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Tecnología y ciencias del agua

versión On-line ISSN 2007-2422

Tecnol. cienc. agua vol.12 no.6 Jiutepec nov./dic. 2021  Epub 04-Jul-2025

https://doi.org/10.24850/j-tyca-2021-06-06 

Artículos

Comparación del filtro de Kalman discreto con el filtro de conjuntos para pronóstico de caudales horarios en el río Huaynamota, Nayarit, México

Ildefonso Narváez-Ortiz1 
http://orcid.org/0000-0002-4988-8886

Laura Alicia Ibáñez-Castillo2 
http://orcid.org/0000-0001-9287-655X

Ramón Arteaga-Ramírez3 
http://orcid.org/0000-0001-9459-3588

Mario Vázquez-Peña4 
http://orcid.org/0000-0003-2084-7420

Carlos Cíntora-González5 
http://orcid.org/0000-0001-5204-4361

1Universidad Autónoma Chapingo, estudiante del Doctorado en Ingeniería Agrícola y Uso Integral del Agua, Chapingo, México, ildenar@gmail.com

2Profesora-investigadora, Universidad Autónoma Chapingo, posgrado en Ingeniería Agrícola y Uso Integral del Agua, Chapingo, México, México, libacas@gmail.com

3Profesor-investigador, Universidad Autónoma Chapingo, posgrado en Ingeniería Agrícola y Uso Integral del Agua, Chapingo, México, México, arteagar@correo.chapingo.mx

4Profesor-investigador, Universidad Autónoma Chapingo, posgrado en Ingeniería Agrícola y Uso Integral del Agua, Chapingo, México, México, mvazquezp@correo.chapingo.mx

5Profesor-investigador, Universidad Autónoma Chapingo, posgrado en Ingeniería Agrícola y Uso Integral del Agua, Chapingo, México, México, carlos.cintora@gmail.com


Resumen

La asimilación de datos integrada para el pronóstico de caudales puede brindar flexibilidad y reducción de errores sistemáticos en los modelos. En este trabajo se evalúan la capacidad predictiva del filtro de Kalman discreto, filtro de Kalman de conjuntos y su integración, utilizando registros horarios de caudal de las estaciones Chapalagana y Platanitos ubicadas sobre el río Huaynamota, región hidrológica 12. La cuenca se ubica al noroeste de la república mexicana, y se comparte entre los estados de Durango, Nayarit, Zacatecas y Jalisco. Para el análisis se utilizaron series con 1 360 registros horarios del año 2017 comprendidos entre el 2 de agosto a las 9:00 horas hasta el 28 de septiembre a las 0:00 horas. Se realizaron pronósticos a 1, 2, 3, 4, 5 y 6 pasos hacia adelante, combinados con tamaños de conjunto de 5, 8, 10, 20, 50 y 100 miembros utilizando caudales de la estación Platanitos como variable exógena. El ajuste entre la serie observada y las pronosticadas se estimó mediante el coeficiente de Nash-Sutcliffe y la raíz del cuadrado medio del error para determinar que el filtro de Kalman discreto alcanza mejor ajuste y actualización con base en el tiempo de retraso entre series. El filtro de Kalman de conjuntos genera un suavizado de la serie pronosticada, y al igual que la integración de filtros aumenta el efecto de desplazamiento de la serie pronosticada. El filtro de Kalman discreto alcanza ajuste superior a ARX y a la combinación ARX-DKF.

Palabras clave: filtro de Kalman; conjuntos; modelos autorregresivos; pronósticos de caudales a corto plazo

Abstract

Integrated data assimilation for flow forecasting can provide flexibility and reduce systematic errors in the models. In this work we evaluate the predictive capacity of the discrete Kalman filter, ensemble Kalman filter, and its integration, using hourly flow records from Chapalagana and Platanitos stations located on the Huaynamota river, hydrological region 12. The basin is located in the northwest of the Mexican Republic and is shared between the states of Durango, Nayarit, Zacatecas, and Jalisco. For the analysis, series with 1360 data from 2017 were used, from August 2nd at 9:00 a.m. to September 28th at 0:00 a.m. Forecasts were evaluated at 1, 2, 3, 4, 5, and 6 steps forward, combined with set sizes of 5, 8, 10, 20, 50, and 100 members using measurements at the Platanitos station as an exogenous variable. The fit between observed and predicted series was estimated using the Nash-Sutcliffe coefficient and the mean square root of the error to determine that the discrete Kalman filter achieves better fit and update based on the time delay between series. The Ensemble Kalman filter generates smoothing of the predicted series, and the integration of filters increases the displacement effect of the predicted series. The discrete Kalman filter achieves superior adjustment to ARX and the ARX-DKF combination.

Keywords: Kalman filter; ensembles; autoregressive models; short-term streamflow forecasting

Introducción

La asimilación de datos para la estimación de estados es esencial en las aplicaciones de pronóstico en hidrología (Liu et al., 2012), pues mediante la actualización cíclica que llevan a cabo es posible disminuir los errores que se acumulan en los modelos (Clark et al., 2008; Maxwell, Jackson, & McGregor, 2018). El filtro de Kalman de conjuntos (EnKF) (Evensen, 1994) es uno de los algoritmos ampliamente utilizado como método recursivo en hidrología (Liu & Gupta, 2007; Maxwell et al., 2018; Sun, Seidou, Nistor, & Liu, 2016) es una extensión del filtro de Kalman discreto (Kalman, 1960) para tratar sistemas dinámicos no lineales (Evensen, 1994; Evensen, 2003), y se ha utilizado, entre otros, para el pronóstico de caudales (Maxwell et al., 2018), evapotranspiración (Zou, Zhan, Xia, Wang, & Gippel, 2017) y humedad del suelo (Brandhorst, Erdal, & Neuweiler, 2017; Meng, Xie, & Liang, 2017), además se ha integrado con modelos hidrológicos distribuidos como TopNet, Hydrotel y MGB-IPH (Abaza, Anctil, Fortin, & Turcotte, 2015; Clark et al., 2008; Quiroz, Collischonn, & Paiva, 2019).

En los sistemas de cuenca hidrográfica se puede identificar la relación entre los caudales medidos en diferentes posiciones y un punto de interés, a lo que se denomina función de respuesta (Valdés, Mejía, & Rodríguez-Iturbe, 1980). Con base en esta relación se pueden hacer pronósticos a corto plazo que se actualizan constantemente y de forma indefinida mientras el fenómeno bajo estudio persista.

En este trabajo se evalúa la capacidad de pronosticar del filtro de Kalman discreto (DKF) (Kalman, 1960), el filtro de Kalman de conjuntos (EnKF) (Evensen, 1994) y la integración del filtro de Kalman discreto (DKF) con el filtro de Kalman de conjuntos (EnKF) para el pronóstico de uno hasta seis pasos hacia delante de los caudales del río Huaynamota en la estación Chapalagana. El DKF es implementado para estimar el vector de estado (Hidrograma Unitario Instantáneo, HUI) y el EnKF hace estimaciones escalares de caudal. La integración se hace mediante la ecuación de estados del EnKF.

Materiales y métodos

El área de estudio corresponde a la delimitación aguas arriba a partir de la estación Chapalagana sobre el río Huaynamota (río Chapalagana o río Atengo), se ubica al noroeste de la república mexicana y se comparte entre los estados de Durango, Nayarit, Zacatecas y Jalisco (INEGI, 2010) (Figura 1); geográficamente se ubica entre los -104° 33’ 34.16” y los -103° 27’ 29.84” de longitud, y entre los 23° 28’ 50.05” y los 21° 23’ 57.62” de latitud; tiene un área de 12 075.7 km2; la altitud máxima es de 3 147 msnm (metros sobre el nivel del mar) y la mínima en la estación Chapalagana es de 219 msnm; el tiempo de concentración es de 39.88 horas; la precipitación media anual es de 707 mm y la temperatura media anual de 17.9 °C (SMN, 2019).

Figura 1 Localización del área de estudio. 

La principal estructura hidráulica con fines de generación de electricidad que se encuentra aguas abajo del área de estudio y sobre el río Lerma-Santiago Pacífico es la represa Solidaridad, comúnmente conocida como Aguamilpa, ubicada en los -104° 48’ 10.55” de longitud y los 21° 50’ 22.74” de latitud, con una capacidad de 5 540 millones de m3, para generar 960 MW de electricidad (Conagua, 2008). La presa Aguamilpa se encuentra a unos 90 km del océano Pacífico, donde el río Santiago desemboca frente a las costas del estado de Nayarit.

Se evaluó la capacidad predictiva del algoritmo del filtro de Kalman discreto (DKF) (Kalman, 1960); el filtro de Kalman de conjuntos (EnKF) (Evensen, 1994); la integración del DKF y EnKF (DKF-EnKF), y el modelo autorregresivo con variable exógena de primer orden (AR(1,1)), para realizar el pronóstico a 1, 2, 3, 4, 5 y 6 horas (pasos L) hacia adelante de caudales horarios en la estación Chapalagana, con base en los caudales de la estación Platanito, localizada aguas arriba, como variable exógena. Se utilizaron series horarias de caudal del año 2017 entre el 2 de agosto a las 9:00 horas hasta el 28 de septiembre a las 0:00 horas, para un total de 1 360 registros suministrados por la CFE (Comisión Federal de Electricidad). Para el análisis de sensibilidad del tamaño del conjunto se utilizaron 5, 8, 10, 20, 50 y 100 miembros que se combinaron con los seis pasos.

La implementación del DKF, EnKF, DKF-EnKF y ARX(1,1) se hizo mediante rutinas en R (R Core Team, 2020), que generan los pronósticos a seis pasos con DKF y ARX, y con 36 combinaciones entre pasos por tamaños de conjunto en EnKF y DKF-EnKF. El DKF se implementó para estimar el vector de estado que equivale a la función de respuesta de la cuenca o hidrograma unitario instantáneo (HUI) (Valdés et al., 1980) y el EnKF realiza estimaciones escalares del caudal (Evensen, 2009), es decir, con el DKF se estiman los valores correspondientes a las columnas del HUI que se pasan a multiplicar por los valores de caudal; por su parte, el EnKF estima directamente valores de caudal. En los tres casos con filtros se consideraron las últimas observaciones de cada variable, es decir, un retraso autorregresivo (Valdés et al., 1980). El modelo ARX se implementó de forma recursiva con base en una fracción de serie con 100 registros.

La cantidad adecuada de miembros en los conjuntos de EnKF y DKF-EnKF se determinó mediante análisis de sensibilidad, con base en la raíz del cuadrado medio del error (RMSE) (Quiroz et al., 2019). La generación del ruido blanco (simulación de Monte Carlo) se hizo con el paquete mvtnorm (normal multivariante y distribución t) (Genz & Bretz, 2009). En los tres algoritmos evaluados, la varianza Q se supone constante (Simon, 2001) de valor cero (Morales-Velázquez, Aparicio, & Valdes, 2014) y R con valor cercano a cero (0.01) para dar flexibilidad a la convergencia del algoritmo (Welch & Bishop, 2006).

El ajuste de las series pronosticadas se evaluó mediante el coeficiente de Nash-Sutcliffe (Nash & Sutcliffe, 1970) y la raíz del cuadrado medio del error (RMSE) (Morales-Velázquez et al., 2014). Los supuestos de normalidad de errores del filtro de Kalman se verificaron mediante gráficos comparados con la curva normal estandarizada (González-Leiva, Ibáñez-Castillo, Valdés, Vázquez-Peña, & Ruiz-García, 2015). Los valores atípicos y su ubicación se determinó con base en los residuales estandarizados (Cryer & Chan, 2008).

Filtro de Kalman discreto

Es un algoritmo que permite la identificación de sistemas dinámicos lineales como un estimador óptimo de estados mediante un proceso recursivo (Kalman, 1960) (Figura 2). El DKF sirve de base para los algoritmos que tratan sistemas no lineales (Welch & Bishop, 2006).

Figura 2 Algoritmo del filtro de Kalman discreto (Welch & Bishop, 2006). 

La ecuación de estado tiene como entrada dos series horarias (n) de caudal de la estación Chapalagana y Platanitos. La matriz A (n x n) y B (n x 1) relacionan el estado del tiempo k-1 con el estado actual en el tiempo k. Debido a que en el curso del río no se encuentran estructuras hidráulicas, como represas que alteren de forma repentina los volúmenes de caudal, en este trabajo no se considera variable de control, por lo tanto sólo se tiene la matriz A, que se supone constante a lo largo del proceso. La matriz H en la ecuación de medición se compone por un vector fila de 1 x n que contiene la última observación de cada variable de entrada. El valor pronosticado zk se obtiene mediante la ecuación de medición, multiplicando la matriz H por el vector de estado xk- (n x 1). A continuación se presenta la matriz A que relaciona el estado anterior con el actual:

A=1001 (1)

La nueva medición para el tiempo k (Qk) se utiliza para actualizar el algoritmo según los cambios que se estén presentando en el sistema; el valor pronosticado zk (corresponde a un valor de caudal, tamaño p) lleva implícito el error de la medición wk-1; la ecuación de estado contiene el error del proceso vk, los cuales deben cumplir el supuesto de normalidad:

wk=N0,Q ; vk=N0,R (2)

Con las ecuaciones de estado y medición, el algoritmo inicia un ciclo que se repite de forma indefinida. En el tiempo k-1 hace la estimación a priori (pronóstico) de los estados, que son actualizados (estimación a posteriori) en el tiempo k. Los estados se toman como función de respuesta de la cuenca y con la estimación a posteriori se hace el pronóstico en el tiempo k+1. Este ciclo se repite de forma indefinida realizando el pronóstico del tiempo k+1 con base en la matriz H y el vector de estado actualizados hasta el tiempo k.

Filtro de Kalman de conjuntos

El filtro de Kalman de conjuntos (EnKF) es un estimador subóptimo, que se basa en simulaciones de Monte Carlo para la estimación del error estadístico (Evensen, 1994; Gillijns et al., 2006; Rafieeinasab, Seo, Lee, & Kim, 2014). Se supone distribución normal de los errores y las estimaciones se hacen con base en conjuntos que agrupan q valores generados al azar bajo distribución normal. Al igual que el DKF tiene dos grupos de ecuaciones: análisis y predicción. En la Figura 3, las dos primeras ecuaciones tienen sus equivalentes en el DKF, y la última corresponde al promedio de los miembros que se supone como mejor pronóstico. El segundo grupo, de forma general, consta de cuatro ecuaciones, donde se estiman errores y probabilidades que son insumo para calcular la ganancia de Kalman (Gillijns et al., 2006).

Figura 3 Algoritmo del filtro de Kalman de conjuntos (Gillijns et al., 2006).  

Los errores wki y vki corresponden al ruido que contiene el proceso y la medición, respectivamente; se suponen como ruido blanco con media cero y varianza Q y R (Figura 3), de igual forma que en la Ecuación (2). Para el pronóstico de caudales, la función de respuesta (xk+1f) del EnKF se estableció incorporando ruido blanco wki a los estados previos xk-1ai:

xk+1f=xkai+wki (3)

El ruido en las mediciones se genera agregando a la medición en el tiempo k, q desviaciones con distribución normal:

yki=yk+vki (4)

El vector yki de 1 x q corresponde a las q mediciones ruidosas; yk es la medición en el tiempo k, y el subíndice i representa la cantidad de miembros que corresponde a i=1, 2,, q. Es decir, se generan q valores al azar bajo distribución normal, que se suman al valor observado, y resulta en un vector de tamaño q con el valor observado como media. Se supone que a mayor cantidad de miembros mejor será el ajuste del pronóstico debido a que se puede obtener mejor estimación de la distribución de probabilidades (Leutbecher, 2019); sin embargo, aumentar la cantidad de miembros implica mayor esfuerzo computacional, por tanto se debe hacer una análisis de sensibilidad para determinar la cantidad que obtenga los mínimos errores con esfuerzo computacional aceptable. Para estudios hidrológicos se sugiere entre 50 y 300 miembros por conjunto (Gillijns et al., 2006; Quiroz et al., 2019).

Filtro de Kalman discreto y filtro de Kalman de conjuntos

La integración del DKF y EnKF se hizo mediante la ecuación de estado del algoritmo del EnKF. El DKF genera un pronóstico para el tiempo k+1 (Q^k+1), a partir del cual se determina la diferencia con respecto al estado previo de EnKF (xk-1ai), que finalmente se suma al estado previo xk-1ai, además se le agrega ruido blanco mediante simulación de Monte Carlo wki:

xk+1f=xk-1ai+Q^k+1-xk-1ai+wki (5)

Modelo autorregresivo de primer orden (ARX(1,1)) y DKF

El modelo autorregresivo de primer orden, también conocido como modelo de Markov, es una de las primeras aproximaciones para el estudio de series de tiempo y se basa en la autocorrelación que se presenta dentro de la misma serie de datos (Box, Jenkins, Reinsel, & Ljung, 2016; Bras & Rodríguez-Iturbe, 1985). Algebraicamente se describe de la siguiente forma:

yk+1=i=0naαiyk-i+j=0nbβjγk-j+ek+1 (6)

Donde yk+1 corresponde al valor pronosticado; αi y βj son los parámetros del modelo; yk y γk corresponden a la variable de entrada y variable exógena, respectivamente. La estimación de los parámetros se hace por mínimos cuadrados y se requiere una sección de serie de al menos 50 registros. En el modelo ARX(na, nb), na y nb representan los retrasos autorregresivos que se utilizan en cada variable. El modelo ARX estima los parámetros α y β, que son incorporados en la matriz A del algoritmo DKF (Figura 2), y la actualización se aplica al caudal para el pronóstico en el siguiente ciclo.

Resultados y discusión

En total se evaluaron 36 combinaciones resultado de seis pasos (L) por seis tamaños de conjunto. Los tres algoritmos se ejecutaron con 1 360 registros horarios de caudal provenientes de las estaciones Chapalagana y Platanitos, para obtener pronósticos de caudal en la estación Chapalagana.

En la Figura 4 se muestra el análisis de sensibilidad que permite identificar el tamaño adecuado de los conjuntos para los algoritmos de EnKF (línea punteada) y DKF-EnKF (línea continua), mediante la relación entre el valor de RMSE a medida que aumenta la cantidad de miembros por conjunto. El conjunto con cinco miembros presenta el RMSE más alto en cada uno de los pasos L; cuando se tienen 8 y 10 miembros se dan variaciones con ligera tendencia a disminución, y los conjuntos con 20, 50 y 100 miembros reflejan convergencia y estabilidad; por tanto, en el caso de la serie bajo estudio para optimizar el ajuste y la carga computacional se pueden usar 20 miembros. La combinación DKF-EnKF en los seis pasos L tienen mayores valores de RMSE que EnKF; las diferencias se hacen cada vez más notables en pasos más grandes, sin embargo, la convergencia se alcanza a partir de 20 miembros por conjunto.

Figura 4 Raíz del cuadrado medio del error con diferentes tamaños de conjunto. 

La importancia de la definición de la cantidad adecuada de miembros radica en obtener el mejor ajuste posible sin agregar carga computacional que no mejore el comportamiento del algoritmo. Cuando se tienen conjuntos grandes, la carga computacional es alta; por el contrario, si se usan conjuntos pequeños se puede perder ajuste entre la serie observada y la pronosticada (Gillijns et al., 2006; Quiroz et al., 2019).

Los resultados que se presentan son con base en 20 miembros por cada conjunto. En la Tabla 1 se tienen los indicadores estadísticos de ajuste de la serie observada contra las series pronosticadas.

Tabla 1. Resumen de estadísticos para la aplicación de DKF, EnKF, DKF-EnKF y ARX-DKF. 

Índice L1 L2 L3 L4 L5 L6 DEp
DKF RMSE 24.76 39.55 50.46 59.21 67.20 74.49 18.36
Nash-Sutcliffe 0.9869 0.9666 0.9457 0.9252 0.9037 0.8816 0.0393
Media 161.55 161.71 161.39 161.57 160.74 160.67 0.45
DEs 217.58 216.33 213.69 212.47 209.96 208.30 3.58
EnKF RMSE 25.08 41.00 53.99 66.40 76.04 89.93 23.67
Nash-Sutcliffe 0.9866 0.9641 0.9378 0.9060 0.8767 0.8275 0.0587
Media 160.65 160.55 160.88 160.15 160.93 161.27 0.38
DEs 216.48 215.81 217.25 216.67 218.17 219.18 1.23
DKF-EnKF RMSE 25.83 45.45 60.29 80.57 92.24 116.41 32.89
Nash-Sutcliffe 0.9858 0.9559 0.9225 0.8616 0.8185 0.7110 0.1013
Media 160.28 159.51 159.78 160.34 161.64 162.09 1.03
DEs 216.21 217.95 219.67 226.07 229.10 239.75 8.84
ARX-DKF RMSE 26.07 44.11 59.70 72.60 83.23 91.65 24.71
Nash-Sutcliffe 0.9855 0.9586 0.9243 0.8882 0.8532 0.8222 0.0625
Media 163.32 165.27 166.79 168.01 169.71 170.52 2.72
DEs 219.90 222.08 224.70 226.56 228.20 228.34 3.42

RMSE

raíz del error cuadrático medio

Nash-Sutcliffe

índice de Nash

Media

promedio

DEs

desviación estándar en cada serie pronosticada

DEp

desviación estándar entre los seis pasos por cada algoritmo

El promedio y desviación estándar de la serie observada son 160.95 y 216.67, respectivamente.

La implementación del modelo ARX(1,1) y el modelo ARX-DKF con actualización recursiva obtienen similares resultados debido a que los parámetros de ARX se multiplican por los valores de caudal en el tiempo k, operación que se ejecuta de manera matricial dentro de la ecuación de pronóstico de estado del algoritmo del DKF. Los resultados que se presentan se refieren únicamente al modelo ARX-DKF.

Para el paso L = 1, los algoritmos con filtro de Kalman generan pronósticos con coeficientes de Nash-Sutcliffe (NS) superiores a 0.9855, que es ligeramente mejor a lo encontrado en los pronósticos de los caudales en la presa Ángel Albino Corzo (NS = 0.9774) (Morales-Velázquez et al., 2014). Sin embargo, a medida que el paso L se hace más grande, se presentan diferencias crecientes entre los algoritmos. El DKF se mantiene con el mejor ajuste, seguido del EnKF y ARX-DKF y, por último, la integración DKF-EnKF con un descenso pronunciado hasta 0.7110 en el paso L=6 (Tabla 1). El RMSE se puede interpretar con unidades en m3/s y presenta un comportamiento de ajuste similar al evidenciado por NS. Tanto NS como RMSE demuestran que el menor error se logra con DKF seguido de EnKF, ARX-DKF, y DKF-EnKF. En términos de NS y RMSE, se puede advertir que los algoritmos DKF y EnKF generan pronósticos con mejor ajuste respecto al modelo ARX-DKF; además, el empleo del DKF no requiere de largos tramos de serie para el entrenamiento, lo que brinda mayor simplicidad del modelo.

De acuerdo con el resumen estadístico de la Tabla 1, la media y la desviación estándar en los seis pasos tienden a sobreestimarse con diferentes magnitudes respecto a la serie observada. La mayor estabilidad de la media la tiene el algoritmo de EnKF con desviación estándar (DEp) de 0.38, con leve diferencia con DKF, que tiene desviación de 0.45 entre los seis pasos, mientras que ARX-DKF y DKF-EnKF tienen mayor desviación estándar de 1.03 y 2.72, respectivamente. Por otra parte, la dispersión representada por la desviación estándar entre las series pronosticadas (DEp) confirma que EnKF guarda mayor similitud con la serie observada en los seis pasos. El aparente mejor ajuste de los pronósticos de EnKF se debe al efecto de desplazamiento respecto a la observada sin mayor cambio en los picos máximos o mínimos de tal manera que no hay efecto notable en la media y desviación estándar.

Las diferencias entre los pronósticos generados se hacen notables de forma gráfica, y para una comparación detallada en la Figura 5 y Figura 6 se presentan dos avenidas a diferentes pasos.

Figura 5 Caudal observado y pronosticado con DKF, ENKF y DKF-EnKF (avenida del 4/9/2017 16:00 h al 8/9/2017 20:00 h).  

Figura 6 Caudal observado y pronosticado con DKF, En KF y DKF-EnKF (avenida del 23/09/17 10:00 h al 28/09/17 00:00 h). 

Los pronósticos para el tiempo k+L se desplazan a un valor similar a L debido a que la actualización incorpora la última medición correspondiente al tiempo k; en otras palabras, a mayor distancia entre el conjunto de datos medido y el momento k+L pronosticado se obtiene disminución progresiva del ajuste entre el paso L=1 a L=6, y se manifiesta como desplazamiento de la serie pronosticada sobre la serie observada. No obstante, en el evento mostrado en la Figura 6, en el pronóstico generado por DKF y ARX el desplazamiento es casi nulo; esto se debe a que el retraso entre el pico del 25/09/2017 18:00 en la estación Platanitos y el pico del 26/09/17 02:00 en la estación Chapalagana es de ocho horas. Es decir, DKF estima y actualiza el hidrograma unitario instantáneo (HUI) con base en registros de caudal de la estación Platanitos del tiempo actual (k), que en la estación Chapalagana se mostrarán ocho horas después, como consecuencia del tiempo de concentración. La proximidad del tamaño del retraso y el paso L=6 permite que la actualización se haga con registros correlacionados, disminuyendo el desplazamiento y dando mejor ajuste en el pico máximo. Por su parte, ARX genera el pronóstico con similar ajuste que DKF, pero con un segmento de serie de mayor extensión, es decir, el modelo DKF representa mayor sencillez para implementarlo.

Por otra parte, los algoritmos de EnKF y DKF-EnKF no obtienen mejoras debido a que EnKF hace estimaciones de escalares y no se incluye el retraso entre series. A diferencia de DKF, el pronóstico generado por DKF-EnKF se invierte de tal forma que genera un pico mínimo (hora 1311, 25/09/2017 23:00), que se debe a la actualización con el pico máximo de caudal que presenta la estación Platanitos (hora 1306, 25/09/2017 18:00) y que el algoritmo de EnKF trata de corregir. Una posible adecuación es la implementación de EnKF para la estimación de estados en lugar de escalares que también puede agregar capacidad para tratamiento de no linealidad además de la integración del filtro de Kalman con modelos de simulación distribuidos, como lo proponen Rafieeinasab et al. (2014). En realidad, para modelar en Kalman, simplifica los parámetros que incluye el modelo distribuido Sacramento Soil Moisturing Accounting (SAC) y al final compara sus filtros de Kalman de conjuntos con los resultados de ese modelo. El trabajo de Rafieeinasab et al. (2014) es muy interesante desde dos puntos de vista: 1) el trabajo compara dos filtros de Kalman de conjuntos, el sencillo (ENKF) y el de máxima verosimilitud (MELF); 2) considera todo un sistema que relaciona pronóstico de caudales con humedad del suelo y dicha humedad está vista desde un balance que considera una lluvia media en la cuenca, una evaporación potencial media en la cuenca. Desde el punto de vista conceptual, nuestro modelo es más sencillo, porque sólo realiza la asimilación de datos de los caudales medidos. Sin embargo, una crítica constructiva a sus resultados es la siguiente: su cuenca es pequeña (435 km2) comparada con nuestra cuenca (12 076 km2). El orden del tamaño de sus caudales es pequeño (entre 100 y 200 m3/s), pero su error (RSME) es muy alto, pudiendo llegar a ser de 45 m3/s. En nuestro trabajo, los caudales son del orden de 200 a 1 100 m3/s y sin embargo el máximo RSME es 116 m3/s en el peor caso.

Los pronósticos pueden alcanzar mejor ajuste con la incorporación dinámica del tiempo de retraso entre series, tratamiento de variables con distintos tipos de observación y proporciones (Meng et al., 2017), e incorporación de las variables que afectan el tiempo de retraso, como la ubicación y dirección de los eventos de precipitación, y la condición de humedad antecedente del suelo de la cuenca. La precipitación, presión atmosférica, temperatura y humedad relativa son variables que pueden ayudar a tener mejores ajustes en el pronóstico. Asimismo, dado que los caudales que se miden en la parte alta de la cuenca son proporcionalmente menores debido a la menor área de captación disponible, es conveniente incluir en el modelo parámetros que ayuden a equiparar las magnitudes de los caudales. Además, es determinante tener registros de estaciones meteorológicas distribuidas en el área de la cuenca para definir y actualizar la función de respuesta de la cuenca (HUI) (González-Leiva et al., 2015).

La dispersión entre la serie observada y las series pronosticadas (Figura 7) muestran similitud entre los algoritmos. A medida que se aumenta L, el valor de la pendiente (en la ecuación lineal, Figura 7) va disminuyendo, es decir, que en general los valores pronosticados son subestimados respecto al valor observado.

Figura 7 Caudales observados versus pronosticados. 

Cuando L=1, el ajuste lineal entre los valores observados y pronosticados tiene el coeficiente de determinación de 0.99, que es el más alto y similar entre los cuatro algoritmos (Tabla 2). En los pasos L=2 en adelante, la dispersión aumenta debido al distanciamiento del conjunto de datos utilizado para el pronóstico. El DKF mantiene el mejor ajuste en los seis pasos, con marcada similitud con EnKF hasta L=3. Cuando L=6 DKF tiene el coeficiente de determinación de 0.88, que es el más alto. El comportamiento del ajuste lineal es congruente con el valor de NS mostrado en la Tabla 1. Los puntos alejados de la línea central corresponden a pronósticos donde el caudal de la estación Chapalagana presenta cambios bruscos para conformar una avenida. Dichos puntos generan pronósticos con magnitudes atípicas. En las horas k=813 y k=814 se presentan las mayores desviaciones respecto al valor observado y equivalen a la etapa inicial de conformación de la avenida que se muestra en la Figura 5.

Tabla 2 Coeficientes de determinación del caudal observado contra los pronosticados. 

L1 L2 L3 L4 L5 L6
DKF 0.99 0.97 0.95 0.93 0.90 0.88
EnKF 0.99 0.96 0.94 0.91 0.88 0.84
DKF-EnKF 0.99 0.96 0.93 0.87 0.84 0.76
ARX-DKF 0.99 0.96 0.93 0.90 0.87 0.84

A fin de verificar la normalidad de los residuales generados a partir de los pronósticos del DKF, EnKF y DKF-EnKF, en la Figura 8 se muestran los histogramas y el ajuste de la curva normal para cada algoritmo en los diferentes pasos. Es importante considerar que es ideal que los residuales tengan distribución normal, pero en pocos casos se obtiene así, por tanto se admite una aproximación (Chatfield, 2001).

Figura 8 Histograma de residuales del DKF. 

Se puede notar distribución simétrica con mayor concentración de pronósticos en la parte central. En el rango entre -0.4 y 0.4 de los residuales estandarizados, L = 1 agrupa entre 86.03 y 87.3 % y en L = 6 se agrupan entre el 56.67 y 63.02 % del total de las estimaciones. Suponiendo que se tiene distribución normal aproximada en los residuales, se hizo la estandarización para determinar la presencia de valores atípicos mayores y menores a dos desviaciones estándar a partir del cero. En la Figura 9 se agrupan los residuales estandarizados para 1 y 6 pasos, resultado de los pronósticos realizados con DKF, EnKF y DKF-EnKF. Los valores atípicos se ubican en los ascensos y descensos de los picos, y se muestran como puntos rojos en la Figura 5 y Figura 6. En concordancia con los índices estadísticos de la Tabla 1, a medida que el paso L se hace más grande, los valores atípicos tienen mayor frecuencia. En el paso L=1 se presenta similitud que se va distorsionando hasta tener un rango de 55 entre DKF y DKF-EnKF en el paso L=6.

Figura 9 Residuales estandarizados. 

La presencia de datos atípicos está estrechamente relacionada con el nivel de ajuste. Como se muestra en la Tabla 3, DKF presenta la menor cantidad de valores atípicos asociados con la capacidad que tienen para gestionar los retrasos entre las series (Tabla 1). Por el contrario, DKF-EnKF, con excepción del paso L=1, tiene la mayor presencia de valores atípicos debido a la aplicación de ganancia por el DKF y en secuencia por el EnKF que proyecta de forma ampliada los cambios bruscos en el caudal; asimismo, el pico mínimo que se muestra en la Figura 7 favorece al aumento de valores atípicos.

Tabla 3 Cantidad de valores atípicos por algoritmo y paso. 

L1 L2 L3 L4 L5 L6
DKF 13 41 63 84 96 112
1.03 % 3.25 % 5.00 % 6.67 % 7.62 % 8.89 %
EnKF 15 41 70 99 112 143
1.19 % 3.25 % 5.56 % 7.86 % 8.89 % 11.35 %
DKF-EnKF 14 46 66 105 132 167
1.11 % 3.65 % 5.24 % 8.33 % 10.48 % 13.25 %
ARX-DKF 15 42 62 87 107 137
1.19 % 3.33 % 4.92 % 6.90 % 8.49 % 10.87 %

Conclusiones

El DKF obtiene el mejor ajuste debido a la estimación de estados que permite el aprovechamiento del retraso entre series como base para la actualización. El EnKF estima valores escalares y genera suavizado con efecto de desplazamiento, que mantiene estables la media y la desviación estándar, pero con ajuste inferior al DKF. De esta manera, la utilización del DKF donde se incorpore de forma recursiva el tiempo de retraso para actualización puede mejorar ajuste en los picos, además, la simplicidad para programar y operar el DKF los hace viables para pronóstico de caudales a corto plazo. El pronóstico de caudales horarios, con todos los filtros de Kalman analizados, es muy bueno con coeficientes de Nash-Sutcliffe muy altos y errores bajos medidos como RSME.

Para mejorar el ajuste de los pronósticos es importante adelantar trabajos de investigación donde se incluya la actualización recursiva del tiempo de retraso entre las series de diferentes estaciones teniendo en cuenta que se presentan variaciones a lo largo del tiempo. Además, se pueden evaluar los pronósticos con tamaños de paso de varias horas, por ejemplo, agrupar seis horas mediante valores como la media o máximo, a fin de que cada paso equivalga a seis horas y un pronóstico a seis pasos equivalga a 36 horas, de esta forma se da más flexibilidad al modelo y se puede ampliar el periodo de pronóstico.

Agradecimientos

A la Comisión Federal de Electricidad por permitir acceso a su base de datos hidrometeorológica a través del sitio web administrado por el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias durante el año 2018.

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Recibido: 19 de Marzo de 2019; Aprobado: 23 de Noviembre de 2020

Laura Alicia Ibáñez-Castillo, libacas@gmail.com

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