建设项目水域占补平衡计算方法探讨

汤沂园，张君阳

（1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002；2.浙江省测绘大队，浙江 杭州 310030）

建设项目水域占补平衡计算方法探讨

汤沂园1，张君阳2

（1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002；2.浙江省测绘大队，浙江 杭州 310030）

随着社会经济的不断发展，因基础设施建设项目需要而占用水域的情况时有发生，需要依照各省《建设项目占用水域管理办法》执行水域占补平衡评价。在水域占补平衡的工程量计算中，计算方法有平均高程估算法、利用南方CASS软件进行土方计算法、利用ArcGis软件进行体积分析法等。在编制《建设项目占用水域影响评价报告》时，应该严格遵循导则的要求，选择合适的计算方法，从而得到水域占补平衡计算结果，在此基础上进行建设项目占用水域评价。

建设项目；水域占补平衡；工程量计算；南方CASS；ArcGIS

在水利建设项目中，不免会涉及到工程项目欲占用水域的情况，往往会给水域功能带来一些不利的影响。尤其是河道管理范围内建设项目管理工作，往往与河道防洪安全息息相关，与经济发展大局密不可分［1］。自2006年起，《浙江省建设项目占用水域管理办法》［2］对外发布，明确了非基础设施建设项目不得占用重要水域，基础设施建设项目一般也不得占用重要水域，确需占用的应该按照规定办理审批手续。目前，浙江依然按照《浙江省建设项目占用水域影响评价报告编制导则（2007年试行）》［3］，编制并报批，这为加强水域管理和保护提供了有力保障。

建设项目占用水域，按照基础设施建设项目和非基础设施建设项目实行分类管理。在目前编制的建设项目占用水域影响评价报告时，对于基础性设施建设项目明确需要占用水域的，往往有两种补偿办法。一是根据所在地水域保护规划的要求和被占用水域的面积、水量和功能，由建设单位或者个人兴建替代水域工程或者采取功能补救措施［2］。通过补偿被占用水域的水面积和水体容积，实现占补双平衡；二是因具体原因无法补偿到位的，经水行政主管部门同意，依据相关规定向建设单位征收占用水域补偿费。我认为，水域占补平衡是建设项目占用水域的首选方式，也是较为合理的方式。

1 工程量计算方法介绍

水域占补平衡主要体现在计算水位下被占用水域的面积和容积的平衡。针对水域占补平衡所进行的土石方平衡计算，因其主要目的在于评价建设项目实施前后的水域水体容积差，因此不考虑土方松实系数的折算。然而，因为建设项目工程区块的方案规模、布置、型式等因素，结合实际水下地形，工程量较难计算精确。因此，本文针对水域占补平衡中的工程量计算方法展开了探讨，主要比较三种方式：（1）平均高程估算法；（2）利用南方CASS软件进行土方计算法；（3）利用ArcGis软件进行体积分析法。计算基础为工程范围内现状（工程前）地形高程（包括水下地形）。根据测量误差理论，测图比例尺对计算土石方挖填工程量精度具有较大影响［4］，视项目具体规模及计算要求确定所需地形图比例尺，通常以一千至二千分之一地形图为精度保障。

2 平均高程估算法

平均高程估算法视地形条件及精度要求，可以分为整体平均高程法及分块平均高程法。

2.1 整体平均高程法

对于建设项目占用水域方式较为简单、占补区块形状均较为规则、设计高程单一的工程，若地形数据测点间隔均匀、水下地形起伏不大，可以采用几何公式计算体积的，可以使用整体平均高程法。

此时，可以先在CAD中提取建设项目占用范围内现状地形点的X、Y、Z值，使用excel将所有高程值（Z值）取平均，用以近似替代底高程。再通过计算水位以下建设项目的设计高程，计算出高差，与占用面积的乘积即为占用水域体积。补偿工程的补偿容积往往可以根据计算水位以下开挖高程类似处理。

2.2 分块平均高程法

对于建设项目占用水域方式较为简单、占补区块形状均较为规则、设计高程单一的工程，若地形数据测点间隔均匀、水下地形起伏较大、但仍能分区块判别现状地形平均高程并采用几何公式计算体积的，则可以使用分块平均高程法。

计算方法与整体平均高程法类似，区别之处是需要分区块进行现状平均高程的计算，然后根据几何公式计算出各区块的体积后叠加得到整体占用、补偿的水域容积。

3 南方CASS软件进行土方计算法

南方cass软件在很多涉及土石方量计算的施工项目上得到了广泛运用，其可以为施工中土石方的计算提供较为可靠的计算结果［5］。利用南方 CASS软件进行土方计算有三角网（DTM）法、断面法、方格网法等［6］。

3.1 三角网法

不规则三角网法适用于天然地形复杂且不规则，但特征点明显，且构造面与天然地形的工程前后轮廓外包线完全重合的情况。

三角网法在计算过程中能直接利用相邻的3个现状地形离散测量点构造三角形，进而形成整个构造面上的不规则三角网结构，因此可以基本保留原始数据的精度，构成的系统性能最优，并能克服地形起伏不大的地区产生冗余数据的问题［7］。DTM模型法所需要的地形图点、线的分布密度、结构完全可以与地表的特征相协调，直接利用原始资料作为网格结点，不改变原始数据的精度，能很好地适应复杂、不规则地形，从而准确地表达地表的特征［8］。然而在实际的占补平衡应用中，由于两期土方计算的轮廓线必须一致，而能精确落在挖填方区块的轮廓线上的现状地形测量点较少，因此往往需要人工在占补区块轮廓线上根据周边地形高程一个一个“补种”地形测量点。为了轮廓线的曲线拟合度较好，“补种”测量点时，相邻点的间隔距离不宜过大，因此会带来比较大的工作量。

3.2 方格网法

方格网法适用于地形起伏变化不太大、坡度变化平缓且计算面积较大的情况，对于块状工程较为适用。

该方法根据实地测定的地面点坐标（X，Y，Z）和回填、开挖高程，通过离散点到网格点的数据转换［6］，生成方格网来计算每一个方格内的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。设计面可以是平面，也可以是斜面，还可以是三角网。

本文以某大型防洪为主的水库库尾的水体容积占补平衡计算为例，工程布置如图1所示。该水库正常蓄水位与汛限水位同为 23m，防洪高水位31m，校核洪水位 35m。在水库库尾处原有一块“凸”字型的水域，现状地形高程约22～29m，需要将水域转为基础设施建设用地，填高地面至32m，设直立式挡墙。水库边原有一处高地，现状地形高程约26～56m，计划将其挖至22m，成为水库淹没区，用于补偿占用区块的库容。

图1 工程布置示意图

占用及开挖区块现状地形点、方格网计算示意图及单元网格放大图如图2、图3所示。

图2 占用区块现状地形点、方格网计算示意图及单元网格放大图

图3 开挖区块现状地形点、方格网计算示意图及单元网格放大图

通过对填埋、开挖两个区块在特征高程22m、23m、31m、32m、35m的土方计算值，总结出该水库水域占补平衡的结果如表1所示。

因此，可以得出该项目填埋“凸”字形区块且开挖库边高地作为补偿后，水库的防洪库容、调洪库容均能增加，因此不会对水库的防洪功能产生不利影响。

3.3 断面法

断面法适用于地形复杂、起伏变化较大，或挖填深度较大的狭长不规则地段的情况；适用于河道、水库沿岸侧的堤防、公路或者条状绿化带等的占用土方计算及新开沟渠、河道的补偿土方计算。该方法计算简单，但工作过程复杂。计算原理是梯形公式，计算精度取决于断面的设置［7］。

表1 各区块占用/补偿兴利库容、防洪库容、调洪库容平衡表 单位：万m3

以上例中开挖区块的岸线段为例，开挖区块迎水侧堤岸段堤顶高程为32m，从低到高依次设置从高程22m（堤脚）到32m（堤顶）且坡度为1∶2的斜坡、高程32m宽度7m的路堤、高程32m至与现状地形相接（动土高程）且坡度1∶1的斜坡。岸线段工程为条状工程，实施后能增加少量的库容，宜采用断面法进行估算，目前该方法在水工工程量计算中已有广泛应用。

4 利用ArcGis软件进行体积分析法

土石方量的计算电算化往往需要结合数字高程模型的特点，基于DEM大范围计算［9］。本文所指的体积分析法指由ArcGis生成不规则三角网TIN（triangularirregularnetwork），利用表面分析中的面体积分析功能计算工程量的方法。

利用ArcGis软件进行体积分析法与上述南方CASS中的DTM法的计算原理是相似的。两者的区别在于：利用ARCGIS中的TIN模块进行面体积功能计算时，地形能够进行直观显示且计算速度快［10］，然而与DTM法相比，前者的设计面只能是平面，有一定的局限性。

仍以上文中的大型水库库尾容积占补平衡计算为例。将分散的水下地形特征点按照一定的规则（如Delaunay规则）构成一系列不相交的三角形，生成三角网（TIN），如图4。

图4 使用水下地形特征点构造三角网

选择编辑并按照工程区块轮廓线裁剪水库整体三角网（采用硬解方式），生成占用、开挖两个区块的局部三角网，如图5。

最后使用面体积分析功能，计算两个区块在各特征高程值下的面积及体积。

图5 截取出工程区三角网

表2 各区块占用/补偿兴利库容、防洪库容、调洪库容平衡表 单位：万m3

从而总结出该水库水域占补平衡的结果如表2所示。

可以看出，用ArcGis软件的三角网法计算与用南方CASS软件的方格网法计算所得的结果相近（误差可由三角网生成规则、单元网格大小及曲线拟合角度精度的选择等因素相关）。同样可以得出该项目填埋“凸”字形区块且开挖库边高地作为补偿后，水库的防洪库容、调洪库容均能增加，因此不会对水库的防洪功能产生不利影响。

5 方法对比分析

通过对上述几种水域占补平衡中的工程量计算方法的介绍，总结出工程量计算的方法类别及适用性如表3。

总体而言，平均高程估算法计算精度较低，是对地形整体或分区块平均高程的反应；利用南方CASS进行方格网法或断面法计算精度取决于计算采用的单元网格精度、拟合角度、断面设置等因素，计算过程较为繁琐，分别适用于块状区域及条状区域；利用南方CASS进行DTM法或利用Arc-GIS进行TIN法计算能基本保留原始数据的精度，前者较繁琐但适用于各种设计面的计算，后者更直观简便但仅能进行设计面为平面的计算。

表3 水域占补平衡计算方法及分类、精度及适用情况

6 结语

水域占补平衡计算方法尚有多种，本文仅针对常用几种方法及软件（平均高程估算法、利用南方CASS软件进行土方计算法、利用ArcGis软件进行体积分析法）进行比较，推荐各方法的适用性、优点及不足之处。由于不同方法的计算原理、计算精度、适用情况不尽相同，在具体分析时，应该充分了解项目情况，包括水域功能、天然地形情况、占用及补偿方式、精度要求等，具体问题具体分析，为水域占补平衡评价提供合理的数据支撑。

［1］马云燕.河道管理范围内建设项目应重视的管理问题［J］.水利规划与设计，2015（07）.

［2］吕祖善.浙江省建设项目占用水域管理办法［J］.浙江政报，2006（26）.

［3］浙江省建设项目占用水域影响评价报告编制导则（试行）［Z］.浙江省水利厅，2007.

［4］徐菊华，姚楚光.试论测图比例尺对计算土石方挖填工程量精度的影响［J］.水利技术监督，2007（03）.

［5］徐国柱.南方cass软件的土石方计算方法浅析［J］.科技展望，2016（03）.

［6］候红松，殷国华，曾刚，等.土方测量计算——以南方CASS为例 ［J］.中国科技信息，2007（21）：36-39.

［7］叶立.南方CASS在二期间土方计算中的计算逻辑优化 ［J］.测绘与空间地理信息，2014（08）：172-175.

［8］谢宗繁，王文贯.DTM模型法在土石方计算中的应用［J］.水利规划与设计，2010（04）.

［9］陈立华，申明亮，梅亚东.基于DEM的土石方工程量计算研究［J］.中国农村水利水电，2007（09）.

［10］任燚，姚晓伟，房新玉.ARCGIS在土方工程量计算中的应用［J］.科技资讯，2014（28）：30-32.

TU751

A

1672-2469（2017）02-0044-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.016

2016-07-20

汤沂园（1985年—），女，工程师。