張 坡

(山西省臨汾市澮河水庫(kù)管理局，山西 臨汾 043400)

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基于Kalman濾波的澮河水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)研究

張 坡

(山西省臨汾市澮河水庫(kù)管理局，山西 臨汾 043400)

研究基于Kalman濾波的洪水預(yù)報(bào)技術(shù)可以提高水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)的精度，解決資料有限的中小水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)的問(wèn)題。利用澮河水庫(kù)控制流域中的翼城、續(xù)魯峪、河沄站的降雨數(shù)據(jù)并結(jié)合小河口水庫(kù)泄流對(duì)河沄站的洪水流量進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)，結(jié)果表明，應(yīng)用Kalman濾波技術(shù)可有效提高水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)的精度。

Kalman濾波；洪水預(yù)報(bào)；實(shí)時(shí)校正；精度評(píng)定

0 前 言

卡爾曼濾波方法是20世紀(jì)70年代開(kāi)始在洪水預(yù)報(bào)領(lǐng)域中應(yīng)用的。Hino最早在水文預(yù)報(bào)中應(yīng)用卡爾曼濾波，并指出卡爾曼濾波適用于水文預(yù)報(bào)，其利用卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)了降雨徑流響應(yīng)函數(shù)的遞推估計(jì)。1993年，葛守西[1]利用卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)了蓄滿產(chǎn)流流量預(yù)報(bào)的單獨(dú)實(shí)時(shí)校正和一般線性匯流模型分類動(dòng)態(tài)模擬算法實(shí)現(xiàn)匯流預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)校正相結(jié)合，建模試用取得令人滿意的結(jié)果，產(chǎn)流量單獨(dú)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正具有很好的發(fā)展前途。2004年，李致家、劉金濤和葛文忠等[2]利用雷達(dá)具有非常好的時(shí)空分辨率等特點(diǎn)，嘗試了將雷達(dá)降雨數(shù)據(jù)作為水文模型的輸入在洪水預(yù)報(bào)中應(yīng)用，采用卡爾曼濾波法對(duì)雷達(dá)估測(cè)的降雨量進(jìn)行了實(shí)時(shí)校正，實(shí)例計(jì)算的結(jié)果表明，應(yīng)用校正后的雨量作為水文模型的輸入能獲得較高的模擬精度。澮河水庫(kù)在汛期由專人收看每日電視氣象分析并及時(shí)記錄，專人接收上游大交水文站傳汛，但水庫(kù)的入庫(kù)洪水過(guò)程目前還無(wú)法提前確定，沒(méi)有入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)，這是影響澮河水庫(kù)洪水調(diào)度的首要問(wèn)題。文章研究基于卡爾曼濾波技術(shù)的澮河水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方法，提高洪水預(yù)報(bào)的精度，為澮河水庫(kù)防洪調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 澮河水庫(kù)流域概況

澮河水庫(kù)位于黃河流域汾河水系澮河支流的中段。澮河發(fā)源于浮山縣、沁水縣境內(nèi)的太行山支脈—佛山塢嶺西麓，屬E35°～36°，N111°～112°，總流域面積1928km2，以黃土丘陵為主，全長(zhǎng)100km，澮河由兩大支流(澮河和續(xù)魯峪河)在翼城縣丁村與絳縣大交鎮(zhèn)交界處匯流而成，經(jīng)曲沃縣、侯馬市、新絳縣三林鎮(zhèn)注入汾河。從水庫(kù)控制流域洪水資料來(lái)看，幾次大洪水均為單峰，且洪水漲落均在24 h之內(nèi)，超過(guò)24 h的洪水只是拖長(zhǎng)了退水時(shí)間。

2 Kalman濾波方法

卡爾曼濾波的遞歸資料處理是一種實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方法，根據(jù)這里得到的第n個(gè)時(shí)刻分析值及分析誤差可再進(jìn)行下一個(gè)時(shí)刻的洪水預(yù)報(bào)，卡爾曼濾波的分析預(yù)報(bào)循環(huán)過(guò)程如圖1所示。

3 Kalman濾波的洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用研究

河沄水文站是澮河水庫(kù)入庫(kù)洪水控制站，這里利用澮河水庫(kù)控制流域中的翼城、續(xù)魯峪、河沄站的降雨數(shù)據(jù)并結(jié)合小河口水庫(kù)泄流對(duì)河沄站的洪水流量進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)。計(jì)算模型的輸入?yún)?shù)和條件為澮河水庫(kù)發(fā)生實(shí)際洪水時(shí)控制流域中的實(shí)測(cè)降水值、流量值，這里選擇對(duì)1966、1980、1982年共3場(chǎng)逐時(shí)段預(yù)見(jiàn)期的模擬洪水預(yù)報(bào)，試驗(yàn)結(jié)果如表1與圖2、圖3、圖4所示。

圖1 Kalman濾波的計(jì)算流程

表1 河沄站3場(chǎng)檢驗(yàn)洪水的模擬洪水預(yù)報(bào)特征值

圖2 河沄站1966072108th檢驗(yàn)洪水實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)流量對(duì)比

圖3 河沄站1980072716th檢驗(yàn)洪水實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)流量對(duì)比

圖4 河沄站1982072920th檢驗(yàn)洪水實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)流量對(duì)比

從圖2、3、4河沄站檢驗(yàn)洪水實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)流量對(duì)比圖中可以看出預(yù)報(bào)的洪水過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程符合較好，預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值也相符合。從總體來(lái)看仿真效果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合度基本滿足要求。對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的精度進(jìn)行評(píng)定：根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(SL250-2000 ) 規(guī)定，模型精度按照仿真結(jié)果的確定性系數(shù)可分為(甲級(jí) 0.9，0.9>乙級(jí) 0.7，0.7>丙級(jí) 0.5)三個(gè)等級(jí)，從表1中可以看出預(yù)報(bào)結(jié)果等級(jí)達(dá)到乙級(jí)，預(yù)報(bào)取得一定效果。

4 結(jié) 論

根據(jù)澮河水庫(kù)控制流域的洪水預(yù)報(bào)試驗(yàn)顯示，Kalman濾波模型取得了一定效果，在澮河水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)中利用Kalman濾波模型可以達(dá)到乙級(jí)，這種方法對(duì)資料有限的中小水庫(kù)是可行的。在洪水預(yù)報(bào)中，卡爾曼濾波方法以最小均方誤差為洪水預(yù)報(bào)的最佳準(zhǔn)則，是一種遞推的洪水預(yù)報(bào)算法，便于在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，非常適合實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)，它可以建立水位或流量等實(shí)測(cè)值與噪聲的狀態(tài)空間模型，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的實(shí)測(cè)值并結(jié)合前一時(shí)刻系統(tǒng)的預(yù)報(bào)值對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)進(jìn)行更新，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻下的洪水預(yù)報(bào)值。今后還可以利用衛(wèi)星、雷達(dá)等各種間接觀測(cè)信息，不斷修正預(yù)報(bào)的軌跡，提高洪水預(yù)報(bào)的精度。

[1]葛守西.一種實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)模型的構(gòu)思和實(shí)踐[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，21(06): 1-9.

[2]李致家，劉金濤，葛文忠，等.雷達(dá)估測(cè)降雨與水文模型的耦合在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，32(06): 601-606.

Study on Huihe River Reservoir Flood Forecasting Based on Kalman Filtering

ZHANG Po

(Shanxi Province Huihe Reservoir Administration Bureau，Linfen 043400,China)

The flood forecasting technology based on Kalman filtering may increase the accuracy of reservoir flood forecasting and solve the problems about reservoir inflow flood forecasting for small and medium reservoirs with limited information. The rainfall data about Yicheng，Xuluyu and Heyun Stations within the catchment controlled by the Huihe River reservoir，combining with the Xiaohekou reservoir flood discharge，were used to forecast and test the flood discharge. The results show that the accuracy of reservoir flood forecasting can be effectively increased by applying Kalman filtering technology.

Kalman filtering；flood forecasting；real-time correction；accuracy evaluation

TV122

A

1007-7596(2016)08-0014-02

2016-07-16

金冬梅(1984-)，女 ，黑龍江鶴崗人，工程師。