水文的高程基准

水文的高程基准

水文资料的利用不会仅限于单站，因此站网观测资料就一定需要有系统性，各项要素也需要具有技术上的一致性。水面相对于某个起算面的自由高度即是水位。因此在水文站网实施水文测验，水位观测必须要有统一的高程基准，由于历史等原因，我国各地曾经采用各自的高程基准，以致不同测站的水位无法直接相互衡量、比较，给资料的使用带来不少麻烦。由此可见，高程基准的控制不仅是水位观测的重要基础也是整个水文测验最重要的基础，水位起算基准面、水尺零点基准等就成为关键的技术内容之一

1 基面与高程控制系统

1.1 基面

静止的水面所形成的曲面被称之为水准面，水准面是重力等位面。水准面的重要物理特征是曲面上各处重力相等，物体在水准面上作平移运动时重力不做功，也可以说水准面上水面是静止不流动的。以水为平，海拔为高，水准面就是用以衡量高度的参照面。为了得到可以普遍适用的高程基准面，需要一个能符合整个地球物理性质的统一的水准面，这个环绕地球的封闭的水准面被称之为大地水准面。因为客观条件不同，人们实际确定的大地水准面就会有所不同，把经过某一个特定位置点的大地水准面称为基面，作为高程的起算基准面。例如经过青岛验潮站平均海平面的“黄海基面”。

1.2 高程及其方向

在很多水文测验和测量教材中都给出了高程的定义：高程是地面点到高度起算面的垂直距离。但是，都没有细说高程的方向和从起算面出发去往某地面点的高程增长路径。测绘学意义上，高程是某地面点在地球重力方向上的高度。由于地球内部质量分布的不均匀，致使地球重力场不是一个简单和规则变化的力场，水准面也就呈现为不规则起伏的曲面。空间上每一个高度都可以有一个水准面，水准面之间的距离就是高差，俗话说“水往低处流”，其实所谓高低，虽然表现出是空间落差，实际上是重力位差。高程既然沿重力线为方向增减，那么某一地点精确的高程，其方向线是曲线。因此，椭球体的地球表面上每个点高程其方向都是不同的。某一位置点沿着地球重力线（曲线），相对于大地水准面的距离，称

为正高。相对于平均海平面的正高（海拔），是精确意义上的高程。

1.3 正高系统与正常高系统

由于地球内部质量分布不均匀，重力分布不均匀，故所有水准面之间并不平行，重力等位面的疏密也不均匀。因重力位差并不等于高差，如果采用正高进行测量，不同高度上正高的方向就不一致，以正高系统进行水准测量会导致相同空间点经过不同路径的总高差不相等，由于测量业务总要往内陆延伸，不可能完全在平均海平面上进行，这使得正高系统的测量计算复杂而难以实际利用。因此，正高系统只是理论性的，不具有实际可操作性。

为了克服正高系统难以实际利用的缺点，提出了“正常高”的概念，其基本出发点是通过把地球质量均匀化，将其表示为一个规则的椭球，使原来的重力变为“正常重力”，地球重力场也就相应地变为“正常重力场”，重力位则变成“正常重力位（简称正常位）”，在正常重力场中，正常位也就有一簇呈现扁球面形状的封闭的光滑曲面，这一些曲面的形状有别于实际意义的水准面。从地面点沿着正常重力线的方向到这个曲面的距离也是高程，因为把地球质量均匀化、椭球规则化，这个高程并没有沿着重力矢量梯度方向获得，它是是垂直于正常位曲面的直线方向上的高程，所以区别于正高，将这个高程称之为正常高，正常高通过水准测量联测水准原点获得。用正常重力值替换地球重力值后，随着重力值改变，重力线也发生偏移，其效果相当于高程起算面也发生了变化，即不再是水准面，而是正常位等位面，与大地水准面在验潮点相吻合的正常位等位面称之为似大地水准面。似大地水准面实际上是直线正常高替代曲线正高所形成的曲面，显然这是一个测量计算的辅助面，不具有物理意义。以似大地水准面为基准面的高程系统称为正常高系统，正常高是近似海拔高，也称作高程。

1.4 正常高系统的利用

似大地水准面不是大地水准面，但接近于大地水准面，两者之差就是正常高和正高的差，这个差值跟两个因素有关：一个是观测点的空间绝对高程，另一个是地球的质量分布。似大地水准面在海平面（零正高）重合于大地水准面，但是水准测量却不会在海平面上进行，所以似大地水准面上有重力差，也就是说水是流动的。高差传递距离越远、高差变换范围越大，直线方向正常高和曲线方向正高引起的差别越大，青藏高原等西部高海拔地区最大可达三米，东部平原地区约

几厘米；范围虽小但地球质量分布差异非常大的地区，还会出现“水往高处流”的异常景象。似大地水准面和大地水准面在陆地上虽然不重合，但由于大部分测量应用范围不大，所以两者一般相差不大，对于等级不高的高程控制测量的影响也不敏感，这个正常高系统在测量计算上具有较高的可操作性。但在建立高程控制系统的实际应用上，尤其是幅员辽阔、地域纵深且不完全是低海拔平原的地区，都需要采用正常高程系统，我国目前采用的法定高程系统就是正常高系统。

1.5 基面与高程基准

自古以来，人们总是“以水为平”，现代测量的早期时代，还没有推出和使用正常高系统，当时主要针对港口、城市作小范围的水准测量，且主要分布在地势低平的沿海地区，正高的复杂影响并不显著，可以简单确定一个水准面为基准面。例如，上海吴淞海关信号站以1871～1900年期间最低潮位以下略低的高度设定为“吴淞零点”并推定“吴淞基面”，建立了高程控制系统，覆盖吴淞、上海旧区，并逐步延伸至苏州局部、嘉兴局部。那个年代，基面被当作高程控制系统的代名词。

采用正常高系统后，高程测量与计算均以似大地水准面为基准面。由于似大地水准面是被设定在和平均海平面重合的大地水准面上，故通过验潮资料求得平均海平面并赋予水准原点以高程，就形成一个高程基准。于是，由验潮站（原点）、大地水准面（平均海平面）、似大地水准面以及所属的水准网和水准点构成的高程控制系统因此也不再被称为基面，如“1985国家高程基准”。由于客观原因，除了少量研究人员，正高系统、正常高系统、大地水准面、似大地水准面等技术问题并不为日常工作所广泛了解，因此实际工作中人们仍然习惯把“基面”当成高程测量和计算的基准面，使用某个高程控制系统会说成采用某个基面，基面仍然被当作高程基准和高程系统的代名词，如“1956黄海高程系”被称为“黄海基面”、“1985国家高程基准”被称为“85基面”。

1.6 基准差

不同地区甚至不同时期使用的“高程基准”会有不同，或者同一地区出于相关需要会采用多个“高程基准”来同时表示水位，这就产生因基准差导致的水位差。基础差基本有以下几种：

（1）同一高程控制系统不同验潮资料周期导致的基准差。