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※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
序章
自然環境の管理には、何が起こっているかについての測定による知識が必要です。そうして初めて、効果的なアクションを実行し、アクションの有効性を評価することができます。知識自体の質に大きく依存します。
測定可能な知識の質は、測定の不確かさで表されます。測定の質を評価するための国際的に合意された方法は、測定の不確かさ (GUM) の推定のガイドです。この測定基準の統一がなければ、環境を公平に共有することは不可能であり、環境に配慮する国際的な義務は弱体化するでしょう。
GUM の本質的な目的は、技術基準に記載されているすべての測定値とともに提示される測定結果の品質のステートメントです。これがなければ、2 つの測定値を比較したり、基準を設定したりすることはできません。 GUM が計測の普遍的な要件を満たす参照文書であるのに対し、Hydrometric 不確実性ガイダンス (HUG) 文書は比重測定、つまり水循環の構成要素の測定に固有のものです。 GUM から比重測定に最も適した方法を借用し、比重測定で使用される技術と機器にそれらを適用します。
これまで、エラー分析は測定品質の指標を提供してきましたが、そのようなステートメントは、測定結果を比較できる真のエラーのない値の知識を前提としているため、結果の品質を適切に伝えることができません。真の価値は決して知ることができず、不確実なままです。このため、GUM は不確実性の概念を使用し、測定プロセスのすべての段階とコンポーネントに使用します。これにより、一貫性が保証されます。
GUM は、結果の標準不確かさを標準偏差に等しいと定義しています。これは、一連の測定値または推定値の標準偏差である可能性があります。これは、不確実性手法に先行するエラー分析で使用されるアプローチとほぼ同じです。ただし、GUM は、確率モデルに基づいて不確実性を推定する追加の方法を提供します。 2 つのアプローチは同等ですが、不確実性には、真の値の存在ではなく、その平均値に関する測定の分散の知識または推定のみが必要です。測定の不確かさの構成要素を注意深く評価することで、少なくとも不確かさの範囲内で、平均値を推定真値に近づけることができます。
より一般的に言えば、不確実性は、平均値に起因する測定可能な値の分散を特徴付けるパラメーターです。
標準偏差と確率モデルをガウス (または正規) 分布に近似しているかのように扱うことにより、GUM は、いくつかの入力変数を組み合わせて結果を決定する測定システムの不確実性の構成要素を組み合わせるための正式な方法論を提供します。
この正式な枠組みの中で、GUM はさまざまなアプリケーションに一貫して適用できるため、結果の意味のある比較に使用できます。
HUG は、測定の不確かさの性質と、測定の「品質」または比重測定における決定におけるその重要性についての理解を促進することを目指しています。
比重測定は、主に河川や人工水路の流れの決定に関係しています。これも：
- 環境比重測定、すなわち自然水の流れの決定（主に比重ネットワーク、水供給、および洪水防御に関係する）。
- 工業用比重測定、すなわち工業プラント内の流れと自然環境への排出量の測定 (主に環境保護と灌漑に関係する)
どちらも国際条約および約束の対象です。このため、測定データは、結果を比較できるように GUM に準拠するように意図されています。
比重測定は、降雨量の決定、地下水の移動/拡散、および堆積物と固体の水流による輸送にも関係しています。このバージョンの HUG は、フローの決定のみに関係しています。
比重測定の結果は、環境を調整および管理するために他の分野で使用されます。バイオマス、堆積物、毒素などの知識が必要な場合、これらの成分の濃度が決定され、それらの不確実性が推定されます。次に、質量負荷の不確実性は、流量決定の不確実性から決定できます。この計算のコンポーネントは、GUM に準拠することで互換性があります。
比重測定の実務者や技術者にとって、GUM は簡単に参照できる文書ではありません。この文書は、統計的手法とその数学的表現に関する実用的な知識を持つ専門の計測学者に法的枠組みを提供するために起草されました。有用なドキュメント (参照 [2] を参照) は、エンジニアや計測学以外の分野の専門家がよりアクセスしやすいように作成された GUM の短縮版です。
HUG は、概念を単純化していますが、GUM の原則や方法と競合することは決してありません。したがって、HUG は、GUM の要件を実際的な方法で比重測定に適用し、できれば技術者や環境管理の責任者が利用できる方法であると解釈しています。
さらに、HUG は、複雑な測定システムを現実的に表すことができる限りにおいて、比重測定に利点をもたらす補完的な技術であるモンテカルロ シミュレーションを導入および開発しています。
HUG は、さまざまな技術規格で定義されている基本的な比重法をまとめたものです。 HUG は、これらの基本的な方法の GUM から不確実性推定式を開発します。 HUG に記載されている基本的な比重法は、公開されている技術基準に記載されているものと同一ではない場合があります。そのような場合、これらの標準に記載されている方法は信頼できるものと見なされます。ただし、不確実性に関する技術基準の条項は、HUG に準拠するように調整する必要があります。
注記 1水圧基準内の空間座標の統一された定義はありません。このドキュメントでは、開水路の流れを説明する際に教科書の従来の軸を採用していますx軸は水平で平均流れ方向が正であり、 y軸は水平面でx軸に直交し、 z軸は垂直の正です。
注記 2測定の不確かさで使用される定義の範囲を完全に理解するには、GUM [1]または NIST Technical Note 1297 [2]を参照してください。
Introduction
The management of a natural environment requires knowledge, by measurement, of what is happening. Only then can effective action be taken and the effectiveness of the action assessed. Much depends on the quality of the knowledge itself.
The quality of measurable knowledge is stated in terms of measurement uncertainty. The internationally agreed method for assessing measurement quality is the guide to the estimation of uncertainty in measurement (GUM). Without this uniformity of measurement standards, equitable sharing of the environment is not possible and international obligations to care for the environment would be weakened.
The essential purpose of the GUM is for a statement of the quality of a measurement result to be presented with all measurements described in technical standards. Without this, no two measurements can be compared, or standards set. Whereas the GUM is a reference document serving the universal requirements of metrology, the Hydrometric uncertainty guidance (HUG) document is specific to hydrometry, i.e. to the measurement of the components of the hydrological cycle. It borrows from the GUM the methods that are the most applicable to hydrometry and applies them to techniques and equipment used in hydrometry.
In the past, error analysis has provided an indication of measurement quality, but such statements cannot properly convey the quality of the result because it presupposes knowledge of a true, error-free, value against which the measured result can be compared. The true value can never be known and uncertainty remains. For this reason, the GUM uses the concept of uncertainty and uses it for all stages and components of the measurement process. This ensures consistency.
The GUM defines standard uncertainty of a result as being equivalent to a standard deviation. This can be the standard deviation of a set of measured values or of probable values. This is broadly similar to the approach used in error analysis that preceded the uncertainty technique. However, the GUM provides additional methods of estimating uncertainty based on probability models. The two approaches are equivalent, but uncertainty requires only a knowledge or estimate of the dispersion of measurement about its mean value, and not the existence of a true value. It is assumed that a careful evaluation of the components of measurement uncertainty brings the mean value close to a probable true value, at least well within its margin of uncertainty.
In more general terms, uncertainty is a parameter that characterizes the dispersion of measurable values that can be attributed to their mean value.
By treating standard deviations and probability models as if they approximated to Gaussian (or normal) distributions, the GUM provides a formal methodology for combining components of uncertainty in measurement systems where several input variables combine to determine the result.
Within this formal framework, the GUM can be consistently applied to a range of applications and, thereby, be used to make meaningful comparisons of results.
The HUG seeks to promote an understanding of the nature of measurement uncertainty and its significance in estimating the ‘quality’ of a measurement or a determination in hydrometry.
Hydrometry is principally concerned with the determination of flow in rivers and man-made channels. This includes:
- environmental hydrometry, i.e. the determination of the flow of natural waters (largely concerned with hydrometric networks, water supply and flood protection);
- industrial hydrometry, i.e. the determination of flows within industrial plants and discharges into the natural environment (largely concerned with environment protection and also irrigation).
Both are the subject of international treaties and undertakings. For this reason, measured data is intended to conform to the GUM to assure that results can be compared.
Hydrometry is also concerned with the determination of rainfall, the movement/diffusion of groundwater and the transport by water flow of sediments and solids. This version of the HUG is concerned with flow determination only.
The results from hydrometry are used by other disciplines to regulate and manage the environment. If knowledge is required of biomass, sedimentary material, toxins, etc., the concentration of these components is determined and their uncertainty estimated. The uncertainty of mass-load can then be determined from the uncertainty of flow determination. The components of this calculation are made compatible through compliance with the GUM.
For practitioners of hydrometry and for engineers, the GUM is not a simple document to refer to. The document has been drafted to provide a legal framework for professional metrologists with a working knowledge of statistical methods and their mathematical representation. A helpful document, see Reference [2], is an abbreviated version of the GUM written to be more accessible to engineers and to specialists in fields other than metrology.
The HUG, although simplifying the concepts, in no way conflicts with the principles and methods of the GUM. Accordingly, the HUG interprets the GUM to apply its requirements to hydrometry in a practical way, and, hopefully, in a way accessible to engineers and those responsible for managing the environment.
In addition, the HUG introduces and develops the Monte Carlo Simulation, a complementary technique, which has benefits for hydrometry, insomuch as complex measurement systems can be represented realistically.
The HUG summarizes basic hydrometric methods defined in various technical standards. The HUG develops uncertainty estimation formulae from the GUM for these basic methods. The basic hydrometric methods described in the HUG might not be identical to those recited in the published technical standards. In such cases, the methods described in these standards are to be taken as authoritative. However, clauses in technical standards that concern uncertainty should be adapted to be in accordance with the HUG.
NOTE 1 There is no unified definition of space coordinates within the hydrometric standards. The textbook conventional axes are adopted in this document when describing open channel flow: the x axis being horizontal and positive in the mean flow direction, the y axis being orthogonal to the x axis in the horizontal plane and the z axis being vertical positive.
NOTE 2 For a complete appreciation of the scope of definitions used in measurement uncertainty, the reader is referred to the GUM[1] or to NIST Technical Note 1297[2].