平面坐标系统在水利工程控制测量中的应用研究

邱明根

（赣州市水利电力勘测设计研究院，江西赣州 341000）

通常情况下，水利工程项目多数都处在丘陵、山区地带，高程大、测区跨度大，边长综合变形值能够达到分米级，若不进行任何处理，既不符合工程测量规范要求，也无法满足大比例尺地形图测绘精度，且不利于施工放样。建立并使用合适的平面坐标系统可实现对水利工程在控制测量工作中问题及短板的有效解决。

1 工程概况

赣州市市管河道贡江茅店-八境台段防洪清淤疏浚整治工程，起于赣县区茅店镇汶潭坝，终于章贡二江汇合口，全长为15 km，工程起推断面位于贡江河口，控制集水面积为27 074 km2。受到水土流失、洪水冲刷、人类活动等因素影响，部分河段淤积严重，过流断面缩小，需借助平面坐标系统建立法对其进行有效治理[1]。

2 水利工程控制测量中平面坐标系统建立的概述

水利工程控制测量包含两类，即平面、高程控制测量。在规划设计阶段，控制测量的关键目的在于准确测绘大比例尺地形图。进入施工阶段后，以前期得到的设计图纸为准，完成各类控制线的放样工作，竣工后运营阶段的控制测量重点关注结构是否有变形的情况。针对三个阶段生成相应的控制网，分别为测图控制网、施工控制网、变形监测网（此部分通常为施工控制网改造而得）。在平面控制测量中，地表水平距离投影至参考椭球面上或参考椭球面上的长度投影至高斯平面时，均容易出现长度变形现象。

为有效控制长度变形，可以采用分带投影的方法，以便有效满足中小比例尺测图的要求，但实际长度变形控制效果仍然有限，且以高海拔地区以及远离中央子午线的地区更明显，常出现更大的变形。

依据水利项目的建设位置以及该处的平均高程，精准确定测区的中央子午线以及投影基准面，根据此类信息构建平面坐标系统，以便有效控制从控制点坐标反算的边长，使其能够与实地测量的水平距离保持一致，提高大比例尺地形图测绘以及放样的精度，为后续的施工放样创设良好的条件。本文对平面坐标系的建立方法、适用性、具体应用展开分析，加深对平面坐标系建立方法的认识。

3 坐标系的建立方法及其适用性分析

根据测区的地理位置、平均高程、长度综合变形值ΔS的大小，水利工程可分别采用地方坐标系、独立坐标系、工程坐标系等方法建立平面直角坐标系。

3.1 采用国家统一3°带高斯正形投影平面直角坐标系

测区高程在158.28 m以内、ym超过45.05 km时，可以采用3°带高斯正形投影平面直角坐标系，若符合“长度综合变形值ΔS1≤25 mm/km”的条件，则可以采用该坐标系，其特点在于测量结果具有可用性强的特点，即“一测多用”。但从水利工程的建设环境来看，其普遍分布在丘陵、山区地带，高程常超过158.28 m，且存在较大的测区跨度，对于变形值ΔS而言则普遍达到分米级，受此限制，该类坐标系在水利工程项目中的应用频率相对较低。

3.2 采用抵偿投影带的高斯正形投影平面直角坐标系

选择一条子午线作为高斯投影的中央子午线，采用高斯投影改正ΔS2抵偿高程投影改正ΔS1，利用此方法使ΔS→0。若参考椭球面作为高程投影基准面，此时具有H0=0的特点，具体计算：

式中：Hm——测区平均高程值。

确定该值后予以计算，可得到抵偿投影带ym的值，高斯投影子午线采用的是ym处的大地经度Lm。在实际工作中，可对上述所提的公式进行简化处理或根据需求从测区内直接选取某条子午线，试算后符合ΔS≤25 mm/km的条件即可。此类坐标的特点在于转换的便捷性较好。

3.3 投影于抵偿高程面

高斯投影线采用3°带中央子午线，对高程投影基准面进行调整，即不采用参考椭球面，采用抵偿高程面，使用高程投影改正ΔS1抵偿高斯投影改正ΔS2，以期达到ΔS→0的效果。实际应用情况显示，在选择高程投影基准面时，通常会选定测区平面高程比其略低的高程面。对于高斯投影的中央子午线，考虑测区中心线的某子午线，或根据实际情况选用位于中心线周边的某子午线。

4 平面坐标系统建立方法在水利工程控制测量中的应用

实施本工程的目的是借助整治疏浚河道淤泥，清除阻水边滩、中心滩及其他阻水滩地的方式，提高贡江行洪能力，提升贡江行洪断面衔接的顺畅度，改善区域河道水生态景观和贡江通航条件。

洪水整治流量采用50年一遇和20年一遇设计洪峰流量，整治中水流量采用多年平均流量，枯水整治流量采用枯水期（12月～次年2月）多年平均流量。

Ⅲ级和Ⅴ级航道设计枯水位分别采用98%、95%保证率设计通航水位，Ⅲ级和Ⅴ级航道设计最大通航流量分别采用20年一遇洪水和10年一遇洪水。

4.1 坐标河道疏挖断面设计

（1）纵断面。

河底纵断面的疏通挖掘深度应在不改变河道比降和天然河道走势的基础上进行。治理段的疏挖断面河底高程应在连接河道渐变的同时，保证与天然主河槽的最低点基本持平。若局部区域的河底高程不满足通航水深段，可根据实际情况进行适当下切，但需要注意不能改变整治河段的整体比降。

（2）横断面。

此次河道疏挖工作，在保证河底宽度在现有天然河岸范围内且不改变河势的基础上顺势扩挖，保留边滩现有草地范围和丁坝，尽可能使河线顺直。考虑所在河段的地质和水下土质条件，疏挖边坡不陡于1∶10。

4.2 坐标洪水水面线设计

为实现对本次治理河段设计洪水位的更好分析，为该段河道的整改治理设计提供可靠坚实的依据，采用能量方程，通过试算法对河道设计水面线进行推算。以本次治理河段下游贡江河口为起推断面，从下至上再到逐断面推求河道设计洪水水面线。

设计河段设计洪水水面线变化情况如表1所示。

表1 河段各断面洪水整治水位变化情 单位：m

（1）常水位设计。

本工程河段的水位在较大程度上会受到下游万安水库调度作业影响。结合万安水库调度规则，分析万安坝址至贡江河口段各时段常水位，4～6月贡江河口段常水位为93.24 m，7月～次年3月常水位为94.23 m。结合此数据，通过推求水面线，最终得到工程所在河段的各断面水位。

（2）枯水位设计。

本阶段确定设计枯水期为12月～次年2月，计算时参考赣贡站推求工程枯水期设计流量和设计水位。经计算得出贡江河口断面枯水期设计流量345 m³/s。12月～次年2月万安水库维持94.11 m水位运行，通过推求水面线得到工程所在河段的各断面水位。

（3）最低通航水位设计。

本工程拟清淤疏浚整治贡江，工程结束后可恢复现有贡江主航道并对其进行有效改善，使其达到规划的Ⅴ级航道要求。根据贡江河口断面95%保证率时的设计最低通航水位90.80 m、相应的流量为73 m3/s，且采用推求水面线的方法可求得工程所在河段各断面相应设计通航水位。

4.3 应用效果分析

通常情况下，测区普遍呈现不规则的形状特点，同时测区内的地势差异化较为明显，有较大幅度的高低起伏，估算所得的测区平均高程缺乏足够准确性。在估算偏差过大的情况下，会严重影响测区内局部边长综合变形值，即存在超限的可能。因此，在实际估算前应综合考虑测区的具体情况，确定后还应在测区范围内进行试算，并根据现场实际适当调整。赣州市是本工程借助平面坐标系进行疏浚治理时的最主要受益区，工程完工后会在较大程度上提高赣州市的经济发展水平，提升人们生活质量。

（1）社会方面。

通过清淤疏浚有利于河势稳定，能够有效保证行洪安全，降低雨季防洪泄洪难度，可在一定限度上降低甚至避免洪灾引起的饥荒、卫生、治安等社会问题，有利于社会安定和人们安全。

（2）经济方面。

有助于减少洪灾损失，减免国家经济损失，保障人们生命财产安全。清淤疏浚工作产生的大量砂砾料经过筛选后可用于建筑生产，具有较好的经济效益。疏浚砂石应实行统一的经营管理，疏浚砂石的利用管理需要严格遵照国家相关标准和规定，疏浚砂石的统一经营管理单位对砂石的接收、保管及经营负责，并向当地相关部门支付相关费用。

5 结语

综上所述，在水利工程项目中，正确建立并合理应用平面坐标系统后，可有效控制长度综合变形值，将其稳定在标准范围内，其基本思路以测区的位置以及平均高程为立足点，正确选用高程投影基准面和中央子午线位置。本文提出多种平面坐标系统的建立方法，具体可根据实际情况进行灵活选择，以提高大比例尺地形图的测绘精度，保证施工放样的准确性，为后续建设工作的开展夯实基础。