基于遥感影像的鄱阳湖2020年汛期灾情分析

姚 仕 明，雷 文 韬，渠 庚，柴 朝 晖，栾 华 龙

(长江科学院 水利部江湖治理与防洪重点实验室，湖北 武汉 430010)

受地理和气候条件影响，我国自古以来洪水灾害就频繁发生[1]。20世纪80年代前，鄱阳湖受自然变化和人类活动影响，洪水频发，呈现出岸线萎缩、湖容减少等问题。1998年大洪水之后，湖区开展了双退、单退圩堤工程建设，湖区在汛期蓄水面积扩大，随着湖泊治理相关举措的实施，情况得到逐步改善[2-4]。然而，近年来受气候变化、地质条件等影响，鄱阳湖流域圩堤多次在高洪水位期出现决口险情，如2016年6月，昌江遭遇超20 a一遇洪水，古县渡站水位超警戒2.85 m，为当时仅次于1998年和1955年第3高，向阳圩出现决口；2020年7月，鄱阳湖流域遭遇超历史大洪水，星子、棠荫、康山、鄱阳站均出现超历史洪水位，昌江下游中洲圩、问桂道圩及修河尾闾三角联圩等多处出现决口。

遥感技术能够远距离探测地物，可用于对湖泊水面形态等进行动态监测，具有覆盖范围广、监测频次高、人力成本低等优势，已广泛应用于湖泊水文监测[4-6]。因此，利用卫星遥感序列开展影像分析可为大范围湖泊水体的洪灾监测提供有力支撑。

本文对1998～2020年鄱阳湖汛期4～9月湖口站日均水位序列进行水文特征分析；选取2020年6月20日至8月31日Sentinel-1A/B鄱阳湖区范围内SAR影像数据，对数据预处理后进行波段运算，并采用改进的SDWI水体指数法提取水体，对相邻两期遥感影像水体作叠加分析，研究淹没面积与湖口站对应日均水位的关系。据此分析鄱阳湖涨退水前后、圩堤决口前后及单退圩堤分蓄洪运用前后湖区整体及典型区域的水面变化情况。研究可为复盘2020年汛期鄱阳湖洪涝灾害影响及鄱阳湖洪水特性相关研究提供参考。

1 研究区域

鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游南岸，地理坐标范围为东经115°49′～116°46′、北纬28°24′～29°46′，是中国第一大淡水湖泊，承纳赣江、抚河、信江、饶河、修水5河等支流来水，经调蓄后由湖口注入长江，是一个典型的过水型、吞吐型、季节性湖泊。鄱阳湖水系流域面积16.22万km2，分别约占江西省国土面积和长江流域面积的97.2%和9.0%。根据相关实测资料，1950～2018年湖口站多年平均径流量为1 512亿m3，约占大通站径流量的16.9%。鄱阳湖是长江中下游洪水的重要调蓄场所，是长江下游水资源的重要来源，同时也是长江流域生态系统的重要组成部分，在长江流域保护、治理中占有十分重要的地位。

2020年汛期7～8月，赣江、抚河及信江尾闾重点圩堤内底水一直居高不下，局部因外江水位较高出现脱坡险情，但并未决口，而结合卫星遥感影像发现，博阳河、西河、潼津河等入湖支流两岸局部区域受淹较为严重。本文最大限度刨除内涝区域对鄱阳湖整体淹没面积分析结果的影响，选定研究区如图1所示，其面积约5 390 km2，范围界限见表1。

表1 研究区范围Tab.1 Boundaries of study area

2 数据与方法

2.1 数 据

湖口站是国家一类水文站，位于鄱阳湖入江水道，是出口控制站，测验内容包括水位、流量、悬移质泥沙、床沙等，其中流量可反映鄱阳湖出湖径流量及汛期极端时期长江倒灌水量，水位同时受鄱阳湖和长江干流影响，在长江主汛期常受干流顶托作用[7-9]。本文收集了1998～2020年鄱阳湖汛期4～9月湖口站日均水位资料，统一采用吴淞高程基面，主要来源于《长江流域水文资料》及湖北省水文水资源中心湖北省常用水情报表。

Sentinel-1卫星是欧洲航天局哥白尼计划中的对地观测卫星，由A、B两颗卫星组成，载有C波段合成孔径雷达，可提供连续图像(白天、夜晚和各种天气)的单极化、双极化数据。该数据空间分辨率均为5 m×20 m，重访周期为6 d，所有数据均可通过欧洲航天局的数据共享网站(https://scihub.copernicus.eu/dhus/)下载。本文收集了2020年6月20日至8月31日鄱阳湖区范围少云或无云影像，共计11 d 15幅Sentinel-1A/B双卫星SAR影像IW模式GRD级双极化VV+VH雷达数据，用于2020年汛期鄱阳湖水体提取和淹没区域对比分析，具体影像信息见表2。

图1 研究区域示意(2020年汛期Landsat标准假彩色影像)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遥感影像信息Tab.2 Information of collected Sentinel-1 images

2.2 研究方法

本文采用常规的Sentinel-1卫星GRD数据预处理方法，利用欧洲航天局提供的免费SNAP软件根据研究区范围(ROI)进行影像裁剪(Subset)，然后依次进行包括热噪声去除(S-1 Thermal Noise)、辐射定标(Calibrate)、多视(Multilooking)、滤波(Single Product Speckle Filter)、地形校正(Doppler Terrain Correction)和分贝化(Converts bands to/from dB)等处理，具体步骤方法见黄萍等[10]的相关研究。

针对预处理后的影像数据，需采用相关方法提取水体。已有关于遥感影像提取水体方法的研究较多，包括水体指数法、密度分割法、决策树法、谱间关系分析法等[4,10-13]。本文参考贾诗超等[13]提出的基于Sentinel-1双极化数据SDWI水体信息提取方法，根据提取鄱阳湖水体直方图双峰阈值，结合水体在实际遥感影像上的分布，提出用于鄱阳湖水体提取的改进公式：

ISDWI=ln(10×VV×VH)-3

(1)

式中:ISDWI为水体指数，一般当其大于0时对应像元为水体，小于0时为非水体；VV、VH为Sentinel-1数据的两个波段。通过对收集的鄱阳湖遥感影像序列提取对比，发现研究区不同影像水体提取阈值ISDWI在0.49～0.60之间。图2所示为2020年8月1日Sentinel-1影像经预处理和SDWI指数波段计算后的像素值直方图，可以明显看到直方图呈双峰形态，根据双峰分界处对应像素阈值ISDWI=0.58可提取其右侧区域作为水体。

基于以上方法，在SNAP中进行波段计算(Band Maths)，得到本次研究时段内的水体影像序列，据此建立水位-面积关系曲线。最后，将相邻时间两景水体影像数据作空间叠加处理，分别针对本次研究时段涨水期和退水期分析水体面积时空变化特征。

图2 像素值频次分布直方图(2020年8月1日SDWI指数影像)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年鄱阳湖汛期4～9月湖口站日均水位序列，对鄱阳湖汛期水位特性进行了分析[14]。采用箱线图分析表明，湖口站4～9月平均水位为15.40[15.34，15.47]m(括号内为95%置信区间，下同)，各月平均水位分别为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月为湖口站汛期水位最高的两个月份，且在汛期该时段内鄱阳湖入江水道各站月平均水位呈现倒比降，即水位表现为湖口>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个典型周期性变化尺度，其中35 a为第1主周期、11 a为第2主周期、5 a为第3主周期。

利用1998～2020年鄱阳湖汛期4～9月湖口站日均水位序列，分析比较2020年与1998年汛期月均水位特征值(见表3)。可以看出，2020年湖口站汛期5，6月月均水位较往年相对偏低，而4月及7～9月明显高于1998～2020年平均值，其中7～9月分别高于平均值3.20，3.06 m和2.85 m。进一步选取7～9月平均水位绘制1998～2020年7～9月平均水位变化见图3。结果表明，2020年汛期7～9月湖口站平均水位为19.55 m，较1998～2020年7～9月平均水位高3.03 m，为1998～2020年第3高水位值，也是20 a以来最高值。

根据以上湖口站水位序列分析可以看出，在2020年气象水文年景偏差、极端事件偏多的背景下，就湖口站汛期平均水位而言，2020年鄱阳湖经历了20 a来最大洪水，但鄱阳湖区多个站点出现超历史洪水位表明2020年鄱阳湖遭遇了历史洪水，截至9月1日，共造成江西省903.7万人受灾，直接经济损失超344.3亿元[15]。

需要说明的是，2020年汛期湖口站日均水位最高为7月13日的22.43 m，限于收集到距该日期最近为7月14日的遥感像影，本次研究以7月14日划分涨水期为6月20日至7月14日，退水期为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 遥感影像分析

4.1 水体面积与水位关系

表4给出了研究时段2020年6月20日至8月31日湖口站日均水位与研究区水体面积统计。可以看出，遥感影像对应日期的湖口站最高日均水位为22.31 m(2020年7月14日)，研究区水体面积最大约3 731.00 km2、占研究区总面积的69.2%；涨水期湖口站日均水位为15.70～22.31 m，对应水体面积为2 487.17～3 731.00 km2、占研究区总面积的46.1%～69.2%；退水期湖口站日均水位为22.31～19.01 m，对应水体面积为3 731.00～3 432.06 km2，占研究区总面积的69.2%～63.7%。受鄱阳湖流域持续降雨、长江干流洪水顶托等因素影响，湖口站水位和研究区水体面积均反映出2020年汛期鄱阳湖区洪水陡涨缓落的特点。

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

表4 湖口站日均水位与研究区水体面积统计Tab.4 Statistics of the daily-averaged WL at the HKS and water area within the study region

研究区水体面积变化与湖口站日均水位变化见图4，进一步绘制水位-面积关系曲线如图5所示。可以看出在此期间，研究区水体面积变化与湖口站水位变化具有明显的跟随性，且水体面积A与水位h具有良好的相关关系(R2=0.903)，得到一个对数形式的关系式h=14.223ln(A)-95.703。

4.2 水体面积时空变化

本次研究时段涨水期共收集到5景影像，对相邻时间水体影像作空间叠加处理后，得到4个涨水时段(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)对应的水面扩大区域，最后叠加在一起得到涨水区域时空分布图见图6。同样地，针对退水期收集的7景相邻时间水体影像作空间叠加处理得到6个退水时段(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)对应的水面缩小区域，叠加后可以得到退水区域时空分布。分析图6可以得到以下几点主要认识。

图4 研究区水体面积变化与湖口站日均水位过程Fig.4 Change curves of the water area within the study region and daily-averaged WL at the HKS

图5 湖口站日均水位-研究区水体面积关系曲线Fig.5 Relation curve between the daily-averaged WL at the HKS and water area within the study region

(1) 中洲圩、问桂道圩这2座万亩圩堤分别于7月8日、7月9日发生决口，图6所示这两处圩堤于7月8～14日间出现大范围淹没区域(红色)与实际情况一致。修河尾闾三角联圩于7月12日发生决口，图6所示该圩堤北部在7月8日已存在较大范围内涝底水(绿色区域)，至7月14日出现大范围淹没区域(红色)，也与实际情况一致。

(2) 周溪圩和莲北圩均为万亩圩堤，被列入2020年汛期鄱阳湖分蓄洪运用的185座单退圩堤之中，在本次研究时段内放弃保圩，开闸分蓄洪水，从图6可以看出，在7月8～14日间均出现大范围淹没区域(红色)。

(3) 鄱阳湖在水位较低时五河尾闾三角洲出露，水位主要集中在湖盆中部，因此汛期涨水时水体逐渐淹没高程相对较高的五河尾闾。可以看出，本次研究区赣江尾闾、修河尾闾三角洲在6月20～26日(蓝色区域)、6月26日至7月2日(黄色区域)和7月2～8日(绿色区域)经历了明显的涨水淹没过程；7月8～14日，随着湖区水位上升，对入湖支流的顶托作用也逐渐显现，在持续降雨和湖区高水位作用下，各支流尾闾至下游地区逐渐出现较明显的淹没区域(红色)。

图6 研究区涨水区域时空分布Fig.6 Temporal and spatial distribution of the inundated area withinthe study area during the rising flood period

4.3 关于2020年鄱阳湖洪灾的思考

经过多年建设，长江中下游基本形成了以堤防为基础，三峡水库为骨干，其它干支流水库、蓄滞洪区、河道整治工程、平垸行洪、退田还湖等相配合的防洪工程体系。2020年汛期，在水利部的正确领导和统一指挥下，长江水利委员会精准科学调度以三峡为核心的长江中上游控制性水库群，积极实施洲滩民垸、排涝闸站、蓄滞洪区等联合调度，有力应对了三峡建库以来长江最大流域性大洪水，长江中上游控制性水库群共拦蓄洪量约500亿m3。在应对长江1号洪水中，降低城陵矶江段洪峰水位约0.8 m、汉口江段洪峰水位约0.5 m、湖口江段洪峰水位约0.2 m，避免了城陵矶、湖口附近蓄滞洪区运用[16]。

2020年汛期，湖口站最高水位达22.49 m，距保证水位仅0.01 m，避免了鄱阳湖康山、珠湖、黄湖和方洲斜塘这4个蓄滞洪区的运用。这得益于以三峡为核心的长江中上游控制性水库群精准联合调度，减轻了长江干流对湖口水位的顶托压力；同样也离不开鄱阳湖185座单退圩堤的弃圩分蓄洪运用，根据江西省防汛抗旱指挥部测算，截至7月15日，进洪量总计达24亿m3，降低湖区水位0.25～0.30 m。

上饶市鄱阳县是2020年汛期鄱阳湖受灾最为严重的地区之一，其境内有临乐安河、昌江、饶河、西河、潼津河等主要支流，全县46座圩堤中5万亩(3 333 hm2)以上重点圩堤有6座、1～5万亩圩堤9座、其余31座均为1万亩(666 hm2)以下圩堤。截至7月13日，仅8座未发生漫顶或决口险情，包括6座5万亩以上重点圩堤和碗子圩、向红连圩2座1～5万亩圩堤。鄱阳湖一般圩堤防洪标准最高在湖盆区，以防御相应于1954年湖口站21.68 m的洪水位，以防御相应各河10 a一遇洪水位。在此情况下，鄱阳县40座一般圩堤难以防御2020年遭遇的超历史洪水。

此外，受多方因素影响，鄱阳湖4个蓄滞洪区尚未完成安全建设工程。康山蓄滞洪区已列入国家2020～2022年150项重大水利建设项目，主要建设内容包括：安全区围堤及涵闸建设、顺堤安全台建设、分洪转移道路建设、分洪闸建设、隔堤加高加固及穿堤建筑物拆除重建等。鄱阳湖蓄滞洪区安全建设工程的实施能够为今后鄱阳湖遭遇重大洪水时分蓄洪运用、降低鄱阳湖洪涝灾害影响创造有利条件。

5 结 论

本文分析了湖口站1998～2020年汛期4～9月水位特征，改进了已有的SDWI水体指数法用于提取鄱阳湖2020年汛期6月20日至8月31日Sentinel-1卫星遥感影像。在基础上研究了鄱阳湖研究区内水体面积与湖口站日均水位关系，建立了研究区水位-面积相关关系式(R2=0.903)，并通过空间叠加处理分析了研究区涨水期水体面积时空变化情况。最后针对鄱阳湖2020年汛期灾情特点，初步分析了湖口站未超保证水位、避免湖口附近蓄滞洪区运用的防洪成效，是长江流域水库群联合调度和鄱阳湖运用185座单退圩堤分蓄洪水等防洪体系综合措施的结果。

说 明

本文2020年水文要素的统计分析源自报汛数据。