基于Kalman滤波的浍河水库洪水预报研究

张 坡

(山西省临汾市浍河水库管理局，山西 临汾 043400)



基于Kalman滤波的浍河水库洪水预报研究

张 坡

(山西省临汾市浍河水库管理局，山西 临汾 043400)

研究基于Kalman滤波的洪水预报技术可以提高水库洪水预报的精度，解决资料有限的中小水库入库洪水预报的问题。利用浍河水库控制流域中的翼城、续鲁峪、河沄站的降雨数据并结合小河口水库泄流对河沄站的洪水流量进行预报试验，结果表明，应用Kalman滤波技术可有效提高水库洪水预报的精度。

Kalman滤波；洪水预报；实时校正；精度评定

0 前 言

卡尔曼滤波方法是20世纪70年代开始在洪水预报领域中应用的。Hino最早在水文预报中应用卡尔曼滤波，并指出卡尔曼滤波适用于水文预报，其利用卡尔曼滤波实现了降雨径流响应函数的递推估计。1993年，葛守西[1]利用卡尔曼滤波实现了蓄满产流流量预报的单独实时校正和一般线性汇流模型分类动态模拟算法实现汇流预报的实时校正相结合，建模试用取得令人满意的结果，产流量单独进行实时校正具有很好的发展前途。2004年，李致家、刘金涛和葛文忠等[2]利用雷达具有非常好的时空分辨率等特点，尝试了将雷达降雨数据作为水文模型的输入在洪水预报中应用，采用卡尔曼滤波法对雷达估测的降雨量进行了实时校正，实例计算的结果表明，应用校正后的雨量作为水文模型的输入能获得较高的模拟精度。浍河水库在汛期由专人收看每日电视气象分析并及时记录，专人接收上游大交水文站传汛，但水库的入库洪水过程目前还无法提前确定，没有入库洪水预报，这是影响浍河水库洪水调度的首要问题。文章研究基于卡尔曼滤波技术的浍河水库洪水预报方法，提高洪水预报的精度，为浍河水库防洪调度提供科学依据。

1 浍河水库流域概况

浍河水库位于黄河流域汾河水系浍河支流的中段。浍河发源于浮山县、沁水县境内的太行山支脉—佛山坞岭西麓，属E35°～36°，N111°～112°，总流域面积1928km2，以黄土丘陵为主，全长100km，浍河由两大支流(浍河和续鲁峪河)在翼城县丁村与绛县大交镇交界处汇流而成，经曲沃县、侯马市、新绛县三林镇注入汾河。从水库控制流域洪水资料来看，几次大洪水均为单峰，且洪水涨落均在24 h之内，超过24 h的洪水只是拖长了退水时间。

2 Kalman滤波方法

卡尔曼滤波的递归资料处理是一种实时洪水预报方法，根据这里得到的第n个时刻分析值及分析误差可再进行下一个时刻的洪水预报，卡尔曼滤波的分析预报循环过程如图1所示。

3 Kalman滤波的洪水预报应用研究

河沄水文站是浍河水库入库洪水控制站，这里利用浍河水库控制流域中的翼城、续鲁峪、河沄站的降雨数据并结合小河口水库泄流对河沄站的洪水流量进行预报试验。计算模型的输入参数和条件为浍河水库发生实际洪水时控制流域中的实测降水值、流量值，这里选择对1966、1980、1982年共3场逐时段预见期的模拟洪水预报，试验结果如表1与图2、图3、图4所示。

图1 Kalman滤波的计算流程

表1 河沄站3场检验洪水的模拟洪水预报特征值

图2 河沄站1966072108th检验洪水实测与预报流量对比

图3 河沄站1980072716th检验洪水实测与预报流量对比

图4 河沄站1982072920th检验洪水实测与预报流量对比

从图2、3、4河沄站检验洪水实测与预报流量对比图中可以看出预报的洪水过程与实测过程符合较好，预报值与实测值也相符合。从总体来看仿真效果与实测结果拟合度基本满足要求。对预报结果的精度进行评定：根据《水文情报预报规范》(SL250-2000 ) 规定，模型精度按照仿真结果的确定性系数可分为(甲级 0.9，0.9>乙级 0.7，0.7>丙级 0.5)三个等级，从表1中可以看出预报结果等级达到乙级，预报取得一定效果。

4 结 论

根据浍河水库控制流域的洪水预报试验显示，Kalman滤波模型取得了一定效果，在浍河水库洪水预报中利用Kalman滤波模型可以达到乙级，这种方法对资料有限的中小水库是可行的。在洪水预报中，卡尔曼滤波方法以最小均方误差为洪水预报的最佳准则，是一种递推的洪水预报算法，便于在计算机上运行，非常适合实时洪水预报，它可以建立水位或流量等实测值与噪声的状态空间模型，根据当前时刻的实测值并结合前一时刻系统的预报值对状态变量的估计进行更新，计算出当前时刻下的洪水预报值。今后还可以利用卫星、雷达等各种间接观测信息，不断修正预报的轨迹，提高洪水预报的精度。

[1]葛守西.一种实时洪水预报模型的构思和实践[J].河海大学学报，1993，21(06): 1-9.

[2]李致家，刘金涛，葛文忠，等.雷达估测降雨与水文模型的耦合在洪水预报中的应用[J].河海大学学报(自然科学版)，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 ，黑龙江鹤岗人，工程师。