同步期平均海面高程測(cè)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(cè)量中，根據(jù)從測(cè)深儀獲取的實(shí)時(shí)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(cè)量改正的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，影響著水深的準(zhǔn)確性。當(dāng)前，常用的長(zhǎng)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(yàn)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(yàn)潮法又因?yàn)榇蟛糠滞夂：Ｓ驘o(wú)布置驗(yàn)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(cè)量時(shí)，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(yàn)潮工作點(diǎn)，通過(guò)自記水位計(jì)或人工驗(yàn)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(wú)固定位置布設(shè)臨時(shí)驗(yàn)潮站，加之潮時(shí)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(wú)條件布設(shè)驗(yàn)潮工作點(diǎn)的海域，潮位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取是水深測(cè)量的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題。在實(shí)際工作中，往往作業(yè)時(shí)間短于潮位同步觀測(cè)所需時(shí)間，測(cè)量單位極少采用同步期平均海面法來(lái)傳遞高程，對(duì)其可行性也較少評(píng)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(gè)區(qū)域設(shè)立臨時(shí)驗(yàn)潮站，此兩個(gè)區(qū)域的日平均海平面差值較小，不同時(shí)間段具有相同的變化規(guī)律。《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》對(duì)于跨水面高程測(cè)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(cè)時(shí)間為不少于7天，觀測(cè)時(shí)間段為高低平潮前、后半小時(shí)，時(shí)間間隔為10 min。

自記水位計(jì)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(jì)的底部高程根據(jù)已知水準(zhǔn)點(diǎn)按四等及以上等級(jí)要求引測(cè)至臨時(shí)驗(yàn)潮站，根據(jù)瞬時(shí)水面至臨時(shí)驗(yàn)潮站的距離及同時(shí)刻自記水位計(jì)讀數(shù)推算自記水位計(jì)底部標(biāo)高。采用自記水位計(jì)同步連續(xù)記錄陸域及外海兩個(gè)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(jì)記錄的不少于7天平均數(shù)據(jù)，推算出外海自記水位計(jì)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(diǎn)高程為HBM1，水準(zhǔn)點(diǎn)至陸域側(cè)驗(yàn)潮工作點(diǎn)的高差為a，驗(yàn)潮工作點(diǎn)至陸域側(cè)水位計(jì)底部的距離為△H，陸域側(cè)水位計(jì)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(jì)底部高程結(jié)合測(cè)量期間自記水位計(jì)讀數(shù)，可推算出測(cè)量期間的潮位數(shù)據(jù)，如果外海有固定驗(yàn)潮工作點(diǎn)，可推算出驗(yàn)潮工作點(diǎn)的高程。

2 同步期平均海面法應(yīng)用案例

2.1 項(xiàng)目背景

以本公司2021年3月實(shí)施的遼寧錦州港航道改擴(kuò)建項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目?jī)?nèi)航道位于錦州港與葫蘆島間，外航道周圍無(wú)碼頭島嶼，航道全長(zhǎng)約48 km，需進(jìn)行水深測(cè)量為疏浚提供參考數(shù)據(jù)。采用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)深系統(tǒng)是目前精度最高的一種，因此，驗(yàn)潮工作點(diǎn)的布設(shè)位置及潮位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性在水深測(cè)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(wú)條件布設(shè)驗(yàn)潮工作點(diǎn)，加之潮時(shí)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(xiàng)目的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題。

2.2 驗(yàn)潮工作點(diǎn)布設(shè)、潮位數(shù)據(jù)獲取

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

圖2 驗(yàn)潮工作點(diǎn)布設(shè)

作業(yè)前，對(duì)已知三等水準(zhǔn)點(diǎn)按附合水準(zhǔn)路線進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果如下表1所示，檢測(cè)高差較差均小于允許限值，滿足規(guī)范要求。以靠近驗(yàn)潮工作點(diǎn)的水準(zhǔn)點(diǎn)JL、BM02作為起算點(diǎn)，采用電子水準(zhǔn)儀按四等水準(zhǔn)觀測(cè)技術(shù)要求測(cè)量水準(zhǔn)點(diǎn)與驗(yàn)潮工作點(diǎn)CW01、CW02、CW03之間的高差，推算出各個(gè)驗(yàn)潮工作點(diǎn)的高程HA、HB、HC。觀測(cè)前各項(xiàng)精度指標(biāo)均按相應(yīng)的觀測(cè)等級(jí)輸入儀器，超限時(shí)自動(dòng)發(fā)出警告，保證作業(yè)過(guò)程的符合性。

表1 已知水準(zhǔn)點(diǎn)復(fù)核結(jié)果 單位：m

陸域驗(yàn)潮工作點(diǎn)采用自記水位計(jì)記錄，時(shí)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(jì)懸掛于鉛塊上方50 cm處，確保在最低潮時(shí)自記水位計(jì)不漏出水面。分別量取驗(yàn)潮工作點(diǎn)至水位計(jì)底部的垂直距離L1、L2、L3，獲取CW01、CW02、CW03處自記水位計(jì)底部高程H1、H2、H3，根據(jù)自記水位計(jì)實(shí)時(shí)讀數(shù)a1、a2、a3，得到實(shí)時(shí)潮位數(shù)據(jù)C1、C2、C3，同時(shí)以人工驗(yàn)潮的方式進(jìn)行驗(yàn)證。以CW01站為例，H1=HA-L1，C1=H1+a1，同時(shí)采取人工吊皮尺的驗(yàn)潮方式予以驗(yàn)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(cè)獲取的潮位數(shù)據(jù)，取均值求取陸域各個(gè)驗(yàn)潮工作點(diǎn)處的平均海平面高程M1、M2、M3。

外海驗(yàn)潮工作點(diǎn)CW04、CW05為臨時(shí)驗(yàn)潮站，把自記水位計(jì)（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(shí)段陸域各個(gè)驗(yàn)潮工作點(diǎn)處連續(xù)觀測(cè)的平均海平面的平均值M，M=（M1+M2+M3）/3，根據(jù)同一時(shí)段CW04、CW05處的自記水位計(jì)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(jì)底部高程H4、H5，即H4=M-a4， H5=M-a5。根據(jù)自記水位計(jì)實(shí)時(shí)讀數(shù)a4’、a5’，得到實(shí)時(shí)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(yàn)潮工作點(diǎn)高程及驗(yàn)潮工作點(diǎn)至自記水位計(jì)底部距離，推算出各自記水位計(jì)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(shí)至2021年3月31日12時(shí)各驗(yàn)潮站的自記水位計(jì)同步觀測(cè)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(jiàn)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(jìn)行高程傳遞，結(jié)合外海臨時(shí)驗(yàn)潮站CW04、CW05同一時(shí)間段自記水位計(jì)讀數(shù)，推算出CW04、CW05處水位計(jì)底部高程H4、H5，并根據(jù)自記水位計(jì)在作業(yè)期間的實(shí)時(shí)讀數(shù)，從而獲得測(cè)量時(shí)間段外航道所需潮位數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 海上臨時(shí)驗(yàn)潮站水位計(jì)底部高程推算 單位：m

測(cè)深儀所測(cè)水深根據(jù) CW01、CW02、CW03、CW04、CW05處獲取的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)證潮位數(shù)據(jù)的可靠性，通過(guò)相鄰驗(yàn)潮工作點(diǎn)最大潮高差和最大潮時(shí)差、相鄰多波束條帶的重疊吻合情況、主測(cè)線與檢查線的吻合情況、預(yù)報(bào)潮位以及海洋權(quán)威部門在近期不同時(shí)間、不同潮時(shí)所測(cè)的水深進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下：

（1）大潮、低潮間，同一時(shí)刻相鄰驗(yàn)潮工作點(diǎn)的最大潮高差出現(xiàn)在漲潮或退潮時(shí)，最大差值為0.58 m，小于《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》允許的1 m； 最大潮時(shí)差為25 min，小于《水運(yùn)工程測(cè)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(shí)間段測(cè)量，在整體數(shù)據(jù)處理后，選擇任意2條相鄰測(cè)線單獨(dú)處理，條帶邊緣搭接重合較好，無(wú)出現(xiàn)上下斷層情況；同時(shí)對(duì)比重合區(qū)域的水深數(shù)據(jù)（水深小于20 m時(shí)中誤差為0.2 m，水深大于20 m時(shí)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(duì)同理），參與計(jì)算1 025點(diǎn)，粗差個(gè)數(shù)為35點(diǎn)，粗差率為3.4%，小于5%。

（3）檢查線與主測(cè)線的水深進(jìn)行交叉點(diǎn)比對(duì)，參與計(jì)算350點(diǎn)，粗差個(gè)數(shù)為11點(diǎn)，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(bào)潮位進(jìn)行比對(duì)，同一時(shí)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(shí)測(cè)水深與海洋權(quán)威部門在近期不同時(shí)間、不同潮時(shí)所測(cè)的水深進(jìn)行比對(duì)，交叉處參與計(jì)算280點(diǎn)，粗差個(gè)數(shù)為11點(diǎn)，粗差率為3.9%，小于5%。

3 結(jié)論

水深測(cè)量時(shí)，潮位數(shù)據(jù)是一個(gè)重要的水深改正數(shù)，在部分海域環(huán)境下，通過(guò)同步期平均海面法計(jì)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(cè)量時(shí)外航道潮位數(shù)據(jù)獲取較困難的問(wèn)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(zhǎng)航道水深測(cè)量時(shí)可推廣應(yīng)用。