基于Kalman濾波的澮河水庫洪水預(yù)報研究

張 坡

(山西省臨汾市澮河水庫管理局，山西 臨汾 043400)

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基于Kalman濾波的澮河水庫洪水預(yù)報研究

張 坡

(山西省臨汾市澮河水庫管理局，山西 臨汾 043400)

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

Kalman濾波；洪水預(yù)報；實時校正；精度評定

0 前 言

卡爾曼濾波方法是20世紀70年代開始在洪水預(yù)報領(lǐng)域中應(yīng)用的。Hino最早在水文預(yù)報中應(yīng)用卡爾曼濾波，并指出卡爾曼濾波適用于水文預(yù)報，其利用卡爾曼濾波實現(xiàn)了降雨徑流響應(yīng)函數(shù)的遞推估計。1993年，葛守西[1]利用卡爾曼濾波實現(xiàn)了蓄滿產(chǎn)流流量預(yù)報的單獨實時校正和一般線性匯流模型分類動態(tài)模擬算法實現(xiàn)匯流預(yù)報的實時校正相結(jié)合，建模試用取得令人滿意的結(jié)果，產(chǎn)流量單獨進行實時校正具有很好的發(fā)展前途。2004年，李致家、劉金濤和葛文忠等[2]利用雷達具有非常好的時空分辨率等特點，嘗試了將雷達降雨數(shù)據(jù)作為水文模型的輸入在洪水預(yù)報中應(yīng)用，采用卡爾曼濾波法對雷達估測的降雨量進行了實時校正，實例計算的結(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。澮河水庫在汛期由專人收看每日電視氣象分析并及時記錄，專人接收上游大交水文站傳汛，但水庫的入庫洪水過程目前還無法提前確定，沒有入庫洪水預(yù)報，這是影響澮河水庫洪水調(diào)度的首要問題。文章研究基于卡爾曼濾波技術(shù)的澮河水庫洪水預(yù)報方法，提高洪水預(yù)報的精度，為澮河水庫防洪調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 澮河水庫流域概況

澮河水庫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。從水庫控制流域洪水資料來看，幾次大洪水均為單峰，且洪水漲落均在24 h之內(nèi)，超過24 h的洪水只是拖長了退水時間。

2 Kalman濾波方法

卡爾曼濾波的遞歸資料處理是一種實時洪水預(yù)報方法，根據(jù)這里得到的第n個時刻分析值及分析誤差可再進行下一個時刻的洪水預(yù)報，卡爾曼濾波的分析預(yù)報循環(huán)過程如圖1所示。

3 Kalman濾波的洪水預(yù)報應(yīng)用研究

河沄水文站是澮河水庫入庫洪水控制站，這里利用澮河水庫控制流域中的翼城、續(xù)魯峪、河沄站的降雨數(shù)據(jù)并結(jié)合小河口水庫泄流對河沄站的洪水流量進行預(yù)報試驗。計算模型的輸入?yún)?shù)和條件為澮河水庫發(fā)生實際洪水時控制流域中的實測降水值、流量值，這里選擇對1966、1980、1982年共3場逐時段預(yù)見期的模擬洪水預(yù)報，試驗結(jié)果如表1與圖2、圖3、圖4所示。

圖1 Kalman濾波的計算流程

表1 河沄站3場檢驗洪水的模擬洪水預(yù)報特征值

圖2 河沄站1966072108th檢驗洪水實測與預(yù)報流量對比

圖3 河沄站1980072716th檢驗洪水實測與預(yù)報流量對比

圖4 河沄站1982072920th檢驗洪水實測與預(yù)報流量對比

從圖2、3、4河沄站檢驗洪水實測與預(yù)報流量對比圖中可以看出預(yù)報的洪水過程與實測過程符合較好，預(yù)報值與實測值也相符合。從總體來看仿真效果與實測結(jié)果擬合度基本滿足要求。對預(yù)報結(jié)果的精度進行評定：根據(jù)《水文情報預(yù)報規(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 0.9，0.9>乙級 0.7，0.7>丙級 0.5)三個等級，從表1中可以看出預(yù)報結(jié)果等級達到乙級，預(yù)報取得一定效果。

4 結(jié) 論

根據(jù)澮河水庫控制流域的洪水預(yù)報試驗顯示，Kalman濾波模型取得了一定效果，在澮河水庫洪水預(yù)報中利用Kalman濾波模型可以達到乙級，這種方法對資料有限的中小水庫是可行的。在洪水預(yù)報中，卡爾曼濾波方法以最小均方誤差為洪水預(yù)報的最佳準則，是一種遞推的洪水預(yù)報算法，便于在計算機上運行，非常適合實時洪水預(yù)報，它可以建立水位或流量等實測值與噪聲的狀態(tài)空間模型，根據(jù)當前時刻的實測值并結(jié)合前一時刻系統(tǒng)的預(yù)報值對狀態(tài)變量的估計進行更新，計算出當前時刻下的洪水預(yù)報值。今后還可以利用衛(wèi)星、雷達等各種間接觀測信息，不斷修正預(yù)報的軌跡，提高洪水預(yù)報的精度。

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

[2]李致家，劉金濤，葛文忠，等.雷達估測降雨與水文模型的耦合在洪水預(yù)報中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(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。