水文水資源測(cè)量不確定度問(wèn)題淺析

趙 威

(吉林省水文水資源局松原分局，吉林 松原 138000)

世界是需要我們通過(guò)一些必要的測(cè)量和科技手段不斷地探索，才能進(jìn)一步去認(rèn)識(shí)自然界的事物。對(duì)于自然界很多事物的量值關(guān)系的確定，測(cè)量是一種常用的方法和手段。在測(cè)量自然界事物的量值時(shí)，我們首先需要明確被測(cè)量真值和測(cè)量不確定度。被測(cè)量真值是事物本身的一種量值，它是客觀存在的，并不會(huì)因?yàn)槿藶榈臏y(cè)量而發(fā)生改變。測(cè)量不確定度就是我們?cè)趯?duì)事物測(cè)量時(shí)，比如水文水資源，受一些雨量、泥沙、水位等外在客觀影響因素。不確定度是任何測(cè)量過(guò)程中都會(huì)存在的東西，受認(rèn)識(shí)水平和測(cè)量技術(shù)的多種因素限制，測(cè)量的結(jié)果肯定會(huì)存在不確定性。如何科學(xué)合理地看待不確定度的存在，并找出相應(yīng)的方法進(jìn)一步控制減少測(cè)量誤差，這不僅是所有測(cè)量工作中必須面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題，更是在水文水資源測(cè)量中亟需解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

1.水文水資源測(cè)量不確定度的概述

水文水資源的測(cè)量包括對(duì)水體的位置、雨水降落蒸發(fā)量、水體流量以及地下水位和水質(zhì)分析等多個(gè)方面，這些物質(zhì)的測(cè)量都是需要使用精密的儀器和專業(yè)的方法才能進(jìn)行的，它的測(cè)量從理論上來(lái)說(shuō)是一種單一的計(jì)量學(xué)。現(xiàn)階段，全球的資源都陷入了短缺狀態(tài)，雖然中國(guó)總體的水資源豐富，但是人均可用的淡水資源卻是非常少，因此很多領(lǐng)域?qū)τ谒乃Y源測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性要求都較高，特別是關(guān)于水文水資源的開(kāi)發(fā)和使用測(cè)量方面更有著十分嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。比如，一些水利工程的建設(shè)，對(duì)于該地的水文水資源的測(cè)量必須精準(zhǔn)到位，測(cè)量的結(jié)果要符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際水文情況，并能夠?qū)y(cè)量的不確定度都考慮進(jìn)去。

其實(shí)，測(cè)量的不確定度就存在于測(cè)量的過(guò)程中，因?yàn)楦鞣N可能會(huì)影響測(cè)量的因素都是在測(cè)量階段進(jìn)行干預(yù)，所以這種因素的存在會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果分散有一定的誤差限，也就是測(cè)量結(jié)果與實(shí)際被測(cè)量真值間存在的一個(gè)區(qū)間。這種不確定度的存在，除了和測(cè)量的方法、設(shè)備、操作人員技能水平有關(guān)外，更和我們所選擇的測(cè)量對(duì)象本身的特性有關(guān)。水是一種液體，液體的測(cè)量需要重復(fù)多次，將其所有的測(cè)量都處于統(tǒng)計(jì)控制下，最終其得出的分散結(jié)果可結(jié)合可貝塞爾公式，就能得出其不確定度。在多次測(cè)量的過(guò)程中，測(cè)量人員的認(rèn)識(shí)不足或者測(cè)量不完善，都會(huì)造成被測(cè)量值與上一次測(cè)量的偏差，我們將這些所有測(cè)量值進(jìn)行整理，就能得出其大概的測(cè)量值區(qū)間。這種區(qū)間內(nèi)存在的數(shù)值是因?yàn)橄到y(tǒng)誤差而造成的一個(gè)變值分布，我們并不能確定測(cè)量的值就接近被測(cè)量真值，它具有一定的分散性，因此我們可以用標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差表示或者標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差的倍數(shù)表示，前者為標(biāo)準(zhǔn)不確定度，后者為擴(kuò)展不確定度。

2.水文水資源測(cè)量不確定度的問(wèn)題淺析

2.1 水文水資源測(cè)量不確定度的問(wèn)題。水文水資源在測(cè)量時(shí)產(chǎn)生不確定度的因素很多，但主要的還是和測(cè)量設(shè)備和使用的測(cè)量方法有關(guān)。測(cè)量物體時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)測(cè)量的物體進(jìn)行定義，隨后再進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的樣本是不能代替實(shí)際被測(cè)整片區(qū)域的情況，在測(cè)量時(shí)，必須事先充分測(cè)量水體環(huán)境和可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的因素。測(cè)量設(shè)備必須精準(zhǔn)，其測(cè)量得出的數(shù)值必須與測(cè)量的水體賦值重合，測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)必須經(jīng)歷重復(fù)測(cè)量，這樣才能最大減少系統(tǒng)誤差。

2.2 實(shí)際測(cè)量不確定度的基本方法。測(cè)量不確定度的評(píng)定主要有方差和標(biāo)準(zhǔn)差這兩種方法，兩種方法的差異值越小，表示其不確定度也越小，測(cè)量的結(jié)果也越接近被測(cè)量真值，使用價(jià)值高。

不確定度根據(jù)產(chǎn)生原因，也可以分為系統(tǒng)不確定度和隨機(jī)不確定度，當(dāng)前這兩種不確定度主要有AB 兩類判定方法進(jìn)行評(píng)定。A 類的判定是根據(jù)測(cè)量觀察的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析而得出的，這是一種試驗(yàn)得出的標(biāo)準(zhǔn)差。A 類因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)重復(fù)測(cè)量變化的，其偶然誤差和系統(tǒng)誤差都會(huì)存在，因此其相應(yīng)的隨機(jī)變量x 的最佳估計(jì)值，是在n 個(gè)獨(dú)立測(cè)量值之間取得的。

每一次對(duì)樣本的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差為:

多次測(cè)量的平均值標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)為:

B 類的判定與A 類有所不同，它是以一種估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)。因此B 類存在的偶然誤差較多，對(duì)于這里的評(píng)定就需要作業(yè)員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)和洞察力，能夠?qū)ο鄳?yīng)的不確定度的值進(jìn)行平衡。比如，對(duì)于給出量不確定度值D，若技術(shù)資料顯示的是K 倍，則測(cè)量不確定度為U=D/K，若是從正態(tài)分布角度考慮，置信區(qū)間應(yīng)該包含相應(yīng)的因子K。

2.3 數(shù)學(xué)模型的建立。水文水資源的測(cè)定，其實(shí)也需要通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，才能更好地反應(yīng)有關(guān)變量的實(shí)際變化。在累計(jì)重復(fù)測(cè)量的情況下，我們可以將長(zhǎng)期積累的數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＝?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢詫⑦@些數(shù)據(jù)全都進(jìn)行統(tǒng)計(jì)控制，因?yàn)檫@也有助于數(shù)學(xué)模型的建立和測(cè)量不確定度的評(píng)定。測(cè)量不確定度是由很多個(gè)小的分量構(gòu)成，這些分量的來(lái)源主要有兩種，一種是測(cè)量結(jié)果的數(shù)列估算，另一種則是概率估算，兩者的產(chǎn)生既和系統(tǒng)誤差有關(guān)，又和偶然誤差有關(guān)，但如果系統(tǒng)誤差所造成的不確定分量很小，其在評(píng)定時(shí)所造成的不確定度也可忽略不計(jì)。

主要的數(shù)學(xué)模型公式為Y=f (x1，x 2......xn)

這就是我們所稱的數(shù)學(xué)模型，也是測(cè)量模型，大寫(xiě)字母是代表可以測(cè)量的量，也就是隨機(jī)變量，輸出的值取決于輸入的x1，x2.....xn 本身，其實(shí)這也是一個(gè)非常復(fù)雜的函數(shù)式，具體要將它表示出來(lái)，還是有一點(diǎn)困難的。

結(jié)束語(yǔ):

總而言之，目前不確定度的表示方法和評(píng)定方式包含的內(nèi)容較多，其測(cè)量條件和測(cè)量方法也有很多，如果我們不重視測(cè)量不確定度的問(wèn)題，這不僅會(huì)影響我們對(duì)水文現(xiàn)象的正確認(rèn)識(shí)，更會(huì)對(duì)相關(guān)的研究產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。為了幫助測(cè)量工作者做好水文水資源的測(cè)量工作，本文對(duì)測(cè)量工作中常用的一些計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等方面進(jìn)行了上述說(shuō)明。

［1］張勇強(qiáng).探索水文水資源測(cè)量不確定度問(wèn)題［J］.大科技，2014，(35)

［2］潘雪松.水文水資源測(cè)量不確定度問(wèn)題探討［J］.城市建設(shè)理論研究(電子版)，2013，(11)