长江中下游干流吴淞高程系统概论

　　高程控制是水利勘测、规划、设计以及工程建设的重要测绘基础工作，统一的高程系统和准确的高程成果尤其对堤防建设、水情测报、防汛调度至关重要。吴淞高程系统自1900年建立以来，一直为长江的水位观测、防汛调度以及水利建设所采用。1957年以青岛验潮站1950～1956年测定的平均海水面为基准面（零点），建立了“1956年黄海高程系统”。1985年又以青岛验潮站1952～1979年潮汐观测计算的平均海水面为基准面，建立了“1985国家基准”以替代“1956年黄海高程系统”。长江流域水利建设曾采用的高程系统繁多，但主要采用“吴淞高程系统”、“1956年黄海高程系统”和“1985国家高程基准”。其中“1956年黄海高程系统”和“1985国家高程基准”为国家法定的高程系统，资料较为完善，但吴淞高程系统是长江流域所特有的，没有专门机构对其进行数据更新、维护。考虑到吴淞高程系统在长江流域建设中起到的重要作用，有必要对吴淞高程系统建立、发展及目前存在的问题进行了解。

　　1 吴淞高程系统介绍

　　采用上海吴淞口验潮站1871～1900年实测的最低潮位所确定的海面作为基准面，所建立的高程系统称为“吴淞高程系统”。

　　1.1 吴淞高程系统起源

　　鸦片战争以后，1854年6月英、美、法驻沪公使、领事决定引进外国势力与征税机关，组织了关税管理委员会，由英、美、法三国领事与沪道缔结关于上海海关之约九条……于是就有了外国人管理我国海关之先河。为了保证舰船安全通过吴淞内沙浅滩，旧海关就在长江口内东距海滨40余千米处的吴淞口设立了验潮站（又称测潮站），即吴淞口验潮站。

　　1871年或以前，旧海关（吴淞海关港务司署）设立吴淞零点水尺，供航行及测量之用，当时名“信号站”；自1871年起即有潮汛资料供给浚浦局，经长期记载定出1871～1900年之间出现的最低潮位为零点，当时称为“吴淞海关零点”简称“吴淞零点”，是吴淞零点高程系统的起算依据。

　　约在1900年，在黄浦江口左岸附近的吴淞海关港务司署内设立一个土中石质水准基点，测定石质水准基点的吴淞零点高程作为基准。

　　1.2 吴淞高程系统基准点的变迁

　　每一个高程系统均须有一水准原点，并依据基准面决定水准原点高程，以作为高程控制网的起算点，为与国家高程系统的水准原点相区别，吴淞高程系统的水准原点改称为基准点（基点）。基准点的点位须稳定，标志要能长期保存。由于上海地区地面沉陷，致使吴淞高程系统几易基点，了解基点的变迁，对正确使用吴淞高程系统的高程资料是很有裨益的。

　　1.2.1 张华浜基点的设置

　　1921年浚浦局在距海关吴淞信号站基准标石不到300m处，打入一根7.32m长的钢筋混凝土桩，桩顶嵌有铜头，地面筑成阴井，加水泥盖板。测得高程为吴淞零点5.1054m.该点称之为“张华浜基点”。

　　由于该点距离长江江岸较近，1922年扬子江技术委员会就从此点出发，引测而上直至宜昌，测程近1800km，成为长江流域普遍使用的吴淞高程系统。这个“基点”一直使用到20世纪50年代初期。由于确定该点已随上海陆地沉降而发生严重沉陷，因此失去作为水准“基点”的作用。

　　1.2.2 佘山基点的设测

　　1922年6月，浚浦局在长江三角洲冲积平原外，离吴淞约60km的松江县西北面的佘山半坡天主教堂右侧天然岩石石壁上，用水泥镶嵌一个直径76.2mm、长约254mm的铜棒（露出端部分为圆球状），作为永久性的吴淞水准基点，其上附设有铜牌，刻有“浚浦局佘山水准基点”文字，其顶部高程为吴淞零点上46.0647m.

　　该点较为稳固可靠，一向被视为吴淞水准原点，只因距长江较远，引测不便，故长江流域很少引用此点高程。

　　1.2.3 镇江308′标点的设测

　　长江流域的吴淞高程，都是以1922～1926年前扬子江技术委员会（以下简称扬委会）所测的吴淞—宜昌精密水准高程（由张华浜基点引测）为基础，然后用普通干线水准向干、支流单线传递，由于辗转施测推算，加之观测质量较差，又加上标点埋设时间过久，标石难免有不同程度的变动。解放初期，由于历史条件的限制，长江流域各地区所测的地形图及各水文站基点等高程都是引测附近各水准标点的旧吴淞高程作为依据。而区域性高程，都存在不同程度的误差，因之相互连接发生了矛盾，需要有一个较正确的统一高程系统。

　　1951～1955年，长江水利委员会（简称长委会）先后完成了长江干线（吴淞—宜宾）及汉江、嘉陵江、岷江等主要干、支流的精密水准测量工作，具备了进行长江流域的吴淞高程水准网统一平差计算条件。

　　由于全国统一高程系统尚未建立，因此需要有一个较稳定的原扬委会埋设的精密水准标点高程，作为暂时统一的吴淞高程系统的起算基点。

　　张华浜基点沉陷不能使用；佘山基点虽较稳定，但距长江又远，引测不便；为了尽可能减少1922～1926年扬委会所测高程误差的累积，曾在下游地区另选一个高程起算基点，经与其他水准标点相互比较，其稳定性皆次于镇江308′，通过分析讨论，经领导部门批准，确定相对稳定的镇江308′标点的校测高程9.391m，作为长江流域暂时统一的吴淞零点高程的起算基点。

　　1.3 资用吴淞高程与“七环”平差

　　1951～1955年，长江干流自吴淞至宜宾及汉江、嘉陵江、岷江、洞庭湖流域等处已先后施测了精密水准路线；同时下游江阴、镇江、芜湖、彭郎矶、武汉、城陵矶、沙市、宜昌等8处进行了跨河水准测量，连接长江左、右两岸水准路线，组成了7个简单锁链形的水准网。

　　经过“七环”平差，江阴—宜昌长江两岸水准高程有了可靠的联系，以镇江308′作为新的起算基点，并按原扬委会所校测的高程9.391m推算长江流域新的吴淞高程。为了区别于过去的吴淞系统，提供以资暂时使用的高程，又称为资用吴淞高程。根据历史资料的记载，资用吴淞高程与“七环”平差前的吴淞高程，不同的区域存在不同的改正，改正范围在0.06～0.43m之间。

　　现在我们使用的吴淞高程，就是“七环”平差后的吴淞高程，亦即是长江委1959、1973年正式出版的《长江流域二、三、四等水准成果表》（一、二、三、四、五册）中的吴淞高程，自此，长江流域吴淞高程系统开始统一。

　　1.4 冻结吴淞高程

　　1950年前，长江流域各水文站沿用的水准点引据的基面较为复杂，有吴淞、海防、山河堰、坎门、赶水及假定等多种基面。1950年后，陆续建立的新水文站引用旧吴淞、海防、旧黄海和长委会接测吴淞“七环”平差前、后高程，以及假定基面等。但由于各水文站水准点测设来源不一，系统较多，虽均称吴淞基面，其绝对高程仍有一定误差。为了保证本站水位连续性，根据水利部规定：从刊布1956年资料起，各测站水准点原用的基面高程冻结不变，新建站冻结在开始引用基面高程上。由于各水文站基面冻结的时间不同和引据高程系统的不同，使得各水文基面是一些各自独立的，相互之间没有逻辑关系的离散点（下游点的高程可能比上游的高），因此“冻结吴淞高程”仅为挂靠“吴淞高程系统”的高程点，并不是高程系统。随着“吴淞高程系统”和国家法定的高程系统的变迁，水文测量高程控制系统的内涵也随之变化。

　　1.5 吴淞高程（资用）与1956年黄海高程的转换

　　长办于1959年正式出版的《长江流域二、三、四等水准成果表》（一～四册）中的“吴淞高程”与“1959年平差值”所采用的观测成果基本相同，但由于平差计算的环线区域大小与采用的权数不同（“七环”平差，用的是距离倒数1/L为权，东南部平差用的是中误差平方倒数1/m2 为权），因之计算各路线的改正值不同，高程差之差亦不同，所以不能用一个地区的差数，来改正另一个地区的高程。也就是说，不能用一个简单的常差或用简单的公式来换算。上述“吴淞高程”与“1959年平差值”的差值虽然不是一个常数，但却有一些规律可遵循，如长江干流从吴淞起，沿江而上其差值逐渐减少。各支流亦有类似的规律。

　　不同时期的平差值，同一地区两系统的差值亦不相同。这是因为：不同时期由于观测仪器、观测精度等诸多因素的不同，因此观测高差不同；还由于平差计算路线不同，高差的改正数也不相同；因此在转换时，要注意资料的分析，科学的利用。

　　2 资用吴淞高程（2003）基准

　　2.1 2002年长江中下游干流高程控制测量简介

　　1998年，长江流域发生特大洪水，国家投入了大量的资金用于大江大河的治理。作为堤防建设必须的高程基准存在如下两个方面的问题：一方面，由于长江中下游大部分水准点在1973年以前测量后，近30a未复测。水准点均存在着较大的沉降。为了检验堤防工程建设是否满足设计要求，需有统一准确的高程基准来进行衡量。另一方面，沿江各省市均应按照国家统一规划、统一部署的堤防设计标准进行堤防建设。因此沿江需有统一的高程基准，以便在堤防建设竣工验收时有统一的核定标准。根据有关规程规范的要求，长江水利委员会综合勘测局于2002年4月至2003年5月进行了长江中下游二等水准的复测重建工作。测区范围为宜昌至上海段的长江南北两岸，组成15条二等水准测线，共4107.3km.接测具有1985国家高程基准成果的国家一等水准网点16个，起算点均进行了检测，检测情况满足规范要求；外业选点、埋标、观测均严格按国家规范及作业规程执行，往返测高差不符值优良率为87%，其余13%的测段均在规范要求的限差之内；每千米水准测量偶然中误差最大为±0.62mm.全网中二等水准每千米水准高差中数的偶然中误差为±0.43mm，满足规范±1.0mm的要求；符合路线符合差均小于限差要求。说明本次观测外业质量优良，成果质量可靠。该项目通过严密平差计算，需要计算水准路线所有水准标石的1956年黄海高程成果以及1985国家高程基准成果。

　　本项目为了对历史数据进行分析，选点埋标时，利用红本第一～四册中旧水准标石192座，还联测了大量的水文基点。

　　2.2 吴淞高程成果的计算

　　吴淞高程在长江流域防汛、水位观测、堤防建设、工程规划设计中有着广泛的运用，为了满足不同的需要，需要计算一套吴淞高程成果。

　　2.2.1 构成水准环线

　　复测成果的吴淞高程部分，因无一等吴淞高程成果，为进行平差处理，利用一等水准黄海高程成果的高差值，赋予两倍于复测观测值的权，和复测高差值一并组成水准环线进行平差。如图1所示。该环线因为平差需要而构成，称为复测混合环线。

　　2.2.2 自由网平差

　　1959年长江水利委员会进行“七环平差”时，是采用镇江YRCBM308′的吴淞高程为高程网的起算点。由于本次复测时，YRCBM308′已遭破坏，其明标YRCBM308尚存，因此我们采用镇江YRCBM308的吴淞高程值为平差起算高程值，对复测混合环线进行平差。平差成果与七环平差的资用吴淞成果比较，其互差值离YRCBM308越远就越大。说明原吴淞高程成果中有明显的系统误差，其系统误差是来源于资用吴淞成果还是2002～2003年水准复测成果？为此，我们以YRCBM308的1956年黄海高程值作为起算数据，进行了自由网平差，得出2002年复测成果的1956年黄海高程成果，并与1959年平差成果比较。

　　经比较分析发现，资用吴淞高程成果存在明显的系统误差。如果采用一个点（镇江YRCBM308）为起算数据，其平差成果与资用吴淞高程成果存在较大的差异，这就给用户带来干扰和不便。为了使用方便，和保持资料的连续性，给出一个数据处理原则：即水准点位稳定，则吴淞高程值应基本保持不变，即使有差别，其差值也在二等水准观测误差的允许范围内。要达到其目的，就必须寻找稳定水准点作为吴淞高程值计算的起算点。

　　2.2.3 水准点稳定分析

　　在上述以YRCBM308的1956黄海高程成果为起算数据的自由网平差结果与1959年版的1956年黄海高程值的差，从理论上讲为参照YRCBM308的沉降量，对192个老点的沉降量的统计见表1.

　　2.2.4 资用吴淞高程（2003年）基准的建立

　　2002～2003年水准复测精度显然要高于1959年水准成果精度，如果将众多的认为稳定的水准点作为已知点进行平差，则它们的平差值与“七环平差”一致，说明这众多的认为稳定水准点在复测后精度未受益。为了让更多的水准点通过复测，提高水准成果的精度，已知点不能选得太多，但如果选得太少，由于资用成果存在系统误差，两期成果的差异将较大而不便于使用。

　　通过上述自由网的计算和分析，在YRCBM308的1956年黄海高程的自由网平差值与原成果的差值较小的点中，我们优先考虑选取位于丘陵地区高程值较大的点作为吴淞高程起算点的候选点。在此基础上考虑到起算点的均匀分布等情况，经过认真筛选，确定以下9个点作为吴淞高程的起算点：宝塔河基岩点、Ⅱ朱埠6-1、YRCBM308、Ⅱ小浦42基、Ⅰ武汉基岩点、Ⅱ宜沙10、Ⅱ武九50、Ⅱ武小10基、Ⅱ铜芜12.宝塔河基岩点在“长江三峡工程库区二、三、四等水准移测复建”项目中亦进行了利用，并计算了吴淞高程成果。本次复测时利用Ⅱ朱埠6-1、Ⅱ宜沙10的吴淞高程对其进行检验，其较差仅为2mm.为了使长江三峡工程库区和长江中下游的吴淞成果保持一致，在计算长江中下游水准点的吴淞高程成果时将宝塔河基岩点作为吴淞系统的起算点之一。

　　可以看出，各点相对于YRCBM308在考虑测量误差的基础上，比较稳定，可作为吴淞成果计算的起算点。

　　2.2.5 复测混合环线平差

　　通过以上分析，宝塔河基岩点、Ⅱ朱埠6-1、YRCBM308、Ⅱ小浦42基、Ⅰ武汉基岩点、Ⅱ宜沙10、Ⅱ武九50、Ⅱ武小10基、Ⅱ铜芜12九点可作为长江中下游干流吴淞高程成果的平差计算的起算点。平差后所得结果与原吴淞成果之差与用黄海成果所计算的新老成果的差基本一致，说明本次计算所选的起算点基本稳定，既保证了吴淞高程成果的连续一致性，又使众多的水准点在2002年的高精度测量中受益。

　　3 建议

　　高程控制是水利勘测、规划、设计以及工程建设的重要基础，统一的高程系统和准确的高程成果尤其对堤防建设、水情测报、防汛调度至关重要。从20世纪初开始，长江的水位观测、防汛及其水利工程建设，其高程控制一直沿用吴淞高程。吴淞高程系统自1860年开始设置以来，由于上海地区地面沉陷，曾几易其基点，加之各部门、不同期所从事的水准测量成果精度不一，致使各地区、各部门不同期的水准成果之间存在较严重差异。为消除水准成果之间的矛盾并统一高程系统，1956年长江水利委员会对20世纪50年代在长江中下游地区施测的精密水准成果进行了整体平差（因水准网由7个环组成，这次平差又称《七环平差》），平差时改以镇江308′标点为吴淞高程系统的新起算点，其平差成果被称为“资用吴淞高程”，该成果一直使用至今，在长江防洪、水利规划、工程建设和工程管理中得到广泛的应用。《长江流域二、三、四等水准成果》（第五册）自1973年出版至今已30余年，水准点的毁点率达60%以上。1973年复测成果在经过30a后，水准点大都发生了不同程度的沉降，犹以江汉平原和江苏省、上海市内的水准点下沉量最大。由于大的毁点率和大的沉降，原《长江流域二、三、四等水准成果》（第一、二、三、四册）中宜昌—上海段长江南北两岸的成果已不能满足流域规划和堤防建设的要求。

　　为此，长江水利委员会于2002～2003年对长江中下游二等水准网进行了复测。复测严格按《国家一、二等水准规范》实施，使用先进的自动安平水准仪观测，采用电子记录，对观测成果进行了全网的整体平差，观测精度和成果质量符合国家二等水准要求。

　　在进行长江中下游二等水准复测的同时，开展了《长江中下游干流高程系统之间相互关系的分析与论证》的课题研究。研究发现《七环平差》成果存在以下问题：

　　（1）《七环平差》采用镇江308′水准点的吴淞高程作为起算数据，用近期精密水准资料核实，该起算高程的高程误差为0.26m，也就是说资用吴淞高程值和吴淞高程值（由佘山基点推算的高程）相差0.26m.

　　（2）资用吴淞高程成果与近期精密水准测量成果比较，存在从下游向上游逐渐变化的系统误差，致使资用吴淞高程与黄海高程的较差有由下游的1.90m（镇江）到中游的1.74m（宜昌）的变化。

　　50a来资用吴淞高程成果的工程应用证明，以上问题不影响资用吴淞高程成果的应用，因为第1个问题是由平差起算点不一引起，不会给《七环平差》中各水准点之间的高差值带来影响。一个水利工程的高程控制均使用资用吴淞高程成果，而不是既使用资用吴淞高程又使用其它名目的吴淞高程，以上第1个问题就不会给水利工程带来影响。第2个问题是由水准测量误差产生的，只要每一个地区的资用吴淞高程与黄海高程的较差不经常变化，也不会给使用带来不便。

　　由于资用吴淞高程成果使用时间长，是近50a来长江中下游水位观测的高程依据，也是防洪、堤防建设的高程依据；资用吴淞高程成果的使用范围也很广，长江中下游的水利建设几乎都是采用资用吴淞高程。为了保持资料的连续性以方便使用，长江中下游二等水准复测所提供的吴淞高程成果在精度允许范围内，应尽可能与资用吴淞高程成果相接近。如果仅考虑复测水准成果平差采用与《七环平差》相同的高程起算点（镇江308′），虽在起算点附近复测成果与资用吴淞高程成果相差甚微，但离起算点越远，由于测量误差的积累，两者之间的相差就越大，因此复测成果平差仅考虑采用镇江308′作为高程起算点是不够的，必须在《七环平差》网中有一组分布均匀、点位稳定的水准点作为复测成果平差的起算点，才能保证在长江中下游干流范围内二等水准复测所提供的吴淞高程成果与资用吴淞高程成果基本保持一致。

　　根据多期水准观测资料的统计分析和水准点所在地的地质情况，已选择了一组点位稳定的水准点（宝塔河基岩点、Ⅱ朱埠6-1、YRCBM308、Ⅱ小浦42基、Ⅰ武汉基岩点、Ⅱ宜沙10、Ⅱ武九50、Ⅱ武小10基、Ⅱ铜芜12）作为长江中下游干流二等水准复测成果平差的高程起算点。显然，所选用的这组起算水准标点便成为资用吴淞高程（2000年）的基准点，称为“资用吴淞高程（2003年）基准”，要求在今后的使用过程中能长期保持点位稳定不变，以便作为以后水准网每期复测成果平差的高程起算点，这样就可以保证资用吴淞高程成果长期的稳定性和连续性，以方便使用。但这次选用的水准起算点，其标型多达不到水准基准点的要求，因此有必要考虑设立长江中下游吴淞高程基准点，其做法是在每一个所选定的高程起算点附近重选两个点作为副点并按水准基准点的要求埋标，有的还需要设保护设施（例如标点保护房），待标石稳定后，再与附近的水准起算点进行连测，以求定其高程。（考试考试网一级建造师编辑整理）

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