高低潮法水位傳遞高程方法及可靠性分析

楊帆 李廣強

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 廣東廣州 510230；2．江西地星科技有限公司 江西南昌 330096）

1 引言

高程基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性在水工項目中意義十分重大，如果項目設(shè)計高程基準(zhǔn)偏低，則有可能造成主體工程被海水淹沒，導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。如果項目高程設(shè)計偏高，則大大增加土石方的方量，進(jìn)而大大增加工程成本。因此，高程基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性對一個項目而言十分重要。

在海洋測繪中，部分海島距離大陸較遠(yuǎn)，周圍沒有國家水準(zhǔn)控制點，而且沿海區(qū)域高程異常變化無規(guī)律可循，無法應(yīng)用常規(guī)的陸地高程測量方法[1]。常規(guī)海域高程基準(zhǔn)的傳遞主要有三種實施方法：三角高程測量法受通視條件、垂直折光差和照準(zhǔn)誤差等影響，無法進(jìn)行長距離傳遞高程；GPS水準(zhǔn)法則由于高程異常模型難以確定，在實施過程中難以實現(xiàn)；而高低潮法可以利用開闊海水面?zhèn)鬟f高程，成為一種切實有效的方法。水工項目中對高程控制點精度的要求一般規(guī)定需滿足四等水準(zhǔn)測量規(guī)范要求[2]。

下面就肯尼亞某工程項目的實際測量案例，總結(jié)實施過程中的方法經(jīng)驗，闡述高低潮法的原理和前提條件，最后對實例工程進(jìn)行精度評定。

2 潮汐性質(zhì)

海水在太陽和月球引潮力的作用下引起的海面周期性的升降、漲落與進(jìn)退，稱海洋潮汐。在潮汐過程中，海面上升到最高位置時，稱為高潮；在潮汐過程中，海面下降到最低位置時，稱為低潮。高潮（低潮）前后短時間內(nèi)海水處于不升也不降的平衡狀態(tài)，稱為高（低）平潮。

根據(jù)潮汐周期又可以分為三類：半日潮、全日潮、混合潮。半日潮型：一個太陽日內(nèi)出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮，前一次高潮和低潮的潮差與后一次高潮和低潮的潮差大致相同，漲潮過程和落潮過程的時間也幾乎相等；全日潮型：一個太陽日內(nèi)只有一次高潮和一次低潮；混合潮型：一月內(nèi)有些日子出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮，但兩次高潮和低潮的潮差相差較大，漲潮過程和落潮過程的時間也不等，而另一些日子則出現(xiàn)一次高潮和一次低潮[3]。

3 高低潮法水位傳遞原理方法

高低潮法水位傳遞原理是利用高、低平潮期間水位利用海平面進(jìn)行水尺間的高程傳遞。分別利用高平潮水位觀測數(shù)據(jù)和低平潮水位觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)已知水尺零點的高程通過計算平差得到未知水尺水點零點高程。該方法適用于海區(qū)潮汐性質(zhì)和潮時相同地區(qū)，觀測日期最好選在大潮汛，觀測期間，風(fēng)浪要小，一般風(fēng)力小于4級風(fēng)，浪高小于0.3米[4]。

圖1 水位高程傳遞示意圖

具體實施方法如圖1所示，陸域高程控制點BM1的高程值為H1，SC1零點高程可通過與高程控制點BM1進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測得到觀測高差h1，同時，將孤島區(qū)域SC2的零點高程與新埋設(shè)的高程控制點BM2進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測得到觀測高差h2。然后，選擇風(fēng)浪條件好、大潮汛時間段內(nèi)進(jìn)行水位觀測獲得SC1和SC2水尺的高、低平潮的數(shù)據(jù)，并平差計算得出SC1零點高程和SC2零點高程之間的高差Δh。由于陸地BM1高程已知，則待定點BM2高程H2可以根據(jù)公式1得出。

根據(jù)現(xiàn)行《水運工程測量規(guī)范》，采用高低潮法，應(yīng)以各組高低平潮平均值推算高差的平均值作為傳遞高差值；觀測時間間隔和各組高低平潮平均值推算高差互差應(yīng)滿足表1的規(guī)定。

表1 高低潮法觀測時間間隔和推算高差互限限差

4 工程案例

4.1 工程背景

肯尼亞某工程項目位于肯尼亞港口城市蒙巴薩市，為滿足規(guī)劃設(shè)計階段測量的需要，需要在該區(qū)域測設(shè)平面及高程控制點以滿足勘測及后續(xù)階段測量要求。

圖2 項目控制點及水尺位置示意圖

如圖2所示，BM1為已知高程控制點，位于蒙巴薩港西南區(qū)域，由于港區(qū)已知控制點和孤島新埋設(shè)的控制點BM2隔海相望，且控制點BM1與控制點BM2相距約2.4公里，兩控制點被海峽分隔，且兩點相距較遠(yuǎn)。因此，傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量和三角測量無法實施，這時待測控制點高程與已有控制點高程之間可采用高低潮法進(jìn)行跨水面高程測量。

4.2 水位站布設(shè)

如圖4-2所示，設(shè)立SC1和SC2用來觀測高低潮水位高程，其中SC1設(shè)立采用懸垂式水尺，位于蒙巴薩港碼頭西南角，用帶重錘的卷尺測量水面距離水尺的高差，記錄水尺位置到水面的高差。則水位=水尺高程-高差，示意圖如圖3所示。

圖3 懸垂式水尺

SC2設(shè)立采用直立式水尺，位于孤島區(qū)域的海邊，用帶有刻度的水尺片直立綁定在預(yù)制的木樁塔架上，記錄水尺讀數(shù)，水位=水尺高程+水尺讀數(shù)，示意圖如圖4所示。

圖4 直立式水尺

4.3 數(shù)據(jù)分析及評價

SC1零點高程采用電子水準(zhǔn)儀按照四等水準(zhǔn)測量法與控制點BM1進(jìn)行聯(lián)測得到BM1與SC1的高差h1，其中，BM1的高程值H1=7.628m，BM1到SC1的高差為h1=0.028m，則SC1零點高程H2=7.656m。同理，SC2零點高程與新埋設(shè)控制點BM2進(jìn)行聯(lián)測得到BM2與SC2的高差h2=13.065m。SC1零點高程與SC2零點高程之間的關(guān)系示意圖如圖5所示。

水位觀測從2015年12月18日至2015年12月21日，同時對SC1和SC2觀測高潮和低潮水位。觀測時應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)爻毕A(yù)報表，在高潮或低潮前1小時前開始觀測，至落潮或漲潮時觀測停止，同時檢查各高潮或低潮觀測數(shù)據(jù)之間的互差，當(dāng)兩者互差超限時，應(yīng)查明原因，予以重測。

圖5 SC1零點與SC2零點關(guān)系示意圖

表2 高低潮水位觀測表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，可以計算得出水尺差值平均值H：

其中H1、H2、H3及H4是每次潮差水尺差值，見表2.

則SC2零點高程=SC1零點高程+高差（H）=

每對高低平潮觀測的中誤差：

高差中誤差：

根據(jù)四等水準(zhǔn)測量規(guī)范可知，我們按照四等水準(zhǔn)測量要求，水尺間相距距離為2.4公里，高差限差根據(jù)公式

注：（6）式中R是附合或環(huán)線路線長度，這里我們?nèi)≈本€距離最小值為2.4公里。

根據(jù)（5）式和（6）式比較：

由（7）式可知高低潮水位傳遞法高差中誤差滿足規(guī)范中對四等水準(zhǔn)測量的限差要求，成果可靠。

同時，我們還對所有埋設(shè)控制點進(jìn)行GPS靜態(tài)觀測，并使用Trimble公司TBC軟件進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)解算，得出GPS控制網(wǎng)平差解算報告。在本報告中，擬合解算得出的待定點BM2高程值與水位傳遞高程結(jié)果相差較小，差值為1.3cm，這也映證了水位傳遞高程這一方法的可靠性和實用性。在某些跨江、跨海等地區(qū)，當(dāng)傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量難以實施時，可以選擇使用該方法。

5 結(jié)論

通過上述計算分析可以得出以下幾點結(jié)論：

（1）水位傳遞高程方法實施起來比較容易，計算簡便，成果精度滿足工程規(guī)范要求；

（2）水位傳遞高程方法適用于潮汐性質(zhì)相同，最佳觀測時間是大潮汛期間，該時間段內(nèi)高低平潮時間較長，有利于觀測；

（3）在風(fēng)浪較大地區(qū)，建議采用自動驗潮儀進(jìn)行水位觀測，避免人工讀數(shù)造成誤差太大。