基于遙感影像的鄱陽湖2020年汛期災情分析

姚 仕 明，雷 文 韜，渠 庚，柴 朝 暉，欒 華 龍

(長江科學院 水利部江湖治理與防洪重點實驗室，湖北 武漢 430010)

受地理和氣候條件影響，我國自古以來洪水災害就頻繁發生[1]。20世紀80年代前，鄱陽湖受自然變化和人類活動影響，洪水頻發，呈現出岸線萎縮、湖容減少等問題。1998年大洪水之后，湖區開展了雙退、單退圩堤工程建設，湖區在汛期蓄水面積擴大，隨著湖泊治理相關舉措的實施，情況得到逐步改善[2-4]。然而，近年來受氣候變化、地質條件等影響，鄱陽湖流域圩堤多次在高洪水位期出現決口險情，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，為當時僅次于1998年和1955年第3高，向陽圩出現決口；2020年7月，鄱陽湖流域遭遇超歷史大洪水，星子、棠蔭、康山、鄱陽站均出現超歷史洪水位，昌江下游中洲圩、問桂道圩及修河尾閭三角聯圩等多處出現決口。

遙感技術能夠遠距離探測地物，可用于對湖泊水面形態等進行動態監測，具有覆蓋范圍廣、監測頻次高、人力成本低等優勢，已廣泛應用于湖泊水文監測[4-6]。因此，利用衛星遙感序列開展影像分析可為大范圍湖泊水體的洪災監測提供有力支撐。

本文對1998～2020年鄱陽湖汛期4～9月湖口站日均水位序列進行水文特征分析；選取2020年6月20日至8月31日Sentinel-1A/B鄱陽湖區范圍內SAR影像數據，對數據預處理后進行波段運算，并采用改進的SDWI水體指數法提取水體，對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應日均水位的關系。據此分析鄱陽湖漲退水前后、圩堤決口前后及單退圩堤分蓄洪運用前后湖區整體及典型區域的水面變化情況。研究可為復盤2020年汛期鄱陽湖洪澇災害影響及鄱陽湖洪水特性相關研究提供參考。

1 研究區域

鄱陽湖位于江西省北部，長江中下游南岸，地理坐標范圍為東經115°49′～116°46′、北緯28°24′～29°46′，是中國第一大淡水湖泊，承納贛江、撫河、信江、饒河、修水5河等支流來水，經調蓄后由湖口注入長江，是一個典型的過水型、吞吐型、季節性湖泊。鄱陽湖水系流域面積16.22萬km2，分別約占江西省國土面積和長江流域面積的97.2%和9.0%。根據相關實測資料，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%。鄱陽湖是長江中下游洪水的重要調蓄場所，是長江下游水資源的重要來源，同時也是長江流域生態系統的重要組成部分，在長江流域保護、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圩堤內底水一直居高不下，局部因外江水位較高出現脫坡險情，但并未決口，而結合衛星遙感影像發現，博陽河、西河、潼津河等入湖支流兩岸局部區域受淹較為嚴重。本文最大限度刨除內澇區域對鄱陽湖整體淹沒面積分析結果的影響，選定研究區如圖1所示，其面積約5 390 km2，范圍界限見表1。

表1 研究區范圍Tab.1 Boundaries of study area

2 數據與方法

2.1 數 據

湖口站是國家一類水文站，位于鄱陽湖入江水道，是出口控制站，測驗內容包括水位、流量、懸移質泥沙、床沙等，其中流量可反映鄱陽湖出湖徑流量及汛期極端時期長江倒灌水量，水位同時受鄱陽湖和長江干流影響，在長江主汛期常受干流頂托作用[7-9]。本文收集了1998～2020年鄱陽湖汛期4～9月湖口站日均水位資料，統一采用吳淞高程基面，主要來源于《長江流域水文資料》及湖北省水文水資源中心湖北省常用水情報表。

Sentinel-1衛星是歐洲航天局哥白尼計劃中的對地觀測衛星，由A、B兩顆衛星組成，載有C波段合成孔徑雷達，可提供連續圖像(白天、夜晚和各種天氣)的單極化、雙極化數據。該數據空間分辨率均為5 m×20 m，重訪周期為6 d，所有數據均可通過歐洲航天局的數據共享網站(https://scihub.copernicus.eu/dhus/)下載。本文收集了2020年6月20日至8月31日鄱陽湖區范圍少云或無云影像，共計11 d 15幅Sentinel-1A/B雙衛星SAR影像IW模式GRD級雙極化VV+VH雷達數據，用于2020年汛期鄱陽湖水體提取和淹沒區域對比分析，具體影像信息見表2。

圖1 研究區域示意(2020年汛期Landsat標準假彩色影像)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

本文采用常規的Sentinel-1衛星GRD數據預處理方法，利用歐洲航天局提供的免費SNAP軟件根據研究區范圍(ROI)進行影像裁剪(Subset)，然后依次進行包括熱噪聲去除(S-1 Thermal Noise)、輻射定標(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]的相關研究。

針對預處理后的影像數據，需采用相關方法提取水體。已有關于遙感影像提取水體方法的研究較多，包括水體指數法、密度分割法、決策樹法、譜間關系分析法等[4,10-13]。本文參考賈詩超等[13]提出的基于Sentinel-1雙極化數據SDWI水體信息提取方法，根據提取鄱陽湖水體直方圖雙峰閾值，結合水體在實際遙感影像上的分布，提出用于鄱陽湖水體提取的改進公式：

ISDWI=ln(10×VV×VH)-3

(1)

式中:ISDWI為水體指數，一般當其大于0時對應像元為水體，小于0時為非水體；VV、VH為Sentinel-1數據的兩個波段。通過對收集的鄱陽湖遙感影像序列提取對比，發現研究區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影像經預處理和SDWI指數波段計算后的像素值直方圖，可以明顯看到直方圖呈雙峰形態，根據雙峰分界處對應像素閾值ISDWI=0.58可提取其右側區域作為水體。

基于以上方法，在SNAP中進行波段計算(Band Maths)，得到本次研究時段內的水體影像序列，據此建立水位-面積關系曲線。最后，將相鄰時間兩景水體影像數據作空間疊加處理，分別針對本次研究時段漲水期和退水期分析水體面積時空變化特征。

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年鄱陽湖汛期4～9月湖口站日均水位序列，對鄱陽湖汛期水位特性進行了分析[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(括號內為95%置信區間，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月份，且在汛期該時段內鄱陽湖入江水道各站月平均水位呈現倒比降，即水位表現為湖口>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)。可以看出，2020年湖口站汛期5，6月月均水位較往年相對偏低，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以來最高值。

根據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年鄱陽湖經歷了20 a來最大洪水，但鄱陽湖區多個站點出現超歷史洪水位表明2020年鄱陽湖遭遇了歷史洪水，截至9月1日，共造成江西省903.7萬人受災，直接經濟損失超344.3億元[15]。

需要說明的是，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 水體面積與水位關系

表4給出了研究時段2020年6月20日至8月31日湖口站日均水位與研究區水體面積統計。可以看出，遙感影像對應日期的湖口站最高日均水位為22.31 m(2020年7月14日)，研究區水體面積最大約3 731.00 km2、占研究區總面積的69.2%；漲水期湖口站日均水位為15.70～22.31 m，對應水體面積為2 487.17～3 731.00 km2、占研究區總面積的46.1%～69.2%；退水期湖口站日均水位為22.31～19.01 m，對應水體面積為3 731.00～3 432.06 km2，占研究區總面積的69.2%～63.7%。受鄱陽湖流域持續降雨、長江干流洪水頂托等因素影響，湖口站水位和研究區水體面積均反映出2020年汛期鄱陽湖區洪水陡漲緩落的特點。

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水體面積統計Tab.4 Statistics of the daily-averaged WL at the HKS and water area within the study region

研究區水體面積變化與湖口站日均水位變化見圖4，進一步繪制水位-面積關系曲線如圖5所示。可以看出在此期間，研究區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具有良好的相關關系(R2=0.903)，得到一個對數形式的關系式h=14.223ln(A)-95.703。

4.2 水體面積時空變化

本次研究時段漲水期共收集到5景影像，對相鄰時間水體影像作空間疊加處理后，得到4個漲水時段(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)對應的水面擴大區域，最后疊加在一起得到漲水區域時空分布圖見圖6。同樣地，針對退水期收集的7景相鄰時間水體影像作空間疊加處理得到6個退水時段(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)對應的水面縮小區域，疊加后可以得到退水區域時空分布。分析圖6可以得到以下幾點主要認識。

圖4 研究區水體面積變化與湖口站日均水位過程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-研究區水體面積關系曲線Fig.5 Relation curve between the daily-averaged WL at the HKS and water area within the study region

(1) 中洲圩、問桂道圩這2座萬畝圩堤分別于7月8日、7月9日發生決口，圖6所示這兩處圩堤于7月8～14日間出現大范圍淹沒區域(紅色)與實際情況一致。修河尾閭三角聯圩于7月12日發生決口，圖6所示該圩堤北部在7月8日已存在較大范圍內澇底水(綠色區域)，至7月14日出現大范圍淹沒區域(紅色)，也與實際情況一致。

(2) 周溪圩和蓮北圩均為萬畝圩堤，被列入2020年汛期鄱陽湖分蓄洪運用的185座單退圩堤之中，在本次研究時段內放棄保圩，開閘分蓄洪水，從圖6可以看出，在7月8～14日間均出現大范圍淹沒區域(紅色)。

(3) 鄱陽湖在水位較低時五河尾閭三角洲出露，水位主要集中在湖盆中部，因此汛期漲水時水體逐漸淹沒高程相對較高的五河尾閭。可以看出，本次研究區贛江尾閭、修河尾閭三角洲在6月20～26日(藍色區域)、6月26日至7月2日(黃色區域)和7月2～8日(綠色區域)經歷了明顯的漲水淹沒過程；7月8～14日，隨著湖區水位上升，對入湖支流的頂托作用也逐漸顯現，在持續降雨和湖區高水位作用下，各支流尾閭至下游地區逐漸出現較明顯的淹沒區域(紅色)。

圖6 研究區漲水區域時空分布Fig.6 Temporal and spatial distribution of the inundated area withinthe study area during the rising flood period

4.3 關于2020年鄱陽湖洪災的思考

經過多年建設，長江中下游基本形成了以堤防為基礎，三峽水庫為骨干，其它干支流水庫、蓄滯洪區、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，在水利部的正確領導和統一指揮下，長江水利委員會精準科學調度以三峽為核心的長江中上游控制性水庫群，積極實施洲灘民垸、排澇閘站、蓄滯洪區等聯合調度，有力應對了三峽建庫以來長江最大流域性大洪水，長江中上游控制性水庫群共攔蓄洪量約500億m3。在應對長江1號洪水中，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、湖口附近蓄滯洪區運用[16]。

2020年汛期，湖口站最高水位達22.49 m，距保證水位僅0.01 m，避免了鄱陽湖康山、珠湖、黃湖和方洲斜塘這4個蓄滯洪區的運用。這得益于以三峽為核心的長江中上游控制性水庫群精準聯合調度，減輕了長江干流對湖口水位的頂托壓力；同樣也離不開鄱陽湖185座單退圩堤的棄圩分蓄洪運用，根據江西省防汛抗旱指揮部測算，截至7月15日，進洪量總計達24億m3，降低湖區水位0.25～0.30 m。

上饒市鄱陽縣是2020年汛期鄱陽湖受災最為嚴重的地區之一，其境內有臨樂安河、昌江、饒河、西河、潼津河等主要支流，全縣46座圩堤中5萬畝(3 333 hm2)以上重點圩堤有6座、1～5萬畝圩堤9座、其余31座均為1萬畝(666 hm2)以下圩堤。截至7月13日，僅8座未發生漫頂或決口險情，包括6座5萬畝以上重點圩堤和碗子圩、向紅連圩2座1～5萬畝圩堤。鄱陽湖一般圩堤防洪標準最高在湖盆區，以防御相應于1954年湖口站21.68 m的洪水位，以防御相應各河10 a一遇洪水位。在此情況下，鄱陽縣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，鄱陽湖4個蓄滯洪區尚未完成安全建設工程。康山蓄滯洪區已列入國家2020～2022年150項重大水利建設項目，主要建設內容包括：安全區圍堤及涵閘建設、順堤安全臺建設、分洪轉移道路建設、分洪閘建設、隔堤加高加固及穿堤建筑物拆除重建等。鄱陽湖蓄滯洪區安全建設工程的實施能夠為今后鄱陽湖遭遇重大洪水時分蓄洪運用、降低鄱陽湖洪澇災害影響創造有利條件。

5 結 論

本文分析了湖口站1998～2020年汛期4～9月水位特征，改進了已有的SDWI水體指數法用于提取鄱陽湖2020年汛期6月20日至8月31日Sentinel-1衛星遙感影像。在基礎上研究了鄱陽湖研究區內水體面積與湖口站日均水位關系，建立了研究區水位-面積相關關系式(R2=0.903)，并通過空間疊加處理分析了研究區漲水期水體面積時空變化情況。最后針對鄱陽湖2020年汛期災情特點，初步分析了湖口站未超保證水位、避免湖口附近蓄滯洪區運用的防洪成效，是長江流域水庫群聯合調度和鄱陽湖運用185座單退圩堤分蓄洪水等防洪體系綜合措施的結果。

說 明

本文2020年水文要素的統計分析源自報汛數據。