洞庭湖百年萎縮監測研究范文

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《國土資源遙感雜志》2016年第3期

摘要:

為了研究洞庭湖百年以來的萎縮情況，基于湖南省圖書館珍藏的清光緒22年(公元1896年)成圖的《洞庭湖全圖》等歷史地圖、1954年獲取的航空像片、1967年美國KH－8軍事衛星獲取的影像及各類衛星遙感數據，對洞庭湖的百年變化情況進行了較系統的監測。監測結果表明:1896―2014年118a期間，洞庭湖面積從5146．71km2萎縮到2680．29km2，減少了2466．42km2，為1896年湖盆面積的47．92%。監測結果與水利部門的洞庭湖面積變化數據非常接近。1998年長江發生特大洪澇災害后，國務院明確“退田還湖”的治湖對策，使洞庭湖面積得以穩定。洞庭湖主要由人工修筑的防洪大堤圍限，使來水來沙的變化不能改變防洪大堤的位置，因此，2003年三峽工程的運行沒有影響洞庭湖的面積。

關鍵詞:

歷史地圖;遙感技術;洞庭湖萎縮

0引言

洞庭湖位于長江中游，是中國的第二大淡水湖，也是長江中游地區目前與長江干流直接相通的2個通江湖泊之一(另一個是鄱陽湖)和唯一與長江干流并聯的吞吐型大湖，入湖水量相當于鄱陽湖的3倍、太湖的10倍。洞庭湖為典型的調蓄性湖泊，是長江中下游地區至關緊要的防洪屏障［1］，其演變與洲灘擴張在很大程度上影響著長江流域的調蓄功能。洞庭湖區為外圍高、中部低平、向北開口的碟形盆地，海拔高程變幅約25～50m;該湖屬淺水湖泊，水漲成湖，水落露灘，湖水消落區占全湖的75%以上。近百年來，伴隨著全球氣候變化、湖區圍墾、泥沙淤積以及1998年以來“退田還湖”和大量水利工程的實施，江湖關系發生了多次調整。特別是2003年三峽工程運行以來，洞庭湖的來水來沙條件發生了一系列的變化。水利部門多次過洞庭湖的面積變化數據，但限于歷史資料短缺等原因，這些變化數據大多是依據各種統計數據測算的，而且各類相關文獻也從未過20世紀60年代洞庭湖的面積數據。2011年出版的《洞庭湖歷史變遷地圖集》［2］是迄今為止資料收集最全、唯一的一部專題性研究洞庭湖的圖集，但該圖集對洞庭湖變化最大的近100a間，也僅編輯了民國時期、解放初期、20世紀70年代和洞庭湖現狀等4張圖件。即便如此，《民國時期洞庭湖圖》只是依據“1946年10月湖南省濱湖洲土視察團的調查記錄”編輯的;《解放初期洞庭湖圖》也僅依據1954年整修洞庭湖時“因堵支并流大圈與洪道整治縮短防洪堤線而縮減洞庭湖面積894．31km2”等工程實施情況的統計數據編就;而《洞庭湖現狀圖》則是結合“國家地理信息中心2007年提供的1∶5萬數據和長江水利委員會水文局1995年實測的洞庭湖面積”編輯而成。可見，前人在編這些圖時均未基于當時的遙感圖像開展過洞庭湖的面積量算工作。查明洞庭湖的近代演變特征，特別是洞庭湖未來演變趨勢是“消亡”［3］還是“擴張”［4］，是人們廣泛關注的焦點，也是三峽工程運行后調整治湖思路的基礎。本文基于湖南省圖書館珍藏的晚清《洞庭湖全圖》及其他歷史地形圖資料、1954年獲取的航空像片和1967年以來獲取的各類衛星遙感圖像，對洞庭湖的變化情況進行了較系統的監測。監測結果與水利部門的洞庭湖面積變化數據非常接近。

1數據源

1．1歷史地圖資料

1)1955年和1995年數字柵格地形圖數據，其中湖泊邊界線的繪制為大堤、自然岸線及水體斷面，成圖比例尺為1∶5萬，1980西安坐標系，1985國家高程基準。

2)為查明清朝末期洞庭湖的面積，從湖南省圖書館收集了該館珍藏的1896年(清光緒22年)由德國傳教士帶隊測繪的洞庭湖全圖(圖1)。這是迄今為止能收集到的洞庭湖地區精度最高、時間最老的地圖。因屬文物，不能借閱帶出，也不能掃描，只能用廣角相機翻拍。翻拍的照片經幾何糾正、無縫拼接、矢量化等處理后備用。

1．2遙感影像數據

本文使用的遙感影像數據包括1954年前后獲取的航空攝影像片、1967年美國鎖眼軍事衛星(KH－8)影像(圖2(a))以及20世紀70年代以來的LandsatMSS/TM(圖2(b))、ETM(圖2(c))和CBERS－1等衛星遙感數據。其中，TM數據時相為1996－07－22洪水期，城陵磯水位35．23m;ETM數據時相為2015－01－23枯水期，城陵磯水位20．74m。遙感影像數據的獲取時間為1954―2014年，具體時相及對應的城陵磯水位數據見表1。衛星數據的坐標系統均為WGS84。

2洞庭湖邊界劃定原則

洞庭湖是洞庭盆地中修筑的防洪大堤與自然岸線所圍限的“水盆”，由水面和洲灘交錯分布，在很大程度上打上了人類影響的明顯烙印。在防洪大堤與自然岸線圍限的范圍內，水面與洲灘面積隨水位的高低而變化。洲灘在枯水期和平水期出露地表，在洪水期基本淹沒于水下(圖2(b))。鑒于這一客觀情況，通常認為洞庭湖的范圍為永久性防洪大堤與自然岸線所圍限的區域，亦即汛期洪水所及的最大區域。大堤以外的區域不包括在洞庭湖內［5］，如1998年長江特大洪災后“退田還湖”的堤垸、水利部門劃定的24個分蓄洪垸等。另外，洞庭湖的河流與湖泊大都具有連通性，湖泊之間也常常連為一體。為便于對各湖泊面積的統計與對比分析，需要明確規定連通湖泊或河流的相對固定的分界線(即水體斷面)。根據水利部門的劃分慣例［6］，本文確定水體斷面的位置如圖3所示。東洞庭湖下游與長江連通的水體斷面為七里山;上游與南洞庭湖連通的水體斷面為漉湖—磊石山(汨羅江河口);西側與藕池河東支連通的水體斷面為團洲;東側與新墻河的水體斷面為新墻河口。南洞庭湖下游與東洞庭湖連通的水體斷面為漉湖—磊石山;與草尾河連通的水體斷面為漉湖和茅草街，與湘江連通的水體斷面為省園藝場和古塘，與資水連通的水體斷面為賽頭;與目平湖連通的水體斷面為南嘴和小河嘴。目平湖與南洞庭湖連通的水體斷面為南嘴和小河嘴;與沅江連通的水體斷面為坡頭，與澧水連通的水體斷面為四分局。七里湖位于澧水洪道中，下游以石龜山為界，上游以江灣為界。大通湖為大堤圍限的內湖，除溝渠以外，水系和外江外湖不連通，故周邊以大堤為界。

3技術方法

3．1遙感影像處理

本文所用的1954年和2004年獲取的航空攝影像片，系測繪部門歷年制作的正射影像圖數據。制作衛星正射影像圖，主要基于2004年1月―2005年1月航空攝影測量得到的1:1萬正射影像作為平面控制。因研究中使用的衛星數據均為中、低分辨率，且洞庭湖地區的地表起伏小，故正射影像圖制作中未使用DEM資料。各時相衛星正射影像圖的相對幾何配準精度均控制在1個像元以內;數學基礎為1980西安坐標系、高斯－克呂格投影、6°分帶、1985國家高程基準。

3．2湖泊邊界線提取

湖盆邊界線的提取采用人工解譯方法，重點關注圍限洞庭湖盆的防洪大堤和自然岸線。防洪大堤是指為預防汛期水位上漲導致湖水泛濫而建的堤壩，自然岸線是指湖泊部分周邊不需修筑大堤就能防止湖水外泄的自然陡坡。在高水位，防洪大堤和自然岸線即為洞庭湖的水涯線，直接與湖水相接;在平水位或枯水位，防洪大堤和自然岸線與實際水涯線之間存在一片開闊灘地，即“湖水消落區”，主要覆蓋有蘆葦、湖草、楊樹及白泥洲等。湖水消落區屬于湖泊范圍，在提取湖泊邊界線時不考慮地表覆蓋類型的變化。洞庭湖的自然岸線主要分布于東洞庭湖東部的岳陽樓和鹿角一帶以及目平湖東側，在監測期內很少有變化。防洪大堤則隨著“圍湖造田”的實施而不斷向湖泊推進，岸線變化最大的是東洞庭湖西岸的注滋口一線和大通湖東南部。注滋口在1954年時為東洞庭湖的西岸，其后因修筑團洲垸、幸福垸等，至1978年注滋口遠離湖泊10．82km;漉湖西部的北洲子在1954年時為坦蕩的湖泊，與大通湖連為一體，其后因在大通湖東南部修筑北洲子垸、千山紅垸等，至1978年大通湖離漉湖的最近距離達20．92km。根據遙感解譯結果，截至2014年初，洞庭湖盆環湖邊界總長803．23km，其中防洪大堤676．42km，占環湖邊界總長84．2%;自然岸線116．11km，占總長14．5%;水體斷面長10．70km，占總長1．3%。

3．3面積變化分析

湖盆面積指洞庭湖的大堤、自然岸線和水體斷面圍限區域的面積，不論湖泊內洲灘出露面積有多大，洲灘中地表覆蓋物的類型如何，都被統計在湖盆面積中。主要利用1954―2014年60a時間序列的面積信息對洞庭湖的湖盆面積變化規律進行分析。

3．4監測結果質量評價

洞庭湖岸線長度和面積的量算技術流程為:控制測量→正射影像圖制作→湖盆邊界與洲灘邊界線解譯→外業檢核→面積統計。

1)控制測量。利用第二次全國土地調查底圖制作時實測的外業控制點。控制測量于2007年11―12月開展，采用靜態GPS測量方法進行數據采集，共有平面控制點104個。控制點的平面精度為0．5m，洞庭湖區GPS控制點測量成果等級為E級，可滿足1∶5萬正射影像圖的制圖精度要求。

2)正射影像圖制作。以2004—2005年航空攝影測量得到的正射影像圖為平面控制，進行各期衛星圖像的正射糾正，制作正射影像圖。利用外業控制點和檢查點對生成的正射影像圖進行了檢核，平均中誤差為6．5m，可滿足面積量算要求。

3)湖泊邊界線解譯。邊界線的圈定由多人完成，但最后由1人統一檢查修訂，以盡可能地消除不同人員之間的認知差異，保證湖泊邊界線的解譯精度控制在1個像元之內。精度分析時，以可能的最大誤差為基準進行評價。即假設湖泊邊界解譯精度全部達到最大值(1個像元)，則像元大小與湖泊邊界長度的乘積便是可能的最大誤差。湖泊邊界解譯利用了航空像片和TM，ETM，CBERS－1及MSS等多種衛星遙感數據，因這些數據的空間分辨率不同，故解譯得到的湖泊面積精度也不相同(表2)。從表2可以看出，除了空間分辨率較低的MSS數據外，根據其他數據解譯的最大誤差均在1%以內。

4洞庭湖面積變化監測

4．1監測結果

1896—2014年洞庭湖面積遙感監測結果如表3所示。從表3可以看出，1896—2014年的118a期間，洞庭湖面積從5146．71km2減少到2680．29km2，減少了2466．42km2，為1896年湖盆面積的47．92%。圖4示出1954―2014年洞庭湖面積變化遙感監測結果。

4．2數據對比

遙感監測結果與水利部門公布的洞庭湖面積變化數據［6］對比見表4。表4中，水利部門公布的1995―2014年數據未統計大通湖面積，為便于對比，對遙感監測數據(表3)也相應剔除了大通湖面積79．17km2。可以看出，除1896年的面積相差較大以外，利用航空、航天遙感技術監測的洞庭湖湖泊面積與水利部門公布的數據極為接近，不僅在同一個量級，且面積差值百分比均在1%以內。其中，利用1954年獲取的分辨率較高(5m)航片解譯的結果差值最小，僅0．07%。本文利用1896年《洞庭湖全圖》量算的面積與水利部門的統計數據相差達4．69%。研究中筆者對《洞庭湖全圖》進行了一系列處理，并采用Map-GIS進行面積量算，因此確信5146．71km2應比水利部門公布數據更接近于洞庭湖當時的實際面積。

4．3變化趨勢

1)1896―2014年的118a期間，洞庭湖面積呈先減后趨穩定的變化趨勢(圖5)。1896―1978年的82a間是洞庭湖面積的銳減時期，面積減少了2434．65km2，約為1896—2014年間面積減少總量的98．71%。其中，1896―1954年的58a期間面積減少1228．83km2，年均減少21．19km2;1954―1978年的24a間面積減少1205．82km2，年均減少50．24km2。1978―1998年的20a期間，洞庭湖面積略有減少，減少量為31．77km2，年均減少1．59km2。1998年洞庭湖特大洪澇災害之后，洞庭湖面積基本穩定，為2680．29km2。

2)現今的洞庭湖包括東洞庭湖、南洞庭湖、目平湖、七里湖和大通湖5個湖泊，但在1896年這些湖泊曾連為一體，煙波浩淼，蔚為壯觀。因此，分析各湖泊的萎縮程度要從1954年開始(圖6)。從圖6可以看出，在1954―1978年間各湖泊的萎縮程度不盡相同。其中，東洞庭湖面積減少最大，減幅為680．78km2;其次是南洞庭湖，減幅為219．22km2;再次分別是大通湖、目平湖和七里湖，減幅分別為193．09km2，111．46km2和33．05km2。

5洞庭湖萎縮原因分析

引起洞庭湖萎縮的原因是多方面的，有政治、經濟、衛生防疫等方面的諸多因素。但對各時相遙感影像比對后認為，圍湖造田不僅是遙感圖像上最鮮明的表現，也是導致洞庭湖萎縮的直接原因。洲灘圍墾是當地民眾利用洲土謀求生存的一種手段，是在特定歷史條件下抵御自然災害的一種措施。清朝初期，荊江有調弦、虎渡2口分洪入湖;1852年和1870年藕池、松滋潰口后，形成4口南流入湖局面，其水量大增，洞庭湖面積擴大(根據《洞庭湖全圖》量算，1896年其面積達5146．71km2)。由于4口分流入湖的洪水夾帶大量泥沙入湖，致使湖盆與入湖水道不斷淤淺。光緒25年(公元1899年)，湖南布政司以“息爭端而裕庫收”為名，“召民納資承墾”，鼓勵濫圍濫墾，使洞庭湖的圍墾隨著洲土的增長而不斷發展起來。1918年，省長張敬堯命令:“凡愿領畝開墾者，可繳費領照，筑堤圍垸”，從而使湖區圍墾又一次出現高潮。至1954年，洞庭湖面積減少至3917．88km2。20世紀50年代后期，在“以糧為綱”的思想指導下，先后圍墾了建新、洋淘湖、錢糧湖、屈原、千山紅和茶盤洲等6個農場。60年代，又圍墾了君山、北洲子、金盆、賀家山和南灣湖等5個農場。70年代，湖區圍墾以結合血防滅螺的矮圍為主，其中1976年沅江矮圍漉湖48萬畝，岳陽、汨羅合圍中洲垸13萬畝;高圍則以華容團洲垸8萬畝、湘陰橫嶺湖圍墾38萬畝。上述圍墾工程中，沅江漉湖矮圍及湘陰橫嶺湖圍堤均在圍成后的第一個汛期即發生潰決，表明洞庭湖區的外湖圍墾已發展到最大極限。1980年5月，水利部召開長江中下游防洪座談會，會上作出停止圍墾的決定，湖區堤垸數目及耕地面積自1979年以后未再發生變化，當時的洞庭湖面積為2712．06km2。1978年改革開放后進行了農業結構調整，部分區域圍堰建魚池，又使洞庭湖面積略有減小，至1998年為2680．29km2。1998年長江特大洪澇災害后，國務院明確“退田還湖”的治湖對策，才使洞庭湖面積得以穩定。2003年6月三峽水庫運行后，從長江松滋、太平、藕池3口進入洞庭湖的水和沙大幅度減少，其中年均來水量減少40%，來沙量減少90%。但由于洞庭湖主要由人工修筑的防洪大堤圍限，而來水來沙的變化不能改變防洪大堤的位置，因此三峽工程的運行沒有影響洞庭湖的面積。

6結論

1)洞庭盆地是指洞庭湖區海拔高程變幅約25～50m的平原區，洞庭湖是洞庭盆地中由防洪大堤和自然岸線圍限的水域和洲灘。對于洞庭湖在清末、解放初期、20世紀60年代等各歷史時期的面積，因測量技術尚不發達等原因，前人主要依據統計分析數據獲得。本文基于清光緒22年(公元1896年)的實測地圖、1954年前后的航攝影像、已解密的美國KH－8軍事衛星1967年獲取的影像，以及20世紀70年代以來的LandsatMSS，TM，ETM和CBERS－1等衛星遙感圖像的精細量測，查明了各歷史時期洞庭湖的面積。

2)由于泥沙淤積與圍湖墾殖，清光緒22年以來的118a間洞庭湖迅速萎縮，總面積從5146．71km2減少到2680．29km2，減幅為2466．42km2，減少了47．92%。其中，萎縮最快的是1954―1978年24a期間，洞庭湖面積年均減少50．24km2;其次是1896―1954年58a期間，年均減少21．19km2;1978―1998年20a期間，洞庭湖面積略有減少，年均減少1．59km2;1998年洞庭湖特大洪澇災害之后，洞庭湖面積基本穩定在2680．29km2。

3)2003年6月三峽工程運行以來，洞庭湖的來水、來沙條件發生了一系列變化，主要影響到洞庭湖內洲灘的沖淤速率，改變了洞庭湖的湖容，但對洞庭湖的面積沒有影響。因篇幅所限，本文未詳細探討三峽水庫運行對洞庭湖產生的影響問題。

參考文獻：

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作者:余德清 余姝辰 賀秋華 李長安 魏傳義 單位:中國地質大學(武漢) 湖南省遙感中心