凍結基面的理論闡述

劉亞文 冉四清 朱振華 周佳華

（江蘇省水文水資源勘測局連云港分局 連云港 222004）

1 凍結基面的由來

1955年修訂水位觀測規范時，采取了將首次測量的水準點高程數據所對應的基面加以凍結的辦法，每次重復測量和平差后，只記載并刊布與首次數據間的差值，不再需要更動已往的數據。1959年修訂規范時，確定其名稱為凍結基面，即將基本水準點首次高程數據所對應的基面固定下來。實為測站所獨有的基面，與絕對基面接近，但其差值每站不同。

2 凍結基面的作用和意義

通過凍結測站第一次使用的高程起算面，并保持其連續性，從而避免頻繁更換基面以及同一基面重復測量和平差等對測站高程系統的動態影響。在測站存續期間，水位系列數據基面一致，是單站資料可比較分析的基石。

創設凍結基面，為保持單站基面一致性和連續性提供了理論基礎，且在水文考證實踐中具備可操作性，是20世紀50年代末中國水文學界對單站水位基面一致性理論研究的重大突破、重大貢獻。

3 凍結基面的概念

理論上凍結基面的概念是：水文測站將第一次使用的高程起算面凍結下來，作為凍結基面。具體應用時，凍結基面總是與具體的測站相聯系。水準考證具體工作中所涉及的凍結基面一般都是指“本站凍結基面”。

水文行業規范條款的凍結基面的概念是：測站應將第一次使用的基面凍結下來，作為凍結基面，見《水位觀測標準》（GB/T50138-2010，3.1.1）。

第一次使用的基面隱含著點、高程和基面三個要素，三位一體。點是指初測時的基本水準點，其核心含義是初測時的基本水準點的物理位置；高程是指初測時引測水準點后計算而得的本站基本水準點高程值，該高程值與理論真值之間存在一個差值，就是初次測量的真誤差；該高程值對應的起算面就是本站第一次使用的基面；將第一次使用的基面凍結下來，阻止其流動或變動，稱為本站凍結基面。

4 凍結基面的基本原理

在測站存續期間，凍結基面不變，作為測站高程坐標的零軸線，始終與本站第一次使用的高程起算面重合，保障測站高程基面的一致性和連續性。

凍結基面是看不見摸不著的客觀存在的高程起算面，它依賴于初測時基本水準點的物理位置及其高程數值標定位置，在基本水準點位置、高程和基面三者之間，基面是被凍結的，其他二者可以隨著時間進程在一定外力條件下發生改變。

凍結基面的基本原理也可用圖示法表示。絕大多數測站的基本水準點都是穩定的，在測站存續期間其高程是無變動的，見圖1；個別測站的基本水準點不穩定，在測站存續期間其高程是變化的，見圖2。

5 凍結基面的特點

5.1 行業專用及強制性使用特點

凍結基面是水文行業的專用基面，對行業內具有約束力。在水文行業內，所有已設測站均應該使用專用基面。

5.2 獨有性特點

用引據水準點引測測站基本水準點，測量成果總是與理論真值之間存在一定誤差，雖然從海濱零點布網后的各等級水準測量及水文測量均符合規范要求，且初設測站凍結基面與絕對基面之間改正數顯示為0.000m，但其實它隱含了初次測量的真誤差，特殊情況下，還可能隱含了初次測量的測算錯誤。每個測站都獨立擁有本站的凍結基面。

5.3 唯一性特點

測站第一次使用的高程起算面被凍結以后，在測站存續期間應是被持續凍結，永不解凍。

每個測站的凍結基面都是唯一的。同一個測站，在存續期間只擁有一個凍結基面。如果測站凍結基面改變了，則從其改變時起必須更名成為新的測站。

6 凍結基面的傳承

所謂凍結基面的傳承，是指凍結基面的傳遞和繼承，就是在本測站范圍內接測凍結基面以上高程時的站內測量，應該以哪個點為引據的問題。

圖1 基本水準點穩定情況下凍結基面原理圖

凍結基面是測站的高程起算面，每個測站都是獨有的、唯一的，測站內所有基本水準點、校核水準點、水尺零點、固定點等組成本站高程設施體系，并用它們相應的高程數值標定本站凍結基面所在。凍結基面一經設立，為保持本站凍結基面高程系統的穩定性，只要測站高程體系設施一點尚存，則補充建設水準點的高程引測、恢復建設高程體系中的滅失點的高程引測以及改動個別點高程數值等等，必須使用測站高程設施體系中的確認穩固的尚存點作為引據點。即凍結基面只在本測站內傳承，一般與站外高等級國家水準點無關。

凍結基面的傳承點一般從高等次到低等次排序，大致如下：

①在測站基本水準點都完好穩定的情況下，由基本水準點（使用點）傳遞凍結基面。

②當基本水準點（使用點）滅失，由基本水準點（參證點）選定一個并升格為新的基本水準點（使用點）繼承和傳遞凍結基面。

③當基本水準點全部滅失，由校核水準點（使用點）繼承和傳遞凍結基面。

④當校核水準點（使用點）也滅失，由其他校核點選定一個繼承和傳遞凍結基面。

⑤當所有水準點全部滅失，則本站水尺零點、固定點、固定樁等也可依序繼承和傳遞本站凍結基面。

出現以上③、④、⑤項情況時，宜重設基本水準點，待其穩定后，從傳承點引測（與平時引測方向相反）至新設基本水準點，引測時應該提高測量等次和精度要求。引測后，選定一個基本水準點，作為本站基本水準點（使用點），繼承和傳遞凍結基面。

⑥例外的情況是，當測站附近地區因地下水超采等原因導致區域地面下陷，本站所有水準點、固定點等高程均發生均勻或不均勻沉降，則可以用距離本站較近的穩固的引據水準點（影響區內、外經確認穩固的比如嵌入基巖的引據水準點，最好是曾用點）引測測站基本水準點，確認本站凍結基面所在。在此情況下，當引測距離較遠時，引測結果實際上對本測站來說只是近似凍結基面，因此應該通過控制允差限制引測距離。

圖2 基本水準點不穩定情況下凍結基面原理圖

客觀地看，體系化、高標準設立測站基本水準點極其重要。

⑦當無法確認本站凍結基面所在，測站凍結基面無法傳承時，而又需要在此處繼續觀測，則測站應該更名，表示與原測站的區別。更名后，新測站將設立屬于本站的凍結基面。

7 凍結基面的維護

7.1 建設高標準基本水準點并加以保護

測站基本水準點穩定了，就能保證測站凍結基面的穩定。建設高標準基本水準點尤其是嵌入基巖的水準點，對維護凍結基面具有重要意義。

基本水準點應形成自校系統，即具備3個點以上。

基本水準點、校核水準點以及其他高程設施，都要采取保護措施，防止人為破壞。

7.2 注重水準測量和考證工作的科學性

7.2.1 水準考證工作的重要性

水準測量和考證是測站工作中的重要環節，科學的水準測量和考證工作也是維護凍結基面的重要手段。

測站凍結基面一經設立，就形成了本站獨立的自定義高程系統。維護凍結基面不變，是測站水準考證工作的終極目標。

有條件的測站，應該將測站凍結基面與絕對基面相聯測，獲得正確的基面改正數，以便于測站資料在更廣泛區域的應用。

7.2.2 站外測量及考證

站外測量及考證通常在以下幾種情況下開展：

①已設站當引測條件具備情況下，初次引測國家基面（或者其他絕對基面）確定初始基面改正數。

②新設站時引測本站基本水準點并賦予其初始使用高程值及確定初始基面改正數（0.000m）。

③絕對基面水準網復測和平差后，無法直接換算為本站基面改正數時，需重新引測確定基面改正數。

④變換絕對基面需重新確定基面改正數。

⑤規范規定的逢0或逢5年份復核基面改正數。

站外測量的起始點是國家基面（或者其他絕對基面）引據點，終端點是測站基本水準點（使用點），不應越級向下測量。這對保持凍結基面穩定至關重要。

當站外測量復測基面差值不理想時，應圍繞以下五個可能的邏輯選項開展考證工作：

①原引據點在被引測時高程是否已變動。

②原引測測算是否錯誤。

③復測時引據點高程是否有變動。

④復測測算是否有錯誤。

⑤基本水準點高程是否因測站附近區域地面變動而發生變動。

也有可能是上述五個因素中兩個以上的復合原因造成的，需逐條考證清楚，并必須給出結論，不應將明顯的不合理基面改正數（屬于水準考證工作未完成狀態）付印于年鑒中。

7.2.3 站內測量及考證

測站設立以后，在測站內所有的測量都稱為站內測量，其最高引據點為本站基本水準點（使用點），且在測量中均使用凍結基面（或測站基面），而非絕對基面。站內測量和考證的工作目標是保證所有站內水準設施高程正確，以維護本站凍結基面穩定。站內測量以引據點分類大約分為兩類：

①以基本水準點（使用點）為引據點引測基本點（參證點）高程、基本點自校測量、基本水準點（使用點）引測校核點和校測校核點。

②以校核點為引據點引測和校測水尺零點高程及大斷面測量等。

在自校和校測測量時，如發現包括基本水準點（使用點）在內的水準點個別點有變動跡象，應查明水準點高程變動的原因。

水準點高程變動的原因分為人為和自然原因兩種：

①人為原因：挖移、機械性碾壓、地下采礦引起塌方、地下水超采引起地面沉降、附著于水利、交通、航運等主體工程之上的水準點因所附著主體工程的地基沉降而沉降等。

②自然原因：凍土層上拔、地震、洪水、泥石流、巖體崩塌、巖溶地區局部地面坍塌等。

這里所說的原因是客觀的、真實存在和發生過的外力因素，不是僅僅根據測量成果臆測的“上升”或者“沉降”。在水準考證時，不得將“上升”“沉降”等定性詞語填入“水準點變動原因”一欄?！吧仙薄俺两怠辈皇撬疁庶c變動外力因素，而是外力因素導致水準點變動的結果?；煜蚬?，容易忽視對本質原因的調查，嚴重的可能產生邏輯誤判，導致水準點高程無因變動，使凍結基面被人為解凍。

8 建議

測站基本水準點是極為重要的水文測驗基礎設施，應該滿足凍結基面不變的基本原理要求。從基面一致性方面考慮，其重要性應不低于測流纜道、水位計臺等測驗設施。

基于測站基本水準點設施的重要性，建議其建設標準應提高：①測站基本水準點應形成自校體系，即必須具備3個點以上，形成同等級基本水準點自校體系，通過自校測量，實現維護凍結基面的目的。②測站基本水準點的基礎應力求穩固，測站應把基本水準點的基礎嵌入穩固基巖或建設在深厚堅硬持力層上。測站基巖埋深較淺，應將測站基本水準點基礎嵌入穩固基巖；如果測站基巖埋深太深，也應將基本水準點的基礎建設于可能受地下水降落漏斗影響深度范圍之下的深厚堅硬持力層上■