高邮湖退圩还湖工程土方平衡技术研究

引言

高邮湖地处淮河下游区，淮河入江水道的中段。入湖口以河湖分界点入江水道改道段施尖处断面为界，出湖口以邵伯湖与归江河道分界点高家圩处断面为界 [1]。高邮湖退圩还湖工程的核心任务是退渔退圩、清堤还湖、修复生境，其中，北部圩区“圩堤挖除→土方就地平衡→微地形重塑→浅水湿地”，南部圩区“分段清退→底泥外运→湖岸生态缓冲带修复”。而土方平衡是工程的基础任务之一，主要指通过就地平整和外运合规处置，消纳 95% 左右的圩堤土场。因此，通过探究土方平衡技术，旨在解决大规模土方开挖与湖区微地形重塑间的时空平衡难题。

1 土方量精准测算技术

1.1 多期 DEM 差分法

在退圩区内，借助脉冲频率 100kHz 、扫描角度为 330°的无人机航测，控制航高 120m，航速 8m/s ，旁向重叠 60% ，布设 18 个60×60cm 的平面 / 高程符合标靶，控制平面误差≤ 1.5cm、高程误差≤2cm。基于无人机的航测数据，构建 0.2m 网格DEM，在工程基准期、施工期、竣工期应用多维 DEM 差分法，分别计算圩堤未拆除前的开挖量、每月圩堤的开挖量以及湖区微地形完成的圩堤开挖量。同时，引入M3C2 算法，直接比较两期点云，省略中间 DEM，避免植被滤波带来系统偏差，以此将“堤埂拆除量”和“湖区微地形重塑量”的总体积测算误差控制在 ±3% 以内，为 BIM-GIS 土方平衡模型提供 0.2m 网格的基准地形。

1.2 分层容重校正

在应用多期 DEM 差分法和 M3C2 算法控制总体积测算误差后，根据 46 组中静力触探和 23 组中原状样环刀试验，将退圩区 0~6m 的深度自上而下划分为 3 层，分别是耕植土层、淤泥质层和沙壤土层，耕植土层的深度是 0~0.5m，属于粉质黏土，平均天然含水率为 28% ；淤泥质层的深度是 0.5~3.5m，有高压缩性淤泥质黏土，平均天然含水率是55%～90% ，为本工程体积 - 质量转换误差提供了重要依据；沙壤土层的深度是 3.5~6.0m，平均天然含水率为 22% 。对于淤泥质层，对 31 组原状淤泥质样进行“烘干法 - 环刀法”平行测定，组合便捷式时域反射仪和手持密度计，现场 3min 内同步获取淤泥质层含水率和干容量，将误差控制在 ±3% 之内，以此建立含水率 - 容重经验模型。含水率 - 容重经验模型形成“容重校正系数”栅格，与 DEM 网格一一对应，实时写入 BIM-GIS 数据库，在施工期，每月更新一次校正系数，保证土方平衡模型输入的“质量”端精度。

2 BIM-GIS 一体化动态平衡模型

2.1 工程对象语义化

建立土方平衡 BIM-GIS 一体化动态平衡模型的第一个步骤是工程对象语义化。工程对象主要包括圩埂、湖盆、航道、湿地岛屿，其中，圩埂包括堤身和湖泊，获取堤身的堤顶高程、堤宽、土质、拆除日期和湖泊的湖泊类型、厚度、拆除体积的信息；湖盆包括原始湖区、新塑湖区，原始湖区的信息属性有设计湖底高程、清淤厚度、淤泥容重，新塑湖区的信息属性有重塑高程、微地形模式；航道涉及主航道、次航道，主航道和次航道对应的属性信息包括航道底高、边坡比、通航等级、维护期；湿地岛屿包括人工岛和浅滩，人工岛的属性信息有岛顶高程、面积、生境类型、植被配置，浅滩的属性信息有滩面高程、坡度、底质类型。综合上述工程对象的属性信息，在 Revit 端，分别设置族模块、属性扩展模块，建立原状、堤拆 30% 、堤拆 70% 、竣工阶段的 BIM 精细模型，自动切换几何与属性。该流程可以补足 BIM 技术的计算数据需求，同时改进实景模型在测量方式上的弊端，提升计算的精确性 [2]。在InfraWorks 端，将 Revit 端导出的 ADSK 格式数据作为数据源，航道中心线SHP 作为可导航水道，以此形成GIS 大场景。

2.2 约束条件集

在对工程对象语义化处理后，建立约束条件集，综合生态水位、候鸟栖息地高程、航道底高、弃土场容量、运输距离数据。每日测量水文站的实时水位，利用 EFDC 模型预测综合生态水位。每月利用 GPS软件追踪鸟类，生成生态调查报告，得到候鸟栖息地高程。在固定时间范围内，利用航道局批复图获取航道底高的数据。一次性的勘查报告和环评批复，了解弃土场容量。每 15min，实时 GIS 路网和航道网络呈现运输距离数据。BIM-GIS 一体化动态平衡模型借助约束条件集，统筹上述数据，提高了数据更新频率。

2.3 优化算法

借助 NSGA-III 多目标遗传算法在高位目标空间保持收敛性和多样性的优势，优化 BIM-GIS 一体化动态平衡模型算法，若任意决策向量违反生态水位、航道底高、弃土场容量等，直接赋予无穷大适应度，形成模型的硬约束；运输距离、成本超限部分按指数罚款，形成模型的软约束。每隔 24h 读取实时约束的数据，动态更新数据，从而实现土方缺口最小、运输碳排最小、生境多样性最大的目标，还满足变量多、约束耦合的需求。

3 数字孪生实时调控平台

3.1 架构

土方平衡数字孪生实时调控平台以“云 - 边 - 端”五级架构、三条数据总线为骨架，实现“孪生像 - 实时动 - 闭环控”，包括感知层、边缘层、传输层、数据层和应用层。感知层包括堤防光纤光栅应力、闸站振动、闸门开度编码器，具有监测一体化水位 - 水质 - 气象浮台、实时底床地形与水下障碍物的功能，数据准确率≥ 99.5%，采样周期≤ 1s。同时，通过遥感和无人机测绘数据采集及数据整合处理，结合了飞时达土方计算软件、CAD、CASS11 等软件，通过深入处理数据，得到了关于遥感图像、地形地貌、田块划分、地物标志物、土方运距、运量、弃土量、进土量等详细信息[3]。

图 1 飞时达计算软件生成土方调配图

边缘层的主要功能是识别鸟类、漂浮物、土方缺口，支持断网作业，运行效率较高，可以在30s 内完成本地决策并下发PLC 执行指令。传输层并行设备、流、业务三条数据总线，连接5G NR 700MHz 基站，备份北斗短报，延迟时间低于 50ms，可靠性为 99.99% 。数据层生成时空数据湖，以“圩埂 - 湖盆 - 航道 - 湿地岛屿”为实体，关联 47 类属性和 128 万条关系，自动清洗、剔除异常数据。应用层以 Cesium 3DTiles+Revit Server 流式加载，帧率为 60FPS，利用孪生体指令，双向控制液压阀、泥驳泵速，预报2h 内土方滚动情况，预警水位- 生态阈值，预演施工方案，生成运输路径重排预案。

3.2 预警机制

土方平衡数字孪生实时调控平台具有“多级 - 多模 - 闭环”的预警功能，以边端和云端两级平台为主要支撑，预警土方缺口、生态敏感、设备安全、外运合规信息，在孪生大屏、微信小程序和短信、语音三种发布通道呈现信息，其中，孪生大屏借助 8K 主屏及红黄闪烁和语音提示实现预警；微信小程序支持现场扫码推送 50m 范围土方平衡预警；语音的实现立足于关键负责人的省水利厅应急平台的同步上报。土方平衡数字孪生实时调控平台实现采集、边缘推理、云端核验、孪生预演、指令下发、现场 PLC 执行、结果反馈的闭环流程，全程预警时间低于60s。在应用平台预警功能的情况下，漏报率将低于 1% ，误报率低于 5% ，平均响应时间低于45s，提高了整体预警效率和准确性。

4 湖区微地形重塑技术

高邮湖退圩还湖工程中湖区微地形重塑技术的实施，主要作用于浅水区，重塑“垄- 塘”耦合微地形，土方就地平衡，营造生境多样性，实现候鸟和鱼类共栖，借此形成“挖一方土、造一方景、增一方生态”的发展态势。除此之外，践行“系统治理”的思路，以保障水安全和维护湖泊健康生命为前提，满足区域防洪除涝、供水需要以及地方经济发展需要 [4]。“垄 - 塘”耦合微地形主要包括垄、塘、缓冲坡三个单元，垄的高程是 5.1~5.3m，宽度为 3~4m，长度为 50~80m，水深 0~0.2m，土方量为0.42 万m3/ 处，支持越冬雁鸭停歇、筑巢；塘的高程是4.6~4.8m，上口20~30m，深度为1.2~1.5m，土方量为0.68 万m3/ 处，支持鱼类越冬、沉水植物生长；缓冲坡属于过渡带，有减少冲刷、两栖通道的作用。将湖区微地形重塑技术落到实处，两栖绞吸船、两栖挖掘机联合开挖“塘”，同步将淤泥质土吹填至设计高程形成“垄”，高精度 GPS 水下整平，土工格栅和植生毯一次成型护坡，扦插苦草、狐尾藻等沉水植物，投放螺、蚌等底栖动物，每 1 处“垄 - 塘”单元可消纳 1.10 万 m3 湖区开挖土方，满足 81% 就地平衡率。

5 结束语

高邮湖退圩还湖工程应用土方平衡技术，将数字孪生技术、多目标遗传算法应用于土方优化过程，建立土方平衡技术体系，实现生态与工程的双赢目标。未来，还要继续研究先进技术下高邮湖退圩还湖工程的土方平衡，如利用自然力量的耦合作用实现土方平衡，不仅满足工程的实际需求，还有利于维护生态稳定发展，有利于推动高邮湖退圩还湖工程可持续发展。

参考文献

[1] 杨印 , 王春美 , 梁文广 , 等 . 高邮湖退圩还湖关键问题的探讨与分析 [J]. 江苏水利 ,2021,(03):11-14.

[2] 陈楚涛 .BIM 技术与无人机倾斜摄影在土方平衡中的应用 [J].新城建科技 ,2024,33(09):19-21.

[3] 连振成 . 遥感和无人机测绘技术在土方平衡施工中的应用研究[J]. 建筑施工 ,2024,46(04):493-496.

[4] 谢兴广 , 付强 , 吴琼 , 等 . 淮河流域重要湖泊生态环境复苏退圩 ( 渔 ) 还湖实践与对策研究 [J]. 水利发展研究 ,2024,24(10):34-39.