近60年固城湖湖泊面积时空变化特征及其驱动力分析

王冬梅，张 明，王轶虹，陈 丽，石一凡，梁文广

（1.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；2.江苏省水利学会，江苏 南京 210029）

湖泊是陆地水圈的重要组成部分，对全球变化响应极为敏感，具有蓄洪、供水、养殖、调节气候、净化污染和保护生物多样性等多种功能，在整个经济社会持续发展中起到重要作用［1-4］。江苏省跨江滨海，湖泊众多，水网密布，水面面积占比约16.9%。近年来随着社会经济的发展，湖泊萎缩、湖泊生态功能退化等问题的发生。利用遥感技术的经济性、实时性和动态性优势，揭示湖泊面积动态变化规律，分析气候变化及人类活动对湖泊面积变化的影响，对湖泊水资源合理开发和保护具有重要意义［5-8］。

1949年以来固城湖面积变化较大，一度缩小至原来的41%左右，近期在推进退圩还湖和水域面积恢复，在江苏重点湖泊中具有典型代表意义。选取固城湖为研究对象，基于多源遥感数据，提取分析20世纪60年代至21世纪20年代固城湖水面面积及时空分布特征，定性分析固城湖面积动态变化规律及影响面积变化的驱动力因素，以期为固城湖湖泊保护提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

固城湖俗称“小南湖”，位于南京市高淳区，紧邻安徽省宣城市，是水阳江下游一座天然调蓄性湖泊，周边圩区主要有永联圩、永胜圩、跃进圩、永兆圩、浮山圩和花联圩等。固城湖四季分明，降水充沛，湖区呈三角形—北宽南窄，四周河网密布，平均水深1.6 m。

固城湖是长江下游青戈江、水阳江流域的重点调蓄性湖泊，湖泊水面和主要提防均位于高淳境内，其在径流调蓄、农业灌溉、水产养殖以及维持生态平衡等方面发挥着重要作用。由于中生燕山运动断裂作用，形成洼地，全新世初期洼地西部通江缺口受堵，泥沙不断沉积，形成古丹阳湖；此后由于古丹阳湖西部三角洲发展，湖泊日益淤浅，湖面缩小分为固城湖、石臼湖和丹阳湖；由于泥沙的不断淤积和建国后的湖滩围垦，固城湖急剧萎缩，

1.2 数据来源

本研究选取Corona影像、Landsat影像、ALOS影像和国产GF-2影像4种高分辨率遥感影像数据提取固城湖水面变化，影像具体信息如表1所示。其中Landsat影像采用非标准假彩色合成图像，可以清晰地显示水体边界信息。非同源数据处理过程中，设定2020年GF-2号为基准影像，作为其他影像的纠正标准。

表1 数据源信息

本研究选择固城湖周边行政区高淳的气象和社会经济统计数据，其中气象数据（年降水量和年平均温度）来源于江苏省气象局，选取1960—2020年高淳气象站点实测数据；社会经济统计数据（年末人口、农业总产值和工业总产值）来源于《江苏省统计年鉴》《南京市统计年鉴》和《江苏四十年》。

2 研究方法

目前有关水体提取的方法有很多，为减少不同数据源之间水面面积提取误差，本研究采用人机交互法提取固城湖20世纪60年代至21世纪20年代水面面积，水域提取标准是湖泊范围内对应水域面积，包括丰水期淹没的滩地面积，剔除湖泊范围内圈圩养殖面积。首先基于卷积神经网络（Convolutional Neural Networks,CNN）语义分割模型自动提取水面面积，然后在此基础上，人工根据影像对水域边界进行精细修改，依据影像规则纹理特征、圩梗判别圈圩养殖水面；依据影像水体边界深浅明暗部分判别滩地范围。

3 结果分析

3.1 湖泊面积动态变化

本研究根据高分辨率卫星遥感影像获取固城湖湖泊面积变化，通过分析固城湖面积空间变化（图1）可知，20世纪60年代至80年代期间,固城湖水域出现大面积萎缩；其中，固城湖南部、东北部在此期间均发生2次规模萎缩；在20世纪70年代“以粮为纲”的农业背景影响下，固城湖西南部被大量围垦，出现大面积萎缩现象。20世纪80年代后，随着国家相关法律、政策的出台，以及“退耕还湖”、水产养殖等农业结构政策调整，固城湖大范围围垦行为基本结束，故20世纪80年代至21世纪20年代期间，固城湖形态逐渐趋于稳定，变化较少。通过分析固城湖面积变化可知，如图2和表2所示，20世纪60年代至80年代期间，固城湖湖泊面积处于快速萎缩状态，平均以2.19 km2/a速率迅速减少；其中20世纪70年代至80年代期间水面面积萎缩最为严重，共萎缩38.04 km2，变化率为54.96%；20世纪80年代至21世纪20年代期间，固城湖水面面积变化小于1 km2，基本维持稳定。

图1 20世纪60年代至21世纪20年代固城湖湖泊时空变化

图2 20世纪60年代至21世纪20年代固城湖湖泊面积变化

表2 20世纪60年代至21世纪20年代固城湖湖泊面积变化量

3.2 驱动力分析

3.2.1 自然因素

本研究选取自然因子（年降水量和年平均气温）对固城湖水面面积变化进行驱动力分析。1960—2020年固城湖气候发生了较为显著的变化（图3），年平均气温显著升高，平均变化率为每10年0.3℃，明显高于全国平均水平（每10年0.22℃）［9］；降水量年际差异较大，多年来降水平均值为1 233 mm，其中1978年降水量最少为568 mm，2016年降水量最多为2 423 mm。

结合图1和图3可以看出，固城湖湖泊面积在20世纪60年代至80年代期间呈现大面积萎缩趋势，该时期内湖泊变化趋势与降水有较高的一致性；1960—1980年间降水最大值为1 465 mm，降水最小值为568 mm，共有12年降水量值低于多年平均值，降水量减少容易导致湖泊水位降低、浅滩露出，便于人类围垦；受当时“以粮为纲”农业政策的影响下，1978年开始对固城湖进行围垦，造成固城湖面积急剧缩小。该时期内气温升高对湖泊面积变化也有间接影响，在降水保持稳定时，气温升高可能会导致水面蒸发量变大，入湖量径流量减少，从而造成固城湖水位降低。20世纪80年代后，随着国家有关法律、政策的出台，固城湖大范围的围垦行为基本结束，20世纪80年代至21世纪20年代期间，年降水量减少和年平均气温的增加对湖泊面积变化影响较小。

图3 1960—2020年降水距平值和年平均气温变化

3.2.2 社会经济因素

本研究选取社会因子（年末人口、农业总产值和工业总产值）对固城湖水面面积变化进行驱动力分析。由图4可以看出，20世纪60年代至80年代期间，高淳县年末人口呈现快速增长趋势，农业总产值和工业总产值也出现缓慢增长。随着高淳县人口的增加、社会经济稳定增长，以及70年代“以粮为纲”的时代背景影响下，高淳人民开始对固城湖进行围垦，从而导致固城湖面积急剧减少；80年代之后开始修筑堤坝，固城湖面积趋于稳定。

图4 20世纪60年代至21世纪20年代年人口和工农业总产值变化

3.3 退圩还湖与水面恢复

固城湖是水阳江、青戈江流域重要的调蓄湖泊，20世纪60年代以来，在“以粮为纲”时代背景影响下，固城湖被大量围垦，造成湖泊萎缩、生态退化。为恢复固城湖水域面积和湖泊容积，增加湖泊调蓄功能，改善湖泊流动性，提升生态系统功能，促进经济可持续发展，实施固城湖退圩还湖工程十分必要。同时实施固城湖退圩还湖工程是积极响应国家生态文明建设的一项重要生态治理工程。

自2013年起，高淳区政府启动退圩还湖编制工作，2018年8月固城湖北侧永联圩退圩还湖工程项目获批，2019年12月开始实施，预计3年完成，该工程清退周边圩区形成湖面，拟恢复固城湖自由水面5.988 km2，新建堤防岸线7.2 km。通过湖底清淤、生态修复带等工程，改善湖泊水质，修复改善固城湖水生态环境、提升生态系统功能。

4 结论与建议

本研究基于高空间分辨率遥感卫星影像，采用人机交互法提取20世纪60年代至21世纪20年代固城湖面积时空变化规律，结合气象数据和社会经济统计数据分析影响固城湖变化的驱动力因素，主要得到以下结论：

（1）近60年来，固城湖水面面积在20世纪60年代至80年代期间呈现快速萎缩状态，由60年代的75 km2萎 缩 至80年 代 的31.17 km2，面 积 共 减 少43.83 km2，平均以2.19 km2/a速率减少；20世纪80年代至21世纪20年代期间，固城湖水面面积变化较小，形态保持稳定，现湖泊面积维持在30.79 km2；实施退圩还湖工程项目后，固城湖拟新增自由水面5.988 km2，面积拟恢复至36.788 km2。

（2）由驱动力分析结果可知，固城湖面积萎缩主要受人类活动的影响，固城湖面积变化的主要驱动力因素是年末人口的增长和农业总产值的增加；间接影响因素是年降水量减少和年平均温度的升高。

鉴于以上分析，建议继续加强水域岸线空间监测，对水域侵占行为及时发现，及时处置，确保水域面积不减少；提高全社会的湖泊环境治理与保护意识，积极推进周边圩区退圩还湖和水面恢复，推进河湖水域岸线生态修复，打造省级水域保护和幸福河湖示范样板，实现固城湖水资源的可持续利用，促进周边地区生态文明建设和社会经济协同发展。