传统水位改正方法实施条件及评估

三角分区(带)法、时差法与最小二乘拟合法等传统水位改正方法虽然在参数及其求解、水位改正数计算等方面存在明显差异，但三者是逐渐发展改进的关系，基本原理是一脉相承的，体现于对水位空间分布的描述是一致的:①三角分区(带)法在内插虚拟站水位的作业过程中隐含了以潮差比与潮时差来描述水位空间分布的思想，潮差比与潮时差主要通过水位变化的特征点(高潮与低潮)比较求得；②时差法明确以潮时差为参数描述水位的空间分布，而潮差的变化隐含于水位空间内插中；③最小二乘拟合法进一步明确以潮差比、潮时差与基准面偏差为参数描述水位的空间分布，计算方法改进为最小二乘法。因此，三种方法都隐含或明确地以潮差比与潮时差来描述水位的空间分布，相应的假设条件也是一致的:对于相邻的A、B两站，A站的水位曲线经平移(潮时差)、放大或缩小(潮差比)后与B站的水位曲线相同，而且潮时差与潮差比在两站间的变化是均匀的。

传统水位改正方法的假设条件决定了其实施条件，验潮站的选址以及站网的空间分布配置都是以尽量满足假设条件为目标。

7.2.1.1　规范的要求及检测方法

对实施传统水位改正方法的要求，国家标准《海道测量规范》(GB 12327—1998)与行业标准《水运工程测量规范》(JTS 131—2012)体现于验潮站布设的条目:“验潮站布设的密度应能控制全测区的潮汐变化。相邻验潮站之间的距离应满足最大潮高差不大于1m、最大潮时差不大于2h、潮汐性质基本相同。对于潮时差和潮高差变化较大的海区，除布设长期站或短期站外，也可在湾顶、河口外、水道口和无潮点处增设临时验潮站。”该条目可细分为三部分:

(1)目标要求:控制全测区的潮汐变化。

(2)特殊地点的要求:在湾顶、河口外、水道口和无潮点处增设临时验潮站。

(3)量化指标要求:最大潮高差不大于1m、最大潮时差不大于2小时、潮汐性质基本相同。

在实践工作中，该条目的执行及检测方法通常是:

(1)验潮站的控制范围或验潮站网是否能覆盖测区，通常是以站点相对测区的分布来定性判断的，如:验潮站网应覆盖整个测区；若测区为航道，则在航道两端以及沿线布设站点。

(2)若涉及所提特殊地点，则按要求在相应特殊点处增设站点。

(3)潮高差与潮时差的统计通常是在选址布站且水位观测后，由相邻站间的同步实测水位数据进行统计，事后检测是否合限。在技术设计阶段，一般由潮波图与历史资料等进行经验性的判断。

(4)潮汐性质基本相同通常以潮汐类型相同代替，在技术设计阶段，由潮波图与历史资料进行定性的判断，如由测区及周边长期验潮站的潮汐类型进行判断。事后由实测水位数据实施潮汐分析，由调和常数计算潮汐类型数，检测相邻站间的潮汐类型是否一致。

满足上述要求时，一般认为验潮站的配置达到了传统水位改正方法的实施条件。但需注意两点:

(1)按潮汐类型数的量值区间将潮汐类型划分为半日潮、不规则半日潮、不规则日潮与日潮四种类型。相邻站间潮汐类型相似不能只判断潮汐类型是否相同，还得注意潮汐类型数是否相近。如在M2分潮无潮点附近或某些潮汐类型数变化梯度较大的特殊海域，两站的潮汐类型相同，但潮汐类型数可能相差较大。

(2)“最大潮高差不大于1m、最大潮时差不大于2小时”的意义主要体现于三角分区(带)法，最大潮高差的阈值限制了站间内插虚拟站的个数，最大潮时差的阈值限制了水位曲线间的距离，这对于手工作业模式是必要的，而基于计算机的三角分区(带)法、时差法与最小二乘拟合法，在理论上可连续内插任意数目的水位曲线。此时因最大潮高差与最大潮时差的阈值而造成的布设站点数量增加，从精度角度来讲并不是必需的。

7.2.1.2　基于假设条件的评估指标与评估方法

相关规范给出的是操作原则，对于潮汐变化十分复杂的中国近海而言，条目中的“潮汐性质基本相同”或者一般理解中的“潮汐类型相同”难以合理把握。此时，可回归至传统水位改正方法的假设条件，特别是三角分区(带)法中的虚拟站水位内插过程中隐含的本源思想:只有相邻两站的水位变化曲线相似，才能通过平移或缩放而内插出中间站点处的水位曲线。因此，“潮汐性质基本相同”更合理的理解应是“水位曲线相似”。判断方式可采用由同步水位曲线的人工定性判断，需特别注意日潮不等现象的一致性。以山东威海成山头附近的三个验潮站为例，验潮站与潮汐类型数分布如图7.1所示。(www.xing528.com)

结合图5.21中的M2潮波图可知，M2分潮在成山头外海存在无潮点，因此图7.1区域中的潮汐类型数变化较复杂。鸡鸣岛站、成山头站与丽江渔港站的潮汐类型数分别为0.68、1.23与0.79，量值差异较大，但都属于不规则半日潮类型。图7.2为三站某两天的同步水位变化曲线，单位为厘米。

图7.1　验潮站与潮汐类型数分布

图7.2　同步水位变化曲线

由图7.2可看出，三站都属于不规则半日潮类型，在整体变化趋势上比较相似，但在日潮不等现象方面存在较大的差异，其中潮汐类型数最小的鸡鸣岛站，日潮不等现象最不明显；而潮汐类型数最大的成山头站，日潮不等现象最明显。按三角分区(带)法的水位内插原理知，图7.2中相邻站间难以可靠内插出水位曲线，即相邻站达不到“潮汐性质基本相同”的要求。

由水位同步变化曲线定性判断相似后，相似度的定量指标可选择最小二乘拟合法的拟合误差。设A、B为相邻的两站，则两站间的最小二乘拟合误差定义如下:

将A、B两站的同步水位分段(如一天)，对每段按最小二乘拟合法原理求解出B站相对于A站的潮汐比较参数γAB、δAB和εAB，则该段中B站每个观测时刻t的最小二乘拟合误差v(t)为

对各段的所有观测时刻计算对应的拟合误差，统计误差的量值范围以及拟合中误差σ为

式中，n为A、B两站的同步观测时刻数。

最小二乘拟合误差的量值范围以及拟合中误差σ代表了经平移、缩放与垂直移动后两站水位的相似程度，可作为两站水位相似的量化指标。在技术设计阶段，可由精密潮汐模型预报潮位进行上述的定性判断与量化指标统计；而在水位数据观测后，由实测水位数据进行更准确的分析。以图7.1中的三个验潮站为例，由1个月的同步实测水位数据统计最小二乘拟合误差，以成山头站为A站，统计其他两站与成山头站的最小二乘拟合误差，结果列于表7.1，单位为厘米。

表7.1　最小二乘拟合误差的统计结果

考察表7.1中的统计结果，中误差量值表明鸡鸣岛站、丽江渔港站的水位变化与成山头站在基本趋势上是一致的，这符合图7.2中水位曲线的整体变化趋势比较。但拟合误差最值的量值范围较大，表明存在相似度差的时段。将拟合误差随时间的变化以曲线形式绘出，并与水位变化曲线并列，据此考察拟合误差与水位相似度的关系。以丽江渔港站与成山头站为例，拟合误差与水位变化曲线如图7.3所示，时段与图7.2一致，单位为厘米。

由图7.3可看出，两站水位相似度较差的时段重合于两站日潮不等现象明显不一致的时段，也是拟合误差量值较大的时段。因此，表7.1中的最值代表了两站水位相似度最差的程度。