2022年江西省乐安河流域超标准洪水遥感监测分析

许小华 黄 萍 张秀平 周信文 郑 璞

（1.江西省水利科学院，南昌 330000；2.江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心，南昌 330000）

0 引 言

遥感技术具有宏观、快速、经济等特点，大范围地表状态采集能力强，可为防汛指挥部门提供大量的洪涝地区基础信息和洪水淹没实时信息，成为现代洪水监测与评估的重要手段。对于汛情监测而言，遥感技术具有监测反应快、范围广、成本低等优点，能够大幅提高效率[1-3]。基于星载传感器的航天遥感能够实现大范围成像，为汛情监测提供全局视角的信息支撑。当前我国卫星遥感事业迅速发展，能够应用于洪涝灾害遥感监测的卫星数据源日渐增多，如风云系列气象卫星、资源系列卫星、北京一号小卫星、环境减灾小卫星等。

我国学者在利用遥感技术监测洪涝灾害方面做了诸多研究，如段秋亚等[4]分别采用归一化差分水体指数（Normalized Difference Water Index，NDWI）阈值法、支持向量机（Support Vector Machine，SVM）和面向对象等方法对鄱阳湖区的高分一号（GF-1）影像进行水体信息提取实验，并根据提取结果分析和比较各种方法的优势与不足；朱辉等[5]发现区域生长法结合多源卫星遥感数据，可以快速准确地提取洪涝灾害范围，实现洪涝灾害信息的时效性和高频次监测。徐涵秋[6]在NDWI基础上，提出了改进的归一化差异水体指数（MNDWI），并用于不同类型的遥感影像实验。莫伟华等[7]根据MODIS传感器波段特点，构建了混合水体指数（CIWI），实现水体信息快速有效提取，效果和精度均优于NDWI和MNDWI的效果和精度等。

以上研究主要利用可见光近红外波段光谱数据进行计算得到水体指数，确定水体判识阈值从而计算出洪涝淹没面积，对比灾前灾后水体范围变化，对灾情特征进行分析。由于降雨过后洪涝淹没地区通常被云层覆盖，可见光近红外波段的卫星传感器均无法穿透云层，难以及时获得洪涝信息。微波传感器不受天气制约，具有全天候、全天时的数据获取能力，能够穿云透雾，迅速为灾区提供第一手信息[8]。2016年8月，我国高分三号卫星（GF-3）成功发射并投入使用，改变了目前我国洪水灾害遥感监测大多基于中、低分辨率遥感影像难以满足行业应用精度要求的现状，也是我国首颗C波段1 m高分辨率合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）遥感卫星，能够为水利、气象、农业、国土、测绘等部门提供监测服务，全面提高行业应用能力[8-10]。

2022 年6 月，受持续强降雨影响，江西省乐安河流域遭遇历史罕见特大暴雨，乐安河虎山站洪峰流量接近50年一遇，造成乐平市发生严重洪涝灾害。本文针对2022年乐安河流域洪水灾害，利用GF-3数据，开展了洪涝灾害动态应急监测应用研究，验证了卫星的应急监测能力，可为星载SAR数据在洪水灾害评估中的应用提供参考，同时可为汛情监测全局视角提供技术支撑。

1 研究区概况

江西省乐安河流经婺源、香屯、乐平、波阳等县，属饶河支流，地理坐标28°55′41″-29°1′21″N、116°29′35″-117°48′24″E，海拔12～57 m，全 长279 km，流域总面积7 946.71 km2。乐安河流域地处中亚热带湿润季风区，年均气温17.5 ℃。多年平均降水量1 887.8 mm，降水分布不均匀，4-6月冷暖气流交绥于境内，形成大范围的降水，其降雨量占年降雨量的47.3%；枯水期为10月至次年2月，其降雨量仅占年降雨量的21.8%[11]。降雨量年际变化较大，最大年降雨量2 328.2 mm（1973 年），最小年降雨量1 204.5 mm（1978 年）。乐安河洪水主要由暴雨形成，洪水出现的季节特性与暴雨出现的季节特性基本相同，每年4-6 月多锋面、气旋雨，降水强度大、面积广、历时长，为乐安市流域的主汛期。7-9月也常出现暴雨，多为台风雨，此时也可能形成大洪水。其他月份出现暴雨的机会小，量级也不大。

2 2022年超标准洪水分析

2.1 雨情

2022年6月18日8时至22日14时，乐安河流域遭遇历史罕见特大暴雨；6月21日8时，乐安河虎山站洪峰流量接近50 年一遇，造成乐平市发生严重洪涝灾害。2022 年6 月18 日8 时至22 日14 时，乐平全市平均降雨量404.2 mm，超过400 mm 的地区有：临港610.8 mm，洪岩506.5 mm，浯口497.0 mm，高家495.5 mm，金鹅山453.7 mm，洄田451.6 mm，众埠444.9 mm，十里岗438.7 mm，塔山工业园区435.8 mm，礼林432.8 mm，鸬鹚429.2 mm，接渡429.1 mm，名口412.7 mm。相应时段周边县（市）降雨量极大。如婺源县704.6 mm，德兴市699.3 mm，鄱阳县337.5 mm。

2.2 水情

洪峰流量和洪水位超历史极值。受降雨影响，乐安河虎山站水位从2022 年6 月18 日10 时5 分起涨，起涨水位20.05 m。6月21日8时20分，虎山站出现32.28 m（吴淞高程，以下同）的洪峰水位，洪峰流量10 900 m3/s（虎山站50年一遇设计洪峰流量为11 200 m3/s），超警戒水位6.28 m，超1952 年建站以来最高洪水位（2011 年6 月16 日31.18 m）1.10 m。虎山站6月16-26日水位-流量曲线见图1。

图1 乐安河虎山站6月16-26日水位-流量曲线

其中乐安河上游三都站洪峰一般出现在主峰雨后6～8 h，即洪峰滞时6～8 h，中游虎山站洪峰一般出现在主峰雨后18 h 左右，若降雨量间隔半天左右，就可将两次洪峰分隔开，此次洪水过程3个水文站特征值统计如表1所示。

表1 2022年乐安河流域水文站洪水特征值统计

从虎山站年最大洪峰流量变化图来看，1953-2022 年，洪峰流量有增加趋势（图2（a）），尤其是2011年以来，洪峰流量增加明显，1953-2010 年均值为4 383 m3/s，2011-2022 年均值为6 100 m3/s，较1953-2010 年均值增加39%。从年最高洪水位变化图来看，乐安河洪水位也有升高趋势（图2（b）），尤其是2011 年以来，水位增加明显，1953-2010 年均值为26.87 m，2011-2022 年均值为28.86 m，较1953-2010年均值增加1.99 m。

图2 虎山站洪峰流量水位变化图

3 洪水遥感监测

3.1 GF-3卫星数据特性

GF-3卫星是“国家高分辨率对地观测系统重大专项”中唯一的微波遥感卫星，也是我国首颗C频段多极化高分辨率SAR 卫星。GF-3 卫星发射重量约2 779 kg，在轨设计寿命8 a。卫星运行轨道高度约755 km，为太阳同步回归晨昏轨道，采用侧视成像飞行状态。GF-3卫星平台指标如表2所示。GF-3卫星具有成像空间分辨率高、幅宽大、辐射精度高、模式多和连续工作时间长等特点，并可通过编程成像方式提升快速响应能力，能够获取分辨率1～500 m、成像幅宽10～650 km的C波段多极化微波遥感影像，实现全天候、全天时海洋与陆地观测，填补了我国民用自主高分辨多极化微波遥感影像空白[9-10]。

表2 GF-3 卫星平台指标

3.2 洪水微波遥感监测原理

在出现洪涝等自然灾害时，往往伴随恶劣天气，监测区域会受到云层、降水等因素影响，光学遥感难以发挥作用。微波遥感因其具有全天候、全天时能力，在恶劣的气象条件下也能够迅速获取监测区域第一手遥感影像信息，为减灾救灾决策提供重要依据[12-16]。因此，微波遥感成为洪水灾害灾情评估的有力工具。与SAR波长相比，陆地相对为粗糙表面，洪水水面相对为光滑表面，因此在SAR微波遥感影像上陆地通常为灰白色或黑灰色，水体为暗色或黑色[12-16]。

3.3 影像处理

使用GF-3卫星影像监测此次洪水，对GF-3卫星影像进行多视处理、图像滤波、几何精校正、影像假彩色合成、影像增强等处理，满足本次洪水遥感监测需要。

（1）多视处理。本次洪水遥感监测获取的GF-3卫星影像是单视复数（Single Look Complex，SLC）数据，采用多视处理对单视复数数据进行方位向和距离向平均，抑制斑点噪声，提升影像的辐射分辨率。

（2）图像滤波。采用中值滤波方法进行图像滤波处理，进一步抑制GF-3 卫星影像斑点噪声，同时要有效保护边缘信息，避免滤波后的影像水陆边界变得模糊。

（3）几何精校正。为保证洪水监测期间获取的遥感影像及解译成果地理坐标一致，能够进行准确套绘分析和制图，选择黄河中游河道0.5 m分辨率航空遥感影像作为参考影像，对GF-3卫星影像进行影像配准和几何精校正处理[12-13]。

4 结果与分析

本文获取了2022 年6 月21 日和22 日遥感数据，分析了乐安河乐平市河段洪水淹没范围情况。6月21日乐安河流域淹没区分析，乐平市接渡镇、金鹅山乡、鸬鹚乡、文山乡等地存在大片新增洪涝区域，乐平市整体受灾面积超过70 km2。灾情较为严重的鸬鹚乡、文山乡新增大量淹没区，淹没区主要为农田，部分村庄受灾。如图3（a）所示，蓝色区域为灾前水体范围，红色区域为因灾新增水体范围。

对比6 月21 日水域范围，根据22 日18：30 数据分析，乐安河主体流域段还存在大片淹没区，如图3（b）所示，蓝色区域为6月22日洪灾影像范围。

图3 6月21日与22日乐安河乐平市河段洪灾范围监测对比图

鸬鹚乡、文山乡附近淹没范围缩小，汛情有所缓解。如图3（c）所示，深蓝色部分为6 月22 日洪水淹没范围，淹没面积约为90 km2，红色部分为21 日淹没范围，淹没面积约为142 km2，两期遥感影像数据对比，如表3所示。

表3 两期遥感影像数据对比分析

经卫星遥感数据分析结合实地调研情况，乐平市全境普遍受灾、个别乡（镇）受灾严重。截至6月25日，乐平市除工业园区外，其余19个乡（镇、街道）不同程度受灾，受灾人口38万余人，农作物成灾面积38.79万亩，农作物绝收面积2.62 万亩，林地受灾面积1.39 万亩，水产养殖受灾面积2.53 万亩，严重损坏房屋31间，一般损坏房屋300余间，水利直接经济损失3.1 亿元。因灾紧急避险转移人口3.7 万人，紧急转移安置人口3 000余人。其中接渡镇、后港镇、众埠镇、临港镇、浯口镇等因漫堤受灾较重。

受极端暴雨和地理条件影响，乐安河流域极易形成超标准洪水。乐平市地处饶河中下游，城区以上的饶河流域面积超过6 000 km2，其上游处于江西省暴雨中心，暴雨强度大，汛期来水量大，加之乐安河流域上游地势陡峭，源短流急，汇流速度快，极易形成洪水。虎山站2011-2022年洪峰流量均值较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，增长趋势明显。这将对整个流域特别是乐平市带来严峻考验。乐平市现有主要圩堤4条，分别是乐北联圩、镇桥联圩、续湖联圩和牌楼联圩，随着城区人口增多，防洪要求逐渐提高，圩堤虽然已基本达到设计防御标准，但是依然存在许多以前建设时遗留的缺陷，且经过多年运行局部已出现严重裂缝、错位，影响整体防洪，一旦出现险情，将威胁整个城区。此外，乐平市附近无分蓄洪区，当遇较大洪水时，无法分蓄一部分洪水。暴雨是乐安河流域形成洪水的主体，其暴雨特性直接决定了洪水发生的时间、洪水的等级及洪水的形态。由于乐安河流域多为山区，流域平均比降较大，下垫面与河槽调蓄作用小，暴雨发生后，雨水迅速由坡面汇集到河网汇集，极易在短时间内形成洪峰。暴雨过后，各支流形成的洪水过程迅速消退，干流洪水也随之消退，整个洪水历时一般较短，与此次遥感数据监测结果一致。

5 结 语

遥感与GIS技术相结合，能准确、及时、全面地跟踪整个流域洪水的汛情状况及其发展变化趋势，特别是解决了无观测资料情况下对洪灾的监测预测难题，为防洪减灾提供了科学依据和技术支撑。此次监测结果证明，GF-3卫星数据不受云层水汽影响，是进行大范围、长历时、高频次洪水监测的理想数据源，可有效弥补可见光近红外波段卫星传感器由于天气原因造成的数据空缺，在暴雨过后及时准确提取地表洪涝水体信息，为防汛救灾提供决策依据，在洪涝灾害监测中具有很大的应用潜力。

此外，由于人类活动和气候波动的影响，又迫于经济发展和人口增长的巨大压力，发生超标准洪水风险总体呈加剧态势，根据乐安河流域的遥感监测结果，建议进一步从圩堤除险加固、中小河流治理和非工程措施配套等方面提升，同时转变洪水管理理念，与洪水共生存，适应江湖自然节律，给洪水以出路，实现人水和谐。