測站考證相關(guān)概念及基本原則探討

孟令鵬 趙邦棟 王書亮

長期以來，主要包括基面考證和水準(zhǔn)點(diǎn)高程考證在內(nèi)的測站考證一直是水文資料整編時(shí)關(guān)注的焦點(diǎn)，為理清考證思路，擬從其所涉及的凍結(jié)基面、絕對基面及基面改正數(shù)等基本概念出發(fā)，展開相關(guān)討論，并對測站考證應(yīng)該遵循的原則及注意事項(xiàng)作出必要的說明。

一、凍結(jié)基面

水文測站在記錄基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程、校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程和水位時(shí)都是按照國家規(guī)范要求采用凍結(jié)基面。

按照定義，基面就是測量地面點(diǎn)位高程的基準(zhǔn)，而高程基準(zhǔn)定義了陸地上高程測量的起始面。通俗地講，水文行業(yè)所用到的基面就是指計(jì)量點(diǎn)位高程和水位的起始面。

凍結(jié)基面則是指水文測站將本站第一次觀測所使用的基面固定下來作為以后觀測長期使用的基面。在制訂我國第一部《水文測站規(guī)范》前，水利部水文局就專門討論過水文測站水位觀測的高程表達(dá)方法與國家水準(zhǔn)基面統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用問題，規(guī)定了測站一經(jīng)設(shè)置，使用的任何基面均須凍結(jié)，以維持實(shí)測水位值前后一致，另在水位表上加注“絕對基面”與“凍結(jié)基面”間的差值。

以凍結(jié)基面為起始面表示的點(diǎn)位高程即為凍結(jié)高程，水尺零高和平時(shí)觀測的水位數(shù)據(jù)均屬凍結(jié)高程范疇。

測站使用的基面一經(jīng)凍結(jié)，不論地面有無下沉還是上升或者標(biāo)載凍結(jié)高程的基本水準(zhǔn)點(diǎn)有無變動，也不論經(jīng)由哪條水準(zhǔn)路線或采用哪一個(gè)引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)接測，其位置是不應(yīng)該再有變化的。簡而言之，凍結(jié)基面位置是固定不變的。除合理的誤差以外，如有變動，基本上可以認(rèn)為是違背使用凍結(jié)基面初衷而采取的錯(cuò)誤技術(shù)路線所致，這就枉用了“凍結(jié)”二字。

測站由于自身特點(diǎn)，設(shè)站時(shí)所確定的凍結(jié)基面是唯一的、非關(guān)聯(lián)性的，并因站而異。一個(gè)測站有且僅有一個(gè)凍結(jié)基面才屬于正?，F(xiàn)象，否則應(yīng)查找原因并分析處理，將后來出現(xiàn)的所謂“凍結(jié)基面”歸結(jié)到起初使用的凍結(jié)基面上來。

二、絕對基面

在地形圖測繪、防汛抗旱的指揮調(diào)度等非單站或非局部點(diǎn)位高程應(yīng)用方面都必須使用同一基面。為了統(tǒng)一表示區(qū)域或流域乃至全國的點(diǎn)位高程，絕對基面便應(yīng)運(yùn)而生。

絕對基面指的是以某一海濱地點(diǎn)平均海水面為準(zhǔn)并將其高程規(guī)定為零的水準(zhǔn)基面。絕對基面一般由瀕海驗(yàn)潮站根據(jù)一定時(shí)期的潮位觀測資料分析確定，通常通過驗(yàn)潮站附近一水準(zhǔn)原點(diǎn)的絕對高程來標(biāo)定其具體位置。

不同的海濱地點(diǎn)所確定的絕對基面位置是不一樣的。因地域差異，我國沿用的主要有大連、大沽、黃海、廢黃河口、吳淞、珠江等絕對基面。其中廢黃河口基面出現(xiàn)歷史較早，蘇北里下河地區(qū)一些水文站在建站時(shí)均以此作為凍結(jié)基面使用，當(dāng)?shù)胤姥床块T在防汛抗旱工作中也一直使用該基面的水位。而黃海基面實(shí)際上應(yīng)該區(qū)分為56黃?；婧?5基準(zhǔn)基面。56黃?；媸菄乙罁?jù)青島驗(yàn)潮站1950～1956年的潮位觀測資料建立的作為第一個(gè)國家高程系統(tǒng)的全國統(tǒng)一的絕對基面，一些站每年的逐日平均水位表上標(biāo)注的基面換算關(guān)系中所謂“黃?；妗敝傅木褪沁@一基面。85基準(zhǔn)基面是國家為了提高統(tǒng)一基面的精度，根據(jù)青島驗(yàn)潮站1952～1979年的潮位觀測資料建立的全國統(tǒng)一的絕對基面，以替代56黃?；妫鋼Q算關(guān)系為：56黃?；娓叱蹋?5黃海基面高程+0.029m。此基面于1987年5月正式公布使用。

水準(zhǔn)測量所引用的國家水準(zhǔn)點(diǎn)高程均是基于各種絕對基面的數(shù)據(jù)，即絕對高程。

絕對基面一經(jīng)確定，其位置應(yīng)是固定不變的，但這只能針對水準(zhǔn)原點(diǎn)所在地而言，而其他地區(qū)特別是遠(yuǎn)離水準(zhǔn)原點(diǎn)地區(qū)的水準(zhǔn)點(diǎn)高程數(shù)據(jù)均是通過布設(shè)各種水準(zhǔn)路線形成一個(gè)大范圍的水準(zhǔn)網(wǎng)來進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測、平差而確定的。這樣，水準(zhǔn)路線的走向、水準(zhǔn)網(wǎng)的疏密、測量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)甚至相關(guān)技術(shù)人員的能力等因素均會對某一地點(diǎn)測量結(jié)果產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響水準(zhǔn)點(diǎn)高程的確定。各種影響因素綜合起來的主要表現(xiàn)是隨機(jī)的，其形成的誤差應(yīng)該視為偶然誤差，誤差值一般在0附近擺動，且符合正態(tài)分布規(guī)律。

從測站角度來看，其附近國家水準(zhǔn)點(diǎn)的絕對高程或者說由此而確定的絕對基面位置受制于測量與平差技術(shù)等因素影響。確定之初，高程數(shù)據(jù)或基面位置就存在偶然誤差，再次測量平差后，仍會因新的誤差而產(chǎn)生變動，這就說明絕對基面位置不是唯一的，與外界有關(guān)聯(lián)，且站群之間誤差大小具有相似性，這與凍結(jié)基面的獨(dú)立性具有明顯區(qū)別。隨著絕對基面高程系統(tǒng)的維護(hù)與更新，即便是位置絲毫沒有變動的國家水準(zhǔn)點(diǎn)其絕對高程還是會跟著變化的。如果測站一直采用絕對高程表示水位，水位序列就會因引用一次系統(tǒng)更新而產(chǎn)生一次折變，多次更新多次折變。采用凍結(jié)高程表示水位就能規(guī)避這種情形對水位序列的干擾。

三、基面改正數(shù)

從單站水位記錄到測站間水位比較就要牽涉到從凍結(jié)基面到絕對基面的變換問題。其實(shí)，這種基面變換也很簡單。如果測站附近有穩(wěn)定的國家水準(zhǔn)點(diǎn)且有準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)，那么以此國家水準(zhǔn)點(diǎn)為引據(jù)點(diǎn)，經(jīng)過至少三等的水準(zhǔn)測量可以得到測站基本水準(zhǔn)點(diǎn)絕對高程，將基本水準(zhǔn)點(diǎn)的絕對高程減去其已有的凍結(jié)高程得一差值，這一差值就是測站考證時(shí)需要明確的基面改正數(shù)，俗稱“凍結(jié)差”，又稱“國凍差”。通過在凍結(jié)基面上的水位加上基面改正數(shù)后，就可以輕松實(shí)現(xiàn)水位從凍結(jié)基面到絕對基面的換算。在每年的各站“逐日平均水位表”右上角都標(biāo)有這樣的換算關(guān)系：“表內(nèi)水位（凍結(jié)基面以上米數(shù)）+*.???m＝××基面以上米數(shù)”，此即基面關(guān)系式，式中“*.???”為精度與高程一致的基面改正數(shù)，“××基面”指的是某一絕對基面。

對于一個(gè)測站，一個(gè)絕對基面對應(yīng)一個(gè)基面改正數(shù)，如果一個(gè)測站同時(shí)使用幾個(gè)絕對基面，那就擁有幾個(gè)基面改正數(shù)。絕對基面變更，基面改正數(shù)也必須隨著變更。

基面改正數(shù)雖然是通過測站基本水準(zhǔn)點(diǎn)絕對高程和凍結(jié)高程計(jì)算得來的，但一經(jīng)確定后，將不再隨基本水準(zhǔn)點(diǎn)的高程而變化，基面改正數(shù)客觀上反映的是凍結(jié)基面與絕對基面間的距離，不會隨哪個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)的變化而改變。不過，由于絕對基面位置受到高程系統(tǒng)維護(hù)、更新的影響，存在偶然誤差，所以，在每次國家高程系統(tǒng)復(fù)測平差后，通過水準(zhǔn)接測，基面改正數(shù)也會基于偶然誤差跟著發(fā)生變動，反過來講，也正是通過基面改正數(shù)的變化來間接體現(xiàn)絕對基面位置的調(diào)整或精度提高。

但是，基面改正數(shù)在確定時(shí)畢竟是采用基本水準(zhǔn)點(diǎn)的絕對高程和凍結(jié)高程來計(jì)算的，其中絕對高程是通過引測國家水準(zhǔn)點(diǎn)獲得的，當(dāng)初從國家點(diǎn)到基本點(diǎn)的水準(zhǔn)測量精度及國家點(diǎn)本身絕對高程精度都是左右基面改正數(shù)的關(guān)鍵因素，如果再出現(xiàn)基本水準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生變動并伴有國家水準(zhǔn)網(wǎng)高程控制系統(tǒng)產(chǎn)生更新等綜合情況，那么在考證時(shí)針對基面改正數(shù)的驗(yàn)證或重算便會出現(xiàn)麻煩，所以圍繞基面改正數(shù)的復(fù)核計(jì)算便成為考證工作的重點(diǎn)內(nèi)容，由于其復(fù)雜性，往往也是技術(shù)難點(diǎn)之所在。

四、考證應(yīng)遵循的兩個(gè)基本原則

一般情況下，為了有效地進(jìn)行資料分析比較，便于實(shí)際綜合應(yīng)用，通常要求所用資料具有統(tǒng)一性。而測站采用凍結(jié)基面與絕對基面來計(jì)量水位，正是使水位數(shù)據(jù)從不同角度滿足了這方面的要求。

以時(shí)間為橫坐標(biāo)、凍結(jié)高程為縱坐標(biāo)的單站水位資料序列要求體現(xiàn)連續(xù)性，它強(qiáng)調(diào)的是時(shí)間概念上的數(shù)據(jù)趨同。

以站別為橫坐標(biāo)、絕對高程為縱坐標(biāo)的區(qū)域測站水位對比要求體現(xiàn)一致性，強(qiáng)調(diào)的是空間概念上的數(shù)據(jù)趨同。

所以在測站考證時(shí)，既要縱向比較單站水位序列是否連續(xù)，又要橫向比較測站間是否準(zhǔn)確采用了相同的絕對基面。充分考慮單站水位資料序列的連續(xù)性和正確采用絕對基面以保證絕對高程基準(zhǔn)的一致性，便是測站考證應(yīng)當(dāng)遵循的兩個(gè)基本原則，連續(xù)性與一致性缺一不可，二者不可偏廢。

單站考證時(shí)，連續(xù)性重點(diǎn)應(yīng)放在基本水準(zhǔn)點(diǎn)的高程變化有無影響到凍結(jié)基面的位置穩(wěn)定；一致性重點(diǎn)應(yīng)放在考證基本水準(zhǔn)點(diǎn)絕對高程或基面改正數(shù)是否正確。

五、考證注意事項(xiàng)

如何正確使用凍結(jié)基面是測站考證首要面對的問題，在考證時(shí)，往往由于凍結(jié)基面概念不清或混淆，可能會產(chǎn)生許多不應(yīng)該出現(xiàn)的不當(dāng)關(guān)聯(lián)，以致測站考證出現(xiàn)偏差甚至錯(cuò)誤，因而有必要圍繞凍結(jié)基面分清以下幾點(diǎn)：

（1）基面凍結(jié)不是地面凍結(jié)。地面上升或沉降是受到人為和自然綜合因素影響而產(chǎn)生的，它不可能帶動凍結(jié)基面位置上下變動。就一些存在地面沉降現(xiàn)象的測站而言，不論當(dāng)前已經(jīng)發(fā)生的地面沉降是均勻沉降還是非均勻沉降，它改變的僅僅是地面自身及其附著物包括各種水準(zhǔn)點(diǎn)的高程，絕對不應(yīng)該也不可能影響到凍結(jié)基面的位置。所以，在基本水準(zhǔn)點(diǎn)同樣有下沉跡象且其凍結(jié)高程還無從重新確定的情況下，利用屬于引用下沉后的國家水準(zhǔn)點(diǎn)新高程的水準(zhǔn)接測成果配合基本水準(zhǔn)點(diǎn)舊的凍結(jié)高程來重新計(jì)算基面改正數(shù)就會影響到凍結(jié)基面的位置穩(wěn)定，這種計(jì)算方法等于是重新“凍結(jié)”了一次測站原用的凍結(jié)基面，改變了凍結(jié)基面的位置，明顯屬于錯(cuò)誤，是不可取的。用絕對基面間的理論基面差作為控制，發(fā)現(xiàn)有些測站在首次使用85基準(zhǔn)基面時(shí)計(jì)算的基面改正數(shù)與其他站分析比較后存在明顯異常，可能就是這種原因造成的，應(yīng)該予以糾正。

（2）凍結(jié)基面位置盡管采用基本水準(zhǔn)點(diǎn)凍結(jié)高程來標(biāo)定，但凍結(jié)基面決不代表基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程被凍結(jié)?；舅疁?zhǔn)點(diǎn)如發(fā)生位置變動或滅失，不會引起凍結(jié)基面位置的任何變化，充其量在重新找回凍結(jié)基面的準(zhǔn)確位置即確定新的基本水準(zhǔn)點(diǎn)的凍結(jié)高程時(shí)會出現(xiàn)一些麻煩。

（3）基面凍結(jié)不是基面改正數(shù)一成不變。基面改正數(shù)是隨著絕對基面變化而變化的。絕對基面變化包括兩種情況，一種是絕對基面間的變換，從采用一個(gè)絕對基面到采用另一個(gè)絕對基面來表示基本水準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)高程時(shí)，基面改正數(shù)是要隨著變換的；另一種是同一絕對基面的高程系統(tǒng)重新復(fù)測平差，高程數(shù)據(jù)有所更新，水準(zhǔn)接測后就要重新計(jì)算基面改正數(shù)。

值得注意的是，單純地重新計(jì)算基面改正數(shù)的前提應(yīng)是國家水準(zhǔn)點(diǎn)和基本水準(zhǔn)點(diǎn)的位置均未發(fā)生變化，否則直接重新計(jì)算出來的基面改正數(shù)就包含了基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程的變化量，其后果就會影響到凍結(jié)基面的穩(wěn)定，同時(shí)舊引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)高程的變化量也會掩蓋水準(zhǔn)網(wǎng)精度的提高，使得重新計(jì)算基面改正數(shù)失去應(yīng)有的價(jià)值。

如何在地面下沉引起舊引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)和基本水準(zhǔn)點(diǎn)的位置均產(chǎn)生變化的情況下，應(yīng)用最新的國家水準(zhǔn)點(diǎn)高程數(shù)據(jù)及最新的水準(zhǔn)測量成果來計(jì)算或復(fù)核基面改正數(shù)，這便屬于在充分了解與測站考證相關(guān)聯(lián)的基本概念以后，在實(shí)際工作中所要面臨，進(jìn)而需要探討、解決的核心問題即考證技術(shù)問題