河道清淤工程淤积方量计算方法的对比研究与应用_廖月.pdf

2023.225河道清淤工程淤积方量计算方法的对比研究与应用廖月侯煜张劲军张楚楚杨艳慧（江苏省泰州引江河管理处泰州225321）【摘要】在清淤施工中选择适合的计算方法非常重要，正确的计算方法不但可以极大减少外业测量数据采集工作，提高内业计算效率，还可以提高清淤方量计算的准确性，提高项目绩效的发挥。通过研究断面法、DTM法、方格网法及等高线法四种淤积方量计算方法的原理，对比在不同地形条件下四种计算方法的优缺点，同时通过在工程实例中的运用对比各种方法的精度。【关键词】河道淤积方量计算工程验证优劣对比1 引言淤积方量的计算是目前河道清淤施工中最为重要的工作之一，不仅在前期对工程预算和施工方案的选择有重要的指导意义，还是施工结束工作量复核的重要依据。对于不同地形地貌，选择计算方法是不一样的，目前常用的淤积方量计算方法主要有断面法、DTM 法、方格网法及等高线法四种。本文采用基于 AutoCAD 平台的南方 CASS 软件，探究四种计算方法原理及优劣，结合高港枢纽下游引水河道清淤工程实例，分析四种计算方法在实际应用中的精确度。2 河道淤积方量计算方法的原理2.1 断面法断面法多应用于河道、沟渠、管道等狭长的条状地形，同时也适用于面状及有台有坎地形。在地形图或碎部测量的平面图上，以固定的间距等分土方的计算范围，将其划分成数个相互平行的横断面，按照现有断面线及设计断面线组成的断面图计算挖管理，大力发展循环经济，推行清洁生产，限制和淘汰耗水量大、污染严重的落后工艺和设备，通过加大再生水利用等非常规水资源的利用，减少新鲜水资源的取用量；加强水污染防治，建立和完善水环境和水资源保护的长效机制。（三）城镇节水布局巢湖市城镇节水重点通过加强需水管理，控制城镇用水过快增长，促进城镇、产业发展和环境保护之间的协调；加快推进供水老旧漏损管网改造，推进城镇供水管网分区计量管理，建立精细化管理平台和漏损管控体系，加强公共供水管网运行维护，降低城镇供水管网漏损率；推动公共领域和城镇居民家庭节水，创建节水机关、节水型高校和节水型小区等，普及推广节水型用水器具；推动洗浴、洗车、游泳馆、温泉等高用水服务业采用低耗水、循环用水等节水技术和设备，结合现代服务业发展战略，合理限制高耗水服务业发展，严格落实行业用水定额。（四）非常规水源利用布局结合国家污水资源化战略实施，大力推进污水处理再生利用设施和中水管网建设，具备利用再生水条件的园区或火力发电、垃圾焚烧、化工等企业应当优先利用再生水；因地制宜建设再生水取水点，推进城镇绿化优先使用再生水；建设再生水补水工程，为环城水系、公园、湿地、沟渠等补充生态基流、改善水质、美化生态景观等。巢湖市鑫皖新能源有限公司等发电取水项目优先利用再生水。四、结语节水是通过行政、技术、经济等管理手段加强用水管理，调整用水结构，改进用水方式，科学、合理、有计划、有重点地用水，提高水的利用率，避免水资源的浪费。节约用水除了提高水资源承载能力、水环境承载能力外，还兼有美化环境、维护河流生态平衡的效益。本文通过分析巢湖市的节水形势和“十三五”节水成效，提出未来的节水布局，以期能为巢湖市的节水型社会建设提供一些参考（作者单位：1.安徽省水利部淮河水利委员会 水利科学研究院2300882.水利水资源安徽省重点实验室230088）（专栏编辑：江博君）科技论坛2023.226填面积，两个相邻横断面的平均面积与断面间距的乘积即为两断面间的挖填方量，将各段区域的值累加即可得到整个区域的挖填方量。设横断面面积分别是 S1，S2，S3Sn；断面间距为 H，则总的挖填方量为：V=V1+V2+Vn-1+Vn2 SS*H2 SS*H2 SS*H1-4321121）（）（）（nnnnVVVVV+=2 SS*H2 SS*H2 SS*H1-4321121）（）（）（nnnnVVVVV+=+=（1）2.2 DTM 法数字地面模型（DigitalTerrainModel，DTM）是地貌形态的离散表示，用坐标（X,Y,Z）表达区域内的地貌形态。DTM 法适用于计算复杂地貌至水平平面的挖填方量，根据实测地面点坐标（X,Y,Z）和设计高程，利用复合线划定挖填分界线，生成不规则三角网计算每个三棱锥的挖填方量，最后累加得到整个区域的挖填方量。另外也可对同一区域进行两期测量，通过两次测量得到的高程数据进行建模，计算出两期整个区域的土方变化，即可得到整个区域完成的土方挖填量。设 E、F、G 为三角网的三个顶点，它们到设计高程的高差分别是 h1、h2和 h3；S 为三棱锥的底面积，则总的挖填方量为：V=V1+V2+Vn-1+Vn3 hhSn 3 hh S3 hh S31-n32-n365423211121）（）（）（nnnhhhVVVVV+=+=3 hhSn 3 hh S3 hh S31-n32-n365423211121）（）（）（nnnhhhVVVVV+=+=（2）2.3 方格网法方格网法与 DTM 法前期工作基本一致，但适用于地形变化较小的区域。根据实测地面点坐标（X,Y,Z）和设计高程，先将待计算的区域生成若干个方格，再将方格的四个角上的高程相加，取平均值与设计高程相减，然后根据方格边长利用长方体体积计算公式得到每个方格的挖填方量，最后累计得到整个区域的挖填方量。设方格网边长为 a、b；hij表示第 i 行 j 列的方格网高差；n 为测区方格的个数。总的挖填方量为：V=V1+V2+Vn=（3）2.4 等高线法等高线法适用于等高线完全闭合区域，利用两条等高线围成的面积和高差来计算两条等高线之间的土方量。两条等高线之间的体积可以近似看作截锥体，先计算出两条等高线围成的面积，再利用两条等高线之间的高差，通过计算公式可以算出两条等高线所围的土方量。设 Sn、Sn-1为任意两条等高线的截椎体底面积；hn、hn-1为任意两条等高线的高程，则任意两条等高线的挖填方量为：Vn=3h-h*SSSS1-nnn1-nn1-nn）（）（+=V（4）3河道淤积方量计算方法的优劣对比3.1 断面法用断面法计算清淤方量，断面线的布置十分关键，必须遵循以下布设原则：在平顺且河床地形变化不大的河道，河道断面可以平均布设，垂直于河道主流方向，距离可以适当调远；当河道弯曲或河床地形变化较大的区域，应加密设置河道断面线，满足计算淤积量的精度要求；在河道主流方向变化较大的区域，同样应加密布置河道断面线，使划分的各个区域断面线垂直于主流方向，以便于确定断面间距，确保计算清淤方量的准确度。用断面法计算清淤方量，当断面布置较近时，虽然计算精度有保障，但外业测量及内业计算量较大；当断面布置较远时，虽然外业及内业工作相对减少，但精度较差。同时断面法必须对各断面的参数包括设计坡比、河底高程的设置比较清楚，鉴于断面法受到的诸多限制，在河道弯曲及河床地形变化较大时，计算精度和可靠性很难获得保证。3.2 DTM 法DTM 法从理论上讲能够适应各种地形地貌，通过测深仪采集河床特征点高程，所形成的三角网能直观地展现地形特征，同时可以将使用的高程点作为水下地形图高程点而无须重新测量，具有较高的计算精度。但 DTM 法在建模时通常比较复杂，需要软件进行辅助测量，同时需要大量的数据来确保建模的准确性，这就要求在使用 DTM 法时要尽可能采集更多的高程点，高程点的精度、密度和均匀性与计算结果息息相关。3.3 方格网法方格网法相对简明直观、通用性强，可以生成挖填线，但由于方格网法需要提取 4 个角上的高程来计算方格网的体积，有时角上没有高程点，需要利用其他高程点内插得到该处的高程点，同时图上等高线与实际地形有很大的差距，计算出的清淤方量必然也有很大的差距。只有地形越平缓，各个方科技论坛H （S1+S2）hijab S1（h1+h2+h3）S2（h4+h5+h6）Sn（h3n-2+h3n-1+h3n）H （S3+S4）H （Sn-1+Sn）（Sn-1+Sn+Sn-1+Sn）（hn-hn-1）2023.227格点的图上高程与实际高程越接近，计算结果才能越精确。3.4 等高线法等高线法在计算时精度较低，不但需要地形图，等高线还必须是闭合的，不适合河道清淤方量的计算，所以等高线法不在本文进行具体讨论。但在一些山头或盆地区域，等高线法是比较合适的方法。4河道淤积方量计算方法的工程验证4.1 项目概况高港枢纽是国家南水北调东线规划的水源工程之一，高港节制闸为中型水闸，由下游（长江侧）向上游引水。下游引水河道总长约 2.0km 左右，平均淤积在 23m，淤积总方量超过 50 万 m3。近年来，高港枢纽对下游引水河道进行了 3 期河道清淤施工，清淤总方量超过 16 万 m3。4.2 精度对比为了验证 3 种计算方法的理论精度，本次采用断面法、DTM 法及方格网法分别对河道平顺区（C.S.13-C.S.16 断面，河床地形变化较小）及口门区域（C.S.22-C.S.24 断面，河床地形变化较大）进行计算，比对其在不同河道条件下的精确度。区域土方量平衡是以挖填边界线为界，计算出一个土方平衡高度，使挖方量等于填方量，可以通过区域土方量平衡法计算的结果来判断 3 种计算方法的精确度。根据区域土方量平衡计算，C.S.13-C.S.16 断面平场面积设置为29269.3m2，土方平衡高度-3.096m；C.S.22-C.S.24 断面平场面积设置为 26440.6m2，土方平衡高度-2.458m。图 1 为区域平衡法图。在平场面积、采样间隔和平场高度都采取以上数值时，3 种计算方法计算结果如表 1、表 2。通过精度计算表可知，DTM 法精度最高，计算结果是可信任的；方格网法次之，无论河道地形有何变化，方格网法的相对误差均在 10%以内；而从结果看，断面法精度最低，在平顺及地形变化不大的河道误差在 10%15%，而在弯曲及地形变化较大的河道误差超过了 25%。4.3 清淤方量计算通过与区域平衡法在两个区域的比较，发现DTM 法在河道清淤方量的计算中精度最高，方格网次之，断面法精度最低。下面就以 C.S.13-C.S.16 断面两期数据为例，对比三种计算方法得到的数据误差。4.3.1 断面法应用断面法计算，该段河道标准断面的设计高程、坡比均已知，断面间距为 50m。将两期数据分别生成里程文件，利用二断面线间土方计算法计算每个断面清淤前后横断面积变化，C.S.13-C.S.16 断面区域C.S.22-C.S.24 断面区域图 1区域平衡法图图 2DTM 法图表 1C.S.13-C.S.16 断面相对精度计算表计算方法平场面积（m2）采样间隔（m）平场标高（m）挖方量（m3）填方量（m3）相对精度 k挖方误差（%）填方误差（%）区域平衡法 29269.320-3.096 9395.3 9395.900断面法29269.320-3.096 7919.5 10346.0 15.708-10.111DTM 法29269.320-3.096 9411.4 9395.6-0.171 接近 0方格网法29269.320-3.096 8648.9 9785.57.9444.146表 2C.S.22-C.S.24 断面相对精度计算表计算方法平场面积（m2）采样间隔（m）平场标高（m）挖方量（m3）填方量（m3）相对精度 k挖方误差（%）填方误差（%）区域平衡法 26440.620-2.458 13726.7 13727.100断面法26440.620-2.458 17342.0 8621.5-26.338 37.194DTM 法26440.620-2.458 13722.8 13733.50.028-0.047方格网法26440.620-2.458 11685.4 13022.61.4875.132科技论坛2023.228科技论坛挖方量为 15471.2m3，填方量为 3253.3m3。4.3.2 DTM 法应用 DTM 法分别对两期高程数据进行建模，计算出该区域的清淤方量。图 2 为 DTM 法图。深色部分表示高程发生变化，即此区域已进行了清淤施工。通过软件计算，得到挖方量为 13918.5m3，填