摘要：洪澤湖是淮河水系中最重要的湖泊之一，是我國的第四大淡水湖，它在防洪、灌溉、航運、跨流域調水以及水資源與水環境保護等方面發揮著重要作用.過去300年來，由于黃淮關系的演變和人類活動的影響，洪澤湖水域面積發生劇烈變化.研究湖泊水域空間變化有助于認識流域環境變化與人類活動影響.本文利用18世紀初以來的古地圖、歷史文獻資料及1981—2016年期間的期遙感影像數據，采用遙感和地理信息系統技術相結合的方法，分析了近300年來洪澤湖水域時空演變過程及其原因.研究結果表明：過去300年來，洪澤湖面積總體呈減少趨勢，年際縮減速率為0.17，且湖域范圍總體表現為由四周向中心縮小的趨勢，其中西南湖域的形態變化最為顯著.具體而言，清中期以前，黃河多次奪泗入淮，洪澤湖面積變化受黃淮關系、高家堰等水利樞紐的修建以及降水等因素影響.至清末，洪澤湖面積由3078.78km下降至2335.73km，共減少743.05km，其空間形態也發生了劇烈變化，該時期黃河改道、降水以及人口增長導致的湖濱圍墾是影響洪澤湖演變的主要原因.建國以來(1949—2016年，洪澤湖面積進一步縮小，由1757.60km下降至1488.43km，共減少了269.17km，其中1995—2000年間湖泊面積下降最為顯著，共減少了281.43km，湖泊動態變化度達到2.78%，該時期自然因素對湖泊水域面積的影響減弱，而人口增長、圍墾及水利工程的修建等人類活動影響逐漸成為影響洪澤湖演化的主導因素.

　　關鍵詞：洪澤湖;時空演變;古地圖;遙感

　　湖泊是地球表層系統各圈層間相互作用的連接點，它的形成與消失、擴張與收縮及其引起的生態環境演化過程是全球的、區域的和局部的構造和氣候事件以及人類活動共同作用的結果[1].湖泊作為重要的國土空間資源，其動態變化過程對區域生態環境和經濟可持續發展具有重要影響[2].

　　隨著社會經濟的不斷發展，人類活動對湖泊水環境的影響也日益增大.長期對湖泊資源的不合理開發以及保護管理的缺失，導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、調蓄等方面的功能.因而，采用各種手段開展不同時期湖泊時空演變研究，并探索自然和人為因素對湖泊發展演化的綜合作用及影響，對湖泊資源的合理開發、利用和保護均具有重要意義[35].

　　湖泊水域面積的動態變化及其影響因素研究歷來備受國內外學者關注.早期，我國學者多采用歷史文獻與地貌沉積物調查資料相結合的歷史地貌學方法對湖泊演變規律進行分析復原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容的約束.隨著遙感技術的日益發展，其大范圍、周期性、實時監測等特點與傳統的歷史地貌學方法相比，具有明顯優勢1331.

　　比如殷立瓊等14通過不同時期的Landsat衛星遙感影像，研究了1988—2003年太湖的面積變化狀況;如Guirguis等15利用多時段的假彩色合成圖像，通過主成分分析法研究了1983—1991年埃及Brullus湖的動態變化情況;李寧等16基于RS、GIS技術利用面向對象分類法提取東北地區湖泊數據，分析了2000—2010年間東北地區湖泊時空變化規律及其驅動因素;Chen等17基于地形圖與遙感影像，利用景觀形狀指數和質心法分析了武漢市東湖近20年來的時空變化及其原因;Leblanc等18通過用Meteosat數據和水文模型，綜合分析非洲乍得湖面積變化及其演變原因;張國慶等19,20利用ICESa衛星獲取了2003—2009年青藏高原湖泊水位數據并分析其水位變化特征，并借助地形圖與遙感數據，探討了1960—2015年間中國湖泊面積變化規律及其演變原因.

　　然而，目前利用遙感技術研究湖泊動態變化過程的時間范圍大都局限于近幾十年以來，對湖泊百年演化的研究并不多見30，這極大限制了對歷史時期特別是年代際尺度上湖泊時空演變特征的認識.淮河流域是我國重要的水系之一，淮河水系的尾閭分布著大量淡水湖泊，其中洪澤湖不僅是該區域面積最大的湖泊，也是我國南水北調東線工程輸水線路中的重要一環，其動態變化過程直接關系到南水北調工程的水質安全，對周邊乃至整個淮河流域的經濟與生態可持續發展具有重要意義24272932.

　　目前關于洪澤湖的相關研究，多側重于利用沉積物反演氣候變化23,26,3334或簡單描述短時間尺度(如近十年來)湖泊生態環境的變化24282931，而較長時間尺度(如近百年來)湖泊水域的時空動態變化研究比較匱乏.鑒于此，本文基于古地圖、歷史文獻和遙感影像數據等資料，采用遙感和地理信息系統技術與方法，全面分析洪澤湖300多年來的時空動態演變過程，并揭示其演變的主要影響因素，以期為洪澤湖當前及未來的湖泊管理、遠景規劃提供背景資料，并為洪澤湖的科學保護與可持續利用提供參考.

　　1研究區概況

　　洪澤湖位于江蘇省北部、我國南北氣候過渡地帶(33.01º33.67ºN,118.17º118.87ºE)，是淮河流域典型的大型淺水湖泊，平均水深僅為1.77m，其最大長度為65km，最大寬度為55km時，水域面積為1576.9km，蓄水量為27.9×1083[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，跨洪澤、淮陰、泗陽、泗洪和盱眙五縣.湖區氣候類型為典型亞熱帶季風氣候，年平均降水量約為925mm，年平均氣溫約為14℃3435.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，人類活動對湖泊環境的影響逐漸加深，目前湖泊正面臨著面積萎縮及富營養化等一系列生態環境.

　　2數據資料

　　由于衛星遙感歷史相對較短，所能提供的反映地面信息的遙感影像時限僅在近40年內.因此，本文采用古地圖和遙感影像相結合的方法研究洪澤湖長時間尺度的時空演化特征.歷史古地圖主要包括無地理參考、含部分地理信息以及具有較精確地理參考種類型.其中，無地理參考歷史古地圖指的是缺乏空間定位信息包括比例尺、經緯度等的山水形象畫古地圖，與現代地圖存在較大差異，不具備信息提取價值.含部分地理信息的歷史古地圖指的是出現以經緯度測量為主要標志的古地圖，一般以自1708年開始由康熙皇帝組織編著的《皇輿全覽圖》為時間起點36.

　　因此，基于不同時期古地圖的精度差異以及資料的可得性，本文主要對18世紀初期以來的洪澤湖動態變化過程進行研究，主要選取公元18世紀初康熙年間的《皇輿全覽圖》、1908年清末的《大清帝國全圖》、民國六年舊地圖以及建國后兩期現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行測繪編制，采用桑遜投影，比例尺約為140萬。

　　是中國首次以西方現代測繪技術繪制的大范圍的實測地圖30,3.本文采用的銅版康熙《皇輿全覽圖》由汪前進、劉若芳主編，外文出版社2007年出版的《清廷三大實測全圖》中收錄;《大清帝國全圖》初版為光緒三十一年(905年)，該幅地圖采用了西方先進的編繪技術，具有較精確的地理參考，比例尺為180萬，全冊共25幅彩色地圖，由大清帝國圖和24幅分省圖組成，本文采用上海商務印書館908年出版的刊本中江蘇省部分;民國六年舊地圖江蘇省部分出自商務印書館出版《中國新輿圖》，該圖具有完整的經緯度網格，比例尺為1:150萬.建國后兩幅現代地圖分別為1949—1951年、1958—1971年中國蘇北、蘇南行署區歷史地圖，來源于中國地圖出版社出版的《中華人民共和國行政區劃沿革地圖集》(1949—1999年)，地圖集主要介紹了新中國50年行政區劃變遷及現狀，比例尺為260萬.

　　遙感數據方面，在綜合考慮各種遙感影像的分辨率、在軌時間和更新周期等因素的基礎上，選用Landsat系列衛星遙感數據作為洪澤湖水域動態監測的數據源.該數據源是由美國航空航天局(NASA)發射的用來獲取地球表面數據的重要遙感平臺，輸出的影像數據為GeoTIFF格式，采樣方式為次卷積采樣，地理坐標系統和地圖投影分別為WGS1984、UTM投影.本文使用的Landsat系列衛星影像由地理空間數據云提供.考慮到遙感數據的質量或受到云量影響，以及時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—月洪澤湖水位相對穩定且含云量低于1%的期遙感影像數據.

　　此外，本文還收集整理了已有的一些文獻資料(研究區自然與人文數據等).文獻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自然和湖泊的社會歷史與現狀，作為一部官修志書，具有一定的學術性與權威性.本文選取洪澤湖周邊的盱眙氣象站1957—2016年間20—20時累計降水量和年平均氣溫數據作為洪澤湖氣象數據，數據來源于中國氣象數據網(http://cdc.cma.gov.cn/).人文數據選用淮安市多年以來的人口、農作物播種面積以及人均地區生產總值，數據主要來源于《淮陰年鑒》38、《淮安統計年鑒》39以及淮安統計局.

　　3研究方法

　　3.1古地圖(1708—1971年)處理方法

　　在Arcgis10.2環境下，統一采用WGS1984地理坐標系，選取Albers地圖投影，對1708—1971年間幅古今地圖進行配準.提取古地圖中的湖泊形態后對照現代調查資料、地方志和檔案文書中相關記載，對配準后的地圖進行誤差校正.具體而言，1949、1971年地圖為現代地圖，按照統一的經緯度坐標添加控制點進行地理配準，提取湖岸線.1708—1917年間《皇輿全覽圖》、《大清帝國全圖》和民國六年舊地圖為三幅歷史地圖，其中民國六年(1917年)舊地圖包含較準確的經緯度信息，因此通過添加經緯網格點作為地理坐標控制點，對其先進行了配準.

　　《皇輿全覽圖》的配準則以年代接近、水域變化幅度相對較小且已配準后的民國六年(1917年)舊地圖為底圖，選取兩幅古地圖間特征點作為地理控制點，更新地理配準.采用統一方法，對《大清帝國全圖》進行配準.幅古地圖配準后，根據30分辨率數字高程數據結合清代與民國時期地方志等古籍資料進行小幅度修正.最后在統一投影坐標系下，對地圖進行矢量化30,3，提取各個時期的湖域面積信息.

　　3.2遙感影像(1988—2016年)處理方法

　　基于對遙感影像的種類與質量、湖泊面積監測的時間跨度、湖泊面積提取的工作量與提取精度等因素的綜合考慮，本文采取改進的歸一化水體指數(MNDWI)與人工目視解譯相結合的方法對長時間序列的洪澤湖水域進行遙感提取工作4041.

　　該方法克服了傳統方法中建筑物對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.其計算公式為：NDWIreenMIRGreenMIR 式中，Green為綠波段，MIR為中紅外波段.具體而言，本文在ENVI5.3環境下，通過水體指數法提取1981—2016年間期遙感影像中的洪澤湖水域變化信息，再通過人工目視解譯對提取的湖泊結果進行檢核修改，以提高湖泊提取的精度，完善信息提取.同時，利用Arcgis10.2平臺對歸一化處理后的遙感影像中的湖域要素進行矢量化，獲得湖泊面積以及湖泊輪廓，并通過Arcgis10.2交集取反(SymmetricalDifference)工具對不同時期洪澤湖矢量圖層進行空間疊置分析，得到不同時間洪澤湖湖域的增減情況.利用Excel、SPSS軟件等統計方法，分析洪澤湖水域面積變化特征及其演化原因.

　　4結果與分析

　　4.1洪澤湖演變過程

　　4.1.1洪澤湖空間形態變化特征

　　1708—2016年洪澤湖空間形態演變過程.歷史時期(1708年)的洪澤湖尚未形成固定湖岸線，與現代洪澤湖形態相比差異顯著.清代晚期至民國初期(908—1917年)，洪澤湖形態與現代相比盡管存在差異，但輪廓基本趨于一致.建國以來(1949—2016年)，洪澤湖形態變化較小，僅局部小范圍出現湖域增減變化，基本形態已經固定.

　　由于歷史時期的洪澤湖形態差異較大且研究年份間的時間間隔較長，而建國后期的洪澤湖形態相似、變化較小且研究年份相近，因此，分別對歷史時期(1708—1917年)的洪澤湖形態進行湖岸線疊置分析，對建國后(1949—2016年)的洪澤湖水域進行交集取反(symmetricaldifference)分析，得到不同時期洪澤湖形態變化特征.1708年洪澤湖總體水域較為寬闊，輪廓近似梯形;而1908年湖域出現明顯收縮，尤其是北部水域萎縮顯著，湖泊整體位置整體向西南方向偏移擴張;1917年洪澤湖水域形態與908年近似，西側與北側湖域面積減小，湖形趨于穩定.

　　4.1.2洪澤湖面積隨時間變化特征

　　經對不同時期洪澤湖矢量化圖層的幾何計算，得到過去300多年來洪澤湖水域面積變化特征.整體上，洪澤湖面積呈萎縮趨勢，面積共減少了269.17km.具體而言，歷史時期(1708—1917年)，洪澤湖的湖域面積變化較為顯著，由3078.78km減少至2335.73km;1949年，洪澤湖面積約為1500km.

　　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187.47km和減少了218.43km以1708年作為湖泊動態變化度初始年份，其余各監測年份(1908—2016年間)分別作為末期時間，對洪澤湖的湖泊動態變化度計算分析.1708—2016年，洪澤湖面積呈減少趨勢，總體動態變化度為0.17%，減少幅度相對較小.但在具體時段內，洪澤湖面積則出現較大幅度變化.例如，1995—2000年間，洪澤湖的動態變化度超過2%，同時1981—1988年及2007—2013年的動態變化度也均達到了1.5%.

　　同時，相關性分析還表明，洪澤湖區(淮安市)人口數量、人均地區生產總值及糧食作物播種面積與洪澤湖面積變化呈現顯著的相關性(相關系數分別為0.852、0.332、0.762<0.0)，表明湖區人類活動可能是湖泊面積演化的主導因素.1960末—1970初期，受到“以糧為綱”的政策導向作用加之人口的迅速增長，洪澤湖沿岸圍湖造田活動加劇，到了1990s開發湖蕩更是成為當地居民的致富之道，這一系列活動導致湖泊逐漸演變為耕地和居住用地，水域面積逐漸縮小.21世紀以來，隨著生態環境建設重要性逐漸受到重視，湖區實施了系列退耕還湖的舉措，導致糧食作物播種面積逐漸減少，相應的湖泊面積也逐漸呈現增加趨勢.

　　新中國成立后，在政府的高度重視下，洪澤湖湖區實施了一系列水利設施修建工程如1950s初期，在淮河下游開掘了長達168km的蘇北灌溉總渠，并在湖泊東南部興建了三河閘，隨后在1980s修建了高良澗進水閘等水利設施.1990s政府對洪澤湖大堤又進行了次加固[48,5253].盡管上述舉措有效提高了洪澤湖下游地區的防洪作用，但同時也增加了周邊的土地利用強度，造成部分湖區水域面積的減少5356.

　　不同時期，湖泊演變過程的影響因素有所不同.歷史時期湖泊的演變多由洪澇災害、泥沙淤積等自然因素引起，例如古丹陽湖、碩項湖便是由于泥沙淤積而逐漸消亡5455;射陽湖也因水患引起泥沙淤積而萎縮為洼地5657;包括洪澤湖在內的蘇北大運河兩側湖泊的演變，均受黃河奪淮的影響，且由南向北逐漸增強26.近代以來，圍湖造田、興建水利工程、湖周土地利用變化等人類活動成為湖泊演化的主導因素1420;近年來，隨著湖泊旅游業以及城市化的發展，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，趨于穩定1658.受自然因素和人類活動影響，不同區域間湖泊有著不同的演變特征59].

　　江蘇省湖泊大體呈擴張—萎縮—穩定演變特征.蘇北大運河兩側湖泊變遷具有一致性26，例如洪澤湖下游的高寶諸湖，受黃淮關系影響，洪澤湖泥沙導致高寶諸湖近00來不斷萎縮.將洪澤湖的演變與高寶諸湖的變遷進行對比，發現二者變化趨勢與時間節點基本同步7,12,30,60];位于蘇南地區的太湖，早期受氣候、降水、海面波動以及三江(松江、錢塘江、浦陽江)的淤廢等自然因素影響而不斷擴張6163.后經宋代至元明清三朝對三江的大規模整治改造，其泛溢趨勢得以控制49.近年來，圍墾和淤積導致眾多湖泊消失59.近代洪澤湖、太湖流域等經濟發達區域的湖泊，大都因灘地圍墾、水利建設等強烈的人類經濟活動而萎縮1428294659.

　　5結論

　　本文基于ArcGIS與ENVI軟件，利用18世紀初以來的古地圖、19812016年間的遙感影像數據，結合歷史文獻、自然人文等數據資料，綜合分析300年來洪澤湖時空演變特征及其演化原因，主要得出如下結論：

　　1708—2016年間，洪澤湖水域面積隨時間不斷變化，總體呈下降趨勢.清代至民國時期(17081917年)，洪澤湖面積變化顯著，由1708年的3078.78km下降至1917年的2335.73k，共減少743.05km，年際縮減速率為0.;建國后，洪澤湖面積由1949年的1757.60km減少至2016年的1488.43km，共減少了269.17km.其中面積最大值出現在1988年(1682.19km)，面積最小值出現在2000年(1352.7km)

　　1708—2016年間，洪澤湖空間形態總體上表現為由四周向湖心縮小的趨勢.1970s—1908s年間主要表現為西部和西南部湖區的急劇萎縮，1980s1990s期間主要表現為西南湖區的擴張，1990湖域再次萎縮，主要集中于西部，21世紀以來洪澤湖變化主要分布集中于湖區西部和東北部，且變化較小.

　　農業論文投稿刊物：《湖泊科學》創刊于1989年，由中國科學院南京地理與湖泊研究所和中國海洋湖沼學會聯合主辦。

　　不同時期，影響洪澤湖水域面積的主導因素各不相同.清中期以前，黃淮關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，豐沛的降水也進一步導致洪澤湖的擴張;清末民初，在濕轉干的氣候變化背景下，黃河改道導致的水源減少以及人口增長引起的湖濱圍墾，使洪澤湖面積不斷萎縮;建國后，湖區人口增長、人類圍墾活動以及水利工程的修建等人類活動逐漸成為影響洪澤湖水域面積變化的主導因素.

　　6參考文獻

　　[1]WangSM,LiJR.LateCenozoiclakedepositsofChinaandenvironmentaloutline.JLakeSci,1993,(1):18.DOI:10.18307/1993.0101.[王蘇民,李建仁.中國晚新生代湖泊沉積及其反映的環境概貌.湖泊科學,1993,(1):18.]

　　[2]JiangLG,YaoZJ,LiuZFetal.Areviewoflakedynamicchangeresearchbasedonremotesensing.RemoteSensingTechnologyandApplication,2013,28(5):807814.[姜麗光,姚治君,劉兆飛等.湖泊動態變化遙感研究綜述.遙感技術與應用,2013,28(5):807814.]

　　[3]LuSL,OuyangNL,WuBFetal.Lakewatervolumecalculationwithtimeseriesremotesensingimages.InternationalJournalofRemoteSensing,2013,34(22):79627973.DOI:10.1080/01431161.2013.827814.

　　[4]HuangL,LiuJY,ShaoQQetal.ChanginginlandlakesrespondingtoclimatewarminginNortheasternTibetanPlateau.ClimaticChange,2011,1093/4):479502.DOI:10.1007/s105840110032x.

　　作者：卞宇崢，薛濱1,2**，張風菊