平均海面法在外海高程传递中的应用

2021-06-20王强，吴满

港工技术 2021年3期

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。