黃河三角洲附近海域地形測量最佳時段確定

王萬戰 吳嫡捷

摘要：為減小黃河三角洲附近海域地形高程測量誤差，利用渤海潮汐平面二維數學模型和2015年黃河三角洲附近海域大范圍加密地形測量資料等，首先研究了三角洲岸邊有、無潮灘對測驗斷面沿程水位及海底高程計算結果的影響，發現驗潮站位于有、無潮灘的岸邊時，岸邊與斷面測點同步水位都具有越向深水區差值越大的特點，但是當驗潮站位于有潮灘的溝道時，潮灘附近出現陡坎式水面線，岸邊與斷面測點同步水位差值還會在淺水區出現極大值，岸邊與測點同步水位差值最大為1.3m。基于水位引用造成的斷面高程平均誤差最小化原則，給出了渤海灣、萊州灣地形測量典型斷面最佳測量時段：渤海灣有潮灘的斷面最佳測驗時段是高潮前、大潮后的低潮前，無潮灘的斷面測量則是低低潮前、后和高低潮前、后；萊州灣無潮灘斷面最佳測驗時段是低低潮與其前、后高高潮之間，有潮灘的斷面則是低高潮前、后和高高潮前。最佳測量時段長占一個潮周期的25%～50%，這些時間斷面測量平均誤差較小，為0.04～0.12m。

關鍵詞：高程誤差；潮位；測量時機；海底地形測量；黃河三角洲海域

中圖分類號：P229；TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.005

海域地形測量是計算海岸沖淤、繪制航海圖、進行河海管理的基礎。黃河三角洲附近海域地形測量存在的問題是缺少海域測深點測量時的瞬時水位。大面積開敞海域水位測量可以使用衛星高度計等技術，但是此技術不適合封閉或半封閉海域。目前，利用GPS、岸邊基站和移動站的動態后處理海上測量技術還在探索階段，我國東部沿海附近海域地形測量仍采用海域測深、岸邊設臨時驗潮站測水位的傳統方法，應用這種方法時，測量部門假定海域測量時的水位等于測量斷面岸邊附近臨時驗潮站的實測水位，而文獻使用測量范圍較小的地形資料和渤海潮汐平面二維數學模型研究證明這個假定是不成立的，并可導致平均0.3m、最大0.6m的計算誤差，但是文獻[3]沒有給出如何選擇適當的測量時段來最大限度地減小因水位假定不當帶來的海底高程計算誤差。另外，目前的測驗范圍也比該文獻的測驗范圍大。本文利用渤海潮汐平面二維數學模型，基于2015年觀測的大范圍、130個地形測量斷面資料，深入研究渤海灣、萊州灣岸邊有、無潮灘對水位引用假定造成的海底地形高程計算誤差的影響，提出了減小三角洲附近海底地形高程計算誤差的最佳測量時機，以期為減小近海海底地形測量和高程整編誤差提供技術支撐。

1 計算原理

1.1 近海海底地形高程測量及整編傳統方法

人民治黃幾十年來，黃河三角洲附近海域地形測量范圍逐漸擴大，常規測量設有36個斷面，每年測量一次。近年來，每隔約5a加密測量斷面（130個斷面）測量一次，目前測量范圍見圖1和圖2。圖1中數字編號對應13個長期潮位觀測站，其中2為旅順新港、3為鲅魚圈、4為錦州港、5為山海關、6為秦皇島、7為京唐港、8為塘沽、9為黃燁港、10為東風港、11為東營港、12為萊州港。圖2顯示黃河三角洲岸邊設有18個臨時驗潮站，其中灣灣溝口、小島河口等14個驗潮站位于有明顯潮灘的支流河口上，孤東、十八井等4個驗潮站位于無潮灘的岸邊。圖2草綠色為潮灘，紅、黑色圓點分別代表向海側附近有、無潮灘的驗潮站。

測量斷面某點的高程（Hb）是通過測點的瞬時水位（Z）減去該點瞬時實測水深（h）得到的，即Hb=Z-h（見圖3）。問題是測點在海域，沒法安置人員測量測點處的實測瞬時水位。考慮到岸邊可以安排人員測量水位，于是整編假定海域深水區某測點測量瞬時水位等于該測量斷面岸邊附近臨時驗潮站同步實測水位。

1.2 模型建立和驗證

本研究所用的渤海潮汐平面二維模型包括水流連續方程及東西、南北方向的動量方程，由于測量期間均選用好天氣，因此模擬中不考慮風浪作用。

模型范圍包括大連至煙臺斷面以西的渤海區，模擬面積82700km2，網格數6831個，模擬包括通過黃河三角洲流人渤海的河流，如黃河以及楊克君溝、小清河等（見圖2）。黃河人海流量采用當年的利津站流量過程。大連至煙臺之間的潮位過程依據大連、煙臺的潮位過程線直線內插。三角洲附近海域地形采用2015年測量的海域地形。模型中的糙率、水流渦黏系數取值見文獻。

黃河三角洲岸邊某個臨時驗潮站的觀測時間隨著附近測驗斷面測驗工作的完成而結束，因此每個驗潮站的測驗時間都是不同的，而黃河三角洲以外的環渤海潮位站有長期的潮位觀測資料。由2015年典型潮位站模擬水位與實測水位對比可知，典型潮水位觀測站模擬與實測潮位過程線基本相符，高潮和低潮模擬值和實測值相差不超過0.2m，高、低潮相位也與實測值基本相等，因此所用的渤海潮汐平面二維模型基本能夠反映渤海包括黃河三角洲附近海域潮汐的實際情況。

2 結果分析

2.1 近海測量斷面測點最大可能誤差分析

首先分析潮灘對水位的影響。以斷面12（見圖2）為例，求該斷面各個測點的最大可能誤差。沿斷面12從岸邊到深海共有125個測點。測驗時間從2015年1月10日到12月31日，得到每小時各個測點的水位（Hit，i=1，…，125）。把第一個測點（HIt）當作岸邊驗潮站，把該斷面每個測點在每個時刻的模擬水位（HIt）減去岸邊第一測點同一時刻的相應水位（HIt），可得到該斷面125個測點在每個時刻的水位差值（Hit-HIt），取其絕對值后得到每個測點在某個時刻（t）由水位引用假定造成的“高程誤差”（下文簡稱“誤差”）。取每個測點在上述時段的最大可能誤差值（見圖4），可見斷面12的125個測點中有兩個位置出現最大可能誤差值，一個出現在離岸最遠的斷面端點（1.135m），另一個出現在距岸邊約25km處（第25個點，1.141m），兩個最大誤差值之間形成了一個最大可能誤差帶，即最大可能誤差沿測量斷面形成臺階式分布。查數據可知出現最大誤差時岸邊潮位正在低潮，時間約為12月26日22時，此時刻該斷面瞬時水面線呈陡坎狀，岸邊潮灘處水位明顯高于較遠的測點（見圖4）。

接著分析岸邊無潮灘的情況，在同樣的時間范圍內用同樣的方法分析斷面66最大可能誤差。該斷面附近設有孤東驗潮站。沿該斷面從岸邊到深海共有166個測點，得到各測點在上述時刻出現的最大可能誤差（見圖5），可見該斷面166個測點中只有1個測點的最大誤差值為1.1m，位于離岸最遠的斷面端點。查數據可知出現最大誤差時岸邊潮位正在低潮（5月16日10時），此時瞬時水面線在岸邊無陡坎形態。

用同樣方法分析了黃河三角洲18個驗潮站附近斷面的情況，發現最大可能誤差分布很有規律性，大致分為兩種類型：第一種類型為三角洲岸邊有潮灘的斷面（見圖2），一般有兩個最大可能誤差，一個出現在靠近岸邊的地方，另一個出現在離三角洲岸邊驗潮站最遠處，兩者之間形成最大可能誤差帶，統計模擬結果發現誤差帶最大可能誤差為0.5～1.3m，即最大可能誤差沿測量斷面形成臺階式分布：第二種類型為三角洲岸邊無潮灘的斷面，最大可能誤差出現在距離岸邊驗潮站最遠的一端，最大可能誤差為1.1m，即最大可能誤差沿測量斷面形成斜坡式分布。

2.2 潮灘對潮汐過程的影響

為了進一步認識潮灘對當地潮位的影響，用渤海潮汐平面二維數學模型分別模擬了有、無潮灘對潮汐的影響。考慮到孤東圍堤前海岸沖刷，原來的海灘已經消失，目前此處海底高程約為-3.5m（黃海高程），同時還考慮到三角洲北部潮灘高程都高于-3.5m（黃海高程），因此把三角洲北部潮灘挖至-3.5m（見圖6），分別進行有、無潮灘情況下渤海潮汐模擬。利用模擬結果，分析北部海岸斷面有、無潮灘情況下模擬時期瞬時水面線和潮位過程線，發現有、無潮灘時潮灘位置的潮位過程線在中、高潮時水位差別不大，但在有潮灘情況下低潮位明顯高于無潮灘情況下的低潮位，而且此時測量斷面瞬時水面線在岸邊形成陡坎狀。

2.3 基于水位引用誤差最小化的測量時段選擇

上述研究表明，由于潮汐是時空變化的，因此任意一個測量斷面的岸邊水位可能高于、等于或低于斷面上其他點的水位，同時考慮到實際測量工作中任意斷面的測量都不可能在某一個瞬時完成，而是在一個時段內完成，因此為了最大限度地減小斷面測點水位與岸邊水位的差值絕對值，必須動態地確保該斷面上所有測點測時水位和岸邊水位“差值”的絕對值之和最小，即誤差之和最小，此時段即為斷面測量最佳時段。

2.3.1 渤海灣有潮灘斷面

以斷面12為例分析如何得出最佳測量時段。統計以往斷面觀測情況發現，最短的斷面測量時間約為2h，斷面測點數約為120個，即測量最順利時1min能夠完成1個測點的測量，本文暫采用此測量速率來分析得出斷面最佳測量時機。設斷面12有125個測點。計算步驟如下。

（1）暫先選擇測量于6月19日0時0分開始、6月19日2時4分結束。用上述渤海潮汐模型模擬給出每個測點每分鐘的潮位。第1個測點代表岸邊驗潮站，在0時0分完成，第2個測點在0時1分完成，以此類推，第125個測點在2時4分結束。第1個測點到第125個測點測時水位減去同步的岸邊水位后取絕對值，最終得到每個測點的平均誤差為0.1480m。

（2）以此類推，最后一個時段選在6月21日9時56分開始，12時結束，求出每個測點的平均誤差為0.4555m。

（3）點繪岸邊第1個測點潮位過程線和斷面12測點水位“平均誤差”過程線（見圖7）。由圖7可知，在一個潮周期中，斷面12測點水位平均誤差最小為0.06m，最大為0.62m，較小誤差發生在3個時段，建議：①觀測應在大、小高潮前2個多小時開始，在高潮前數分鐘至30min內結束，最小誤差分別為0.06、0.09m；②觀測應在大潮后的高低潮前2h開始，在此低潮時結束，最小誤差為0.06m。最大測量誤差發生在小潮后的低低潮前2h進行的測量，此時段起止水面線（見圖7）存在明顯的陡坎，而推薦的誤差較小的測量時段開始和結束時瞬時水面線較平緩。

2.3.2 渤海灣無明顯潮灘斷面

以十八井驗潮站附近的斷面44為例求該斷面的最佳測量時段。沿該斷面有188個測點，測時188min。利用上述方法求出該斷面岸邊潮位過程和測點平均誤差過程線（見圖9）。可見在一個潮周期中有4個時段測量誤差較小：低低潮前、后各一個測量時段，誤差分別為0.08、0.09m，高低潮前、后兩個測量時段，誤差分別為0.07、0.08m。最大誤差為0.38m，發生在測量時段橫跨高高潮前后，瞬時水面線無陡坎。

2.3.3 萊州灣無潮灘斷面

以孤東驗潮站附近的斷面66為例分析無潮灘斷面的最佳測量時段。從模擬結果中沿斷面66取149個測點，用類似方法得出該斷面岸邊潮位過程和測點平均誤差過程線（見圖10），可見在一個潮周期中較小測量誤差發生在4個時段：在低低潮與前、后高高潮之間各有兩個測量時段，按時間先后最小誤差分別為0.04、0.03、0.04、0.05m。最大誤差（0.25m）發生在兩個最佳測量時段之間。測量期間岸邊水面線無陡坎。

2.3.4 萊州灣有潮灘斷面

以位于小島河口附近的斷面105為例，說明萊州灣有潮灘時的最佳測量時段。在該斷面選取220個測點，即連續測量220min，用上述方法得到該斷面岸邊潮位過程和測點平均誤差過程線（見圖11）。可見在一個潮周期中較小誤差發生在3個時段：低高潮前、低高潮后、高高潮前，誤差分別為0.08、0.11、0.16m。最大誤差（0.34m）時段瞬時水面出現陡坎。

3 結語

（1）渤海潮汐平面二維數學模型模擬表明，黃河三角洲海岸有、無潮灘會影響附近海域水位、進而影響傳統近海地形測量中的高程值。三角洲附近海域地形測量斷面驗潮站若位于有、無潮灘的岸邊，都具有越向深水區岸邊水位與斷面測點同步水位差值越大的特點，此同步水位差沿斷面呈斜坡式分布：但是若驗潮站位于有潮灘的溝道時，潮灘處形成陡坎水面線，岸邊與斷面測點同步水位差值在淺水區出現極大值，沿斷面呈臺階式分布。岸邊與測點同步水位差值最大為1.3m。

（2）若繼續沿用傳統的近海地形測量和水位引用整編假定，在24h50min的潮周期內可用的測量時間占25%～50%，斷面測量誤差最小，誤差為0.04～0.12m。具體的最佳測驗時段依照位置和有、無潮灘而定。渤海灣有潮灘斷面的最佳測驗時段有3個，即大、小高潮前和大潮后的低潮前約2h；渤海灣無潮灘斷面的最佳測驗時段有4個，即低低潮前、后和高低潮前、后。萊州灣無潮灘的斷面最佳測驗時段有4個，即低低潮與其前、后高高潮之間各有2個：萊州灣有潮灘的斷面最佳測驗時段有3個，即低高潮前、后和高高潮前。

上述研究以每分鐘完成一個測點（歷史上最快的測量速率）為基礎，實際決策時可以對此值進一步深人研究。同時，建議設立深水潮位站對三角洲潮灘及支流地形進行高分辨率測量。