2022年江西省樂安河流域超標準洪水遙感監(jiān)測分析

許小華 黃 萍 張秀平 周信文 鄭 璞

（1.江西省水利科學院，南昌 330000；2.江西省鄱陽湖流域生態(tài)水利技術創(chuàng)新中心，南昌 330000）

0 引 言

遙感技術具有宏觀、快速、經(jīng)濟等特點，大范圍地表狀態(tài)采集能力強，可為防汛指揮部門提供大量的洪澇地區(qū)基礎信息和洪水淹沒實時信息，成為現(xiàn)代洪水監(jiān)測與評估的重要手段。對于汛情監(jiān)測而言，遙感技術具有監(jiān)測反應快、范圍廣、成本低等優(yōu)點，能夠大幅提高效率[1-3]。基于星載傳感器的航天遙感能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍成像，為汛情監(jiān)測提供全局視角的信息支撐。當前我國衛(wèi)星遙感事業(yè)迅速發(fā)展，能夠應用于洪澇災害遙感監(jiān)測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源日漸增多，如風云系列氣象衛(wèi)星、資源系列衛(wèi)星、北京一號小衛(wèi)星、環(huán)境減災小衛(wèi)星等。

我國學者在利用遙感技術監(jiān)測洪澇災害方面做了諸多研究，如段秋亞等[4]分別采用歸一化差分水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）閾值法、支持向量機（Support Vector Machine，SVM）和面向?qū)ο蟮确椒▽蛾柡^(qū)的高分一號（GF-1）影像進行水體信息提取實驗，并根據(jù)提取結(jié)果分析和比較各種方法的優(yōu)勢與不足；朱輝等[5]發(fā)現(xiàn)區(qū)域生長法結(jié)合多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可以快速準確地提取洪澇災害范圍，實現(xiàn)洪澇災害信息的時效性和高頻次監(jiān)測。徐涵秋[6]在NDWI基礎上，提出了改進的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI），并用于不同類型的遙感影像實驗。莫偉華等[7]根據(jù)MODIS傳感器波段特點，構(gòu)建了混合水體指數(shù)（CIWI），實現(xiàn)水體信息快速有效提取，效果和精度均優(yōu)于NDWI和MNDWI的效果和精度等。

以上研究主要利用可見光近紅外波段光譜數(shù)據(jù)進行計算得到水體指數(shù)，確定水體判識閾值從而計算出洪澇淹沒面積，對比災前災后水體范圍變化，對災情特征進行分析。由于降雨過后洪澇淹沒地區(qū)通常被云層覆蓋，可見光近紅外波段的衛(wèi)星傳感器均無法穿透云層，難以及時獲得洪澇信息。微波傳感器不受天氣制約，具有全天候、全天時的數(shù)據(jù)獲取能力，能夠穿云透霧，迅速為災區(qū)提供第一手信息[8]。2016年8月，我國高分三號衛(wèi)星（GF-3）成功發(fā)射并投入使用，改變了目前我國洪水災害遙感監(jiān)測大多基于中、低分辨率遙感影像難以滿足行業(yè)應用精度要求的現(xiàn)狀，也是我國首顆C波段1 m高分辨率合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）遙感衛(wèi)星，能夠為水利、氣象、農(nóng)業(yè)、國土、測繪等部門提供監(jiān)測服務，全面提高行業(yè)應用能力[8-10]。

2022 年6 月，受持續(xù)強降雨影響，江西省樂安河流域遭遇歷史罕見特大暴雨，樂安河虎山站洪峰流量接近50年一遇，造成樂平市發(fā)生嚴重洪澇災害。本文針對2022年樂安河流域洪水災害，利用GF-3數(shù)據(jù)，開展了洪澇災害動態(tài)應急監(jiān)測應用研究，驗證了衛(wèi)星的應急監(jiān)測能力，可為星載SAR數(shù)據(jù)在洪水災害評估中的應用提供參考，同時可為汛情監(jiān)測全局視角提供技術支撐。

1 研究區(qū)概況

江西省樂安河流經(jīng)婺源、香屯、樂平、波陽等縣，屬饒河支流，地理坐標28°55′41″-29°1′21″N、116°29′35″-117°48′24″E，海拔12～57 m，全 長279 km，流域總面積7 946.71 km2。樂安河流域地處中亞熱帶濕潤季風區(qū)，年均氣溫17.5 ℃。多年平均降水量1 887.8 mm，降水分布不均勻，4-6月冷暖氣流交綏于境內(nèi)，形成大范圍的降水，其降雨量占年降雨量的47.3%；枯水期為10月至次年2月，其降雨量僅占年降雨量的21.8%[11]。降雨量年際變化較大，最大年降雨量2 328.2 mm（1973 年），最小年降雨量1 204.5 mm（1978 年）。樂安河洪水主要由暴雨形成，洪水出現(xiàn)的季節(jié)特性與暴雨出現(xiàn)的季節(jié)特性基本相同，每年4-6 月多鋒面、氣旋雨，降水強度大、面積廣、歷時長，為樂安市流域的主汛期。7-9月也常出現(xiàn)暴雨，多為臺風雨，此時也可能形成大洪水。其他月份出現(xiàn)暴雨的機會小，量級也不大。

2 2022年超標準洪水分析

2.1 雨情

2022年6月18日8時至22日14時，樂安河流域遭遇歷史罕見特大暴雨；6月21日8時，樂安河虎山站洪峰流量接近50 年一遇，造成樂平市發(fā)生嚴重洪澇災害。2022 年6 月18 日8 時至22 日14 時，樂平全市平均降雨量404.2 mm，超過400 mm 的地區(qū)有：臨港610.8 mm，洪巖506.5 mm，浯口497.0 mm，高家495.5 mm，金鵝山453.7 mm，洄田451.6 mm，眾埠444.9 mm，十里崗438.7 mm，塔山工業(yè)園區(qū)435.8 mm，禮林432.8 mm，鸕鶿429.2 mm，接渡429.1 mm，名口412.7 mm。相應時段周邊縣（市）降雨量極大。如婺源縣704.6 mm，德興市699.3 mm，鄱陽縣337.5 mm。

2.2 水情

洪峰流量和洪水位超歷史極值。受降雨影響，樂安河虎山站水位從2022 年6 月18 日10 時5 分起漲，起漲水位20.05 m。6月21日8時20分，虎山站出現(xiàn)32.28 m（吳淞高程，以下同）的洪峰水位，洪峰流量10 900 m3/s（虎山站50年一遇設計洪峰流量為11 200 m3/s），超警戒水位6.28 m，超1952 年建站以來最高洪水位（2011 年6 月16 日31.18 m）1.10 m?；⑸秸?月16-26日水位-流量曲線見圖1。

圖1 樂安河虎山站6月16-26日水位-流量曲線

其中樂安河上游三都站洪峰一般出現(xiàn)在主峰雨后6～8 h，即洪峰滯時6～8 h，中游虎山站洪峰一般出現(xiàn)在主峰雨后18 h 左右，若降雨量間隔半天左右，就可將兩次洪峰分隔開，此次洪水過程3個水文站特征值統(tǒng)計如表1所示。

表1 2022年樂安河流域水文站洪水特征值統(tǒng)計

從虎山站年最大洪峰流量變化圖來看，1953-2022 年，洪峰流量有增加趨勢（圖2（a）），尤其是2011年以來，洪峰流量增加明顯，1953-2010 年均值為4 383 m3/s，2011-2022 年均值為6 100 m3/s，較1953-2010 年均值增加39%。從年最高洪水位變化圖來看，樂安河洪水位也有升高趨勢（圖2（b）），尤其是2011 年以來，水位增加明顯，1953-2010 年均值為26.87 m，2011-2022 年均值為28.86 m，較1953-2010年均值增加1.99 m。

圖2 虎山站洪峰流量水位變化圖

3 洪水遙感監(jiān)測

3.1 GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)特性

GF-3衛(wèi)星是“國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項”中唯一的微波遙感衛(wèi)星，也是我國首顆C頻段多極化高分辨率SAR 衛(wèi)星。GF-3 衛(wèi)星發(fā)射重量約2 779 kg，在軌設計壽命8 a。衛(wèi)星運行軌道高度約755 km，為太陽同步回歸晨昏軌道，采用側(cè)視成像飛行狀態(tài)。GF-3衛(wèi)星平臺指標如表2所示。GF-3衛(wèi)星具有成像空間分辨率高、幅寬大、輻射精度高、模式多和連續(xù)工作時間長等特點，并可通過編程成像方式提升快速響應能力，能夠獲取分辨率1～500 m、成像幅寬10～650 km的C波段多極化微波遙感影像，實現(xiàn)全天候、全天時海洋與陸地觀測，填補了我國民用自主高分辨多極化微波遙感影像空白[9-10]。

表2 GF-3 衛(wèi)星平臺指標

3.2 洪水微波遙感監(jiān)測原理

在出現(xiàn)洪澇等自然災害時，往往伴隨惡劣天氣，監(jiān)測區(qū)域會受到云層、降水等因素影響，光學遙感難以發(fā)揮作用。微波遙感因其具有全天候、全天時能力，在惡劣的氣象條件下也能夠迅速獲取監(jiān)測區(qū)域第一手遙感影像信息，為減災救災決策提供重要依據(jù)[12-16]。因此，微波遙感成為洪水災害災情評估的有力工具。與SAR波長相比，陸地相對為粗糙表面，洪水水面相對為光滑表面，因此在SAR微波遙感影像上陸地通常為灰白色或黑灰色，水體為暗色或黑色[12-16]。

3.3 影像處理

使用GF-3衛(wèi)星影像監(jiān)測此次洪水，對GF-3衛(wèi)星影像進行多視處理、圖像濾波、幾何精校正、影像假彩色合成、影像增強等處理，滿足本次洪水遙感監(jiān)測需要。

（1）多視處理。本次洪水遙感監(jiān)測獲取的GF-3衛(wèi)星影像是單視復數(shù)（Single Look Complex，SLC）數(shù)據(jù)，采用多視處理對單視復數(shù)數(shù)據(jù)進行方位向和距離向平均，抑制斑點噪聲，提升影像的輻射分辨率。

（2）圖像濾波。采用中值濾波方法進行圖像濾波處理，進一步抑制GF-3 衛(wèi)星影像斑點噪聲，同時要有效保護邊緣信息，避免濾波后的影像水陸邊界變得模糊。

（3）幾何精校正。為保證洪水監(jiān)測期間獲取的遙感影像及解譯成果地理坐標一致，能夠進行準確套繪分析和制圖，選擇黃河中游河道0.5 m分辨率航空遙感影像作為參考影像，對GF-3衛(wèi)星影像進行影像配準和幾何精校正處理[12-13]。

4 結(jié)果與分析

本文獲取了2022 年6 月21 日和22 日遙感數(shù)據(jù)，分析了樂安河樂平市河段洪水淹沒范圍情況。6月21日樂安河流域淹沒區(qū)分析，樂平市接渡鎮(zhèn)、金鵝山鄉(xiāng)、鸕鶿鄉(xiāng)、文山鄉(xiāng)等地存在大片新增洪澇區(qū)域，樂平市整體受災面積超過70 km2。災情較為嚴重的鸕鶿鄉(xiāng)、文山鄉(xiāng)新增大量淹沒區(qū)，淹沒區(qū)主要為農(nóng)田，部分村莊受災。如圖3（a）所示，藍色區(qū)域為災前水體范圍，紅色區(qū)域為因災新增水體范圍。

對比6 月21 日水域范圍，根據(jù)22 日18：30 數(shù)據(jù)分析，樂安河主體流域段還存在大片淹沒區(qū)，如圖3（b）所示，藍色區(qū)域為6月22日洪災影像范圍。

圖3 6月21日與22日樂安河樂平市河段洪災范圍監(jiān)測對比圖

鸕鶿鄉(xiāng)、文山鄉(xiāng)附近淹沒范圍縮小，汛情有所緩解。如圖3（c）所示，深藍色部分為6 月22 日洪水淹沒范圍，淹沒面積約為90 km2，紅色部分為21 日淹沒范圍，淹沒面積約為142 km2，兩期遙感影像數(shù)據(jù)對比，如表3所示。

表3 兩期遙感影像數(shù)據(jù)對比分析

經(jīng)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析結(jié)合實地調(diào)研情況，樂平市全境普遍受災、個別鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）受災嚴重。截至6月25日，樂平市除工業(yè)園區(qū)外，其余19個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、街道）不同程度受災，受災人口38萬余人，農(nóng)作物成災面積38.79萬畝，農(nóng)作物絕收面積2.62 萬畝，林地受災面積1.39 萬畝，水產(chǎn)養(yǎng)殖受災面積2.53 萬畝，嚴重損壞房屋31間，一般損壞房屋300余間，水利直接經(jīng)濟損失3.1 億元。因災緊急避險轉(zhuǎn)移人口3.7 萬人，緊急轉(zhuǎn)移安置人口3 000余人。其中接渡鎮(zhèn)、后港鎮(zhèn)、眾埠鎮(zhèn)、臨港鎮(zhèn)、浯口鎮(zhèn)等因漫堤受災較重。

受極端暴雨和地理條件影響，樂安河流域極易形成超標準洪水。樂平市地處饒河中下游，城區(qū)以上的饒河流域面積超過6 000 km2，其上游處于江西省暴雨中心，暴雨強度大，汛期來水量大，加之樂安河流域上游地勢陡峭，源短流急，匯流速度快，極易形成洪水?；⑸秸?011-2022年洪峰流量均值較1953-2010 年均值增加39%，虎山站遭遇5 年一遇及以上洪水由1953-2010 年平均5.4 a/次上升至2011-2022年平均2 a/次，增長趨勢明顯。這將對整個流域特別是樂平市帶來嚴峻考驗。樂平市現(xiàn)有主要圩堤4條，分別是樂北聯(lián)圩、鎮(zhèn)橋聯(lián)圩、續(xù)湖聯(lián)圩和牌樓聯(lián)圩，隨著城區(qū)人口增多，防洪要求逐漸提高，圩堤雖然已基本達到設計防御標準，但是依然存在許多以前建設時遺留的缺陷，且經(jīng)過多年運行局部已出現(xiàn)嚴重裂縫、錯位，影響整體防洪，一旦出現(xiàn)險情，將威脅整個城區(qū)。此外，樂平市附近無分蓄洪區(qū)，當遇較大洪水時，無法分蓄一部分洪水。暴雨是樂安河流域形成洪水的主體，其暴雨特性直接決定了洪水發(fā)生的時間、洪水的等級及洪水的形態(tài)。由于樂安河流域多為山區(qū)，流域平均比降較大，下墊面與河槽調(diào)蓄作用小，暴雨發(fā)生后，雨水迅速由坡面匯集到河網(wǎng)匯集，極易在短時間內(nèi)形成洪峰。暴雨過后，各支流形成的洪水過程迅速消退，干流洪水也隨之消退，整個洪水歷時一般較短，與此次遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果一致。

5 結(jié) 語

遙感與GIS技術相結(jié)合，能準確、及時、全面地跟蹤整個流域洪水的汛情狀況及其發(fā)展變化趨勢，特別是解決了無觀測資料情況下對洪災的監(jiān)測預測難題，為防洪減災提供了科學依據(jù)和技術支撐。此次監(jiān)測結(jié)果證明，GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)不受云層水汽影響，是進行大范圍、長歷時、高頻次洪水監(jiān)測的理想數(shù)據(jù)源，可有效彌補可見光近紅外波段衛(wèi)星傳感器由于天氣原因造成的數(shù)據(jù)空缺，在暴雨過后及時準確提取地表洪澇水體信息，為防汛救災提供決策依據(jù)，在洪澇災害監(jiān)測中具有很大的應用潛力。

此外，由于人類活動和氣候波動的影響，又迫于經(jīng)濟發(fā)展和人口增長的巨大壓力，發(fā)生超標準洪水風險總體呈加劇態(tài)勢，根據(jù)樂安河流域的遙感監(jiān)測結(jié)果，建議進一步從圩堤除險加固、中小河流治理和非工程措施配套等方面提升，同時轉(zhuǎn)變洪水管理理念，與洪水共生存，適應江湖自然節(jié)律，給洪水以出路，實現(xiàn)人水和諧。