平均海面法在外海高程传递中的应用

王 强，吴 满

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉430060)

引言

在海洋测绘中，经常会出现测区距离陆地较远、周围没有岛礁或无法接收到岸边基站信号的情况，这就导致测量过程中潮位观测成为一个问题。在目前的潮位观测中主要有设立水尺、验潮站、潮位仪、GPS RTK 验潮或根据潮位模型推算等方法。在远离岸边的外海开阔海域，没有岛礁可以架设水尺，修建潮位站难度大、成本高。GPS RTK 作业距离短，受海况、无线电传播距离等因素影响，因此移动站无法接收到岸边基站或网络RTK 的信号。而根据潮位模型推算则面临成本大、周期长、推算精度受多方面因素制约的情况，中小型的测量项目采用该方法并不合适。本文结合具体项目，探讨双潮位仪结合平均海面法进行外海高程传递的方法，并对观测结果进行了验证。

1 高程传递工作原理

1.1 潮汐性质

海水在太阳和月球引潮力的作用下引起的海面周期性的升降、涨落与进退，称为海洋潮汐。在潮汐过程中，海面上升到最高位置时，称为高潮；在潮汐过程中，海面下降到最低位置时，称为低潮。高潮（低潮）前后短时间内海水处于不升也不降的平衡状态，称为高（低）平潮。

根据潮汐周期特点潮汐可以分为全日潮、半日潮和混合潮。其中半日潮即一个太阳日内分别出现两次高潮和低潮，第一次高潮和低潮的潮差与第二次高潮和低潮的潮差基本一致，涨潮过程和落潮过程的时间也几乎相等。

1.2 平均海平面法高程传递原理

平均海平面是指在一定时间内海平面的平均高度，是平静的理想海面。在理论研究和实际应用中，根据不同的目的对平均海面有不同的解释，实际中大量采用的定义如下：

假设潮高为等时间间隔的观测序列T（t）（t=1，2，……，n-1），则定义

为[0，n-1]这段时间内的平均海面。当n取24（1×24），720（30×24）及8 760（265×24）时，相应的平均值对应日平均海面、月平均海面和年平均海面。

平均海面法是利用平均海平面进行高程传递，把岸边验潮站的高程传递到外海验潮站（潮位仪），进而求得外海的水位。

如图1 所示，在岸边和外海测区分别投放潮位仪，自动记录两处的水深数据。设岸边潮位仪投放时水面高程为H0，潮位仪记录此时的水深为T0。岸边潮位仪t 时刻自动记录水深为Tt，外海测区t时刻同步自动记录水深为′。则岸边日平均海面

图1 潮位仪投放方式示意图

根据水运工程测量规范，利用日平均海面进行高程传递时，误差在0.1 m 左右，最大达0.2 m。利用月平均海面进行高程传递时，误差在0.05 m 左右，最大达0.1 m，这与观测时环境条件、观测时长、观测距离等因素有关。假设两处的平均海面相等，即¯则有：

由上式（6）可知，通过获取岸边和外海处潮位仪的水深观测数据，即可求得外海处任一时刻的水位。

2 工程实例

厦门外海某采砂项目，测区距离陆地约25 km，周围没有岛礁，无法设立水尺和验潮站。经过现场检测，基站信号无法传输到测区，网络RTK 信号也没有覆盖到测区范围。经过比较分析，项目采用双潮位仪结合平均海面法进行高程传递，探讨该方法的可行性。

在岸边选择一处小岛周边的渔排放置潮位仪A，选择该处的原因是：1）该处水流缓慢，来往船只少，潮位仪在观测期间稳定，不会有移动或破坏的风险；2）该处海况良好，波浪小，避免潮位仪记录的数据波动明显；3）该处海面开阔，无防波堤或礁石遮挡，最大限度保证该处海域潮汐性质与外海测区潮汐性质一致。在投放时采集水面高程，并记录采集时间。

测区西北侧2 km 左右有厦门某研究所基于厦门潮位模型测得的海底地形图。在该区域内布设垂直的横纵交错的计划线，选择海况较好的天气，在区域中心位置投放潮位仪B，进行自动记录。每 10 min 记录一次，为避免波浪对记录读数的影响，每次记录10 组数据，再求平均值。

沿着计划线进行数据采集，每天均完成横纵计划线的测量。

对潮位仪数据进行整理，得到测区3 天的水位文件，进而得到海底地形数据。

2.1 平均海面采集精度检验

对2 个潮位仪采集的数据进行整理，选取共同时间段，共76 小时。按24 小时划分为3 天，每天潮位仪测得的平均水深见表1。

表1 潮位仪水深数据统计表

由表1 可知，单个潮位仪记录的水深相差不大，由此得到的平均海面比较接近。

2.2 水深精度检验

依据上述水位对所测水深进行梳理，得到测区的海底高程数据。选取图上1 mm 范围内检查线和主测线相交的部分水深数据，比对结果见下表2：

表2 水深数据检验统计表

表2 共统计差值40 个，最大为0.20 m，最小为0.01 m，互差平均值为0.10 m。测深精度满足规范要求。

将自测数据与收集到的基于潮位模型测得的水深图进行比对，选取图上1 mm 范围内的点，比对结果见表3。

表3 两次水深数据对比统计表

表3 共统计差值40 个，最大为0.33 m，最小为0.01 m，互差平均值为0.13 m。

通过表2、表3 可知，采用日平均海面法进行高程传递，基本能够满足外海水深测量的要求。

3 结语

本文通过采用双潮位仪结合平均海面法进行高程传递，探讨了对于外海由于条件限制无法进行常规水位观测时一种可行的观测方法。该方法投入小，实施简便，能够很好地解决外海高程传递的问题。但使用该方法仍有值得注意的地方。

该方法适用于海域开阔、潮汐性质一致和距离小于20 km 的外海，对于其他区域应具体分析现场条件，谨慎使用；

外海潮位仪投放时需进行加固，防止潮位仪在海底滑动；并设醒目标志，以免过往船只或渔网对其造成破坏；

根据规范要求及相关研究，平均海面的传递精度随着同步验潮时长的增加会明显提高，30 天或15 天的同步验潮数据求得的平均海面最大差值为1～2 cm，条件允许情况下可适当增加验潮时长。