同步期平均海面高程測量

李杰方

（廣東邦鑫數(shù)據(jù)科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

水深測量中，根據(jù)從測深儀獲取的實時自然水深數(shù)據(jù)，結(jié)合潮位數(shù)據(jù)得到目標(biāo)基準(zhǔn)面下的水深值，潮位作為水深測量改正的一個重要數(shù)據(jù)，影響著水深的準(zhǔn)確性。當(dāng)前，常用的長距離跨海高程傳遞方法主要有GPS高程法、靜力水準(zhǔn)法、人工驗潮法等。GPS高程法得到的是大地高，大部分區(qū)域難以收集似大地水準(zhǔn)面精化模型成果；靜力水準(zhǔn)法只能應(yīng)用于離大陸附近島嶼的高程傳遞，技術(shù)難度大且成本較高；人工驗潮法又因為大部分外海海域無布置驗潮站的合適位置，即使有的話也缺少起算水準(zhǔn)資料。在近岸水深測量時，目前常用的方法是在靠近陸域海岸的穩(wěn)固建構(gòu)筑物上布設(shè)驗潮工作點，通過自記水位計或人工驗潮方式獲取潮位數(shù)據(jù)，獲得水深的潮位改正數(shù)。而在沿海、外海，絕大部分海域無固定位置布設(shè)臨時驗潮站，加之潮時差的影響，僅靠陸域海岸的潮位數(shù)據(jù)是不科學(xué)的，難以準(zhǔn)確獲取目標(biāo)基準(zhǔn)面下的水深值。因此，在難以傳遞高程或無條件布設(shè)驗潮工作點的海域，潮位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取是水深測量的重點難點問題。在實際工作中，往往作業(yè)時間短于潮位同步觀測所需時間，測量單位極少采用同步期平均海面法來傳遞高程，對其可行性也較少評定。

1 同步期平均海面法高程傳遞原理

同步期平均海平面法高程傳遞是在潮汐性質(zhì)相同的兩個區(qū)域設(shè)立臨時驗潮站，此兩個區(qū)域的日平均海平面差值較小，不同時間段具有相同的變化規(guī)律。《水運工程測量規(guī)范》對于跨水面高程測量規(guī)定：在10~50 km的距離采用同步期平均海面法，應(yīng)以同步期平均海面推算高程作為傳遞高程值，其連續(xù)觀測時間為不少于7天，觀測時間段為高低平潮前、后半小時，時間間隔為10 min。

自記水位計需要固定安裝，記錄海水密度、壓力等因素，換算成換能器底部至水面的距離。陸域側(cè)自記水位計的底部高程根據(jù)已知水準(zhǔn)點按四等及以上等級要求引測至臨時驗潮站，根據(jù)瞬時水面至臨時驗潮站的距離及同時刻自記水位計讀數(shù)推算自記水位計底部標(biāo)高。采用自記水位計同步連續(xù)記錄陸域及外海兩個區(qū)域不少于7天的數(shù)據(jù)，根據(jù)日平均海平面近似相等的原理，結(jié)合自記水位計記錄的不少于7天平均數(shù)據(jù)，推算出外海自記水位計底部高程，從而完成跨海高程傳遞。

如下圖1所示，利用不少于7天的平均海平面近似相等原理，假設(shè)水準(zhǔn)點高程為HBM1，水準(zhǔn)點至陸域側(cè)驗潮工作點的高差為a，驗潮工作點至陸域側(cè)水位計底部的距離為△H，陸域側(cè)水位計底部至海面在不少于7天的平均讀數(shù)為?，故：

圖1 同步期平均海平面法高程傳遞示意圖

根據(jù)外海自記水位計底部高程結(jié)合測量期間自記水位計讀數(shù)，可推算出測量期間的潮位數(shù)據(jù)，如果外海有固定驗潮工作點，可推算出驗潮工作點的高程。

2 同步期平均海面法應(yīng)用案例

2.1 項目背景

以本公司2021年3月實施的遼寧錦州港航道改擴建項目為例，該項目內(nèi)航道位于錦州港與葫蘆島間，外航道周圍無碼頭島嶼，航道全長約48 km，需進行水深測量為疏浚提供參考數(shù)據(jù)。采用多波束測深系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，測深系統(tǒng)是目前精度最高的一種，因此，驗潮工作點的布設(shè)位置及潮位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性在水深測量中起著至關(guān)重要的作用。從收集的資料顯示，該海域?qū)僖?guī)則半日潮，外航道約41 km且無條件布設(shè)驗潮工作點，加之潮時差，陸域側(cè)的潮位數(shù)據(jù)不能直接用作外航道的水深改正，潮位數(shù)據(jù)的獲取成為本項目的重點難點問題。

2.2 驗潮工作點布設(shè)、潮位數(shù)據(jù)獲取

本著適用、經(jīng)濟、準(zhǔn)確、可靠的原則，在錦州港固定式碼頭設(shè)立驗潮工作點CW01、CW02， 葫蘆島固定式碼頭設(shè)立驗潮工作點CW03，同時在附近埋設(shè)工作水準(zhǔn)點；外航道在K25+500及K42+000處設(shè)立2個臨時驗潮工作點CW04、CW05。點位分布均勻，涵蓋測區(qū)。

圖2 驗潮工作點布設(shè)

作業(yè)前，對已知三等水準(zhǔn)點按附合水準(zhǔn)路線進行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果如下表1所示，檢測高差較差均小于允許限值，滿足規(guī)范要求。以靠近驗潮工作點的水準(zhǔn)點JL、BM02作為起算點，采用電子水準(zhǔn)儀按四等水準(zhǔn)觀測技術(shù)要求測量水準(zhǔn)點與驗潮工作點CW01、CW02、CW03之間的高差，推算出各個驗潮工作點的高程HA、HB、HC。觀測前各項精度指標(biāo)均按相應(yīng)的觀測等級輸入儀器，超限時自動發(fā)出警告，保證作業(yè)過程的符合性。

表1 已知水準(zhǔn)點復(fù)核結(jié)果 單位：m

陸域驗潮工作點采用自記水位計記錄，時間間隔設(shè)置為10 min，用2 cm粗繩下掛15 kg鉛墜，垂直下放至海底，水位計懸掛于鉛塊上方50 cm處，確保在最低潮時自記水位計不漏出水面。分別量取驗潮工作點至水位計底部的垂直距離L1、L2、L3，獲取CW01、CW02、CW03處自記水位計底部高程H1、H2、H3，根據(jù)自記水位計實時讀數(shù)a1、a2、a3，得到實時潮位數(shù)據(jù)C1、C2、C3，同時以人工驗潮的方式進行驗證。以CW01站為例，H1=HA-L1，C1=H1+a1，同時采取人工吊皮尺的驗潮方式予以驗證，最大差值為3 cm，平均差值為1.2 cm，此方式獲取的潮位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。根據(jù)不少于7天的連續(xù)觀測獲取的潮位數(shù)據(jù)，取均值求取陸域各個驗潮工作點處的平均海平面高程M1、M2、M3。

外海驗潮工作點CW04、CW05為臨時驗潮站，把自記水位計（圖3）安裝在重件式支架上（圖4），使之下沉至平坦海底，并在上方懸掛浮球，方便后續(xù)回收。取不少于7天某一時段陸域各個驗潮工作點處連續(xù)觀測的平均海平面的平均值M，M=（M1+M2+M3）/3，根據(jù)同一時段CW04、CW05處的自記水位計讀數(shù)均值a4、a5，按同步期平均海面法傳遞高程，得到CW04、CW05處的自記水位計底部高程H4、H5，即H4=M-a4， H5=M-a5。根據(jù)自記水位計實時讀數(shù)a4’、a5’，得到實時潮位數(shù)據(jù)C4、C5。

圖4 重件式支架

2.3 數(shù)據(jù)處理

首先根據(jù)陸域側(cè)驗潮工作點高程及驗潮工作點至自記水位計底部距離，推算出各自記水位計底部高程H1=-0.50 m，H2=-1.67 m， H3=-1.32 m（高程基面均為當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面，下同）。然后利用2021年3月21日18時至2021年3月31日12時各驗潮站的自記水位計同步觀測數(shù)據(jù)平均值，分別求取CW01、CW02、CW03處平均海平面高程M1、M2、M3，見表2。

表2 平均海平面推算 單位：m

根據(jù)表2，按算術(shù)平均值法求取航道內(nèi)段的平均海平面高程為1.71m，按同步期平均海面法進行高程傳遞，結(jié)合外海臨時驗潮站CW04、CW05同一時間段自記水位計讀數(shù)，推算出CW04、CW05處水位計底部高程H4、H5，并根據(jù)自記水位計在作業(yè)期間的實時讀數(shù)，從而獲得測量時間段外航道所需潮位數(shù)據(jù)，見表3。

表3 海上臨時驗潮站水位計底部高程推算 單位：m

測深儀所測水深根據(jù) CW01、CW02、CW03、CW04、CW05處獲取的潮位數(shù)據(jù)進行多潮位改正，得到目標(biāo)基準(zhǔn)面下的水深值。

2.4 數(shù)據(jù)分析

為驗證潮位數(shù)據(jù)的可靠性，通過相鄰驗潮工作點最大潮高差和最大潮時差、相鄰多波束條帶的重疊吻合情況、主測線與檢查線的吻合情況、預(yù)報潮位以及海洋權(quán)威部門在近期不同時間、不同潮時所測的水深進行分析，分析結(jié)果如下：

（1）大潮、低潮間，同一時刻相鄰驗潮工作點的最大潮高差出現(xiàn)在漲潮或退潮時，最大差值為0.58 m，小于《水運工程測量規(guī)范》允許的1 m； 最大潮時差為25 min，小于《水運工程測量規(guī)范》允許的2 h。

（2）多波束相鄰條帶數(shù)據(jù)在不同的時間段測量，在整體數(shù)據(jù)處理后，選擇任意2條相鄰測線單獨處理，條帶邊緣搭接重合較好，無出現(xiàn)上下斷層情況；同時對比重合區(qū)域的水深數(shù)據(jù)（水深小于20 m時中誤差為0.2 m，水深大于20 m時中誤差為0.1倍水深值，取二倍中誤差為限差，以下主、檢比對同理），參與計算1 025點，粗差個數(shù)為35點，粗差率為3.4%，小于5%。

（3）檢查線與主測線的水深進行交叉點比對，參與計算350點，粗差個數(shù)為11點，粗差率為3.1%，小于5%。

（4）獲取的潮位數(shù)據(jù)與收集的附近海域預(yù)報潮位進行比對，同一時刻最大潮差為0.27 m，平均差值為0.11 m，滿足作業(yè)需求。

（5）實測水深與海洋權(quán)威部門在近期不同時間、不同潮時所測的水深進行比對，交叉處參與計算280點，粗差個數(shù)為11點，粗差率為3.9%，小于5%。

3 結(jié)論

水深測量時，潮位數(shù)據(jù)是一個重要的水深改正數(shù)，在部分海域環(huán)境下，通過同步期平均海面法計算的潮位數(shù)據(jù)用于水深改正，水深精度可靠，中誤差能滿足規(guī)范要求，有效解決了航道測量時外航道潮位數(shù)據(jù)獲取較困難的問題。因此，在潮汐性質(zhì)相同，離岸50 km范圍內(nèi)，同步期平均海面法傳遞高程是獲取潮位數(shù)據(jù)的一種有效途徑，在長航道水深測量時可推廣應(yīng)用。