凍結(jié)基面的理論闡述

劉亞文 冉四清 朱振華 周佳華

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局連云港分局 連云港 222004）

1 凍結(jié)基面的由來

1955年修訂水位觀測(cè)規(guī)范時(shí)，采取了將首次測(cè)量的水準(zhǔn)點(diǎn)高程數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的基面加以凍結(jié)的辦法，每次重復(fù)測(cè)量和平差后，只記載并刊布與首次數(shù)據(jù)間的差值，不再需要更動(dòng)已往的數(shù)據(jù)。1959年修訂規(guī)范時(shí)，確定其名稱為凍結(jié)基面，即將基本水準(zhǔn)點(diǎn)首次高程數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的基面固定下來。實(shí)為測(cè)站所獨(dú)有的基面，與絕對(duì)基面接近，但其差值每站不同。

2 凍結(jié)基面的作用和意義

通過凍結(jié)測(cè)站第一次使用的高程起算面，并保持其連續(xù)性，從而避免頻繁更換基面以及同一基面重復(fù)測(cè)量和平差等對(duì)測(cè)站高程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響。在測(cè)站存續(xù)期間，水位系列數(shù)據(jù)基面一致，是單站資料可比較分析的基石。

創(chuàng)設(shè)凍結(jié)基面，為保持單站基面一致性和連續(xù)性提供了理論基礎(chǔ)，且在水文考證實(shí)踐中具備可操作性，是20世紀(jì)50年代末中國(guó)水文學(xué)界對(duì)單站水位基面一致性理論研究的重大突破、重大貢獻(xiàn)。

3 凍結(jié)基面的概念

理論上凍結(jié)基面的概念是：水文測(cè)站將第一次使用的高程起算面凍結(jié)下來，作為凍結(jié)基面。具體應(yīng)用時(shí)，凍結(jié)基面總是與具體的測(cè)站相聯(lián)系。水準(zhǔn)考證具體工作中所涉及的凍結(jié)基面一般都是指“本站凍結(jié)基面”。

水文行業(yè)規(guī)范條款的凍結(jié)基面的概念是：測(cè)站應(yīng)將第一次使用的基面凍結(jié)下來，作為凍結(jié)基面，見《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010，3.1.1）。

第一次使用的基面隱含著點(diǎn)、高程和基面三個(gè)要素，三位一體。點(diǎn)是指初測(cè)時(shí)的基本水準(zhǔn)點(diǎn)，其核心含義是初測(cè)時(shí)的基本水準(zhǔn)點(diǎn)的物理位置；高程是指初測(cè)時(shí)引測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)后計(jì)算而得的本站基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程值，該高程值與理論真值之間存在一個(gè)差值，就是初次測(cè)量的真誤差；該高程值對(duì)應(yīng)的起算面就是本站第一次使用的基面；將第一次使用的基面凍結(jié)下來，阻止其流動(dòng)或變動(dòng)，稱為本站凍結(jié)基面。

4 凍結(jié)基面的基本原理

在測(cè)站存續(xù)期間，凍結(jié)基面不變，作為測(cè)站高程坐標(biāo)的零軸線，始終與本站第一次使用的高程起算面重合，保障測(cè)站高程基面的一致性和連續(xù)性。

凍結(jié)基面是看不見摸不著的客觀存在的高程起算面，它依賴于初測(cè)時(shí)基本水準(zhǔn)點(diǎn)的物理位置及其高程數(shù)值標(biāo)定位置，在基本水準(zhǔn)點(diǎn)位置、高程和基面三者之間，基面是被凍結(jié)的，其他二者可以隨著時(shí)間進(jìn)程在一定外力條件下發(fā)生改變。

凍結(jié)基面的基本原理也可用圖示法表示。絕大多數(shù)測(cè)站的基本水準(zhǔn)點(diǎn)都是穩(wěn)定的，在測(cè)站存續(xù)期間其高程是無變動(dòng)的，見圖1；個(gè)別測(cè)站的基本水準(zhǔn)點(diǎn)不穩(wěn)定，在測(cè)站存續(xù)期間其高程是變化的，見圖2。

5 凍結(jié)基面的特點(diǎn)

5.1 行業(yè)專用及強(qiáng)制性使用特點(diǎn)

凍結(jié)基面是水文行業(yè)的專用基面，對(duì)行業(yè)內(nèi)具有約束力。在水文行業(yè)內(nèi)，所有已設(shè)測(cè)站均應(yīng)該使用專用基面。

5.2 獨(dú)有性特點(diǎn)

用引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)測(cè)站基本水準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量成果總是與理論真值之間存在一定誤差，雖然從海濱零點(diǎn)布網(wǎng)后的各等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量及水文測(cè)量均符合規(guī)范要求，且初設(shè)測(cè)站凍結(jié)基面與絕對(duì)基面之間改正數(shù)顯示為0.000m，但其實(shí)它隱含了初次測(cè)量的真誤差，特殊情況下，還可能隱含了初次測(cè)量的測(cè)算錯(cuò)誤。每個(gè)測(cè)站都獨(dú)立擁有本站的凍結(jié)基面。

5.3 唯一性特點(diǎn)

測(cè)站第一次使用的高程起算面被凍結(jié)以后，在測(cè)站存續(xù)期間應(yīng)是被持續(xù)凍結(jié)，永不解凍。

每個(gè)測(cè)站的凍結(jié)基面都是唯一的。同一個(gè)測(cè)站，在存續(xù)期間只擁有一個(gè)凍結(jié)基面。如果測(cè)站凍結(jié)基面改變了，則從其改變時(shí)起必須更名成為新的測(cè)站。

6 凍結(jié)基面的傳承

所謂凍結(jié)基面的傳承，是指凍結(jié)基面的傳遞和繼承，就是在本測(cè)站范圍內(nèi)接測(cè)凍結(jié)基面以上高程時(shí)的站內(nèi)測(cè)量，應(yīng)該以哪個(gè)點(diǎn)為引據(jù)的問題。

圖1 基本水準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定情況下凍結(jié)基面原理圖

凍結(jié)基面是測(cè)站的高程起算面，每個(gè)測(cè)站都是獨(dú)有的、唯一的，測(cè)站內(nèi)所有基本水準(zhǔn)點(diǎn)、校核水準(zhǔn)點(diǎn)、水尺零點(diǎn)、固定點(diǎn)等組成本站高程設(shè)施體系，并用它們相應(yīng)的高程數(shù)值標(biāo)定本站凍結(jié)基面所在。凍結(jié)基面一經(jīng)設(shè)立，為保持本站凍結(jié)基面高程系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只要測(cè)站高程體系設(shè)施一點(diǎn)尚存，則補(bǔ)充建設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)的高程引測(cè)、恢復(fù)建設(shè)高程體系中的滅失點(diǎn)的高程引測(cè)以及改動(dòng)個(gè)別點(diǎn)高程數(shù)值等等，必須使用測(cè)站高程設(shè)施體系中的確認(rèn)穩(wěn)固的尚存點(diǎn)作為引據(jù)點(diǎn)。即凍結(jié)基面只在本測(cè)站內(nèi)傳承，一般與站外高等級(jí)國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)無關(guān)。

凍結(jié)基面的傳承點(diǎn)一般從高等次到低等次排序，大致如下：

①在測(cè)站基本水準(zhǔn)點(diǎn)都完好穩(wěn)定的情況下，由基本水準(zhǔn)點(diǎn)（使用點(diǎn)）傳遞凍結(jié)基面。

②當(dāng)基本水準(zhǔn)點(diǎn)（使用點(diǎn)）滅失，由基本水準(zhǔn)點(diǎn)（參證點(diǎn)）選定一個(gè)并升格為新的基本水準(zhǔn)點(diǎn)（使用點(diǎn)）繼承和傳遞凍結(jié)基面。

③當(dāng)基本水準(zhǔn)點(diǎn)全部滅失，由校核水準(zhǔn)點(diǎn)（使用點(diǎn)）繼承和傳遞凍結(jié)基面。

④當(dāng)校核水準(zhǔn)點(diǎn)（使用點(diǎn)）也滅失，由其他校核點(diǎn)選定一個(gè)繼承和傳遞凍結(jié)基面。

⑤當(dāng)所有水準(zhǔn)點(diǎn)全部滅失，則本站水尺零點(diǎn)、固定點(diǎn)、固定樁等也可依序繼承和傳遞本站凍結(jié)基面。

出現(xiàn)以上③、④、⑤項(xiàng)情況時(shí)，宜重設(shè)基本水準(zhǔn)點(diǎn)，待其穩(wěn)定后，從傳承點(diǎn)引測(cè)（與平時(shí)引測(cè)方向相反）至新設(shè)基本水準(zhǔn)點(diǎn)，引測(cè)時(shí)應(yīng)該提高測(cè)量等次和精度要求。引測(cè)后，選定一個(gè)基本水準(zhǔn)點(diǎn)，作為本站基本水準(zhǔn)點(diǎn)（使用點(diǎn)），繼承和傳遞凍結(jié)基面。

⑥例外的情況是，當(dāng)測(cè)站附近地區(qū)因地下水超采等原因?qū)е聟^(qū)域地面下陷，本站所有水準(zhǔn)點(diǎn)、固定點(diǎn)等高程均發(fā)生均勻或不均勻沉降，則可以用距離本站較近的穩(wěn)固的引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)（影響區(qū)內(nèi)、外經(jīng)確認(rèn)穩(wěn)固的比如嵌入基巖的引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)，最好是曾用點(diǎn)）引測(cè)測(cè)站基本水準(zhǔn)點(diǎn)，確認(rèn)本站凍結(jié)基面所在。在此情況下，當(dāng)引測(cè)距離較遠(yuǎn)時(shí)，引測(cè)結(jié)果實(shí)際上對(duì)本測(cè)站來說只是近似凍結(jié)基面，因此應(yīng)該通過控制允差限制引測(cè)距離。

圖2 基本水準(zhǔn)點(diǎn)不穩(wěn)定情況下凍結(jié)基面原理圖

客觀地看，體系化、高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立測(cè)站基本水準(zhǔn)點(diǎn)極其重要。

⑦當(dāng)無法確認(rèn)本站凍結(jié)基面所在，測(cè)站凍結(jié)基面無法傳承時(shí)，而又需要在此處繼續(xù)觀測(cè)，則測(cè)站應(yīng)該更名，表示與原測(cè)站的區(qū)別。更名后，新測(cè)站將設(shè)立屬于本站的凍結(jié)基面。

7 凍結(jié)基面的維護(hù)

7.1 建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)基本水準(zhǔn)點(diǎn)并加以保護(hù)

測(cè)站基本水準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定了，就能保證測(cè)站凍結(jié)基面的穩(wěn)定。建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)基本水準(zhǔn)點(diǎn)尤其是嵌入基巖的水準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)維護(hù)凍結(jié)基面具有重要意義。

基本水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)形成自校系統(tǒng)，即具備3個(gè)點(diǎn)以上。

基本水準(zhǔn)點(diǎn)、校核水準(zhǔn)點(diǎn)以及其他高程設(shè)施，都要采取保護(hù)措施，防止人為破壞。

7.2 注重水準(zhǔn)測(cè)量和考證工作的科學(xué)性

7.2.1 水準(zhǔn)考證工作的重要性

水準(zhǔn)測(cè)量和考證是測(cè)站工作中的重要環(huán)節(jié)，科學(xué)的水準(zhǔn)測(cè)量和考證工作也是維護(hù)凍結(jié)基面的重要手段。

測(cè)站凍結(jié)基面一經(jīng)設(shè)立，就形成了本站獨(dú)立的自定義高程系統(tǒng)。維護(hù)凍結(jié)基面不變，是測(cè)站水準(zhǔn)考證工作的終極目標(biāo)。

有條件的測(cè)站，應(yīng)該將測(cè)站凍結(jié)基面與絕對(duì)基面相聯(lián)測(cè)，獲得正確的基面改正數(shù)，以便于測(cè)站資料在更廣泛區(qū)域的應(yīng)用。

7.2.2 站外測(cè)量及考證

站外測(cè)量及考證通常在以下幾種情況下開展：

①已設(shè)站當(dāng)引測(cè)條件具備情況下，初次引測(cè)國(guó)家基面（或者其他絕對(duì)基面）確定初始基面改正數(shù)。

②新設(shè)站時(shí)引測(cè)本站基本水準(zhǔn)點(diǎn)并賦予其初始使用高程值及確定初始基面改正數(shù)（0.000m）。

③絕對(duì)基面水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測(cè)和平差后，無法直接換算為本站基面改正數(shù)時(shí)，需重新引測(cè)確定基面改正數(shù)。

④變換絕對(duì)基面需重新確定基面改正數(shù)。

⑤規(guī)范規(guī)定的逢0或逢5年份復(fù)核基面改正數(shù)。

站外測(cè)量的起始點(diǎn)是國(guó)家基面（或者其他絕對(duì)基面）引據(jù)點(diǎn)，終端點(diǎn)是測(cè)站基本水準(zhǔn)點(diǎn)（使用點(diǎn)），不應(yīng)越級(jí)向下測(cè)量。這對(duì)保持凍結(jié)基面穩(wěn)定至關(guān)重要。

當(dāng)站外測(cè)量復(fù)測(cè)基面差值不理想時(shí)，應(yīng)圍繞以下五個(gè)可能的邏輯選項(xiàng)開展考證工作：

①原引據(jù)點(diǎn)在被引測(cè)時(shí)高程是否已變動(dòng)。

②原引測(cè)測(cè)算是否錯(cuò)誤。

③復(fù)測(cè)時(shí)引據(jù)點(diǎn)高程是否有變動(dòng)。

④復(fù)測(cè)測(cè)算是否有錯(cuò)誤。

⑤基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程是否因測(cè)站附近區(qū)域地面變動(dòng)而發(fā)生變動(dòng)。

也有可能是上述五個(gè)因素中兩個(gè)以上的復(fù)合原因造成的，需逐條考證清楚，并必須給出結(jié)論，不應(yīng)將明顯的不合理基面改正數(shù)（屬于水準(zhǔn)考證工作未完成狀態(tài)）付印于年鑒中。

7.2.3 站內(nèi)測(cè)量及考證

測(cè)站設(shè)立以后，在測(cè)站內(nèi)所有的測(cè)量都稱為站內(nèi)測(cè)量，其最高引據(jù)點(diǎn)為本站基本水準(zhǔn)點(diǎn)（使用點(diǎn)），且在測(cè)量中均使用凍結(jié)基面（或測(cè)站基面），而非絕對(duì)基面。站內(nèi)測(cè)量和考證的工作目標(biāo)是保證所有站內(nèi)水準(zhǔn)設(shè)施高程正確，以維護(hù)本站凍結(jié)基面穩(wěn)定。站內(nèi)測(cè)量以引據(jù)點(diǎn)分類大約分為兩類：

①以基本水準(zhǔn)點(diǎn)（使用點(diǎn)）為引據(jù)點(diǎn)引測(cè)基本點(diǎn)（參證點(diǎn)）高程、基本點(diǎn)自校測(cè)量、基本水準(zhǔn)點(diǎn)（使用點(diǎn)）引測(cè)校核點(diǎn)和校測(cè)校核點(diǎn)。

②以校核點(diǎn)為引據(jù)點(diǎn)引測(cè)和校測(cè)水尺零點(diǎn)高程及大斷面測(cè)量等。

在自校和校測(cè)測(cè)量時(shí)，如發(fā)現(xiàn)包括基本水準(zhǔn)點(diǎn)（使用點(diǎn)）在內(nèi)的水準(zhǔn)點(diǎn)個(gè)別點(diǎn)有變動(dòng)跡象，應(yīng)查明水準(zhǔn)點(diǎn)高程變動(dòng)的原因。

水準(zhǔn)點(diǎn)高程變動(dòng)的原因分為人為和自然原因兩種：

①人為原因：挖移、機(jī)械性碾壓、地下采礦引起塌方、地下水超采引起地面沉降、附著于水利、交通、航運(yùn)等主體工程之上的水準(zhǔn)點(diǎn)因所附著主體工程的地基沉降而沉降等。

②自然原因：凍土層上拔、地震、洪水、泥石流、巖體崩塌、巖溶地區(qū)局部地面坍塌等。

這里所說的原因是客觀的、真實(shí)存在和發(fā)生過的外力因素，不是僅僅根據(jù)測(cè)量成果臆測(cè)的“上升”或者“沉降”。在水準(zhǔn)考證時(shí)，不得將“上升”“沉降”等定性詞語填入“水準(zhǔn)點(diǎn)變動(dòng)原因”一欄。“上升”“沉降”不是水準(zhǔn)點(diǎn)變動(dòng)外力因素，而是外力因素導(dǎo)致水準(zhǔn)點(diǎn)變動(dòng)的結(jié)果?；煜蚬?，容易忽視對(duì)本質(zhì)原因的調(diào)查，嚴(yán)重的可能產(chǎn)生邏輯誤判，導(dǎo)致水準(zhǔn)點(diǎn)高程無因變動(dòng)，使凍結(jié)基面被人為解凍。

8 建議

測(cè)站基本水準(zhǔn)點(diǎn)是極為重要的水文測(cè)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)該滿足凍結(jié)基面不變的基本原理要求。從基面一致性方面考慮，其重要性應(yīng)不低于測(cè)流纜道、水位計(jì)臺(tái)等測(cè)驗(yàn)設(shè)施。

基于測(cè)站基本水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)施的重要性，建議其建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高：①測(cè)站基本水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)形成自校體系，即必須具備3個(gè)點(diǎn)以上，形成同等級(jí)基本水準(zhǔn)點(diǎn)自校體系，通過自校測(cè)量，實(shí)現(xiàn)維護(hù)凍結(jié)基面的目的。②測(cè)站基本水準(zhǔn)點(diǎn)的基礎(chǔ)應(yīng)力求穩(wěn)固，測(cè)站應(yīng)把基本水準(zhǔn)點(diǎn)的基礎(chǔ)嵌入穩(wěn)固基巖或建設(shè)在深厚堅(jiān)硬持力層上。測(cè)站基巖埋深較淺，應(yīng)將測(cè)站基本水準(zhǔn)點(diǎn)基礎(chǔ)嵌入穩(wěn)固基巖；如果測(cè)站基巖埋深太深，也應(yīng)將基本水準(zhǔn)點(diǎn)的基礎(chǔ)建設(shè)于可能受地下水降落漏斗影響深度范圍之下的深厚堅(jiān)硬持力層上■