喀什地區(qū)水文測站基本水準(zhǔn)點校測與引測探討

李志峰

(新疆喀什水文勘測局，新疆 喀什 844000)

水文測站最為重要的水準(zhǔn)點為基本水準(zhǔn)點，其他水準(zhǔn)測量成果均需要以水文站基本水準(zhǔn)點作為原始的引測點[1]。近些年來，水文測站基本水準(zhǔn)點和引劇水準(zhǔn)點由于人類活動影響被破壞的影響逐年增多，使得許多水文測站需要對引劇水準(zhǔn)點進行更換和基本水準(zhǔn)點的增加和布設(shè)[2]。而原有基本水準(zhǔn)點的考證、校測以及新基本水準(zhǔn)點重新布設(shè)高程采用等問題，亟待解決[3]。在這些問題中[4-6]，較為突出的兩類問題分別為凍結(jié)基面和沉降影響的高程誤差。水文測站沉降使得引劇點進行水準(zhǔn)測量存在較為誤差，主要表現(xiàn)為隨著沉降值不斷累積，若不進行水準(zhǔn)點重新引測，將會使得斷面測量水位出現(xiàn)虛高現(xiàn)象[7]。不均勻沉降使得不同水文站產(chǎn)生不同的水位失真度，水位出現(xiàn)虛高的同時還是得上下游水位出現(xiàn)相互矛盾的現(xiàn)象[8]。凍結(jié)基面是水文站第一次凍結(jié)的水準(zhǔn)測量面，絕對基面與凍結(jié)基面之間的高程差稱作為“凍結(jié)差”[9]。目前，喀什地區(qū)水文測站85國家基準(zhǔn)高程作為絕對基面，而隨著地面沉降的影響，“凍結(jié)差”有所增大，使得凍結(jié)基面失去了原有的價值，需要在“凍結(jié)差”允許范圍內(nèi)進行水位值修訂，滿足水文分析計算的需求[10]。近些年來，喀什地區(qū)一些水文站由于測驗斷面遷移和人類活動的影響，需要對水文測站基本水準(zhǔn)點進行重新校測和引測，為此結(jié)合工作實際，以庫魯克欄桿水文測站基本水準(zhǔn)點校測和引測中的相關(guān)問題進行探討分析，為其他水文工作者提供借鑒。

1 水準(zhǔn)點校測與引測誤差控制分析

1.1 儀器誤差

(1)在進行校測與引測前雖然對水準(zhǔn)儀進行校準(zhǔn)，但由于殘余誤差影響使得水準(zhǔn)儀汽包居中，使得水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)軸產(chǎn)生偏移，造成數(shù)據(jù)的讀取誤差。一般視距長度與觀測誤差成正比。通過前后視距相等和前后視距總和消除兩種方法進行誤差控制。在實際誤差控制中采用前后視距相等方法的關(guān)鍵在于操作人員，通過立尺可以解決此類誤差，且該方法簡單易行，而前后視距總和消除方法操作較為繁瑣，不建議使用。

(2)一般選用尺長和刻畫誤差較小的標(biāo)尺作為基本水準(zhǔn)點校測與引測的水準(zhǔn)測量標(biāo)尺，為標(biāo)尺的零誤差進行消除，可以在相同水準(zhǔn)觀測段內(nèi)間兩根水準(zhǔn)尺進行交替使用，并把水文站水準(zhǔn)觀測段數(shù)目設(shè)置為偶數(shù)，相互抵消兩個水尺的高程差。同時可降低標(biāo)尺長度和誤差刻畫的影響。

1.2 觀測誤差

(1)水準(zhǔn)汽包未居中誤差使得水準(zhǔn)儀望遠鏡視準(zhǔn)軸產(chǎn)生傾斜，造成數(shù)據(jù)的讀取誤差，水準(zhǔn)管靈敏度與數(shù)據(jù)觀測誤差具有較大的相關(guān)性，讀數(shù)誤差與水準(zhǔn)管的劃分值τ成正比相關(guān)，誤差范圍一般在±0.15τ，誤差計算方程為：

mτ=±0.15τL/2ρ″

(1)

式中：m表示為水準(zhǔn)管到水尺距離(m)；τ為水準(zhǔn)管的劃分刻度值，喀什地區(qū)一般取值為20″；L為水準(zhǔn)器劃分刻度值(mm)；ρ″表示為角度轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值為206265″。

水準(zhǔn)管劃分值和視線值通常為20″和75 m，ρ″=206 265″，因此mτ=0.5 mm。因此嚴(yán)格對中水準(zhǔn)管汽包后，并限值視線長度就可有效消除此類觀測誤差。常規(guī)允許視線長度、前后視差以及水準(zhǔn)儀重復(fù)次數(shù)見表1。

表1 允許視線長度、前后視差以及水準(zhǔn)儀重復(fù)次數(shù)

視差影響。尺像當(dāng)存在視差時不能重合十字絲平面，讀數(shù)不同觀測位置不同，使得讀數(shù)出現(xiàn)誤差，因此每次進行水準(zhǔn)儀進行讀數(shù)時，需要對物鏡進行仔細對光，對時差進行消除。

水尺傾斜誤差。水準(zhǔn)尺若向左或向右有所傾斜，可通過水準(zhǔn)鏡進行視線誤差的糾正，傾斜的角度越大，讀數(shù)影響程度越高。因此在進行水準(zhǔn)點校測與引測一定要完成立尺的準(zhǔn)確布設(shè)工作，使得水尺保持鉛直方立，采用搖尺方法使得圓水尺汽泡保持居中，在水尺底部進行讀數(shù)，上部視線逐步相后移動，對水尺的最小讀數(shù)進行讀取，當(dāng)測量地面坡度較高時，應(yīng)將水尺注意扶直，并對最大讀數(shù)進行限制，轉(zhuǎn)點位置需要重點關(guān)注。

1.3 外部條件影響

儀器下沉。當(dāng)觀測前視和后視讀數(shù)出現(xiàn)較大偏差時表明儀器出現(xiàn)下沉，前視讀數(shù)減小使得高程的誤差值增加。為降低儀器下沉的影響，可采用對儀器高差進行變更和雙面水尺讀數(shù)的方法，首先先對水尺后視讀數(shù)進行讀取后再對后視讀數(shù)進行讀取，其次對前視讀數(shù)進行讀取再對前視讀數(shù)進行讀取，對兩次高差進行平均值計算就可對儀器下沉影響的水尺讀數(shù)誤差進行消除。

水準(zhǔn)尺下沉。水準(zhǔn)儀在遷移過程中轉(zhuǎn)點發(fā)生下沉，使得水尺前后視讀數(shù)加大，若采取重復(fù)觀測方式，第一次觀測高差增加，第二次高差減少，因此需要對兩次的高差進行平均值的處理，可降低水準(zhǔn)尺下沉對讀數(shù)誤差的影響。應(yīng)用尺墊是最為有效的方式，放置尺墊在轉(zhuǎn)點位置，并壓實尺墊，可以避免觀測過程中水準(zhǔn)尺的下沉產(chǎn)生的讀數(shù)誤差影響。

2 精度評定方法

按照水文測量規(guī)范要求，對不同等級下水文站基本水準(zhǔn)點校測與引測的水準(zhǔn)儀觀測精度進行分析，不同等級水準(zhǔn)儀觀測限制差見表2，并對往返測量高差不符合值、環(huán)線閉合差限值進行了要求，見表3。

表2 不同等級水準(zhǔn)儀觀測限制差

表3 往返測量高差不符合值、環(huán)線閉合差限值

在進行測量精度評定時，若觀測水文站水準(zhǔn)觀測超過限值時，應(yīng)進行重新測量。若水文站遷移后發(fā)現(xiàn)超過水準(zhǔn)觀測的限值后，則需要從基本水準(zhǔn)點或者符合限差所設(shè)置的間歇點進行重新測量。在進行水文站基本水準(zhǔn)點校測和引測市，需要每天對水準(zhǔn)儀氣泡進行校驗。若水準(zhǔn)儀在觀測作業(yè)居中氣泡較為穩(wěn)定，則每隔15天進行校準(zhǔn)一次即可。在進行水準(zhǔn)觀測時，對三角架宜使兩腳與水準(zhǔn)路線保持平行，在引測路線拐彎處，每個測點上儀器和前后視標(biāo)尺的3個位置，應(yīng)接近同一條直線。采用同一個水準(zhǔn)儀進行測量時，進行三、四等水準(zhǔn)測量時，不需要進行兩次調(diào)焦，五等水準(zhǔn)測量時不需要進行兩次調(diào)焦，在轉(zhuǎn)動水準(zhǔn)儀傾斜螺旋和測微鼓時，其最后的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)為旋進。使用自動安平水準(zhǔn)儀時，相鄰儀器站應(yīng)交替對準(zhǔn)前后視調(diào)平儀器。每一段往返復(fù)測，其儀器站數(shù)應(yīng)設(shè)置為偶數(shù)，由往測轉(zhuǎn)向返測時，兩標(biāo)尺應(yīng)互換前后站位置，并重新對儀器進行安置。工作間歇時，應(yīng)選擇兩個堅實可靠的固定點作為間歇點，間歇后進行檢測，檢測精度需要符合表2中的指標(biāo)要求。

3 實例分析

3.1 站點概況

庫魯克欄桿水文站位于葉爾羌河流域，為國家基本水文站，站點位于葉爾羌河上游干流，水文站以上集水面積為32 880 km2，水文站由于觀測需要向下游遷移1.5 km建立新的觀測斷面，水位采用直立式鋼板水尺進行觀測，庫魯克欄桿水文站所在測驗河道較為順直，水面寬度約為150 m，大暴雨主要出現(xiàn)在7月中旬至8月上旬。水文站高程為2 000 m，最大年降水量出現(xiàn)在1998年為178 mm，最小降水量出現(xiàn)在1961年，為48.3 mm。區(qū)域暴雨洪水陡漲陡落，全年60%～80%的水量主要集中在夏季的6-8月份。

3.2 基準(zhǔn)點校測與引測結(jié)果

由于水文站的遷移，需要重新進行基準(zhǔn)點的校測與引測，庫魯克欄桿水文站基本水準(zhǔn)點作為其他水準(zhǔn)成果的原始引測點具有十分重要的作用，庫魯克欄桿水文站一般設(shè)置3個以上的基準(zhǔn)點進行相互之間的聯(lián)測，在進行庫魯克欄桿水文站基準(zhǔn)點的增設(shè)和引測時一般需要保持其凍結(jié)基面的穩(wěn)定性，而由于引劇水準(zhǔn)點的布設(shè)原因，庫魯克欄桿水文站基本水準(zhǔn)點和引劇水準(zhǔn)點距離相對較遠，設(shè)站時原有水準(zhǔn)測量河基準(zhǔn)點引測之間存在測量偶然誤差，而此類誤差只要在測量允許范圍內(nèi)測量成果就可以被采用，但由于不同測量誤差使得新舊水準(zhǔn)測量存在一定的差異，新的測量成果被直接采用會造成一定的系統(tǒng)誤差，在進行庫魯克欄桿水文站基準(zhǔn)點校測校核和連測時，測量允許誤差由于距離較近會出現(xiàn)超過誤差限制的情況，這就會使得新基準(zhǔn)點無法使用的問題，本文以庫魯克欄桿水文站水準(zhǔn)測量成果進行舉例說明。

在表4中原始基準(zhǔn)點位于基1和基2，本次引測從引劇水準(zhǔn)點進行，原測高程和新測高程之間的差值均小于測量允許誤差(見表3)，原測高程依舊采用水準(zhǔn)點高程。新增基本水準(zhǔn)點為基3，測量閉合誤差低于誤差允許值，表明庫魯克欄桿水文站水準(zhǔn)測量成果滿足精度要求，測量成果可以被采用，按照水文測量慣例，庫魯克欄桿水文站基準(zhǔn)點高程宜采用2 000 m。當(dāng)基準(zhǔn)點3進行第一個點校測時，其校測高程與原始高程之間的差值低于20 m，第一個校測點具有變動的高程，同時采用基準(zhǔn)點1進行校測，高程差低于5 m，通過對庫魯克欄桿水文站考證，采用新的原始基本水準(zhǔn)點進行校測，得到兩種測量結(jié)果，產(chǎn)生這種情況的原因在于基本水準(zhǔn)點和引劇水準(zhǔn)點在不同水準(zhǔn)測量中存在誤差，要減低此類誤差的一種有效方式是進行基準(zhǔn)點的多次測量，對測量結(jié)果進行平均值的計算。此外在進行新增水準(zhǔn)點的高差平差時首選需要保持凍結(jié)基面的穩(wěn)定不變，再將新增基準(zhǔn)點和原始基準(zhǔn)點進行平差處理，通過誤差修正則為此采用的測量成果，水準(zhǔn)點距離較近時可以直接進行平差改正的處理，提高測量成果的精度。

表4 庫魯克欄桿水文站基準(zhǔn)點校測與引測結(jié)果

4 結(jié)語

(1)使用自動安平水準(zhǔn)儀時，相鄰儀器站應(yīng)交替對準(zhǔn)前后視調(diào)平儀器。每一段往返復(fù)測，其儀器站數(shù)應(yīng)設(shè)置為偶數(shù)，由往測轉(zhuǎn)向返測時，兩標(biāo)尺應(yīng)互換前后站位置，并重新對儀器進行安置。

(2)在進行水文站新增基本水準(zhǔn)點的高差平差時首選需要保持凍結(jié)基面的穩(wěn)定不變，再將新增基準(zhǔn)點和原始基準(zhǔn)點進行平差處理，通過誤差修正則為此采用的測量成果；

(3)庫魯克欄桿水文站基本水準(zhǔn)點和引劇水準(zhǔn)點距離相對較遠，設(shè)站時原有水準(zhǔn)測量河基準(zhǔn)點引測之間存在測量偶然誤差，而此類誤差只要在測量允許范圍內(nèi)測量成果就可以被采用。