基于Kalman濾波的澮河水庫洪水預報研究

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濾波的洪水預報技術可以提高水庫洪水預報的精度，解決資料有限的中小水庫入庫洪水預報的問題。利用澮河水庫控制流域中的翼城、續魯峪、河沄站的降雨數據并結合小河口水庫泄流對河沄站的洪水流量進行預報試驗，結果表明，應用Kalman濾波技術可有效提高水庫洪水預報的精度。

Kalman濾波；洪水預報；實時校正；精度評定

0 前 言

卡爾曼濾波方法是20世紀70年代開始在洪水預報領域中應用的。Hino最早在水文預報中應用卡爾曼濾波，并指出卡爾曼濾波適用于水文預報，其利用卡爾曼濾波實現了降雨徑流響應函數的遞推估計。1993年，葛守西[1]利用卡爾曼濾波實現了蓄滿產流流量預報的單獨實時校正和一般線性匯流模型分類動態模擬算法實現匯流預報的實時校正相結合，建模試用取得令人滿意的結果，產流量單獨進行實時校正具有很好的發展前途。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據作為水文模型的輸入在洪水預報中應用，采用卡爾曼濾波法對雷達估測的降雨量進行了實時校正，實例計算的結果表明，應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，沒有入庫洪水預報，這是影響澮河水庫洪水調度的首要問題。文章研究基于卡爾曼濾波技術的澮河水庫洪水預報方法，提高洪水預報的精度，為澮河水庫防洪調度提供科學依據。

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。澮河發源于浮山縣、沁水縣境內的太行山支脈—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(澮河和續魯峪河)在翼城縣丁村與絳縣大交鎮交界處匯流而成，經曲沃縣、侯馬市、新絳縣三林鎮注入汾河。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，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報方法，根據這里得到的第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報，卡爾曼濾波的分析預報循環過程如圖1所示。

3 Kalman濾波的洪水預報應用研究

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、續魯峪、河沄站的降雨數據并結合小河口水庫泄流對河沄站的洪水流量進行預報試驗。計算模型的輸入參數和條件為澮河水庫發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場逐時段預見期的模擬洪水預報，試驗結果如表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報特征值

圖2 河沄站1966072108th檢驗洪水實測與預報流量對比

圖3 河沄站1980072716th檢驗洪水實測與預報流量對比

圖4 河沄站1982072920th檢驗洪水實測與預報流量對比

從圖2、3、4河沄站檢驗洪水實測與預報流量對比圖中可以看出預報的洪水過程與實測過程符合較好，預報值與實測值也相符合。從總體來看仿真效果與實測結果擬合度基本滿足要求。對預報結果的精度進行評定：根據《水文情報預報規范》(SL250-2000 ) 規定，模型精度按照仿真結果的確定性系數可分為(甲級 0.9，0.9>乙級 0.7，0.7>丙級 0.5)三個等級，從表1中可以看出預報結果等級達到乙級，預報取得一定效果。

4 結 論

根據澮河水庫控制流域的洪水預報試驗顯示，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。在洪水預報中，卡爾曼濾波方法以最小均方誤差為洪水預報的最佳準則，是一種遞推的洪水預報算法，便于在計算機上運行，非常適合實時洪水預報，它可以建立水位或流量等實測值與噪聲的狀態空間模型，根據當前時刻的實測值并結合前一時刻系統的預報值對狀態變量的估計進行更新，計算出當前時刻下的洪水預報值。今后還可以利用衛星、雷達等各種間接觀測信息，不斷修正預報的軌跡，提高洪水預報的精度。

[1]葛守西.一種實時洪水預報模型的構思和實踐[J].河海大學學報，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報中的應用[J].河海大學學報(自然科學版)，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。