近60年固城湖湖泊面積時空變化特征及其驅動力分析

王冬梅，張 明，王軼虹，陳 麗，石一凡，梁文廣

（1.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；2.江蘇省水利學會，江蘇 南京 210029）

湖泊是陸地水圈的重要組成部分，對全球變化響應極為敏感，具有蓄洪、供水、養殖、調節氣候、凈化污染和保護生物多樣性等多種功能，在整個經濟社會持續發展中起到重要作用［1-4］。江蘇省跨江濱海，湖泊眾多，水網密布，水面面積占比約16.9%。近年來隨著社會經濟的發展，湖泊萎縮、湖泊生態功能退化等問題的發生。利用遙感技術的經濟性、實時性和動態性優勢，揭示湖泊面積動態變化規律，分析氣候變化及人類活動對湖泊面積變化的影響，對湖泊水資源合理開發和保護具有重要意義［5-8］。

1949年以來固城湖面積變化較大，一度縮小至原來的41%左右，近期在推進退圩還湖和水域面積恢復，在江蘇重點湖泊中具有典型代表意義。選取固城湖為研究對象，基于多源遙感數據，提取分析20世紀60年代至21世紀20年代固城湖水面面積及時空分布特征，定性分析固城湖面積動態變化規律及影響面積變化的驅動力因素，以期為固城湖湖泊保護提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

固城湖俗稱“小南湖”，位于南京市高淳區，緊鄰安徽省宣城市，是水陽江下游一座天然調蓄性湖泊，周邊圩區主要有永聯圩、永勝圩、躍進圩、永兆圩、浮山圩和花聯圩等。固城湖四季分明，降水充沛，湖區呈三角形—北寬南窄，四周河網密布，平均水深1.6 m。

固城湖是長江下游青戈江、水陽江流域的重點調蓄性湖泊，湖泊水面和主要提防均位于高淳境內，其在徑流調蓄、農業灌溉、水產養殖以及維持生態平衡等方面發揮著重要作用。由于中生燕山運動斷裂作用，形成洼地，全新世初期洼地西部通江缺口受堵，泥沙不斷沉積，形成古丹陽湖；此后由于古丹陽湖西部三角洲發展，湖泊日益淤淺，湖面縮小分為固城湖、石臼湖和丹陽湖；由于泥沙的不斷淤積和建國后的湖灘圍墾，固城湖急劇萎縮，

1.2 數據來源

本研究選取Corona影像、Landsat影像、ALOS影像和國產GF-2影像4種高分辨率遙感影像數據提取固城湖水面變化，影像具體信息如表1所示。其中Landsat影像采用非標準假彩色合成圖像，可以清晰地顯示水體邊界信息。非同源數據處理過程中，設定2020年GF-2號為基準影像，作為其他影像的糾正標準。

表1 數據源信息

本研究選擇固城湖周邊行政區高淳的氣象和社會經濟統計數據，其中氣象數據（年降水量和年平均溫度）來源于江蘇省氣象局，選取1960—2020年高淳氣象站點實測數據；社會經濟統計數據（年末人口、農業總產值和工業總產值）來源于《江蘇省統計年鑒》《南京市統計年鑒》和《江蘇四十年》。

2 研究方法

目前有關水體提取的方法有很多，為減少不同數據源之間水面面積提取誤差，本研究采用人機交互法提取固城湖20世紀60年代至21世紀20年代水面面積，水域提取標準是湖泊范圍內對應水域面積，包括豐水期淹沒的灘地面積，剔除湖泊范圍內圈圩養殖面積。首先基于卷積神經網絡（Convolutional Neural Networks,CNN）語義分割模型自動提取水面面積，然后在此基礎上，人工根據影像對水域邊界進行精細修改，依據影像規則紋理特征、圩梗判別圈圩養殖水面；依據影像水體邊界深淺明暗部分判別灘地范圍。

3 結果分析

3.1 湖泊面積動態變化

本研究根據高分辨率衛星遙感影像獲取固城湖湖泊面積變化，通過分析固城湖面積空間變化（圖1）可知，20世紀60年代至80年代期間,固城湖水域出現大面積萎縮；其中，固城湖南部、東北部在此期間均發生2次規模萎縮；在20世紀70年代“以糧為綱”的農業背景影響下，固城湖西南部被大量圍墾，出現大面積萎縮現象。20世紀80年代后，隨著國家相關法律、政策的出臺，以及“退耕還湖”、水產養殖等農業結構政策調整，固城湖大范圍圍墾行為基本結束，故20世紀80年代至21世紀20年代期間，固城湖形態逐漸趨于穩定，變化較少。通過分析固城湖面積變化可知，如圖2和表2所示，20世紀60年代至80年代期間，固城湖湖泊面積處于快速萎縮狀態，平均以2.19 km2/a速率迅速減少；其中20世紀70年代至80年代期間水面面積萎縮最為嚴重，共萎縮38.04 km2，變化率為54.96%；20世紀80年代至21世紀20年代期間，固城湖水面面積變化小于1 km2，基本維持穩定。

圖1 20世紀60年代至21世紀20年代固城湖湖泊時空變化

圖2 20世紀60年代至21世紀20年代固城湖湖泊面積變化

表2 20世紀60年代至21世紀20年代固城湖湖泊面積變化量

3.2 驅動力分析

3.2.1 自然因素

本研究選取自然因子（年降水量和年平均氣溫）對固城湖水面面積變化進行驅動力分析。1960—2020年固城湖氣候發生了較為顯著的變化（圖3），年平均氣溫顯著升高，平均變化率為每10年0.3℃，明顯高于全國平均水平（每10年0.22℃）［9］；降水量年際差異較大，多年來降水平均值為1 233 mm，其中1978年降水量最少為568 mm，2016年降水量最多為2 423 mm。

結合圖1和圖3可以看出，固城湖湖泊面積在20世紀60年代至80年代期間呈現大面積萎縮趨勢，該時期內湖泊變化趨勢與降水有較高的一致性；1960—1980年間降水最大值為1 465 mm，降水最小值為568 mm，共有12年降水量值低于多年平均值，降水量減少容易導致湖泊水位降低、淺灘露出，便于人類圍墾；受當時“以糧為綱”農業政策的影響下，1978年開始對固城湖進行圍墾，造成固城湖面積急劇縮小。該時期內氣溫升高對湖泊面積變化也有間接影響，在降水保持穩定時，氣溫升高可能會導致水面蒸發量變大，入湖量徑流量減少，從而造成固城湖水位降低。20世紀80年代后，隨著國家有關法律、政策的出臺，固城湖大范圍的圍墾行為基本結束，20世紀80年代至21世紀20年代期間，年降水量減少和年平均氣溫的增加對湖泊面積變化影響較小。

圖3 1960—2020年降水距平值和年平均氣溫變化

3.2.2 社會經濟因素

本研究選取社會因子（年末人口、農業總產值和工業總產值）對固城湖水面面積變化進行驅動力分析。由圖4可以看出，20世紀60年代至80年代期間，高淳縣年末人口呈現快速增長趨勢，農業總產值和工業總產值也出現緩慢增長。隨著高淳縣人口的增加、社會經濟穩定增長，以及70年代“以糧為綱”的時代背景影響下，高淳人民開始對固城湖進行圍墾，從而導致固城湖面積急劇減少；80年代之后開始修筑堤壩，固城湖面積趨于穩定。

圖4 20世紀60年代至21世紀20年代年人口和工農業總產值變化

3.3 退圩還湖與水面恢復

固城湖是水陽江、青戈江流域重要的調蓄湖泊，20世紀60年代以來，在“以糧為綱”時代背景影響下，固城湖被大量圍墾，造成湖泊萎縮、生態退化。為恢復固城湖水域面積和湖泊容積，增加湖泊調蓄功能，改善湖泊流動性，提升生態系統功能，促進經濟可持續發展，實施固城湖退圩還湖工程十分必要。同時實施固城湖退圩還湖工程是積極響應國家生態文明建設的一項重要生態治理工程。

自2013年起，高淳區政府啟動退圩還湖編制工作，2018年8月固城湖北側永聯圩退圩還湖工程項目獲批，2019年12月開始實施，預計3年完成，該工程清退周邊圩區形成湖面，擬恢復固城湖自由水面5.988 km2，新建堤防岸線7.2 km。通過湖底清淤、生態修復帶等工程，改善湖泊水質，修復改善固城湖水生態環境、提升生態系統功能。

4 結論與建議

本研究基于高空間分辨率遙感衛星影像，采用人機交互法提取20世紀60年代至21世紀20年代固城湖面積時空變化規律，結合氣象數據和社會經濟統計數據分析影響固城湖變化的驅動力因素，主要得到以下結論：

（1）近60年來，固城湖水面面積在20世紀60年代至80年代期間呈現快速萎縮狀態，由60年代的75 km2萎 縮 至80年 代 的31.17 km2，面 積 共 減 少43.83 km2，平均以2.19 km2/a速率減少；20世紀80年代至21世紀20年代期間，固城湖水面面積變化較小，形態保持穩定，現湖泊面積維持在30.79 km2；實施退圩還湖工程項目后，固城湖擬新增自由水面5.988 km2，面積擬恢復至36.788 km2。

（2）由驅動力分析結果可知，固城湖面積萎縮主要受人類活動的影響，固城湖面積變化的主要驅動力因素是年末人口的增長和農業總產值的增加；間接影響因素是年降水量減少和年平均溫度的升高。

鑒于以上分析，建議繼續加強水域岸線空間監測，對水域侵占行為及時發現，及時處置，確保水域面積不減少；提高全社會的湖泊環境治理與保護意識，積極推進周邊圩區退圩還湖和水面恢復，推進河湖水域岸線生態修復，打造省級水域保護和幸福河湖示范樣板，實現固城湖水資源的可持續利用，促進周邊地區生態文明建設和社會經濟協同發展。