潮位觀測基準面設定技術＊

呂富良，孫青，劉曉飛，王磊

（1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室 青島 266073；2.國家海洋局北海預報中心 青島 266073）

1 引言

潮位觀測在海洋工程、航道測量等工作中具有重要意義，潮位觀測數(shù)據(jù)是警戒潮位劃定和防災減災的重要技術支撐數(shù)據(jù)。潮位觀測通常稱為水位觀測，又稱驗潮，是海洋水文觀測項目中十分重要的項目之一，其目的是為了了解所觀測海域的潮汐性質(zhì)，應用所獲得的潮汐觀測資料，計算該海域的潮汐調(diào)和常數(shù)、平均海平面、深度基準面等。潮位觀測一般需要設立固定地點進行長期連續(xù)的觀測，即便是臨時觀測潮位，也應至少在臨時潮位觀測點連續(xù)觀測約15天。

本文主要討論欲獲取長期連續(xù)的潮位觀測數(shù)據(jù)，所涉及的潮位觀測方法和基準，驗潮井進水孔設定，驗潮站基本水準點或校測水準點設立，高程引測，驗潮井內(nèi)、井外水尺設置及方法，讀數(shù)指針確定、水尺零點和本站潮高基準面高程確定等有關內(nèi)容，并對各測算基準面相互之間關系進行了論述。

2 潮位觀測方法和基準

潮位觀測可以采取水尺（組）、浮子式驗潮儀、聲學水位計等多種方式或方法進行潮位數(shù)據(jù)的獲取。為獲取長期、連續(xù)和穩(wěn)定的潮位數(shù)據(jù)，應該建設專用驗潮井進行觀測。但不管采取何種方式，獲取的潮位數(shù)據(jù)都必需通過水準測量訂正到國家高程基準才能具有實際的潮位意義，否則所觀測的數(shù)據(jù)只是相對的水位數(shù)據(jù)。

在潮位觀測過程中所使用的水準系統(tǒng)由國家高程控制網(wǎng)、驗潮站基本水準點、校核水準點、水尺零點和井內(nèi)水尺讀數(shù)指針等高程共同組成驗潮系統(tǒng)。國家高程控制網(wǎng)由一系列的國家高程水準點組成，水準點就是驗潮站各基準面高程的引據(jù)點。

訂正后的潮位數(shù)據(jù)既可以提供給軍事、交通、水產(chǎn)、測繪等有關部門使用，也可以為潮汐預報提供數(shù)據(jù)修正。根據(jù)驗潮系統(tǒng)中各測量基面之間的相互關系，能夠互相驗證潮位數(shù)據(jù)的異常和驗潮井是否暢通。

3 驗潮井進水孔設定

根據(jù)《海濱觀測規(guī)范》驗潮井選址要求，驗潮井應建在與外海暢通、水流平穩(wěn)、不易淤積且受波浪影響小的海域，盡可能利用防波堤、碼頭棧橋等海上建筑物進行建設，避開沖刷嚴重、容易坍塌的海岸，在理論最低潮時的水深應大于1.0m。

驗潮井內(nèi)與井外潮位差應小于1cm，并具有良好的隨潮性和消波性能。驗潮井井底應低于當?shù)乩碚撟畹统泵婕s1m，進水孔應位于理論最低潮位下0.5～1.0m處。若進水管道長度小于5m，進水孔孔徑為0.1m左右（圖1）。

圖1 驗潮井進水孔位置示意圖（單位：m）

4 設置驗潮站高程基準點

國家高程水準點是高程控制網(wǎng)中所有水準高程的起算依據(jù)。為了長期、穩(wěn)定地表示出驗潮站各高程基準面的位置，作為傳遞高程或潮位計算的起算點，驗潮井在建設時必須在臨近位置建立穩(wěn)固的驗潮高程基準點——基本水準點或校核水準點。以國家高程水準點為引據(jù)點，用精密水準儀按國家二等水準測量要求確定驗潮站基本水準點或校核水準點的高程，作為驗潮站觀測潮位值推算高程的依據(jù)；再以基本水準點或校核水準點為引據(jù)點，按國家三、四等水準測量要求確定驗潮站驗潮系統(tǒng)中讀數(shù)指針、水尺零點和潮高基準面等測算基面的高程（圖2）。

圖2 基面高程確定流程框圖

驗潮站高程基準點的設置應避開交通干道主路、地下管線、松軟土地、機器振動區(qū)以及其他可能使標石、標志易遭腐蝕和破壞的地方，盡量選設在地質(zhì)穩(wěn)定或基礎深且穩(wěn)定的建筑、易于長期保存的地方，還要注意基本基準點或校核水準點與驗潮站各個測算基面之間應當便于進行水準測量。

5 水準測量

水準測量是用水準儀和水準尺測定地面上兩點間的高差，用已知高程點來確定未知點高程。具體做法是：在地面兩點間安置水準儀，按相應國家水準測量等級標準觀測豎立在兩點上的水準標尺，按標尺上讀數(shù)推算兩點間的高差，得出未知點高程。如圖3所示，未知點高程HB＝HA＋（a－b）

圖3 水準測量示意圖

其中：HA為國家高程水準點高程（已知高程）；HB為驗潮站高程水準點高程（未知高程）；a為國家高程水準點上的水準尺讀數(shù)；b為驗潮站高程水準點上的水準尺讀數(shù)。

水準測量在潮汐觀測中起著非常重要的作用，應嚴格按照水準測量要求確定高程。驗潮站基本水準點或校測水準點高程一般由專業(yè)測繪部門從高一等的國家高程水準點按國家二等水準測量要求進行引測，從驗潮站基本水準點或校測水準點到潮位觀測各基面的測量一般由驗潮站工作人員按國家三、四等水準測量要求完成測量，為保證數(shù)據(jù)準確統(tǒng)一，記錄采用4位記數(shù)法，單位以毫米（mm）計。

通過水準測量后，便可確定驗潮站潮高基準面、井內(nèi)水尺讀數(shù)指針、井外水尺零點等高程值，使測量的潮位值換算到國家高程面上，由此形成準確可用的潮位觀測數(shù)據(jù)。

6 確定潮高基準面高程

潮高基準面是潮高起算的零面，一般用推算的方法（最低潮位線）確定當?shù)氐目赡茏畹偷统泵妫每赡茏畹偷统泵孀鳛槌备呋鶞拭?，它是采用浮子式、壓力式等儀器設備自動觀測潮位所使用的基準面，潮高基準面一旦確定就不再輕易變動。在確定了潮高基準面高程之后，就可以設置井內(nèi)水尺和井外水尺零點，根據(jù)井內(nèi)水尺讀數(shù)再同步調(diào)整驗潮儀的觀測數(shù)據(jù)。如果兩者變化趨勢一致、讀數(shù)之差小于1cm，驗潮儀的潮高基準面也就確定了；如果兩者讀數(shù)之差大于1cm，應繼續(xù)調(diào)整驗潮儀的觀測數(shù)據(jù)，直至滿足要求。

驗潮系統(tǒng)各高程關系如圖4所示。

7 建立井外水尺系統(tǒng)

井外水尺零點是驗潮站潮位觀測系統(tǒng)配套的井外水尺或采用水尺（組）觀測潮位的測算基準點之一，其高程位置應與驗潮站潮高基準面高程保持一致。

7.1 安裝井外水尺

井外水尺一般設置在驗潮井外側(cè)或鄰近固定的海堤、碼頭靠海一側(cè)。水尺底端應在理論最低潮位下0.5～1.0m，頂端應大于最高潮位。井外水尺安裝時除要確保水尺方向垂直、安裝牢固外，還要注意尺子之間須連接緊密，不能重疊或有縫隙。另外，水尺在安裝時還要考慮到后期的觀測讀數(shù)方便。

圖4 驗潮系統(tǒng)各高程示意圖

7.2 確定水尺零點

井外水尺安裝完成后，須再次檢查水尺之間聯(lián)接縫隙、水尺刻度以及水尺垂直等情況，確定安裝無誤后，再按國家三、四等水準測量要求，以驗潮站基本水準點或校測水準點為引據(jù)點，對井外水尺上某一刻度進行高程引測。當井外水尺上某一刻度高程確定后，根據(jù)井外水尺上讀數(shù)和驗潮站潮高基準面高程可推算水尺零點位置，這一位置就是驗潮站水尺零點高程。

水尺零點位置一般用最低端水尺的零刻度線作為潮高起算點，若水尺零點位置不在零刻度線，應減去水尺零點位置與零刻度線的差值（圖5）。

圖5 井外水尺高程示意圖

則當時潮位計算公式為：ht＝ha－h(huán)b。

其中：ht為當時潮位；ha為當時海面在井外水尺上的讀數(shù)值；hb為水尺零點位置與零刻度線的差值，是一常數(shù)；HB為驗潮站基本水準點或校測水準點高程；h0為井外水尺零點高程，應等于驗潮站潮高基準面高程。

井外水尺不但可以獨立地觀測潮位，還可以通過和井內(nèi)水尺同步比對來判斷驗潮井是否淤積，驗證井內(nèi)潮位觀測數(shù)據(jù)的準確性。

8 建立井內(nèi)水尺系統(tǒng)

8.1 確定讀數(shù)指針位置

讀數(shù)指針是驗潮站觀測人員便于觀測井內(nèi)水尺讀數(shù)而設置的橫向水平的固定高程標志，是驗潮站驗潮觀測系統(tǒng)配套使用的潮位測算基點之一，應貼近井內(nèi)水尺安裝。讀數(shù)指針指示位置的水尺數(shù)據(jù)就是當時海面的潮位。

8.2 安裝井內(nèi)水尺

井內(nèi)水尺設置在驗潮井內(nèi)，與觀測的驗潮儀在同一環(huán)境下使用。

在設備工作臺上合適位置或上方屋頂處安裝一定滑輪。定滑輪軸承應保持水平穩(wěn)固，定滑輪垂直安裝，兩側(cè)縫隙不易過大，保證定滑輪轉(zhuǎn)動靈敏平穩(wěn)，輪邊應有平整的凹槽以防止井內(nèi)水尺滑出（圖6），井內(nèi)水尺起點與平衡重錘連接，終點與浮子連接。

圖6 井內(nèi)水尺樣式

若井內(nèi)水尺長度為L米、潮高基準面到讀數(shù)指針高程為hn，則

其中：d為定滑輪頂端至讀數(shù)指針高程。

8.3 確定水尺零點

根據(jù)驗潮站潮高基準面到讀數(shù)指針高程hn，以井內(nèi)水尺浮子吃水線為起點在井內(nèi)水尺上量取距離hn處作為標志點，此標志點位置，也就是井內(nèi)水尺零點位置。為觀測、讀數(shù)方便，可適當調(diào)整井內(nèi)水尺終點和浮子的連接，使井內(nèi)水尺零點位置正好處在井內(nèi)水尺米級的整數(shù)位上。如圖7所示，井內(nèi)水尺零點距離讀數(shù)指針高程位置標志的讀數(shù)即為當時潮位，即ht＝ha－h(huán)b。

圖7 井內(nèi)水尺高程關系

其中：ht為當時潮位；ha為讀數(shù)指針在井內(nèi)水尺上的讀數(shù)值；hb為水尺零點位置與零刻度線的差值，是一常數(shù)。

在確定水尺零點位置的井內(nèi)水尺上，井內(nèi)水尺的零點位置，也可以說是潮高基準面的平移，只不過是由靜態(tài)基準面變成了動態(tài)基準面，海面位置由動態(tài)變成了靜態(tài)。井內(nèi)水尺讀數(shù)有兩個作用：一是驗證驗潮儀測量數(shù)據(jù)的準確性；二是通過和井外水尺進行同步比測，來驗證驗潮井內(nèi)和井外潮位數(shù)據(jù)是否一致，即驗潮井的隨潮性是否良好。

8.4 臨時潮位觀測的潮高基準面確定

若沒有條件設置井內(nèi)水尺的臨時潮位觀測，那么可以在驗潮井上方或井邊選一固定、平穩(wěn)的標志點（此點可以當做校核水準點），采用水準測量方法確定其高程為H，用專用皮尺測量此點與當時海面的距離為B，同時記錄驗潮儀顯示的數(shù)值為B′，結(jié)合當?shù)氐淖畲蟪辈?，調(diào)整驗潮儀的觀測數(shù)據(jù)B′，盡量調(diào)整到在最低潮時驗潮儀的觀測數(shù)據(jù)是正值。反復測量調(diào)整幾次，使標志點與當時海面的距離加上觀測的潮位值能夠穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接近一致。

則臨時潮位觀測的潮高基準面高程就是：H－B－B′。

9 結(jié)束語

潮位數(shù)據(jù)可由多種基準面觀測輸出，各測算高程基準面應長期穩(wěn)定不變。在實際工作中，觀測數(shù)據(jù)易受水準測量、高程傳遞和數(shù)據(jù)處理等因素影響。高程點的變動、井內(nèi)水尺的伸縮變化、驗潮儀機械摩擦、平衡系統(tǒng)的失衡、驗潮井內(nèi)淤積等，都會或多或少的影響觀測數(shù)據(jù)，因此應根據(jù)《海濱觀測規(guī)范》，按水準測量要求，定期對潮位各測算基準面進行復測、計算驗證，使獲取的潮位數(shù)據(jù)，真正具有準確性、連續(xù)性和代表性。

［1］GB／T14914－2006海濱觀測規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［2］GB／T 12898－2009國家三、四等水準測量規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2009.

［3］GB 12897－2006國家一、二等水準測量規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［4］陳正榮，陳浩 .淺談當?shù)乩碚撟畹统泵媾c85國家高程基準面之間關系的推算［J］.浙江測繪，2012（4）.