太湖流域典型湖泊演變特性及驅動力分析

王冬梅，陳 麗，梁文廣，王軼虹，石一凡

（江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017）

0 引 言

湖泊是淡水資源的重要組成部分，其形成和發展對全球氣候變化有較為顯著的影響，同時對水資源的可持續發展以及生態環境的變化具有重要的價值［1-3］。湖泊資源長期不合理的開發利用，會導致湖泊面積萎縮、居民生活用水減少、湖泊調洪能力降低、生物多樣性減少等一系列問題［4-6］。由于湖泊占地面積廣，通過常規觀測手段很難獲得湖面整體變化信息。近年來，隨著遙感和地理信息技術的出現，因其具有覆蓋范圍廣、數據更新快等優勢，中高分辨率的衛星遙感被廣泛應用于湖泊動態變化的研究中。太湖、滆湖和長蕩湖是太湖流域湖泊的重要組成部分，在江蘇省常州、蘇州和無錫等地飲水安全、城市防澇和維持生態環境中發揮著重要作用。2020 年6 月，江蘇省政府頒布《江蘇省水域保護辦法》中明確要求水行政主管部門“采取有效措施，確保本行政區水域面積不減少、水域功能不衰退”的水域保護目標，因此關注近60年來太湖流域典型湖泊演變規律具有重要意義。

湖泊演變包括湖泊面積、形態以及水位等各方面的變化，近年來湖泊演變規律及其變化原因也是眾學者的研究重點和熱點［7-9］。早期學者［10-12］主要通過歷史地圖和文獻資料對湖泊形成過程進行復原分析，但該方法受限于歷史地圖繪畫時間，資料的記載方式及可信度等。近年來，隨著遙感技術的發展與應用，其覆蓋范圍廣、周期短及分辨率高等特點為湖泊動態變化過程研究提供了新的方法和手段，目前已有諸多學者利用遙感影像數據開展河湖演變相關研究。如白瑪央宗等［13］基于多源遙感影像數據，研究瑪旁雍錯和辣昂錯湖1972-2018 年的面積變化過程得出，兩湖目前處于萎縮趨勢，萎縮方向均以西北方為主導；Zhang等［14］利用Sentinel-1A影像監測了2014年10月-2020 年11 月青藏高原東南部冰川湖泊演變過程，結果表明兩個冰川湖泊處于擴張過程，年增長率分別為3.19%和12.63%；Zhang 等［12］基于地圖和衛星影像數據分析了1920-2020 年青藏高原湖泊演變的變化趨勢，結果表明青藏高原湖泊經歷了“顯著萎縮-持續擴張-相對穩定-進一步擴張”四個階段過程；余姝辰等［15］基于歷史地形圖和航空遙感數據分析了清末以來洞庭湖區通江湖泊面積時序變化及演變特征，發現1896-2019 年湖泊面積萎縮率為48.19%；吳陽等［16］基于Landsat衛星遙感數據，對31年來云南省九大高原湖泊水域面積進行了動態監測，并進行了湖泊時空演變的影響因素分析；Zhang 等［17］基于SRTM DEM 和Landsat 數據分析了青藏高原1972-2019 年間25 個湖泊變化，結果表明湖泊變化經歷了“小幅下降-快速增加-緩慢增加”3 個階段。劉垚燚等［18］基于GEE 平臺的Landsat 遙感數據源，利用改進的歸一化差異水體指數研究了太湖面積變化趨勢，結果表明1984-2018 年太湖湖泊面積增加了45.31 km2，其中太湖有0.3%的水體永久性消失；李新國等［19］基于地形圖和不同時期的遙感影像數據，獲取太湖流域主要湖泊1971-2002年間的水域面積，結果表明太湖流域主要湖泊在1971-2002 年間188.86 km2，湖泊面積減少是自然因素和人類活動綜合作用的結果。

目前已有的研究主要針對短時間尺度太湖流域湖泊面積動態變化進行分析［2，20-22］，對長時間跨度的太湖流域典型湖泊形態變化及其原因仍需進一步研究。因此，本研究基于多源遙感影像，提取建國初期（1960年）以來太湖流域典型湖泊的水域信息，全面分析太湖流域典型湖泊時空動態演變過程，并從氣候變化和人類活動方面探究演變原因，為太湖流域典型湖泊的科學保護與可持續發展提供參考依據。

1 研究區與數據源

1.1 研究區概況

太湖流域（30°05'～32°08'N，119°08'～121°55'E）位于長江下游，面積約36 900 km2，是我國經濟最發達、人口最稠密的地區之一。流域內河網密布、湖泊眾多，地形以平原為主，屬于亞熱帶季風氣候（圖1）。本研究選取太湖流域內面積最大的太湖、滆湖和長蕩湖為典型湖泊進行研究。

圖1 研究區概況圖Fig.1 Study area profile

1.2 研究數據

1.2.1 遙感影像數據

本研究選取4 種多源遙感影像數據，分別是:Corona 影像、Landsat 影像、ALOS 影像和高景1 號影像，影像具體信息如表1所示。遙感影像數據需進行輻射定標、大氣校正和幾何校正等相關處理，其中非同源數據處理過程中，設定2020 年高景1 號為基準影像，作為其他影像的糾正標準。

表1 數據源信息Tab.1 Data source information

Corona 影像是冷戰時期美國拍攝的軍事偵察衛星影像，本研究收集20 世紀60 年代KH-4 和70 年代KH-9 的黑白全色影像，其中KH-4 是在1960-1972 年間由Corona 拍攝的大量涵蓋全球的衛星影像，KH-9 由Hexagon 系統拍攝的全球衛星影像。該影像具有覆蓋范圍廣、空間分辨率高、多時相等特點，可清晰的顯示水體邊界信息，有效解決了20世紀六七十年代我國影像資料匱乏的問題。

Landsat是美國陸地衛星系列，是目前運行時間最長的地球觀測計劃，于1972 年開始發射。本研究收集了Landsat4-5 TM和Landsat7 ETM+傳感器影像，該數據空間分辨率為30 m，影像采用4，5，3 波段合成的非標準假彩色圖像，可以清晰的顯示水體邊界信息。

ALOS 是日本國家空間發展局于2006 年發射對地觀測衛星，通過采用先進的對地觀測技術獲取全球高分辨率的陸地觀測數據，在全球湖泊動態變化、資源調查、災害監測等領域發揮重要作用，本研究選取PRISM 傳感器提供的空間分辨率為2.5 m的影像。

高景1號是我國自主研制的高分辨率衛星影像，具有0.5 m的全色波段和4 個2 m 的多光譜波段，波譜范圍覆蓋450～890 nm，由4 顆衛星組網，重訪周期為1 d，目前已廣泛應用于測繪、資源調查、區域監測、洪澇災害遙感監測等各領域。本研究選取全色和多光譜融合后的0.8 m 分辨率影像，有利于識別湖泊邊界。

1.2.2 氣象數據

本研究收集1960-2020 年年降水量和年平均氣溫數據，選取湖泊周邊的氣象站點為代表站，包括:溧陽站、金壇站、常州站、宜興站、無錫站、蘇州站、東山站和吳江站，數據來源于江蘇省氣象局。

1.2.3 社會經濟統計數據

本研究整理了湖泊周邊城市（蘇州，無錫和常州）農業總產值和年末人口統計數據資料，數據主要來源于《江蘇省統計年鑒》和《江蘇四十年》。

1.3 方 法

1.3.1 湖泊水域提取方法

目前，有關水域面積提取方法很多，為減少自動提取算法對多源數據中水域解譯的差異，本研究采用區域生長法結合人工目視解譯法交互提取3 個典型湖泊新中國成立初期（1960年）以來各個時段的水域面積。水域提取標準是湖泊范圍內對應的水域面積，包括豐水期淹沒灘地，同時剔除湖泊蓄水范圍內圈圩養殖水面面積，故豐枯水期、豐枯水年對本研究的湖泊面積影響可忽略不計。首先采用區域生長法自動提取各期影像中湖泊水面邊界，在此基礎上，人工根據遙感影像信息對灘地和養殖水面邊界進行精細修改，至此完成湖泊水域面積信息提取。

1.3.2 湖泊景觀形狀指數

湖泊景觀形狀指數（Landscape Shape Index，LSI）是表示人類活動對自然景觀的干擾強度的重要指標［23，24］，用來反映湖泊的復雜程度以及湖泊本身易受干擾程度。LSI數值越小，表示湖泊幾何形狀越簡單，說明湖泊受到外界活動影響越嚴重；LSI數值越大，表示湖泊幾何形狀越復雜，說明湖泊受到人類干擾越少［25］。湖泊的自然形狀與受人為干擾而改變的湖泊在湖岸線形狀上有顯著性差異，一般來說，受人為干擾的湖岸線更加規整平直；因此同一湖泊在不同時期的變化強度差異可以反映人類活動的強弱［26］。其計算公式為:

式中:LSI表示湖泊景觀指數的數值大小；L表示湖泊周長；A表示湖泊面積。

1.3.3 湖泊質心偏移度

質心是描述地理對象空間分布的一個重要指標［27］；近幾年將其引入地理學的研究中，用于研究城市擴張與土地利用的變化。湖泊質心的偏移度可以從一定程度上反映湖泊萎縮與擴張的變化屬性，可以用以下公式表示:

2 結果與分析

2.1 不同分辨率遙感影像對湖泊提取面積的影響

本研究選取2020 年5 月空間分辨率為0.8 m 的高景1 號和空間分辨率為30 m 的Landsat8 影像數據進行對比，比較同期不同空間分辨率的遙感影像數據對湖泊面積提取的影響。通過對比分析可知（表2），基于高景1號影像提取的3個典型湖泊面積均大于基于Landsat8影像提取的湖泊面積，太湖、滆湖和長蕩湖3 個典型湖泊提取面積誤差分別為0.1%（2.03 km2），0.3%（0.48 km2）和0.3%（0.23 km2），這表明不同空間分辨率的遙感影像數據對湖泊提取面積有一定的影響，但提取誤差較小。從兩種影像提取的湖泊面積空間差異來看，誤差主要集中在淺灘水域部分，0.8 m空間分辨率的遙感影像能詳細刻畫淺灘部分的細節信息，所以提取的面積相對較大。因此，采用中高分辨率的多源遙感數據提取水域面積時，不同分辨率的遙感影像對坑塘等小型水體影響較大，但對湖泊等大型水體提取面積影響較小。

表2 同期不同空間分辨率遙感影像湖泊水域面積Tab.2 Lake water area of remote sensing images with different spatial resolutions during the same period

2.2 湖泊面積動態變化分析

根據各湖泊代際面積可以得出，1960 年代-2020 年代太湖流域3 個典型湖泊面積經歷了“減少-增加-再減少-增加”4 個動態變化過程（表3）。其中1960 年代-1980 年代期間，在“以糧為綱”的農業背景影響下，湖泊邊界附近被大量圍墾，圍湖造田，出現大面積萎縮現象，3個典型湖泊面積整體呈現快速減少趨勢，分別萎縮了134.74、47.20 和27.19 km2，占1960 年代面積的5.44%，26.11%和25.84%。由于改革開放以來實行水產養殖等農業結構政策調整，1980 年代-1990 年代之間3 個典型湖泊面積基本維持穩定，面積變化較少，出現短暫增加趨勢。1990年代-2010年代期間，由于社會經濟的快速發展，養殖業大力發展，湖泊周邊出現大范圍圈圩養殖，造成湖泊面積不斷減少，3個湖泊面積分別減少了21.21、7.81 和19.32 km2。近年來，隨著“退圩還湖”、“退田還湖”等政策的實施，湖泊面積開始緩慢恢復，3 個湖泊面積分別增加了35.54、8.05 和5.18 km2，湖泊面積基本恢復到1980年代水平。

表3 1960年代-2020年代太湖流域典型湖泊面積 km2Tab.3 Typical lake area in Taihu Lake Basin from 1960s to 2020s

為探究豐枯水年特征對湖泊面積提取的影響，本研究選取2011-2020 年3-5 月Landsat 影像提取太湖流域3 個典型湖泊水域面積。由表4可以看出，隨著江蘇省“退圩還湖”工程的實施，3個典型湖泊水域面積均出現了增加的趨勢。2011-2014年“退圩還湖”工程期間，太湖水域面積變化波動較大（增加32.87 km2），然而，在2015 年后，自然水位波動（0.43 m）引起的水域面積變化較小（0.97 km2），因此豐枯年份的水位波動對本研究關注的太湖水域面積影響不大。

表4 2011-2020年太湖流域典型湖泊面積 km2Tab.4 Typical lake area in Taihu Lake Basin from 2011 to 2020

在空間尺度上，近60年來湖泊形態也發生了不同程度的變化。從圖2 可以看出，太湖形態基本維持穩定，1970 年代太湖西北部出現萎縮現象，1990 年代太湖東北部支流分裂，1990 年代-2020 年代之間太湖東南部邊緣發生先萎縮后擴張現象；滆湖形態發生明顯變化，其中滆湖北部在1970 年代和2010 年代發生兩次大規模萎縮，2020 年代出現擴張，1980 年代滆湖東南部也有較為明顯的萎縮；長蕩湖東南部在1970 年代和1980 年代發生兩次明顯萎縮現象，此后形態基本維持穩定，整體變化較小。

圖2 太湖流域典型湖泊演變圖Fig.2 Evolution of typical lakes in the Taihu Lake Basin

2.3 湖泊景觀形狀指數變化分析

太湖流域湖泊LSI整體呈現先減少后增加的變化趨勢。從圖3 可以看出，太湖的LSI由1960 年代的2.81 緩慢下降至2010年代的2.46，表明受人類活動的影響，湖泊岸線復雜性逐漸降低；2020 年代LSI上升至2.95，說明湖泊岸線復雜性增大；總體而言，太湖的LSI在1960 年代-1970 年代以及2010 年代-2020年代之間發生顯著變化，這表明太湖形態在這兩個時期受到人類活動影響較大。滆湖的LSI整體呈現一個上升的趨勢，從1960 年代的1.30 緩慢上升至2020 年代的1.66，其中在1970 年代和2000 年代出現微弱的下降；1980 年代上升的最為顯著，達到了1.51，表明滆湖形態在1970 年代-1980 年代之間受人類活動影響最大。長蕩湖LSI從由1.40（1960 年代）快速下降至1.11（1970 年代），之后緩慢上升至1.69（2020 年代）；長蕩湖LSI在1960 年代-1970 年代和2010 年代-2020 年代間變化較大，表明長蕩湖在這兩個時間段內受人類活動影響較大。

圖3 湖泊景觀形狀指數圖Fig.3 The shape index map of the lake landscape

2.4 湖泊質心變化分析

自20 世紀60 年代以來，太湖流域湖泊的空間異質性發生顯著性變化，3 個典型湖泊質心均發生了不同程度的偏移。從圖4 中可以看出，太湖質心在1960 年代-1970 年代之間向西南方向偏移0.94 km，1980 年代-2010 年代期間形態保持穩定，偏移度較少，均小于0.4 km，但在2010年代-2020年代間向東北方向偏移4.55 km，表明受到人類活動的影響，東南角水體逐漸向東北方向擴張。滆湖質心偏移主要發生在1960 年代-1980 年代之間，先向西南方向移動而后向正北方移動，表明該時期內滆湖東北部和南部發生了大面積水域萎縮現象，1980 年代-2000 年代之間湖泊形態保持穩定，2000 年代之后發生微弱的偏移。長蕩湖質心在1960 年代-1970 年代期間向東北方向偏移了1.42 km，表明該時期內長蕩湖西南方發生大面積萎縮；1970 年代-2010 年代間長蕩湖形態趨于穩定狀態，質心偏移度較小；2010 年代-2020 年代間湖泊質心整體向東南方向移動0.31 km，表明湖泊逐漸向東南方擴張。

圖4 湖泊質心偏移度Fig.4 The deviation of the lake's centroid

3 湖泊變化成因分析

3.1 氣候變化對湖泊演變的影響

1960-2020 年太湖流域氣候發生了較為顯著的變化，該流域氣溫顯著升高（圖5），平均變化率為0.3 ℃/10 a，明顯高于全國平均水平（0.22 ℃/10 a）［28］；降水量年際差異較大，多年來降水平均值為1 169 mm，其中1978 年降水量最少為620 mm，2016年降水量最多為2 096 mm。

圖5 1960-2020年湖泊周邊站點年降水量和年平均氣溫距平圖Fig.5 Anomalies of annual precipitation and annual average temperature at sites around the lake from 1960 to 2020

近60 年來，太湖流域三大湖泊動態變化較大，且有不同的代際特征。其中，太湖、滆湖和長蕩湖在1960s-1980s期間均呈現了大面積的萎縮趨勢，該變化趨勢與降水有較高的一致性，1960-1984 年間共有18 年降水量低于平均值，且連續多年降水量較少，降水量減少導致湖泊水位降低，容易造成湖泊淺灘露出，便于人類的圍墾，從而導致湖泊面積減少；氣溫對湖泊面積變化也有間接的影響，1960-2020年間，年平均氣溫呈顯著上升趨勢，在年際降水保持穩定時，氣溫升高可能會造成水面蒸發增加、入湖徑流量減少，從而造成湖泊面積減少。

3.2 人類活動對湖泊演變的影響

近60 年來，由于社會經濟的快速發展，人類活動對湖泊生態系統產生了深遠的影響。以滆湖為例（圖6 和圖7），滆湖演變過程中周邊不斷被占用，面積約減少46.52 km2，其中圈圩約27.45 km2，建筑用地約9.08 km2，農田約6.05 km2，景觀、道路約3.44 km2，新增水面0.87 km2，其余為未利用土地面積。分析當地經濟發展數據可知，自1960年以來太湖流域年末人口和農業總產值處于不斷上升趨勢，為滿足人口增長和農業總產值增加的需要，人類不斷在滆湖周邊進行圈圩養殖、圍湖造田以及建筑建設等，由此可見滆湖面積減少與年末人口和農業總產值增加呈現明顯的相關性。

圖6 滆湖占用情況圖Fig.6 Occupation of Gehu Lake

圖7 年末人口和農業總產值圖Fig.7 Population and total agricultural output value at the end of the year

太湖流域典型湖泊形態變化的主要驅動力是人類的沿湖活動，包括圈圩養殖、圍湖造田、建筑以及旅游景點的開發建設等。造成這種現象的原因有①隨著社會經濟的發展，城市化進程不斷加快以及湖泊周邊城市人口的不斷增長，土地和住房需求也隨之增加，湖泊周邊逐漸被住宅、旅游景點設施侵占。②太湖流域位于平原地區，水域面積占總面積的1/6，是我國重要的商品農業基地，隨著農業總產值的不斷增加，湖泊周邊出現大量圈圩養殖和圍墾，造成湖泊面積急劇減少。

4 結 論

本研究基于遙感影像數據，結合7期湖泊水域提取結果、周邊城市社會經濟統計數據以及氣象數據，分析了新中國成立初期（1960 年）以來太湖流域典型湖泊演變規律及其變化原因。探討了社會經濟不斷發展和城市化進程不斷加快背景下，氣候變化以及人類活動對湖泊演變的影響，得出以下主要結論。

（1）自20 世紀60 年代以來，3 個典型湖泊水域空間特征發生顯著變化，水域面積經歷了“快速萎縮-緩慢增加-再萎縮-逐漸恢復”4個時序變化過程。其中3個湖泊在1960年代-1980年代之間萎縮最為嚴重，太湖、滆湖和長蕩湖分別衰減了134.74、47.20和27.19 km2。

（2）受人類活動影響，3 個典型湖泊LSI整體呈現先減少后增加的變化趨勢。其中太湖和長蕩湖在1960 年代-1970 年代以及2010 年代-2020 年代期間受人類活動影響較大；滆湖在1970年代-1980年代間受人類活動影響最大。

（3）近60 年來3 個典型湖泊質心有顯著偏移，其中太湖質心在2010年代-2020年代期間向東北方向偏移4.55 km，東南角水體逐漸向東北部擴張；滆湖質心在1960 年代-1980 年代之間向西南和北方偏移，東北部和南部水體大面積萎縮；長蕩湖質心在1960年代-1970年代及2010年代-2020年代期間分別向東北方和東南方偏移，西南方向水體萎縮以及東南方向水體擴張。

（4）由湖泊變化成因分析可知，近60 年來太湖流域3 個典型湖泊演變主要受人類沿湖活動的影響，包括圈圩養殖、圍湖造田、建筑以及旅游景點的開發建設等活動。