水文水資源測量不確定度問題淺析

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一些必要的測量和科技手段不斷地探索，才能進一步去認(rèn)識自然界的事物。對于自然界很多事物的量值關(guān)系的確定，測量是一種常用的方法和手段。在測量自然界事物的量值時，我們首先需要明確被測量真值和測量不確定度。被測量真值是事物本身的一種量值，它是客觀存在的，并不會因為人為的測量而發(fā)生改變。測量不確定度就是我們在對事物測量時，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。不確定度是任何測量過程中都會存在的東西，受認(rèn)識水平和測量技術(shù)的多種因素限制，測量的結(jié)果肯定會存在不確定性。如何科學(xué)合理地看待不確定度的存在，并找出相應(yīng)的方法進一步控制減少測量誤差，這不僅是所有測量工作中必須面對的一個問題，更是在水文水資源測量中亟需解決的一個重要問題。

1.水文水資源測量不確定度的概述

水文水資源的測量包括對水體的位置、雨水降落蒸發(fā)量、水體流量以及地下水位和水質(zhì)分析等多個方面，這些物質(zhì)的測量都是需要使用精密的儀器和專業(yè)的方法才能進行的，它的測量從理論上來說是一種單一的計量學(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)于水文水資源的開發(fā)和使用測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)，對于該地的水文水資源的測量必須精準(zhǔn)到位，測量的結(jié)果要符合當(dāng)?shù)氐膶嶋H水文情況，并能夠?qū)y量的不確定度都考慮進去。

其實，測量的不確定度就存在于測量的過程中，因為各種可能會影響測量的因素都是在測量階段進行干預(yù)，所以這種因素的存在會導(dǎo)致測量的結(jié)果分散有一定的誤差限，也就是測量結(jié)果與實際被測量真值間存在的一個區(qū)間。這種不確定度的存在，除了和測量的方法、設(shè)備、操作人員技能水平有關(guān)外，更和我們所選擇的測量對象本身的特性有關(guān)。水是一種液體，液體的測量需要重復(fù)多次，將其所有的測量都處于統(tǒng)計控制下，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。在多次測量的過程中，測量人員的認(rèn)識不足或者測量不完善，都會造成被測量值與上一次測量的偏差，我們將這些所有測量值進行整理，就能得出其大概的測量值區(qū)間。這種區(qū)間內(nèi)存在的數(shù)值是因為系統(tǒng)誤差而造成的一個變值分布，我們并不能確定測量的值就接近被測量真值，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，后者為擴展不確定度。

2.水文水資源測量不確定度的問題淺析

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

2.2 實際測量不確定度的基本方法。測量不確定度的評定主要有方差和標(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，測量的結(jié)果也越接近被測量真值，使用價值高。

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 兩類判定方法進行評定。A 類的判定是根據(jù)測量觀察的實際結(jié)果進行統(tǒng)計分析而得出的，這是一種試驗得出的標(biāo)準(zhǔn)差。A 類因為是通過重復(fù)測量變化的，其偶然誤差和系統(tǒng)誤差都會存在，因此其相應(yīng)的隨機變量x 的最佳估計值，是在n 個獨立測量值之間取得的。

每一次對樣本的測量標(biāo)準(zhǔn)偏差為:

多次測量的平均值標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)為:

B 類的判定與A 類有所不同，它是以一種估計的標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)。因此B 類存在的偶然誤差較多，對于這里的評定就需要作業(yè)員具有豐富的經(jīng)驗和洞察力，能夠?qū)ο鄳?yīng)的不確定度的值進行平衡。比如，對于給出量不確定度值D，若技術(shù)資料顯示的是K 倍，則測量不確定度為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。水文水資源的測定，其實也需要通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，才能更好地反應(yīng)有關(guān)變量的實際變化。在累計重復(fù)測量的情況下，我們可以將長期積累的數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。?jīng)驗?zāi)Ｐ涂梢詫⑦@些數(shù)據(jù)全都進行統(tǒng)計控制，因為這也有助于數(shù)學(xué)模型的建立和測量不確定度的評定。測量不確定度是由很多個小的分量構(gòu)成，這些分量的來源主要有兩種，一種是測量結(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，其在評定時所造成的不確定度也可忽略不計。

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，也是測量模型，大寫字母是代表可以測量的量，也就是隨機變量，輸出的值取決于輸入的x1，x2.....xn 本身，其實這也是一個非常復(fù)雜的函數(shù)式，具體要將它表示出來，還是有一點困難的。

結(jié)束語:

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

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

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