建設項目水域占補平衡計算方法探討

湯沂園，張君陽

（1.浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002；2.浙江省測繪大隊，浙江 杭州 310030）

建設項目水域占補平衡計算方法探討

湯沂園1，張君陽2

（1.浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002；2.浙江省測繪大隊，浙江 杭州 310030）

隨著社會經濟的不斷發展，因基礎設施建設項目需要而占用水域的情況時有發生，需要依照各省《建設項目占用水域管理辦法》執行水域占補平衡評價。在水域占補平衡的工程量計算中，計算方法有平均高程估算法、利用南方CASS軟件進行土方計算法、利用ArcGis軟件進行體積分析法等。在編制《建設項目占用水域影響評價報告》時，應該嚴格遵循導則的要求，選擇合適的計算方法，從而得到水域占補平衡計算結果，在此基礎上進行建設項目占用水域評價。

建設項目；水域占補平衡；工程量計算；南方CASS；ArcGIS

在水利建設項目中，不免會涉及到工程項目欲占用水域的情況，往往會給水域功能帶來一些不利的影響。尤其是河道管理范圍內建設項目管理工作，往往與河道防洪安全息息相關，與經濟發展大局密不可分［1］。自2006年起，《浙江省建設項目占用水域管理辦法》［2］對外發布，明確了非基礎設施建設項目不得占用重要水域，基礎設施建設項目一般也不得占用重要水域，確需占用的應該按照規定辦理審批手續。目前，浙江依然按照《浙江省建設項目占用水域影響評價報告編制導則（2007年試行）》［3］，編制并報批，這為加強水域管理和保護提供了有力保障。

建設項目占用水域，按照基礎設施建設項目和非基礎設施建設項目實行分類管理。在目前編制的建設項目占用水域影響評價報告時，對于基礎性設施建設項目明確需要占用水域的，往往有兩種補償辦法。一是根據所在地水域保護規劃的要求和被占用水域的面積、水量和功能，由建設單位或者個人興建替代水域工程或者采取功能補救措施［2］。通過補償被占用水域的水面積和水體容積，實現占補雙平衡；二是因具體原因無法補償到位的，經水行政主管部門同意，依據相關規定向建設單位征收占用水域補償費。我認為，水域占補平衡是建設項目占用水域的首選方式，也是較為合理的方式。

1 工程量計算方法介紹

水域占補平衡主要體現在計算水位下被占用水域的面積和容積的平衡。針對水域占補平衡所進行的土石方平衡計算，因其主要目的在于評價建設項目實施前后的水域水體容積差，因此不考慮土方松實系數的折算。然而，因為建設項目工程區塊的方案規模、布置、型式等因素，結合實際水下地形，工程量較難計算精確。因此，本文針對水域占補平衡中的工程量計算方法展開了探討，主要比較三種方式：（1）平均高程估算法；（2）利用南方CASS軟件進行土方計算法；（3）利用ArcGis軟件進行體積分析法。計算基礎為工程范圍內現狀（工程前）地形高程（包括水下地形）。根據測量誤差理論，測圖比例尺對計算土石方挖填工程量精度具有較大影響［4］，視項目具體規模及計算要求確定所需地形圖比例尺，通常以一千至二千分之一地形圖為精度保障。

2 平均高程估算法

平均高程估算法視地形條件及精度要求，可以分為整體平均高程法及分塊平均高程法。

2.1 整體平均高程法

對于建設項目占用水域方式較為簡單、占補區塊形狀均較為規則、設計高程單一的工程，若地形數據測點間隔均勻、水下地形起伏不大，可以采用幾何公式計算體積的，可以使用整體平均高程法。

此時，可以先在CAD中提取建設項目占用范圍內現狀地形點的X、Y、Z值，使用excel將所有高程值（Z值）取平均，用以近似替代底高程。再通過計算水位以下建設項目的設計高程，計算出高差，與占用面積的乘積即為占用水域體積。補償工程的補償容積往往可以根據計算水位以下開挖高程類似處理。

2.2 分塊平均高程法

對于建設項目占用水域方式較為簡單、占補區塊形狀均較為規則、設計高程單一的工程，若地形數據測點間隔均勻、水下地形起伏較大、但仍能分區塊判別現狀地形平均高程并采用幾何公式計算體積的，則可以使用分塊平均高程法。

計算方法與整體平均高程法類似，區別之處是需要分區塊進行現狀平均高程的計算，然后根據幾何公式計算出各區塊的體積后疊加得到整體占用、補償的水域容積。

3 南方CASS軟件進行土方計算法

南方cass軟件在很多涉及土石方量計算的施工項目上得到了廣泛運用，其可以為施工中土石方的計算提供較為可靠的計算結果［5］。利用南方 CASS軟件進行土方計算有三角網（DTM）法、斷面法、方格網法等［6］。

3.1 三角網法

不規則三角網法適用于天然地形復雜且不規則，但特征點明顯，且構造面與天然地形的工程前后輪廓外包線完全重合的情況。

三角網法在計算過程中能直接利用相鄰的3個現狀地形離散測量點構造三角形，進而形成整個構造面上的不規則三角網結構，因此可以基本保留原始數據的精度，構成的系統性能最優，并能克服地形起伏不大的地區產生冗余數據的問題［7］。DTM模型法所需要的地形圖點、線的分布密度、結構完全可以與地表的特征相協調，直接利用原始資料作為網格結點，不改變原始數據的精度，能很好地適應復雜、不規則地形，從而準確地表達地表的特征［8］。然而在實際的占補平衡應用中，由于兩期土方計算的輪廓線必須一致，而能精確落在挖填方區塊的輪廓線上的現狀地形測量點較少，因此往往需要人工在占補區塊輪廓線上根據周邊地形高程一個一個“補種”地形測量點。為了輪廓線的曲線擬合度較好，“補種”測量點時，相鄰點的間隔距離不宜過大，因此會帶來比較大的工作量。

3.2 方格網法

方格網法適用于地形起伏變化不太大、坡度變化平緩且計算面積較大的情況，對于塊狀工程較為適用。

該方法根據實地測定的地面點坐標（X，Y，Z）和回填、開挖高程，通過離散點到網格點的數據轉換［6］，生成方格網來計算每一個方格內的填挖方量，最后累計得到指定范圍內填方和挖方的土方量，并繪出填挖方分界線。設計面可以是平面，也可以是斜面，還可以是三角網。

本文以某大型防洪為主的水庫庫尾的水體容積占補平衡計算為例，工程布置如圖1所示。該水庫正常蓄水位與汛限水位同為 23m，防洪高水位31m，校核洪水位 35m。在水庫庫尾處原有一塊“凸”字型的水域，現狀地形高程約22～29m，需要將水域轉為基礎設施建設用地，填高地面至32m，設直立式擋墻。水庫邊原有一處高地，現狀地形高程約26～56m，計劃將其挖至22m，成為水庫淹沒區，用于補償占用區塊的庫容。

圖1 工程布置示意圖

占用及開挖區塊現狀地形點、方格網計算示意圖及單元網格放大圖如圖2、圖3所示。

圖2 占用區塊現狀地形點、方格網計算示意圖及單元網格放大圖

圖3 開挖區塊現狀地形點、方格網計算示意圖及單元網格放大圖

通過對填埋、開挖兩個區塊在特征高程22m、23m、31m、32m、35m的土方計算值，總結出該水庫水域占補平衡的結果如表1所示。

因此，可以得出該項目填埋“凸”字形區塊且開挖庫邊高地作為補償后，水庫的防洪庫容、調洪庫容均能增加，因此不會對水庫的防洪功能產生不利影響。

3.3 斷面法

斷面法適用于地形復雜、起伏變化較大，或挖填深度較大的狹長不規則地段的情況；適用于河道、水庫沿岸側的堤防、公路或者條狀綠化帶等的占用土方計算及新開溝渠、河道的補償土方計算。該方法計算簡單，但工作過程復雜。計算原理是梯形公式，計算精度取決于斷面的設置［7］。

表1 各區塊占用/補償興利庫容、防洪庫容、調洪庫容平衡表 單位：萬m3

以上例中開挖區塊的岸線段為例，開挖區塊迎水側堤岸段堤頂高程為32m，從低到高依次設置從高程22m（堤腳）到32m（堤頂）且坡度為1∶2的斜坡、高程32m寬度7m的路堤、高程32m至與現狀地形相接（動土高程）且坡度1∶1的斜坡。岸線段工程為條狀工程，實施后能增加少量的庫容，宜采用斷面法進行估算，目前該方法在水工工程量計算中已有廣泛應用。

4 利用ArcGis軟件進行體積分析法

土石方量的計算電算化往往需要結合數字高程模型的特點，基于DEM大范圍計算［9］。本文所指的體積分析法指由ArcGis生成不規則三角網TIN（triangularirregularnetwork），利用表面分析中的面體積分析功能計算工程量的方法。

利用ArcGis軟件進行體積分析法與上述南方CASS中的DTM法的計算原理是相似的。兩者的區別在于：利用ARCGIS中的TIN模塊進行面體積功能計算時，地形能夠進行直觀顯示且計算速度快［10］，然而與DTM法相比，前者的設計面只能是平面，有一定的局限性。

仍以上文中的大型水庫庫尾容積占補平衡計算為例。將分散的水下地形特征點按照一定的規則（如Delaunay規則）構成一系列不相交的三角形，生成三角網（TIN），如圖4。

圖4 使用水下地形特征點構造三角網

選擇編輯并按照工程區塊輪廓線裁剪水庫整體三角網（采用硬解方式），生成占用、開挖兩個區塊的局部三角網，如圖5。

最后使用面體積分析功能，計算兩個區塊在各特征高程值下的面積及體積。

圖5 截取出工程區三角網

表2 各區塊占用/補償興利庫容、防洪庫容、調洪庫容平衡表 單位：萬m3

從而總結出該水庫水域占補平衡的結果如表2所示。

可以看出，用ArcGis軟件的三角網法計算與用南方CASS軟件的方格網法計算所得的結果相近（誤差可由三角網生成規則、單元網格大小及曲線擬合角度精度的選擇等因素相關）。同樣可以得出該項目填埋“凸”字形區塊且開挖庫邊高地作為補償后，水庫的防洪庫容、調洪庫容均能增加，因此不會對水庫的防洪功能產生不利影響。

5 方法對比分析

通過對上述幾種水域占補平衡中的工程量計算方法的介紹，總結出工程量計算的方法類別及適用性如表3。

總體而言，平均高程估算法計算精度較低，是對地形整體或分區塊平均高程的反應；利用南方CASS進行方格網法或斷面法計算精度取決于計算采用的單元網格精度、擬合角度、斷面設置等因素，計算過程較為繁瑣，分別適用于塊狀區域及條狀區域；利用南方CASS進行DTM法或利用Arc-GIS進行TIN法計算能基本保留原始數據的精度，前者較繁瑣但適用于各種設計面的計算，后者更直觀簡便但僅能進行設計面為平面的計算。

表3 水域占補平衡計算方法及分類、精度及適用情況

6 結語

水域占補平衡計算方法尚有多種，本文僅針對常用幾種方法及軟件（平均高程估算法、利用南方CASS軟件進行土方計算法、利用ArcGis軟件進行體積分析法）進行比較，推薦各方法的適用性、優點及不足之處。由于不同方法的計算原理、計算精度、適用情況不盡相同，在具體分析時，應該充分了解項目情況，包括水域功能、天然地形情況、占用及補償方式、精度要求等，具體問題具體分析，為水域占補平衡評價提供合理的數據支撐。

［1］馬云燕.河道管理范圍內建設項目應重視的管理問題［J］.水利規劃與設計，2015（07）.

［2］呂祖善.浙江省建設項目占用水域管理辦法［J］.浙江政報，2006（26）.

［3］浙江省建設項目占用水域影響評價報告編制導則（試行）［Z］.浙江省水利廳，2007.

［4］徐菊華，姚楚光.試論測圖比例尺對計算土石方挖填工程量精度的影響［J］.水利技術監督，2007（03）.

［5］徐國柱.南方cass軟件的土石方計算方法淺析［J］.科技展望，2016（03）.

［6］候紅松，殷國華，曾剛，等.土方測量計算——以南方CASS為例 ［J］.中國科技信息，2007（21）：36-39.

［7］葉立.南方CASS在二期間土方計算中的計算邏輯優化 ［J］.測繪與空間地理信息，2014（08）：172-175.

［8］謝宗繁，王文貫.DTM模型法在土石方計算中的應用［J］.水利規劃與設計，2010（04）.

［9］陳立華，申明亮，梅亞東.基于DEM的土石方工程量計算研究［J］.中國農村水利水電，2007（09）.

［10］任燚，姚曉偉，房新玉.ARCGIS在土方工程量計算中的應用［J］.科技資訊，2014（28）：30-32.

TU751

A

1672-2469（2017）02-0044-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.016

2016-07-20

湯沂園（1985年—），女，工程師。