卞宇崢，薛 濱，張風(fēng)菊

(1:南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 211800)(2:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)(3:江蘇師范大學(xué)地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，徐州 221116)

湖泊是地球表層系統(tǒng)各圈層間相互作用的連接點(diǎn)，它的形成與消失、擴(kuò)張與收縮及其引起的生態(tài)環(huán)境演化過(guò)程是全球的、區(qū)域的和局部的構(gòu)造和氣候事件以及人類(lèi)活動(dòng)共同作用的結(jié)果[1]. 湖泊作為重要的國(guó)土空間資源，其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要影響[2]. 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)湖泊水環(huán)境的影響也日益增大. 長(zhǎng)期對(duì)湖泊資源的不合理開(kāi)發(fā)以及保護(hù)管理的缺失，導(dǎo)致湖泊面積不斷萎縮乃至消亡，削減了湖泊在飲用水供給、灌溉、航運(yùn)、調(diào)蓄等方面的功能. 因而，采用各種手段開(kāi)展不同時(shí)期湖泊時(shí)空演變研究，并探索自然和人為因素對(duì)湖泊發(fā)展演化的綜合作用及影響，對(duì)湖泊資源的合理開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)均具有重要意義[3-5].

湖泊水域面積的動(dòng)態(tài)變化及其影響因素研究歷來(lái)備受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注. 早期，我國(guó)學(xué)者多采用歷史文獻(xiàn)與地貌沉積物調(diào)查資料相結(jié)合的歷史地貌學(xué)方法對(duì)湖泊演變規(guī)律進(jìn)行分析復(fù)原[6-12]，然而該方法易受到自然條件以及歷史資料記載方式和內(nèi)容的約束. 隨著遙感技術(shù)的日益發(fā)展，其大范圍、周期性、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)與傳統(tǒng)的歷史地貌學(xué)方法相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)[13-31]. 比如殷立瓊等[14]通過(guò)不同時(shí)期的Landsat衛(wèi)星遙感影像，研究了1988-2003年太湖的面積變化狀況；Guirguis等[15]利用多時(shí)段的假彩色合成圖像，通過(guò)主成分分析法研究了1983-1991年埃及Brullus湖的動(dòng)態(tài)變化情況；李寧等[16]基于RS、GIS技術(shù)利用面向?qū)ο蠓诸?lèi)法提取東北地區(qū)湖泊數(shù)據(jù)，分析了2000-2010年間東北地區(qū)湖泊時(shí)空變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因素；Chen等[17]基于地形圖與遙感影像，利用景觀形狀指數(shù)和質(zhì)心法分析了武漢市東湖近20年來(lái)的時(shí)空變化及其原因；Leblanc等[18]利用Meteosat數(shù)據(jù)和水文模型，綜合分析非洲乍得湖面積變化及其演變?cè)?；張?guó)慶等[19-20]利用ICESat衛(wèi)星獲取了2003-2009年青藏高原湖泊水位數(shù)據(jù)并分析其水位變化特征，并借助地形圖與遙感數(shù)據(jù)，探討了1960-2015年間中國(guó)湖泊面積變化規(guī)律及其演變?cè)? 然而，目前利用遙感技術(shù)研究湖泊動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的時(shí)間范圍大都局限于近幾十年以來(lái)，對(duì)湖泊百年演化的研究并不多見(jiàn)[30]，這極大限制了對(duì)歷史時(shí)期特別是年代際尺度上湖泊時(shí)空演變特征的認(rèn)識(shí).

淮河流域是我國(guó)重要的水系之一，淮河水系的尾閭分布著大量淡水湖泊，其中洪澤湖既是該區(qū)域面積最大的湖泊，也是我國(guó)南水北調(diào)東線工程輸水線路中的重要一環(huán)，其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程直接關(guān)系到南水北調(diào)工程的水質(zhì)安全，對(duì)周邊乃至整個(gè)淮河流域的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[24,27,29,32]. 目前關(guān)于洪澤湖的相關(guān)研究，多側(cè)重于利用沉積物反演氣候變化[23,26,33-34]或簡(jiǎn)單描述短時(shí)間尺度(如近十年來(lái))湖泊生態(tài)環(huán)境的變化[24,28-29,31]，而較長(zhǎng)時(shí)間尺度(如近百年來(lái))湖泊水域的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究比較匱乏. 鑒于此，本文基于古地圖、歷史文獻(xiàn)和遙感影像數(shù)據(jù)等資料，采用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)與方法，全面分析洪澤湖近三百年來(lái)的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，并揭示其演變的主要影響因素，以期為洪澤湖當(dāng)前及未來(lái)的湖泊管理、遠(yuǎn)景規(guī)劃提供背景資料，并為洪澤湖的科學(xué)保護(hù)與可持續(xù)利用提供參考.

1 研究區(qū)概況

洪澤湖位于江蘇省北部、我國(guó)南北氣候過(guò)渡地帶(33°0′36″～33°40′12″N, 118°10′12″～118°52′12″E)，是淮河流域典型的大型淺水湖泊，平均水深僅為1.77 m，其最大長(zhǎng)度為65 km，最大寬度為55 km時(shí)，水域面積為1576.9 km2，蓄水量為27.9×108m3[32]. 洪澤湖的主要入湖河流包括淮河、池河、濉河，其中有70%以上的入湖水量來(lái)自于淮河, 全湖水域由北部的成子湖灣、西部的溧河湖灣和西南部的淮河湖灣組成(圖1)，跨洪澤、淮陰、泗陽(yáng)、泗洪和盱眙五縣. 湖區(qū)氣候類(lèi)型為典型亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降水量約為925 mm，年平均氣溫約為14℃[34-35]. 洪澤湖是由歷史上黃河南徙奪淮入海逐漸形成. 自近代以來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)湖泊環(huán)境的影響逐漸加深，目前湖泊正面臨著面積萎縮及富營(yíng)養(yǎng)化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題.

圖1 洪澤湖示意圖Fig.1 Schematic diagram of Lake Hongze

2 數(shù)據(jù)資料

由于衛(wèi)星遙感歷史相對(duì)較短，所能提供的反映地面信息的遙感影像時(shí)限僅在近40年內(nèi). 因此，本文采用古地圖和遙感影像相結(jié)合的方法研究洪澤湖長(zhǎng)時(shí)間尺度的時(shí)空演化特征. 歷史古地圖主要包括無(wú)地理參考、含部分地理信息以及具有較精確地理參考3種類(lèi)型. 其中，無(wú)地理參考?xì)v史古地圖指的是缺乏空間定位信息包括比例尺、經(jīng)緯度等的山水形象畫(huà)古地圖，與現(xiàn)代地圖存在較大差異，不具備信息提取價(jià)值. 含部分地理信息的歷史古地圖指的是出現(xiàn)以經(jīng)緯度測(cè)量為主要標(biāo)志的古地圖，一般以自1708年開(kāi)始由康熙皇帝組織編著的《皇輿全覽圖》為時(shí)間起點(diǎn)[36]. 因此，基于不同時(shí)期古地圖的精度差異以及資料的可得性，本文主要對(duì)18世紀(jì)初期以來(lái)的洪澤湖動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行研究，主要選取公元18世紀(jì)初康熙年間的《皇輿全覽圖》、1908年清末的《大清帝國(guó)全圖》、民國(guó)六年舊地圖以及建國(guó)后兩期現(xiàn)代地圖作為地圖參考資料. 《皇輿全覽圖》是在康熙四十七年(公元1708年)至康熙五十六年間，在康熙皇帝支持下，由基督傳教士與中方人員共同進(jìn)行測(cè)繪編制，采用桑遜投影，比例尺約為1∶140萬(wàn)，是中國(guó)首次以西方現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)繪制的大范圍的實(shí)測(cè)地圖[30,36]. 本文采用的銅版康熙《皇輿全覽圖》由汪前進(jìn)、劉若芳主編，外文出版社2007年出版的《清廷三大實(shí)測(cè)全圖》中收錄；《大清帝國(guó)全圖》初版為光緒三十一年(1905年)，該幅地圖采用了西方先進(jìn)的編繪技術(shù)，具有較精確的地理參考，比例尺為1∶180萬(wàn)，全冊(cè)共25幅彩色地圖，由大清帝國(guó)圖和24幅分省圖組成，本文采用上海商務(wù)印書(shū)館1908年出版的刊本中江蘇省部分；民國(guó)六年舊地圖江蘇省部分出自商務(wù)印書(shū)館出版《中國(guó)新輿圖》，該圖具有完整的經(jīng)緯度網(wǎng)格，比例尺為1∶150萬(wàn). 建國(guó)后兩幅現(xiàn)代地圖分別為1949-1951 年、1958-1971年中國(guó)蘇北、蘇南行署區(qū)歷史地圖，來(lái)源于中國(guó)地圖出版社出版的《中華人民共和國(guó)行政區(qū)劃沿革地圖集》(1949-1999年)，地圖集主要介紹了新中國(guó)50年行政區(qū)劃變遷及現(xiàn)狀，比例尺為1∶260萬(wàn).

遙感數(shù)據(jù)方面，在綜合考慮各種遙感影像的分辨率、在軌時(shí)間和更新周期等因素的基礎(chǔ)上，選用Landsat系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作為洪澤湖水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)源. 該數(shù)據(jù)源是由美國(guó)航空航天局(NASA)發(fā)射的用來(lái)獲取地球表面數(shù)據(jù)的重要遙感平臺(tái)，輸出的影像數(shù)據(jù)為Geo TIFF格式，采樣方式為3次卷積采樣，地理坐標(biāo)系統(tǒng)和地圖投影分別為WGS1984、UTM投影. 本文使用的Landsat系列衛(wèi)星影像由地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)提供. 考慮到遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量或受到云量影響，以及時(shí)相不同可能引起的水域面積變化偶然誤差影響，最終選取1981-2016年4-5月洪澤湖水位相對(duì)穩(wěn)定且含云量低于1%的7期遙感影像數(shù)據(jù).

此外，本文還收集整理了已有的一些文獻(xiàn)資料(研究區(qū)自然與人文數(shù)據(jù)等). 文獻(xiàn)資料主要為地方志資料，例如《洪澤縣志》[37]記述了洪澤湖及其周邊地區(qū)自然和湖泊的社會(huì)歷史與現(xiàn)狀，作為一部官修志書(shū)，具有一定的學(xué)術(shù)性與權(quán)威性. 本文選取洪澤湖周邊的盱眙氣象站1957-2016年間累計(jì)日降水量(當(dāng)日20時(shí)至次日20時(shí))和年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)作為洪澤湖氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/). 人文數(shù)據(jù)選用淮安市多年以來(lái)的人口、農(nóng)作物播種面積以及人均地區(qū)生產(chǎn)總值，數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《淮陰年鑒》[38]、《淮安統(tǒng)計(jì)年鑒》[39]以及淮安統(tǒng)計(jì)局(http://data.hatjj.cn/).

3 研究方法

3.1 古地圖(1708-1971年)處理方法

在Arcgis10.2環(huán)境下，統(tǒng)一采用WGS1984地理坐標(biāo)系，選取Albers地圖投影，對(duì)1708-1971年間5幅古今地圖進(jìn)行配準(zhǔn). 提取古地圖中的湖泊形態(tài)后對(duì)照現(xiàn)代調(diào)查資料、地方志和檔案文書(shū)中相關(guān)記載，對(duì)配準(zhǔn)后的地圖進(jìn)行誤差校正.

具體而言，1949、1971年地圖為現(xiàn)代地圖，按照統(tǒng)一的經(jīng)緯度坐標(biāo)添加控制點(diǎn)進(jìn)行地理配準(zhǔn)，提取湖岸線. 1708-1917年間《皇輿全覽圖》、《大清帝國(guó)全圖》和民國(guó)六年舊地圖為三幅歷史地圖，其中民國(guó)六年(1917年)舊地圖包含較準(zhǔn)確的經(jīng)緯度信息，因此通過(guò)添加經(jīng)緯網(wǎng)格點(diǎn)作為地理坐標(biāo)控制點(diǎn)，對(duì)其先進(jìn)行了配準(zhǔn). 《皇輿全覽圖》的配準(zhǔn)則以年代接近、水域變化幅度相對(duì)較小且已配準(zhǔn)后的民國(guó)六年(1917年)舊地圖為底圖，選取兩幅古地圖間特征點(diǎn)作為地理控制點(diǎn)，更新地理配準(zhǔn). 采用統(tǒng)一方法，對(duì)《大清帝國(guó)全圖》進(jìn)行配準(zhǔn). 3幅古地圖配準(zhǔn)后，根據(jù)30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)結(jié)合清代與民國(guó)時(shí)期地方志等古籍資料進(jìn)行小幅度修正. 最后在統(tǒng)一投影坐標(biāo)系下，對(duì)地圖進(jìn)行矢量化[30,36]，提取各個(gè)時(shí)期的湖域面積信息.

3.2 遙感影像(1988-2016年)處理方法

基于對(duì)遙感影像的種類(lèi)與質(zhì)量、湖泊面積監(jiān)測(cè)的時(shí)間跨度、湖泊面積提取的工作量與提取精度等因素的綜合考慮，本文采取改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)(MNDWI)與人工目視解譯相結(jié)合的方法對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的洪澤湖水域進(jìn)行遙感提取工作[40-41]. 該方法克服了傳統(tǒng)方法中建筑物對(duì)水體提取效果的影響，提高了水體提取的精度，適用于城市水體的提取. 其計(jì)算公式為：

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

(1)

式中，Green為綠波段，MIR為中紅外波段.

具體而言，本文在ENVI5.3環(huán)境下，通過(guò)水體指數(shù)法提取1981-2016年間7期遙感影像中的洪澤湖水域變化信息，再通過(guò)人工目視解譯對(duì)提取的湖泊結(jié)果進(jìn)行檢核修改，以提高湖泊提取的精度，完善信息提取. 同時(shí)，利用Arcgis10.2平臺(tái)對(duì)歸一化處理后的遙感影像中的湖域要素進(jìn)行矢量化，獲得湖泊面積以及湖泊輪廓，并通過(guò)Arcgis10.2交集取反(symmetrical difference)工具對(duì)不同時(shí)期洪澤湖矢量圖層進(jìn)行空間疊置分析，得到不同時(shí)間洪澤湖湖域的增減情況. 利用Excel、SPSS軟件等統(tǒng)計(jì)方法，分析洪澤湖水域面積變化特征及其演化原因.

此外，為了進(jìn)一步分析湖泊動(dòng)態(tài)變化，本文還引進(jìn)了湖泊變化動(dòng)態(tài)度[42]來(lái)直觀反映研究區(qū)域在一定時(shí)間范圍內(nèi)湖泊面積的變化，其公式為：

K=(Sb-Sa)/Sa×1/T×100%

(2)

式中,K為湖泊變化動(dòng)態(tài)度；Sa、Sb分別為研究時(shí)段初期及末期的湖泊面積；T為研究時(shí)長(zhǎng)，以年為單位，此時(shí)K為研究區(qū)域湖泊面積年變化率.

4 結(jié)果與分析

4.1 洪澤湖演變過(guò)程

4.1.1 洪澤湖空間形態(tài)變化特征 1708-2016年洪澤湖空間形態(tài)演變過(guò)程如圖2所示. 歷史時(shí)期(1708年)的洪澤湖尚未形成固定湖岸線，與現(xiàn)代洪澤湖形態(tài)相比差異顯著. 清代晚期至民國(guó)初期(1908-1917年)，洪澤湖形態(tài)與現(xiàn)代相比盡管存在差異，但輪廓基本趨于一致. 建國(guó)以來(lái)(1949-2016年)，洪澤湖形態(tài)變化較小，僅局部小范圍出現(xiàn)湖域增減變化，基本形態(tài)已經(jīng)固定.

圖2 1708-2016年洪澤湖形態(tài)演變圖Fig.2 Morphological evolution of Lake Hongze from 1708 to 2016

由于歷史時(shí)期的洪澤湖形態(tài)差異較大且研究年份間的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，而建國(guó)后期的洪澤湖形態(tài)相似、變化較小且研究年份相近，因此，分別對(duì)歷史時(shí)期(1708-1917年)的洪澤湖形態(tài)進(jìn)行湖岸線疊置分析，對(duì)建國(guó)后(1949-2016年)的洪澤湖水域進(jìn)行交集取反分析，得到不同時(shí)期洪澤湖形態(tài)變化特征(圖3,4).

由圖3可知，1708年洪澤湖總體水域較為寬闊，輪廓近似梯形；而1908年湖域出現(xiàn)明顯收縮，尤其是北部水域萎縮顯著，湖泊位置整體向西南方向偏移擴(kuò)張；1917年洪澤湖水域形態(tài)與1908年近似，西側(cè)與北側(cè)湖域面積減小，湖形趨于穩(wěn)定.

圖3 1708-1917年洪澤湖空間變化對(duì)比Fig.3 Comparison of spatial change of Lake Hongze from 1708 to 1917

建國(guó)后(1949-2016年)的洪澤湖水域的交集取反分析表明(圖4)，1949-1971年洪澤湖湖域自四周向中心湖區(qū)逐漸縮??；1970s-1980s湖域進(jìn)一步減少，且減幅較大，尤其在西部和西南部湖區(qū)面積大量縮??；到了1980s，洪澤湖的湖域面積變化則呈現(xiàn)為增加趨勢(shì)；但1980s-21世紀(jì)初，洪澤湖的面積再次逐漸縮小. 對(duì)洪澤湖近期(2013年與2016年)湖域圖像的疊置分析表明，近年來(lái)洪澤湖形態(tài)變化主要分布在西部和東北部區(qū)域，但湖泊總面積變化較小. 總體上，不同時(shí)期洪澤湖水域面積變化趨勢(shì)表現(xiàn)為東部區(qū)域面積變化相對(duì)平緩，西部區(qū)域面積變化幅度相對(duì)較大.

4.1.2 洪澤湖面積隨時(shí)間變化特征 經(jīng)對(duì)不同時(shí)期洪澤湖矢量化圖層的幾何計(jì)算，得到過(guò)去300多年來(lái)洪澤湖水域面積變化特征(圖5). 整體上，洪澤湖面積呈萎縮趨勢(shì)，面積共減少了269.17 km2. 具體而言，歷史時(shí)期(1708-1917年)，洪澤湖的湖域面積變化較為顯著，由3078.78 km2減少至2335.73 km2；1949年，洪澤湖面積約為1500 km2. 其中，在1981-1988年和1995-2000年洪澤湖水域面積變化較明顯，湖泊面積分別增加了187.47 km2和減少了218.43 km2.

圖5 1708-2016年洪澤湖面積變化Fig.5 The lake area changes of Lake Hongze from 1708 to 2016

以1708年作為湖泊動(dòng)態(tài)變化度初始年份，其余各監(jiān)測(cè)年份(1908-2016年間)分別作為末期時(shí)間，對(duì)洪澤湖的湖泊動(dòng)態(tài)變化度進(jìn)行計(jì)算分析. 1708-2016年，洪澤湖面積呈減少趨勢(shì)，總體動(dòng)態(tài)變化度為0.17%，減少幅度相對(duì)較小. 但在具體時(shí)段內(nèi)，洪澤湖面積則出現(xiàn)較大幅度變化. 例如，1995-2000年間，洪澤湖的動(dòng)態(tài)變化度超過(guò)2%，同時(shí)1981-1988年及2007-2013年的動(dòng)態(tài)變化度也均達(dá)到了1.5%(表1).

表1 1708-2016年洪澤湖水域面積及 其動(dòng)態(tài)變化度Tab.1 The variation of the area and change rate of Lake Hongze from 1708 to 2016

4.2 近300年來(lái)洪澤湖演化的影響因素分析

4.2.1 歷史時(shí)期洪澤湖演化的主要影響因素 南宋以前，淮河是一條直接入海河流，排泄較為通暢[43]，淮河下游地區(qū)曾是歷史上商業(yè)聚集地. 12世紀(jì)初，黃河奪泗入淮，在決、溢、改道的過(guò)程中，其攜帶的大量泥沙不斷淤填淮河下游入海河道，淮河水系遭到破壞，淮北平原泛濫成災(zāi).

洪澤湖在黃河奪淮期間(1128-1855年)，受黃淮關(guān)系影響，迅速擴(kuò)張[44]. 《洪澤湖志》[37]曾記載，明王朝統(tǒng)治的267年中，洪澤湖地區(qū)發(fā)生洪澇災(zāi)害111年，平均2.5年一次. 據(jù)《淮系年表》記載，“康熙四十五年(1706年)，黃、淮、泗、沂諸水并漲，七月，洪澤湖暴漲，開(kāi)南北中三壩”. 《行水金鑒》也記載“湖之在泗者有五十二，不勝悉載，州西、北、東三面皆湖”、“每遇夏潦秋霖，大水匯注，害禾稼，浸城市，為泗民患”，表明清代康熙時(shí)期湖面迅速擴(kuò)張，導(dǎo)致成子洼、安河洼和溧河洼并入洪澤湖，水域不斷向西擴(kuò)展. 另?yè)?jù)清康熙時(shí)期治水名臣編修的《治河奏績(jī)書(shū)》記載，“洪澤湖在山陽(yáng)西南九十里，自東北而西南，迤邐滂湃于山、清、桃、泗、天長(zhǎng)、高、寶之間. 考之往代三之二皆民田，自黃河潰決，全淮壅清，不得暢流入海，漫衍四及，遂為淮鳳間一巨浸. 其中猶有洪澤村寥寥民居數(shù)十，浮沉于洪濤之中爾. 其廣袤數(shù)百里”，可見(jiàn)當(dāng)時(shí)洪澤湖水域擴(kuò)張劇烈，甚至淹沒(méi)周邊古村落. 洪澤湖湖域矢量化圖層(圖2)提取的該時(shí)期湖泊面積達(dá)3078.78 km2. 清乾隆初年，洪澤湖湖區(qū)全長(zhǎng)65 km的高家堰水利樞紐逐漸修筑完善，淮河出清口水量日趨減少，主流自湖東南或向東穿運(yùn)河入海，或南下高郵、寶應(yīng)諸湖自運(yùn)河歸江，淮河大改道趨勢(shì)開(kāi)始出現(xiàn)[45]. 清乾隆初年至乾隆五十年間(1711-1785年)，洪澤湖不斷淤高，水位加速抬升，湖面較前期有所擴(kuò)展[44]. 隨著黃河河道不斷淤塞，黃淮分離趨勢(shì)加快，至咸豐元年(1851年)，高家堰禮壩決口，淮河由此改道自長(zhǎng)江入海. 咸豐五年(1855年)黃河改道，洪澤湖受黃河威脅減少進(jìn)入了形成后的穩(wěn)定時(shí)期[42,44-48]. 1855年后，由于黃河北撤，水源減少，洪澤湖水位逐漸下移，水域面積不斷萎縮[44]，“尚不及康熙時(shí)大”[37]. 1708年與1908年洪澤湖湖域矢量化圖層對(duì)比顯示(圖3)，洪澤湖東北部湖區(qū)顯著萎縮，面積由3078.78 km2減小至2416.08 km2(表1).

人口增長(zhǎng)及湖濱圍墾，也加快了洪澤湖的萎縮. 據(jù)人口史專(zhuān)家考證，清咸豐元年(1851年)淮安府人口約為329.2萬(wàn)人，清同治二十五年(1865年)約為343.3萬(wàn)人，清末(1910年)達(dá)到387.9萬(wàn)人[49]. 清嘉慶年間至民國(guó)13年，洪澤湖區(qū)人口由30萬(wàn)人增至45萬(wàn)人[37]，糧食需求也隨之日益增加，圍墾由此興盛. 清咸豐年間(1851-1861年)，環(huán)湖鄉(xiāng)鎮(zhèn)(淮陰縣、洪澤縣等)村民及逃荒百姓，在洪澤湖新灘開(kāi)荒定居[37]. 洪澤湖在人為開(kāi)墾下，水域面積進(jìn)一步縮小. 上述趨勢(shì)在1917年圖層(圖2)得到進(jìn)一步體現(xiàn)，洪澤湖面積較1908年共減少80.35 km2(表1).

淮河流域地處北亞熱帶和南溫帶氣候過(guò)渡帶，干濕變化在一定程度上影響著洪澤湖演變. 歷史文獻(xiàn)資料及我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)干濕、旱澇變化研究數(shù)據(jù)[45,50-51]顯示，淮河流域在過(guò)去的500多年中，存在顯著的旱澇異常變化：1730-1760年流域降水豐沛，1780-1800年則相對(duì)于濕潤(rùn)期有些偏干，1840-1870年略偏干，即在清代中后期，淮河流域總體呈濕轉(zhuǎn)旱趨勢(shì)，這與1708-1908年洪澤湖面積總體呈萎縮趨勢(shì)具有一致性(表1).

綜上可知，歷史時(shí)期黃淮關(guān)系是影響洪澤湖演變的主要因素，人口增長(zhǎng)導(dǎo)致的湖濱圍墾以及干濕氣候變化也一定程度上影響著洪澤湖的演變.

4.2.2 建國(guó)以來(lái)洪澤湖演化的主要影響因素 建國(guó)后，基于洪澤湖面積與多年的年降水量、年平均氣溫的對(duì)比分析表明(圖6)，洪澤湖面積演變趨勢(shì)與同時(shí)期降水量和溫度變化基本一致. 比如，1971-1981年間，洪澤湖面積由1653.44 km2減少到1494.72 km2(表1)，同時(shí)期降水量由1488.7 mm減少至785.3 mm，年平均氣溫則從14.4℃升至14.7℃；又如，表1結(jié)果顯示1995-2000年間洪澤湖的動(dòng)態(tài)變化度超過(guò)2%，即1995-2000年期間，洪澤湖面積進(jìn)一步下降，而該時(shí)期洪澤湖區(qū)域降水量也從1173.2 mm減至664.1 mm，同時(shí)期氣溫上升了0.4℃；2010-2016年期間，洪澤湖面積呈現(xiàn)先增加后下降趨勢(shì)，與該時(shí)段降水量先增加后減少、年平均氣溫先降低后升高基本對(duì)應(yīng). 然而，相關(guān)性分析顯示，洪澤湖面積變化與年降水量(r=0.677,P=0.055)及年平均氣溫(r=-0.580,P=0.102)具有一定的相關(guān)性但其相關(guān)性并不十分顯著，表明建國(guó)以來(lái)湖區(qū)降水量及溫度變化對(duì)洪澤湖面積的影響相對(duì)有限.

圖6 1971-2016年洪澤湖面積與年降水量、年平均氣溫變化Fig.6 Changes of Lake Hongze area with annual precipitation and annual average temperature from 1971 to 2016

同時(shí)，相關(guān)性分析還表明，洪澤湖區(qū)(淮安市)人口數(shù)量、人均地區(qū)生產(chǎn)總值及糧食作物播種面積與洪澤湖面積變化呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)分別為-0.852、-0.332、-0.762,P<0.05)，表明湖區(qū)人類(lèi)活動(dòng)可能是湖泊面積演化的主導(dǎo)因素. 1960s末-1970s初期，受到“以糧為綱”的政策導(dǎo)向作用加之人口的迅速增長(zhǎng)，洪澤湖沿岸圍湖造田活動(dòng)加劇，到了1990s開(kāi)發(fā)湖蕩更是成為當(dāng)?shù)鼐用竦闹赂恢?，這一系列活動(dòng)導(dǎo)致湖泊逐漸演變?yōu)楦睾途幼∮玫?，水域面積逐漸縮小. 21世紀(jì)以來(lái)，隨著生態(tài)環(huán)境建設(shè)重要性逐漸受到重視，湖區(qū)實(shí)施了系列退耕還湖的舉措，導(dǎo)致糧食作物播種面積逐漸減少，相應(yīng)的湖泊面積也逐漸呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖7).

圖7 年末常住人口(1980-2017年)、人均地區(qū)生產(chǎn)總值(1949-2018年)、糧食作物播種面積(2003-2018年)變化Fig.7 Changes of population (1980-2017), per capita GDP (1949-2018), sown areas of grain (2003-2018)

新中國(guó)成立后，在政府的高度重視下，洪澤湖湖區(qū)實(shí)施了一系列水利設(shè)施修建工程. 如1950s初期，在淮河下游開(kāi)掘了長(zhǎng)達(dá)168 km的蘇北灌溉總渠，并在湖泊東南部興建了三河閘， 隨后在1980s修建了高良澗進(jìn)水閘等水利設(shè)施. 1990s政府對(duì)洪澤湖大堤又進(jìn)行了4次加固[48,52-53]. 盡管上述舉措有效提高了洪澤湖下游地區(qū)的防洪作用，但同時(shí)也增加了周邊的土地利用強(qiáng)度，造成部分湖區(qū)水域面積的減少[8,53-56].

不同時(shí)期，湖泊演變過(guò)程的影響因素有所不同. 歷史時(shí)期湖泊的演變多由洪澇災(zāi)害、泥沙淤積等自然因素引起，例如古丹陽(yáng)湖、碩項(xiàng)湖便是由于泥沙淤積而逐漸消亡[54-55]；射陽(yáng)湖也因水患引起泥沙淤積而萎縮為洼地[56-57]；包括洪澤湖在內(nèi)的蘇北大運(yùn)河兩側(cè)湖泊的演變，均受黃河奪淮的影響，且由南向北逐漸增強(qiáng)[26]. 近代以來(lái)，圍湖造田、興建水利工程、湖周土地利用變化等人類(lèi)活動(dòng)成為湖泊演化的主導(dǎo)因素[14-20]；近年來(lái)，隨著湖泊旅游業(yè)以及城市化的發(fā)展，原先天然湖岸被改造成水泥岸堤和景觀大道，湖岸線由于水泥固定化，湖形及其面積變化幅度較小，趨于穩(wěn)定[16,58].

受自然因素和人類(lèi)活動(dòng)影響，不同區(qū)域間湖泊有著不同的演變特征[59]. 江蘇省湖泊大體呈擴(kuò)張-萎縮-穩(wěn)定演變特征. 蘇北大運(yùn)河兩側(cè)湖泊變遷具有一致性[26]，例如洪澤湖下游的高寶諸湖，受黃淮關(guān)系影響，洪澤湖泥沙導(dǎo)致高寶諸湖近300來(lái)不斷萎縮. 將洪澤湖的演變與高寶諸湖的變遷進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者變化趨勢(shì)與時(shí)間節(jié)點(diǎn)基本同步[7,12,30,60]；位于蘇南地區(qū)的太湖，早期受氣候、降水、海面波動(dòng)以及“三江”(松江、錢(qián)塘江、浦陽(yáng)江)的淤?gòu)U等自然因素影響而不斷擴(kuò)張[61-63]. 后經(jīng)宋代至元明清三朝對(duì)“三江”的大規(guī)模整治改造，其泛溢趨勢(shì)得以控制[49]. 近年來(lái)，圍墾和淤積導(dǎo)致眾多湖泊消失[59]. 近代洪澤湖、太湖流域等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域的湖泊，大都因?yàn)┑貒鷫?、水利建設(shè)等強(qiáng)烈的人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)而萎縮[14,28-29,46,59].

5 結(jié)論

本文基于ArcGIS與ENVI軟件，利用18世紀(jì)初以來(lái)的古地圖、1981-2016年間的遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史文獻(xiàn)、自然人文等數(shù)據(jù)資料，綜合分析300年來(lái)洪澤湖時(shí)空演變特征及其演化原因，主要得出如下結(jié)論：

1)1708-2016年間，洪澤湖水域面積隨時(shí)間不斷變化，總體呈下降趨勢(shì). 清代至民國(guó)時(shí)期(1708-1917年)，洪澤湖面積變化顯著，由1708年的3078.78 km2下降至1917年的2335.73 km2，共減少743.05 km2，年際縮減速率為0.17%；建國(guó)后，洪澤湖面積由1949年的1757.60 km2減少至2016年的1488.43 km2，共減少了269.17 km2. 其中面積最大值出現(xiàn)在1988年(1682.19 km2)，面積最小值出現(xiàn)在2000年(1352.7 km2).

2)1708-2016年間，洪澤湖空間形態(tài)總體上表現(xiàn)為由四周向湖心縮小的趨勢(shì). 1970s-1908s年間主要表現(xiàn)為西部和西南部湖區(qū)的急劇萎縮，1980s-1990s期間主要表現(xiàn)為西南湖區(qū)的擴(kuò)張，1990s湖域再次萎縮，主要集中于西部，21世紀(jì)以來(lái)洪澤湖變化主要分布集中于湖區(qū)西部和東北部，且變化較小.

3)不同時(shí)期，影響洪澤湖水域面積的主導(dǎo)因素各不相同. 清中期以前，黃淮關(guān)系以及高家堰等水利樞紐的修建，是影響洪澤湖演變的主要因素，豐沛的降水也進(jìn)一步導(dǎo)致洪澤湖的擴(kuò)張；清末民初，在濕轉(zhuǎn)干的氣候變化背景下，黃河改道導(dǎo)致的水源減少以及人口增長(zhǎng)引起的湖濱圍墾，使洪澤湖面積不斷萎縮；建國(guó)后，湖區(qū)人口增長(zhǎng)、人類(lèi)圍墾活動(dòng)以及水利工程的修建等人類(lèi)活動(dòng)逐漸成為影響洪澤湖水域面積變化的主導(dǎo)因素.