同步期平均海面高程测量

李杰方

（广东邦鑫数据科技股份有限公司，广东 广州 510000）

水深测量中，根据从测深仪获取的实时自然水深数据，结合潮位数据得到目标基准面下的水深值，潮位作为水深测量改正的一个重要数据，影响着水深的准确性。当前，常用的长距离跨海高程传递方法主要有GPS高程法、静力水准法、人工验潮法等。GPS高程法得到的是大地高，大部分区域难以收集似大地水准面精化模型成果；静力水准法只能应用于离大陆附近岛屿的高程传递，技术难度大且成本较高；人工验潮法又因为大部分外海海域无布置验潮站的合适位置，即使有的话也缺少起算水准资料。在近岸水深测量时，目前常用的方法是在靠近陆域海岸的稳固建构筑物上布设验潮工作点，通过自记水位计或人工验潮方式获取潮位数据，获得水深的潮位改正数。而在沿海、外海，绝大部分海域无固定位置布设临时验潮站，加之潮时差的影响，仅靠陆域海岸的潮位数据是不科学的，难以准确获取目标基准面下的水深值。因此，在难以传递高程或无条件布设验潮工作点的海域，潮位数据的准确获取是水深测量的重点难点问题。在实际工作中，往往作业时间短于潮位同步观测所需时间，测量单位极少采用同步期平均海面法来传递高程，对其可行性也较少评定。

1 同步期平均海面法高程传递原理

同步期平均海平面法高程传递是在潮汐性质相同的两个区域设立临时验潮站，此两个区域的日平均海平面差值较小，不同时间段具有相同的变化规律。《水运工程测量规范》对于跨水面高程测量规定：在10~50 km的距离采用同步期平均海面法，应以同步期平均海面推算高程作为传递高程值，其连续观测时间为不少于7天，观测时间段为高低平潮前、后半小时，时间间隔为10 min。

自记水位计需要固定安装，记录海水密度、压力等因素，换算成换能器底部至水面的距离。陆域侧自记水位计的底部高程根据已知水准点按四等及以上等级要求引测至临时验潮站，根据瞬时水面至临时验潮站的距离及同时刻自记水位计读数推算自记水位计底部标高。采用自记水位计同步连续记录陆域及外海两个区域不少于7天的数据，根据日平均海平面近似相等的原理，结合自记水位计记录的不少于7天平均数据，推算出外海自记水位计底部高程，从而完成跨海高程传递。

如下图1所示，利用不少于7天的平均海平面近似相等原理，假设水准点高程为HBM1，水准点至陆域侧验潮工作点的高差为a，验潮工作点至陆域侧水位计底部的距离为△H，陆域侧水位计底部至海面在不少于7天的平均读数为Ã，故：

图1 同步期平均海平面法高程传递示意图

根据外海自记水位计底部高程结合测量期间自记水位计读数，可推算出测量期间的潮位数据，如果外海有固定验潮工作点，可推算出验潮工作点的高程。

2 同步期平均海面法应用案例

2.1 项目背景

以本公司2021年3月实施的辽宁锦州港航道改扩建项目为例，该项目内航道位于锦州港与葫芦岛间，外航道周围无码头岛屿，航道全长约48 km，需进行水深测量为疏浚提供参考数据。采用多波束测深系统进行数据采集，测深系统是目前精度最高的一种，因此，验潮工作点的布设位置及潮位数据的准确性在水深测量中起着至关重要的作用。从收集的资料显示，该海域属规则半日潮，外航道约41 km且无条件布设验潮工作点，加之潮时差，陆域侧的潮位数据不能直接用作外航道的水深改正，潮位数据的获取成为本项目的重点难点问题。

2.2 验潮工作点布设、潮位数据获取

本着适用、经济、准确、可靠的原则，在锦州港固定式码头设立验潮工作点CW01、CW02， 葫芦岛固定式码头设立验潮工作点CW03，同时在附近埋设工作水准点；外航道在K25+500及K42+000处设立2个临时验潮工作点CW04、CW05。点位分布均匀，涵盖测区。

图2 验潮工作点布设

作业前，对已知三等水准点按附合水准路线进行复核，复核结果如下表1所示，检测高差较差均小于允许限值，满足规范要求。以靠近验潮工作点的水准点JL、BM02作为起算点，采用电子水准仪按四等水准观测技术要求测量水准点与验潮工作点CW01、CW02、CW03之间的高差，推算出各个验潮工作点的高程HA、HB、HC。观测前各项精度指标均按相应的观测等级输入仪器，超限时自动发出警告，保证作业过程的符合性。

表1 已知水准点复核结果 单位：m

陆域验潮工作点采用自记水位计记录，时间间隔设置为10 min，用2 cm粗绳下挂15 kg铅坠，垂直下放至海底，水位计悬挂于铅块上方50 cm处，确保在最低潮时自记水位计不漏出水面。分别量取验潮工作点至水位计底部的垂直距离L1、L2、L3，获取CW01、CW02、CW03处自记水位计底部高程H1、H2、H3，根据自记水位计实时读数a1、a2、a3，得到实时潮位数据C1、C2、C3，同时以人工验潮的方式进行验证。以CW01站为例，H1=HA-L1，C1=H1+a1，同时采取人工吊皮尺的验潮方式予以验证，最大差值为3 cm，平均差值为1.2 cm，此方式获取的潮位数据准确可靠。根据不少于7天的连续观测获取的潮位数据，取均值求取陆域各个验潮工作点处的平均海平面高程M1、M2、M3。

外海验潮工作点CW04、CW05为临时验潮站，把自记水位计（图3）安装在重件式支架上（图4），使之下沉至平坦海底，并在上方悬挂浮球，方便后续回收。取不少于7天某一时段陆域各个验潮工作点处连续观测的平均海平面的平均值M，M=（M1+M2+M3）/3，根据同一时段CW04、CW05处的自记水位计读数均值a4、a5，按同步期平均海面法传递高程，得到CW04、CW05处的自记水位计底部高程H4、H5，即H4=M-a4， H5=M-a5。根据自记水位计实时读数a4’、a5’，得到实时潮位数据C4、C5。

图4 重件式支架

2.3 数据处理

首先根据陆域侧验潮工作点高程及验潮工作点至自记水位计底部距离，推算出各自记水位计底部高程H1=-0.50 m，H2=-1.67 m， H3=-1.32 m（高程基面均为当地理论深度基准面，下同）。然后利用2021年3月21日18时至2021年3月31日12时各验潮站的自记水位计同步观测数据平均值，分别求取CW01、CW02、CW03处平均海平面高程M1、M2、M3，见表2。

表2 平均海平面推算 单位：m

根据表2，按算术平均值法求取航道内段的平均海平面高程为1.71m，按同步期平均海面法进行高程传递，结合外海临时验潮站CW04、CW05同一时间段自记水位计读数，推算出CW04、CW05处水位计底部高程H4、H5，并根据自记水位计在作业期间的实时读数，从而获得测量时间段外航道所需潮位数据，见表3。

表3 海上临时验潮站水位计底部高程推算 单位：m

测深仪所测水深根据 CW01、CW02、CW03、CW04、CW05处获取的潮位数据进行多潮位改正，得到目标基准面下的水深值。

2.4 数据分析

为验证潮位数据的可靠性，通过相邻验潮工作点最大潮高差和最大潮时差、相邻多波束条带的重叠吻合情况、主测线与检查线的吻合情况、预报潮位以及海洋权威部门在近期不同时间、不同潮时所测的水深进行分析，分析结果如下：

（1）大潮、低潮间，同一时刻相邻验潮工作点的最大潮高差出现在涨潮或退潮时，最大差值为0.58 m，小于《水运工程测量规范》允许的1 m； 最大潮时差为25 min，小于《水运工程测量规范》允许的2 h。

（2）多波束相邻条带数据在不同的时间段测量，在整体数据处理后，选择任意2条相邻测线单独处理，条带边缘搭接重合较好，无出现上下断层情况；同时对比重合区域的水深数据（水深小于20 m时中误差为0.2 m，水深大于20 m时中误差为0.1倍水深值，取二倍中误差为限差，以下主、检比对同理），参与计算1 025点，粗差个数为35点，粗差率为3.4%，小于5%。

（3）检查线与主测线的水深进行交叉点比对，参与计算350点，粗差个数为11点，粗差率为3.1%，小于5%。

（4）获取的潮位数据与收集的附近海域预报潮位进行比对，同一时刻最大潮差为0.27 m，平均差值为0.11 m，满足作业需求。

（5）实测水深与海洋权威部门在近期不同时间、不同潮时所测的水深进行比对，交叉处参与计算280点，粗差个数为11点，粗差率为3.9%，小于5%。

3 结论

水深测量时，潮位数据是一个重要的水深改正数，在部分海域环境下，通过同步期平均海面法计算的潮位数据用于水深改正，水深精度可靠，中误差能满足规范要求，有效解决了航道测量时外航道潮位数据获取较困难的问题。因此，在潮汐性质相同，离岸50 km范围内，同步期平均海面法传递高程是获取潮位数据的一种有效途径，在长航道水深测量时可推广应用。