淺談水文水資源測(cè)量不確定度的若干問(wèn)題

□談　兵（河南省信陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局）

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淺談水文水資源測(cè)量不確定度的若干問(wèn)題

□談兵（河南省信陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局）

摘要：水文部門核心工作是測(cè)量水文資源。該項(xiàng)工作可以很好地對(duì)水資源進(jìn)行保護(hù)，也可以對(duì)其進(jìn)行有效利用。在計(jì)量領(lǐng)域，國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在持續(xù)不斷的進(jìn)步，關(guān)于水資源的測(cè)量，也制定了全新的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，尤其關(guān)于測(cè)量不確定度的相關(guān)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及其表現(xiàn)方法，水文相關(guān)測(cè)量部門必須切實(shí)掌握國(guó)際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，并將自身標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際進(jìn)行有效對(duì)接。文章首先簡(jiǎn)單概述了水資源測(cè)量不確定度的相關(guān)概念，進(jìn)而具體分析了測(cè)量的不確定度出現(xiàn)的若干問(wèn)題，最后進(jìn)一步提出了評(píng)定以及表示方法。希望可以為同行業(yè)工作提供一定幫助。

關(guān)鍵詞：水文水資源；測(cè)量；不確定度

1　概述水文水資源的測(cè)量

水文水資源測(cè)量涵蓋的方面非常復(fù)雜，比如水位、雨量、蒸發(fā)情況、水源質(zhì)量等情況，同時(shí)該項(xiàng)測(cè)量還屬于計(jì)量學(xué)活動(dòng)。計(jì)量必須確保質(zhì)量以及單位的統(tǒng)一，水資源計(jì)量活動(dòng)要求高，這樣非常有利于水文資源的正確管理及其合理高效利用。在我國(guó)一切水源工程的規(guī)劃以及對(duì)于水災(zāi)問(wèn)題實(shí)施抗擊的計(jì)劃措施都需要參考水資源測(cè)量，一旦測(cè)量過(guò)程中由于主觀或者客觀原因出現(xiàn)了偏差，就會(huì)對(duì)水資源單位造成一定的損失，使相關(guān)測(cè)量單位進(jìn)行相關(guān)活動(dòng)時(shí)非常被動(dòng)，無(wú)法有效應(yīng)對(duì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。因此，我們就必須為測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)性和實(shí)用性尋找到科學(xué)的參考指標(biāo)，即我們所說(shuō)的不確定度。

2　概述不確定度

2.1不確定度的定義

在計(jì)量方面，水資源測(cè)量結(jié)構(gòu)的可靠性取決于其測(cè)量的不確定度。因此，測(cè)量結(jié)果的主要依據(jù)是不確定度。表征給被測(cè)量值的分散性以及測(cè)量的具體結(jié)果，科學(xué)的增加有關(guān)系的參數(shù)。該賦予的參數(shù)比較靈活，測(cè)量結(jié)果最終的標(biāo)準(zhǔn)差或者是倍數(shù)都可以選作參數(shù)。可以很好地表述在置信水準(zhǔn)區(qū)間內(nèi)的半寬度。在表述測(cè)量結(jié)果的過(guò)程中，也要求對(duì)其不確定度進(jìn)行描述。

2.2不確定度的組成

測(cè)量的不確定度的構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜，含有若干分量。若干分量中，部分分量能夠進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布狀況估算，這些估算可以進(jìn)行測(cè)量并得出結(jié)果，通過(guò)實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行表現(xiàn)，其最終測(cè)量所得的結(jié)果一般認(rèn)為是對(duì)被測(cè)量值進(jìn)行估算的最佳情況，其指導(dǎo)意義非常重要。但是，評(píng)定過(guò)程中，其不確定度的分量的大小都比較分散，這也就造成了不確定度的值總是為正數(shù)，不確定度其實(shí)就是事件發(fā)生與否的可疑程度，對(duì)于不確定度進(jìn)行測(cè)量其實(shí)就是對(duì)于測(cè)量所得結(jié)果正確與否的懷疑程度。加入要求對(duì)于一種測(cè)量得出的結(jié)果的懷疑程度進(jìn)行定義，準(zhǔn)確來(lái)講，首先在不確定度前面增加一個(gè)特定的形容性名詞，進(jìn)而來(lái)對(duì)審明指標(biāo)參數(shù)的結(jié)果的不認(rèn)同進(jìn)行表示。比如說(shuō)擴(kuò)展不確定度以及合成不確定度，在一般情況下，我們所說(shuō)的一種不確定度，其測(cè)量目標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)差，該不確定度就應(yīng)該稱之為“標(biāo)準(zhǔn)不確定度”

3　不確定度的誤差理論

3.1誤差的定義

在測(cè)量的相關(guān)規(guī)定中對(duì)于誤差有具體的定義，其定義如下：測(cè)量過(guò)程中得出的具體結(jié)果和被測(cè)量真值二者存在的差值。倘若要求將其和相對(duì)誤差進(jìn)行區(qū)分，那么在測(cè)量領(lǐng)域，誤差就是絕對(duì)誤差。但是必須注意，絕對(duì)誤差并非誤差的絕對(duì)值，它是誤差的模。也就是說(shuō)，誤差的結(jié)果不是正值就是負(fù)值，在具體的計(jì)算過(guò)程中，因?yàn)槲覀儫o(wú)從掌握誤差真值，從客觀角度講，誤差的值是沒(méi)有辦法精確計(jì)算出的，因此它只是約等值。在對(duì)于同一項(xiàng)測(cè)量進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，不管其條件以及測(cè)量程序以及測(cè)量結(jié)果如何，其最終的誤差是不變的。然而，某些情況下，條件具有一定的重復(fù)性，如果在這樣的條件下進(jìn)行計(jì)算，則會(huì)發(fā)生結(jié)果出現(xiàn)差異，但是不確定度相同的狀況。因此，也就說(shuō)明了誤差和不確定度這二個(gè)概念是完全不同的，必須進(jìn)行區(qū)分，更要防止出現(xiàn)混淆或者誤用的情況。

3.2誤差與不確定度的關(guān)系

在測(cè)量領(lǐng)域，不確定度涉及到的兩種評(píng)定方式與計(jì)算誤差涉及到的系統(tǒng)以及隨機(jī)誤差它們之間的關(guān)系并不是相對(duì)應(yīng)的。不同的原因是，隨機(jī)誤差以及系統(tǒng)誤差這兩個(gè)概念所要表現(xiàn)的是性質(zhì)，兩種存在絕對(duì)差異的性質(zhì)。而前者相關(guān)的兩個(gè)評(píng)定方式僅僅表示的是兩種不一樣標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定手段。比如，測(cè)量水資源時(shí)使用到很多相關(guān)測(cè)量設(shè)備，其中一項(xiàng)測(cè)量?jī)x器在其部門提供說(shuō)明文書中記述了其數(shù)據(jù)相關(guān)的系統(tǒng)以及隨機(jī)影響，然而必須注意以上兩項(xiàng)影響不可以稱之為系統(tǒng)以及隨機(jī)的不確定度。另外，由于每次的測(cè)量情景是不一樣的，也就使得會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)不確定度被理解為系統(tǒng)的不確定度的情況。雨量杯以及水尺牌這兩種水文儀器在出廠的過(guò)程中，生產(chǎn)部門給出的數(shù)據(jù)只包含這兩種水文儀器的測(cè)量過(guò)程中可以出現(xiàn)的誤差值，但是并不涉及二者的實(shí)際值。出現(xiàn)這樣情況的原因是在進(jìn)行該批次水文儀器生產(chǎn)的過(guò)程中，真實(shí)的數(shù)據(jù)是不一樣，是存在差異的，有的是正值有的是負(fù)值，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。然而就使用某一儀器的工作人員來(lái)說(shuō)，儀器的實(shí)際值卻是只用一個(gè)而且數(shù)據(jù)是個(gè)定值，不會(huì)0出現(xiàn)偏正或者偏負(fù)的情況，此種情況也就是隨機(jī)和系統(tǒng)不確定度二者可以理解為一樣的。

4　測(cè)量結(jié)果

國(guó)際計(jì)量為了防止發(fā)生混淆誤差以及不確定度，在對(duì)不確定度性質(zhì)進(jìn)行區(qū)分的時(shí)候，采用的是不確定分量。這可以靈活多變對(duì)系統(tǒng)效應(yīng)具體的不確定度進(jìn)行確定，可以選擇任何方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)定方法存在兩種，第一種是實(shí)際統(tǒng)計(jì)觀測(cè)列進(jìn)而進(jìn)行分析評(píng)定，該方法以試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差作為依托的；第二種則是借助估值來(lái)進(jìn)行評(píng)定，其表征的依托是估值的標(biāo)準(zhǔn)差。以上兩種評(píng)定方式?jīng)]有所謂的本質(zhì)區(qū)別，主要的分布以及評(píng)定主要以概率為基礎(chǔ)，其表征使用的都是標(biāo)準(zhǔn)差以及方差。將兩種存在方式假設(shè)為A和B。將U2記作A的表征評(píng)定時(shí)的不確定度的分量方估值。對(duì)于觀測(cè)列進(jìn)行反復(fù)觀測(cè)，最終計(jì)算得出，S2即為U2的方差估計(jì)值，而S則是U2正的平方根值的估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差值，這樣則可以得出U=S，這就是A種評(píng)價(jià)方法得出的標(biāo)準(zhǔn)的不確定度。使用評(píng)價(jià)方法B進(jìn)行評(píng)定的不確定度，U2是其估計(jì)方差，U是其估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差，也就是說(shuō)使用B種評(píng)定方法時(shí)的不確定度。在具體的測(cè)量過(guò)程中，評(píng)定方式A求得不確定的方法為，按照一定的概率密度函數(shù)進(jìn)行求取，而這一函數(shù)是觀察列頻率所呈現(xiàn)的分布區(qū)域進(jìn)而導(dǎo)出的。B方法它的不確定度的標(biāo)準(zhǔn)分量也是一樣根據(jù)函數(shù)得到的，但是這一函數(shù)是根據(jù)假設(shè)或者認(rèn)定的概率導(dǎo)出的。其所進(jìn)行計(jì)算的函數(shù)的基礎(chǔ)是事情出現(xiàn)的可信任程度。比如，一般來(lái)說(shuō)，水文儀器含有流速儀、水尺牌、雨量杯等等，工作人員測(cè)量水文水資源所得的數(shù)據(jù)指標(biāo)在以上類似的水文儀器上反映的時(shí)候，儀器生產(chǎn)部門在生產(chǎn)儀器時(shí)，出具儀器相關(guān)說(shuō)明書，說(shuō)明書記述了這些儀器上的校準(zhǔn)證書上標(biāo)明的相關(guān)數(shù)據(jù)以及不確定度，因此，這個(gè)時(shí)候，無(wú)論是方法A還是方法B，這兩者的不確定度在儀器的說(shuō)明書中的解釋都是通過(guò)已經(jīng)知道的概率來(lái)進(jìn)行。因?yàn)椴淮_定度的表達(dá)方式有兩種，一個(gè)是相對(duì)的另一個(gè)是絕對(duì)的，因此，在具體的水資源測(cè)量的過(guò)程中，在測(cè)量河流流量的時(shí)候，通過(guò)評(píng)定方法A和B來(lái)評(píng)估測(cè)量過(guò)程涉及到的隨機(jī)不確定以及系統(tǒng)性不確定，這兩種都比較合適且方便的。比如，在進(jìn)行雨量流量測(cè)量的時(shí)候，其雨量在單次狀況下進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的不確定度就不能使用評(píng)定方法A，只能使用方法B進(jìn)行估計(jì)。

5　結(jié)　語(yǔ)

關(guān)于不確定度的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)以及表達(dá)方式，涉及的內(nèi)容多種多樣，具體的測(cè)量條件以及測(cè)量的方法存在諸多差異，導(dǎo)致計(jì)算方式也是不一樣的，具體的評(píng)定內(nèi)容也會(huì)產(chǎn)生不同的變化。但是關(guān)于測(cè)量水資源，無(wú)論是測(cè)量目的還是評(píng)定方式二者的初衷是一樣的，為避免發(fā)生不必要的測(cè)量誤差，以確保水文工程的操作，因此將不確定度進(jìn)一步提高，即是增加測(cè)量結(jié)果的可疑性，可以使得水資源測(cè)量工作更加有效，更加精準(zhǔn)。

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（責(zé)任編輯：韋詩(shī)佳）

中圖分類號(hào)：P332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-8853（2016）04-0036-02

收稿日期：2016-01-12