海图深度基准面的确定

史晓平，石景元

(东海航海保障中心 上海海事测绘中心， 上海 200090)

海图深度基准面是海道测量中将动态瞬时水深归算到海图图载水深的直接水位控制基准。海图深度基准面的确定，既要充分保证船舶航行安全，又要保持较高的航道利用率，还要确保其在较大海域范围内呈线性变化，因此既不能设定过高，又不能设定过低。受计算资料、计算方法、潮位站离散分布和区域水文潮汐特征变化等多种因素的影响，海图深度基准面长期存在不一致、不平衡和不统一等问题。近年来，已很多学者[1-5]针对现行规范中的理论最低潮面算法问题进行研究，但对其他影响因素的研究较少。对此，本文从深度基准面确定的历史和现状出发，全面分析各种影响因素，提出综合解决方案，为深度基准面的统一和相关规范的修订提供理论基础和实践参考。

1 深度基准面确定方法

根据《海道测量规范》(GB 12327—1998)[6](以下简称《规范》)，我国沿海港口深度基准面采用理论最低潮面。长期和短期验潮站的理论最低潮面的确定方法是:通过对30 d水位观测资料进行调和分析，分别得到8个天文分潮Q1、O1、P1、K1、M2、N2、S2、K2和3个浅水分潮M4、MS4、M6的调和常数;通过对1 a的水位观测资料进行调和分析，分别求得2个长周期分潮Sa和Ssa的调和常数(短期站引用其相邻长期站Sa和Ssa的调和常数)，采用弗拉基米尔法求得理论最低潮面。计算模型为

L=(fH)k1cosφk1+(fH)k2cos (2φk1+2gk1-180°-gk2-

(fH)M4cosφM4+(fH)M6cosφM6+(fH)MS4cosφMS4+HSacosφSa+HSsacosφSsa

(1)

式(1)中:L为理论最低潮面在平均海面下的值;H、g和f分别为13个分潮调和常数的振辐、迟角和节点因数。

临时验潮站的深度基准面一般根据邻近潮汐性质相同的2个长期验潮站或短期验潮站的深度基准面，采用带权内插法求得，计算式为

(2)

式(2)中:DA和DB分别为A站和B站到临时站的垂足的距离。

海上定点验潮站深度基准面的确定:若资料序列较长，可根据15 d水位观测资料，采用调和分析法求得Q1、O1、P1、K1、M2、N2、S2、K2分潮的调和常数，按式(1)计算理论最低潮面；若资料序列较短，可根据1次或3次24 h观测的水位资料，采用准调和分析法求得M2、S2、K1、O1分潮的调和常数。理论最低潮面为

(HM2+HS2+HK1+HO1)

(3)

式(3)中:(HM2+HS2+HK1+HO1)i为临时站附近长期站的调和常数;n为长期站个数。

2 深度基准面确定存在的问题

在确定深度基准面过程中，由于验潮站类型不同、计算方法和计算资料存在差异及区域水文潮汐特征变化等原因，存在海图深度基准面前后不一致、不同海图图幅深度基准面不统一和深度基准面计算值偏小等问题，直接影响海道测量水深改正的精度。

2.1 计算方法问题

根据《规范》，长、短期验潮站采用弗拉基米尔法计算理论最低潮面，在实际应用时，该方法得出的L值往往偏小，出现大量的负潮位现象。考察弗拉基米尔法的计算过程，在处理天文分潮时，为求取极值，将多变量函数变为以K1分潮相角为自变量的单自变量函数，会使最终计算值产生偏差:对于浅海分潮和长周期分潮的改正，是在取极值时的K1分潮相角处获得的，而不是所有分潮的综合极小值，可能体现不出这几个分潮的贡献；在长周期分潮处理时，没有考虑分潮S2的迟角gS2的不同表达式，导致出现错误的结果。对此，文献[4]和文献[5]分别对弗拉基米尔法进行改进。

按照理论最低潮面的定义，其计算是对已知函数求取极值的过程，利用13个分潮的调和常数，通过逐点预报推算的方式直接求取；该方法可得到最准确的理论最低潮面,但需要进行超长时间段的计算(几万年到几十万年)，过去受限于计算机技术水平难以实现，如今已不再是问题。本文以舟山地区5个长期验潮站2014年的数据计算为例，分别采用直接预报法、弗拉基米尔法、文献[4]和文献[5]中的方法计算L值，结果见表1。

表1 理论最低潮面计算值 m

由表1可知:采用弗拉基米尔法计算得到的L值明显小于直接预报法；采用文献[4]方法的计算值虽然相较于规范规定的弗拉基米尔法增大，但仍小于直接预报法；采用文献[5]方法的计算结果与直接预报法基本一致。

2.2 计算方法不一致问题

我国的海图深度基准面计算方法有一个演变过程，潮位站深度基准面一旦确定，一般不得改变。因此，不同站的深度基准面可能是采用不同的方法计算得到的。例如上海港吴淞站采用最低低水位，横沙、长兴等站采用理论深度基准面，舟山六横等站采用理论最低潮面。在一个区域内，由于验潮站分类不同，计算方法各不相同，造成计算结果存在精度误差，各类验潮站的基准面不平衡。以长江口南支航道为例，由于各站深度基准面的确定方法不同，其沿程变化存在明显的差异，有的站之间变幅较缓，有的站之间变幅较陡，见图1。

图1 长江口南支各站深度基准面沿程变化

2.3 计算资料的选取问题

在实际计算中，根据不同时段的潮位资料分析所得调和常数不同，据此计算得到的L值也有差异。以长江口A站为例，其2013年1—12月的L值计算结果见表2。

表2 长江口A站2013年1—12月的L值计算结果 m

由表2可知：各月的数据计算结果均不同，最大值与最小值相差0.56 m。不同年份开展深度基准面计算采用的观测资料不同，造成数据直接计算结果得出的深度基准面前后不一致。该问题在计算短期和海上定点验潮站基准面时非常普遍。

2.4 陆海垂直基准不统一

我国陆地地形图的高程基准采用1985国家高程基准，与海域的深度基准存在明显差异[7]；对于短期、临时和海上定点验潮站来说，潮位资料的采集和深度基准面的确定往往未与1985国家高程系统连接。在开展深度基准面计算时，一般是在局部范围内进行，如1个港口或1条航道。不同的区域采用不同时间序列的资料计算深度基准面，或引用不同长期验潮站的数据，会造成相邻区域深度基准面不平衡，区域间基准面存在剪刀差，导致海图无法拼接。深度基准面的跃变见图2。由图2可知:D1潮位站控制的图幅与D2潮位站控制的图幅在拼接处存在α的差值。

图2 深度基准面的跃变

2.5 区域水文潮汐特征变化影响

受区域上游来水、区域内涉水工程建设、气候变化和海平面上升等因素的影响，区域水文潮汐特征会随着时间的推移而产生变化。如长江口地区，自1971年以来基准面未作调整，通过近年资料计算发现，各站深度基准面已有较大变化(见表3)。

表3 长江口沿程各站深度基准面变化 m

由于基准面调整涉及较多因素，一经确定一般不得变动，即使产生较大的变化也难以及时调整，由此产生的问题不仅是与周边验潮站的基准面的差异，更会对航行安全产生不良影响。

2.6 深度基准面发布缺乏权威机制

目前，深度基准面的确定和发布尚无一级权威部门核准和认定。相关涉水单位根据各自需要，自行设站观测潮汐、确定深度基准面并付诸应用，深度基准面不统一，直接影响港口、航道和海洋工程建设。2018年舟山港航局在开展鼠浪湖航道炸礁工程时，设计单位引用未经海事部门核准的深度基准面，航道验收检测时发现部分区域实测水深小于设计值10 cm，致使该部分航道需重新炸礁，造成巨大的经济损失。

3 对策与建议

3.1 统一深度基准面确定方法

针对弗拉基米尔法存在的问题和深度基准面计算方法前后不一致等问题，为保证航行安全应推进相关技术规范持续更新，统一采用直接预报法或改进的弗拉基米尔法计算深度基准面。

针对计算资料不同产生的差异，可采用归化法来解决。归化法的原则是使季节差异达到最小。分别计算临时站和相邻的长期站的同步期L值，将长期站L值与同步期L值的差值转引到临时站上，计算式为

La=la+Lb-lb

(4)

若长期站L值与同步期L值的差值较大,计算式为

La=laLb/lb

(5)

式(4)和式(5)中:La和Lb分别为临时站和长期站理论最低潮面与多年平均海面的高差；la和lb分别为临时站和长期站同步期L值。

大量实例表明:在较小的区域范围内，L值的季节变化具有良好的空间一致性。因此，在长期站L值不变的情况下，归化法可有效消除季节性差异，使不同资料序列计算的结果相一致。

1995年国际海道测量组织推荐采用最低天文潮面作为海图深度基准面。[8]其原理是至少由1 a或1 a以上的实测数据经调和分析计算出调和常数，预报19 a或更长时间序列的潮位，取最低潮位作为最终所求的最低天文潮面，其L值为

(6)

式(6)中:n为分潮个数。

预报潮位时采用的分潮有多种取法，可只取天文分潮，也可附加浅海分潮和长周期分潮。附加分潮时，计算原理与直接预报法一致。由于选取的分潮不同，计算结果存在差异，只取天文分潮时计算值偏小。因此，从保证计算结果的一致性和准确性角度考虑，仍推荐采用直接预报法。

3.2 加强水文控制网与高程控制网建设

1) 要加强水文控制网建设，合理布局水文台站，为深度基准面计算提供更长系列、更为准确的基础资料。要将沿海水文站点纳入海上交通支持服务系统[9]，统一建设标准，建立中央和地方两级财政互补的建设养护投资体制，在各地港口航道规划建设过程中同步考虑水文站点建设，以保证水文站运行的稳定性。

2) 要加强高程控制网建设。积极推进陆、海垂直基准转换与统一，通过构建沿海高精度似大地水准面模型，将陆域高程传递到海上，实现陆、海垂直基准的统一，为沿海深度基准的平衡奠定基础。[10]

3.3 建立深度基准面计算、校核与发布机制

我国沿海各验潮站分别隶属于海事、海洋和水利等涉水相关部门，在台站管理、资料采集处理和行业规范标准等方面相对独立，资料互通共享不够。为此，应加强相互沟通和协调工作，统一开展深度基准面计算，以消除深度基准面不统一的问题。

应积极转变现行深度基准面不得调整的固有观念。由于历史的局限，现行深度基准面存在着诸多不适应问题，有必要根据实际情况重新计算并进行调整和完善。调整的核心和关键在于建立科学合理的深度基准面调整机制，并由权威部门核准和发布，在一定时期内不作变动。

4 结束语

海洋测绘是推动实施交通强国、海洋强国战略必不可少的基础性工作，而海洋测绘数据成果必须统一到深度基准面才有意义。实现海图深度基准面的平衡和统一可为测海用海一盘棋提供技术支撑，为我国军事海洋学、海洋科学研究和海洋工程的测量准确性与安全性提供保障。本文分析了海图深度基准面确定过程中存在的各种问题和产生原因，提出了相应的解决方案，为实现海图深度基准面的平衡和统一提供了有益的参考。