基于遥感数据的太子河流域洪水预测研究

潘志钢

基于遥感数据的太子河流域洪水预测研究

潘志钢

（辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000）

文章在综合了以往研究采用的气象水文资料和遥感数据基础上，总结了如何计算小水库的拦洪量。将遥感数据信息作为研究依据，提取实际勘测的小水库库容数据和水面信息，并将不同类别、不同坡度的子流域作为计算的最小单位，对各个小水库塘坝面积和库容的相关性进行模拟。然后依据两景遥感数据（包含洪水时段），分析出相应的水域面积，发现该时间段内蒸发和降雨的情况是如何改变的，以此推算小水库逐日水面的大小以及库容的变化情况，最后计算出小水库塘坝的拦洪量，本研究对于校正原来的洪水预测方案有重要意义。

人类活动；流域；洪水预测；遥感

洪水预测是大型水库开展调度的首要工作。水库建成后，由于其上游流域后期实施了一些水利工程，导致改变了径流过程，如果洪水预测模型没有及时地反映这种改变，预测模型的精确度就不能达到要求［1-5］。如果预测前长时间没有下雨，降水后上游的中小水库、塘坝等会拦截大部分的地表径流，使得预测的水库洪量和蓄水量数据都比实际的要大，这会降低水库的供水能力，进而干扰其发电作用；但是如果预测前的降水较多，再有大雨发生时，溃坝或者泄流的事故就很可能在这些小型水利工程（如塘坝）中发生，导致预测的洪量远远不够，水库的防洪调度比较被动，威胁到水库的安全［6-9］。所以，在该流域进行预测洪水的发生时，应当将人工干预建设的中、小型水利工程进行泄洪或拦洪的情况考虑在内。相对于中型水库来说，小水库塘坝分布更加广泛、数量众多，水库运行的数据资料更难以掌握，所以本研究将小水库塘坝作为重点研究对象。

本研究基于美国陆地资源卫星Landsat的TM/ETM+尼的遥感数据资料，借鉴了已有的研究成果，提出了针对流域内小水库塘坝拦洪的计算方法，该方法可在对受影响的大型水库进行洪水预测时提供可靠的数据［10-12］。该方法的原理为：首先，依据水库的运行数据与遥感数据，描述库容和水域面积之间的关系；然后在降水的蒸发资料的基础上得出小水库塘坝的库容发生了什么变化，求出相应洪水时段的拦洪量；最后，将大中型水库实际勘测到的拦洪量与前述拦洪量相加，来校正原来的洪水预测模型。

1 流域内的水利工程概况

本文以太子河流域为研究案例，太子河流域的总面积为1.38×105km2，河长为415km，其年平均径流量37.8×106km2，该河流的水系发达，支流比较多。共有两支源头，其中本溪县东营坊乡羊湖沟草帽顶子山麓为南支的发源地，新宾县平顶山乡红石粒子为北支的发源地，在本溪县的下崴子进行汇合后形成太子河的干流部分，经过辽宁的三个地方（分别为鞍山、本溪、辽阳），和浑河汇流的地方为三岔河周边。太子河的支流主要包括细河、南支、汤河、兰河、北沙河、运粮河、柳壕河、海城河以及南沙河9条，除1条外其他的支流均成为了纳污河。太子河属于高度受控河流，过去近50年为了满足灌溉、供水、防洪、水力发电等要求，该流域的水资源进行了高强度的开发利用。尤其是在1969～1995年近30年的时间里，修建了大量的大坝、水库等。大型的水库主要有，建于1995年的观音阁水库、建于1972年的参窝水库以及建于1969年的汤河水库，这三座大型水库的库容之和达到了流域多年平均径流量的97.2%，兴利水库的库容占流域多年平均径流量的60.7%，在该流域多年平均径流量中，有59.0%的来自于这三个水库。此外，还有14处拦河闸坝建于干流上，这些闸坝的需水总和为2156万m3。目前呈现出“两库、三段、多闸坝”的调控结构，其中两库指的是参窝水库和观音阁水库，见表1、图1。

表1 太子河流域大型水库的特征值

图1 太子河流域水系示意图

2 基于遥感数据的小水库塘坝拦洪计算方法

2.1 提取流域的水系

已有的水系提取方法包括NDVI法、DNWI法、谱间关系差值法、单波段阂值法。本研究对谱间关系差值法进行了提升并利用，由于水体和山体、滩涂的阴影在TM2和TM3波段上的反射率差距大，在TM4和TM5波段上则反射率的差距小，依据该原理来区分水体、山体、滩涂等，然后利用模型增强图像，最好选用合适的阈值提取水体的信息。下面为具体算法：

式中，k2—提取水体的阈值，k2∈［1，2］，各个遥感数据发送了可能是不一样的辐射能量，所以在确定不同时相k2的值之前，必须参考提取水体的拟合情况，取值介于1.4到1.6之间。

2.2 计算小水库塘坝的拦洪量

以林波波河流域的8个小水库为研究对象，国外学者Sawunyama研究出小水库入流的计算方法，并按照该途径分析了这几个水库的入流情况。针对研究对象太子河流域，本文完善了该计算方法，新的方法在推算整个流域小水库塘坝的拦洪量时，可以不将小水库塘坝的准确坐标考虑在内，具体方法如下。

（1）获得汛期质量较高的两景遥感数据，计算时段为数据的间隔时段；

（2）将子流域或水库作为计算的基本单位。验证该方法时选取的小水库要有详细数据，推算小水库塘坝的拦洪量时选择的是子流域；

（3）以计算单位为对象，比较两组遥感数据提取的水域面积，假定前期的水域面积是Ares，τ-n，后期的水域面积是 Ares，τ。 如果 Ares，τ＞Ares，τ-n， 意味着时段内计算单位能够拦蓄洪水，否则意味着水库处在泄洪状态。公式中的n代表遥感两组遥感数据相隔的时间跨度，τ与τ-n代表获得这两组数据的时间点；

（4）计算时段内各个子流域逐日水面的大小。

如果 Ares，τ＞Ares，τ-n， 那么：

式中，Ares，i—第 i日水域面积， i∈ ［1，n］ ， N—达到wetdays判定条件的总天数。wetdays的判定条件为：

如果 Ares，τ＜Ares，τ-n， 那么：

（5）依据面积和库容的相关性，得出各个子流域每天的库容量，与相应洪水发生时的库容变化情况进行对比，进而求出各个计算单位的拦洪数据。

3 分析并应用计算结果

3.1 划分小水库的塘坝的类别

划分标准为塘坝所处子流域的坡度范围，共可以分成三类，分类标准和每个类别中有详细资料小水库的具体数量详见表2。

表2 小水库塘坝分类标准及有资料小水库分类结果

3.2 构建各类小水库塘坝库容和面积的相关性

第一步是检测小水库数据的可靠性，一方面是要检测实际勘测数据资料的可靠性；另一方面是要检测遥感数据的可靠性，该检测主要是针对云层是如何干扰水面信息的获取，因为构建相关关系时需要大量的样本，但能够依据的遥感资料并不多，所以本研究利用了所有搜集到的遥感数据，再去掉云层干扰下的水库水面信息。和大中型的水库相比，小型水库由于地区不同，管理水平和制度等方面差距都比较大，会降低实际勘测运行资料的精确度，而且有些小水库连场次洪水过程的库容的变化资料都缺乏完整的。之后在计算各类小水库库容和面积的相关性时，就可以运用检测到的精确度比较高的数据，见表3。

表3 各类小面积和库容的相关性

4 验证小水库的拦洪量

计算小水库的拦洪量时，选择2006年度的为计算对象，因为根据各个年度的数据资料发现，处在整个的汛期里面的两景数据只有2006年的，并且该年度小水库的各种资料都比较多，具体的结果如下表。从表中可知，对于2006年8月26日发生的洪水，实际勘测到的这些小水库的拦洪总量是157.9万m3，求出的拦洪量是159.2万 m3，相对误差是-0.13%，绝对误差为 -0.18万 m3，模拟的精确度比较高。

表4 小水库拦洪计算验证 单位：104m3

5 校正水利工程拦蓄的洪水预测方案

对于2006年8月26日发生洪水的拦洪量，本研究通过计算拦洪量来调整原来设计的洪水预测方案。

5.1 计算水利工程的拦洪量

从已处理的大量遥感资料中，要提取小水库的详细水体数据，得出塘坝的拦洪量，首先要运用掩膜的方法去掉河流和大型、中型水库的资料。因为研究对象所处的流域处在四个遥感图像汇集的地方，整个流域在一个时间段的水域面积不能获取。所以本文归纳小水库塘坝的拦洪规律时，将涵盖的范围限定在p118r30轨道所能获取数据的范围内，然后在整个流域范围内进行应用。

研究范围内东丰以上小水库塘坝的总库容为2856万m3，磐石以上小水库塘坝的总库容为3682万m3。根据公式可求出水文站上游的小水库塘坝的拦洪量，依据实际勘测的资料可以计算出大中型水库的拦洪量。控制站的拦洪比即为拦洪量与总库容相比的比值，拦洪比的平均值即是整个流域的拦洪比，全部小水库塘坝的总拦洪量即为这两者相乘的值。表5为小水库塘坝拦洪比的平均值，表6为各类水利工程的拦洪量。

表5 小水库塘坝平均拦洪比计算表

表6 水利工程对20060826洪水的拦洪量 单位：104m3

5.2 校正洪水预测方案

用之前求出的拦洪量来与原来的预测方案进行校正，结果如表7所示。得知原来的洪水预测方案预测值是2.68亿m3，2006年8月26日实际发生的洪水的总量是2.03亿m3，相对误差为31.6%，可以将相对误差减少为10.2%，校正后的洪量是2.25亿 m3。

表7 编号20060826洪水预测方案的校正数据

6 结语

本文将传统的气象水文数据和LandsatTM/ETM+遥感数据相结合，在遥感数据的基础上，研究计算小水库拦洪量的最佳方法。此方法将小水库所处流域的空间分布情况、地形地质情况、水文条件等因素都考虑在内，用101个子流域对整个流域进行切分，按照水面信息与实际勘测到的小水库库容信息，将子流域作为计算的基本单位，构建起各类子流域的小水库塘坝面积的库容关系。在遥感数据的基础上，分析相应的水域面积和相应时段内蒸发、降雨产生的影响，以此推演小水库塘坝逐日水面的大小以及库容的变化情况，最后计算出小水库塘坝2006年8月26日发生的洪水，拦洪量总数为4289.5万m3，利用这个数值校正原来的洪水预测方案，相对误差在校正后从原来的31.6%下降到10.2%。

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TP183

A

1008-1305（2017）05-0037-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.013

2017-03-09

潘志钢（1985年—），男，工程师。