湯沂園，張君陽

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

建設(shè)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(shè)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(jīng)濟的不斷發(fā)展，因基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目需要而占用水域的情況時有發(fā)生，需要依照各省《建設(shè)項目占用水域管理辦法》執(zhí)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(shè)項目占用水域影響評價報告》時，應(yīng)該嚴格遵循導(dǎo)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(jié)果，在此基礎(chǔ)上進行建設(shè)項目占用水域評價。

建設(shè)項目；水域占補平衡；工程量計算；南方CASS；ArcGIS

在水利建設(shè)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(nèi)建設(shè)項目管理工作，往往與河道防洪安全息息相關(guān)，與經(jīng)濟發(fā)展大局密不可分［1］。自2006年起，《浙江省建設(shè)項目占用水域管理辦法》［2］對外發(fā)布，明確了非基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目不得占用重要水域，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目一般也不得占用重要水域，確需占用的應(yīng)該按照規(guī)定辦理審批手續(xù)。目前，浙江依然按照《浙江省建設(shè)項目占用水域影響評價報告編制導(dǎo)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(shè)項目占用水域，按照基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目和非基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目實行分類管理。在目前編制的建設(shè)項目占用水域影響評價報告時，對于基礎(chǔ)性設(shè)施建設(shè)項目明確需要占用水域的，往往有兩種補償辦法。一是根據(jù)所在地水域保護規(guī)劃的要求和被占用水域的面積、水量和功能，由建設(shè)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(xiàn)占補雙平衡；二是因具體原因無法補償?shù)轿坏?，?jīng)水行政主管部門同意，依據(jù)相關(guān)規(guī)定向建設(shè)單位征收占用水域補償費。我認為，水域占補平衡是建設(shè)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(xiàn)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(shè)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(shù)的折算。然而，因為建設(shè)項目工程區(qū)塊的方案規(guī)模、布置、型式等因素，結(jié)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(chǔ)為工程范圍內(nèi)現(xiàn)狀（工程前）地形高程（包括水下地形）。根據(jù)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(guī)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(shè)項目占用水域方式較為簡單、占補區(qū)塊形狀均較為規(guī)則、設(shè)計高程單一的工程，若地形數(shù)據(jù)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(shè)項目占用范圍內(nèi)現(xiàn)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(shè)項目的設(shè)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(jù)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(shè)項目占用水域方式較為簡單、占補區(qū)塊形狀均較為規(guī)則、設(shè)計高程單一的工程，若地形數(shù)據(jù)測點間隔均勻、水下地形起伏較大、但仍能分區(qū)塊判別現(xiàn)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(qū)別之處是需要分區(qū)塊進行現(xiàn)狀平均高程的計算，然后根據(jù)幾何公式計算出各區(qū)塊的體積后疊加得到整體占用、補償?shù)乃蛉莘e。

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(jié)果［5］。利用南方 CASS軟件進行土方計算有三角網(wǎng)（DTM）法、斷面法、方格網(wǎng)法等［6］。

3.1 三角網(wǎng)法

不規(guī)則三角網(wǎng)法適用于天然地形復(fù)雜且不規(guī)則，但特征點明顯，且構(gòu)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(wǎng)法在計算過程中能直接利用相鄰的3個現(xiàn)狀地形離散測量點構(gòu)造三角形，進而形成整個構(gòu)造面上的不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此可以基本保留原始數(shù)據(jù)的精度，構(gòu)成的系統(tǒng)性能最優(yōu)，并能克服地形起伏不大的地區(qū)產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)的問題［7］。DTM模型法所需要的地形圖點、線的分布密度、結(jié)構(gòu)完全可以與地表的特征相協(xié)調(diào)，直接利用原始資料作為網(wǎng)格結(jié)點，不改變原始數(shù)據(jù)的精度，能很好地適應(yīng)復(fù)雜、不規(guī)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(yīng)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(qū)塊的輪廓線上的現(xiàn)狀地形測量點較少，因此往往需要人工在占補區(qū)塊輪廓線上根據(jù)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(wǎng)法

方格網(wǎng)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(jù)實地測定的地面點坐標(biāo)（X，Y，Z）和回填、開挖高程，通過離散點到網(wǎng)格點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換［6］，生成方格網(wǎng)來計算每一個方格內(nèi)的填挖方量，最后累計得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量，并繪出填挖方分界線。設(shè)計面可以是平面，也可以是斜面，還可以是三角網(wǎng)。

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(xiàn)狀地形高程約22～29m，需要將水域轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地，填高地面至32m，設(shè)直立式擋墻。水庫邊原有一處高地，現(xiàn)狀地形高程約26～56m，計劃將其挖至22m，成為水庫淹沒區(qū)，用于補償占用區(qū)塊的庫容。

圖1 工程布置示意圖

占用及開挖區(qū)塊現(xiàn)狀地形點、方格網(wǎng)計算示意圖及單元網(wǎng)格放大圖如圖2、圖3所示。

圖2 占用區(qū)塊現(xiàn)狀地形點、方格網(wǎng)計算示意圖及單元網(wǎng)格放大圖

圖3 開挖區(qū)塊現(xiàn)狀地形點、方格網(wǎng)計算示意圖及單元網(wǎng)格放大圖

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

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

3.3 斷面法

斷面法適用于地形復(fù)雜、起伏變化較大，或挖填深度較大的狹長不規(guī)則地段的情況；適用于河道、水庫沿岸側(cè)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(fù)雜。計算原理是梯形公式，計算精度取決于斷面的設(shè)置［7］。

表1 各區(qū)塊占用/補償興利庫容、防洪庫容、調(diào)洪庫容平衡表 單位：萬m3

以上例中開挖區(qū)塊的岸線段為例，開挖區(qū)塊迎水側(cè)堤岸段堤頂高程為32m，從低到高依次設(shè)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(xiàn)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(yīng)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(jié)合數(shù)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(guī)則三角網(wǎng)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(qū)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(shè)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(guī)則（如Delaunay規(guī)則）構(gòu)成一系列不相交的三角形，生成三角網(wǎng)（TIN），如圖4。

圖4 使用水下地形特征點構(gòu)造三角網(wǎng)

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

最后使用面體積分析功能，計算兩個區(qū)塊在各特征高程值下的面積及體積。

圖5 截取出工程區(qū)三角網(wǎng)

表2 各區(qū)塊占用/補償興利庫容、防洪庫容、調(diào)洪庫容平衡表 單位：萬m3

從而總結(jié)出該水庫水域占補平衡的結(jié)果如表2所示。

可以看出，用ArcGis軟件的三角網(wǎng)法計算與用南方CASS軟件的方格網(wǎng)法計算所得的結(jié)果相近（誤差可由三角網(wǎng)生成規(guī)則、單元網(wǎng)格大小及曲線擬合角度精度的選擇等因素相關(guān)）。同樣可以得出該項目填埋“凸”字形區(qū)塊且開挖庫邊高地作為補償后，水庫的防洪庫容、調(diào)洪庫容均能增加，因此不會對水庫的防洪功能產(chǎn)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(jié)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(qū)塊平均高程的反應(yīng)；利用南方CASS進行方格網(wǎng)法或斷面法計算精度取決于計算采用的單元網(wǎng)格精度、擬合角度、斷面設(shè)置等因素，計算過程較為繁瑣，分別適用于塊狀區(qū)域及條狀區(qū)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(shù)據(jù)的精度，前者較繁瑣但適用于各種設(shè)計面的計算，后者更直觀簡便但僅能進行設(shè)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(jié)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(yōu)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(yīng)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(shù)據(jù)支撐。

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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。