黄河三角洲附近海域地形测量最佳时段确定

王万战 吴嫡捷

摘要：为减小黄河三角洲附近海域地形高程测量误差，利用渤海潮汐平面二维数学模型和2015年黄河三角洲附近海域大范围加密地形测量资料等，首先研究了三角洲岸边有、无潮滩对测验断面沿程水位及海底高程计算结果的影响，发现验潮站位于有、无潮滩的岸边时，岸边与断面测点同步水位都具有越向深水区差值越大的特点，但是当验潮站位于有潮滩的沟道时，潮滩附近出现陡坎式水面线，岸边与断面测点同步水位差值还会在浅水区出现极大值，岸边与测点同步水位差值最大为1.3m。基于水位引用造成的断面高程平均误差最小化原则，给出了渤海湾、莱州湾地形测量典型断面最佳测量时段：渤海湾有潮滩的断面最佳测验时段是高潮前、大潮后的低潮前，无潮滩的断面测量则是低低潮前、后和高低潮前、后；莱州湾无潮滩断面最佳测验时段是低低潮与其前、后高高潮之间，有潮滩的断面则是低高潮前、后和高高潮前。最佳测量时段长占一个潮周期的25%～50%，这些时间断面测量平均误差较小，为0.04～0.12m。

关键词：高程误差；潮位；测量时机；海底地形测量；黄河三角洲海域

中图分类号：P229；TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.005

海域地形测量是计算海岸冲淤、绘制航海图、进行河海管理的基础。黄河三角洲附近海域地形测量存在的问题是缺少海域测深点测量时的瞬时水位。大面积开敞海域水位测量可以使用卫星高度计等技术，但是此技术不适合封闭或半封闭海域。目前，利用GPS、岸边基站和移动站的动态后处理海上测量技术还在探索阶段，我国东部沿海附近海域地形测量仍采用海域测深、岸边设临时验潮站测水位的传统方法，应用这种方法时，测量部门假定海域测量时的水位等于测量断面岸边附近临时验潮站的实测水位，而文献使用测量范围较小的地形资料和渤海潮汐平面二维数学模型研究证明这个假定是不成立的，并可导致平均0.3m、最大0.6m的计算误差，但是文献[3]没有给出如何选择适当的测量时段来最大限度地减小因水位假定不当带来的海底高程计算误差。另外，目前的测验范围也比该文献的测验范围大。本文利用渤海潮汐平面二维数学模型，基于2015年观测的大范围、130个地形测量断面资料，深入研究渤海湾、莱州湾岸边有、无潮滩对水位引用假定造成的海底地形高程计算误差的影响，提出了减小三角洲附近海底地形高程计算误差的最佳测量时机，以期为减小近海海底地形测量和高程整编误差提供技术支撑。

1 计算原理

1.1 近海海底地形高程测量及整编传统方法

人民治黄几十年来，黄河三角洲附近海域地形测量范围逐渐扩大，常规测量设有36个断面，每年测量一次。近年来，每隔约5a加密测量断面（130个断面）测量一次，目前测量范围见图1和图2。图1中数字编号对应13个长期潮位观测站，其中2为旅顺新港、3为鲅鱼圈、4为锦州港、5为山海关、6为秦皇岛、7为京唐港、8为塘沽、9为黄烨港、10为东风港、11为东营港、12为莱州港。图2显示黄河三角洲岸边设有18个临时验潮站，其中湾湾沟口、小岛河口等14个验潮站位于有明显潮滩的支流河口上，孤东、十八井等4个验潮站位于无潮滩的岸边。图2草绿色为潮滩，红、黑色圆点分别代表向海侧附近有、无潮滩的验潮站。

测量断面某点的高程（Hb）是通过测点的瞬时水位（Z）减去该点瞬时实测水深（h）得到的，即Hb=Z-h（见图3）。问题是测点在海域，没法安置人员测量测点处的实测瞬时水位。考虑到岸边可以安排人员测量水位，于是整编假定海域深水区某测点测量瞬时水位等于该测量断面岸边附近临时验潮站同步实测水位。

1.2 模型建立和验证

本研究所用的渤海潮汐平面二维模型包括水流连续方程及东西、南北方向的动量方程，由于测量期间均选用好天气，因此模拟中不考虑风浪作用。

模型范围包括大连至烟台断面以西的渤海区，模拟面积82700km2，网格数6831个，模拟包括通过黄河三角洲流人渤海的河流，如黄河以及杨克君沟、小清河等（见图2）。黄河人海流量采用当年的利津站流量过程。大连至烟台之间的潮位过程依据大连、烟台的潮位过程线直线内插。三角洲附近海域地形采用2015年测量的海域地形。模型中的糙率、水流涡黏系数取值见文献。

黄河三角洲岸边某个临时验潮站的观测时间随着附近测验断面测验工作的完成而结束，因此每个验潮站的测验时间都是不同的，而黄河三角洲以外的环渤海潮位站有长期的潮位观测资料。由2015年典型潮位站模拟水位与实测水位对比可知，典型潮水位观测站模拟与实测潮位过程线基本相符，高潮和低潮模拟值和实测值相差不超过0.2m，高、低潮相位也与实测值基本相等，因此所用的渤海潮汐平面二维模型基本能够反映渤海包括黄河三角洲附近海域潮汐的实际情况。

2 结果分析

2.1 近海测量断面测点最大可能误差分析

首先分析潮滩对水位的影响。以断面12（见图2）为例，求该断面各个测点的最大可能误差。沿断面12从岸边到深海共有125个测点。测验时间从2015年1月10日到12月31日，得到每小时各个测点的水位（Hit，i=1，…，125）。把第一个测点（HIt）当作岸边验潮站，把该断面每个测点在每个时刻的模拟水位（HIt）减去岸边第一测点同一时刻的相应水位（HIt），可得到该断面125个测点在每个时刻的水位差值（Hit-HIt），取其绝对值后得到每个测点在某个时刻（t）由水位引用假定造成的“高程误差”（下文简称“误差”）。取每个测点在上述时段的最大可能误差值（見图4），可见断面12的125个测点中有两个位置出现最大可能误差值，一个出现在离岸最远的断面端点（1.135m），另一个出现在距岸边约25km处（第25个点，1.141m），两个最大误差值之间形成了一个最大可能误差带，即最大可能误差沿测量断面形成台阶式分布。查数据可知出现最大误差时岸边潮位正在低潮，时间约为12月26日22时，此时刻该断面瞬时水面线呈陡坎状，岸边潮滩处水位明显高于较远的测点（见图4）。

接着分析岸边无潮滩的情况，在同样的时间范围内用同样的方法分析断面66最大可能误差。该断面附近设有孤东验潮站。沿该断面从岸边到深海共有166个测点，得到各测点在上述时刻出现的最大可能误差（见图5），可见该断面166个测点中只有1个测点的最大误差值为1.1m，位于离岸最远的断面端点。查数据可知出现最大误差时岸边潮位正在低潮（5月16日10时），此时瞬时水面线在岸边无陡坎形态。

用同样方法分析了黄河三角洲18个验潮站附近断面的情况，发现最大可能误差分布很有规律性，大致分为两种类型：第一种类型为三角洲岸边有潮滩的断面（见图2），一般有两个最大可能误差，一个出现在靠近岸边的地方，另一个出现在离三角洲岸边验潮站最远处，两者之间形成最大可能误差带，统计模拟结果发现误差带最大可能误差为0.5～1.3m，即最大可能误差沿测量断面形成台阶式分布：第二种类型为三角洲岸边无潮滩的断面，最大可能误差出现在距离岸边验潮站最远的一端，最大可能误差为1.1m，即最大可能误差沿测量断面形成斜坡式分布。

2.2 潮滩对潮汐过程的影响

为了进一步认识潮滩对当地潮位的影响，用渤海潮汐平面二维数学模型分别模拟了有、无潮滩对潮汐的影响。考虑到孤东围堤前海岸冲刷，原来的海滩已经消失，目前此处海底高程约为-3.5m（黄海高程），同时还考虑到三角洲北部潮滩高程都高于-3.5m（黄海高程），因此把三角洲北部潮滩挖至-3.5m（见图6），分别进行有、无潮滩情况下渤海潮汐模拟。利用模拟结果，分析北部海岸断面有、无潮滩情况下模拟时期瞬时水面线和潮位过程线，发现有、无潮滩时潮滩位置的潮位过程线在中、高潮时水位差别不大，但在有潮滩情况下低潮位明显高于无潮滩情况下的低潮位，而且此时测量断面瞬时水面线在岸边形成陡坎状。

2.3 基于水位引用误差最小化的测量时段选择

上述研究表明，由于潮汐是时空变化的，因此任意一个测量断面的岸边水位可能高于、等于或低于断面上其他点的水位，同时考虑到实际测量工作中任意断面的测量都不可能在某一个瞬时完成，而是在一个时段内完成，因此为了最大限度地减小断面测点水位与岸边水位的差值绝对值，必须动态地确保该断面上所有测点测时水位和岸边水位“差值”的绝对值之和最小，即误差之和最小，此时段即为断面测量最佳时段。

2.3.1 渤海湾有潮滩断面

以断面12为例分析如何得出最佳测量时段。统计以往断面观测情况发现，最短的断面测量时间约为2h，断面测点数约为120个，即测量最顺利时1min能够完成1个测点的测量，本文暂采用此测量速率来分析得出断面最佳测量时机。设断面12有125个测点。计算步骤如下。

（1）暂先选择测量于6月19日0时0分开始、6月19日2时4分结束。用上述渤海潮汐模型模拟给出每个测点每分钟的潮位。第1个测点代表岸边验潮站，在0时0分完成，第2个测点在0时1分完成，以此类推，第125个测点在2时4分结束。第1个测点到第125个测点测时水位减去同步的岸边水位后取绝对值，最终得到每个测点的平均误差为0.1480m。

（2）以此类推，最后一个时段选在6月21日9时56分开始，12时结束，求出每个测点的平均误差为0.4555m。

（3）点绘岸边第1个测点潮位过程线和断面12测点水位“平均误差”过程线（见图7）。由图7可知，在一个潮周期中，断面12测点水位平均误差最小为0.06m，最大为0.62m，较小误差发生在3个时段，建议：①观测应在大、小高潮前2个多小时开始，在高潮前数分钟至30min内结束，最小误差分别为0.06、0.09m；②观测应在大潮后的高低潮前2h开始，在此低潮时结束，最小误差为0.06m。最大测量误差发生在小潮后的低低潮前2h进行的测量，此时段起止水面线（见图7）存在明显的陡坎，而推荐的误差较小的测量时段开始和结束时瞬时水面线较平缓。

2.3.2 渤海湾无明显潮滩断面

以十八井验潮站附近的断面44为例求该断面的最佳测量时段。沿该断面有188个测点，测时188min。利用上述方法求出该断面岸边潮位过程和测点平均误差过程线（见图9）。可见在一个潮周期中有4个时段测量误差较小：低低潮前、后各一个测量时段，误差分别为0.08、0.09m，高低潮前、后两个测量时段，误差分别为0.07、0.08m。最大误差为0.38m，发生在测量时段横跨高高潮前后，瞬时水面线无陡坎。

2.3.3 莱州湾无潮滩断面

以孤东验潮站附近的断面66为例分析无潮滩断面的最佳测量时段。从模拟结果中沿断面66取149个测点，用类似方法得出该断面岸边潮位过程和测点平均误差过程线（见图10），可见在一个潮周期中较小测量误差发生在4个时段：在低低潮与前、后高高潮之间各有两个测量时段，按时间先后最小误差分别为0.04、0.03、0.04、0.05m。最大误差（0.25m）发生在两个最佳测量时段之间。测量期间岸边水面线无陡坎。

2.3.4 莱州湾有潮滩断面

以位于小岛河口附近的断面105为例，说明莱州湾有潮滩时的最佳测量时段。在该断面选取220个测点，即连续测量220min，用上述方法得到该断面岸边潮位过程和测点平均误差过程线（见图11）。可见在一个潮周期中较小误差发生在3个时段：低高潮前、低高潮后、高高潮前，误差分别为0.08、0.11、0.16m。最大误差（0.34m）时段瞬时水面出现陡坎。

3 结语

（1）渤海潮汐平面二维数学模型模拟表明，黄河三角洲海岸有、无潮滩会影响附近海域水位、进而影响传统近海地形测量中的高程值。三角洲附近海域地形测量断面验潮站若位于有、无潮滩的岸边，都具有越向深水区岸边水位与断面测点同步水位差值越大的特点，此同步水位差沿断面呈斜坡式分布：但是若验潮站位于有潮滩的沟道时，潮滩处形成陡坎水面线，岸边与断面测点同步水位差值在浅水区出现极大值，沿断面呈台阶式分布。岸边与测点同步水位差值最大为1.3m。

（2）若继续沿用传统的近海地形测量和水位引用整编假定，在24h50min的潮周期内可用的测量时间占25%～50%，断面测量误差最小，误差为0.04～0.12m。具体的最佳测验时段依照位置和有、无潮滩而定。渤海灣有潮滩断面的最佳测验时段有3个，即大、小高潮前和大潮后的低潮前约2h；渤海湾无潮滩断面的最佳测验时段有4个，即低低潮前、后和高低潮前、后。莱州湾无潮滩的断面最佳测验时段有4个，即低低潮与其前、后高高潮之间各有2个：莱州湾有潮滩的断面最佳测验时段有3个，即低高潮前、后和高高潮前。

上述研究以每分钟完成一个测点（历史上最快的测量速率）为基础，实际决策时可以对此值进一步深人研究。同时，建议设立深水潮位站对三角洲潮滩及支流地形进行高分辨率测量。