水文測(cè)驗(yàn)工作中的誤差類型及防治措施

胡 斌

（湖南省永州水文水資源勘測(cè)中心，湖南永州 425000）

0 引言

水文測(cè)驗(yàn)工作是一項(xiàng)復(fù)雜性較高的科研工作，其測(cè)驗(yàn)結(jié)果由于容易受到多方因素影響，一般存在誤差。為使水資源管理工作更加科學(xué)、合理，就要解決水文測(cè)驗(yàn)中存在的問題，盡量減少測(cè)驗(yàn)誤差。不同原因?qū)е碌恼`差不同，本文著重分析了水文測(cè)試誤差的類型，并分析了各種誤差的防治措施。

1 水文測(cè)驗(yàn)中常見的誤差類型

1.1 自然性誤差

因水文測(cè)驗(yàn)的空間、時(shí)間等因素都存在差異，所以對(duì)資源進(jìn)行分析時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，且這種誤差是無法避免的，這類誤差屬于水文測(cè)驗(yàn)中自然性誤差。參考目前水文測(cè)驗(yàn)實(shí)際開展的有關(guān)文獻(xiàn)，可把誤差類型歸結(jié)為地理性誤差和氣候性誤差。

1.1.1 地理性誤差

對(duì)某一河流的水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果會(huì)受河流流域位置、大小、所處海拔、地下水位等多種因素的影響。例如，黃河和長江都流經(jīng)青海和四川兩省，但是對(duì)流經(jīng)這兩省的黃河和長江的水資源進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)，其結(jié)果是不同的。另外，即使是針對(duì)同一條河流水文測(cè)試，因?yàn)楹恿鞑煌恢玫母黜?xiàng)參數(shù)不同，結(jié)果也不盡相同。例如，黃河在甘肅省所測(cè)得的水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果和其在河南省所測(cè)得的水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果是不同的。

1.1.2 氣候性誤差

在開展水文測(cè)驗(yàn)工作的過程中，氣候性誤差也非常常見。氣候性誤差對(duì)水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果所造成的影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先，夏季檢測(cè)工作和冬季檢測(cè)工作的溫度不同，導(dǎo)致最終的水文檢測(cè)結(jié)果不同；其次，在水文檢測(cè)工作中，對(duì)河流含沙量的檢測(cè)是一項(xiàng)重要內(nèi)容，春夏季節(jié)河流流量較大，流速較快，所以泥沙含量較大，而秋冬季節(jié)河流流量較小，流速較慢，所以泥沙含量較小。

1.2 人為性誤差

人為性誤差是主觀性的，自然性誤差是客觀性的，客觀性是無法避免的，主觀性是可以避免的。人為性誤差可把其歸結(jié)為技術(shù)性誤差和計(jì)算性誤差兩類。

1.2.1 技術(shù)性誤差

在進(jìn)行水文檢驗(yàn)時(shí)，人類不能違背自然規(guī)律，人類和自然應(yīng)該和諧相處，而和諧相處需要科技不斷發(fā)展，并且人類文明跟隨著科技的發(fā)展而發(fā)展。但是，在實(shí)際中，水文檢測(cè)工作的精度普遍存在偏差，應(yīng)用的技術(shù)水平也是參差不齊的，所以導(dǎo)致了檢測(cè)結(jié)果存在很多誤差，特別對(duì)水文中的流沙量、沖擊量和流量的檢測(cè)都出現(xiàn)了誤差。不僅如此，分析標(biāo)準(zhǔn)也存在很大的誤差。例如，利用人工和數(shù)字化程序?qū)^(qū)域水流含沙量進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試結(jié)果往往存在不同，這是水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)性誤差的代表。

1.2.2 計(jì)算性誤差

在實(shí)際水文測(cè)驗(yàn)過程中，專業(yè)技術(shù)員務(wù)必須根據(jù)河流流動(dòng)的規(guī)律從整體角度進(jìn)行計(jì)算和分析，以便最終得出比較精確的水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果。檢測(cè)人員在對(duì)水文進(jìn)行分析檢測(cè)時(shí)，獲取的信息和數(shù)據(jù)不完整，這會(huì)影響分析結(jié)果，使結(jié)果不精準(zhǔn)。再者，檢測(cè)人員在實(shí)際檢測(cè)時(shí)所采用的算法不同，他們各自站在自己的角度去分析，也會(huì)使檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差。

2 有效解決水文測(cè)驗(yàn)各類誤差的方法

2.1 尋找自然規(guī)律，規(guī)避自然性檢測(cè)誤差

實(shí)踐人員只有詳盡地了解水文檢測(cè)的內(nèi)容，才能避免自然性因素帶來的檢測(cè)誤差。A地區(qū)的某主干河流全年流量參數(shù)如圖1所示。檢驗(yàn)人員在對(duì)該河流開展水文測(cè)驗(yàn)工作的過程中，應(yīng)根據(jù)該地區(qū)的降水量、海拔高度、河流流速和季節(jié)溫差等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終得出較為精準(zhǔn)的全年流量檢測(cè)結(jié)果，即1.9±0.33。進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)的工作人員應(yīng)站在綜合的地理角度分析，只有這樣才能保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 A地區(qū)的某主干河流全年流量參數(shù)

2.2 實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，循序漸進(jìn)減少技術(shù)誤差

要想使水文測(cè)驗(yàn)中的技術(shù)性誤差問題得到有效解決，就要及時(shí)、高效地解決目前水文測(cè)驗(yàn)中存在的問題。而只有技術(shù)不斷創(chuàng)新，才能高效處理水文測(cè)驗(yàn)中存在的問題。例如，在進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)工作時(shí)，利用新技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，具體有智能掃描、紅外探測(cè)、數(shù)字化程序等技術(shù)，我國在水文檢測(cè)工作中要跟隨時(shí)代的進(jìn)步不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，只有這樣才能避免技術(shù)水平不一而導(dǎo)致的誤差問題。另外，可以假設(shè)環(huán)境，并在不同時(shí)期進(jìn)行檢測(cè)，從中找出規(guī)律，進(jìn)而在實(shí)踐過程中根據(jù)這些規(guī)律改進(jìn)檢測(cè)技術(shù)，例如，某種數(shù)字檢測(cè)儀在對(duì)河流的流沙量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，±0.5的誤差最為常見，為避免誤差，可以在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，把±0.5的誤差作為初始值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。

2.3 綜合性檢測(cè)，高效避免計(jì)算類誤差

要科學(xué)、合理地布設(shè)測(cè)試斷面，如圖2所示。另外，要進(jìn)行綜合性檢測(cè)，在此過程中，不僅要嚴(yán)格把控水文測(cè)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，保證每個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，也要在計(jì)算時(shí)合理應(yīng)用計(jì)算方法并確保計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)度。例如，含沙量的標(biāo)準(zhǔn)是±0.01 kg/m3，流沙量的標(biāo)準(zhǔn)是±0.01 m3/s，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式可計(jì)算出結(jié)果，結(jié)果可以保留到小數(shù)點(diǎn)的第4位，這樣可以使計(jì)算數(shù)值和測(cè)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。同時(shí)，可對(duì)同一個(gè)區(qū)域中不同時(shí)間段的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從中分析產(chǎn)生誤差的原因，以便把誤差值降到最小[1]。例如，如果某地的水文檢測(cè)值一直都維持在±0.12左右，但某次檢測(cè)的數(shù)據(jù)是0.14，那么就要進(jìn)一步排查產(chǎn)生誤差的原因。

圖2 測(cè)試斷面布設(shè)

2.4 培養(yǎng)從業(yè)人員，進(jìn)行新老人員經(jīng)驗(yàn)對(duì)接工作

水文檢測(cè)需要結(jié)合相關(guān)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)知識(shí)包括數(shù)學(xué)、地理、化學(xué)等，所以，如果實(shí)際操作人員的能力不足，也會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)的結(jié)果存在誤差[2]。而且，經(jīng)驗(yàn)豐富和經(jīng)驗(yàn)欠缺的水文測(cè)驗(yàn)人員在檢驗(yàn)結(jié)果上會(huì)大不相同。為規(guī)避這類誤差問題的產(chǎn)生，既要提高水文檢測(cè)人員的能力，也要使其能力能夠發(fā)揮到位。在水文測(cè)驗(yàn)單位中，要將進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)的專業(yè)人員對(duì)接到位，保證相關(guān)工作人員的理論知識(shí)過硬，讓他們進(jìn)行有效的知識(shí)傳授，還要加快步伐培訓(xùn)新的檢測(cè)人員，在實(shí)際工作中提高他們的從業(yè)能力，豐富他們的工作經(jīng)驗(yàn)，讓新員工能高效準(zhǔn)確地使用專業(yè)化水文測(cè)驗(yàn)設(shè)備（圖3），這樣才能使我國的水文檢測(cè)工作越來越嚴(yán)密和準(zhǔn)確，專業(yè)性越來越強(qiáng)。

圖3 專業(yè)化水文測(cè)驗(yàn)設(shè)備

3 具體工作方法

3.1 防治措施

（1）要對(duì)所使用的儀器、設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的校調(diào)，規(guī)避因設(shè)備因素而產(chǎn)生的誤差。

（2）要加強(qiáng)對(duì)施測(cè)方法的把控。科學(xué)合理地布置測(cè)速垂線上的測(cè)速點(diǎn)位置，避免由于測(cè)速點(diǎn)位置布置不合理而產(chǎn)生的誤差。斷面的測(cè)深垂線測(cè)速垂線要盡可能保持一致，而且還要把斷面的測(cè)深測(cè)速垂線的位置固定好，若斷面沖淤垂線，就要在實(shí)際測(cè)流的過程中及時(shí)調(diào)整垂線的位置，并且要根據(jù)淤積變化對(duì)岸邊垂線的位置進(jìn)行調(diào)整。如果想把測(cè)深垂線和測(cè)速垂線布設(shè)在沖淤多變的斷面中，可以增加相應(yīng)的輔助垂線，但是輔助垂線要加在水深最大、轉(zhuǎn)折和流速最大的地方[3]。在進(jìn)行斷面測(cè)線的布設(shè)過程中，務(wù)必根據(jù)實(shí)際的測(cè)流要求確定測(cè)線的條數(shù)和每條測(cè)線上測(cè)點(diǎn)的數(shù)量。另外，布置測(cè)線要科學(xué)合理，既要確保測(cè)線垂直的數(shù)量準(zhǔn)確，又要確保測(cè)線的位置精準(zhǔn)，只有這樣才能高效地避免在實(shí)際測(cè)流過程中產(chǎn)生的誤差。

（3）要把握好測(cè)流的時(shí)機(jī)，盡可能避開紊流，進(jìn)而提高測(cè)流的精準(zhǔn)度。

3.2 超聲波法測(cè)流誤差控制措施

要想用超聲波法對(duì)測(cè)流誤差進(jìn)行高效的把控，可從以下3個(gè)方面著手。

（1）根據(jù)測(cè)流的具體要求選擇合適精度等級(jí)的超聲波流量計(jì)（圖4）。對(duì)于精度要求很高的水文測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目，可以使用精度等級(jí)很高的流量計(jì)；而對(duì)精度要求不高的水文測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目，可以采用精度等級(jí)較低的流量計(jì)，從而減少因儀器選擇不當(dāng)而產(chǎn)生的誤差[4]。

圖4 超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)

（2）要重視流量計(jì)的日常維護(hù)和保養(yǎng)，要定期完成探頭的清理工作，這樣可規(guī)避因儀器老化而產(chǎn)生誤差。

（3）及時(shí)調(diào)整探頭的位置，以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，保證信號(hào)強(qiáng)度的穩(wěn)定性，進(jìn)而規(guī)避因瞬時(shí)流量波動(dòng)大而產(chǎn)生的誤差。如果流體的波動(dòng)很大，可以選擇一個(gè)新位置放置流量計(jì)，進(jìn)而縮減誤差。可以用聲速誤差補(bǔ)償?shù)姆绞揭?guī)避溫度對(duì)超聲波法的測(cè)流精度產(chǎn)生的影響[5]。當(dāng)水溫在0~50℃時(shí)，可以利用式（1）的擬合公式對(duì)于聲速進(jìn)行擬合；當(dāng)水溫在50~100℃時(shí)，可以利用式（2）的擬合公式對(duì)聲速進(jìn)行擬合，然后把擬合得到的超聲波速度運(yùn)用到計(jì)算中，這樣不僅能提高測(cè)流的精準(zhǔn)度，還能盡可能減少誤差。

4 結(jié)語

水文測(cè)驗(yàn)工作開展的過程中，會(huì)有很多方面因素的干擾，因此，結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)不可避免的誤差。雖然不能把誤差歸零，但是也要最大限度地將誤差減小。本文系統(tǒng)地分析水文測(cè)驗(yàn)工作產(chǎn)生誤差的因素，并針對(duì)這些誤差問題提出了有效的措施，進(jìn)而保證水資源管理工作的正常運(yùn)行。