珠江三角洲水資源配置工程三等平高控制網建立與復測

宋高偉，劉良福，劉劍波

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510170)

1 概述

珠江三角洲水資源配置工程是國務院批準實施的《珠江流域綜合規劃(2012—2030年)》和全國172項節水供水重大水利工程項目之一[4]；是世界上流量最大的長距離有壓管道調水工程。工程由1條干線、2條分干線、1條支線、3座泵站和1個新建調蓄水庫組成，全長113.1km，其中干線長90.3km，深圳分干線11.9km，東莞分干線3.5km，南沙支線7.4km。工程建成后，將實現從西江向珠三角東部引水，解決廣州、東莞、深圳等地生活生產缺水問題，并將為香港特別行政區、廣州番禺、佛山順德等地提供應急備用水源，還將逐步實現西江東江水源互補、豐枯調劑，退還東江流域及沿線城市生態用水，為粵港澳大灣區發展提供戰略支撐，全面推動綠色發展建設美麗中國。

作為項目勘測設計工作的基礎及施工建設的基準依據，測量控制網的建立在工程勘測設計施工中的重要性是不言而喻的。本工程測區范圍位于東經113°00′～113°40′，北緯22°38′～22°53′，西起佛山市順德九江鎮，東至深圳市光明新區公明水庫，東西跨度超過100km，南北跨度近20km。工程范圍如圖1所示。測區為珠江三角洲河網地區，城鎮眾多，水系縱橫交錯，西部和中部地勢多為平原丘陵，東部地勢局部為山地，測區交通發達、生活較為便利。但由于河網分割造成交通迂回路程遠，導致測量通視和交通行車時間增加，增加了控制網測量作業的難度。

2 控制網建立

2017年初，根據規范及任務要求，為珠江三角洲水資源配置工程建立全線統一的三等平高控制網，作為工程后續各階段的測量基準網。

2.1 控制網布設

2.1.1平面控制網布設

根據規范要求及工程施工需求，全測區共布設了三等GNSS控制級點77個。以覆蓋測區范圍的5個國家C級GNSS點“牛頸根”“古朗學校”“獨崗山”“高田山”“市橋綜合廠”作為平面控制起算點。

2.1.2高程控制網布設

測區內沿輸水線路中線布設了1條三等水準線路，聯測部分三等GNSS控制點和全部三等水準點，共埋設了35個三等水準點。利用測區附近的國家一等水準點“Ⅰ廉穗86”和二等水準點“Ⅱ松新9基上”作為測區三等高程測量起算點。

2.2 三等平面控制網測量

2.2.1觀測

三等平面控制網采用GNSS靜態測量方法施測。使用了6臺GNSS接收機采用邊連式或網連式進行同步觀測記錄。

圖1 珠江三角洲水資源配置工程范圍示意圖

2.2.2平差計算

GPS網的平差和基線解算為GPS測量數據處理的主要部分，且只有在數據處理后方可體現整個網的測量精度和數據觀測質量[5]。采用HGO數據處理軟件進行GNSS靜態網平差計算。平差流程為：基線解算—三維無約束平差—二維約束平差。

基線解算時，對部分不滿足精度要求基線通過截取時間段、剔除不健康的衛星、手工選取參考站等方法進行基線處理。基線解算完成后，進行三等GNSS網平差。所有點均納入GNSS網進行統一計算，平差過程由軟件自動計算。本三等GNSS控制網的網平差點位中誤差最大值為9.3mm，遠小于限差±50mm；最弱邊邊長相對長誤差為1∶214716，遠小于限差1∶80000。說明該三等GNSS控制網平差精度優。基線解算精度統計見表1。

表1 三等GNSS控制網基線解算精度統計表

2.2.3成果檢核與分析

為保證控制網平差計算成果的可靠性，本項目在使用主算軟件進行平差計算的基礎上，還選用了校核軟件進行檢核計算。

選用的核算軟件為CGO數據處理軟件包。使用該軟件進行解算，解算方法和要求與主算軟件HGO一致。CGO解算網平差點位中誤差為11.2mm，最弱邊邊長相對中誤差為1∶194582，均滿足規范要求。

將CGO平差后的三等平面控制點坐標與HGO平差計算的坐標進行一一對比，點位互差最大為0.008m；主算軟件HGO平差結果與核算軟件CGO平差結果基本一致，說明三等平面控制網的成果準確可靠，符合規范要求。最終成果采用主算軟件HGO平差計算結果。

2.3 三等高程控制網測量

2.3.1觀測方案

珠江三角洲水資源配置工程三等高程控制網采用三等水準測量進行，其中線路跨越珠江出海口沙灣水道及獅子洋處采用GPS水準測量法進行測量。

三等水準主線為附合線路，采用電子水準儀觀測；按照“后-前-前-后”中絲法進行往返觀測，雙站到點。各項觀測限差電子水準儀自動控制，超限無法觀測，需調整后重新測量。

分別在沙灣水道和獅子洋兩岸選擇合適跨河GPS水準點位置，并根據兩岸陸地地形布置合適的非跨河GPS水準點位置。

2.3.2平差計算

三等水準平差計算進行正常水平面不平行改正和尺長改正計算，不平行改正最大值為0.05mm，尺長改正最大值為3.45mm。進行各項改正后采用科傻地面控制測量數據處理系統進行網平差計算。本項目三等水準線路閉合差為-0.0589m，限差為±0.1671m。閉合差遠小于1/2限差要求，說明三等水準測量成果精確可靠。

2.3.3成果檢核與分析

為了驗證三等高程控制網成果的可靠性，采用三角高程測量對水準線路中的關鍵高差(跨河高差)進行了檢核，采用核算軟件對全網進行了校核平差。三角高程測量高差與GPS跨河水準測量高差對比見表2。通過表2可知，三角高程測量高差與GPS跨河水準測量高差差值滿足限差要求，說明GPS跨河水準測量成果可靠。

本項目選用水準平差校核軟件為清華山維測量控制網平差系統。使用該軟件對三等水準進行平差計算，計算方法和要求與主算軟件一致，將核算軟件平差結果與主算軟件平差結果進行一一對比，線路閉合差以及各測點結果100%一致。由此證明，主算軟件平差結果準確可靠。

3 控制網復測

3.1 復測實施及成果計算

2017年10月底，珠江三角洲水資源配置工程試驗段開工建設；2019年5月，工程全面開工建設。2021年3月，受業主單位委托開展三等平高控制網的復測，以及時發現和改正控制網點可能發生的位移。

3.1.1控制點普查

由于本工程三等平高控制網建立于2017年，距本次復測已有4年之久，故復測開始前對全部三等平高控制點進行了普查，對破壞的控制點進行恢復。經現場普查，總共81個三等GNSS平面控制點中75個保存完好，完好率91.5%；總共35個三等水準點中30個保存完好，完好率85.7%。對于地處經濟開發建設發達的珠三角地區，控制點保存完好比例接近90%，說明該控制網的點位選擇是合理可靠的。

3.1.2觀測

復測的技術要求和測量方法與控制網建立是完全一致，即GNSS三等控制網測量和三等水準網測量。

3.1.3平差計算

三等平面控制網(GNSS靜態測量)基線解算精度統計見表3。網平差點位中誤差最大值為7.7mm，遠小于規范限差±50mm；最弱邊邊長相對中誤差為1∶162671，遠小于規范限差1∶80000。說明復測階段三等GNSS控制網平差精度優。

復測階段三等水準測量線路閉合差為0.0025m，閉合差限差為±0.1588m。閉合差遠小于1/3限差要求，說明三等水準測量成果精度優。

3.2 成果對比與分析

通過控制網復測及對測量成果對比分析，以復核、驗證控制網測量成果的精度和質量，評價控制點的點位穩定性[6]。

3.2.1平面控制網復測成果對比

將2021年復測的三等GNSS平面控制點成果與2017年建立階段成果進行對比(新埋設點除外)，復測成果與建立成果縱坐標較差最大值為-0.045m，橫坐標較差最大值為0.033m；所有點復測成果與建立成果差值全部小于0.05m；64.3%的點位差值小于0.03m。說明珠三角三等GNSS平面控制網整體穩定，取2021年復測成果作為后續使用成果。

3.2.2高程控制網復測成果對比

將2021年復測的三等高程控制點(三等水準點和聯測GNSS點)成果與2017年建立階段成果進行對比(新埋設點除外)：總共47個高程點對比，18個點上升，29個點下沉，37個點的高程變化量在±0.02m以內，占比78.7%，說明三等控制點整體保持穩定，大部分以輕微下沉為主。其中“GNSS703、GNSS711、雞洲水閘基1、番水48號、HB06、HB05、GNSS742、GNSS756”8個點高程變化出現異常，經現場調查分析，變化原因分析如下：

(1)“GNSS703”位于河堤臺階角水泥面上，此次復測發現，此臺階角已經出現較大裂縫和傾斜，故復測高程下沉達6cm。

(2)“GNSS711、GNSS742、GNSS756”3個GNSS點，均埋設于2017年新修公路的人行道地面，均屬于松軟填筑地面，故出現較大高程變化屬正常情況。

表2 三角高差與GPS跨河水準高差對比表

表3 三等GNSS控制網復測基線解算精度統計表

(3)“雞洲水閘基1、番水48號”2個點均處于水閘綠地內，回填土質較為松軟、穩定性較差。

(4)“HB06、HB05”2個點位于海鷗島西側河堤、南沙大橋橋底附近，自2017年至今受南沙大橋建設影響較大、下沉量較大。

4 技術難點及解決方案

4.1 長距離線狀靜態控制網布設

4.1.1難點分析

帶狀工程GPS控制網其布設及解算都存在一定的困難，測繪作業需結合自身經驗和測繪理論體系；用合理的處理方式來優化此類工程控制網[7]。珠江三角洲水資源配置工程為長距離輸水工程，工程施工建設主要以地下盾構管道為主，線路施工范圍寬度僅數十米，管道全長超過100km。若按常規方法，沿施工線路布置靜態測量控制網，會導致網形結構弱，平差計算時超長基線多，平差計算困難等。

4.1.2解決方案及效果

面對這一技術難題，在本三等平面控制網建立時，創新采用外擴式布置方案，將輸水線路中線向南北各外擴3km左右，形成寬度約6km的帶狀布控范圍，除沿線路中線布置主控點外，在線路北側平行線和南側平行線范圍內均勻布置輔助控制點，布置范圍如圖3所示。

通過外擴控制網范圍，雖然增加了平面控制點點數，但極大的增加了整個平面控制網的網形結構強度，減少了平差計算時超長基線出現的幾率，大大提高了整個平面控制網的精度。

4.2 長距離跨河水準測量

4.2.1難點分析

珠江三角洲水資源配置工程的輸水線路穿越珠江口的沙灣水道和獅子洋，其中沙灣水道的跨越水域長度約1.6km、獅子洋跨越水域長度約2.3km，總跨度超過6km。若采用傳統水準測量方法，根本無路線可通行；若采用三角高程測量，跨越距離超過規范要求，無法滿足三等高程精度；若采用兩岸分別布設水準測量，則存在整個工程的高程基準不統一的風險。

4.2.2解決方案及效果

面對沙灣水道和獅子洋連續的長距離跨河高程傳遞難題，本三等高程控制網采用GPS水準測量法來解決。根據現場地形分布，巧妙結合海鷗島陸地地形，將跨沙灣水道和獅子洋分開兩段跨河水準布設。GPS測量法跨河水準測量的原理是，通過GPS方法和幾何水準方法結合，測量出跨河兩岸的高程異常變化率，取平均值作為跨河段的高程異常變化，最后計算出跨河段的高差[8]。限于篇幅，本文僅以2021年復測中跨獅子洋段為例，介紹跨河水準測量在本工程中的應用。

全部跨河點和非跨河點采用GPS靜態測量同步觀測，靜態數據處理包括基線解算和網平差計算兩個步驟，基線按規范要求進行解算；網平差以某一跨河點的三維地心坐標系下的三維坐標作為起算數據，進行無約束平差。平差后按規范計算跨河高程異常變化率，見表4。

表4 跨獅子洋段高程異常變化率計算表

如果要想利用GPS測得大地高通過高程異常值直接換算為正常高而使用，那么所獲取的高程異常值的準確程度是非常重要的[9]。由表4計算高程異常變化率的較差，與限差進行比較，同岸變化量較差和不同岸較差最大值均小于1/2限差，說明跨河水準測量結果精度優。詳見表5。

圖3 平面控制網范圍示意圖

表5 跨獅子洋段高程異常變化率差值精度統計表 單位：m/km

根據計算的平均高程異常變化率和跨河點之間的平距，計算出跨河點之間的正常高差。跨獅子洋段BM30-E1正常高差ΔH=-0.40939m。

為驗證GPS水準測量法計算跨河高差的可靠性，本項目高程控制網還采用了三角高程測量對跨河高差進行了檢核。采用高精度測量全站儀分別在兩岸跨河點設站，往返測量兩岸跨河點之間的高差。并與三角高差與GPS水準測量法計算高差進行對比分析，差值遠小于1/3限差要求，說明GPS跨河水準測量成果精度可靠，符合規范要求。見表6。

表6 三角高差與GPS跨河水準高差對比表

5 結論與建議

5.1 結論

珠江三角洲水資源配置工程輸水距離長、工程規模大、施工標段數量多，測量控制網的建立技術難度大、精度要求高，通過精心設計和規范實施，建立了滿足工程勘測設計及施工要求的高精度三等平高控制網。

該三等平高控制網的建立及復測階段各項數據平差結果精度均遠小于規范限差要求，平高控制點成果精度高；經過長時間的使用及驗證，整個控制網點位保存完好率高、控制點成果位移變化小，說明該三等平高控制網布設合理，網形結構強；該三等平高控制網的布設及測量過程中均采用了關鍵技術解決技術難題，特別是GPS水準測量法在長距離跨河高程傳遞中的多次成功應用，可為類似水利水電工程項目提供參考和借鑒。

5.2 建議

(1)該三等平高控制網是珠江三角洲水資源配置工程進行施工建設測量的基準依據，建議業主及各使用單位加強對控制網點的保護工作，確保控制網點的長期穩定。

(2)采用GPS水準測量法進行長距離跨河/海高程傳遞時，建議全部選擇同一型號測量儀器進行數據采集，采取統一的、嚴謹的儀器高量取方法，減少因儀器天線高改正誤差導致的高差計算誤差；GPS跨河水準測量選擇地方盡量平坦，跨河兩端高差裱花應小于130m/km[10]。

(3)針對施工建設周期較長的大型水利水電工程項目，統一的首級平高控制網建議進行定期復測，以及時發現和改正可能發生的控制網點位移，以保障工程施工建設的精準性。