近三百年来洪泽湖演变过程及其原因分析

　　摘要：洪泽湖是淮河水系中最重要的湖泊之一，是我国的第四大淡水湖，它在防洪、灌溉、航运、跨流域调水以及水资源与水环境保护等方面发挥着重要作用.过去300年来，由于黄淮关系的演变和人类活动的影响，洪泽湖水域面积发生剧烈变化.研究湖泊水域空间变化有助于认识流域环境变化与人类活动影响.本文利用18世纪初以来的古地图、历史文献资料及1981—2016年期间的期遥感影像数据，采用遥感和地理信息系统技术相结合的方法，分析了近300年来洪泽湖水域时空演变过程及其原因.研究结果表明：过去300年来，洪泽湖面积总体呈减少趋势，年际缩减速率为0.17，且湖域范围总体表现为由四周向中心缩小的趋势，其中西南湖域的形态变化最为显著.具体而言，清中期以前，黄河多次夺泗入淮，洪泽湖面积变化受黄淮关系、高家堰等水利枢纽的修建以及降水等因素影响.至清末，洪泽湖面积由3078.78km下降至2335.73km，共减少743.05km，其空间形态也发生了剧烈变化，该时期黄河改道、降水以及人口增长导致的湖滨围垦是影响洪泽湖演变的主要原因.建国以来(1949—2016年，洪泽湖面积进一步缩小，由1757.60km下降至1488.43km，共减少了269.17km，其中1995—2000年间湖泊面积下降最为显著，共减少了281.43km，湖泊动态变化度达到2.78%，该时期自然因素对湖泊水域面积的影响减弱，而人口增长、围垦及水利工程的修建等人类活动影响逐渐成为影响洪泽湖演化的主导因素.

　　关键词：洪泽湖;时空演变;古地图;遥感

　　湖泊是地球表层系统各圈层间相互作用的连接点，它的形成与消失、扩张与收缩及其引起的生态环境演化过程是全球的、区域的和局部的构造和气候事件以及人类活动共同作用的结果[1].湖泊作为重要的国土空间资源，其动态变化过程对区域生态环境和经济可持续发展具有重要影响[2].

　　随着社会经济的不断发展，人类活动对湖泊水环境的影响也日益增大.长期对湖泊资源的不合理开发以及保护管理的缺失，导致湖泊面积不断萎缩乃至消亡，削减了湖泊在饮用水供给、灌溉、航运、调蓄等方面的功能.因而，采用各种手段开展不同时期湖泊时空演变研究，并探索自然和人为因素对湖泊发展演化的综合作用及影响，对湖泊资源的合理开发、利用和保护均具有重要意义[35].

　　湖泊水域面积的动态变化及其影响因素研究历来备受国内外学者关注.早期，我国学者多采用历史文献与地貌沉积物调查资料相结合的历史地貌学方法对湖泊演变规律进行分析复原12，然而该方法易受到自然条件以及历史资料记载方式和内容的约束.随着遥感技术的日益发展，其大范围、周期性、实时监测等特点与传统的历史地貌学方法相比，具有明显优势1331.

　　比如殷立琼等14通过不同时期的Landsat卫星遥感影像，研究了1988—2003年太湖的面积变化状况;如Guirguis等15利用多时段的假彩色合成图像，通过主成分分析法研究了1983—1991年埃及Brullus湖的动态变化情况;李宁等16基于RS、GIS技术利用面向对象分类法提取东北地区湖泊数据，分析了2000—2010年间东北地区湖泊时空变化规律及其驱动因素;Chen等17基于地形图与遥感影像，利用景观形状指数和质心法分析了武汉市东湖近20年来的时空变化及其原因;Leblanc等18通过用Meteosat数据和水文模型，综合分析非洲乍得湖面积变化及其演变原因;张国庆等19,20利用ICESa卫星获取了2003—2009年青藏高原湖泊水位数据并分析其水位变化特征，并借助地形图与遥感数据，探讨了1960—2015年间中国湖泊面积变化规律及其演变原因.

　　然而，目前利用遥感技术研究湖泊动态变化过程的时间范围大都局限于近几十年以来，对湖泊百年演化的研究并不多见30，这极大限制了对历史时期特别是年代际尺度上湖泊时空演变特征的认识.淮河流域是我国重要的水系之一，淮河水系的尾闾分布着大量淡水湖泊，其中洪泽湖不仅是该区域面积最大的湖泊，也是我国南水北调东线工程输水线路中的重要一环，其动态变化过程直接关系到南水北调工程的水质安全，对周边乃至整个淮河流域的经济与生态可持续发展具有重要意义24272932.

　　目前关于洪泽湖的相关研究，多侧重于利用沉积物反演气候变化23,26,3334或简单描述短时间尺度(如近十年来)湖泊生态环境的变化24282931，而较长时间尺度(如近百年来)湖泊水域的时空动态变化研究比较匮乏.鉴于此，本文基于古地图、历史文献和遥感影像数据等资料，采用遥感和地理信息系统技术与方法，全面分析洪泽湖300多年来的时空动态演变过程，并揭示其演变的主要影响因素，以期为洪泽湖当前及未来的湖泊管理、远景规划提供背景资料，并为洪泽湖的科学保护与可持续利用提供参考.

　　1研究区概况

　　洪泽湖位于江苏省北部、我国南北气候过渡地带(33.01º33.67ºN,118.17º118.87ºE)，是淮河流域典型的大型浅水湖泊，平均水深仅为1.77m，其最大长度为65km，最大宽度为55km时，水域面积为1576.9km，蓄水量为27.9×1083[32.洪泽湖的主要入湖河流包括淮河、池河、濉河，其中有70%以上的入湖水量来自于淮河全湖水域由北部的成子湖湾、西部的溧河湖湾和西南部的淮河湖湾组成，跨洪泽、淮阴、泗阳、泗洪和盱眙五县.湖区气候类型为典型亚热带季风气候，年平均降水量约为925mm，年平均气温约为14℃3435.洪泽湖是由历史上黄河南徙夺淮入海逐渐形成.自近代以来，人类活动对湖泊环境的影响逐渐加深，目前湖泊正面临着面积萎缩及富营养化等一系列生态环境.

　　2数据资料

　　由于卫星遥感历史相对较短，所能提供的反映地面信息的遥感影像时限仅在近40年内.因此，本文采用古地图和遥感影像相结合的方法研究洪泽湖长时间尺度的时空演化特征.历史古地图主要包括无地理参考、含部分地理信息以及具有较精确地理参考种类型.其中，无地理参考历史古地图指的是缺乏空间定位信息包括比例尺、经纬度等的山水形象画古地图，与现代地图存在较大差异，不具备信息提取价值.含部分地理信息的历史古地图指的是出现以经纬度测量为主要标志的古地图，一般以自1708年开始由康熙皇帝组织编著的《皇舆全览图》为时间起点36.

　　因此，基于不同时期古地图的精度差异以及资料的可得性，本文主要对18世纪初期以来的洪泽湖动态变化过程进行研究，主要选取公元18世纪初康熙年间的《皇舆全览图》、1908年清末的《大清帝国全图》、民国六年旧地图以及建国后两期现代地图作为地图参考资料.《皇舆全览图》是在康熙四十七年(公元1708年)至康熙五十六年间，在康熙皇帝支持下，由基督传教士与中方人员共同进行测绘编制，采用桑逊投影，比例尺约为140万。

　　是中国首次以西方现代测绘技术绘制的大范围的实测地图30,3.本文采用的铜版康熙《皇舆全览图》由汪前进、刘若芳主编，外文出版社2007年出版的《清廷三大实测全图》中收录;《大清帝国全图》初版为光绪三十一年(905年)，该幅地图采用了西方先进的编绘技术，具有较精确的地理参考，比例尺为180万，全册共25幅彩色地图，由大清帝国图和24幅分省图组成，本文采用上海商务印书馆908年出版的刊本中江苏省部分;民国六年旧地图江苏省部分出自商务印书馆出版《中国新舆图》，该图具有完整的经纬度网格，比例尺为1:150万.建国后两幅现代地图分别为1949—1951年、1958—1971年中国苏北、苏南行署区历史地图，来源于中国地图出版社出版的《中华人民共和国行政区划沿革地图集》(1949—1999年)，地图集主要介绍了新中国50年行政区划变迁及现状，比例尺为260万.

　　遥感数据方面，在综合考虑各种遥感影像的分辨率、在轨时间和更新周期等因素的基础上，选用Landsat系列卫星遥感数据作为洪泽湖水域动态监测的数据源.该数据源是由美国航空航天局(NASA)发射的用来获取地球表面数据的重要遥感平台，输出的影像数据为GeoTIFF格式，采样方式为次卷积采样，地理坐标系统和地图投影分别为WGS1984、UTM投影.本文使用的Landsat系列卫星影像由地理空间数据云提供.考虑到遥感数据的质量或受到云量影响，以及时相不同可能引起的水域面积变化偶然误差影响，最终选取1981—2016年—月洪泽湖水位相对稳定且含云量低于1%的期遥感影像数据.

　　此外，本文还收集整理了已有的一些文献资料(研究区自然与人文数据等).文献资料主要为地方志资料，例如《洪泽县志》37记述了洪泽湖及其周边地区自然和湖泊的社会历史与现状，作为一部官修志书，具有一定的学术性与权威性.本文选取洪泽湖周边的盱眙气象站1957—2016年间20—20时累计降水量和年平均气温数据作为洪泽湖气象数据，数据来源于中国气象数据网(http://cdc.cma.gov.cn/).人文数据选用淮安市多年以来的人口、农作物播种面积以及人均地区生产总值，数据主要来源于《淮阴年鉴》38、《淮安统计年鉴》39以及淮安统计局.

　　3研究方法

　　3.1古地图(1708—1971年)处理方法

　　在Arcgis10.2环境下，统一采用WGS1984地理坐标系，选取Albers地图投影，对1708—1971年间幅古今地图进行配准.提取古地图中的湖泊形态后对照现代调查资料、地方志和档案文书中相关记载，对配准后的地图进行误差校正.具体而言，1949、1971年地图为现代地图，按照统一的经纬度坐标添加控制点进行地理配准，提取湖岸线.1708—1917年间《皇舆全览图》、《大清帝国全图》和民国六年旧地图为三幅历史地图，其中民国六年(1917年)旧地图包含较准确的经纬度信息，因此通过添加经纬网格点作为地理坐标控制点，对其先进行了配准.

　　《皇舆全览图》的配准则以年代接近、水域变化幅度相对较小且已配准后的民国六年(1917年)旧地图为底图，选取两幅古地图间特征点作为地理控制点，更新地理配准.采用统一方法，对《大清帝国全图》进行配准.幅古地图配准后，根据30分辨率数字高程数据结合清代与民国时期地方志等古籍资料进行小幅度修正.最后在统一投影坐标系下，对地图进行矢量化30,3，提取各个时期的湖域面积信息.

　　3.2遥感影像(1988—2016年)处理方法

　　基于对遥感影像的种类与质量、湖泊面积监测的时间跨度、湖泊面积提取的工作量与提取精度等因素的综合考虑，本文采取改进的归一化水体指数(MNDWI)与人工目视解译相结合的方法对长时间序列的洪泽湖水域进行遥感提取工作4041.

　　该方法克服了传统方法中建筑物对水体提取效果的影响，提高了水体提取的精度，适用于城市水体的提取.其计算公式为：NDWIreenMIRGreenMIR 式中，Green为绿波段，MIR为中红外波段.具体而言，本文在ENVI5.3环境下，通过水体指数法提取1981—2016年间期遥感影像中的洪泽湖水域变化信息，再通过人工目视解译对提取的湖泊结果进行检核修改，以提高湖泊提取的精度，完善信息提取.同时，利用Arcgis10.2平台对归一化处理后的遥感影像中的湖域要素进行矢量化，获得湖泊面积以及湖泊轮廓，并通过Arcgis10.2交集取反(SymmetricalDifference)工具对不同时期洪泽湖矢量图层进行空间叠置分析，得到不同时间洪泽湖湖域的增减情况.利用Excel、SPSS软件等统计方法，分析洪泽湖水域面积变化特征及其演化原因.

　　4结果与分析

　　4.1洪泽湖演变过程

　　4.1.1洪泽湖空间形态变化特征

　　1708—2016年洪泽湖空间形态演变过程.历史时期(1708年)的洪泽湖尚未形成固定湖岸线，与现代洪泽湖形态相比差异显著.清代晚期至民国初期(908—1917年)，洪泽湖形态与现代相比尽管存在差异，但轮廓基本趋于一致.建国以来(1949—2016年)，洪泽湖形态变化较小，仅局部小范围出现湖域增减变化，基本形态已经固定.

　　由于历史时期的洪泽湖形态差异较大且研究年份间的时间间隔较长，而建国后期的洪泽湖形态相似、变化较小且研究年份相近，因此，分别对历史时期(1708—1917年)的洪泽湖形态进行湖岸线叠置分析，对建国后(1949—2016年)的洪泽湖水域进行交集取反(symmetricaldifference)分析，得到不同时期洪泽湖形态变化特征.1708年洪泽湖总体水域较为宽阔，轮廓近似梯形;而1908年湖域出现明显收缩，尤其是北部水域萎缩显著，湖泊整体位置整体向西南方向偏移扩张;1917年洪泽湖水域形态与908年近似，西侧与北侧湖域面积减小，湖形趋于稳定.

　　4.1.2洪泽湖面积随时间变化特征

　　经对不同时期洪泽湖矢量化图层的几何计算，得到过去300多年来洪泽湖水域面积变化特征.整体上，洪泽湖面积呈萎缩趋势，面积共减少了269.17km.具体而言，历史时期(1708—1917年)，洪泽湖的湖域面积变化较为显著，由3078.78km减少至2335.73km;1949年，洪泽湖面积约为1500km.

　　其中，在1981—1988年和1995—2000年洪泽湖水域面积变化较明显，湖泊面积分别增加了187.47km和减少了218.43km以1708年作为湖泊动态变化度初始年份，其余各监测年份(1908—2016年间)分别作为末期时间，对洪泽湖的湖泊动态变化度计算分析.1708—2016年，洪泽湖面积呈减少趋势，总体动态变化度为0.17%，减少幅度相对较小.但在具体时段内，洪泽湖面积则出现较大幅度变化.例如，1995—2000年间，洪泽湖的动态变化度超过2%，同时1981—1988年及2007—2013年的动态变化度也均达到了1.5%.

　　同时，相关性分析还表明，洪泽湖区(淮安市)人口数量、人均地区生产总值及粮食作物播种面积与洪泽湖面积变化呈现显著的相关性(相关系数分别为0.852、0.332、0.762<0.0)，表明湖区人类活动可能是湖泊面积演化的主导因素.1960末—1970初期，受到“以粮为纲”的政策导向作用加之人口的迅速增长，洪泽湖沿岸围湖造田活动加剧，到了1990s开发湖荡更是成为当地居民的致富之道，这一系列活动导致湖泊逐渐演变为耕地和居住用地，水域面积逐渐缩小.21世纪以来，随着生态环境建设重要性逐渐受到重视，湖区实施了系列退耕还湖的举措，导致粮食作物播种面积逐渐减少，相应的湖泊面积也逐渐呈现增加趋势.

　　新中国成立后，在政府的高度重视下，洪泽湖湖区实施了一系列水利设施修建工程如1950s初期，在淮河下游开掘了长达168km的苏北灌溉总渠，并在湖泊东南部兴建了三河闸，随后在1980s修建了高良涧进水闸等水利设施.1990s政府对洪泽湖大堤又进行了次加固[48,5253].尽管上述举措有效提高了洪泽湖下游地区的防洪作用，但同时也增加了周边的土地利用强度，造成部分湖区水域面积的减少5356.

　　不同时期，湖泊演变过程的影响因素有所不同.历史时期湖泊的演变多由洪涝灾害、泥沙淤积等自然因素引起，例如古丹阳湖、硕项湖便是由于泥沙淤积而逐渐消亡5455;射阳湖也因水患引起泥沙淤积而萎缩为洼地5657;包括洪泽湖在内的苏北大运河两侧湖泊的演变，均受黄河夺淮的影响，且由南向北逐渐增强26.近代以来，围湖造田、兴建水利工程、湖周土地利用变化等人类活动成为湖泊演化的主导因素1420;近年来，随着湖泊旅游业以及城市化的发展，原先天然湖岸被改造成水泥岸堤和景观大道，湖岸线由于水泥固定化，湖形及其面积变化幅度较小，趋于稳定1658.受自然因素和人类活动影响，不同区域间湖泊有着不同的演变特征59].

　　江苏省湖泊大体呈扩张—萎缩—稳定演变特征.苏北大运河两侧湖泊变迁具有一致性26，例如洪泽湖下游的高宝诸湖，受黄淮关系影响，洪泽湖泥沙导致高宝诸湖近00来不断萎缩.将洪泽湖的演变与高宝诸湖的变迁进行对比，发现二者变化趋势与时间节点基本同步7,12,30,60];位于苏南地区的太湖，早期受气候、降水、海面波动以及三江(松江、钱塘江、浦阳江)的淤废等自然因素影响而不断扩张6163.后经宋代至元明清三朝对三江的大规模整治改造，其泛溢趋势得以控制49.近年来，围垦和淤积导致众多湖泊消失59.近代洪泽湖、太湖流域等经济发达区域的湖泊，大都因滩地围垦、水利建设等强烈的人类经济活动而萎缩1428294659.

　　5结论

　　本文基于ArcGIS与ENVI软件，利用18世纪初以来的古地图、19812016年间的遥感影像数据，结合历史文献、自然人文等数据资料，综合分析300年来洪泽湖时空演变特征及其演化原因，主要得出如下结论：

　　1708—2016年间，洪泽湖水域面积随时间不断变化，总体呈下降趋势.清代至民国时期(17081917年)，洪泽湖面积变化显著，由1708年的3078.78km下降至1917年的2335.73k，共减少743.05km，年际缩减速率为0.;建国后，洪泽湖面积由1949年的1757.60km减少至2016年的1488.43km，共减少了269.17km.其中面积最大值出现在1988年(1682.19km)，面积最小值出现在2000年(1352.7km)

　　1708—2016年间，洪泽湖空间形态总体上表现为由四周向湖心缩小的趋势.1970s—1908s年间主要表现为西部和西南部湖区的急剧萎缩，1980s1990s期间主要表现为西南湖区的扩张，1990湖域再次萎缩，主要集中于西部，21世纪以来洪泽湖变化主要分布集中于湖区西部和东北部，且变化较小.

　　农业论文投稿刊物：《湖泊科学》创刊于1989年，由中国科学院南京地理与湖泊研究所和中国海洋湖沼学会联合主办。

　　不同时期，影响洪泽湖水域面积的主导因素各不相同.清中期以前，黄淮关系以及高家堰等水利枢纽的修建，是影响洪泽湖演变的主要因素，丰沛的降水也进一步导致洪泽湖的扩张;清末民初，在湿转干的气候变化背景下，黄河改道导致的水源减少以及人口增长引起的湖滨围垦，使洪泽湖面积不断萎缩;建国后，湖区人口增长、人类围垦活动以及水利工程的修建等人类活动逐渐成为影响洪泽湖水域面积变化的主导因素.

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　　作者：卞宇峥，薛滨1,2**，张风菊