基于遙感數(shù)據(jù)的太子河流域洪水預測研究

潘志鋼

基于遙感數(shù)據(jù)的太子河流域洪水預測研究

潘志鋼

（遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000）

文章在綜合了以往研究采用的氣象水文資料和遙感數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，總結(jié)了如何計算小水庫的攔洪量。將遙感數(shù)據(jù)信息作為研究依據(jù)，提取實際勘測的小水庫庫容數(shù)據(jù)和水面信息，并將不同類別、不同坡度的子流域作為計算的最小單位，對各個小水庫塘壩面積和庫容的相關(guān)性進行模擬。然后依據(jù)兩景遙感數(shù)據(jù)（包含洪水時段），分析出相應(yīng)的水域面積，發(fā)現(xiàn)該時間段內(nèi)蒸發(fā)和降雨的情況是如何改變的，以此推算小水庫逐日水面的大小以及庫容的變化情況，最后計算出小水庫塘壩的攔洪量，本研究對于校正原來的洪水預測方案有重要意義。

人類活動；流域；洪水預測；遙感

洪水預測是大型水庫開展調(diào)度的首要工作。水庫建成后，由于其上游流域后期實施了一些水利工程，導致改變了徑流過程，如果洪水預測模型沒有及時地反映這種改變，預測模型的精確度就不能達到要求［1-5］。如果預測前長時間沒有下雨，降水后上游的中小水庫、塘壩等會攔截大部分的地表徑流，使得預測的水庫洪量和蓄水量數(shù)據(jù)都比實際的要大，這會降低水庫的供水能力，進而干擾其發(fā)電作用；但是如果預測前的降水較多，再有大雨發(fā)生時，潰壩或者泄流的事故就很可能在這些小型水利工程（如塘壩）中發(fā)生，導致預測的洪量遠遠不夠，水庫的防洪調(diào)度比較被動，威脅到水庫的安全［6-9］。所以，在該流域進行預測洪水的發(fā)生時，應(yīng)當將人工干預建設(shè)的中、小型水利工程進行泄洪或攔洪的情況考慮在內(nèi)。相對于中型水庫來說，小水庫塘壩分布更加廣泛、數(shù)量眾多，水庫運行的數(shù)據(jù)資料更難以掌握，所以本研究將小水庫塘壩作為重點研究對象。

本研究基于美國陸地資源衛(wèi)星Landsat的TM/ETM+尼的遙感數(shù)據(jù)資料，借鑒了已有的研究成果，提出了針對流域內(nèi)小水庫塘壩攔洪的計算方法，該方法可在對受影響的大型水庫進行洪水預測時提供可靠的數(shù)據(jù)［10-12］。該方法的原理為：首先，依據(jù)水庫的運行數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)，描述庫容和水域面積之間的關(guān)系；然后在降水的蒸發(fā)資料的基礎(chǔ)上得出小水庫塘壩的庫容發(fā)生了什么變化，求出相應(yīng)洪水時段的攔洪量；最后，將大中型水庫實際勘測到的攔洪量與前述攔洪量相加，來校正原來的洪水預測模型。

1 流域內(nèi)的水利工程概況

本文以太子河流域為研究案例，太子河流域的總面積為1.38×105km2，河長為415km，其年平均徑流量37.8×106km2，該河流的水系發(fā)達，支流比較多。共有兩支源頭，其中本溪縣東營坊鄉(xiāng)羊湖溝草帽頂子山麓為南支的發(fā)源地，新賓縣平頂山鄉(xiāng)紅石粒子為北支的發(fā)源地，在本溪縣的下崴子進行匯合后形成太子河的干流部分，經(jīng)過遼寧的三個地方（分別為鞍山、本溪、遼陽），和渾河匯流的地方為三岔河周邊。太子河的支流主要包括細河、南支、湯河、蘭河、北沙河、運糧河、柳壕河、海城河以及南沙河9條，除1條外其他的支流均成為了納污河。太子河屬于高度受控河流，過去近50年為了滿足灌溉、供水、防洪、水力發(fā)電等要求，該流域的水資源進行了高強度的開發(fā)利用。尤其是在1969～1995年近30年的時間里，修建了大量的大壩、水庫等。大型的水庫主要有，建于1995年的觀音閣水庫、建于1972年的參窩水庫以及建于1969年的湯河水庫，這三座大型水庫的庫容之和達到了流域多年平均徑流量的97.2%，興利水庫的庫容占流域多年平均徑流量的60.7%，在該流域多年平均徑流量中，有59.0%的來自于這三個水庫。此外，還有14處攔河閘壩建于干流上，這些閘壩的需水總和為2156萬m3。目前呈現(xiàn)出“兩庫、三段、多閘壩”的調(diào)控結(jié)構(gòu)，其中兩庫指的是參窩水庫和觀音閣水庫，見表1、圖1。

表1 太子河流域大型水庫的特征值

圖1 太子河流域水系示意圖

2 基于遙感數(shù)據(jù)的小水庫塘壩攔洪計算方法

2.1 提取流域的水系

已有的水系提取方法包括NDVI法、DNWI法、譜間關(guān)系差值法、單波段閡值法。本研究對譜間關(guān)系差值法進行了提升并利用，由于水體和山體、灘涂的陰影在TM2和TM3波段上的反射率差距大，在TM4和TM5波段上則反射率的差距小，依據(jù)該原理來區(qū)分水體、山體、灘涂等，然后利用模型增強圖像，最好選用合適的閾值提取水體的信息。下面為具體算法：

式中，k2—提取水體的閾值，k2∈［1，2］，各個遙感數(shù)據(jù)發(fā)送了可能是不一樣的輻射能量，所以在確定不同時相k2的值之前，必須參考提取水體的擬合情況，取值介于1.4到1.6之間。

2.2 計算小水庫塘壩的攔洪量

以林波波河流域的8個小水庫為研究對象，國外學者Sawunyama研究出小水庫入流的計算方法，并按照該途徑分析了這幾個水庫的入流情況。針對研究對象太子河流域，本文完善了該計算方法，新的方法在推算整個流域小水庫塘壩的攔洪量時，可以不將小水庫塘壩的準確坐標考慮在內(nèi)，具體方法如下。

（1）獲得汛期質(zhì)量較高的兩景遙感數(shù)據(jù)，計算時段為數(shù)據(jù)的間隔時段；

（2）將子流域或水庫作為計算的基本單位。驗證該方法時選取的小水庫要有詳細數(shù)據(jù)，推算小水庫塘壩的攔洪量時選擇的是子流域；

（3）以計算單位為對象，比較兩組遙感數(shù)據(jù)提取的水域面積，假定前期的水域面積是Ares，τ-n，后期的水域面積是 Ares，τ。 如果 Ares，τ＞Ares，τ-n， 意味著時段內(nèi)計算單位能夠攔蓄洪水，否則意味著水庫處在泄洪狀態(tài)。公式中的n代表遙感兩組遙感數(shù)據(jù)相隔的時間跨度，τ與τ-n代表獲得這兩組數(shù)據(jù)的時間點；

（4）計算時段內(nèi)各個子流域逐日水面的大小。

如果 Ares，τ＞Ares，τ-n， 那么：

式中，Ares，i—第 i日水域面積， i∈ ［1，n］ ， N—達到wetdays判定條件的總天數(shù)。wetdays的判定條件為：

如果 Ares，τ＜Ares，τ-n， 那么：

（5）依據(jù)面積和庫容的相關(guān)性，得出各個子流域每天的庫容量，與相應(yīng)洪水發(fā)生時的庫容變化情況進行對比，進而求出各個計算單位的攔洪數(shù)據(jù)。

3 分析并應(yīng)用計算結(jié)果

3.1 劃分小水庫的塘壩的類別

劃分標準為塘壩所處子流域的坡度范圍，共可以分成三類，分類標準和每個類別中有詳細資料小水庫的具體數(shù)量詳見表2。

表2 小水庫塘壩分類標準及有資料小水庫分類結(jié)果

3.2 構(gòu)建各類小水庫塘壩庫容和面積的相關(guān)性

第一步是檢測小水庫數(shù)據(jù)的可靠性，一方面是要檢測實際勘測數(shù)據(jù)資料的可靠性；另一方面是要檢測遙感數(shù)據(jù)的可靠性，該檢測主要是針對云層是如何干擾水面信息的獲取，因為構(gòu)建相關(guān)關(guān)系時需要大量的樣本，但能夠依據(jù)的遙感資料并不多，所以本研究利用了所有搜集到的遙感數(shù)據(jù)，再去掉云層干擾下的水庫水面信息。和大中型的水庫相比，小型水庫由于地區(qū)不同，管理水平和制度等方面差距都比較大，會降低實際勘測運行資料的精確度，而且有些小水庫連場次洪水過程的庫容的變化資料都缺乏完整的。之后在計算各類小水庫庫容和面積的相關(guān)性時，就可以運用檢測到的精確度比較高的數(shù)據(jù)，見表3。

表3 各類小面積和庫容的相關(guān)性

4 驗證小水庫的攔洪量

計算小水庫的攔洪量時，選擇2006年度的為計算對象，因為根據(jù)各個年度的數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)，處在整個的汛期里面的兩景數(shù)據(jù)只有2006年的，并且該年度小水庫的各種資料都比較多，具體的結(jié)果如下表。從表中可知，對于2006年8月26日發(fā)生的洪水，實際勘測到的這些小水庫的攔洪總量是157.9萬m3，求出的攔洪量是159.2萬 m3，相對誤差是-0.13%，絕對誤差為 -0.18萬 m3，模擬的精確度比較高。

表4 小水庫攔洪計算驗證 單位：104m3

5 校正水利工程攔蓄的洪水預測方案

對于2006年8月26日發(fā)生洪水的攔洪量，本研究通過計算攔洪量來調(diào)整原來設(shè)計的洪水預測方案。

5.1 計算水利工程的攔洪量

從已處理的大量遙感資料中，要提取小水庫的詳細水體數(shù)據(jù)，得出塘壩的攔洪量，首先要運用掩膜的方法去掉河流和大型、中型水庫的資料。因為研究對象所處的流域處在四個遙感圖像匯集的地方，整個流域在一個時間段的水域面積不能獲取。所以本文歸納小水庫塘壩的攔洪規(guī)律時，將涵蓋的范圍限定在p118r30軌道所能獲取數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)，然后在整個流域范圍內(nèi)進行應(yīng)用。

研究范圍內(nèi)東豐以上小水庫塘壩的總庫容為2856萬m3，磐石以上小水庫塘壩的總庫容為3682萬m3。根據(jù)公式可求出水文站上游的小水庫塘壩的攔洪量，依據(jù)實際勘測的資料可以計算出大中型水庫的攔洪量?？刂普镜臄r洪比即為攔洪量與總庫容相比的比值，攔洪比的平均值即是整個流域的攔洪比，全部小水庫塘壩的總攔洪量即為這兩者相乘的值。表5為小水庫塘壩攔洪比的平均值，表6為各類水利工程的攔洪量。

表5 小水庫塘壩平均攔洪比計算表

表6 水利工程對20060826洪水的攔洪量 單位：104m3

5.2 校正洪水預測方案

用之前求出的攔洪量來與原來的預測方案進行校正，結(jié)果如表7所示。得知原來的洪水預測方案預測值是2.68億m3，2006年8月26日實際發(fā)生的洪水的總量是2.03億m3，相對誤差為31.6%，可以將相對誤差減少為10.2%，校正后的洪量是2.25億 m3。

表7 編號20060826洪水預測方案的校正數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

本文將傳統(tǒng)的氣象水文數(shù)據(jù)和LandsatTM/ETM+遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，在遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究計算小水庫攔洪量的最佳方法。此方法將小水庫所處流域的空間分布情況、地形地質(zhì)情況、水文條件等因素都考慮在內(nèi)，用101個子流域?qū)φ麄€流域進行切分，按照水面信息與實際勘測到的小水庫庫容信息，將子流域作為計算的基本單位，構(gòu)建起各類子流域的小水庫塘壩面積的庫容關(guān)系。在遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析相應(yīng)的水域面積和相應(yīng)時段內(nèi)蒸發(fā)、降雨產(chǎn)生的影響，以此推演小水庫塘壩逐日水面的大小以及庫容的變化情況，最后計算出小水庫塘壩2006年8月26日發(fā)生的洪水，攔洪量總數(shù)為4289.5萬m3，利用這個數(shù)值校正原來的洪水預測方案，相對誤差在校正后從原來的31.6%下降到10.2%。

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A

1008-1305（2017）05-0037-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.013

2017-03-09

潘志鋼（1985年—），男，工程師。