高低潮法水位传递高程方法及可靠性分析

杨帆 李广强

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司 广东广州 510230；2．江西地星科技有限公司 江西南昌 330096）

1 引言

高程基准的准确性在水工项目中意义十分重大，如果项目设计高程基准偏低，则有可能造成主体工程被海水淹没，导致灾难性的后果。如果项目高程设计偏高，则大大增加土石方的方量，进而大大增加工程成本。因此，高程基准的准确性对一个项目而言十分重要。

在海洋测绘中，部分海岛距离大陆较远，周围没有国家水准控制点，而且沿海区域高程异常变化无规律可循，无法应用常规的陆地高程测量方法[1]。常规海域高程基准的传递主要有三种实施方法：三角高程测量法受通视条件、垂直折光差和照准误差等影响，无法进行长距离传递高程；GPS水准法则由于高程异常模型难以确定，在实施过程中难以实现；而高低潮法可以利用开阔海水面传递高程，成为一种切实有效的方法。水工项目中对高程控制点精度的要求一般规定需满足四等水准测量规范要求[2]。

下面就肯尼亚某工程项目的实际测量案例，总结实施过程中的方法经验，阐述高低潮法的原理和前提条件，最后对实例工程进行精度评定。

2 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。

根据潮汐周期又可以分为三类：半日潮、全日潮、混合潮。半日潮型：一个太阳日内出现两次高潮和两次低潮，前一次高潮和低潮的潮差与后一次高潮和低潮的潮差大致相同，涨潮过程和落潮过程的时间也几乎相等；全日潮型：一个太阳日内只有一次高潮和一次低潮；混合潮型：一月内有些日子出现两次高潮和两次低潮，但两次高潮和低潮的潮差相差较大，涨潮过程和落潮过程的时间也不等，而另一些日子则出现一次高潮和一次低潮[3]。

3 高低潮法水位传递原理方法

高低潮法水位传递原理是利用高、低平潮期间水位利用海平面进行水尺间的高程传递。分别利用高平潮水位观测数据和低平潮水位观测数据，根据已知水尺零点的高程通过计算平差得到未知水尺水点零点高程。该方法适用于海区潮汐性质和潮时相同地区，观测日期最好选在大潮汛，观测期间，风浪要小，一般风力小于4级风，浪高小于0.3米[4]。

图1 水位高程传递示意图

具体实施方法如图1所示，陆域高程控制点BM1的高程值为H1，SC1零点高程可通过与高程控制点BM1进行水准联测得到观测高差h1，同时，将孤岛区域SC2的零点高程与新埋设的高程控制点BM2进行水准联测得到观测高差h2。然后，选择风浪条件好、大潮汛时间段内进行水位观测获得SC1和SC2水尺的高、低平潮的数据，并平差计算得出SC1零点高程和SC2零点高程之间的高差Δh。由于陆地BM1高程已知，则待定点BM2高程H2可以根据公式1得出。

根据现行《水运工程测量规范》，采用高低潮法，应以各组高低平潮平均值推算高差的平均值作为传递高差值；观测时间间隔和各组高低平潮平均值推算高差互差应满足表1的规定。

表1 高低潮法观测时间间隔和推算高差互限限差

4 工程案例

4.1 工程背景

肯尼亚某工程项目位于肯尼亚港口城市蒙巴萨市，为满足规划设计阶段测量的需要，需要在该区域测设平面及高程控制点以满足勘测及后续阶段测量要求。

图2 项目控制点及水尺位置示意图

如图2所示，BM1为已知高程控制点，位于蒙巴萨港西南区域，由于港区已知控制点和孤岛新埋设的控制点BM2隔海相望，且控制点BM1与控制点BM2相距约2.4公里，两控制点被海峡分隔，且两点相距较远。因此，传统水准测量和三角测量无法实施，这时待测控制点高程与已有控制点高程之间可采用高低潮法进行跨水面高程测量。

4.2 水位站布设

如图4-2所示，设立SC1和SC2用来观测高低潮水位高程，其中SC1设立采用悬垂式水尺，位于蒙巴萨港码头西南角，用带重锤的卷尺测量水面距离水尺的高差，记录水尺位置到水面的高差。则水位=水尺高程-高差，示意图如图3所示。

图3 悬垂式水尺

SC2设立采用直立式水尺，位于孤岛区域的海边，用带有刻度的水尺片直立绑定在预制的木桩塔架上，记录水尺读数，水位=水尺高程+水尺读数，示意图如图4所示。

图4 直立式水尺

4.3 数据分析及评价

SC1零点高程采用电子水准仪按照四等水准测量法与控制点BM1进行联测得到BM1与SC1的高差h1，其中，BM1的高程值H1=7.628m，BM1到SC1的高差为h1=0.028m，则SC1零点高程H2=7.656m。同理，SC2零点高程与新埋设控制点BM2进行联测得到BM2与SC2的高差h2=13.065m。SC1零点高程与SC2零点高程之间的关系示意图如图5所示。

水位观测从2015年12月18日至2015年12月21日，同时对SC1和SC2观测高潮和低潮水位。观测时应根据当地潮汐预报表，在高潮或低潮前1小时前开始观测，至落潮或涨潮时观测停止，同时检查各高潮或低潮观测数据之间的互差，当两者互差超限时，应查明原因，予以重测。

图5 SC1零点与SC2零点关系示意图

表2 高低潮水位观测表

根据表2数据，可以计算得出水尺差值平均值H：

其中H1、H2、H3及H4是每次潮差水尺差值，见表2.

则SC2零点高程=SC1零点高程+高差（H）=

每对高低平潮观测的中误差：

高差中误差：

根据四等水准测量规范可知，我们按照四等水准测量要求，水尺间相距距离为2.4公里，高差限差根据公式

注：（6）式中R是附合或环线路线长度，这里我们取直线距离最小值为2.4公里。

根据（5）式和（6）式比较：

由（7）式可知高低潮水位传递法高差中误差满足规范中对四等水准测量的限差要求，成果可靠。

同时，我们还对所有埋设控制点进行GPS静态观测，并使用Trimble公司TBC软件进行静态数据解算，得出GPS控制网平差解算报告。在本报告中，拟合解算得出的待定点BM2高程值与水位传递高程结果相差较小，差值为1.3cm，这也映证了水位传递高程这一方法的可靠性和实用性。在某些跨江、跨海等地区，当传统水准测量难以实施时，可以选择使用该方法。

5 结论

通过上述计算分析可以得出以下几点结论：

（1）水位传递高程方法实施起来比较容易，计算简便，成果精度满足工程规范要求；

（2）水位传递高程方法适用于潮汐性质相同，最佳观测时间是大潮汛期间，该时间段内高低平潮时间较长，有利于观测；

（3）在风浪较大地区，建议采用自动验潮仪进行水位观测，避免人工读数造成误差太大。