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。

（2）不同高程控制系统因为基准面的不同导致的基准差。

（3）同一高程控制系统、同一验潮推定的大地水准面，但不同年份测量的正常高变化造成似大地水准面差异所导致的基准差。

（4）多种情况综合在一起形成的基准差。

由于各高程控制系统的大地水准面都是通过推求平均海平面确定，因此各高程控制系统之间的基面绝对高差很小，因每个高程控制系统的覆盖范围有限，大地水准面不平行性影响也很小，因此基准差的地区分布差异很小，几乎可以忽略，基准差可以看作是一个系统差，不同高程基准的换算值也就可以直接采用基面差值。需要特别指出，正如公制与英制两种尺之间因材料、温度、长度等不同而比对结果是不同的，而公制和英制尺长的换算却是一个恒定值，由于测量误差往往远远大于名义基准差，不同高程控制系统的高程换算不能用引测不同高程基准得到的高程差来当做基准差。在水位资料的高程基准的考证中，必须分离基准差变化和水准点变动所致的高差变化。

我国在不同时期建立了为数不少的地区性高程控制系统，如吴淞、大连、珠江、大沽、废黄河口等，建国以后国家建立了“黄海高程系”，通过与之进行高程比较、换算，实现了更大范围之间高程资料的衔接利用。后来又建立“国家1985高程基准”（简称85基准），规定以“85基准”作为所有其它高程基准的换算依据，测绘部门分别给出了各高程系对“85基准”的换算值，并要求各高程系之间都要通过与“85基准”进行关系转换。需要特别指出，在很大范围内追求同一高程基准，会触及更多的复杂问题，非但不能真正实现基准的统一，反而引入更多的误差因素，不如区域性的高程基准容易维持内部一致，何况正常高系统上高差与重力位差的不对应，因而统一高程基准客观上没有很大的意义，更为合适的方法是在不大的地区范围内保持高程基准的相对独立和自身的稳定可靠，区域之间保持对基准差变化的了解。

2 水位高程基准的类型

长期以来，把基面看作是计算水位和高程的起始面，由于高程测量与计算都采用了正常高系统而非正高系统，实际的高程测量和计算的基准面是似大地水准面而不是大地水准面，故水位观测所用到的“基面”并非经过平均海平面分析所推定的大地水准面，而是一个高程基准所属的似大地水准面。由此，产生了如何确

定测站基本水准点的高程值的问题，不同的高程基准采用方式，会直接影响到水位观测、资料整编和测站考证。

水文测验有四种高程基准采用方式：地区或国家高程基准、假定高程基准、测站自定义高程基准、冻结水准点高程相应高程基准，习惯上称为绝对基面、假定基面、测站基面和冻结基面。四种方式的水位数值形式则分别是绝对高程、假定高程、测站高程和冻结高程。

2.1 地区或国家高程基准（绝对基面）

测站直接利用现有的地区或国家高程控制系统，常年通过水准测量校测测站基本水准点，水位始终是绝对高程值。采用这一方式的测站，应采用当地经济生产和社会生活普遍使用的高程控制系统，以利于应用。采用绝对基面的优点是可以始终保持水位的高程准确，前提是水准网应定期进行复测平差、水准网覆盖范围内没有水准点沉降或一个考证期内水准点沉降幅度不大于水位观测误差要求。采用绝对基面，每当所用的高程控制系统进行全网复测平差并发布新的水准成果，即可马上更新测站基本水准点的高程值，使得整个站网水位资料具有良好的一致性和准确性。

2.2 假定高程基准（假定基面）

缺乏水准点可以引据的情况下，尤其是在时间比较紧迫时，只能暂时给测站基本水准点或临时水准点假定一个高程值，相当于在该水准点下零高程处推定了一个基准面，以此作为测站高程测量计算的起算面。当测量条件具备或必要时，将其与全流域或本地区统一采用的高程控制系统实施水准测量联测。一般情况下，假定基面较多用于临时断面、应急监测和不影响水位使用的情况。

2.3 测站自定义高程基准（测站基面）

由于某些地区偏僻、崎岖，地区或国家高程控制系统难以将水准网覆盖到水文测站附近，测站在观测范围内不得不需要为水位观测、比降观测、断面测量、设施建设、设备安装等自建一个自定义高程控制系统。测站自定义高程基准是特殊的假定高程基准，给基本水准点给定一个合适的高程，使得相应的零高程略低于测站历年最低水位或河床最低点。一般假定基面确定在测站河床最低点以下0.5～1.0m处，对水深较大的河流可以确定在历年最低水位以下0.5～1.0m处，如图1所示。使用测站基面的优点是水位数值的数字比较简短，水位近似反映航

道水深，但缺点是不便于同一河流上下游站的水位比较、比降或落差计算，冲淤影响较大的河流，测站基面是否能够长期低于河床也有不确定性，这也是这一方式应当注意的问题。

引据水准点

绝对基面（由水准原点的平均海平面确定）

图1 测站基面方式下的基准面、水准点、水尺零点和水位关系示意图

2.4 冻结水准点高程相应高程基准（冻结基面）

冻结基面是水文测验上的特殊产物，实际上是绝对基面的一个特殊使用形式，也是一种特定的假定基面。它是在联测地区或国家高程系统后，测站基本水准点开始启用时，把水准测量所确定的绝对高程值冻结不变、长期使用，从而在基本水准点下推定了一个与绝对基面非常接近的水准面，这个水准面即为冻结基面。冻结基面是我国水文行业于20世纪50年代末，针对每次考证测量后需要调整高程的情况，参考了前苏联的测站基面方法，提出并实施的一种水位基准面采用方法。当地区或国家高程控制系统的平均海平面没有变动，因为水准网复测平差重新调整水准网高程成果或由引据水准点接测至测站基本水准点存在测量合理误差，测站基本水准点的高程也会出现小幅的数值波动。把第一次确定的绝对高程冻结起来，以后的高程变化视作测量成果在允许误差范围内的正常波动，其变化量就是相对于绝对高程的“冻结差”，如图2所示。因冻结差的变化范围很小，长期稳定条件下，多年冻结差的均值为零，所以不影响水位资料系列的一般性使用，可以直接利用冻结基面表示的水位值，仅当特殊需要时可对水位数据按不同

时期的冻结差修正。采用冻结基准面避免了在水位观测中对水尺、水位计的水位基值经常来回变换，可以保持水位资料的数值衔接上的连续，但如果测站所在地区存在沉降影响，那么冻结基面将随着测站基本水准点的沉降而一同沉降，水位系列也会发生持续的数值偏离，因地面沉降的不均匀还导致站与站的水位基准失去一致性，原来采用冻结基准面所追求的稳定、简便的优点就会完全消失，一旦引据水准点出现变动又受高程控制系统水准网点分布或水准点不均匀沉降影响而无法及时准确考证，甚至测站基本水准点也发生变动，失稳的冻结基面发生的实际变动情况将难以有效掌握。20世纪80年代开始，我国许多地区出现日益严重的地面沉降，冻结基面方式所遇到的水位基准问题开始大量出现，给水位资料的准确使用带来了很多的麻烦。因此，存在沉降影响的地区，不宜采用冻结基准面方法，而应该采用绝对基准面方式并建立足够数量和稳定可靠的测站水准点，并加强现用水准网的复测平差或建设水文专用水准网等专项测量工作。

引据水准点

图2 冻结基面方式下的基准面、水准点、水尺零点和水位关系示意图

3 高程基准和基面类型的选择

3.1 基本要求

一个区域的水文测站应采用相同的基面类型。采用绝对基面和冻结基面的应采用同一个高程基准，尤其是上下游测站。所用高程控制系统的水准点资料应为同一平差年份的成果。如有不同，应进行详细的情况说明，并对相互差异及对水

文资料影响情况作出说明。采用冻结基面的测站，水位资料成果要注明冻结差的值（表内水位±冻结差=绝对基面以上米数）。采用测站基面的测站已可继续沿用，但需要尽快与绝对基面联测，确定本站测站基面与绝对基面之间的换算关系。当进行水文分析计算时，则需要完全归算到绝对基面，用绝对基面的高程值作成果数据。

3.2 合理使用的高程基准

采用绝对基面的测站所观测的水位、测站设施的高程、防洪标准、测洪标准等，与各种地形图、水利工程设施、当地防洪设施、社会生活、经济生产等所采用的高程基准相同，且大家所使用的水准资料周期也一致，可以统一在相同的基准上，便于在防汛抗旱、规划设计、运行管理、服务社会中直接应用水位数值。因此，有条件的测站尽可能采用绝对基面。

3.3 合理采用基准类型

为了便于水文资料的整理，避免差错，对于地质条件稳定的地区，测站的水位高程基准可以采用冻结基面。没有条件接测地区或国家高程控制系统的，可以采用测站基面，建立测站自定义高程基准，以满足测验实施的需要。对于假定基面，水位数值不具备对外提供使用的功能，更适合本断面内部的测验计算，所以不宜作为一个测站的高程基准长期观测利用，只能临时性和本断面内部观测所用，例如基本水尺及流速仪断面以外的其他测流断面、水文应急监测中可以不考虑基准一致的临时观测断面。

冻结基面是绝对基面的特殊处理方式，测站基面形式上也是通过固定一个水准点高程而相应建立的基面，其特征都是测站基本水准点的高程永久性冻结为一个固定值，只是冻结基面被限定为在绝对基面条件下的一个特殊假定基面方式。所以，冻结基面必须经过绝对基面确定，而假定基面则不需要，测站基面需经断面测量确定。

当测站使用测站基面或假定基面时，尽可能地与绝对基面相接测，求得测站基面和假定基面与绝对基面各自所表示高程之间的转换关系，在测验资料中注明其转换关系和进行相关说明。

3.4 地面沉降影响不容忽视

冻结基面和绝对基面的差值称之为“冻结差”。理论上冻结差是一个数值很小

的恒定值。但是，所有测量都有误差，所以测站实际使用的绝对基面，也随着每一次复测平差发布新的水准点成果和每次测站水准引测得到新的结果而产生变动。基准面的体现是通过水准点的传递实现的，如果所有的水准点都稳定不变，这种基面的变化就会在正常的测量误差内上下波动。相对而言，如果地质条件非常稳定，因测站基本水准点长期稳定，其高程的变化就是水准网复测平差水准成果变化和测站水准引测误差的影响，因此采用冻结基面更有利于保持水位资料的系列一致性。无论不同时期的冻结差是多少，都仅仅是与绝对基面的一个差数，而水位资料自身的系统始终是一致的，这就是采用冻结基面的意义，采用绝对基面反而会存在因定期进行基准调整而使得水位资料自身的系统一致性受小幅度的波动影响。但是，如果地质条件不稳定、水准网和测站都受到地面沉降且往往是不均匀沉降的影响，那么对于水位资料的一致性，冻结基面和绝对基面的作用效果恰恰相反。