平面坐標系統(tǒng)在水利工程控制測量中的應用研究

邱明根

（贛州市水利電力勘測設計研究院，江西贛州 341000）

通常情況下，水利工程項目多數(shù)都處在丘陵、山區(qū)地帶，高程大、測區(qū)跨度大，邊長綜合變形值能夠達到分米級，若不進行任何處理，既不符合工程測量規(guī)范要求，也無法滿足大比例尺地形圖測繪精度，且不利于施工放樣。建立并使用合適的平面坐標系統(tǒng)可實現(xiàn)對水利工程在控制測量工作中問題及短板的有效解決。

1 工程概況

贛州市市管河道貢江茅店-八境臺段防洪清淤疏浚整治工程，起于贛縣區(qū)茅店鎮(zhèn)汶潭壩，終于章貢二江匯合口，全長為15 km，工程起推斷面位于貢江河口，控制集水面積為27 074 km2。受到水土流失、洪水沖刷、人類活動等因素影響，部分河段淤積嚴重，過流斷面縮小，需借助平面坐標系統(tǒng)建立法對其進行有效治理[1]。

2 水利工程控制測量中平面坐標系統(tǒng)建立的概述

水利工程控制測量包含兩類，即平面、高程控制測量。在規(guī)劃設計階段，控制測量的關鍵目的在于準確測繪大比例尺地形圖。進入施工階段后，以前期得到的設計圖紙為準，完成各類控制線的放樣工作，竣工后運營階段的控制測量重點關注結構是否有變形的情況。針對三個階段生成相應的控制網(wǎng)，分別為測圖控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、變形監(jiān)測網(wǎng)（此部分通常為施工控制網(wǎng)改造而得）。在平面控制測量中，地表水平距離投影至參考橢球面上或參考橢球面上的長度投影至高斯平面時，均容易出現(xiàn)長度變形現(xiàn)象。

為有效控制長度變形，可以采用分帶投影的方法，以便有效滿足中小比例尺測圖的要求，但實際長度變形控制效果仍然有限，且以高海拔地區(qū)以及遠離中央子午線的地區(qū)更明顯，常出現(xiàn)更大的變形。

依據(jù)水利項目的建設位置以及該處的平均高程，精準確定測區(qū)的中央子午線以及投影基準面，根據(jù)此類信息構建平面坐標系統(tǒng)，以便有效控制從控制點坐標反算的邊長，使其能夠與實地測量的水平距離保持一致，提高大比例尺地形圖測繪以及放樣的精度，為后續(xù)的施工放樣創(chuàng)設良好的條件。本文對平面坐標系的建立方法、適用性、具體應用展開分析，加深對平面坐標系建立方法的認識。

3 坐標系的建立方法及其適用性分析

根據(jù)測區(qū)的地理位置、平均高程、長度綜合變形值ΔS的大小，水利工程可分別采用地方坐標系、獨立坐標系、工程坐標系等方法建立平面直角坐標系。

3.1 采用國家統(tǒng)一3°帶高斯正形投影平面直角坐標系

測區(qū)高程在158.28 m以內、ym超過45.05 km時，可以采用3°帶高斯正形投影平面直角坐標系，若符合“長度綜合變形值ΔS1≤25 mm/km”的條件，則可以采用該坐標系，其特點在于測量結果具有可用性強的特點，即“一測多用”。但從水利工程的建設環(huán)境來看，其普遍分布在丘陵、山區(qū)地帶，高程常超過158.28 m，且存在較大的測區(qū)跨度，對于變形值ΔS而言則普遍達到分米級，受此限制，該類坐標系在水利工程項目中的應用頻率相對較低。

3.2 采用抵償投影帶的高斯正形投影平面直角坐標系

選擇一條子午線作為高斯投影的中央子午線，采用高斯投影改正ΔS2抵償高程投影改正ΔS1，利用此方法使ΔS→0。若參考橢球面作為高程投影基準面，此時具有H0=0的特點，具體計算：

式中：Hm——測區(qū)平均高程值。

確定該值后予以計算，可得到抵償投影帶ym的值，高斯投影子午線采用的是ym處的大地經(jīng)度Lm。在實際工作中，可對上述所提的公式進行簡化處理或根據(jù)需求從測區(qū)內直接選取某條子午線，試算后符合ΔS≤25 mm/km的條件即可。此類坐標的特點在于轉換的便捷性較好。

3.3 投影于抵償高程面

高斯投影線采用3°帶中央子午線，對高程投影基準面進行調整，即不采用參考橢球面，采用抵償高程面，使用高程投影改正ΔS1抵償高斯投影改正ΔS2，以期達到ΔS→0的效果。實際應用情況顯示，在選擇高程投影基準面時，通常會選定測區(qū)平面高程比其略低的高程面。對于高斯投影的中央子午線，考慮測區(qū)中心線的某子午線，或根據(jù)實際情況選用位于中心線周邊的某子午線。

4 平面坐標系統(tǒng)建立方法在水利工程控制測量中的應用

實施本工程的目的是借助整治疏浚河道淤泥，清除阻水邊灘、中心灘及其他阻水灘地的方式，提高貢江行洪能力，提升貢江行洪斷面銜接的順暢度，改善區(qū)域河道水生態(tài)景觀和貢江通航條件。

洪水整治流量采用50年一遇和20年一遇設計洪峰流量，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級和Ⅴ級航道設計枯水位分別采用98%、95%保證率設計通航水位，Ⅲ級和Ⅴ級航道設計最大通航流量分別采用20年一遇洪水和10年一遇洪水。

4.1 坐標河道疏挖斷面設計

（1）縱斷面。

河底縱斷面的疏通挖掘深度應在不改變河道比降和天然河道走勢的基礎上進行。治理段的疏挖斷面河底高程應在連接河道漸變的同時，保證與天然主河槽的最低點基本持平。若局部區(qū)域的河底高程不滿足通航水深段，可根據(jù)實際情況進行適當下切，但需要注意不能改變整治河段的整體比降。

（2）橫斷面。

此次河道疏挖工作，在保證河底寬度在現(xiàn)有天然河岸范圍內且不改變河勢的基礎上順勢擴挖，保留邊灘現(xiàn)有草地范圍和丁壩，盡可能使河線順直。考慮所在河段的地質和水下土質條件，疏挖邊坡不陡于1∶10。

4.2 坐標洪水水面線設計

為實現(xiàn)對本次治理河段設計洪水位的更好分析，為該段河道的整改治理設計提供可靠堅實的依據(jù)，采用能量方程，通過試算法對河道設計水面線進行推算。以本次治理河段下游貢江河口為起推斷面，從下至上再到逐斷面推求河道設計洪水水面線。

設計河段設計洪水水面線變化情況如表1所示。

表1 河段各斷面洪水整治水位變化情 單位：m

（1）常水位設計。

本工程河段的水位在較大程度上會受到下游萬安水庫調度作業(yè)影響。結合萬安水庫調度規(guī)則，分析萬安壩址至貢江河口段各時段常水位，4～6月貢江河口段常水位為93.24 m，7月～次年3月常水位為94.23 m。結合此數(shù)據(jù)，通過推求水面線，最終得到工程所在河段的各斷面水位。

（2）枯水位設計。

本階段確定設計枯水期為12月～次年2月，計算時參考贛貢站推求工程枯水期設計流量和設計水位。經(jīng)計算得出貢江河口斷面枯水期設計流量345 m3/s。12月～次年2月萬安水庫維持94.11 m水位運行，通過推求水面線得到工程所在河段的各斷面水位。

（3）最低通航水位設計。

本工程擬清淤疏浚整治貢江，工程結束后可恢復現(xiàn)有貢江主航道并對其進行有效改善，使其達到規(guī)劃的Ⅴ級航道要求。根據(jù)貢江河口斷面95%保證率時的設計最低通航水位90.80 m、相應的流量為73 m3/s，且采用推求水面線的方法可求得工程所在河段各斷面相應設計通航水位。

4.3 應用效果分析

通常情況下，測區(qū)普遍呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀特點，同時測區(qū)內的地勢差異化較為明顯，有較大幅度的高低起伏，估算所得的測區(qū)平均高程缺乏足夠準確性。在估算偏差過大的情況下，會嚴重影響測區(qū)內局部邊長綜合變形值，即存在超限的可能。因此，在實際估算前應綜合考慮測區(qū)的具體情況，確定后還應在測區(qū)范圍內進行試算，并根據(jù)現(xiàn)場實際適當調整。贛州市是本工程借助平面坐標系進行疏浚治理時的最主要受益區(qū)，工程完工后會在較大程度上提高贛州市的經(jīng)濟發(fā)展水平，提升人們生活質量。

（1）社會方面。

通過清淤疏浚有利于河勢穩(wěn)定，能夠有效保證行洪安全，降低雨季防洪泄洪難度，可在一定限度上降低甚至避免洪災引起的饑荒、衛(wèi)生、治安等社會問題，有利于社會安定和人們安全。

（2）經(jīng)濟方面。

有助于減少洪災損失，減免國家經(jīng)濟損失，保障人們生命財產(chǎn)安全。清淤疏浚工作產(chǎn)生的大量砂礫料經(jīng)過篩選后可用于建筑生產(chǎn)，具有較好的經(jīng)濟效益。疏浚砂石應實行統(tǒng)一的經(jīng)營管理，疏浚砂石的利用管理需要嚴格遵照國家相關標準和規(guī)定，疏浚砂石的統(tǒng)一經(jīng)營管理單位對砂石的接收、保管及經(jīng)營負責，并向當?shù)叵嚓P部門支付相關費用。

5 結語

綜上所述，在水利工程項目中，正確建立并合理應用平面坐標系統(tǒng)后，可有效控制長度綜合變形值，將其穩(wěn)定在標準范圍內，其基本思路以測區(qū)的位置以及平均高程為立足點，正確選用高程投影基準面和中央子午線位置。本文提出多種平面坐標系統(tǒng)的建立方法，具體可根據(jù)實際情況進行靈活選擇，以提高大比例尺地形圖的測繪精度，保證施工放樣的準確性，為后續(xù)建設工作的開展夯實基礎。