水利工程河湖疏浚质量检测探析

黄 坚

（德清县水利建设发展有限公司， 浙江 德清 312300）

1 问题的提出

我国中小河道淤积现象比较普遍，河道原有的调蓄洪水与防灾减灾能力有所减弱，部分河道的生态遭到一定程度的破坏，为此国家及地方政府加强河道及部分湖泊的治理力度，其中清淤工程作为主要措施被广泛实施。目前河道清淤已经从提高河道防洪、排涝和灌溉能力的传统目标向生态水利目标拓展，众多河道清淤项目均含有减少河道内源污染、改善河道水质的目标。

为了解河道及湖泊清淤效果，需对疏浚项目进行质量检测，根据检测获取的河湖现状泥面高程判定欠挖、超深、挖槽每边超宽等指标是否在规范允许范围内。不同的检测对象应采用不同的检测方法，常规模式可采用交会法、极坐标法、断面索法等进行平面定位，采用测深杆、测深锤、模拟测深仪进行水深测量；自动化模式采用GNSS+单波束测深仪或多波束测深仪无验潮模式作业，免去设验潮站分带内插的方式获得不同时段水位的步序[1-2]。测深杆、测深锤测量水深时受水流流速及方法限制，所测水深通常大于实际水深，配合采用的交会法及极坐法通常误差较大，具有一定的局限性；GNSS+回声测深仪具有较好的定位精度及测深精度，特别是利用空间坐标转换获取布尔莎七参数后可采集较高精度的点位高程。目前无验潮水深测量模式已成为河湖疏浚质量检测的主要技术手段，其检测成果具有较好的准确性及可靠性。

2 布尔莎七参数转换

布尔莎-沃尔夫（Bursa-wolf）模型，即七参数模型是一种空间坐标转换的严密模型，采用该模型进行空间坐标转换的7 个参数即为布尔莎七参数。2 个椭球间的坐标转换，一般而言比较严密的是用布尔莎七参数模型，本项目GPS 接收机采集到的是WGS-84 椭球的大地坐标，项目最终成果是1954 椭球的地方坐标，属于2 个椭球之间的空间坐标转换，因此采用布尔莎七参数进行空间转换较为严密可靠，更重要的是能获取较高精度的点位高程。不同基准下的2 个空间直角坐标系见图1。

图1 布尔莎七参数转换模型图

坐标变换存在3 个平移参数和3 个旋转参数，考虑到2 个坐标系尺度上的差异，还存在1 个尺度变化参数m。相应的坐标变换公式为：

式中：ΔX0、ΔY0、ΔZ0为3 个平移参数；εX、εY、εZ为3 个旋转参数；m为尺度变化参数。

由公式（1）可知，求解布尔莎七参数的重合点至少需要3 个[3-6]，且重合点的分布尽量覆盖整个测区。布尔莎七参数的转换精度与重合点的内符合精度密切相关，为求得准确的坐标转换参数，应选择测区内分布均匀、精度较高的重合点，当重合点大于3 个时，采用最小二乘法求转换参数最或然值[7-9]。布尔莎七参数的测量范围较大，一般可达100 km2，为提高测量成果的高程精度，通常通过加密控制点的办法提高测区高程成果精度，控制点距离宜控制在1 km 范围内。

3 工程案例

3.1 工程基本情况

浙江省现代水利示范区（德清县洛舍镇）洛舍漾及周边水系综合整治项目清淤部分清淤河道12 条，清淤河道长度9.99 km，湖漾2 个，总面积175 hm2，清淤总量171.6 万m3。

河道以设计横断面为依据布置主测深线，主测深线间距为50 m，主测深线覆盖所有设计断面。为检核横断面测量成果的可靠性及补充横断面间疏浚效果，沿河道轴线方向设置测深纵向检查线，即纵断面测深线，测深检查线垂直于主测深线，单波束检查线长度大于主测深线总长度的5%。由于湖漾呈不规则形状，故测线布设成格网状，格网大小为50 m×50 m，纵、横向测线兼作检查线。

3.2 检测测量方法选择

本工程需检测的河道大多为小型河道，可采用断面索+测深杆或RTK+测深仪无验潮2 种模式。前者需测量河道水位，断面测点平面位置偏差大，由于水流作用及人为操作的缺陷均会导致所测水深大于实际水深，因此断面索+测深杆误差较大，对疏浚方量的计算偏差相对要大；RTK+测深仪无验潮检测时无需测量水位，测深点的高程精度完全由RTK 测量精度及水深测量精度决定，采用布尔莎七参数测定的地物点高程精度可控制在3 cm 以内，水深测量精度主要由声速、船体航行姿态、吃水深度量取的准确性等决定，因此采用无验潮作业模式可取得较好的疏浚质量检测成果。河道近岸侧受船舶吃水深度的影响，无法采用无验潮作业模式，直接采用RTK 作业模式获取疏浚后边坡高程。

本项目的2 个湖漾水域宽阔，GNSS 接收机可较好地接收卫星信号，采用RTK+测深仪无验潮作业方式具有作业效率高、精度高等优点；本项目湖漾疏浚范围距水岸线为2～3 m，因此水下边坡检测亦采用RTK+测深仪无验潮作业方式。无验潮作业模式应重点关注RTK-GPS 流动站所测三维坐标是否固定解，如解状态为单点定位或浮点解应停止水深数据的采集，直至解状态为固定解；天线高的量取与输入是获取水深点准确高程的关键，输入测深仪时通常需要考虑天线高固定差改正值。

3.3 测区已有资料的收集与分析利用

湖漾及河道疏浚前已完成施工平面及高程控制网的测量工作，控制网点共14 个，其中起算点2 个，分别为Ⅱ湖航6（C 级点）、姚家坝（C 级点），除DQ40 因其他工程施工破坏外，其余控制点DQ33～DQ44 均保存完好，可用作疏浚后检测首级控制测量成果。根据原控制测量控制点点位分布图（见图2），选择7 个控制点进行布尔莎七参数的解算，转换残差见表1。从表1 看出，平面坐标转换残差最大为7.9 mm，高程转换残差最大为11.9 mm，均优于±2 cm，满足CH/T 2009—2010《全球定位系统实时动态（RTK）测量技术规范》中对转换残差限差的要求。

表1 控制点转换残差表 m

图2 控制点点位分布图

为验证已解算布尔莎七参数的准确性及可靠性，在现场对未参与解算点DQ40 进行了三维坐标的观测，与已有坐标进行比对，X 向及Y 向偏差均在1.5 cm 内，高程偏差在2.0 cm 内，说明解算的布尔莎七参数准确可靠，可用于河湖疏浚质量检测。

3.4 检测参数设置及异常情况处理

3.4.1 测深仪及RTK模式选择

水深测量采用中海达HDMAX 测深仪。

RTK 模式分网络RTK 和单基站RTK 两种。网络RTK 模式作业精度均匀，不受距离控制，但数据通信链路在部分区域效果不佳，一旦链路发生故障，流动站很难收到虚拟参考站的差分数据，无法获得固定解；单基站RTK 模式作业精度受距离限制，流动站获取的点位精度随着距离的增大而降低，一般不宜超过5 km，但数据通信链路由电台控制，将电台架设在高点后流动站与基准站通讯流畅。本项目周边GSM 信号弱，因此采用单基站RTK 作业模式。

3.4.2 投影参数设置

主要为椭球、投影、椭球转换等设置。源椭球为WGS84 椭球，当地椭球为北京54 椭球；投影参数的作用是完成空间直角坐标系到平面直角坐标系的转换，选择“高斯自定义”，中央子午线、北加常数采用当地参数；将计算好的布尔莎七参数输入测深仪测深软件，测量过程中可直接了解水面高程、泥面高程等。

3.4.3 天线高设置

天线高的正确输入是获取泥面正确高程的关键要素。一般天线高为湖漾及河道水面至天线相位中心的距离，功能齐全的导航软件一般会提供几种输入方式，直接输入量取的天线高时所测水面高程往往与实际高程相差8～12 cm，主要因测深软件未提供天线相位改正。建议选择根据水面高程计算天线高，通过正确的水面高程及量取的天线高计算正确的天线高，以获取准确的水底高程。

3.4.4 测深设置

测深设置中“吃水设置”及“声速设置”较为重要，吃水设置关系到换能器至水面深度的水深值准确性，声速设置关系到换能器至水底深度水深值的准确性，两者直接关系到水深测值的准确性。

（1）吃水设置。换能器吃水深度设置关系到水深成果的准确性，一般在平静水域量取换能器吹水深度。如果测区内无平静水域，则量取波浪引起的吃水峰、谷均值。根据经验，船舶在前进过程中会有一定的下沉，其吃水深度应适当偏大，综合考虑河道边坡水深较浅等因素，本项目换能器吃水在25～30 cm。

（2）声速设置。本项目水深相对较浅，采用塔尺测定换能器处水深值，将实际水深输入测深仪自动计算实际声速值。

3.4.5 航速控制

测量船在测量过程中匀速航行，船速在6～8节，作业过程中时刻注意外甲板、观察发动机、测深杆是否异常，如倾斜等；测线间转弯时适当减速，减小船体倾斜引起的测量误差。

3.4.6 异常情况处理

测量过程中时刻关注水深测值的异常。当出现测值缺失或其跳跃幅度较大时，及时停止船舶的前进，检查换能器的工作情况及RTK-GPS 整周未知数的固定情况。测值缺失一般因测深仪损坏引起，测值跳跃幅度较大一般由船体波动及卫星信号较弱引起。

3.5 成果质量检查

测量成果的自检及最终检查是确保成果的准确性与可靠性的重要保障。对测深成果进行100%内业检查，采用纵断面测深对主测深线的测深成果进行检查。根据SL 197—2013《水利水电工程测量规范》要求，0～10 m 水深的测深中误差应小于±15 cm。测深中误差根据检查线与主测深线相交处水深差值及测点数量进行数理统计计算，测深中误差为2.2～7.1 cm。

水深测量中误差计算公式：

式中：n为各条河道检核的测点数量；Δi为纵横断面共同测量点水深差值。

3.6 疏浚质量评定

疏浚检测测量工作完成后应及时整理疏浚检测成果，成果图件包括平面图及横断面图，根据检测成果对疏浚质量进行评定。评定应根据相应的规范要求实施，水利工程疏浚质量评定通常参照水利部标准，也有地质条件特殊地区的地方标准。通常将欠挖深度、允许超深、挖槽每边允许超宽规定为主控项目。欠挖深度是较为重要的主控项目，通常要求欠挖深度小于设计水深的5%或小于0.3 m，两者间取小值，对于河道疏浚项目设计水深的5%通常小于0.3 m，因此欠挖深度一般与河湖常水位相关；河道疏浚超深过大后会引起两侧边坡或挡土墙的结构稳定，因此疏浚超深问题应予以控制，将其设置为主控项目是基于结构安全考虑，对不同的疏浚工艺其超深控制指标不相同；在疏浚断面边坡坡度不变的条件下，疏浚断面超宽会引起坡底的不稳定，超宽过大将引起边坡失稳，从而引起边坡或挡土墙的结构安全问题，将其设置为主控项同样是基于结构安全考虑，对不同的疏浚工艺其超宽控制指标也不相同。

单元工程质量评定分为合格和优良2 个等级。单元工程各检测断面检测点满足规范要求的即为合格点；90%以上测点合格的断面为合格断面，95%以上测点合格的断面为优良断面；主控项目断面合格率100%或测点合格率90%以上为合格，主控项目断面合格率100%或测点合格率95%以上为优良。

3.7 实际疏浚方量计算

湖漾及河道疏浚质量检测不合格的区域应进行整改，整改合格后进行实际疏浚方量计算。通常湖漾由于面积大，湖底疏浚方量常采用方格网法或三角网法进行计算；边坡部分采用平均断面法实测计算；河道一般呈带状分布，通常采用平均断面法计算疏浚方量。方量计算时，基准面为疏浚前高程面，当实测高程面低于设计高程面时，以设计高程面为计算面；当实测高程面高于设计高程面时，以实测高程面为计算面。

4 结 论

（1）水利工程河湖疏浚是惠及民生的工程，疏浚后质量检测工作十分重要，检测成果的准确性与可靠性依赖于测量方法，测量方法的选择应根据河湖规模、周边环境条件、区域GSM 信号等，建议优先采用RTK+测深仪无验潮模式实施疏浚质量检测，避免人为干扰因素引起的测量粗差。

（2）成果质量检查是确保检测成果准确可靠的环节，疏浚质量过程中必须实施纵断面检查，通过纵断面与各横断面交点处的较差进行水深测量中误差的统计计算，有利于评价总体检测水平。

（3）疏浚质量评定标准的选择应考虑不同地区地质条件的差异，欠挖深度、允许超深、挖槽每边允许超宽主控项目应严格按照实测成果予以评定。疏浚质量评定合格后方可进行疏浚方量计算。