冻结基面的理论阐述

刘亚文 冉四清 朱振华 周佳华

（江苏省水文水资源勘测局连云港分局 连云港 222004）

1 冻结基面的由来

1955年修订水位观测规范时，采取了将首次测量的水准点高程数据所对应的基面加以冻结的办法，每次重复测量和平差后，只记载并刊布与首次数据间的差值，不再需要更动已往的数据。1959年修订规范时，确定其名称为冻结基面，即将基本水准点首次高程数据所对应的基面固定下来。实为测站所独有的基面，与绝对基面接近，但其差值每站不同。

2 冻结基面的作用和意义

通过冻结测站第一次使用的高程起算面，并保持其连续性，从而避免频繁更换基面以及同一基面重复测量和平差等对测站高程系统的动态影响。在测站存续期间，水位系列数据基面一致，是单站资料可比较分析的基石。

创设冻结基面，为保持单站基面一致性和连续性提供了理论基础，且在水文考证实践中具备可操作性，是20世纪50年代末中国水文学界对单站水位基面一致性理论研究的重大突破、重大贡献。

3 冻结基面的概念

理论上冻结基面的概念是：水文测站将第一次使用的高程起算面冻结下来，作为冻结基面。具体应用时，冻结基面总是与具体的测站相联系。水准考证具体工作中所涉及的冻结基面一般都是指“本站冻结基面”。

水文行业规范条款的冻结基面的概念是：测站应将第一次使用的基面冻结下来，作为冻结基面，见《水位观测标准》（GB/T50138-2010，3.1.1）。

第一次使用的基面隐含着点、高程和基面三个要素，三位一体。点是指初测时的基本水准点，其核心含义是初测时的基本水准点的物理位置；高程是指初测时引测水准点后计算而得的本站基本水准点高程值，该高程值与理论真值之间存在一个差值，就是初次测量的真误差；该高程值对应的起算面就是本站第一次使用的基面；将第一次使用的基面冻结下来，阻止其流动或变动，称为本站冻结基面。

4 冻结基面的基本原理

在测站存续期间，冻结基面不变，作为测站高程坐标的零轴线，始终与本站第一次使用的高程起算面重合，保障测站高程基面的一致性和连续性。

冻结基面是看不见摸不着的客观存在的高程起算面，它依赖于初测时基本水准点的物理位置及其高程数值标定位置，在基本水准点位置、高程和基面三者之间，基面是被冻结的，其他二者可以随着时间进程在一定外力条件下发生改变。

冻结基面的基本原理也可用图示法表示。绝大多数测站的基本水准点都是稳定的，在测站存续期间其高程是无变动的，见图1；个别测站的基本水准点不稳定，在测站存续期间其高程是变化的，见图2。

5 冻结基面的特点

5.1 行业专用及强制性使用特点

冻结基面是水文行业的专用基面，对行业内具有约束力。在水文行业内，所有已设测站均应该使用专用基面。

5.2 独有性特点

用引据水准点引测测站基本水准点，测量成果总是与理论真值之间存在一定误差，虽然从海滨零点布网后的各等级水准测量及水文测量均符合规范要求，且初设测站冻结基面与绝对基面之间改正数显示为0.000m，但其实它隐含了初次测量的真误差，特殊情况下，还可能隐含了初次测量的测算错误。每个测站都独立拥有本站的冻结基面。

5.3 唯一性特点

测站第一次使用的高程起算面被冻结以后，在测站存续期间应是被持续冻结，永不解冻。

每个测站的冻结基面都是唯一的。同一个测站，在存续期间只拥有一个冻结基面。如果测站冻结基面改变了，则从其改变时起必须更名成为新的测站。

6 冻结基面的传承

所谓冻结基面的传承，是指冻结基面的传递和继承，就是在本测站范围内接测冻结基面以上高程时的站内测量，应该以哪个点为引据的问题。

图1 基本水准点稳定情况下冻结基面原理图

冻结基面是测站的高程起算面，每个测站都是独有的、唯一的，测站内所有基本水准点、校核水准点、水尺零点、固定点等组成本站高程设施体系，并用它们相应的高程数值标定本站冻结基面所在。冻结基面一经设立，为保持本站冻结基面高程系统的稳定性，只要测站高程体系设施一点尚存，则补充建设水准点的高程引测、恢复建设高程体系中的灭失点的高程引测以及改动个别点高程数值等等，必须使用测站高程设施体系中的确认稳固的尚存点作为引据点。即冻结基面只在本测站内传承，一般与站外高等级国家水准点无关。

冻结基面的传承点一般从高等次到低等次排序，大致如下：

①在测站基本水准点都完好稳定的情况下，由基本水准点（使用点）传递冻结基面。

②当基本水准点（使用点）灭失，由基本水准点（参证点）选定一个并升格为新的基本水准点（使用点）继承和传递冻结基面。

③当基本水准点全部灭失，由校核水准点（使用点）继承和传递冻结基面。

④当校核水准点（使用点）也灭失，由其他校核点选定一个继承和传递冻结基面。

⑤当所有水准点全部灭失，则本站水尺零点、固定点、固定桩等也可依序继承和传递本站冻结基面。

出现以上③、④、⑤项情况时，宜重设基本水准点，待其稳定后，从传承点引测（与平时引测方向相反）至新设基本水准点，引测时应该提高测量等次和精度要求。引测后，选定一个基本水准点，作为本站基本水准点（使用点），继承和传递冻结基面。

⑥例外的情况是，当测站附近地区因地下水超采等原因导致区域地面下陷，本站所有水准点、固定点等高程均发生均匀或不均匀沉降，则可以用距离本站较近的稳固的引据水准点（影响区内、外经确认稳固的比如嵌入基岩的引据水准点，最好是曾用点）引测测站基本水准点，确认本站冻结基面所在。在此情况下，当引测距离较远时，引测结果实际上对本测站来说只是近似冻结基面，因此应该通过控制允差限制引测距离。

图2 基本水准点不稳定情况下冻结基面原理图

客观地看，体系化、高标准设立测站基本水准点极其重要。

⑦当无法确认本站冻结基面所在，测站冻结基面无法传承时，而又需要在此处继续观测，则测站应该更名，表示与原测站的区别。更名后，新测站将设立属于本站的冻结基面。

7 冻结基面的维护

7.1 建设高标准基本水准点并加以保护

测站基本水准点稳定了，就能保证测站冻结基面的稳定。建设高标准基本水准点尤其是嵌入基岩的水准点，对维护冻结基面具有重要意义。

基本水准点应形成自校系统，即具备3个点以上。

基本水准点、校核水准点以及其他高程设施，都要采取保护措施，防止人为破坏。

7.2 注重水准测量和考证工作的科学性

7.2.1 水准考证工作的重要性

水准测量和考证是测站工作中的重要环节，科学的水准测量和考证工作也是维护冻结基面的重要手段。

测站冻结基面一经设立，就形成了本站独立的自定义高程系统。维护冻结基面不变，是测站水准考证工作的终极目标。

有条件的测站，应该将测站冻结基面与绝对基面相联测，获得正确的基面改正数，以便于测站资料在更广泛区域的应用。

7.2.2 站外测量及考证

站外测量及考证通常在以下几种情况下开展：

①已设站当引测条件具备情况下，初次引测国家基面（或者其他绝对基面）确定初始基面改正数。

②新设站时引测本站基本水准点并赋予其初始使用高程值及确定初始基面改正数（0.000m）。

③绝对基面水准网复测和平差后，无法直接换算为本站基面改正数时，需重新引测确定基面改正数。

④变换绝对基面需重新确定基面改正数。

⑤规范规定的逢0或逢5年份复核基面改正数。

站外测量的起始点是国家基面（或者其他绝对基面）引据点，终端点是测站基本水准点（使用点），不应越级向下测量。这对保持冻结基面稳定至关重要。

当站外测量复测基面差值不理想时，应围绕以下五个可能的逻辑选项开展考证工作：

①原引据点在被引测时高程是否已变动。

②原引测测算是否错误。

③复测时引据点高程是否有变动。

④复测测算是否有错误。

⑤基本水准点高程是否因测站附近区域地面变动而发生变动。

也有可能是上述五个因素中两个以上的复合原因造成的，需逐条考证清楚，并必须给出结论，不应将明显的不合理基面改正数（属于水准考证工作未完成状态）付印于年鉴中。

7.2.3 站内测量及考证

测站设立以后，在测站内所有的测量都称为站内测量，其最高引据点为本站基本水准点（使用点），且在测量中均使用冻结基面（或测站基面），而非绝对基面。站内测量和考证的工作目标是保证所有站内水准设施高程正确，以维护本站冻结基面稳定。站内测量以引据点分类大约分为两类：

①以基本水准点（使用点）为引据点引测基本点（参证点）高程、基本点自校测量、基本水准点（使用点）引测校核点和校测校核点。

②以校核点为引据点引测和校测水尺零点高程及大断面测量等。

在自校和校测测量时，如发现包括基本水准点（使用点）在内的水准点个别点有变动迹象，应查明水准点高程变动的原因。

水准点高程变动的原因分为人为和自然原因两种：

①人为原因：挖移、机械性碾压、地下采矿引起塌方、地下水超采引起地面沉降、附着于水利、交通、航运等主体工程之上的水准点因所附着主体工程的地基沉降而沉降等。

②自然原因：冻土层上拔、地震、洪水、泥石流、岩体崩塌、岩溶地区局部地面坍塌等。

这里所说的原因是客观的、真实存在和发生过的外力因素，不是仅仅根据测量成果臆测的“上升”或者“沉降”。在水准考证时，不得将“上升”“沉降”等定性词语填入“水准点变动原因”一栏。“上升”“沉降”不是水准点变动外力因素，而是外力因素导致水准点变动的结果。混淆因果，容易忽视对本质原因的调查，严重的可能产生逻辑误判，导致水准点高程无因变动，使冻结基面被人为解冻。

8 建议

测站基本水准点是极为重要的水文测验基础设施，应该满足冻结基面不变的基本原理要求。从基面一致性方面考虑，其重要性应不低于测流缆道、水位计台等测验设施。

基于测站基本水准点设施的重要性，建议其建设标准应提高：①测站基本水准点应形成自校体系，即必须具备3个点以上，形成同等级基本水准点自校体系，通过自校测量，实现维护冻结基面的目的。②测站基本水准点的基础应力求稳固，测站应把基本水准点的基础嵌入稳固基岩或建设在深厚坚硬持力层上。测站基岩埋深较浅，应将测站基本水准点基础嵌入稳固基岩；如果测站基岩埋深太深，也应将基本水准点的基础建设于可能受地下水降落漏斗影响深度范围之下的深厚坚硬持力层上■