黃河三角洲附近海域地形測(cè)量最佳時(shí)段確定

王萬(wàn)戰(zhàn) 吳嫡捷

摘要：為減小黃河三角洲附近海域地形高程測(cè)量誤差，利用渤海潮汐平面二維數(shù)學(xué)模型和2015年黃河三角洲附近海域大范圍加密地形測(cè)量資料等，首先研究了三角洲岸邊有、無(wú)潮灘對(duì)測(cè)驗(yàn)斷面沿程水位及海底高程計(jì)算結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)潮站位于有、無(wú)潮灘的岸邊時(shí)，岸邊與斷面測(cè)點(diǎn)同步水位都具有越向深水區(qū)差值越大的特點(diǎn)，但是當(dāng)驗(yàn)潮站位于有潮灘的溝道時(shí)，潮灘附近出現(xiàn)陡坎式水面線，岸邊與斷面測(cè)點(diǎn)同步水位差值還會(huì)在淺水區(qū)出現(xiàn)極大值，岸邊與測(cè)點(diǎn)同步水位差值最大為1.3m。基于水位引用造成的斷面高程平均誤差最小化原則，給出了渤海灣、萊州灣地形測(cè)量典型斷面最佳測(cè)量時(shí)段：渤海灣有潮灘的斷面最佳測(cè)驗(yàn)時(shí)段是高潮前、大潮后的低潮前，無(wú)潮灘的斷面測(cè)量則是低低潮前、后和高低潮前、后；萊州灣無(wú)潮灘斷面最佳測(cè)驗(yàn)時(shí)段是低低潮與其前、后高高潮之間，有潮灘的斷面則是低高潮前、后和高高潮前。最佳測(cè)量時(shí)段長(zhǎng)占一個(gè)潮周期的25%～50%，這些時(shí)間斷面測(cè)量平均誤差較小，為0.04～0.12m。

關(guān)鍵詞：高程誤差；潮位；測(cè)量時(shí)機(jī)；海底地形測(cè)量；黃河三角洲海域

中圖分類號(hào)：P229；TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.005

海域地形測(cè)量是計(jì)算海岸沖淤、繪制航海圖、進(jìn)行河海管理的基礎(chǔ)。黃河三角洲附近海域地形測(cè)量存在的問(wèn)題是缺少海域測(cè)深點(diǎn)測(cè)量時(shí)的瞬時(shí)水位。大面積開(kāi)敞海域水位測(cè)量可以使用衛(wèi)星高度計(jì)等技術(shù)，但是此技術(shù)不適合封閉或半封閉海域。目前，利用GPS、岸邊基站和移動(dòng)站的動(dòng)態(tài)后處理海上測(cè)量技術(shù)還在探索階段，我國(guó)東部沿海附近海域地形測(cè)量仍采用海域測(cè)深、岸邊設(shè)臨時(shí)驗(yàn)潮站測(cè)水位的傳統(tǒng)方法，應(yīng)用這種方法時(shí)，測(cè)量部門假定海域測(cè)量時(shí)的水位等于測(cè)量斷面岸邊附近臨時(shí)驗(yàn)潮站的實(shí)測(cè)水位，而文獻(xiàn)使用測(cè)量范圍較小的地形資料和渤海潮汐平面二維數(shù)學(xué)模型研究證明這個(gè)假定是不成立的，并可導(dǎo)致平均0.3m、最大0.6m的計(jì)算誤差，但是文獻(xiàn)[3]沒(méi)有給出如何選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量時(shí)段來(lái)最大限度地減小因水位假定不當(dāng)帶來(lái)的海底高程計(jì)算誤差。另外，目前的測(cè)驗(yàn)范圍也比該文獻(xiàn)的測(cè)驗(yàn)范圍大。本文利用渤海潮汐平面二維數(shù)學(xué)模型，基于2015年觀測(cè)的大范圍、130個(gè)地形測(cè)量斷面資料，深入研究渤海灣、萊州灣岸邊有、無(wú)潮灘對(duì)水位引用假定造成的海底地形高程計(jì)算誤差的影響，提出了減小三角洲附近海底地形高程計(jì)算誤差的最佳測(cè)量時(shí)機(jī)，以期為減小近海海底地形測(cè)量和高程整編誤差提供技術(shù)支撐。

1 計(jì)算原理

1.1 近海海底地形高程測(cè)量及整編傳統(tǒng)方法

人民治黃幾十年來(lái)，黃河三角洲附近海域地形測(cè)量范圍逐漸擴(kuò)大，常規(guī)測(cè)量設(shè)有36個(gè)斷面，每年測(cè)量一次。近年來(lái)，每隔約5a加密測(cè)量斷面（130個(gè)斷面）測(cè)量一次，目前測(cè)量范圍見(jiàn)圖1和圖2。圖1中數(shù)字編號(hào)對(duì)應(yīng)13個(gè)長(zhǎng)期潮位觀測(cè)站，其中2為旅順新港、3為鲅魚(yú)圈、4為錦州港、5為山海關(guān)、6為秦皇島、7為京唐港、8為塘沽、9為黃燁港、10為東風(fēng)港、11為東營(yíng)港、12為萊州港。圖2顯示黃河三角洲岸邊設(shè)有18個(gè)臨時(shí)驗(yàn)潮站，其中灣灣溝口、小島河口等14個(gè)驗(yàn)潮站位于有明顯潮灘的支流河口上，孤東、十八井等4個(gè)驗(yàn)潮站位于無(wú)潮灘的岸邊。圖2草綠色為潮灘，紅、黑色圓點(diǎn)分別代表向海側(cè)附近有、無(wú)潮灘的驗(yàn)潮站。

測(cè)量斷面某點(diǎn)的高程（Hb）是通過(guò)測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)水位（Z）減去該點(diǎn)瞬時(shí)實(shí)測(cè)水深（h）得到的，即Hb=Z-h（見(jiàn)圖3）。問(wèn)題是測(cè)點(diǎn)在海域，沒(méi)法安置人員測(cè)量測(cè)點(diǎn)處的實(shí)測(cè)瞬時(shí)水位?？紤]到岸邊可以安排人員測(cè)量水位，于是整編假定海域深水區(qū)某測(cè)點(diǎn)測(cè)量瞬時(shí)水位等于該測(cè)量斷面岸邊附近臨時(shí)驗(yàn)潮站同步實(shí)測(cè)水位。

1.2 模型建立和驗(yàn)證

本研究所用的渤海潮汐平面二維模型包括水流連續(xù)方程及東西、南北方向的動(dòng)量方程，由于測(cè)量期間均選用好天氣，因此模擬中不考慮風(fēng)浪作用。

模型范圍包括大連至煙臺(tái)斷面以西的渤海區(qū)，模擬面積82700km2，網(wǎng)格數(shù)6831個(gè)，模擬包括通過(guò)黃河三角洲流人渤海的河流，如黃河以及楊克君溝、小清河等（見(jiàn)圖2）。黃河人海流量采用當(dāng)年的利津站流量過(guò)程。大連至煙臺(tái)之間的潮位過(guò)程依據(jù)大連、煙臺(tái)的潮位過(guò)程線直線內(nèi)插。三角洲附近海域地形采用2015年測(cè)量的海域地形。模型中的糙率、水流渦黏系數(shù)取值見(jiàn)文獻(xiàn)。

黃河三角洲岸邊某個(gè)臨時(shí)驗(yàn)潮站的觀測(cè)時(shí)間隨著附近測(cè)驗(yàn)斷面測(cè)驗(yàn)工作的完成而結(jié)束，因此每個(gè)驗(yàn)潮站的測(cè)驗(yàn)時(shí)間都是不同的，而黃河三角洲以外的環(huán)渤海潮位站有長(zhǎng)期的潮位觀測(cè)資料。由2015年典型潮位站模擬水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比可知，典型潮水位觀測(cè)站模擬與實(shí)測(cè)潮位過(guò)程線基本相符，高潮和低潮模擬值和實(shí)測(cè)值相差不超過(guò)0.2m，高、低潮相位也與實(shí)測(cè)值基本相等，因此所用的渤海潮汐平面二維模型基本能夠反映渤海包括黃河三角洲附近海域潮汐的實(shí)際情況。

2 結(jié)果分析

2.1 近海測(cè)量斷面測(cè)點(diǎn)最大可能誤差分析

首先分析潮灘對(duì)水位的影響。以斷面12（見(jiàn)圖2）為例，求該斷面各個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大可能誤差。沿?cái)嗝?2從岸邊到深海共有125個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)驗(yàn)時(shí)間從2015年1月10日到12月31日，得到每小時(shí)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的水位（Hit，i=1，…，125）。把第一個(gè)測(cè)點(diǎn)（HIt）當(dāng)作岸邊驗(yàn)潮站，把該斷面每個(gè)測(cè)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)刻的模擬水位（HIt）減去岸邊第一測(cè)點(diǎn)同一時(shí)刻的相應(yīng)水位（HIt），可得到該斷面125個(gè)測(cè)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)刻的水位差值（Hit-HIt），取其絕對(duì)值后得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)在某個(gè)時(shí)刻（t）由水位引用假定造成的“高程誤差”（下文簡(jiǎn)稱“誤差”）。取每個(gè)測(cè)點(diǎn)在上述時(shí)段的最大可能誤差值（見(jiàn)圖4），可見(jiàn)斷面12的125個(gè)測(cè)點(diǎn)中有兩個(gè)位置出現(xiàn)最大可能誤差值，一個(gè)出現(xiàn)在離岸最遠(yuǎn)的斷面端點(diǎn)（1.135m），另一個(gè)出現(xiàn)在距岸邊約25km處（第25個(gè)點(diǎn)，1.141m），兩個(gè)最大誤差值之間形成了一個(gè)最大可能誤差帶，即最大可能誤差沿測(cè)量斷面形成臺(tái)階式分布。查數(shù)據(jù)可知出現(xiàn)最大誤差時(shí)岸邊潮位正在低潮，時(shí)間約為12月26日22時(shí)，此時(shí)刻該斷面瞬時(shí)水面線呈陡坎狀，岸邊潮灘處水位明顯高于較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖4）。

接著分析岸邊無(wú)潮灘的情況，在同樣的時(shí)間范圍內(nèi)用同樣的方法分析斷面66最大可能誤差。該斷面附近設(shè)有孤東驗(yàn)潮站。沿該斷面從岸邊到深海共有166個(gè)測(cè)點(diǎn)，得到各測(cè)點(diǎn)在上述時(shí)刻出現(xiàn)的最大可能誤差（見(jiàn)圖5），可見(jiàn)該斷面166個(gè)測(cè)點(diǎn)中只有1個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大誤差值為1.1m，位于離岸最遠(yuǎn)的斷面端點(diǎn)。查數(shù)據(jù)可知出現(xiàn)最大誤差時(shí)岸邊潮位正在低潮（5月16日10時(shí)），此時(shí)瞬時(shí)水面線在岸邊無(wú)陡坎形態(tài)。

用同樣方法分析了黃河三角洲18個(gè)驗(yàn)潮站附近斷面的情況，發(fā)現(xiàn)最大可能誤差分布很有規(guī)律性，大致分為兩種類型：第一種類型為三角洲岸邊有潮灘的斷面（見(jiàn)圖2），一般有兩個(gè)最大可能誤差，一個(gè)出現(xiàn)在靠近岸邊的地方，另一個(gè)出現(xiàn)在離三角洲岸邊驗(yàn)潮站最遠(yuǎn)處，兩者之間形成最大可能誤差帶，統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)誤差帶最大可能誤差為0.5～1.3m，即最大可能誤差沿測(cè)量斷面形成臺(tái)階式分布：第二種類型為三角洲岸邊無(wú)潮灘的斷面，最大可能誤差出現(xiàn)在距離岸邊驗(yàn)潮站最遠(yuǎn)的一端，最大可能誤差為1.1m，即最大可能誤差沿測(cè)量斷面形成斜坡式分布。

2.2 潮灘對(duì)潮汐過(guò)程的影響

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)潮灘對(duì)當(dāng)?shù)爻蔽坏挠绊?，用渤海潮汐平面二維數(shù)學(xué)模型分別模擬了有、無(wú)潮灘對(duì)潮汐的影響。考慮到孤東圍堤前海岸沖刷，原來(lái)的海灘已經(jīng)消失，目前此處海底高程約為-3.5m（黃海高程），同時(shí)還考慮到三角洲北部潮灘高程都高于-3.5m（黃海高程），因此把三角洲北部潮灘挖至-3.5m（見(jiàn)圖6），分別進(jìn)行有、無(wú)潮灘情況下渤海潮汐模擬。利用模擬結(jié)果，分析北部海岸斷面有、無(wú)潮灘情況下模擬時(shí)期瞬時(shí)水面線和潮位過(guò)程線，發(fā)現(xiàn)有、無(wú)潮灘時(shí)潮灘位置的潮位過(guò)程線在中、高潮時(shí)水位差別不大，但在有潮灘情況下低潮位明顯高于無(wú)潮灘情況下的低潮位，而且此時(shí)測(cè)量斷面瞬時(shí)水面線在岸邊形成陡坎狀。

2.3 基于水位引用誤差最小化的測(cè)量時(shí)段選擇

上述研究表明，由于潮汐是時(shí)空變化的，因此任意一個(gè)測(cè)量斷面的岸邊水位可能高于、等于或低于斷面上其他點(diǎn)的水位，同時(shí)考慮到實(shí)際測(cè)量工作中任意斷面的測(cè)量都不可能在某一個(gè)瞬時(shí)完成，而是在一個(gè)時(shí)段內(nèi)完成，因此為了最大限度地減小斷面測(cè)點(diǎn)水位與岸邊水位的差值絕對(duì)值，必須動(dòng)態(tài)地確保該斷面上所有測(cè)點(diǎn)測(cè)時(shí)水位和岸邊水位“差值”的絕對(duì)值之和最小，即誤差之和最小，此時(shí)段即為斷面測(cè)量最佳時(shí)段。

2.3.1 渤海灣有潮灘斷面

以斷面12為例分析如何得出最佳測(cè)量時(shí)段。統(tǒng)計(jì)以往斷面觀測(cè)情況發(fā)現(xiàn)，最短的斷面測(cè)量時(shí)間約為2h，斷面測(cè)點(diǎn)數(shù)約為120個(gè)，即測(cè)量最順利時(shí)1min能夠完成1個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，本文暫采用此測(cè)量速率來(lái)分析得出斷面最佳測(cè)量時(shí)機(jī)。設(shè)斷面12有125個(gè)測(cè)點(diǎn)。計(jì)算步驟如下。

（1）暫先選擇測(cè)量于6月19日0時(shí)0分開(kāi)始、6月19日2時(shí)4分結(jié)束。用上述渤海潮汐模型模擬給出每個(gè)測(cè)點(diǎn)每分鐘的潮位。第1個(gè)測(cè)點(diǎn)代表岸邊驗(yàn)潮站，在0時(shí)0分完成，第2個(gè)測(cè)點(diǎn)在0時(shí)1分完成，以此類推，第125個(gè)測(cè)點(diǎn)在2時(shí)4分結(jié)束。第1個(gè)測(cè)點(diǎn)到第125個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)時(shí)水位減去同步的岸邊水位后取絕對(duì)值，最終得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均誤差為0.1480m。

（2）以此類推，最后一個(gè)時(shí)段選在6月21日9時(shí)56分開(kāi)始，12時(shí)結(jié)束，求出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均誤差為0.4555m。

（3）點(diǎn)繪岸邊第1個(gè)測(cè)點(diǎn)潮位過(guò)程線和斷面12測(cè)點(diǎn)水位“平均誤差”過(guò)程線（見(jiàn)圖7）。由圖7可知，在一個(gè)潮周期中，斷面12測(cè)點(diǎn)水位平均誤差最小為0.06m，最大為0.62m，較小誤差發(fā)生在3個(gè)時(shí)段，建議：①觀測(cè)應(yīng)在大、小高潮前2個(gè)多小時(shí)開(kāi)始，在高潮前數(shù)分鐘至30min內(nèi)結(jié)束，最小誤差分別為0.06、0.09m；②觀測(cè)應(yīng)在大潮后的高低潮前2h開(kāi)始，在此低潮時(shí)結(jié)束，最小誤差為0.06m。最大測(cè)量誤差發(fā)生在小潮后的低低潮前2h進(jìn)行的測(cè)量，此時(shí)段起止水面線（見(jiàn)圖7）存在明顯的陡坎，而推薦的誤差較小的測(cè)量時(shí)段開(kāi)始和結(jié)束時(shí)瞬時(shí)水面線較平緩。

2.3.2 渤海灣無(wú)明顯潮灘斷面

以十八井驗(yàn)潮站附近的斷面44為例求該斷面的最佳測(cè)量時(shí)段。沿該斷面有188個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)時(shí)188min。利用上述方法求出該斷面岸邊潮位過(guò)程和測(cè)點(diǎn)平均誤差過(guò)程線（見(jiàn)圖9）。可見(jiàn)在一個(gè)潮周期中有4個(gè)時(shí)段測(cè)量誤差較?。旱偷统鼻?、后各一個(gè)測(cè)量時(shí)段，誤差分別為0.08、0.09m，高低潮前、后兩個(gè)測(cè)量時(shí)段，誤差分別為0.07、0.08m。最大誤差為0.38m，發(fā)生在測(cè)量時(shí)段橫跨高高潮前后，瞬時(shí)水面線無(wú)陡坎。

2.3.3 萊州灣無(wú)潮灘斷面

以孤東驗(yàn)潮站附近的斷面66為例分析無(wú)潮灘斷面的最佳測(cè)量時(shí)段。從模擬結(jié)果中沿?cái)嗝?6取149個(gè)測(cè)點(diǎn)，用類似方法得出該斷面岸邊潮位過(guò)程和測(cè)點(diǎn)平均誤差過(guò)程線（見(jiàn)圖10），可見(jiàn)在一個(gè)潮周期中較小測(cè)量誤差發(fā)生在4個(gè)時(shí)段：在低低潮與前、后高高潮之間各有兩個(gè)測(cè)量時(shí)段，按時(shí)間先后最小誤差分別為0.04、0.03、0.04、0.05m。最大誤差（0.25m）發(fā)生在兩個(gè)最佳測(cè)量時(shí)段之間。測(cè)量期間岸邊水面線無(wú)陡坎。

2.3.4 萊州灣有潮灘斷面

以位于小島河口附近的斷面105為例，說(shuō)明萊州灣有潮灘時(shí)的最佳測(cè)量時(shí)段。在該斷面選取220個(gè)測(cè)點(diǎn)，即連續(xù)測(cè)量220min，用上述方法得到該斷面岸邊潮位過(guò)程和測(cè)點(diǎn)平均誤差過(guò)程線（見(jiàn)圖11）?？梢?jiàn)在一個(gè)潮周期中較小誤差發(fā)生在3個(gè)時(shí)段：低高潮前、低高潮后、高高潮前，誤差分別為0.08、0.11、0.16m。最大誤差（0.34m）時(shí)段瞬時(shí)水面出現(xiàn)陡坎。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）渤海潮汐平面二維數(shù)學(xué)模型模擬表明，黃河三角洲海岸有、無(wú)潮灘會(huì)影響附近海域水位、進(jìn)而影響傳統(tǒng)近海地形測(cè)量中的高程值。三角洲附近海域地形測(cè)量斷面驗(yàn)潮站若位于有、無(wú)潮灘的岸邊，都具有越向深水區(qū)岸邊水位與斷面測(cè)點(diǎn)同步水位差值越大的特點(diǎn)，此同步水位差沿?cái)嗝娉市逼率椒植迹旱侨趄?yàn)潮站位于有潮灘的溝道時(shí)，潮灘處形成陡坎水面線，岸邊與斷面測(cè)點(diǎn)同步水位差值在淺水區(qū)出現(xiàn)極大值，沿?cái)嗝娉逝_(tái)階式分布。岸邊與測(cè)點(diǎn)同步水位差值最大為1.3m。

（2）若繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的近海地形測(cè)量和水位引用整編假定，在24h50min的潮周期內(nèi)可用的測(cè)量時(shí)間占25%～50%，斷面測(cè)量誤差最小，誤差為0.04～0.12m。具體的最佳測(cè)驗(yàn)時(shí)段依照位置和有、無(wú)潮灘而定。渤海灣有潮灘斷面的最佳測(cè)驗(yàn)時(shí)段有3個(gè)，即大、小高潮前和大潮后的低潮前約2h；渤海灣無(wú)潮灘斷面的最佳測(cè)驗(yàn)時(shí)段有4個(gè)，即低低潮前、后和高低潮前、后。萊州灣無(wú)潮灘的斷面最佳測(cè)驗(yàn)時(shí)段有4個(gè)，即低低潮與其前、后高高潮之間各有2個(gè)：萊州灣有潮灘的斷面最佳測(cè)驗(yàn)時(shí)段有3個(gè)，即低高潮前、后和高高潮前。

上述研究以每分鐘完成一個(gè)測(cè)點(diǎn)（歷史上最快的測(cè)量速率）為基礎(chǔ)，實(shí)際決策時(shí)可以對(duì)此值進(jìn)一步深人研究。同時(shí)，建議設(shè)立深水潮位站對(duì)三角洲潮灘及支流地形進(jìn)行高分辨率測(cè)量。