海圖深度基準(zhǔn)面的確定

史曉平，石景元

(東海航海保障中心 上海海事測(cè)繪中心， 上海 200090)

海圖深度基準(zhǔn)面是海道測(cè)量中將動(dòng)態(tài)瞬時(shí)水深歸算到海圖圖載水深的直接水位控制基準(zhǔn)。海圖深度基準(zhǔn)面的確定，既要充分保證船舶航行安全，又要保持較高的航道利用率，還要確保其在較大海域范圍內(nèi)呈線性變化，因此既不能設(shè)定過高，又不能設(shè)定過低。受計(jì)算資料、計(jì)算方法、潮位站離散分布和區(qū)域水文潮汐特征變化等多種因素的影響，海圖深度基準(zhǔn)面長(zhǎng)期存在不一致、不平衡和不統(tǒng)一等問題。近年來，已很多學(xué)者[1-5]針對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中的理論最低潮面算法問題進(jìn)行研究，但對(duì)其他影響因素的研究較少。對(duì)此，本文從深度基準(zhǔn)面確定的歷史和現(xiàn)狀出發(fā)，全面分析各種影響因素，提出綜合解決方案，為深度基準(zhǔn)面的統(tǒng)一和相關(guān)規(guī)范的修訂提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考。

1 深度基準(zhǔn)面確定方法

根據(jù)《海道測(cè)量規(guī)范》(GB 12327—1998)[6](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)，我國沿海港口深度基準(zhǔn)面采用理論最低潮面。長(zhǎng)期和短期驗(yàn)潮站的理論最低潮面的確定方法是:通過對(duì)30 d水位觀測(cè)資料進(jìn)行調(diào)和分析，分別得到8個(gè)天文分潮Q1、O1、P1、K1、M2、N2、S2、K2和3個(gè)淺水分潮M4、MS4、M6的調(diào)和常數(shù);通過對(duì)1 a的水位觀測(cè)資料進(jìn)行調(diào)和分析，分別求得2個(gè)長(zhǎng)周期分潮Sa和Ssa的調(diào)和常數(shù)(短期站引用其相鄰長(zhǎng)期站Sa和Ssa的調(diào)和常數(shù))，采用弗拉基米爾法求得理論最低潮面。計(jì)算模型為

L=(fH)k1cosφk1+(fH)k2cos (2φk1+2gk1-180°-gk2-

(fH)M4cosφM4+(fH)M6cosφM6+(fH)MS4cosφMS4+HSacosφSa+HSsacosφSsa

(1)

式(1)中:L為理論最低潮面在平均海面下的值;H、g和f分別為13個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)的振輻、遲角和節(jié)點(diǎn)因數(shù)。

臨時(shí)驗(yàn)潮站的深度基準(zhǔn)面一般根據(jù)鄰近潮汐性質(zhì)相同的2個(gè)長(zhǎng)期驗(yàn)潮站或短期驗(yàn)潮站的深度基準(zhǔn)面，采用帶權(quán)內(nèi)插法求得，計(jì)算式為

(2)

式(2)中:DA和DB分別為A站和B站到臨時(shí)站的垂足的距離。

海上定點(diǎn)驗(yàn)潮站深度基準(zhǔn)面的確定:若資料序列較長(zhǎng)，可根據(jù)15 d水位觀測(cè)資料，采用調(diào)和分析法求得Q1、O1、P1、K1、M2、N2、S2、K2分潮的調(diào)和常數(shù)，按式(1)計(jì)算理論最低潮面；若資料序列較短，可根據(jù)1次或3次24 h觀測(cè)的水位資料，采用準(zhǔn)調(diào)和分析法求得M2、S2、K1、O1分潮的調(diào)和常數(shù)。理論最低潮面為

(HM2+HS2+HK1+HO1)

(3)

式(3)中:(HM2+HS2+HK1+HO1)i為臨時(shí)站附近長(zhǎng)期站的調(diào)和常數(shù);n為長(zhǎng)期站個(gè)數(shù)。

2 深度基準(zhǔn)面確定存在的問題

在確定深度基準(zhǔn)面過程中，由于驗(yàn)潮站類型不同、計(jì)算方法和計(jì)算資料存在差異及區(qū)域水文潮汐特征變化等原因，存在海圖深度基準(zhǔn)面前后不一致、不同海圖圖幅深度基準(zhǔn)面不統(tǒng)一和深度基準(zhǔn)面計(jì)算值偏小等問題，直接影響海道測(cè)量水深改正的精度。

2.1 計(jì)算方法問題

根據(jù)《規(guī)范》，長(zhǎng)、短期驗(yàn)潮站采用弗拉基米爾法計(jì)算理論最低潮面，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，該方法得出的L值往往偏小，出現(xiàn)大量的負(fù)潮位現(xiàn)象。考察弗拉基米爾法的計(jì)算過程，在處理天文分潮時(shí)，為求取極值，將多變量函數(shù)變?yōu)橐訩1分潮相角為自變量的單自變量函數(shù)，會(huì)使最終計(jì)算值產(chǎn)生偏差:對(duì)于淺海分潮和長(zhǎng)周期分潮的改正，是在取極值時(shí)的K1分潮相角處獲得的，而不是所有分潮的綜合極小值，可能體現(xiàn)不出這幾個(gè)分潮的貢獻(xiàn)；在長(zhǎng)周期分潮處理時(shí)，沒有考慮分潮S2的遲角gS2的不同表達(dá)式，導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果。對(duì)此，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]分別對(duì)弗拉基米爾法進(jìn)行改進(jìn)。

按照理論最低潮面的定義，其計(jì)算是對(duì)已知函數(shù)求取極值的過程，利用13個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)，通過逐點(diǎn)預(yù)報(bào)推算的方式直接求取；該方法可得到最準(zhǔn)確的理論最低潮面,但需要進(jìn)行超長(zhǎng)時(shí)間段的計(jì)算(幾萬年到幾十萬年)，過去受限于計(jì)算機(jī)技術(shù)水平難以實(shí)現(xiàn)，如今已不再是問題。本文以舟山地區(qū)5個(gè)長(zhǎng)期驗(yàn)潮站2014年的數(shù)據(jù)計(jì)算為例，分別采用直接預(yù)報(bào)法、弗拉基米爾法、文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中的方法計(jì)算L值，結(jié)果見表1。

表1 理論最低潮面計(jì)算值 m

由表1可知:采用弗拉基米爾法計(jì)算得到的L值明顯小于直接預(yù)報(bào)法；采用文獻(xiàn)[4]方法的計(jì)算值雖然相較于規(guī)范規(guī)定的弗拉基米爾法增大，但仍小于直接預(yù)報(bào)法；采用文獻(xiàn)[5]方法的計(jì)算結(jié)果與直接預(yù)報(bào)法基本一致。

2.2 計(jì)算方法不一致問題

我國的海圖深度基準(zhǔn)面計(jì)算方法有一個(gè)演變過程，潮位站深度基準(zhǔn)面一旦確定，一般不得改變。因此，不同站的深度基準(zhǔn)面可能是采用不同的方法計(jì)算得到的。例如上海港吳淞站采用最低低水位，橫沙、長(zhǎng)興等站采用理論深度基準(zhǔn)面，舟山六橫等站采用理論最低潮面。在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，由于驗(yàn)潮站分類不同，計(jì)算方法各不相同，造成計(jì)算結(jié)果存在精度誤差，各類驗(yàn)潮站的基準(zhǔn)面不平衡。以長(zhǎng)江口南支航道為例，由于各站深度基準(zhǔn)面的確定方法不同，其沿程變化存在明顯的差異，有的站之間變幅較緩，有的站之間變幅較陡，見圖1。

圖1 長(zhǎng)江口南支各站深度基準(zhǔn)面沿程變化

2.3 計(jì)算資料的選取問題

在實(shí)際計(jì)算中，根據(jù)不同時(shí)段的潮位資料分析所得調(diào)和常數(shù)不同，據(jù)此計(jì)算得到的L值也有差異。以長(zhǎng)江口A站為例，其2013年1—12月的L值計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 長(zhǎng)江口A站2013年1—12月的L值計(jì)算結(jié)果 m

由表2可知：各月的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果均不同，最大值與最小值相差0.56 m。不同年份開展深度基準(zhǔn)面計(jì)算采用的觀測(cè)資料不同，造成數(shù)據(jù)直接計(jì)算結(jié)果得出的深度基準(zhǔn)面前后不一致。該問題在計(jì)算短期和海上定點(diǎn)驗(yàn)潮站基準(zhǔn)面時(shí)非常普遍。

2.4 陸海垂直基準(zhǔn)不統(tǒng)一

我國陸地地形圖的高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)，與海域的深度基準(zhǔn)存在明顯差異[7]；對(duì)于短期、臨時(shí)和海上定點(diǎn)驗(yàn)潮站來說，潮位資料的采集和深度基準(zhǔn)面的確定往往未與1985國家高程系統(tǒng)連接。在開展深度基準(zhǔn)面計(jì)算時(shí)，一般是在局部范圍內(nèi)進(jìn)行，如1個(gè)港口或1條航道。不同的區(qū)域采用不同時(shí)間序列的資料計(jì)算深度基準(zhǔn)面，或引用不同長(zhǎng)期驗(yàn)潮站的數(shù)據(jù)，會(huì)造成相鄰區(qū)域深度基準(zhǔn)面不平衡，區(qū)域間基準(zhǔn)面存在剪刀差，導(dǎo)致海圖無法拼接。深度基準(zhǔn)面的躍變見圖2。由圖2可知:D1潮位站控制的圖幅與D2潮位站控制的圖幅在拼接處存在α的差值。

圖2 深度基準(zhǔn)面的躍變

2.5 區(qū)域水文潮汐特征變化影響

受區(qū)域上游來水、區(qū)域內(nèi)涉水工程建設(shè)、氣候變化和海平面上升等因素的影響，區(qū)域水文潮汐特征會(huì)隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生變化。如長(zhǎng)江口地區(qū)，自1971年以來基準(zhǔn)面未作調(diào)整，通過近年資料計(jì)算發(fā)現(xiàn)，各站深度基準(zhǔn)面已有較大變化(見表3)。

表3 長(zhǎng)江口沿程各站深度基準(zhǔn)面變化 m

由于基準(zhǔn)面調(diào)整涉及較多因素，一經(jīng)確定一般不得變動(dòng)，即使產(chǎn)生較大的變化也難以及時(shí)調(diào)整，由此產(chǎn)生的問題不僅是與周邊驗(yàn)潮站的基準(zhǔn)面的差異，更會(huì)對(duì)航行安全產(chǎn)生不良影響。

2.6 深度基準(zhǔn)面發(fā)布缺乏權(quán)威機(jī)制

目前，深度基準(zhǔn)面的確定和發(fā)布尚無一級(jí)權(quán)威部門核準(zhǔn)和認(rèn)定。相關(guān)涉水單位根據(jù)各自需要，自行設(shè)站觀測(cè)潮汐、確定深度基準(zhǔn)面并付諸應(yīng)用，深度基準(zhǔn)面不統(tǒng)一，直接影響港口、航道和海洋工程建設(shè)。2018年舟山港航局在開展鼠浪湖航道炸礁工程時(shí)，設(shè)計(jì)單位引用未經(jīng)海事部門核準(zhǔn)的深度基準(zhǔn)面，航道驗(yàn)收檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域?qū)崪y(cè)水深小于設(shè)計(jì)值10 cm，致使該部分航道需重新炸礁，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 對(duì)策與建議

3.1 統(tǒng)一深度基準(zhǔn)面確定方法

針對(duì)弗拉基米爾法存在的問題和深度基準(zhǔn)面計(jì)算方法前后不一致等問題，為保證航行安全應(yīng)推進(jìn)相關(guān)技術(shù)規(guī)范持續(xù)更新，統(tǒng)一采用直接預(yù)報(bào)法或改進(jìn)的弗拉基米爾法計(jì)算深度基準(zhǔn)面。

針對(duì)計(jì)算資料不同產(chǎn)生的差異，可采用歸化法來解決。歸化法的原則是使季節(jié)差異達(dá)到最小。分別計(jì)算臨時(shí)站和相鄰的長(zhǎng)期站的同步期L值，將長(zhǎng)期站L值與同步期L值的差值轉(zhuǎn)引到臨時(shí)站上，計(jì)算式為

La=la+Lb-lb

(4)

若長(zhǎng)期站L值與同步期L值的差值較大,計(jì)算式為

La=laLb/lb

(5)

式(4)和式(5)中:La和Lb分別為臨時(shí)站和長(zhǎng)期站理論最低潮面與多年平均海面的高差；la和lb分別為臨時(shí)站和長(zhǎng)期站同步期L值。

大量實(shí)例表明:在較小的區(qū)域范圍內(nèi)，L值的季節(jié)變化具有良好的空間一致性。因此，在長(zhǎng)期站L值不變的情況下，歸化法可有效消除季節(jié)性差異，使不同資料序列計(jì)算的結(jié)果相一致。

1995年國際海道測(cè)量組織推薦采用最低天文潮面作為海圖深度基準(zhǔn)面。[8]其原理是至少由1 a或1 a以上的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)和分析計(jì)算出調(diào)和常數(shù)，預(yù)報(bào)19 a或更長(zhǎng)時(shí)間序列的潮位，取最低潮位作為最終所求的最低天文潮面，其L值為

(6)

式(6)中:n為分潮個(gè)數(shù)。

預(yù)報(bào)潮位時(shí)采用的分潮有多種取法，可只取天文分潮，也可附加淺海分潮和長(zhǎng)周期分潮。附加分潮時(shí)，計(jì)算原理與直接預(yù)報(bào)法一致。由于選取的分潮不同，計(jì)算結(jié)果存在差異，只取天文分潮時(shí)計(jì)算值偏小。因此，從保證計(jì)算結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性角度考慮，仍推薦采用直接預(yù)報(bào)法。

3.2 加強(qiáng)水文控制網(wǎng)與高程控制網(wǎng)建設(shè)

1) 要加強(qiáng)水文控制網(wǎng)建設(shè)，合理布局水文臺(tái)站，為深度基準(zhǔn)面計(jì)算提供更長(zhǎng)系列、更為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料。要將沿海水文站點(diǎn)納入海上交通支持服務(wù)系統(tǒng)[9]，統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，建立中央和地方兩級(jí)財(cái)政互補(bǔ)的建設(shè)養(yǎng)護(hù)投資體制，在各地港口航道規(guī)劃建設(shè)過程中同步考慮水文站點(diǎn)建設(shè)，以保證水文站運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2) 要加強(qiáng)高程控制網(wǎng)建設(shè)。積極推進(jìn)陸、海垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一，通過構(gòu)建沿海高精度似大地水準(zhǔn)面模型，將陸域高程傳遞到海上，實(shí)現(xiàn)陸、海垂直基準(zhǔn)的統(tǒng)一，為沿海深度基準(zhǔn)的平衡奠定基礎(chǔ)。[10]

3.3 建立深度基準(zhǔn)面計(jì)算、校核與發(fā)布機(jī)制

我國沿海各驗(yàn)潮站分別隸屬于海事、海洋和水利等涉水相關(guān)部門，在臺(tái)站管理、資料采集處理和行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等方面相對(duì)獨(dú)立，資料互通共享不夠。為此，應(yīng)加強(qiáng)相互溝通和協(xié)調(diào)工作，統(tǒng)一開展深度基準(zhǔn)面計(jì)算，以消除深度基準(zhǔn)面不統(tǒng)一的問題。

應(yīng)積極轉(zhuǎn)變現(xiàn)行深度基準(zhǔn)面不得調(diào)整的固有觀念。由于歷史的局限，現(xiàn)行深度基準(zhǔn)面存在著諸多不適應(yīng)問題，有必要根據(jù)實(shí)際情況重新計(jì)算并進(jìn)行調(diào)整和完善。調(diào)整的核心和關(guān)鍵在于建立科學(xué)合理的深度基準(zhǔn)面調(diào)整機(jī)制，并由權(quán)威部門核準(zhǔn)和發(fā)布，在一定時(shí)期內(nèi)不作變動(dòng)。

4 結(jié)束語

海洋測(cè)繪是推動(dòng)實(shí)施交通強(qiáng)國、海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略必不可少的基礎(chǔ)性工作，而海洋測(cè)繪數(shù)據(jù)成果必須統(tǒng)一到深度基準(zhǔn)面才有意義。實(shí)現(xiàn)海圖深度基準(zhǔn)面的平衡和統(tǒng)一可為測(cè)海用海一盤棋提供技術(shù)支撐，為我國軍事海洋學(xué)、海洋科學(xué)研究和海洋工程的測(cè)量準(zhǔn)確性與安全性提供保障。本文分析了海圖深度基準(zhǔn)面確定過程中存在的各種問題和產(chǎn)生原因，提出了相應(yīng)的解決方案，為實(shí)現(xiàn)海圖深度基準(zhǔn)面的平衡和統(tǒng)一提供了有益的參考。