平均海面法在外海高程傳遞中的應(yīng)用

王 強(qiáng)，吳 滿(mǎn)

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢430060)

引言

在海洋測(cè)繪中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)測(cè)區(qū)距離陸地較遠(yuǎn)、周?chē)鷽](méi)有島礁或無(wú)法接收到岸邊基站信號(hào)的情況，這就導(dǎo)致測(cè)量過(guò)程中潮位觀測(cè)成為一個(gè)問(wèn)題。在目前的潮位觀測(cè)中主要有設(shè)立水尺、驗(yàn)潮站、潮位儀、GPS RTK 驗(yàn)潮或根據(jù)潮位模型推算等方法。在遠(yuǎn)離岸邊的外海開(kāi)闊海域，沒(méi)有島礁可以架設(shè)水尺，修建潮位站難度大、成本高。GPS RTK 作業(yè)距離短，受海況、無(wú)線電傳播距離等因素影響，因此移動(dòng)站無(wú)法接收到岸邊基站或網(wǎng)絡(luò)RTK 的信號(hào)。而根據(jù)潮位模型推算則面臨成本大、周期長(zhǎng)、推算精度受多方面因素制約的情況，中小型的測(cè)量項(xiàng)目采用該方法并不合適。本文結(jié)合具體項(xiàng)目，探討雙潮位儀結(jié)合平均海面法進(jìn)行外海高程傳遞的方法，并對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 高程傳遞工作原理

1.1 潮汐性質(zhì)

海水在太陽(yáng)和月球引潮力的作用下引起的海面周期性的升降、漲落與進(jìn)退，稱(chēng)為海洋潮汐。在潮汐過(guò)程中，海面上升到最高位置時(shí)，稱(chēng)為高潮；在潮汐過(guò)程中，海面下降到最低位置時(shí)，稱(chēng)為低潮。高潮（低潮）前后短時(shí)間內(nèi)海水處于不升也不降的平衡狀態(tài)，稱(chēng)為高（低）平潮。

根據(jù)潮汐周期特點(diǎn)潮汐可以分為全日潮、半日潮和混合潮。其中半日潮即一個(gè)太陽(yáng)日內(nèi)分別出現(xiàn)兩次高潮和低潮，第一次高潮和低潮的潮差與第二次高潮和低潮的潮差基本一致，漲潮過(guò)程和落潮過(guò)程的時(shí)間也幾乎相等。

1.2 平均海平面法高程傳遞原理

平均海平面是指在一定時(shí)間內(nèi)海平面的平均高度，是平靜的理想海面。在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的目的對(duì)平均海面有不同的解釋?zhuān)瑢?shí)際中大量采用的定義如下：

假設(shè)潮高為等時(shí)間間隔的觀測(cè)序列T（t）（t=1，2，……，n-1），則定義

為[0，n-1]這段時(shí)間內(nèi)的平均海面。當(dāng)n取24（1×24），720（30×24）及8 760（265×24）時(shí)，相應(yīng)的平均值對(duì)應(yīng)日平均海面、月平均海面和年平均海面。

平均海面法是利用平均海平面進(jìn)行高程傳遞，把岸邊驗(yàn)潮站的高程傳遞到外海驗(yàn)潮站（潮位儀），進(jìn)而求得外海的水位。

如圖1 所示，在岸邊和外海測(cè)區(qū)分別投放潮位儀，自動(dòng)記錄兩處的水深數(shù)據(jù)。設(shè)岸邊潮位儀投放時(shí)水面高程為H0，潮位儀記錄此時(shí)的水深為T(mén)0。岸邊潮位儀t 時(shí)刻自動(dòng)記錄水深為T(mén)t，外海測(cè)區(qū)t時(shí)刻同步自動(dòng)記錄水深為′。則岸邊日平均海面

圖1 潮位儀投放方式示意圖

根據(jù)水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范，利用日平均海面進(jìn)行高程傳遞時(shí)，誤差在0.1 m 左右，最大達(dá)0.2 m。利用月平均海面進(jìn)行高程傳遞時(shí)，誤差在0.05 m 左右，最大達(dá)0.1 m，這與觀測(cè)時(shí)環(huán)境條件、觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)、觀測(cè)距離等因素有關(guān)。假設(shè)兩處的平均海面相等，即ˉ則有：

由上式（6）可知，通過(guò)獲取岸邊和外海處潮位儀的水深觀測(cè)數(shù)據(jù)，即可求得外海處任一時(shí)刻的水位。

2 工程實(shí)例

廈門(mén)外海某采砂項(xiàng)目，測(cè)區(qū)距離陸地約25 km，周?chē)鷽](méi)有島礁，無(wú)法設(shè)立水尺和驗(yàn)潮站。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，基站信號(hào)無(wú)法傳輸?shù)綔y(cè)區(qū)，網(wǎng)絡(luò)RTK 信號(hào)也沒(méi)有覆蓋到測(cè)區(qū)范圍。經(jīng)過(guò)比較分析，項(xiàng)目采用雙潮位儀結(jié)合平均海面法進(jìn)行高程傳遞，探討該方法的可行性。

在岸邊選擇一處小島周邊的漁排放置潮位儀A，選擇該處的原因是：1）該處水流緩慢，來(lái)往船只少，潮位儀在觀測(cè)期間穩(wěn)定，不會(huì)有移動(dòng)或破壞的風(fēng)險(xiǎn)；2）該處海況良好，波浪小，避免潮位儀記錄的數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯；3）該處海面開(kāi)闊，無(wú)防波堤或礁石遮擋，最大限度保證該處海域潮汐性質(zhì)與外海測(cè)區(qū)潮汐性質(zhì)一致。在投放時(shí)采集水面高程，并記錄采集時(shí)間。

測(cè)區(qū)西北側(cè)2 km 左右有廈門(mén)某研究所基于廈門(mén)潮位模型測(cè)得的海底地形圖。在該區(qū)域內(nèi)布設(shè)垂直的橫縱交錯(cuò)的計(jì)劃線，選擇海況較好的天氣，在區(qū)域中心位置投放潮位儀B，進(jìn)行自動(dòng)記錄。每 10 min 記錄一次，為避免波浪對(duì)記錄讀數(shù)的影響，每次記錄10 組數(shù)據(jù)，再求平均值。

沿著計(jì)劃線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每天均完成橫縱計(jì)劃線的測(cè)量。

對(duì)潮位儀數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到測(cè)區(qū)3 天的水位文件，進(jìn)而得到海底地形數(shù)據(jù)。

2.1 平均海面采集精度檢驗(yàn)

對(duì)2 個(gè)潮位儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，選取共同時(shí)間段，共76 小時(shí)。按24 小時(shí)劃分為3 天，每天潮位儀測(cè)得的平均水深見(jiàn)表1。

表1 潮位儀水深數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由表1 可知，單個(gè)潮位儀記錄的水深相差不大，由此得到的平均海面比較接近。

2.2 水深精度檢驗(yàn)

依據(jù)上述水位對(duì)所測(cè)水深進(jìn)行梳理，得到測(cè)區(qū)的海底高程數(shù)據(jù)。選取圖上1 mm 范圍內(nèi)檢查線和主測(cè)線相交的部分水深數(shù)據(jù)，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)下表2：

表2 水深數(shù)據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

表2 共統(tǒng)計(jì)差值40 個(gè)，最大為0.20 m，最小為0.01 m，互差平均值為0.10 m。測(cè)深精度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

將自測(cè)數(shù)據(jù)與收集到的基于潮位模型測(cè)得的水深圖進(jìn)行比對(duì)，選取圖上1 mm 范圍內(nèi)的點(diǎn)，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩次水深數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

表3 共統(tǒng)計(jì)差值40 個(gè)，最大為0.33 m，最小為0.01 m，互差平均值為0.13 m。

通過(guò)表2、表3 可知，采用日平均海面法進(jìn)行高程傳遞，基本能夠滿(mǎn)足外海水深測(cè)量的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)采用雙潮位儀結(jié)合平均海面法進(jìn)行高程傳遞，探討了對(duì)于外海由于條件限制無(wú)法進(jìn)行常規(guī)水位觀測(cè)時(shí)一種可行的觀測(cè)方法。該方法投入小，實(shí)施簡(jiǎn)便，能夠很好地解決外海高程傳遞的問(wèn)題。但使用該方法仍有值得注意的地方。

該方法適用于海域開(kāi)闊、潮汐性質(zhì)一致和距離小于20 km 的外海，對(duì)于其他區(qū)域應(yīng)具體分析現(xiàn)場(chǎng)條件，謹(jǐn)慎使用；

外海潮位儀投放時(shí)需進(jìn)行加固，防止潮位儀在海底滑動(dòng)；并設(shè)醒目標(biāo)志，以免過(guò)往船只或漁網(wǎng)對(duì)其造成破壞；

根據(jù)規(guī)范要求及相關(guān)研究，平均海面的傳遞精度隨著同步驗(yàn)潮時(shí)長(zhǎng)的增加會(huì)明顯提高，30 天或15 天的同步驗(yàn)潮數(shù)據(jù)求得的平均海面最大差值為1～2 cm，條件允許情況下可適當(dāng)增加驗(yàn)潮時(shí)長(zhǎng)。