王冬梅，張 明，王軼虹，陳 麗，石一凡，梁文廣

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；2.江蘇省水利學(xué)會(huì)，江蘇 南京 210029）

湖泊是陸地水圈的重要組成部分，對(duì)全球變化響應(yīng)極為敏感，具有蓄洪、供水、養(yǎng)殖、調(diào)節(jié)氣候、凈化污染和保護(hù)生物多樣性等多種功能，在整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展中起到重要作用［1-4］。江蘇省跨江濱海，湖泊眾多，水網(wǎng)密布，水面面積占比約16.9%。近年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，湖泊萎縮、湖泊生態(tài)功能退化等問(wèn)題的發(fā)生。利用遙感技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性優(yōu)勢(shì)，揭示湖泊面積動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，分析氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)湖泊面積變化的影響，對(duì)湖泊水資源合理開發(fā)和保護(hù)具有重要意義［5-8］。

1949年以來(lái)固城湖面積變化較大，一度縮小至原來(lái)的41%左右，近期在推進(jìn)退圩還湖和水域面積恢復(fù)，在江蘇重點(diǎn)湖泊中具有典型代表意義。選取固城湖為研究對(duì)象，基于多源遙感數(shù)據(jù)，提取分析20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)20年代固城湖水面面積及時(shí)空分布特征，定性分析固城湖面積動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及影響面積變化的驅(qū)動(dòng)力因素，以期為固城湖湖泊保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

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

固城湖是長(zhǎng)江下游青戈江、水陽(yáng)江流域的重點(diǎn)調(diào)蓄性湖泊，湖泊水面和主要提防均位于高淳境內(nèi)，其在徑流調(diào)蓄、農(nóng)業(yè)灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及維持生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要作用。由于中生燕山運(yùn)動(dòng)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(yáng)湖；此后由于古丹陽(yáng)湖西部三角洲發(fā)展，湖泊日益淤淺，湖面縮小分為固城湖、石臼湖和丹陽(yáng)湖；由于泥沙的不斷淤積和建國(guó)后的湖灘圍墾，固城湖急劇萎縮，

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選取Corona影像、Landsat影像、ALOS影像和國(guó)產(chǎn)GF-2影像4種高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)假彩色合成圖像，可以清晰地顯示水體邊界信息。非同源數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，設(shè)定2020年GF-2號(hào)為基準(zhǔn)影像，作為其他影像的糾正標(biāo)準(zhǔn)。

表1 數(shù)據(jù)源信息

本研究選擇固城湖周邊行政區(qū)高淳的氣象和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中氣象數(shù)據(jù)（年降水量和年平均溫度）來(lái)源于江蘇省氣象局，選取1960—2020年高淳氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（年末人口、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和工業(yè)總產(chǎn)值）來(lái)源于《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》《南京市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《江蘇四十年》。

2 研究方法

目前有關(guān)水體提取的方法有很多，為減少不同數(shù)據(jù)源之間水面面積提取誤差，本研究采用人機(jī)交互法提取固城湖20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)20年代水面面積，水域提取標(biāo)準(zhǔn)是湖泊范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)水域面積，包括豐水期淹沒(méi)的灘地面積，剔除湖泊范圍內(nèi)圈圩養(yǎng)殖面積。首先基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks,CNN）語(yǔ)義分割模型自動(dòng)提取水面面積，然后在此基礎(chǔ)上，人工根據(jù)影像對(duì)水域邊界進(jìn)行精細(xì)修改，依據(jù)影像規(guī)則紋理特征、圩梗判別圈圩養(yǎng)殖水面；依據(jù)影像水體邊界深淺明暗部分判別灘地范圍。

3 結(jié)果分析

3.1 湖泊面積動(dòng)態(tài)變化

本研究根據(jù)高分辨率衛(wèi)星遙感影像獲取固城湖湖泊面積變化，通過(guò)分析固城湖面積空間變化（圖1）可知，20世紀(jì)60年代至80年代期間,固城湖水域出現(xiàn)大面積萎縮；其中，固城湖南部、東北部在此期間均發(fā)生2次規(guī)模萎縮；在20世紀(jì)70年代“以糧為綱”的農(nóng)業(yè)背景影響下，固城湖西南部被大量圍墾，出現(xiàn)大面積萎縮現(xiàn)象。20世紀(jì)80年代后，隨著國(guó)家相關(guān)法律、政策的出臺(tái)，以及“退耕還湖”、水產(chǎn)養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)政策調(diào)整，固城湖大范圍圍墾行為基本結(jié)束，故20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)20年代期間，固城湖形態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，變化較少。通過(guò)分析固城湖面積變化可知，如圖2和表2所示，20世紀(jì)60年代至80年代期間，固城湖湖泊面積處于快速萎縮狀態(tài)，平均以2.19 km2/a速率迅速減少；其中20世紀(jì)70年代至80年代期間水面面積萎縮最為嚴(yán)重，共萎縮38.04 km2，變化率為54.96%；20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)20年代期間，固城湖水面面積變化小于1 km2，基本維持穩(wěn)定。

圖1 20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)20年代固城湖湖泊時(shí)空變化

圖2 20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)20年代固城湖湖泊面積變化

表2 20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)20年代固城湖湖泊面積變化量

3.2 驅(qū)動(dòng)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(duì)固城湖水面面積變化進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析。1960—2020年固城湖氣候發(fā)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(guó)平均水平（每10年0.22℃）［9］；降水量年際差異較大，多年來(lái)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(jié)合圖1和圖3可以看出，固城湖湖泊面積在20世紀(jì)60年代至80年代期間呈現(xiàn)大面積萎縮趨勢(shì)，該時(shí)期內(nèi)湖泊變化趨勢(shì)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(dǎo)致湖泊水位降低、淺灘露出，便于人類圍墾；受當(dāng)時(shí)“以糧為綱”農(nóng)業(yè)政策的影響下，1978年開始對(duì)固城湖進(jìn)行圍墾，造成固城湖面積急劇縮小。該時(shí)期內(nèi)氣溫升高對(duì)湖泊面積變化也有間接影響，在降水保持穩(wěn)定時(shí)，氣溫升高可能會(huì)導(dǎo)致水面蒸發(fā)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(jì)80年代后，隨著國(guó)家有關(guān)法律、政策的出臺(tái)，固城湖大范圍的圍墾行為基本結(jié)束，20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)20年代期間，年降水量減少和年平均氣溫的增加對(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)因素

本研究選取社會(huì)因子（年末人口、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和工業(yè)總產(chǎn)值）對(duì)固城湖水面面積變化進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析。由圖4可以看出，20世紀(jì)60年代至80年代期間，高淳縣年末人口呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和工業(yè)總產(chǎn)值也出現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)。隨著高淳縣人口的增加、社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)，以及70年代“以糧為綱”的時(shí)代背景影響下，高淳人民開始對(duì)固城湖進(jìn)行圍墾，從而導(dǎo)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(wěn)定。

圖4 20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)20年代年人口和工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值變化

3.3 退圩還湖與水面恢復(fù)

固城湖是水陽(yáng)江、青戈江流域重要的調(diào)蓄湖泊，20世紀(jì)60年代以來(lái)，在“以糧為綱”時(shí)代背景影響下，固城湖被大量圍墾，造成湖泊萎縮、生態(tài)退化。為恢復(fù)固城湖水域面積和湖泊容積，增加湖泊調(diào)蓄功能，改善湖泊流動(dòng)性，提升生態(tài)系統(tǒng)功能，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)施固城湖退圩還湖工程十分必要。同時(shí)實(shí)施固城湖退圩還湖工程是積極響應(yīng)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)重要生態(tài)治理工程。

自2013年起，高淳區(qū)政府啟動(dòng)退圩還湖編制工作，2018年8月固城湖北側(cè)永聯(lián)圩退圩還湖工程項(xiàng)目獲批，2019年12月開始實(shí)施，預(yù)計(jì)3年完成，該工程清退周邊圩區(qū)形成湖面，擬恢復(fù)固城湖自由水面5.988 km2，新建堤防岸線7.2 km。通過(guò)湖底清淤、生態(tài)修復(fù)帶等工程，改善湖泊水質(zhì)，修復(fù)改善固城湖水生態(tài)環(huán)境、提升生態(tài)系統(tǒng)功能。

4 結(jié)論與建議

本研究基于高空間分辨率遙感衛(wèi)星影像，采用人機(jī)交互法提取20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)20年代固城湖面積時(shí)空變化規(guī)律，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析影響固城湖變化的驅(qū)動(dòng)力因素，主要得到以下結(jié)論：

（1）近60年來(lái)，固城湖水面面積在20世紀(jì)60年代至80年代期間呈現(xiàn)快速萎縮狀態(tài)，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(jì)80年代至21世紀(jì)20年代期間，固城湖水面面積變化較小，形態(tài)保持穩(wěn)定，現(xiàn)湖泊面積維持在30.79 km2；實(shí)施退圩還湖工程項(xiàng)目后，固城湖擬新增自由水面5.988 km2，面積擬恢復(fù)至36.788 km2。

（2）由驅(qū)動(dòng)力分析結(jié)果可知，固城湖面積萎縮主要受人類活動(dòng)的影響，固城湖面積變化的主要驅(qū)動(dòng)力因素是年末人口的增長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)總產(chǎn)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(xù)加強(qiáng)水域岸線空間監(jiān)測(cè)，對(duì)水域侵占行為及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處置，確保水域面積不減少；提高全社會(huì)的湖泊環(huán)境治理與保護(hù)意識(shí)，積極推進(jìn)周邊圩區(qū)退圩還湖和水面恢復(fù)，推進(jìn)河湖水域岸線生態(tài)修復(fù)，打造省級(jí)水域保護(hù)和幸福河湖示范樣板，實(shí)現(xiàn)固城湖水資源的可持續(xù)利用，促進(jìn)周邊地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展。