多潮位站海道地形測量潮位控制方法研究

，，，

(1.長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000；2.長江宜昌航道局，湖北 宜昌 443000)

隨著沿海及近海地區(qū)的開發(fā)與利用，海洋航運、港口碼頭修建、漁業(yè)養(yǎng)殖等人類活動愈加頻繁，對海洋的分析研究要求也越來越高，這勢必會對獲取的海洋信息的詳細(xì)程度要求越來越高[1]。大面積海洋測繪精度已經(jīng)逐步實現(xiàn)了由小比例尺測繪資料向中小比例尺資料的過渡。因此，傳統(tǒng)的通過用沿岸設(shè)立潮位站[1]，對大面積海域的測量資料進(jìn)行單站潮位改正的測繪方式已經(jīng)無法滿足精度的要求，需將目光投向?qū)y量資料進(jìn)行多站潮位改正這一研究方向。然而受海洋潮汐、地球曲率、涌浪等諸多外界因素的影響，多潮位站海道地形測量對潮位站的布設(shè)、基面關(guān)系的確定以及潮位改正方法的要求較為嚴(yán)格。雖然針對每種技術(shù)要求都有多種處理方法，但多潮位站海道地形測量的綜合性較強，難度較大，從而導(dǎo)致該類項目實施困難。

本文主要對多潮位站海道地形測量潮位控制、基面計算與傳遞、潮位改正方法等方面進(jìn)行分析研究，提出切實可行的技術(shù)路線，以便于進(jìn)一步指導(dǎo)實際工作中多潮位站海道地形測量潮位控制方法問題。

1 測量關(guān)鍵技術(shù)原理分析

多潮位站海道地形測量關(guān)鍵技術(shù)有兩個。

(1)潮位控制問題。包括臨時潮位站布設(shè)、臨時潮位站數(shù)據(jù)聯(lián)測和潮位改正方法。沿岸臨時潮位站的布設(shè)較為簡單，且潮位站零點可通過水準(zhǔn)測量等方法聯(lián)測求得。而海上臨時潮位站的布設(shè)較為困難，既要求水位計固定不動、安全穩(wěn)定，又要求零點高程準(zhǔn)確可求，這對技術(shù)和設(shè)備的要求較高。

(2)基面計算與傳遞。與陸地測量或內(nèi)河地形測量不同，海洋測量有其獨特的基準(zhǔn)起算面，即深度基準(zhǔn)面。我國多用理論最低潮面來定義深度基準(zhǔn)面。如何解決不同測區(qū)理論最低潮面的計算與傳遞就成為一大關(guān)鍵問題。

下面針對這兩大關(guān)鍵問題所要求的技術(shù)原理進(jìn)行分析和闡述。

(1)最小二乘擬合模型。對于海上臨時潮位站的零點推算最為精確可靠的方法，是根據(jù)沿岸基準(zhǔn)潮位站與海上潮位站潮位曲線的相關(guān)性分析，采用最小二乘擬合模型推算[2]。

如圖1所示，以時間為X軸，潮位值為Y軸，曲線TA(t)與TB(t)為兩個臨時驗潮站同步潮位曲線，兩條同步潮位曲線存在3個參數(shù)的差異：水平位移即兩潮位間的潮時差δAB；垂直位移即兩驗潮站的基準(zhǔn)面偏差εAB(應(yīng)用到本文為兩驗潮站的水尺零點差)；同步潮位值的比值即潮差比γAB。曲線TA(t)與TB(t)存在以下關(guān)系：

TB(t)=γABTA(t+δAB)+εAB

(1)

圖1 最小二乘擬合法模型

(2)半潮差法。當(dāng)臨時潮位站附近有一個長期或短期潮位站時，臨時潮位站的理論最低潮面可通過長期或短期潮位站的基面關(guān)系推算求得。根據(jù)《水運測量規(guī)范》(JTS131-2012)[3]所述，在大潮期同步觀測兩站潮位2～3 d，計算同步期平均海面。兩站潮差差值不大于 0.1 m時，臨時潮位站的深度基準(zhǔn)面與同步期平均海面的高差，可借用鄰近長期或短期潮位站的深度基準(zhǔn)面與同步期平均海面的高差值；當(dāng)兩站潮差差值大于0.1 m時，臨時潮位站深度基準(zhǔn)面與同步期平均海面的高差應(yīng)按下式計算：

(2)

式中，L′x為臨時潮位站深度基準(zhǔn)面與同步期平均海面的高差，m；L為長期潮位站深度基準(zhǔn)面與同步期平均海面的高差，m；Px為臨時潮位站同步期的平均半潮差，m；P為長期潮位站同步期的平均半潮差，m。

(3)潮汐調(diào)和分析。當(dāng)臨時潮位站附近無長期潮位站或長期潮位站離測區(qū)較遠(yuǎn)，可根據(jù)潮汐調(diào)和分析求解臨時潮位站的基面轉(zhuǎn)換關(guān)系。

由潮汐理論[4]知，海洋中的潮汐主要是由月球和太陽對地球的引潮力所致。所謂調(diào)和分析，就是把由月球等天體引起的復(fù)雜的潮汐現(xiàn)象，分離成由許多假想天體相對于地球作均速圓周運動而產(chǎn)生的潮汐(即分潮)之和。即對某一潮位站，在任意t時刻的潮高h(yuǎn)(t)可表示為

h(t)=H0+

(3)

其中，H0為平均海平面；fk為節(jié)點因子；Rk為分潮角速度；(v0+u)k為分潮初相；Hk,gk為分潮調(diào)和常數(shù)。

利用M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4、M6、Sa、Ssa等13個分潮的調(diào)和常數(shù)，根據(jù)弗拉基米爾法可計算出理論最低潮面與高程基準(zhǔn)的基面偏差。

(4)二步內(nèi)插法潮位改正[5]。設(shè)A1、A2、A3三個潮位站某時刻的潮位分別為Z1、Z2、Z3，求P點的潮位，如圖2。

圖2 二步內(nèi)插法示意

由A1、A2、A3和P的坐標(biāo)，可聯(lián)解求得A2A3與A1P兩個直線方程，得出A4的坐標(biāo)，然后在直線A2A3上以這兩點潮位按距離內(nèi)插得到A4的潮位;再在直線A1A4上，以A1A4的潮位線性內(nèi)插求得測點P的潮位:

ZP=(Z4-Z1)/SA1A4×SA1P+Z1

(4)

Z4=(Z2-Z3)/SA2A3×SA4A3+Z3

(5)

式中，SA1A4、SA1P、SA2A3和SA4A3分別為A4與A1、A1與P、A2與A3和A4與A3的距離。

2 多潮位站海道地形測量潮位控制應(yīng)用

(1)潮位站布設(shè)。以江蘇鹽城射陽港水下地形測量項目為例，為滿足規(guī)范規(guī)定潮位控制要求，在沿岸布設(shè)1，2，3號3個臨時潮位站，其中射陽河口碼頭站2號為基準(zhǔn)驗潮站，連續(xù)觀測1個月，用于潮位調(diào)和分析。測區(qū)遠(yuǎn)岸端臨時潮位站4號拋投水位自記儀。潮位站分布圖如圖3所示。

圖3 臨時潮位站位置

(2)臨時潮位站零點聯(lián)測。對于1，2，3號岸邊潮位站的零點可通過水準(zhǔn)聯(lián)測和人工比測數(shù)據(jù)計算潮位站水尺零點。位于海上的4號潮位站，無法通過水準(zhǔn)聯(lián)測的方式確定水尺零點，采用最小二乘擬合傳遞推估技術(shù)(曲線擬合法)傳遞臨時潮位站的水尺零點。

(3)基面計算與傳遞。該次實驗數(shù)據(jù)中各潮位站的1985國家高程基準(zhǔn)與理論最低潮面之間的基面關(guān)系采用兩種方法相互驗證，確?；骊P(guān)系的準(zhǔn)確性。

方法一是在射陽河口“2號”收集30 d的潮位觀測資料，采用潮汐調(diào)和分析法計算出M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4、M6等11個分潮的調(diào)和常數(shù)；Sa、Ssa分潮的調(diào)和常數(shù)，由長期驗潮站連云港站(射陽港北120km)1 a以上的潮位觀測資料求得，最后采用弗拉基米爾法計算出理論最低潮面與1985國家高程基準(zhǔn)的基面偏差。

方法二是收集附近長期驗潮站大豐站(射陽港南約60 km)與射陽河口2號一個月的同步潮位數(shù)據(jù)，以及大豐站1985國家高程基準(zhǔn)與理論最低潮面的關(guān)系，根據(jù)交通運輸部《水運測量規(guī)范》(JTSB1-2012)[3]7.4.4.3中所述方法，將基面關(guān)系傳遞到測區(qū)。

圖4 潮位數(shù)據(jù)預(yù)處理示意

3 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

(1)潮位數(shù)據(jù)預(yù)處理。由于海洋環(huán)境惡劣，受涌浪、行船等因素的影響，水位自記儀原始記錄數(shù)據(jù)多為鋸齒狀，為了得到真實平滑的潮位資料，需要對原始潮位資料做平滑預(yù)處理。方法有小波濾波處理[6]、MATLAB平滑擬合函數(shù)、人工干預(yù)等，本次采用MATLAB平滑擬合函數(shù)方法。

如圖4所示，洋紅色鋸齒狀曲線表示原始水位數(shù)據(jù)，灰色表示經(jīng)過平滑擬合后的數(shù)據(jù)，藍(lán)色表示實際應(yīng)用潮位數(shù)據(jù)。由圖可以看出，漲落潮時使用平滑擬合函數(shù)與實際潮位數(shù)據(jù)吻合較好，高低平潮時擬合數(shù)據(jù)與實際值有一定出入，需要人工干預(yù)處理。

(2)潮位站零點聯(lián)測。沿岸臨時潮位站可通過水準(zhǔn)聯(lián)測方式測出潮位站基點高程，再通過每天高低潮時人工驗潮比測推算潮位站零點高程；海上臨時潮位站通過最小二乘擬合模型傳遞。1985國家高程基準(zhǔn)的水尺零點最小二乘擬合成果見表1。

表1 射陽河口“4號”最小二乘擬合成果

注：水尺零點采用-17.43 m。

(3)基面計算與傳遞。方法一是采用潮汐調(diào)和分析法求解，即在測區(qū)基準(zhǔn)驗潮站，射陽河口“2號”對該站30 d的潮位觀測資料，采用潮汐短期調(diào)和分析法計算出M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4、M6等11個分潮的調(diào)和常數(shù)，見表2。

表2 短期調(diào)和分析成果

收集附近長期站1 a以上的潮位觀測資料，采用潮汐長期調(diào)和分析法求解Sa、Ssa分潮的調(diào)和常數(shù)，由于該項目沒有收集到長期站1 a的潮位觀測資料，現(xiàn)用連云港2007年全年潮位資料做數(shù)據(jù)分析，調(diào)和分析成果見表3。

表3 長期調(diào)和分析成果

最后采用弗拉基米爾法計算出理論最低潮面在平均海平面下的高度L為1.93 m。平均海平面的計算采用面積包圍法，求解同步期平均海平面的高程M為0.19 m。理論最低潮面的1985國家高程基準(zhǔn)高程H=L-M=1.74 m。

方法二是根據(jù)長期潮位站大豐站理論最低潮面與1985國家高程基準(zhǔn)的基面關(guān)系，采用半潮差法將基面關(guān)系傳遞到測區(qū)臨時水位站。大豐站基面關(guān)系見圖5。平均半潮差P=1.81 m，1985國家高程基準(zhǔn)平均海平面D=0.21 m?！?號”潮位站基面關(guān)系見圖6。平均半潮差PX=1.13 m，1985平均海平面DX=0.18 m。

圖5 大豐長期潮位站基面關(guān)系

圖6 “2號”潮位站基面關(guān)系

由上面分析可以看出，通過兩種方法推算基準(zhǔn)站“2號”站的基面轉(zhuǎn)換關(guān)系符合性較好。

(4)潮位改正。對測區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)處理，采用HYPACK三站潮位改正模塊內(nèi)插出各個水深點的潮位，進(jìn)行逐點潮位改正。

4 結(jié) 語

本文對多潮位站海道地形測量潮位控制方法進(jìn)行研究，著重對潮位控制和基準(zhǔn)面計算與傳遞進(jìn)行分析。針對潮位站零點傳遞問題，引入潮位改正中的最小二乘擬合原理，有效地解決了海上臨時潮位站基面?zhèn)鬟f問題。針對測區(qū)理論最低潮面的計算問題，采用半潮差法與潮汐調(diào)和分析法相互驗證，確保求解的基面關(guān)系準(zhǔn)確可靠。