水文測(cè)驗(yàn)的誤差分析及其對(duì)策

亞力坤·馬合木提

(昌吉水文水資源勘測(cè)局，新疆昌吉831100)

水文測(cè)驗(yàn)的誤差分析及其對(duì)策

亞力坤·馬合木提

(昌吉水文水資源勘測(cè)局，新疆昌吉831100)

水文測(cè)驗(yàn)工作對(duì)水資源的有效管理有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，而在水文測(cè)驗(yàn)工作中，常常需要測(cè)量來(lái)完成信息的收集與整理。同時(shí)，又因?yàn)楫?dāng)前我國(guó)科技水平的限制，使得水文測(cè)驗(yàn)工作中存在著一定的誤差。誤差的產(chǎn)生是必然的，但是，為了提高我國(guó)水文測(cè)驗(yàn)工作的準(zhǔn)確性，要盡量縮小誤差的范圍。因此，文章在探究影響水文測(cè)驗(yàn)工作中測(cè)量誤差的各種因素的基礎(chǔ)上，對(duì)水文測(cè)驗(yàn)工作中的具體誤差進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的限制方法。

水文測(cè)驗(yàn);誤差分析;對(duì)策

0 前言

在水文測(cè)驗(yàn)工作中，我們常常需要通過(guò)大量的測(cè)量工作來(lái)完成對(duì)流域內(nèi)各種信息的采集與整理。而由于當(dāng)前科技水平的限制，對(duì)于水文情況的測(cè)量往往與其的真實(shí)數(shù)值有所差距，這種情況，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中叫做誤差［1］。

盡管，測(cè)量結(jié)果中的誤差是必然的，但仍需對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行控制，使其能夠控制在一定的范圍之內(nèi)，從而提高水文測(cè)驗(yàn)工作的準(zhǔn)確性。

所以，現(xiàn)階段，要對(duì)測(cè)量誤差的分類(lèi)進(jìn)行探究，并在此基礎(chǔ)上，分析水文測(cè)量工作總的誤差來(lái)源，以進(jìn)一步探討這些誤差的限制方法。

1 誤差理論

關(guān)于誤差的術(shù)語(yǔ)及理論歷史較長(zhǎng)，也為廣大計(jì)量工作者所熟悉。但由于原來(lái)的誤差定義操作性不是很強(qiáng)，致使各個(gè)領(lǐng)域的理解和應(yīng)用存在著一定的異，甚至于產(chǎn)生不應(yīng)有的錯(cuò)誤。目前在《VIM》和《通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義》JJF1001—1998中，誤差的定義是:測(cè)量結(jié)果減去被測(cè)量的真值。當(dāng)有必要與相對(duì)誤差相區(qū)別時(shí)，此術(shù)語(yǔ)有時(shí)稱(chēng)為測(cè)量的絕對(duì)誤差。注意不要與誤差的絕對(duì)值相混淆，后者(誤差的絕對(duì)值)為誤差的模。誤差之值只取一個(gè)符號(hào)，非正即負(fù)。由于真值不能確定，實(shí)際上用的是約定真值。誤差應(yīng)該是一個(gè)確定的值，是客觀存在的測(cè)量結(jié)果與真值之差。但由于真值往往不知道，故誤差無(wú)法準(zhǔn)確得到。誤差與不確定度是完全不同的兩個(gè)概念，不應(yīng)混淆或誤用。對(duì)同一被測(cè)量無(wú)論其測(cè)量程序、條件如何，相同測(cè)量結(jié)果的誤差相同;而在重復(fù)性條件下，則不同結(jié)果可有相同的不確定度。

2 水文測(cè)驗(yàn)工作中的誤差分類(lèi)

水文測(cè)驗(yàn)工作中的誤差分為偽誤差、系統(tǒng)誤差和偶然誤差3類(lèi)。

2.1 偽誤差

由于測(cè)驗(yàn)人員的粗心大意，或者是測(cè)驗(yàn)設(shè)備的故障所造成的測(cè)量誤差，稱(chēng)為“偽誤差”。對(duì)于測(cè)驗(yàn)工作中對(duì)信息數(shù)據(jù)的測(cè)量錯(cuò)誤、讀數(shù)錯(cuò)誤、記錄錯(cuò)誤、計(jì)算錯(cuò)誤等，這些不該存在的誤差，就是偽誤差。

這一類(lèi)的誤差，在實(shí)際工作中，可以通過(guò)檢查與驗(yàn)算等方式被及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)并糾正，否則將會(huì)對(duì)水文測(cè)驗(yàn)工作帶來(lái)極為不利的負(fù)面影響。在實(shí)際的水文測(cè)驗(yàn)工作中，偽誤差是不允許存在的［2－3］。

2.2 系統(tǒng)誤差

由于水文測(cè)驗(yàn)工作測(cè)量設(shè)備或測(cè)量條件中的某些特定因素的系統(tǒng)性影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果中存在的誤差，就是系統(tǒng)誤差。

實(shí)際工作中，在相同測(cè)量條件中的多次測(cè)驗(yàn)中，系統(tǒng)誤差的大小與符號(hào)也是常常變化的，有時(shí)其還會(huì)呈現(xiàn)出一種特定規(guī)律的系統(tǒng)性變化［4］。

一般情況下，在相同的測(cè)量條件與工作程序中的系統(tǒng)誤差，一般在數(shù)值上呈現(xiàn)一定的函數(shù)規(guī)律。

產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的影響因素有很多。比如說(shuō)，由于測(cè)驗(yàn)人員的工作習(xí)慣，單方面認(rèn)為測(cè)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值會(huì)偏于某一次，從而使得測(cè)驗(yàn)結(jié)果帶有一定的系統(tǒng)誤差，這一類(lèi)的誤差，被稱(chēng)為人為誤差。

由于測(cè)驗(yàn)設(shè)備自身的誤差所導(dǎo)致的測(cè)驗(yàn)結(jié)果誤差，則屬于儀器誤差。再者，風(fēng)向、風(fēng)力、溫度以及大氣折光等環(huán)境因素的影響，也會(huì)導(dǎo)致水文測(cè)驗(yàn)工作中產(chǎn)生誤差［5－6］。

而要減小系統(tǒng)誤差，首先總結(jié)系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的規(guī)律，并設(shè)法計(jì)算出它的數(shù)值范圍，以盡量地將測(cè)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確化。

再者，還要改進(jìn)測(cè)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合準(zhǔn)確、規(guī)范的測(cè)驗(yàn)方法來(lái)縮小系統(tǒng)誤差數(shù)值與真實(shí)值之間的差距，提高水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)誤差為在重復(fù)性條件下，對(duì)同一量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值與被測(cè)量真值之差。由于系統(tǒng)誤差及其原因不能完全獲知，因此通過(guò)修正值對(duì)系統(tǒng)誤差只能有限程度的補(bǔ)償。當(dāng)測(cè)量結(jié)果以代數(shù)和與修正值相加之后，其系統(tǒng)誤差之模會(huì)比修正前的要小，但不可能為零。

2.3 偶然誤差

在水文測(cè)驗(yàn)工作中，各種偶然發(fā)生的隨機(jī)因素，對(duì)于測(cè)驗(yàn)結(jié)果所產(chǎn)生的影響就被我們稱(chēng)為偶然誤差，有時(shí)也稱(chēng)為隨機(jī)誤差［7］。對(duì)于偶然誤差，其沒(méi)有特點(diǎn)的規(guī)律，但從偶然誤差的整體來(lái)看，其還是存在一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。

3 水文測(cè)驗(yàn)工作中具體誤差的來(lái)源與限制方法分析

3.1 水位觀測(cè)的誤差分析與解決對(duì)策

3.1.1 回流、雍水以及風(fēng)浪引起的誤差

對(duì)于這一類(lèi)的誤差，縮小其誤差范圍的主要方法具體有3種:

1)對(duì)測(cè)驗(yàn)流域的特定階段進(jìn)行實(shí)地考察與勘查，對(duì)于水尺的設(shè)置，也應(yīng)盡量避免回水、跌水以及漂浮物等對(duì)其所造成的誤差影響。

2)將水尺樁制作成流線形或是菱形，從而在一定程度上減小急湍對(duì)其造成沖擊，并降低雍水和晃動(dòng)對(duì)其的測(cè)驗(yàn)結(jié)果造成誤差的幾率。

3)避免風(fēng)浪對(duì)水尺造成影響。

3.1.2 水尺直接讀取時(shí)的人為誤差

這一類(lèi)的誤差是由測(cè)驗(yàn)人員自身的失誤所造成的，因此，在水文測(cè)驗(yàn)工作中，測(cè)驗(yàn)人員應(yīng)加強(qiáng)自身的嚴(yán)謹(jǐn)性，從而進(jìn)一步提高水文測(cè)驗(yàn)工作的準(zhǔn)確性。

1)當(dāng)測(cè)驗(yàn)人員觀測(cè)水位時(shí)，要蹲下身體，使視線盡量接近水面，最大程度地減小視覺(jué)誤差所造成的人為誤差［8］。

2)當(dāng)水文測(cè)驗(yàn)工作進(jìn)行時(shí)，受到風(fēng)浪的干擾，對(duì)于觀測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)該?。?次波峰與波谷讀數(shù)的均值作為水位的觀測(cè)值。

最重要的一點(diǎn)是，水文測(cè)驗(yàn)工作的測(cè)驗(yàn)人員在進(jìn)行觀測(cè)與數(shù)據(jù)記錄時(shí)，應(yīng)時(shí)刻保持高度的謹(jǐn)慎性與高水平的職業(yè)素質(zhì)，從而最大程度地保持水文測(cè)驗(yàn)工作的準(zhǔn)確性。

3.2 流量測(cè)驗(yàn)的誤差分析與解決對(duì)策

對(duì)于水文測(cè)驗(yàn)工作中的流量測(cè)驗(yàn)，常用的方法是用常規(guī)流速儀來(lái)測(cè)驗(yàn)流量。而采用常規(guī)流速儀來(lái)對(duì)流量進(jìn)行測(cè)驗(yàn)時(shí)，其所產(chǎn)生的誤差主要包括7個(gè)方面。

1)垂線各層的檢測(cè)點(diǎn)在進(jìn)行有限測(cè)速時(shí)，檢測(cè)時(shí)間不足所造成的流速脈動(dòng)影響測(cè)量誤差。

2)測(cè)量設(shè)備影響，即常規(guī)流速儀的性能不佳給測(cè)量工作造成的誤差影響。

3)測(cè)流斷面設(shè)置的垂線數(shù)量不夠，所造成的測(cè)量誤差。

4)由于測(cè)速垂線的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量不足，從而導(dǎo)致了在進(jìn)行垂線平均流速計(jì)算時(shí)，出現(xiàn)了誤差。

5)斷面面積的計(jì)算與測(cè)量誤差，而導(dǎo)致這一誤差出現(xiàn)的影響因素有，水位觀測(cè)不準(zhǔn)確，斷面測(cè)量的測(cè)量誤差以及流域內(nèi)河流河床的自然變化等。

6)因?yàn)闇y(cè)試垂線的各個(gè)層次的觀測(cè)時(shí)間不同，而對(duì)于流速流向的推算又是以同一時(shí)刻的流量速度為基準(zhǔn)，從而使得其存在了一定的誤差［9］。

7)水流紊流與回流影響。

由于造成流量測(cè)驗(yàn)誤差的方面較多，所以，對(duì)于縮小其誤差范圍的方法也較多，本文所介紹的大體包括8類(lèi):

1)在對(duì)測(cè)流斷面進(jìn)行選擇之前，應(yīng)改對(duì)實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察與踏勘，從而選擇滿足順直、穩(wěn)定以及水流集中、沒(méi)有水草等條件的地方，從而便于對(duì)水文情況的觀測(cè)，以及容易設(shè)置測(cè)量設(shè)施的流域，以充分、有效地收集與整理有效的測(cè)區(qū)水深的地形資料。

2)對(duì)于流量測(cè)驗(yàn)的常規(guī)流速儀，在其出廠之前就要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，同時(shí)，在實(shí)際測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，還應(yīng)增加分級(jí)流速、不同水流和輸沙特性條件下的水文情況測(cè)驗(yàn)，以最大程度地提高流量測(cè)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3)盡量減少斷面面積測(cè)驗(yàn)的影響因素，在實(shí)際的測(cè)驗(yàn)工作中，水位觀測(cè)的不準(zhǔn)確、斷面測(cè)量的誤差以及流域河道內(nèi)河床的自然變化等因素都會(huì)對(duì)斷面面積的流量計(jì)算產(chǎn)生一定的影響。

所以，要在實(shí)際操作中，加強(qiáng)對(duì)測(cè)驗(yàn)環(huán)境與方法的具體實(shí)施，以切實(shí)加強(qiáng)水文測(cè)驗(yàn)工作的有效性。

4)在實(shí)際工作中，切實(shí)根據(jù)水位漲落、河岸沖淤等具體測(cè)驗(yàn)情況，來(lái)及時(shí)地調(diào)整或補(bǔ)充測(cè)速垂線。

5)在流速流向的觀測(cè)的同時(shí)，還要對(duì)斷面水深測(cè)量和水位河心比降進(jìn)行測(cè)量，從而進(jìn)一步提高對(duì)河心比降以及河床沖淤情況的準(zhǔn)確掌握程度。

6)要切實(shí)降低流速脈動(dòng)對(duì)測(cè)速精度的影響，要確保觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間≥100 s，同時(shí)，對(duì)于流速變率受潮水影響較大的流域階段，測(cè)量時(shí)間也≥50 s。

7)紊流是影響水流因子測(cè)量精度的介質(zhì)本性，而流速的紊流脈動(dòng)速度和方向是不斷變化的，所以，其規(guī)律基本是從水面到水底開(kāi)始逐漸增強(qiáng)的。但是，增加測(cè)量時(shí)間卻能夠有效地減弱水流紊流對(duì)流量測(cè)量精度的影響。

8)由于垂線各個(gè)層次觀測(cè)時(shí)間都不盡相同，所以，為了準(zhǔn)確計(jì)算垂向的平均值，應(yīng)該首先繪制各個(gè)層次的實(shí)際測(cè)流速流向的過(guò)程曲線。然后再根據(jù)這一過(guò)程曲線來(lái)推算出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)在同一時(shí)刻的流速流向。

同時(shí)，為了進(jìn)一步減弱測(cè)流跳變點(diǎn)對(duì)過(guò)程曲線的影響，還需對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行修勻，以最大程度地減小整點(diǎn)流速流向誤差對(duì)流量測(cè)驗(yàn)的影響［10］。

3.3 懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)的誤差分析與解決對(duì)策

對(duì)于水文測(cè)驗(yàn)工作中的懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)，其所產(chǎn)生的誤差一般包括隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差兩種，而其誤差則主要來(lái)源于泥沙測(cè)驗(yàn)儀器與垂線泥沙取樣方法的不同，泥沙脈動(dòng)影響以及水樣處理方式的不同等。

而對(duì)于縮小泥沙測(cè)驗(yàn)的誤差范圍，其具體的解決對(duì)策有以下5點(diǎn):

1)在實(shí)際工作匯總，要盡量選擇管嘴積沙少、管壁黏沙少且沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)突然灌注的測(cè)量?jī)x器。同時(shí)，還應(yīng)在測(cè)驗(yàn)之前，對(duì)儀器進(jìn)行率定試驗(yàn)，以盡力縮小誤差的范圍。

2)采用光電濁度儀，并結(jié)合烘干稱(chēng)重法來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)檢驗(yàn)，最終以其均值作為測(cè)驗(yàn)結(jié)果。

3)對(duì)于測(cè)流測(cè)速試驗(yàn)與泥沙測(cè)驗(yàn)，應(yīng)盡量保持兩者在同一測(cè)驗(yàn)垂線上進(jìn)行，從而使得觀測(cè)層次以及觀測(cè)時(shí)間能夠保持一致性，以切實(shí)降低誤差與真實(shí)值之間的差距。

4)還可以在實(shí)際工作中，采用積時(shí)式采樣器來(lái)對(duì)泥沙進(jìn)行采樣，這樣可以在一定程度上降低泥沙脈動(dòng)所帶來(lái)的影響誤差。

5)還可以根據(jù)側(cè)沙斷面的情況來(lái)切實(shí)確定垂線的數(shù)量，同時(shí)，還應(yīng)保持垂線位置的均勻分布，從而更好地對(duì)斷面含沙量的變化情況進(jìn)行有效掌握。

4 總結(jié)

在當(dāng)前的水文測(cè)驗(yàn)工作中，信息數(shù)據(jù)的收集與整理不可避免地會(huì)在一定程度上受到誤差的影響。盡管在實(shí)際工作中，誤差是必然存在的，但我們?nèi)砸J(rèn)真分析各種水文測(cè)驗(yàn)工作中誤差的影響因素以及有效地限制對(duì)策，從而切實(shí)提高水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，以增強(qiáng)我國(guó)水文測(cè)驗(yàn)工作的實(shí)效性，保證我國(guó)水資源管理工作的有效進(jìn)行。

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2014－03－18

亞力坤·馬合木提(1960－)，男，新疆和田人，高級(jí)工程師。