基于遙感影像的鄱陽(yáng)湖2020年汛期災(zāi)情分析

姚 仕 明，雷 文 韜，渠 庚，柴 朝 暉，欒 華 龍

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

受地理和氣候條件影響，我國(guó)自古以來(lái)洪水災(zāi)害就頻繁發(fā)生[1]。20世紀(jì)80年代前，鄱陽(yáng)湖受自然變化和人類活動(dòng)影響，洪水頻發(fā)，呈現(xiàn)出岸線萎縮、湖容減少等問(wèn)題。1998年大洪水之后，湖區(qū)開展了雙退、單退圩堤工程建設(shè)，湖區(qū)在汛期蓄水面積擴(kuò)大，隨著湖泊治理相關(guān)舉措的實(shí)施，情況得到逐步改善[2-4]。然而，近年來(lái)受氣候變化、地質(zhì)條件等影響，鄱陽(yáng)湖流域圩堤多次在高洪水位期出現(xiàn)決口險(xiǎn)情，如2016年6月，昌江遭遇超20 a一遇洪水，古縣渡站水位超警戒2.85 m，為當(dāng)時(shí)僅次于1998年和1955年第3高，向陽(yáng)圩出現(xiàn)決口；2020年7月，鄱陽(yáng)湖流域遭遇超歷史大洪水，星子、棠蔭、康山、鄱陽(yáng)站均出現(xiàn)超歷史洪水位，昌江下游中洲圩、問(wèn)桂道圩及修河尾閭?cè)锹?lián)圩等多處出現(xiàn)決口。

遙感技術(shù)能夠遠(yuǎn)距離探測(cè)地物，可用于對(duì)湖泊水面形態(tài)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，具有覆蓋范圍廣、監(jiān)測(cè)頻次高、人力成本低等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于湖泊水文監(jiān)測(cè)[4-6]。因此，利用衛(wèi)星遙感序列開展影像分析可為大范圍湖泊水體的洪災(zāi)監(jiān)測(cè)提供有力支撐。

本文對(duì)1998～2020年鄱陽(yáng)湖汛期4～9月湖口站日均水位序列進(jìn)行水文特征分析；選取2020年6月20日至8月31日Sentinel-1A/B鄱陽(yáng)湖區(qū)范圍內(nèi)SAR影像數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)行波段運(yùn)算，并采用改進(jìn)的SDWI水體指數(shù)法提取水體，對(duì)相鄰兩期遙感影像水體作疊加分析，研究淹沒面積與湖口站對(duì)應(yīng)日均水位的關(guān)系。據(jù)此分析鄱陽(yáng)湖漲退水前后、圩堤決口前后及單退圩堤分蓄洪運(yùn)用前后湖區(qū)整體及典型區(qū)域的水面變化情況。研究可為復(fù)盤2020年汛期鄱陽(yáng)湖洪澇災(zāi)害影響及鄱陽(yáng)湖洪水特性相關(guān)研究提供參考。

1 研究區(qū)域

鄱陽(yáng)湖位于江西省北部，長(zhǎng)江中下游南岸，地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng)115°49′～116°46′、北緯28°24′～29°46′，是中國(guó)第一大淡水湖泊，承納贛江、撫河、信江、饒河、修水5河等支流來(lái)水，經(jīng)調(diào)蓄后由湖口注入長(zhǎng)江，是一個(gè)典型的過(guò)水型、吞吐型、季節(jié)性湖泊。鄱陽(yáng)湖水系流域面積16.22萬(wàn)km2，分別約占江西省國(guó)土面積和長(zhǎng)江流域面積的97.2%和9.0%。根據(jù)相關(guān)實(shí)測(cè)資料，1950～2018年湖口站多年平均徑流量為1 512億m3，約占大通站徑流量的16.9%。鄱陽(yáng)湖是長(zhǎng)江中下游洪水的重要調(diào)蓄場(chǎng)所，是長(zhǎng)江下游水資源的重要來(lái)源，同時(shí)也是長(zhǎng)江流域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在長(zhǎng)江流域保護(hù)、治理中占有十分重要的地位。

2020年汛期7～8月，贛江、撫河及信江尾閭重點(diǎn)圩堤內(nèi)底水一直居高不下，局部因外江水位較高出現(xiàn)脫坡險(xiǎn)情，但并未決口，而結(jié)合衛(wèi)星遙感影像發(fā)現(xiàn)，博陽(yáng)河、西河、潼津河等入湖支流兩岸局部區(qū)域受淹較為嚴(yán)重。本文最大限度刨除內(nèi)澇區(qū)域?qū)蛾?yáng)湖整體淹沒面積分析結(jié)果的影響，選定研究區(qū)如圖1所示，其面積約5 390 km2，范圍界限見表1。

表1 研究區(qū)范圍Tab.1 Boundaries of study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù) 據(jù)

湖口站是國(guó)家一類水文站，位于鄱陽(yáng)湖入江水道，是出口控制站，測(cè)驗(yàn)內(nèi)容包括水位、流量、懸移質(zhì)泥沙、床沙等，其中流量可反映鄱陽(yáng)湖出湖徑流量及汛期極端時(shí)期長(zhǎng)江倒灌水量，水位同時(shí)受鄱陽(yáng)湖和長(zhǎng)江干流影響，在長(zhǎng)江主汛期常受干流頂托作用[7-9]。本文收集了1998～2020年鄱陽(yáng)湖汛期4～9月湖口站日均水位資料，統(tǒng)一采用吳淞高程基面，主要來(lái)源于《長(zhǎng)江流域水文資料》及湖北省水文水資源中心湖北省常用水情報(bào)表。

Sentinel-1衛(wèi)星是歐洲航天局哥白尼計(jì)劃中的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，由A、B兩顆衛(wèi)星組成，載有C波段合成孔徑雷達(dá)，可提供連續(xù)圖像(白天、夜晚和各種天氣)的單極化、雙極化數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)空間分辨率均為5 m×20 m，重訪周期為6 d，所有數(shù)據(jù)均可通過(guò)歐洲航天局的數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(https://scihub.copernicus.eu/dhus/)下載。本文收集了2020年6月20日至8月31日鄱陽(yáng)湖區(qū)范圍少云或無(wú)云影像，共計(jì)11 d 15幅Sentinel-1A/B雙衛(wèi)星SAR影像IW模式GRD級(jí)雙極化VV+VH雷達(dá)數(shù)據(jù)，用于2020年汛期鄱陽(yáng)湖水體提取和淹沒區(qū)域?qū)Ρ确治?，具體影像信息見表2。

圖1 研究區(qū)域示意(2020年汛期Landsat標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像)Fig.1 Sketch of study area (based on Landsat standard false color images acquired during 2020 flood season)

表2 研究采用的Sentinel-1遙感影像信息Tab.2 Information of collected Sentinel-1 images

2.2 研究方法

本文采用常規(guī)的Sentinel-1衛(wèi)星GRD數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，利用歐洲航天局提供的免費(fèi)SNAP軟件根據(jù)研究區(qū)范圍(ROI)進(jìn)行影像裁剪(Subset)，然后依次進(jìn)行包括熱噪聲去除(S-1 Thermal Noise)、輻射定標(biāo)(Calibrate)、多視(Multilooking)、濾波(Single Product Speckle Filter)、地形校正(Doppler Terrain Correction)和分貝化(Converts bands to/from dB)等處理，具體步驟方法見黃萍等[10]的相關(guān)研究。

針對(duì)預(yù)處理后的影像數(shù)據(jù)，需采用相關(guān)方法提取水體。已有關(guān)于遙感影像提取水體方法的研究較多，包括水體指數(shù)法、密度分割法、決策樹法、譜間關(guān)系分析法等[4,10-13]。本文參考賈詩(shī)超等[13]提出的基于Sentinel-1雙極化數(shù)據(jù)SDWI水體信息提取方法，根據(jù)提取鄱陽(yáng)湖水體直方圖雙峰閾值，結(jié)合水體在實(shí)際遙感影像上的分布，提出用于鄱陽(yáng)湖水體提取的改進(jìn)公式：

ISDWI=ln(10×VV×VH)-3

(1)

式中:ISDWI為水體指數(shù)，一般當(dāng)其大于0時(shí)對(duì)應(yīng)像元為水體，小于0時(shí)為非水體；VV、VH為Sentinel-1數(shù)據(jù)的兩個(gè)波段。通過(guò)對(duì)收集的鄱陽(yáng)湖遙感影像序列提取對(duì)比，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)不同影像水體提取閾值ISDWI在0.49～0.60之間。圖2所示為2020年8月1日Sentinel-1影像經(jīng)預(yù)處理和SDWI指數(shù)波段計(jì)算后的像素值直方圖，可以明顯看到直方圖呈雙峰形態(tài)，根據(jù)雙峰分界處對(duì)應(yīng)像素閾值ISDWI=0.58可提取其右側(cè)區(qū)域作為水體。

基于以上方法，在SNAP中進(jìn)行波段計(jì)算(Band Maths)，得到本次研究時(shí)段內(nèi)的水體影像序列，據(jù)此建立水位-面積關(guān)系曲線。最后，將相鄰時(shí)間兩景水體影像數(shù)據(jù)作空間疊加處理，分別針對(duì)本次研究時(shí)段漲水期和退水期分析水體面積時(shí)空變化特征。

圖2 像素值頻次分布直方圖(2020年8月1日SDWI指數(shù)影像)Fig.2 Frequency distribution histogram of pixel value (based on SDWI image in 1 August 2020)

3 水位特征分析

本文前期利用1956～2012年鄱陽(yáng)湖汛期4～9月湖口站日均水位序列，對(duì)鄱陽(yáng)湖汛期水位特性進(jìn)行了分析[14]。采用箱線圖分析表明，湖口站4～9月平均水位為15.40[15.34，15.47]m(括號(hào)內(nèi)為95%置信區(qū)間，下同)，各月平均水位分別為12.03[11.92,12.15]m、14.07[13.95,14.19]m、15.85[15.74,15.96]m、17.81[17.70,17.92]m、16.79[16.67,16.91]m和15.80[15.67,15.92]m，其中7，8月為湖口站汛期水位最高的兩個(gè)月份，且在汛期該時(shí)段內(nèi)鄱陽(yáng)湖入江水道各站月平均水位呈現(xiàn)倒比降，即水位表現(xiàn)為湖口>星子>都昌；采用Morlet小波分析法研究表明，湖口站汛期4～9月平均水位具有3個(gè)典型周期性變化尺度，其中35 a為第1主周期、11 a為第2主周期、5 a為第3主周期。

利用1998～2020年鄱陽(yáng)湖汛期4～9月湖口站日均水位序列，分析比較2020年與1998年汛期月均水位特征值(見表3)?？梢钥闯?，2020年湖口站汛期5，6月月均水位較往年相對(duì)偏低，而4月及7～9月明顯高于1998～2020年平均值，其中7～9月分別高于平均值3.20，3.06 m和2.85 m。進(jìn)一步選取7～9月平均水位繪制1998～2020年7～9月平均水位變化見圖3。結(jié)果表明，2020年汛期7～9月湖口站平均水位為19.55 m，較1998～2020年7～9月平均水位高3.03 m，為1998～2020年第3高水位值，也是20 a以來(lái)最高值。

根據(jù)以上湖口站水位序列分析可以看出，在2020年氣象水文年景偏差、極端事件偏多的背景下，就湖口站汛期平均水位而言，2020年鄱陽(yáng)湖經(jīng)歷了20 a來(lái)最大洪水，但鄱陽(yáng)湖區(qū)多個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)超歷史洪水位表明2020年鄱陽(yáng)湖遭遇了歷史洪水，截至9月1日，共造成江西省903.7萬(wàn)人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失超344.3億元[15]。

需要說(shuō)明的是，2020年汛期湖口站日均水位最高為7月13日的22.43 m，限于收集到距該日期最近為7月14日的遙感像影，本次研究以7月14日劃分漲水期為6月20日至7月14日，退水期為7月14日至8月31日。

表3 1998～2020年汛期4～9月湖口站月均水位特征值Tab.3 Characteristics of monthly-averaged water level (WL) in April-September during 1998-2020 at the Hukou Station (HKS) m

4 遙感影像分析

4.1 水體面積與水位關(guān)系

表4給出了研究時(shí)段2020年6月20日至8月31日湖口站日均水位與研究區(qū)水體面積統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯?，遙感影像對(duì)應(yīng)日期的湖口站最高日均水位為22.31 m(2020年7月14日)，研究區(qū)水體面積最大約3 731.00 km2、占研究區(qū)總面積的69.2%；漲水期湖口站日均水位為15.70～22.31 m，對(duì)應(yīng)水體面積為2 487.17～3 731.00 km2、占研究區(qū)總面積的46.1%～69.2%；退水期湖口站日均水位為22.31～19.01 m，對(duì)應(yīng)水體面積為3 731.00～3 432.06 km2，占研究區(qū)總面積的69.2%～63.7%。受鄱陽(yáng)湖流域持續(xù)降雨、長(zhǎng)江干流洪水頂托等因素影響，湖口站水位和研究區(qū)水體面積均反映出2020年汛期鄱陽(yáng)湖區(qū)洪水陡漲緩落的特點(diǎn)。

圖3 1998～2020年湖口站7～9月平均水位變化Fig.3 Curve of average water level during July to September of 1998～2020 at the HKS

表4 湖口站日均水位與研究區(qū)水體面積統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of the daily-averaged WL at the HKS and water area within the study region

研究區(qū)水體面積變化與湖口站日均水位變化見圖4，進(jìn)一步繪制水位-面積關(guān)系曲線如圖5所示?？梢钥闯鲈诖似陂g，研究區(qū)水體面積變化與湖口站水位變化具有明顯的跟隨性，且水體面積A與水位h具有良好的相關(guān)關(guān)系(R2=0.903)，得到一個(gè)對(duì)數(shù)形式的關(guān)系式h=14.223ln(A)-95.703。

4.2 水體面積時(shí)空變化

本次研究時(shí)段漲水期共收集到5景影像，對(duì)相鄰時(shí)間水體影像作空間疊加處理后，得到4個(gè)漲水時(shí)段(即6月20～26日、6月26日至7月2日、7月2～8日和7月8～14日)對(duì)應(yīng)的水面擴(kuò)大區(qū)域，最后疊加在一起得到漲水區(qū)域時(shí)空分布圖見圖6。同樣地，針對(duì)退水期收集的7景相鄰時(shí)間水體影像作空間疊加處理得到6個(gè)退水時(shí)段(即7月14～20日、7月20～26日、7月26日至8月1日、8月1～7日、8月7～19日和8月19～31日)對(duì)應(yīng)的水面縮小區(qū)域，疊加后可以得到退水區(qū)域時(shí)空分布。分析圖6可以得到以下幾點(diǎn)主要認(rèn)識(shí)。

圖4 研究區(qū)水體面積變化與湖口站日均水位過(guò)程Fig.4 Change curves of the water area within the study region and daily-averaged WL at the HKS

圖5 湖口站日均水位-研究區(qū)水體面積關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between the daily-averaged WL at the HKS and water area within the study region

(1) 中洲圩、問(wèn)桂道圩這2座萬(wàn)畝圩堤分別于7月8日、7月9日發(fā)生決口，圖6所示這兩處圩堤于7月8～14日間出現(xiàn)大范圍淹沒區(qū)域(紅色)與實(shí)際情況一致。修河尾閭?cè)锹?lián)圩于7月12日發(fā)生決口，圖6所示該圩堤北部在7月8日已存在較大范圍內(nèi)澇底水(綠色區(qū)域)，至7月14日出現(xiàn)大范圍淹沒區(qū)域(紅色)，也與實(shí)際情況一致。

(2) 周溪圩和蓮北圩均為萬(wàn)畝圩堤，被列入2020年汛期鄱陽(yáng)湖分蓄洪運(yùn)用的185座單退圩堤之中，在本次研究時(shí)段內(nèi)放棄保圩，開閘分蓄洪水，從圖6可以看出，在7月8～14日間均出現(xiàn)大范圍淹沒區(qū)域(紅色)。

(3) 鄱陽(yáng)湖在水位較低時(shí)五河尾閭?cè)侵蕹雎叮恢饕性诤柚胁?，因此汛期漲水時(shí)水體逐漸淹沒高程相對(duì)較高的五河尾閭?？梢钥闯?，本次研究區(qū)贛江尾閭、修河尾閭?cè)侵拊?月20～26日(藍(lán)色區(qū)域)、6月26日至7月2日(黃色區(qū)域)和7月2～8日(綠色區(qū)域)經(jīng)歷了明顯的漲水淹沒過(guò)程；7月8～14日，隨著湖區(qū)水位上升，對(duì)入湖支流的頂托作用也逐漸顯現(xiàn)，在持續(xù)降雨和湖區(qū)高水位作用下，各支流尾閭至下游地區(qū)逐漸出現(xiàn)較明顯的淹沒區(qū)域(紅色)。

圖6 研究區(qū)漲水區(qū)域時(shí)空分布Fig.6 Temporal and spatial distribution of the inundated area withinthe study area during the rising flood period

4.3 關(guān)于2020年鄱陽(yáng)湖洪災(zāi)的思考

經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，長(zhǎng)江中下游基本形成了以堤防為基礎(chǔ)，三峽水庫(kù)為骨干，其它干支流水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)、河道整治工程、平垸行洪、退田還湖等相配合的防洪工程體系。2020年汛期，在水利部的正確領(lǐng)導(dǎo)和統(tǒng)一指揮下，長(zhǎng)江水利委員會(huì)精準(zhǔn)科學(xué)調(diào)度以三峽為核心的長(zhǎng)江中上游控制性水庫(kù)群，積極實(shí)施洲灘民垸、排澇閘站、蓄滯洪區(qū)等聯(lián)合調(diào)度，有力應(yīng)對(duì)了三峽建庫(kù)以來(lái)長(zhǎng)江最大流域性大洪水，長(zhǎng)江中上游控制性水庫(kù)群共攔蓄洪量約500億m3。在應(yīng)對(duì)長(zhǎng)江1號(hào)洪水中，降低城陵磯江段洪峰水位約0.8 m、漢口江段洪峰水位約0.5 m、湖口江段洪峰水位約0.2 m，避免了城陵磯、湖口附近蓄滯洪區(qū)運(yùn)用[16]。

2020年汛期，湖口站最高水位達(dá)22.49 m，距保證水位僅0.01 m，避免了鄱陽(yáng)湖康山、珠湖、黃湖和方洲斜塘這4個(gè)蓄滯洪區(qū)的運(yùn)用。這得益于以三峽為核心的長(zhǎng)江中上游控制性水庫(kù)群精準(zhǔn)聯(lián)合調(diào)度，減輕了長(zhǎng)江干流對(duì)湖口水位的頂托壓力；同樣也離不開鄱陽(yáng)湖185座單退圩堤的棄圩分蓄洪運(yùn)用，根據(jù)江西省防汛抗旱指揮部測(cè)算，截至7月15日，進(jìn)洪量總計(jì)達(dá)24億m3，降低湖區(qū)水位0.25～0.30 m。

上饒市鄱陽(yáng)縣是2020年汛期鄱陽(yáng)湖受災(zāi)最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，其境內(nèi)有臨樂(lè)安河、昌江、饒河、西河、潼津河等主要支流，全縣46座圩堤中5萬(wàn)畝(3 333 hm2)以上重點(diǎn)圩堤有6座、1～5萬(wàn)畝圩堤9座、其余31座均為1萬(wàn)畝(666 hm2)以下圩堤。截至7月13日，僅8座未發(fā)生漫頂或決口險(xiǎn)情，包括6座5萬(wàn)畝以上重點(diǎn)圩堤和碗子圩、向紅連圩2座1～5萬(wàn)畝圩堤。鄱陽(yáng)湖一般圩堤防洪標(biāo)準(zhǔn)最高在湖盆區(qū)，以防御相應(yīng)于1954年湖口站21.68 m的洪水位，以防御相應(yīng)各河10 a一遇洪水位。在此情況下，鄱陽(yáng)縣40座一般圩堤難以防御2020年遭遇的超歷史洪水。

此外，受多方因素影響，鄱陽(yáng)湖4個(gè)蓄滯洪區(qū)尚未完成安全建設(shè)工程。康山蓄滯洪區(qū)已列入國(guó)家2020～2022年150項(xiàng)重大水利建設(shè)項(xiàng)目，主要建設(shè)內(nèi)容包括：安全區(qū)圍堤及涵閘建設(shè)、順堤安全臺(tái)建設(shè)、分洪轉(zhuǎn)移道路建設(shè)、分洪閘建設(shè)、隔堤加高加固及穿堤建筑物拆除重建等。鄱陽(yáng)湖蓄滯洪區(qū)安全建設(shè)工程的實(shí)施能夠?yàn)榻窈筵蛾?yáng)湖遭遇重大洪水時(shí)分蓄洪運(yùn)用、降低鄱陽(yáng)湖洪澇災(zāi)害影響創(chuàng)造有利條件。

5 結(jié) 論

本文分析了湖口站1998～2020年汛期4～9月水位特征，改進(jìn)了已有的SDWI水體指數(shù)法用于提取鄱陽(yáng)湖2020年汛期6月20日至8月31日Sentinel-1衛(wèi)星遙感影像。在基礎(chǔ)上研究了鄱陽(yáng)湖研究區(qū)內(nèi)水體面積與湖口站日均水位關(guān)系，建立了研究區(qū)水位-面積相關(guān)關(guān)系式(R2=0.903)，并通過(guò)空間疊加處理分析了研究區(qū)漲水期水體面積時(shí)空變化情況。最后針對(duì)鄱陽(yáng)湖2020年汛期災(zāi)情特點(diǎn)，初步分析了湖口站未超保證水位、避免湖口附近蓄滯洪區(qū)運(yùn)用的防洪成效，是長(zhǎng)江流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度和鄱陽(yáng)湖運(yùn)用185座單退圩堤分蓄洪水等防洪體系綜合措施的結(jié)果。

說(shuō) 明

本文2020年水文要素的統(tǒng)計(jì)分析源自報(bào)汛數(shù)據(jù)。