1988—2017年洪澤湖自然湖面變化特征及其影響因素

趙玉

摘要：以Landsat TM/ETM+遙感影像作為數據源，基于GIS和RS技術，利用年變化率和湖泊變化強度指數等方法定量分析1988—2017年洪澤湖湖面變化趨勢及特征，通過收集1988—2018年洪澤湖地區的氣象數據以及人工圍養數據，結合當地實際深入研究湖面變化主要原因。①1988—2017年，洪澤湖自然湖面整體上呈萎縮-平穩-萎縮的態勢，近30年共減少125.81 km2，相對萎縮速率為9.88%，強度變化指數（Q）為-0.34。相比而言，第三階段（2009—2017年）減少較為顯著，第一階段（1988—2000年）次之，第二階段（2000—2009年）較穩定，其Q分別為-0.61、-0.24和-0.13;從區域位置上來看，洪澤湖面積變化主要集中在湖區西部，其次是東北部。②氣溫與降水量因子均與湖面變化呈線性相關，氣溫在1988—2018年總體升高，促使蒸發量增大;其降水量的變化也導致湖泊補給量下降。③洪澤湖沿岸的養殖業造成自然湖面萎縮，1988—2017年人工養殖面積擴大了20倍，直接導致自然湖面損失5.0%。④湖泊階段變化中，政策變化以及洪澇災害也是影響洪澤湖自然湖面變化的驅動因子。1988—2017年洪澤湖自然湖面基本呈逐步萎縮的態勢，氣象因素、政策變化以及洪澇災害情況導致湖面的萎縮，但圍網養殖是導致其變化的主要原因。

關鍵詞：洪澤湖;自然面積變化;驅動因子;人工圍養

中圖分類號：X52? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）18-0048-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.18.010

Characteristics and influencing factors of natural lake

level change of Hongze lake in 1988—2017

ZHAO Yu

（College of Public Administration， Hohai University，Nanjing? 210098，China）

Abstract： Using Landsat TM/ETM+ remote sensing image as data source， based on GIS and RS technology， using annual change rate and lake change intensity index and other methods to quantitatively analyze the change trend and characteristics of Hongze lake in 1988—2017. By collecting the meteorological data and artificial conservation data of Hongze lake in 1988—2018， combined with the local actual situation， the main causes of area change were studied in depth. ①From 1988 to 2017， the natural lake surface of Hongze lake showed a trend of shrinking-stable-shrinking. In the past 30 years， it decreased 125.81 km2， the relative shrinking rate was 9.88%， and the intensity change index （Q） was -0.34. In comparison， the third stage （2009—2017） decreased significantly， followed by the first stage （1988—2000）， and the second stage （2000—2009）， which was relatively stable， with Q of -0.61， -0.24 and -0.13， respectively. In terms of regional location， the change of Hongze lake area was mainly concentrated in the west of the lake area， followed by the northeast. ②Both temperature and precipitation factors are linearly related to the change of lake level， and the overall increase of temperature in 1988—2018 promotes the increase of evaporation; The change of precipitation also leads to the decrease oflake supply. ③From 1988 to 2017， the area of artificial aquaculture expanded 20 times， which directly led to the loss of 5.0% of the natural lake. ④During the change of lake stage， policy change and flood disaster are also the driving factors that affect the change of the natural lake surface of Hongze lake. From 1988 to 2017， the natural lake surface of Hongze lake basically showed a trend of gradual shrinking. Meteorological factors， policy changes and flood and waterlogging disasters caused the lake surface to shrink， but purse seine farming was the main reason for its change.

Key words： Hongze lake; natural area change; influence factor; culture in enclosure

湖泊作為人類發展必不可少的自然資源，其在調節徑流、保持水土及防洪灌溉等方面發揮著重大作用[1]。開發、利用與保護湖泊資源已經成為人類生存與社會可持續發展的重要研究課題。隨著遙感技術的發展，利用該技術的宏觀性、動態性和經濟性優勢[2]，可以準確客觀獲取湖面變化趨勢和特征，促進湖泊流域的合理開發、利用和保護。經濟的快速發展以及人類活動的強烈干預加快了江湖阻隔，作為中國東部淺水湖較為集中區，長江中下游湖泊面積持續萎縮，自然環境及水質不斷惡化[3]。洪澤湖作為淮河中下游地區最大的攔洪蓄水平原湖泊型水庫，具有防洪灌溉、調節水量和水產養殖等綜合效能，對于流域內經濟發展和人民生活具有重大意義[4]。隨著人口的增長和經濟的發展，加之自然變化和人類活動，洪澤湖面積逐年減少。特別是由于人類活動導致自然湖面被堤壩隔絕、圍墾，用于養殖、造田，造成泥沙淤積，使自然湖面日益縮小，影響湖泊調節洪水的能力，加劇湖區洪澇災害的發生，造成了湖泊生境與生物多樣性破壞，對洪澤湖水質惡化有一定的影響[5]。

已有研究表明，20世紀30年代到20世紀末，70年間洪澤湖的湖泊面積共減少317.22 km2[6]，1979—1988年，由于人類活動洪澤湖西岸臨淮鎮附近的湖區大部分已經變成了養殖池塘或者圍網養殖區[7]。人為原因導致湖泊萎縮的同時，持續破壞湖泊生境，導致湖泊生態功能退化[8]。為了進一步研究近30年洪澤湖面積變化現狀，本研究收集了洪澤湖地區1988—2017年不同時期的Landsat TM/ETM遙感數據，在遙感和地理信息系統的支持下，研究了近30年來自然湖面的變化狀況。并利用研究區內人工圍養信息及氣象數據，結合相關文獻，分析了研究區變化的內外原因，研究結果可為區域內湖泊保護、協調區域湖泊資源開發與生態環境保護提供一些科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

洪澤湖位于33°06′—33°40′N和118°10′—118°52′E，是淮河流域最大的湖泊。在江蘇省北部，京杭大運河以西，地處淮河、沂河等水系的中下游（圖1），是中國的第四大淡水湖，也是重要的水上運輸樞紐，具有防洪灌溉、調水運輸、調節氣候以及保護生物多樣性等綜合利用功能[9]。洪澤湖屬于過水性湖泊，湖面隨水位而波動。在自然區劃上，洪澤湖既屬于黃淮海平原和長江中下游的過渡區，也處于中國北亞熱帶與南暖溫帶的過渡地帶，四季分明，季風氣候顯著，植物區系豐富，區位優勢明顯，在江淮乃至長江中下游地區都是一個典型的濕地[10]。

1.2 數據處理與方法

1.2.1 數據源 4期Landsat TM/ETM+影像均來自于美國地質勘探局（United States geological survey，USGS）。由于湖面存在一定的季節性變化，因此本研究選用的影像均在相近月份。研究區能夠獲取的比較完整的Landsat TM數據有4期，分別為1988年10月、2000年9月、2009年10月、2017年10月的Landsat TM影像（表1）。

氣象數據來源于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/），選用泗洪（58135）地面基準站1988—2018年氣溫和降水參數數據，以此分析影響湖泊自然面積變化的自然因素。

1.2.2 數據處理 4期遙感影像均完好無損，空間分辨率為30 m。數據已由USGS經過正射糾正。不同時期的影像沒有明顯的位置偏移，匹配程度都較高，不需要進行幾何校正。TM影像采用波段 5、4、3合成假彩圖像，分別以紅、綠、藍3種顏色顯示，符合人類感官習慣。在此種波段組合上，水體呈現藍色或淡藍色，但建筑物呈現紅色，植被呈現綠色，各地物有明顯的特征差別[11]。自然湖面與其他地物不同，容易區分。

1.2.3 研究方法 自然湖面、圍養區域邊界提取采用ArcGIS 10.2軟件，以人機交互方式通過目視解譯生成洪澤湖自然湖面和圍養區的矢量圖層數據[12]，分別建立4個時期面積的數據庫，以此為基礎，利用GIS的疊加分析功能，獲取不同時期洪澤湖變化面積。Landsat TM 影像以波段5、4、3組合，湖水顯示為藍色，可以明顯看出與周圍地物不同，易于提取。而養殖區一般分布在湖區周圍，顏色與水體相似，從影像上看不易區分。但是人工圍養區域一般是規則排列，有整齊的圍墻線，而圍墻線的顏色在影像上容易識別。因此，以圍欄為界劃分圍養區和自然湖面。

針對以上處理不同時期的自然湖面邊界矢量數據，利用ArcGIS 10.2，快速地對不同年代湖面多邊形進行處理，計算面積并快速地估算湖面擴張或萎縮速率，以及湖泊強度變化指數，進而有效地研究自然湖面變化趨勢。并結合研究區實際情況，分析氣象數據、人工圍養數據、政策變化以及洪澇災害等情況，深入探討其變化驅動機制。

研究引入年變化率[13]作為衡量洪澤湖自然湖面擴張或萎縮的一個指標，其計算公式為：

[B=S末-S初S初×1T×100%]? ? ? （1）

式中，B表示研究時段內湖泊年變化率，如果B>0，表示自然湖面是增加的，反之，則表示自然湖面是減少的;S末、S初分別為湖泊研究期末和研究期初的自然面積;T為研究間隔時段年數。

通過構建湖泊變化強度指數[13，14]定量分析自然湖面變化相對強度，其計算公式為：

[Q=ΔSaΔTa×S×100]? ? ? （2）

式中，Q表示自然湖面變化強度指數;ΔSa表示a時間段內自然湖面變化面積;ΔTa表示研究時間差，S表示湖泊總面積（本研究選取1988年數據）。

1.2.4 不確定性及誤差評估 湖泊面積誤差可視為一種測量誤差，由系統誤差和偶然誤差組成。由陰影和人類理解差異引起的誤差（或錯誤）可視為系統誤差，這種誤差可以通過選擇高質量的遙感圖像和提高湖泊解譯精度來減少，但不能準確估計[15]。而分辨率、光譜特征、云層覆蓋、主觀誤差屬于偶然誤差，可用誤差理論來估算：

[δ=δ12+δ22+δ32…+δn2]? ? （3）

式中，δ1，δ2，δ3，…，δn，為互不相關的誤差變量;δ為總體誤差。

人為主觀誤差及云層覆蓋差異造成的誤判無法獨立估算，可將其視為一個獨立誤差來對待，通過多次測量的方法來估算[16]。在本研究區，湖泊表面較清晰，只有2017年影像有少量云層影響。因此，對于湖泊面積而言，主要的影響因素來自圖像分辨率和不同操作者帶來的主觀誤差。

分辨率造成的誤差主要表現在湖區邊緣和養殖區的界限有誤差。因此，由分辨率造成的誤差可通過湖泊與陸地邊緣的像元數量計算獲得[17]。在實際計算中，可利用ArcGIS緩沖區（Buffer）計算獲得。4期影像的糾正精度均為15 m，1988、2000、2009、2017年的總精度分別為15.3、15.3、15.4、15.6 m。4期的誤差均小于2.5%，即精度在97%以上。不同操作者的解譯誤差可以用多次測量的標準誤差來表示，真實值可以用多次測量值的平均值來表示。通過不同操作者解譯獲得的湖泊面積，4期的誤差均小于2%，即精度在98%以上。

分辨率、主觀誤差屬于偶然誤差，基于誤差理論估算，4期誤差分別為0.57%、0.58%、0.56%和3.15%，均控制在3.5%之內，即精度在96%以上，表明所有被使用的影像數據和所提取的邊界數據有效可靠。

2 結果與分析

2.1 自然湖面時空變化特征

通過目視解譯獲取的湖泊面積基礎數據，由表2可以看出，1988年洪澤湖自然面積為1 273.93 km2，2017年面積為1148.12 km2，1988—2017年面積共減少了125.81 km2，占湖泊總面積的9.88%，年變化率為-0.34%，湖泊變化強度指數為-0.34，整體呈逐年萎縮趨勢。洪澤湖自然面積變化具有明顯的階段性差異，第一階段（1988—2000年），自然湖面面積減少了39.88 km2，占湖泊總面積的3.13%，年變化率為-0.26%;湖泊變化強度指數為-0.24;第二階段（2000—2009年），面積減少了16.09 km2，占湖泊總面積的1.3%，年變化率為-0.14%，湖泊變化強度指數為-0.13，與第一階段相比，第二階段依然呈減少趨勢，減速僅為第一階段的1/2;第三階段（2009—2017年），湖泊面積減少了69.84 km2，占湖泊總面積的5.73%，年變化率為-0.72%，湖泊變化強度指數為-0.61，與第二階段相比，第三階段萎縮速率成倍加快，約是第二階段的5倍。30年間，萎縮速率呈增大-減小-再增大的趨勢。

圖2表明，1988—2017年洪澤湖面積變化主要集中于東北部及淮河入湖口的西南部，其在4個時期內都存在明顯的變化，東南及西北部面積變化較不明顯。湖泊西部在1988—2000年變化幅度較大，呈不斷萎縮的趨勢;湖泊南部和北部變化幅度相對較小，仍有部分區域，如淮河入湖口的西部部分區域呈現擴大的趨勢，這與該水域為江蘇泗洪洪澤湖濕地自然保護區核心區的一部分有關，由于這里建立了保護區，是洪澤湖區保護得最好的湖泊部分。從2000和2009年兩期面積對比可以看出，這10年來面積變化較穩定，除東北部及西部一小部分萎縮外，基本處于重合狀態。2009—2017年湖泊萎縮較為顯著，湖區的南部、西部以及東北部均存在面積萎縮現象。

2.2 年平均氣溫與降水量變化

如圖3所示，1988—2018年洪澤湖地區氣溫變化較平緩，有輕微上升趨勢。升溫速率為0.4 ℃/10年，明顯高于全國平均水平[18]。其中，2007年溫度最高，達16.16 ℃，1991年最低，僅為14.14 ℃。將1988—2018年年均溫與洪澤湖自然面積變化進行相關性分析（圖4），決定系數（R2）為0.888 8，在α=0.05水平上顯著相關，表明洪澤湖自然面積減少與氣溫升高密切相關。高溫會導致蒸發量增加，從而造成湖泊面積萎縮。

降水作為湖泊水量最直接的補給，近30年來，受季風氣候影響洪澤湖地區降水較為豐沛。由圖3可知，1988—2018年洪澤湖地區降水量波動變化，呈微弱減少趨勢，極大值為1 526 mm，出現在2003年，而在2004年達到了降水極小值，僅為521.6 mm，多年平均降水量為944.59 mm。其中，1988—2003年降水量呈增加趨勢，而在2003—2018年波動最為明顯，呈現減少趨勢。由相關性分析（圖4）可知，R2=0.661 7在α=0.05水平上顯著，說明降水量的變化對洪澤湖自然面積的變化有一定的影響。

2.3人工養殖面積的變化

基于實地考察，目前洪澤湖的周邊遍布圍養區，故人類活動的影響因素主要選取與湖區重合的圍養區變化進行研究。對4期遙感影像解譯顯示，湖區周邊由于水產業發展，西部與東北部養殖范圍較大，從圖5可以看出，1988年養殖區較少，到2017年明顯呈倍數擴張。此階段洪澤湖周邊漁民靠水吃水，大力發展養魚、養蟹等項目。

由于水產養殖業的迅猛發展及經濟利益的驅使，在引水條件較好的耕地上普遍出現開挖魚塘的現象。特別是洪澤湖東北部地區，由于水草豐美適合養蟹，該區域湖泊利用強度相對較大。有研究表明，1979—2002年洪澤湖天然濕地內已有約6.5 km2的濕地轉變為養蟹塘、圍網養蟹區等各類養殖區，特別是20世紀80年代末以來，許多天然濕地由于養蟹熱的興起被圍墾[7]，這與本研究變化趨勢相似。如圖6所示，1988年人工養殖剛興起，面積較小，僅有3.12 km2，2017年面積達66.5 km2，1988—2017年養殖面積平均增長速率為2.19 km2/年。其中，1988—2000年的養殖面積平均增長速率為2.30 km2/年，2000—2009年的平均增長速率僅有1.20 km2/年，2009—2017年繼續加快，平均增長速率為3.12 km2/年。洪澤湖周邊養殖具有明顯的擴張趨勢，不斷由湖區邊界向湖區中心擴散，西部和東北部尤為明顯，其他養殖區域呈零散分布。由于湖區周邊人工圍養面積的逐年擴張，占用了部分湖泊面積，從而導致洪澤湖水域面積的減少。

由圖7可以看出，洪澤湖養殖面積增加趨勢與湖泊面積減少趨勢相一致，經Pearson相關系數分析，人工圍養與自然湖面變化在α=0.05水平上顯著相關（P=-0.956）。1988—2017年自然湖面共減少125.81 km2，而人工養殖面積增加63.38 km2，直接導致湖面損失5.0%，占湖面面積萎縮總量的50.38%，相較于氣溫降水自然因素的影響，人工養殖是導致湖泊變化的主導因素。

2.4 政策及洪澇災害情況

將湖泊變化分為3個階段，第一階段（1988—2000年），自然湖面減少較快，人工養殖面積增加迅速;第二階段（2000—2009年），相比前一階段，人工圍養變化率呈大幅下降，自然湖面基本不變;第三階段（2009—2017年），自然湖面與養殖面積變化都較快。第二階段相比第一、第三階段，變化較不顯著。

研究表明， 2000—2009年湖泊開發相關政策發生變化，尤其關于人工圍養。2000年十五屆五中全會著重強調了水利基礎設施的建設，這對湖區周圍養殖起到一定限制作用;2004年，江蘇省出臺了第一個針對湖泊保護的地方性法規《江蘇省湖泊保護條例》，緊接著，2006年又批準了《江蘇省省管湖泊保護規劃》，這對洪澤湖的治理有了明確的目標和要求，有效控制了人工圍養擴張。2008年，為更好地管理與保護洪澤湖，設立江蘇省洪澤湖水利工程管理處，在其內部設立專門的湖泊管理部門[19]。一系列政策均是圍繞保護洪澤湖濕地生態系統而展開，在一定程度上抑制了人工養殖面積的擴張。這一階段，洪澤湖地區在2003、2006、2007年相繼發生洪澇災害，造成較大損失。從降水量分析中可以發現，洪澤湖地區降水量波動變化，尤其在2003年出現降水量極大值（1 526 mm），這一年洪澤湖遭遇特大的高水位洪澇災害[20]，湖區大部分養殖戶嚴重虧本，紛紛撤離該地，養殖積極性受到重創，造成很多圍網被撤銷或漁民棄塘不養。部分漁民的圍網、漁具以及船只被洪水破壞后，無法進行大型捕撈，只有外出打工來維持生活。2006、2007年又相繼發生洪澇，這對湖區周邊養殖業的發展產生了巨大沖擊，導致第二階段湖面萎縮減緩。經過一段時間的休整，在第三階段（2009—2017年），圍養面積又繼續擴張，特別是隨著水產養殖業的發展，湖區面積又繼續大幅減少。

3 討論

洪澤湖自然湖面基本呈萎縮態勢[6-10]，近30年（1988—2017年）洪澤湖面積變化速率明顯加快。本研究發現，圍網養殖是導致湖面萎縮的主要原因，氣象因素、政策變化以及洪澇災害也是影響湖泊變化的重要因素，如何準確區分這幾者的影響有待進一步研究。目前國家已出臺許多相關政策和措施，但實施力度與作用時間不夠持久，因此在一定區位優勢和政策優勢基礎上[21]，應繼續推進“退漁還湖、退圩還湖”的治理，不斷完善《防洪法》《湖泊保護條例》《江蘇省河道管理條例》等法律法規，充分利用現有的水利設施，穩定水位，注意蓄水與泄洪保護。同時加強洪澤湖周圍漁民的環保意識，在保證湖面不繼續萎縮、不污染環境的條件下，適當發展養殖產業，以實現該地區的資源、環境與經濟的和諧發展。

4 小結

1）近30年（1988—2017年），洪澤湖自然面積不斷減少，2017年面積最小，為1 148.12 km2，1988年面積最大，為 1 273.93 km2，共減少了125.81 km2，湖面萎縮主要分布在湖區西部和東北部。

2）將自然湖面變化分為3個階段，其年變化率分別為-0.26%、-0.14%、-0.72%，湖泊變化強度指數分別為-0.24、-0.13和-0.61。

3）自然因素的作用持續施加影響，氣溫變化趨勢與自然湖面萎縮呈近線性相關，而年均降水量對其影響較小;1988—2017年湖區周邊人工圍養面積不斷增加，占用自然湖面，在一定程度上導致湖面萎縮，相較于氣象因素，湖區內的人工養殖對其影響更大。

4） 湖泊階段變化中，政策變化以及洪澇災害也是重要的影響因子。2000—2009年湖泊開發相關政策發生變化，尤其關于人工圍養;洪澤湖地區在2003、2006、2007年多次發生洪澇災害，對養殖業造成巨大沖擊，導致湖泊利用強度減小。

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