2016-10-13
刘时金 许家琨
溪流的海洋人生
在美丽的黄海海滨科学城--青岛市观象山上，有一幢面积只有7.8m，雕凿精细，玲珑别致，全由崂山花岗岩砌成的俄式建筑小石屋(上图所示）。一进石屋，室内墙壁上嵌着一块刻有“中华人民共和国水准原点，中国人民解放军总参谋部，一九五四年十月建”的黑色大理石碑。掀开80cm见方的钢盖板，可见到地面下2m深处，一个半径只有2.35cm，价值不菲，露出半球的黄玛瑙石，顶上那小小的红色标志点，是祖国壮丽山河海拔高度的起算点，珠穆朗玛峰的高度就是由此点联测推算的。在东海之滨的浙江省玉环县坎门这个极为普通的海岛渔村，也有一个赫赫有名，仍引用于我国经济建设、国防建设和科学研究的测量基准点一坎门零点，它曾与青岛原点(原始之点)有一段密切相关、互为连接的不平凡历史。青岛--坎门两地的测量基准点，曾一度记录了中国人民为维护国家主权和领土尊严的风雨历程。①大连高程零点：1905年9月，日俄战争刚刚结束，日本海军水路部在旅顺港设立验潮站，此后又于大连港建立验潮站，在一号码头埋没水准基点，其高程定为3.765m。②大沽高程零点：是1902年(光绪28年)由英国海军兵舰“赖伯勒”号的船长斯麦士在侵略天津大沽港期间，为测量大沽浅滩，经过16天潮汐观测，以大潮平均最低潮位作为起算面。③废黄河零点：是江淮水利测量局为建设和开发长江和淮河地区水利工程，聘请一个美国人在1912年11月11日下午5时，以废黄河口低水位为基准面，确定高程基准零点。④吴淞高程零点：1860年上海海关巡工司，在上海黄浦江西岸张华滨设置吴淞信号站，竖立水尺和信号杆悬挂水准标球。1883年初，又在水尺旁埋设一普通水准标石作为基准标石。高程为当时测得的最低水位以上5.182m(17英尺)。经过1871年至1900年长期实测，确定经当时实测最低水位略低的水位作为水尺零点，此点在平均最低水位以下0.49m，当初称为吴淞海关零点，后正式定名为吴淞零点(W.H.z)。⑤罗星塔高程零点：1860年，英国人在福州马尾镇对岸长乐县营前设立海关，建造码头。通过验潮，在离码头台阶1m处的岩石斜坡处刻一标志，作为高程零点，称为“罗星塔零点”。⑥珠江高程零点：珠江高程基准是1908年(光绪34年)两广督练公所参谋处建立的，以广州粤海关前珠江的验潮水尺测得的平均潮位为基准面，水准基点为海关正门基石。纵观19世纪以来，帝国主义列强从我国沿海主要港口要地侵入，为此所设验潮所和测量基准面，并以这些点为依据，任意测绘我国领土和领海的各类地图。这些图件详细准确，直接为武装侵略提供测绘保障。英国海道测量局总兵伯特利，曾根据英国各舰船于道光二十五年至光绪二十年(1845～1894年)测绘的资料，编制了《中国海航路指南》一书，书中附图标明浙江沿海港湾形状，如玉环岛周边海域礁石分布、水流动态，以及各类助航设施如灯塔、浮标等。在清朝败溃、民国政府定都南京后的1929年10月，时任国民政府参谋本部陆军测量总局局长的黄慕松(广东梅县人，曾任国民政府陆军大学校长和国民革命军第三师师长，率部参加北伐战争)，主持召开全国测量会议，制定《全国陆地测量十年计划》，计划中进一步提出建立统一国家测量基准点的重要性和紧迫性，明确加快浙江坎门验潮所的建设步伐。以尽早建成验取平均海平面，设定坎门零点，统一全国海拔高度起算点。坎门验潮所，位于浙江省玉环岛(县)，东南角隅的前台村平石岙咀(现坎门办事处灯塔社区)，这里面向水光粼粼的东海，海面开阔，海底平坦，水域较深，海蚀地貌独特，被选中的平石岙咀长约100m，宽约12m，沟壁直立，深10m，呈东北至西南向。自1927年开始选址，至1929年1月和6月，陆军测量总局分别审批论证了选址方案及专项经费，并由浙江省陆军测量局三角科长曹谟具体负责选址建造。早在元代，大科学家郭守敬在朝廷里任都水监和工部郎中(掌管各种工程、水利等事务的高级官员)，在实测元大都(北京)和汴梁(今河南开封)地形时，指出“又尝以海平面较京师至汴梁地形高下之差，谓汴梁之水去海甚远，其流峻急，而京师之水去海至近，其流且缓，其言倍而有微，此水利之学，其不得可也。”这就是首先在世界上提出利用海平面作为基准来建立绝对高程，即“海拔”的科学概念。于是，人们在海滨特定位置设立验潮站，长年累月连续观测潮汐，利用测量潮汐的高度变化和相应的时刻来求取海平面。选设验潮站，必须具有特殊的自然地理环境和较为理想的海区。一般应在全国中纬度、海岸线的中部；海域水面宽广，水底平坦，无密集岛屿阻挡，最低潮位时水深在lm以上；潮汐大都具有代表性的正规半日潮和全日潮，能灵敏地反映潮汐涨落；避开大江大河径流注入的影响；应具有掩护条件较好的地形，抵抗风浪的冲击；地质构造稳定的非烈震区，便于设立水准基准点；应有先进的验潮设备和操作规程。在进行综合考察、全面分析和反复比较玉环周边海域优势、地理环境、海岸变迁、渔村的风俗习惯和社会状况后，国民政府陆地测量总局认为，玉环县海域和坎门平石岙咀符合建站和验取海平面的基本条件，可作为“海拔零点”的验取点。1929年1O月在耗资1900多银元，基本建成验潮井，并派专人安装一台英制自动验潮仪后，于1930年5月正式验取潮汐资料。运行16个月后，原用洋松板构成的验潮井，因受海水侵袭而朽蠹，只好中止验潮，进行修理。1932年1月验潮井使用钢筋混凝土构筑成菱形，井外设有三道挡浪墙，底部透空，使潮流能自由进入。挡浪墙外侧写有道劲有力的“翅澜闸”三个字。1932年3月修复好后的验潮井外贴墙竖一水尺(高度8m)。装有记录时钟的自动验潮仪同时恢复观测；该仪器安装在方形验潮房内一定高度位置的台面上，用钢丝下垂，连接井内水面浮子，似滚筒随潮汐涨落升降自由滑动，昼夜旋转一周，自画自记潮位曲线点144次(10min自记一次)。每天定时更换记录纸，由此资料可推算出时、日、月、年的高低潮位和平均高潮位。经过分析，把1930～1934年共48个月潮汐观测资料算得的坎门中等海水面(位于水尺零点以上3.880m处)为“零”，作为高程起算面。通过精密水准测量，把“零点”起算数据引测刻在基岩上的验潮基准点上，其高程为6.959m(252号一等水准点，又称“坎门水准原点”见《历史地理》第18辑P321)。为防止主点被破坏，又在主点附近增刻了备用的基准参考点。1931年，在验取潮位的同时，曹谟等人又调陆地测量局三角科的有关人员，选取杭州一坎门、杭州～上海、上海一南京三条一等水准干线，埋设测量标志，在玉环县域内布设了23个水准点(包括主点和支点)。为跨越玉环漩门港深浦渡口800m宽的海面，他们曾就海面水域情况、仪器站位的布设、视线高度、观测时段、仪器换位作了周密的部署。1933年秋，派出十几人的测量队采用瑞士威特精密水准仪和铟钢尺，在不同气候条件下，往返各测量一次，其闭合差不能超限。将“坎门零点”数据引测到南京下关大石桥(原陆地测量总局大院内)和全国各地。埋设在玉环县域内的测量标志点柱石大都用天然岩石雕琢而成，十分精致、细腻，如城关东青岭脚的标志点，盖板上刻有“测量总局”、“第二五0号”、“一等水准点”、“民国二十二年”等字样。从1936年1月开始，参谋本部陆地测量总局正式启用坎门零点，并引测到浙江、江苏、江西、福建、河南、陕西、四川、贵州、广西、北京等全国l7个省市，应用于军事测图。解放后，曾测绘我国东南沿海第一代大比例尺地图以及东部沿海的局部港湾地形图。1958年，著名地图学家曾世英主持编绘的中华人民共和国全图的附图中，引用了坎门零点的起算数据。由于各省市利用的海拔零点不一致，使相邻省份自然单元高度相差达50～60m，测绘的各类地图无法拼接和引用，尽管民国政府时期力挽这种混乱局面，想启动坎门零点，以统一全国高度起算依据，但因国民党最终败逃台湾而没有实现。解放后，为什么国家把青岛原点作为全国海拔的起算依据，而没有选取坎门呢？据国家测绘局大地测量数据中心大地测量学家董鸿闻教授介绍，他曾参与国家大地高程基准面的论证和计算，他说：确定一个“点”，对于常人来说，似乎十分简单容易，其实并不为然，一个科学“点”的建立和认可，取决于科学技术发展水平，包含了许多科学家追求真理的艰辛和心血，也反映了一个国家综合状况和经济实力的提高。1949年国家刚解放，百废待兴，大规模的经济建设和国防建设需要详细、准确的各种测量基础资料，如各类坐标点、高程点、地形图作为依据。为此解放军总参谋部测绘局，于1952年委派该局白敏处长(后任国家测绘总局副局长，1968年11月去世)和胡明城研究员筹建国家水准原点的任务。白敏同志组织有关人员专门对我国沿海一些验潮站，如坎门、吴淞、青岛、大连、葫芦岛及一些高程基准点进行专题调查，并列举坎门零点。由于国民党败逃台湾时，带走了1947年以前的验潮资料，以及战乱，原坎门验潮所没有相应的配套设施而没有被选中。在考察青岛时，他们走访了地质学家侯德封先生和地震学家李善帮先生。专家们认为把水准原点建在青岛较为理想，青岛验潮站位于纬度36°05′05″N、经度120°18′40″E的大港一号码头，原是1898年德国人侵占青岛时所建，屡遭战乱，一度中断观测。解放后由海军北海舰队直接管理，自1950年经过改造，增设了自动验潮仪，每天定时观测潮汐变化，潮汐观测较为正规。同时，他们跑遍了青岛市周围的众多地方考察地形地貌，进行反复研究，最后确定把原点位置定在青岛市观象山上。因为观象山居高临下，能俯视青岛美丽的城市风貌和蓝色的海湾，附近有中科院天文台、地磁台、地震台，以及海军气象台，交通便捷，又便于水准线路联测。附近地质构造属稳定的花岗岩基岩，便于以原点为中心构成若干参考点。青岛水准原点的建筑式样和参考点由白敏同志设计，并画了草图。在完成青岛水准原点选址、方案确定和设施建造后，为防止原点受破坏，不能恢复，设置了由一个原点、两个附点和三个参考点的中点多边形原点网(分别设在青岛海关、原山东大家医学院等处)，1955年对验潮站水尺基点和原点网中各点进行联测。当时参与首测的观测员王启梁先生说：“当时测量作业执行苏联的观测规范，要求十分严格，在测量时，根据要求把精密水准仪三脚架架高离地面2m以上，观测员站到高凳上观测前后尺的数据。打伞员一只手扶着近3m高的大白伞，另一只手举着分别挂在2.5m、2m、1.5m高度的温度计，注视太阳辐射在地表上的气温变化对测量精度的影响。由此，把青岛大港海军验潮站验取的海平面零点，引测到青岛市观象山上。根据青岛站两年验取的平均潮位，算得黄海的海平面“零”点，进一步精密联测全长1681km至浙江坎门验潮所的“零”点数据，得出两处高差仅为90mm。认为该差距在测量限差允许范围内，得出青岛平均海平面和坎门平均海平面高度是一致的结论。以此作为一个几何条件，纳人中国东部沿海24个环线精密水准网进行平差，首次设立了“1954年”黄海高程基准。应用于我国东南沿海的地形和工程测图。1956年，国家测绘总局、总参测绘局、水利部、中国科学院地理研究所等单位专家，专门组成“中国东南部地区水准网平差委员会”，重新审查1954年黄海高程应用情况。认为当时选取时，因时间匆促，青岛验潮站只有1952、1953年的潮位资料，与坎门验潮所所取资料观测时间不同。两地平均海面的值也不甚准确，水准网覆盖国土范围不广，只局限于东部，作为全国遵循的高程起算零点还有许多不足之处。于是重新提出确定高程基准面，并对保存资料一年以上的坎门、吴淞、青岛、葫芦岛和大连5个验潮站所处的自然条件、社会环境、观测资料的连续性及可靠性进行专题调查，写出《中国东南部沿海验潮站1956年调查报告》。在此之前，总参测绘局第一测绘大队曾于1955年重新施测一等水准线路至坎门验潮所(从温岭泽国镇至坎门，共埋设l3个一等水准点，编号为军测泽坎支线I-1～I-13号)。经过认真研究、比较分析，并征求国内有关单位意见，提取青岛站1950～1956年7年总观测61008h的潮汐资料，求得黄海海平面的“零”点位于青岛验潮站水尺零点以上2.390m处，以此为“零”。同时把此数据引测到青岛市观象山上的原点上，得出中华人民共和国水准原点的高度为72.289m。并与新联测的青岛一坎门的两地验潮数据的水准测量成果，一起参与中国东南部地区精密水准网平差，其所得基准面为“1956年黄海高程基准”。该次精密水准测量线路共约4万多千米，组成7O个闭合环，地域范围为纬度2O°～40°N，经度103°E以东，北至北京、大同，西至兰州、贵阳，南至南宁、汕头，遍及全国l7个省市、自治区，首次实现国家高程基准真正意义上的统一。经过这次平差后的坎门验潮所“原点”的黄海高程为7.105m，数据编人《中国精密水准成果表》。国家有关部门也于1957年开始每年正式出版中国沿海的《潮汐表》，书中列有坎门港的资料，供工程和航海等部门使用。1956年我国确定的“黄海高程基准”，是在当时客观条件下所能够选择的最佳方案，在相当长的年份中，对于统一全国高程基准发挥了重大作用。随着科学技术的进步，验潮资料的积累又存在明显的不足和缺陷。这主要归结于青岛验潮站7年的验潮资料，潮汐数据观测时间较短，不能消除长周期潮汐变化的影响，计算的海面不大稳定。以及对我国整个沿海海面状况尚缺乏深入了解，没有测定各沿海区域平均海面与黄海平均海面的差值，不能确定沿海海面存在的南高北低的具体量级，也就无法顾及我国海面存在的倾斜问题等。此后，我国进行了全国一等水准网统一平差。根据分工，总参测绘局在国家海洋局、海军航保部、交通部等有关部门的大力支持下，承担了对我国沿海主要验潮站的资料搜集和调查，特别是坎门验潮所(1958年后改为海洋站)，自1950年以来29年的观测资料。同时以青岛海洋大学陈宗镛教授的课题组，对青岛验潮站及1952～1979年的潮位数据进行净化和统计分析，又结合联测全国292条一等水准线路，19931个水准点，100个闭合环的测量新成果和几十个验潮站约800万的原始潮汐观测数据，进行综合分析和计算，采用5种公式进行计算比较，结果用陈宗镛教授提出的低通数值滤波公式，计算了青岛站日、月、年平均海面，以19年为周期，滑动步长为1年的l0组平均海面的平均值，算得青岛验潮站平均海水面在水尺零点以上2.429m，比原来高0.039m。通过联测确定原点高程为72.260mm，由此得到的结果被称为“1985国家高程基准”。并采用地转水准联测方案，将其成果联测到海南岛。成果达到国际先进水平，并报国务院批准，国家测绘局于1987年5月26 13公布实施。沿海主要验潮站水准点与1985国家高程基准之差见表1。表1 全国主要验潮站水准点、平均海面和1985国家高程基准的关系资料来源：施雅凤、赵希涛、朱季文．中国海面变化.P208，表5.1—2由于1954年选定的青岛原点网位于青岛闹市区，局部点位受到干扰破坏。为避免原点受到破坏，于1980年在青岛东北郊新建和布测了沙子口备用水准原点网和联接两网的青沙环线，新原点网由一个备用水准原点、两个附点、三个参考点组成，构成13个闭合环。路线总长91．6km。采用新的国家测量规范和规定进行精密测量和严密计算，结果仍由原青岛观象山上的原点数据，推算出青岛沙子口备用水准点。1985国家高程基准高度为17.528m。根据全国沿海海洋水文气象状况，联测新的测量成果，得出我国渤海与北黄海、南黄海、东海和南海四个区域海平面，自南向北倾斜，平均每100km约相差1cm。如坎门附近海面比青岛海面约高22cm，南海海面比渤海海面约高34cm(最多差达70cm)。全国海面自南向北呈现三个阶梯形的变化，全国沿海海面不平。20世纪50～60年代，国家一、二等精密水准网布设和联测坎门零点的数据，一直为大地测量学及其相关学科如地球物理学、地球动力学、地质学、地震学、海洋学研究所关注。在国家的一些重大科研项目活动前期中，都会事先研究坎门站的成果。如1965年1O月国家测绘局第二大地测量队，在联测杭州一广州一南宁的一等水准线路时，支线横穿玉环境内至252号基准点。1978年1O月，国家开展大范围的地震预报，发展国防空间与大地测量技术，研究地壳运动、地球重力场变化、海平面变化及开展海洋资源调查，由国家测绘局、总参测绘局、水利部、国家地震局4个系统的35个测量队专门对全国水准测量网络进行复测。总参测绘局某测绘大队首次承担复测坎门验潮站及全国沿海42个基本验潮站任务，参与1985年全国一等精密水准网平差；1988年国家自然科学基金会叉拨专款对坎门一厦门两个验潮站基准点进行复测，发现自长江口吴淞验潮站以南200km至浙江坎门验潮站为一片地面沉降区，其中坎门站基准点(252号，即原点)的沉降速率为2.3mm/a，以浙江金华、温州(玉环)为界，北方沿海的陆地大幅度沉降比南方更严峻。1996年浙江省测绘局的一等水准复测，1997年自北向南的全国海岛GPS联测，都证实了这一点。2001年l1月25日～12月2日，国家地震局为进一步监测东亚板块运动以及台湾海峡的地震活动，专门在我国的台湾省、香港地区、浙江坎门进行高精度GPS观测。全球工业化的迅速发展和能源的大量消耗，向地球大气中排放了大量的二氧化碳，产生南极冰盖融化以及格陵兰岛的雪地后退，全球气温明显变高，促使海平面逐年上升，已成为威胁人类生存的严峻问题。国际、国内许多科研组织都投入大量人力、物力、财力，研究海平面和陆地垂直运动。中科院院士施雅凤、苏纪兰、陈俊勇、张宗佑、任美锷等在许多关于海平面变迁的研究成果中，大量引用坎门验潮站的数据进行综合分析，提出对策措施。特别是中国测绘科学研究院冯浩鉴研究员的研究报告《海平面上升对我国沿海地区经济发展和生态环境的影响及其对策》就指出，玉环沿海海平面以1.5mm/a在上升。至2030年浙江省坎门地区海平面相对上升值将为达到18～27cm。由于海平面上升，将会使潮差和水深加大，潮流作用和波浪作用力加强。根据计算潮位上升lcm，潮差将增加0.34～0.69cm，水深增加一倍，海浪作用强度增加5.6倍。2000年5月评审通过的《玉环县防潮警戒水位核定研究报告》，引用坎门验潮站的长期资料，综合考虑我县沿海的历年各类自然因素后，将原来的警戒水位由730cm(水尺零点起算)提高到741cm。在“十五”期问实施的国家空间数据基础框架工程中，国家测绘局利用坎门验潮站的优势，为精化我国大地水准面等研究，于2003年5月在该站专门布设了高精度的框架基准点GPS—A级点(1997年曾布测GPS—B级点)，2004年2～4月，国家测绘局第二大地测量队(驻黑龙江)GPS观测队、精密水准测量队都曾携带最先进的仪器，来玉环坎门进行观测，发现了玉环局部地面由于城市化的发展，布置荷载较重的建筑而产生的大面积地面沉降。青岛原点与坎门零点都是我国自行确定的测量基准点，不论在近代和当今，它们一直有着举足轻重的作用。自20世纪70年代起，国家根据国防、经济、科研等方面的发展要求，以及国家整体经济实力的提高，国内外对海洋潮汐理论、海平面变化研究的深入，组织国内众多的生产、科研部门参与重新论证50年代的“1956黄海高程系”的可靠性，建立了全新的1985国家高程基准，而其中多次联测坎门验潮所零点的新成果，证明了坎们水文观测数据和高程基准点具有的重大作用。注：坎门验潮所历经历史沿革，名称一再改变。为方便读者，故沿用原名。【作者简介】刘时金，男，1947年出生，浙江台州人，原浙江省玉环县建设规划局工程师，主要从事海洋测绘、海洋经济与城市区划研究，现已退休。许家琨，山东莒县人，1979年毕业于海军大连舰艇学院海测系，高级工程师，国际海道测量师，国家注册测绘师，海军大连舰艇学院客座教授。文章分二篇分别发表在《海洋测绘》2006年第1期和第2期上，本次编发进行了合并，版权归《海洋测绘》和作者共同所有，其他公众平台如需转载，务请备注作者及文章来源。投稿邮箱：452218808@qq.com，请您在留言中标注为投稿，并提供个人简介及联系方式，谢谢！