测量

地球的形状是不规则的，地面的高度是起伏不平的，于是测量中会出现“椭球面”“大地水准面”以及“似大地水准面”等概念，高程系统主要对这些概念进行测算。此外，高程系统又包括了力高系统、正高系统、大地高程系统以及正常高系统。

我国一般是将似大地水准面作为基准面来测量的，GPS技术直接获得的大地高需要再转化为正常高才可应用于实际项目中。水利水电工程中各点需要测量的大地高，主要是借助GPS系统建立三维空间，再从中获得各点的三维坐标。其计算方式为：正常高=大地高-高程异常。之后GPS系统借助高程异常和三维坐标的数值，以最小二乘法来拟合出测量所需的似大地水准面。

（二）控制网设计

水利水电工程在施工之前必须结合工程特点及项目所在地区的具体地形来选择合适的控制网。一般来说，为了避免误差的累积、确保测量精度与施工速度，测量一般始于整体和控制、终于局部和碎部，这是公认的测量原则。在测量的首级控制之中，最重要的是控制网的设计。控制网的图形有三种。

1、星形

这是一种结构简单的控制网，操作简单快速，只需要在测量区域内放置2-3台观测仪，不需要再放置其他设备，即可进行测量。需要注意的是，由于观测仪所形成的图形是非闭合图形，故在精确度与自检能力上是三种图形控制网中最差的。

2、三角形

三角形是结构性最强的几何图形，故这种形状的控制网的稳定性也是最高的，在三角形控制网中，测量精度分布的非常均匀，系统的自检性能非常强大。一旦测量过程中出现了问题，可以及时发现与解决，故该控制网具有鲜明的可行性。当然，该控制网也有一定的缺陷，即工作量大、测量耗时，若GPS信号接收机较少时，这种缺陷将会表现的尤其的明显和设计值相比会出现一定的延迟或误差。

3、环形

环形控制网的结构强度弱于三角形控制网。尽管其形状为闭合环，但几何稳定性依然无法与三角形网媲美。但好在环形控制网结构中的闭合环是独立的，其数量比较多，故在安全性上非常可靠。并且，最重要的是环形控制网的测量工作量较小，自检能力也没有被削弱。需注意的是，环形控制网的缺陷主要集中在精度的不均匀分布，这会导致相邻两点之间的基线缺少精确度。

若工程的规模比较大，所在地区的地势比较开阔，项目为枢纽工程、大型的堤围或者水闸等，要选择三角网测量，以确保测量数据的高度精确。若工程规模为中小型，所在地区的地形比较复杂，多山多丘陵，则要在前期勘探中使用环形网，这是为了避免实地环境使工程进度出现延误。

（三）渠道管线的布局与测量

渠道管线的布局正确与否直接影响到水利水电工程的发电效果。一般而言，渠道管线是以线性放射状的布局方式为主，分布上较为分散。在现实中，渠道长度非常长，再加上复杂的地理环境与多变的天气的影响，人力测量的精度难以保证。故GPS技术被应用于渠道管线的布局与测量中。在实际操作中，工程方不必在附近建立监测站，只要放置观测仪来测量高程、转角等必要参数，即可迅速实现定点监测。

（四）形变测量

水利水电工程的施工结果可能出现变化，水利建筑有可能出现沉降或者变形，故施工过程中需要对这些可能性的结果进行针对因素的测量。即在施工前，对可能发生变形的范围进行定点定位测量，甚至还要在水下进行地形观测，将所得到的水深、水流速度导入GPS系统，以绘制水下地形图。

三、实例

黄河的某一支流F流经L市，由于其地势高低差明显，水流量也比较大，故可以用来发电。于是，L市在这条支流上建立了2个跨河水电站，即水电站A和水电站B。该工程始于2003年，投入了近10亿资金，其中A水電站的装机容量高达10万千瓦，取水口高达0.69km，引水隧道长达6km，工程内建筑物有引水隧道、大坝、厂房、泄洪道以及各种压力管道；B水电站的装机容量高达4万千瓦，取水口高达0.48km，引水隧道长达0.4km，工程内建筑物有引水隧道、厂房以及各种压力管道。

经过计算与分析，该工程的控制网应该选择环形控制网，其长度建议为30km，其闭合差应该控制在5-12mm之内，每1km的水准测量误差应该小于2mm。而为了保证精度，该工程安置了8台接收机进行同步观测。鉴于基线较多（204条），故对每一条观测边进行了两个时段的观察，每次观察时间均在1.5小时以上。最终发现，5条检测失败，出现较大误差的边有18条，其余181条基线因观测量好而可以成为工程的独立观测量，并直接应用于工程之中。

结语：

本文针对GPS技术在水利水电工程中的各种具体应用进行了介绍，点明其在精度和测量时间上无与伦比的优越性。相信随着GPS技术的不断优化，未来水利水电工程在测量上将会具有更高的精度，其发展前景将会无比光明。

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