同步期平均海面高程測量

李杰方

（廣東邦鑫數據科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

水深測量中，根據從測深儀獲取的實時自然水深數據，結合潮位數據得到目標基準面下的水深值，潮位作為水深測量改正的一個重要數據，影響著水深的準確性。當前，常用的長距離跨海高程傳遞方法主要有GPS高程法、靜力水準法、人工驗潮法等。GPS高程法得到的是大地高，大部分區域難以收集似大地水準面精化模型成果；靜力水準法只能應用于離大陸附近島嶼的高程傳遞，技術難度大且成本較高；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固建構筑物上布設驗潮工作點，通過自記水位計或人工驗潮方式獲取潮位數據，獲得水深的潮位改正數。而在沿海、外海，絕大部分海域無固定位置布設臨時驗潮站，加之潮時差的影響，僅靠陸域海岸的潮位數據是不科學的，難以準確獲取目標基準面下的水深值。因此，在難以傳遞高程或無條件布設驗潮工作點的海域，潮位數據的準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相同的兩個區域設立臨時驗潮站，此兩個區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律?！端\工程測量規范》對于跨水面高程測量規定：在10~50 km的距離采用同步期平均海面法，應以同步期平均海面推算高程作為傳遞高程值，其連續觀測時間為不少于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。陸域側自記水位計的底部高程根據已知水準點按四等及以上等級要求引測至臨時驗潮站，根據瞬時水面至臨時驗潮站的距離及同時刻自記水位計讀數推算自記水位計底部標高。采用自記水位計同步連續記錄陸域及外海兩個區域不少于7天的數據，根據日平均海平面近似相等的原理，結合自記水位計記錄的不少于7天平均數據，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，假設水準點高程為HBM1，水準點至陸域側驗潮工作點的高差為a，驗潮工作點至陸域側水位計底部的距離為△H，陸域側水位計底部至海面在不少于7天的平均讀數為?，故：

圖1 同步期平均海平面法高程傳遞示意圖

根據外海自記水位計底部高程結合測量期間自記水位計讀數，可推算出測量期間的潮位數據，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據。采用多波束測深系統進行數據采集，測深系統是目前精度最高的一種，因此，驗潮工作點的布設位置及潮位數據的準確性在水深測量中起著至關重要的作用。從收集的資料顯示，該海域屬規則半日潮，外航道約41 km且無條件布設驗潮工作點，加之潮時差，陸域側的潮位數據不能直接用作外航道的水深改正，潮位數據的獲取成為本項目的重點難點問題。

2.2 驗潮工作點布設、潮位數據獲取

本著適用、經濟、準確、可靠的原則，在錦州港固定式碼頭設立驗潮工作點CW01、CW02， 葫蘆島固定式碼頭設立驗潮工作點CW03，同時在附近埋設工作水準點；外航道在K25+500及K42+000處設立2個臨時驗潮工作點CW04、CW05。點位分布均勻，涵蓋測區。

圖2 驗潮工作點布設

作業前，對已知三等水準點按附合水準路線進行復核，復核結果如下表1所示，檢測高差較差均小于允許限值，滿足規范要求。以靠近驗潮工作點的水準點JL、BM02作為起算點，采用電子水準儀按四等水準觀測技術要求測量水準點與驗潮工作點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均按相應的觀測等級輸入儀器，超限時自動發出警告，保證作業過程的符合性。

表1 已知水準點復核結果 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，根據自記水位計實時讀數a1、a2、a3，得到實時潮位數據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據準確可靠。根據不少于7天的連續觀測獲取的潮位數據，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，方便后續回收。取不少于7天某一時段陸域各個驗潮工作點處連續觀測的平均海平面的平均值M，M=（M1+M2+M3）/3，根據同一時段CW04、CW05處的自記水位計讀數均值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。根據自記水位計實時讀數a4’、a5’，得到實時潮位數據C4、C5。

圖4 重件式支架

2.3 數據處理

首先根據陸域側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（高程基面均為當地理論深度基準面，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據平均值，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

根據表2，按算術平均值法求取航道內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，結合外海臨時驗潮站CW04、CW05同一時間段自記水位計讀數，推算出CW04、CW05處水位計底部高程H4、H5，并根據自記水位計在作業期間的實時讀數，從而獲得測量時間段外航道所需潮位數據，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 CW01、CW02、CW03、CW04、CW05處獲取的潮位數據進行多潮位改正，得到目標基準面下的水深值。

2.4 數據分析

為驗證潮位數據的可靠性，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、預報潮位以及海洋權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在漲潮或退潮時，最大差值為0.58 m，小于《水運工程測量規范》允許的1 m； 最大潮時差為25 min，小于《水運工程測量規范》允許的2 h。

（2）多波束相鄰條帶數據在不同的時間段測量，在整體數據處理后，選擇任意2條相鄰測線單獨處理，條帶邊緣搭接重合較好，無出現上下斷層情況；同時對比重合區域的水深數據（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，粗差個數為11點，粗差率為3.1%，小于5%。

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

（5）實測水深與海洋權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，粗差個數為11點，粗差率為3.9%，小于5%。

3 結論

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