水位資料考證及水位訂正方法淺析

趙邦棟 孟令鵬 邱福瓊

（作者單位：1. 江蘇省水文水資源勘測局泰州分局 225300 2. 江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局 223600）

在整編水位資料時，要對測站采用基面和水準(zhǔn)點進行考證，以保證水位資料基礎(chǔ)性作用不受影響。目前，水位資料考證問題還比較突出，考證方法離標(biāo)準(zhǔn)化要求還存在一定差距。為配合水文測站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，本文將通過系統(tǒng)歸納對分類考證技術(shù)進行總結(jié)，并對水位考證發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題后開展水位訂正作簡要舉例說明。

一、相關(guān)概念

1.絕對基面、凍結(jié)基面

基面是高程測量起始面，也是水位起算面。水文測站使用基面分絕對基面和凍結(jié)基面兩種。絕對基面是以某瀕海測站平均海面為基準(zhǔn)并將其高程人為規(guī)定為零的水準(zhǔn)面，一般根據(jù)驗潮站潮位資料分析確定且由一水準(zhǔn)原點絕對高程標(biāo)定。在我國絕對基面比較多，其中“廢黃河口”基面出現(xiàn)早，“56 黃海”基面是第一個全國統(tǒng)一使用的絕對基面，“85 基準(zhǔn)”基面是更新后的全國統(tǒng)一絕對基面。絕對基面確定后位置不應(yīng)再變，但遠離水準(zhǔn)原點地區(qū)的國家水準(zhǔn)點高程是通過水準(zhǔn)網(wǎng)聯(lián)測、平差而定，當(dāng)中許多因素影響確定水準(zhǔn)點高程，綜合因素具有隨機性，會形成偶然誤差。而凍結(jié)基面則是測站首次觀測水位使用的基面，只是將其固定下來，供以后長期使用。凍結(jié)基面關(guān)鍵在凍結(jié)，主要強調(diào)穩(wěn)定。

2.基面改正數(shù)、考證原則

凍結(jié)基面與絕對基面間的變換由基面改正數(shù)來實現(xiàn)。如測站附近有國家水準(zhǔn)點，經(jīng)過水準(zhǔn)接測，可確定該站基本水準(zhǔn)點絕對高程，它與基本點凍結(jié)高程關(guān)系是：

基面改正數(shù)指明了凍結(jié)基面與絕對基面之間的相對距離。絕對基面位置受到高程系統(tǒng)維護、更新影響，存在偶然誤差，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)也會基于偶然誤差隨著變動，以體現(xiàn)絕對基面位置精度的提高。

測站采用凍結(jié)基面與絕對基面計量水位，能夠使得水位數(shù)據(jù)從不同角度滿足資料統(tǒng)一性要求。單站水位觀測記載要求體現(xiàn)水位序列的連續(xù)特征；而在某一區(qū)域范圍內(nèi)，各站水位相互對比時，絕對基面的應(yīng)用必須保持一致。連續(xù)性與一致性，便是考證應(yīng)當(dāng)遵循的兩個基本原則。

二、分類考證法

測站一般采用多個絕對基面，分類考證法要求絕對基面換算關(guān)系明確，據(jù)此方能對測站原有的基面改正數(shù)逐一進行驗算進而重新計算。

1.絕對基面換算關(guān)系

老舊水準(zhǔn)點所在高程系統(tǒng)一直未更新，現(xiàn)在引據(jù)點僅有“85 基準(zhǔn)”高程，考察基本水準(zhǔn)點高程變化，應(yīng)設(shè)法找到新舊絕對基面間的換算關(guān)系。

“85 基準(zhǔn)”與“56 黃海”這兩種基面均標(biāo)注在同一水準(zhǔn)原點上，關(guān)系明了。而其他絕對基面與它們之間還缺乏統(tǒng)一聯(lián)測，但從測繪部門公布的里下河地區(qū)部分三等水準(zhǔn)成果中，可分析確實興化站所在區(qū)域三種基面高程換算關(guān)系如下：

2.基面改正數(shù)檢驗

一個測站只有一個凍結(jié)基面，因有多個絕對基面，便有多個基面改正數(shù)。比較同一水準(zhǔn)點不同絕對高程差值與對應(yīng)基面換算值，可檢驗基面改正數(shù)。

經(jīng)過比較，興化各站“廢黃河口”與“56 黃?！被婢嚯x均在基面差0.143m 附近，且變幅小。但是與“85基準(zhǔn)”基面改正數(shù)相比發(fā)現(xiàn)4 個站基面距離偏差較大，如唐子站，基面距離與換算值相差超過0.10m，難以用一般誤差解釋。

3.基面改正數(shù)分析

考證基面改正數(shù)，除采用最新且有效的水準(zhǔn)成果計算基本水準(zhǔn)點絕對高程外，主要是根據(jù)考證時所面臨的實際情況分類確定凍結(jié)高程。為說明問題，可將基面改正數(shù)分解成“面差”和“誤差”兩項?！懊娌睢北砻鹘^對基面與凍結(jié)基面距離，解決建站初期使用假定基面合理性問題；“誤差”則是高程系統(tǒng)在復(fù)測平差后絕對高程微調(diào)。

通過分項可以區(qū)分基本點自身變動與國家水準(zhǔn)網(wǎng)更新所形成的不同影響。確定基本點凍結(jié)高程應(yīng)無外乎四類情形：

情形一：測站基本點未變動且高程系統(tǒng)未更新。顯然，基本水準(zhǔn)點高程與基面改正數(shù)毋須變更。

情形二：僅有基本點自身變動?！懊娌睢迸c“誤差”均不受影響，基面改正數(shù)保持不變，用“新測絕對高程-基面改正數(shù)”重算基本點凍結(jié)高程。

情形三：僅是更新了高程系統(tǒng)。此時，“誤差”應(yīng)跟著微調(diào)，但“面差”不動，基本點凍結(jié)高程不變，采用“新測絕對高程-凍結(jié)高程”重算基面改正數(shù)。有些地區(qū)不做微調(diào)，忽略精度提高。如調(diào)整幅度較大，可能意味著基本點已經(jīng)變動，基本點有無明顯變動的判別標(biāo)準(zhǔn)宜以水準(zhǔn)復(fù)測結(jié)果有無超限為準(zhǔn)。

情形四：基本點發(fā)生變動，高程系統(tǒng)亦產(chǎn)生更新。應(yīng)對比基本點變動幅度與復(fù)測平差誤差，著重主導(dǎo)因素，忽略次要因素。如基本點變動幅度大于測量誤差，歸于二類；反之則歸于三類。不提倡疊加處理。

表1 基本點絕對高程計算表

表2 基本點凍結(jié)高程計算表

表3 基面改正數(shù)計算表

三、水位考證舉例

興化站區(qū)位于蘇北里下河，共有7 個基本站，因前期考證欠妥，水系上下游關(guān)系有些錯亂。

1.考證面臨問題

興化各站考證面臨的主要問題有：（1）地面不均勻沉降，基本點高程不同程度變??；（2）老舊引據(jù)點無新高程數(shù)據(jù)，下沉量一步難求；（3）部分站“85基準(zhǔn)”基面改正數(shù)需重算。但已具備有效考證必要條件：引據(jù)點均有最新“85 基準(zhǔn)”高程且水準(zhǔn)成果可信。

2.絕對高程同步與凍結(jié)高程修正

興化各站基本點隨地面沉降已明顯變動，高程系統(tǒng)已更新，基本點凍結(jié)高程計算對應(yīng)第四類情形，水準(zhǔn)點變動幅度大從而忽略復(fù)測平差精度提高。由水準(zhǔn)成果求得基本點“85 基準(zhǔn)”高程，再換算出舊基面高程，與原測高程同列于表1。用基本點同一基面原測高程減去新測高程可計算基本點下沉量，以此修正凍結(jié)高程如表2。

3.基面改正數(shù)計算

興化各站基本點高程確定后，應(yīng)用（1）式可重算基面改正數(shù)，如表3。對比新舊“85 基準(zhǔn)”基面改正數(shù)，有4站相差0.020m以上，現(xiàn)已統(tǒng)一改用新值。

四、水位訂正舉例

基本水準(zhǔn)點是測站水位觀測的依據(jù)，水位考證后，應(yīng)確定基本點錯誤高程影響范圍，按照其高程變化特點，合理訂正受影響的水位數(shù)據(jù)。

1.訂正思路

經(jīng)過考證，興化各站基面改正數(shù)及基本點凍結(jié)高程均已修正。訂正近期水位，常態(tài)水流下，上下游關(guān)系基本理順。但為保證水位序列正確與連續(xù)，有必要對往年水位數(shù)據(jù)提出合理、可行的訂正方案。

水位訂正主要依賴基本水準(zhǔn)點高程變化過程，在探求訂正方案時，需要依據(jù)此過程的變化特征劃分時間段，分別擬定水位訂正方法。

不過在興化境內(nèi)，地面沉降現(xiàn)象發(fā)展過程大體一致，且地質(zhì)結(jié)構(gòu)差異不明顯，方案可做些簡化，所以興化7 個測站可統(tǒng)一訂正時間段的劃分。

2.時段劃分

經(jīng)調(diào)查，興化地下水開發(fā)利用主要出現(xiàn)在二十世紀(jì)八、九十年代。此后，規(guī)模逐步得到控制，至本世紀(jì)初，新增井很少，地面下沉趨于平穩(wěn)。

對比部分國家水準(zhǔn)點不同時期高程數(shù)據(jù)易發(fā)現(xiàn)：興化境內(nèi)地面沉降現(xiàn)象僅發(fā)生于二十世紀(jì)八、九十年代（代表時間節(jié)點為1991年）至本世紀(jì)初（2005年）這段時間，因此受影響的水位則可按以下時段訂正：1991年以前，地下水未開采，地面未沉降；1991～2005年，隨著地下水開發(fā)利用，地面緩慢沉降；2006年以后，地面穩(wěn)定，不再沉降。

3.歷年水位訂正量計算

確定一測站某一年水位訂正量，要計算該站基本點在這一年內(nèi)高程變動（下沉量）均值，然后再加上前期高程累計變化量。

計算各站水位訂正量依靠基本點下沉量，但有些站基本點不止1 個且下沉不一，在選用基本點時需明確要求：首先應(yīng)保存完好且一直在用；其次是存續(xù)時間長，其跨度能包含地面下沉階段。

按照地面沉降特征，對應(yīng)三個時段，可擬出興化各站歷年水位訂正方案：1991年前，因地面未沉降，故水位不訂正；1991～2005 共15年，地面緩慢沉降，基本點高程隨著地面沉降近似呈線性變化（缺乏細(xì)化依據(jù)，且過分細(xì)化無實際意義），首年即1991年水位訂正量取基本點下沉量1/30，以體現(xiàn)該年份內(nèi)沉降變化的平均水平（年中沉降量），1992年起訂正量逐年增加1/15，直至2005年；2006年以后，地面穩(wěn)定，取基本點下沉量作為每年水位訂正量。

五、結(jié)語

水位資料考證時，只要理清概念，掌握原則，將工作重點放在分析、計算基面改正數(shù)上，仔細(xì)區(qū)分四類情形，考證工作就會取得較好成效。水位訂正是一項必不可少的工作，要提高水位訂正精度，還應(yīng)從廣泛收集資料、弄清楚影響因素、分析水位特殊變化過程等方面開展工作■