亢 慶，黃 俊，金平偉

(珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院珠江水利委員會(huì)珠江流域水土保持監(jiān)測中心站,510610,廣州)

水土保持效益是水土保持治理工程的重要組成部分,是反映治理工程成效的直接體現(xiàn),也是水土保持技術(shù)方案及政策可行性評價(jià)的基本原則和依據(jù)。水土保持效益評價(jià)相關(guān)研究與水土保持治理工程密切相關(guān),我國水土保持治理工程主要以小流域?yàn)榛締卧_展；因此,治理工程效益評價(jià)研究與小流域綜合治理同步發(fā)展[1]。盡管全國范圍水土保持工作已經(jīng)取得明顯成效,但涉及水土保持效益評價(jià)研究仍存在一些問題。目前,對水土保持效益評價(jià)多結(jié)合某一特定治理工程開展,采用定量和定性相結(jié)合的綜合評價(jià)方法,具有一定的局限性[2- 3]。

頒布GB/T 15774—2008《水土保持綜合治理效益計(jì)算方法》(以下簡稱“方法”),極大地推動(dòng)了水土保持效益評價(jià)工作,也為水土保持治理工程開展提供重要依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)將調(diào)水保土效益單獨(dú)作為一個(gè)一級指標(biāo)列出,也突顯調(diào)水保土效益在治理工程效益評價(jià)中的重要地位；其包括調(diào)水保土效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益4個(gè)一級指標(biāo)及15個(gè)二級指標(biāo),該方法能夠?qū)δ壳案黝愋×饔蛩帘３志C合治理工程,開展較為詳盡的效益評價(jià)工作。而保土效益又細(xì)分為8類,主要采用典型推算法和具體量計(jì)算法進(jìn)行保土效益計(jì)算,對野外典型觀測設(shè)施和設(shè)備依賴程度較高,且由點(diǎn)到面的推算也存在一些精度問題。“方法”中社會(huì)效益指標(biāo)概念較為模糊,存在難以量化的問題,可考慮不必單獨(dú)列出；此外,“方法”中調(diào)水保土效益隸屬于廣義生態(tài)效益范疇,尚存在效益重復(fù)計(jì)算問題[3-4]。王琦等[5]指出,“方法”盡管考慮了多種治理工程效益評價(jià)計(jì)算,但無法獲得效益綜合值,提供決策支持能力不足。近年來,隨著遙感和無人機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展,水土保持治理工程效益評價(jià)逐步從“靜態(tài)”發(fā)展到“動(dòng)態(tài)”。如何改進(jìn)和完善水土保持治理工程效益評價(jià)指標(biāo)和方法,能夠獲得多時(shí)空尺度效益評價(jià)結(jié)果就顯得十分必要。

筆者在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合遙感和無人機(jī)等技術(shù),提出了一種水土保持治理工程多時(shí)空尺度的保土效益評價(jià)指標(biāo)與計(jì)算方法。該方法不依賴野外觀測設(shè)施設(shè)備,可獲得不同時(shí)空尺度的治理工程保土效益,為水土保持治理工程開展、管理及后評估提供技術(shù)支持。

1 研究方法

1.1 方法的提出

美國通用水土流失方程(USLE)是目前預(yù)測土壤侵蝕量最常用方法,其應(yīng)用關(guān)鍵在于方程中各因子精確量化[6]。該方程表達(dá)式為

式中:A為土壤侵蝕模數(shù)；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持工程措施因子。

針對某一水土保持治理工程,假設(shè)治理工程實(shí)施前研究區(qū)土壤侵蝕量為Ab,實(shí)施后土壤侵蝕量為Aa,那么水土保持治理工程保土效益可用治理工程開展前后土壤侵蝕變化量來代表,即采用“土壤侵蝕量減少比例”(soil erosion decrease ratio,SEDR)作為水土保持治理工程保土效益評價(jià)指標(biāo),計(jì)算公式為

將式(1)代入式(2),SEDR可以表示為

式中:Ra、Ka、La、Sa、Ca和Pa分別為治理工程實(shí)施后研究區(qū)降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長因子、坡度因子、植被覆蓋因子和水土保持措施因子；Rb、Kb、Lb、Sb、Cb和Pb分別為治理工程實(shí)施前研究區(qū)降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長因子、坡度因子、植被覆蓋因子和水土保持措施因子。

若效益計(jì)算期相對較短,且期間無極端性天氣發(fā)生,可認(rèn)為降雨侵蝕力在效益計(jì)算期內(nèi)未發(fā)生重要改變,即Rb≈Ra；同時(shí),土壤可蝕性亦不會(huì)發(fā)生重要改變,即Kb≈Ka。因此,式(3)可簡化為

式(3)或(4)即為水土保持治理工程保土效益評價(jià)指標(biāo)及計(jì)算公式,該指標(biāo)可直接反映治理前、后研究區(qū)土壤侵蝕量的變化,表征治理工程保土效益。若SEDR≤0,表示治理工程開展后,研究區(qū)土壤侵蝕量未發(fā)生變化或增加；若SEDR＞0,則表示治理工程開展后,研究區(qū)土壤侵蝕量降低,達(dá)到保土效果。

由式(3)或(4)可知,只需要獲得水土保持治理工程實(shí)施前、后的上述6個(gè)因子值,即可計(jì)算得到研究區(qū)保土效益值。上述6個(gè)因子值可基于遙感或無人機(jī)高分辨率影像,使用EVNI和ArcGis等軟件自動(dòng)提取,進(jìn)而針對不同時(shí)空尺度,開展水土保持治理工程保土效益動(dòng)態(tài)評價(jià)研究工作。

1.2 保土效益計(jì)算

筆者提出的水土保持治理工程保土效益評價(jià)指標(biāo)——土壤侵蝕量減少比例(SEDR),是采用遙感或無人機(jī)高分辨率影像,以水土保持措施圖斑為基本單元的一種計(jì)算方法。具體計(jì)算流程如下。

圖1 水土保持治理工程保土效益計(jì)算流程Fig.1 Calculation flow of the soil conservation benefit for the soil and water conservation engineering

1)獲得研究區(qū)治理工程開展前、后同時(shí)像高分辨率遙感影像及數(shù)字高程模型資料(階段Ⅰ——治理前、階段Ⅱ——治理后)；

2)對高分辨率遙感影像進(jìn)行預(yù)處理(大氣校正、輻射校正等)；

3)使用eCognition Developer軟件,基于面向?qū)ο蟮姆椒?進(jìn)行土地利用分類,生成水土保持措施圖斑矢量文件,為后期以圖斑為單元計(jì)算SEDR值提供基礎(chǔ)；

4)基于預(yù)處理后的高分辨率遙感影像、數(shù)值高程模型、研究區(qū)氣象資料和土壤數(shù)據(jù)等,使用ENVI和ArcGis軟件,計(jì)算提取治理前、后研究區(qū)各措施圖斑R、K、L、S、C和P6 個(gè)因子值；

5)以措施圖斑為計(jì)算單元,分別計(jì)算治理工程實(shí)施前Rb、Kb、Lb、Sb、Cb、Pb和實(shí)施后Ra、Ka、La、Sa、Ca、Pa6因子乘積值,進(jìn)而計(jì)算各措施圖斑SEDRi值；

6)使用圖斑面積加權(quán)計(jì)算方法,獲得研究區(qū)土壤侵蝕量減少比例SEDR綜合值,計(jì)算公式如下:

式中:SEDRi為第i個(gè)措施圖斑土壤侵蝕減少比例,mi為第i個(gè)措施圖斑面積。

上述技術(shù)流程如圖1所示。

1.3 長期保土效益預(yù)測

針對某一特定水土保持治理工程而言,工程措施(山塘壩堰、坡改梯和水平溝等)完成后,基本不會(huì)發(fā)生變化,因此,項(xiàng)目區(qū)P因子不會(huì)發(fā)生重大改變；同時(shí),坡長、坡度等因子亦不會(huì)發(fā)生改變。后續(xù)治理工程保土效益值的變化,主要體現(xiàn)在植被措施覆蓋度變化而引起植被覆蓋因子改變上,即式(3)或(4)中C因子的變化。如果能夠預(yù)測林草等植被措施長期植被覆蓋度變化趨勢,即可得到其對應(yīng)的C因子值,進(jìn)而得到長期保土效益預(yù)測值。如吳中倫等[7]編著的《中國森林》,給出了我國主要樹種的樹齡與覆蓋度間統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律?；谥卫砉こ虒?shí)施年限(樹齡),可得到遠(yuǎn)期植被覆蓋度值,基于土壤侵蝕減少比例的計(jì)算公式,得到治理工程長期保土效益預(yù)測值。

2 結(jié)論與討論

治理工程水土保持效益主要包括生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)3方面；其中,生態(tài)效益是以調(diào)水保土為主要目的,是治理工程根本性目標(biāo),亦是其他效益存在的基礎(chǔ)。保土效益實(shí)質(zhì)是一個(gè)數(shù)量概念,可以使用減少土壤侵蝕量的絕對值(或量化為貨幣價(jià)值)表示,亦可使用減少土壤侵蝕量的比例表示[8]。保土效益指標(biāo)與計(jì)算結(jié)果,能夠從不同時(shí)空緯度上反映治理工程土壤侵蝕量變化,可為治理工程的開展、管理和后續(xù)評估提供技術(shù)支持?！胺椒ā敝斜Ｍ列б嬗?jì)算,過分依賴野外徑流小區(qū)、流域卡口站等設(shè)施設(shè)備,通過典型推算法和具體量計(jì)算法獲得,存在諸如投入成本較大、難以快速獲得近期與遠(yuǎn)期保土效益值,以及應(yīng)對極端天氣能力不足等問題。

筆者基于美國通用水土流失方程,提出了一種以“土壤侵蝕量減少比例”為保土效益評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法。該方法可大幅度減少對野外設(shè)施、設(shè)備的依賴程度,降低投入成本,借助遙感和無人機(jī)等技術(shù),開展不同時(shí)空尺度保土效益計(jì)算評價(jià)工作。此外,該方法可根據(jù)林草等植被覆蓋度長期預(yù)測數(shù)據(jù),開展治理工程遠(yuǎn)期效益預(yù)測,為治理工程開展、管理及后續(xù)評估提供重要參考。

3 參考文獻(xiàn)

[1] 劉震.我國水土保持小流域綜合治理的回顧與展望[J].中國水利,2005(22):17.LIU Zhen.Retrospect and prospect on integrated management of soil conservation in small river basins[J].China Water Resources,2005(22):17.

[2] 陳渠昌,張如生.水土保持綜合效益定量分析方法及指標(biāo)體系研究[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2007,5(2):95.CHEN Quchang,ZHANG Rusheng.Study on approaches and index system for quantitatively analyzing comprehensive benefits of soil and water conservation[J].Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research,2007,5(2):95.

[3] 景可,焦菊英.水土保持效益評價(jià)中的問題討論[J].水土保持通報(bào),2010,30(4):175.JING Ke,JIAO Juying.Discussion on questions in benefit assessment for soil and water conservation[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2010,30(4):175.

[4] 葉延瓊,張信寶,馮明義,等.水土保持效益分析與社會(huì)進(jìn)步[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(2):71.YE Yanqiong,ZHANG Xinbao,FENG Mingyi,et al.Benefit analysis of soil and water conservation and social advancement[J].Journal of Soil Water Conservation,2003,17(2):71.

[5] 王琦,楊勤科.區(qū)域水土保持效益評價(jià)指標(biāo)體系及評價(jià)方法研究[J].水土保持研究,2010,17(2):32.WANG Qi,YANG Qinke.Parameters and methods for benefit evaluation of region-scale soil and water conservation[J].Research of Soil and Water Conservation,2010,17(2):32.

[6] WISCHMEIER W,SMITH D.Predicting rainfall-erosion losses from cropland east of the rocky-mountains[R].Agriculture Handbook.Washington DC:Soil Conservation Service,USDA,1965:8.

[7] 吳中倫,徐化成,管中天.中國森林:第2卷[M].北京:中國林業(yè)出版社,1999:950.WU Zhonglun,XU Huacheng,GUAN Zhongtian.China forestry(Volume II)[M].Beijing:China Forestry Publishing House,1999:950.

[8] 李蕾蕾,劉黎明,謝花林.退耕還林還草工程的土壤保持效益及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評估:以固原市原州區(qū)為例[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(1):161.LI Leilei,LIU Liming,XIE Hualin.Eco-economic benefit evaluation of soil conservation service of cropland conversion program:A case study of Yuanzhou District in Guyuan City[J].Journal of Soil Water Conservation,2004,18(1):161.