流量測驗流速儀法流量總不確定度的計算

克斯爾 ·卡合曼，謝 葆

(新疆巴音郭楞水文水資源勘測局，新疆巴音郭楞841000)

誤差理論是一種研究各種測量值精度的數(shù)學方法，隨著人類認識能力的不斷發(fā)展，人們對測量結(jié)果準確度的要求愈來愈高。作為水文基礎科學的一個重要內(nèi)容流量測驗，對測驗誤差中的各種測量的可能誤差范圍進行估算和評價，從而設法定量地評價流量測驗精度，以進一步提高流量測驗精度，滿足水資源的開發(fā)利用和水利水電工程設計與施工對流量測驗資料的各種要求，為防洪抗旱預報提供可靠精確的依據(jù)。

1 流量測驗誤差

流量測驗誤差可分為隨機誤差、未定系統(tǒng)誤差、已定系統(tǒng)誤差和偽誤差。隨機誤差，按正態(tài)分布，采用置信水平為95%的隨機不確定度描述。未定系統(tǒng)誤差，采用置信水平不低于95%的系統(tǒng)不確定度描述。已定系統(tǒng)誤差，應進行修正。含有偽誤差的測量成果必須剔除。不確定度的數(shù)值應以百分數(shù)表示。

當采用流速儀法測流時，其誤差應包括下列內(nèi)容:(1)測深誤差和測寬誤差:測深誤差和測寬誤差由觀讀的隨機誤差和儀器本身所造成的未定系統(tǒng)誤差組成。(2)流速儀檢定誤差:流速儀檢定誤差由檢定的隨機誤差和儀器本身在測量中所造成的未定系統(tǒng)誤差組成。(3)由測點有限測速歷時導致的誤差:流速儀法測流由測點有限測速歷時導致的流速脈動誤差(簡稱Ⅰ型誤差)，為隨機誤差。(4)由測速垂線測點數(shù)目不足導致的垂線平均流速計算誤差:測速垂線測點數(shù)目不足導致的垂線平均流速計算規(guī)則誤差(簡稱Ⅱ型誤差)，由隨機誤差和已定系統(tǒng)誤差組成。(5)由測速垂線數(shù)目不足導致的誤差:測速垂線數(shù)目不足導致的誤差(簡稱Ⅲ型誤差)，由隨機誤差和已定系統(tǒng)誤差組成。

流速儀法的流量測驗總不確定度應由流量測驗總隨機不確定度和總系統(tǒng)不確定度組成，并應按下列規(guī)定估算:

1)總隨機不確定度應按下式估算:

式中:X＇Q為流量總隨機不確定度(%);X'm為斷面Ⅲ型隨機不確定度(%);X'e為斷面Ⅰ型隨機不確定度(%);X'p為斷面Ⅱ型隨機不確定度(%);X'c為斷面的流速儀率定隨機不確定度(%);X'd為斷面的測深隨機不確定度(%);X'b為斷面的測寬隨機不確定度(%)。

2)總系統(tǒng)不確定度應按下式估算:

式中:X″Q為流量總系統(tǒng)不確定度(%);X″c為測寬系統(tǒng)不確定度(%);X″b為測深系統(tǒng)不確定度(%);X″d為流速儀檢定系統(tǒng)不確定度(%);

3)總不確定度應按下式估算:

式中:XQ為流量總不確定度(%)。

流量測驗成果應采用實測流量、總不確定度和已定系統(tǒng)誤差三項數(shù)據(jù)表達。流速儀法的流量已定系統(tǒng)誤差可按下式估算:

式中:μ^Q為流量已定系統(tǒng)誤差(%);μ^m為Ⅲ型誤差的已定系統(tǒng)誤差(%);μ^s為斷面Ⅱ型誤差的已定系統(tǒng)誤差(%)。

《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179－93)，是全國水文站流量測驗方法與分析計算方面的技術標準。是為保證流量測驗精度和提供可靠的基礎資料而制定的規(guī)范。但是在查算各種誤差時，必須內(nèi)插或是取上限值和下限值。使用起來比較繁瑣，而且內(nèi)插都是直線插補，人為誤差較大。通過相關分析，有些數(shù)值不一定都是線性相關，而對數(shù)和指數(shù)相關關系比線性要好。在對各類誤差相關分析時，一、二、三類精度的水文站，做了一點法的各類誤差分析。采用相關最好的函數(shù)作為計算依據(jù)。對《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179－93)中的各類誤差查算表進行了統(tǒng)計分析工作，將查算表轉(zhuǎn)換成相關方程，通過解方程直接計算出各類誤差值。但這些方程求解起來比較困難，而且容易出現(xiàn)計算錯誤?？梢岳肊XCLE表格與VBA語言編寫程序進行計算。以斷面Ⅲ型隨機不確定度計算表為例，如表1，先設m的初始值為整數(shù)“0”或“1”，得出方程初始值，設立“按鈕”，輸入實際值，按“按鈕”計算。就方便、迅速、準確得到方程值。如此這樣，計算出各分值，再算出流量總不確定度。

2 實例

現(xiàn)以塔里木河吾斯?jié)M水文站為例計算說明。烏斯?jié)M水文站位于巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣喀爾曲尕鄉(xiāng)，地理位置為東經(jīng)85°28'，北緯40°58'。其距上游英巴扎水文站179 km，距下游恰拉水文站219 km。測站觀測項目有:水位、水溫、流量、懸移質(zhì)泥 沙等。主河道為自然河道，測流斷面寬度約100 m。

表1 斷面Ⅲ型隨機不確定度計算表

表2 吾斯?jié)M水文站流速儀法流量總不確定度計算成果表

計算結(jié)果如表2。從計算結(jié)果可得:烏斯?jié)M水文站斷面高、中水位總隨機不確定度、系統(tǒng)誤差符合規(guī)范要求，但寬深比較大，說明流量測驗值精度較高，符合規(guī)范要求;低水位系統(tǒng)誤差偏小，而寬深比較小，流量測驗值精度較低，需要分析，找出誤差原因，改進測驗方法。

3 結(jié)語

流速儀法的流量測驗總不確定度計算時，參數(shù)較多。人工計算，費時，費力，比較困難，容易出錯。而采用EXCLE表格及其VBA程序結(jié)合計算條理清晰，計算方法簡便，計算成果精度高。給流量測驗工作提供方便，提高工作效益。

［1］GB 50179－93河流流量測驗規(guī)范 1994－02－01實施 中國計劃出版社