屈 創(chuàng)，董亞維，王 略，雷迪堯

(黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

2015年，水利部印發(fā)了《全國水土保持信息化工作2015—2016年實(shí)施計劃》，啟動了國家水土保持重點(diǎn)工程“圖斑精細(xì)化”管理示范工作，并提出通過整合改造全國水土保持綜合治理管理系統(tǒng)，開發(fā)水土保持重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目移動檢查驗(yàn)收系統(tǒng)，優(yōu)化重點(diǎn)工程前期管理、過程檢查和竣工驗(yàn)收環(huán)節(jié)，初步實(shí)現(xiàn)國家水土保持重點(diǎn)工程以“圖斑—小流域—項(xiàng)目區(qū)—縣—省—流域—國家”為主線的精細(xì)化、現(xiàn)代化管理模式[1]。

2017年，水利部印發(fā)了《全國水土保持信息化工作2017—2018年實(shí)施計劃》，明確要求國家水土保持重點(diǎn)工程全面納入“圖斑精細(xì)化”管理，各流域機(jī)構(gòu)和地方各級水行政主管部門分工負(fù)責(zé)，以圖斑為單元基于遙感技術(shù)、無人機(jī)、移動終端等手段，對重點(diǎn)工程實(shí)施精細(xì)化管理。這一工作安排，推動了高分遙感影像、無人機(jī)、信息系統(tǒng)技術(shù)在水土流失綜合治理工作中的應(yīng)用，提高了水土保持工作的信息化應(yīng)用水平，成為新時期“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的強(qiáng)有力抓手[3]。

按照水利部安排部署，2017年青海省完成了重點(diǎn)工程“圖斑精細(xì)化”管理在建項(xiàng)目核查、竣工驗(yàn)收項(xiàng)目抽查和實(shí)施效果評估工作。通過對已竣工項(xiàng)目進(jìn)行效果評估，可以客觀反映出重點(diǎn)治理工程在區(qū)域水土流失綜合治理和生態(tài)環(huán)境改善等方面取得的成效，為后續(xù)重點(diǎn)工程項(xiàng)目布局、規(guī)劃編制和工程實(shí)施提供決策依據(jù)。

本研究以2014—2015年青海省海東市平安區(qū)石灰窯鄉(xiāng)處處爾溝小流域綜合治理工程為對象，分別采用2013年(項(xiàng)目實(shí)施前)和2017年(項(xiàng)目評估年)兩期遙感數(shù)據(jù)，對水土流失綜合治理重點(diǎn)工程實(shí)施效果進(jìn)行了遙感評估，重點(diǎn)對相關(guān)評估指標(biāo)的獲取方法進(jìn)行了探討。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

處處爾溝小流域位于青海省海東市平安區(qū)祁家川河流域中部，流域面積1 784.84 hm2，地處黃土丘陵溝壑區(qū)第四副區(qū)，屬黃河中游多沙區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，是典型的水土流失地區(qū)。流域地勢南高北低、西高東低，海拔2 455～2 884 m，溝壑密度4.18 km/km2，多年平均降水量為350 mm。

針對流域內(nèi)存在的嚴(yán)重水土流失和生態(tài)環(huán)境問題，經(jīng)地方申請和上級批準(zhǔn)，2015年在這里實(shí)施了國家水土保持重點(diǎn)工程。工程項(xiàng)目以防治水土流失和保護(hù)及改善生態(tài)環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)，對全流域進(jìn)行了“山、水、田、林、路、村”綜合治理，做到了各項(xiàng)水土保持措施布局因地制宜、因害設(shè)防，植物措施與工程措施相結(jié)合，治坡與治溝相結(jié)合。

1.2 評估數(shù)據(jù)

(1)基礎(chǔ)資料。收集項(xiàng)目實(shí)施方案報告、竣工驗(yàn)收報告、變更報告等。

(2)高分辨率遙感影像。收集小流域2013和2017年兩期高分辨率遙感影像。其中，2013年的影像是QuickBird，空間分辨率優(yōu)于2 m；2017年影像為國產(chǎn)高分一號，空間分辨率為2 m，數(shù)據(jù)來源于水利部水利信息中心。

(3) Landsat遙感影像。為獲取流域2013和2017年兩期植被覆蓋度數(shù)據(jù)，分別收集區(qū)域內(nèi)2013年6月的Landsat 7 ETM衛(wèi)星影像和2017年6月的Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星影像，多光譜影像空間分辨率為30 m，全色波段分辨率為15 m，投影坐標(biāo)為UTM/WGS84。

(4) 地形數(shù)據(jù)。收集流域內(nèi)1∶5萬高程數(shù)據(jù)，并基于高程數(shù)據(jù)提取流域坡度數(shù)據(jù)。

(5) 數(shù)據(jù)預(yù)處理?；?017年高分一號遙感影像對2013年的QuickBird影像進(jìn)行幾何精校正，消除影像幾何變形和空間誤差。對Landsat 7 ETM和Landsat 8 OLI_TIRS影像分別進(jìn)行幾何校正、大氣校正等操作。

1.3 評估方法

(1)人工干預(yù)下的面向?qū)ο笸恋乩梅诸惙椒āＥc傳統(tǒng)的影像分類方法不同，面向?qū)ο蠓诸惙椒ǖ幕締卧怯跋駥ο?，而不是單個的像元。這種方法突破了傳統(tǒng)分類方法的瓶頸，將整個分類過程劃分為對象生成與信息提取兩個獨(dú)立的模塊[4-5]。本研究中考慮到無高精度的地形數(shù)據(jù)，不能通過面向?qū)ο蠓椒▽α饔騼?nèi)梯田和坡耕地類型進(jìn)行自動提取，首先通過人工目視解譯方法對流域內(nèi)梯田和坡耕地土地利用類型進(jìn)行提取，然后再對其他所有土地利用類型利用面向?qū)ο蟮淖詣臃诸惙椒ㄟM(jìn)行解譯。

(2) 植被覆蓋度反演。像元二分模型是最常見的光合植被覆蓋度遙感估算模型，它假定植被區(qū)的混合像元僅由植被和土壤兩部分組成，遙感信息是由植被和土壤的光譜信號所占像元面積比例為權(quán)重系數(shù)的線性組合，是植被覆蓋度線性混合像元分解模型中最簡單、應(yīng)用最廣泛的模型[6-7]。模型表達(dá)式為

NDVI= (NIR-R)/(NIR+R)

(1)

F=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式中：NDVI為任意像元的歸一化植被指數(shù)；NIR和R分別為多光譜影像的近紅外波段和紅光波段；F為像元植被覆蓋度；NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值;NDVIveg為完全被植被覆蓋像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。

(3)土壤侵蝕類型及強(qiáng)度。依照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)中水力侵蝕類型的土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)判定處處爾溝小流域土壤侵蝕強(qiáng)度。判定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

(4) 水土流失消長分析。依據(jù)項(xiàng)目實(shí)施前和項(xiàng)目評估年土壤侵蝕強(qiáng)度分級結(jié)果，利用轉(zhuǎn)移矩陣分析不同強(qiáng)度土壤侵蝕消長情況。通過土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣，能夠得到兩個時相不同侵蝕強(qiáng)度之間的面積變化和結(jié)構(gòu)變化情況，以此可掌握處處爾溝小流域內(nèi)土壤侵蝕總的變化趨勢。

表1 水力侵蝕強(qiáng)度面蝕(片蝕)分級參考指標(biāo)

(5)實(shí)施效果評估。采用項(xiàng)目區(qū)評估年水土流失治理情況等5項(xiàng)指標(biāo)，評估項(xiàng)目區(qū)水土保持重點(diǎn)工程實(shí)施效果：①評估年水土流失治理度=(評估年水土流失治理面積/水土流失面積)×100%；②提高治理度=(評估年水土流失治理面積-實(shí)施前水土流失治理面積)/水土流失面積×100%；③措施保存率=(評估年水土保持措施面積/竣工驗(yàn)收時水土保持措施面積)×100%；④評估年林草覆蓋率=評估年林草覆蓋面積/項(xiàng)目區(qū)總面積×100%；⑤提高林草覆蓋率=(評估年林草覆蓋面積-實(shí)施前林草覆蓋面積)/項(xiàng)目區(qū)總面積×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 項(xiàng)目實(shí)施前、評估年土地利用分類

基于項(xiàng)目區(qū)高分辨率遙感影像，采用人工干預(yù)下的面向?qū)ο笸恋乩梅诸惙椒ǎ謩e獲取流域內(nèi)2013和2017年的土地利用分類數(shù)據(jù)(表2)。

表2 處處爾溝小流域土地利用分類統(tǒng)計

從表2可以看出，2015年國家水土保持重點(diǎn)工程實(shí)施前后，處處爾溝小流域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)變化較大的是有林地、灌木林地、水平梯地、其他草地和坡耕地。其中：有林地面積較項(xiàng)目實(shí)施前增加了45.64 hm2，增加幅度為83.61%；灌木林地面積增加171.15 hm2，增加幅度為59.21%；水平梯地面積減少14.42 hm2，減少幅度為49.52%。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)：水平梯地減少的部分多為退耕還林還草或者實(shí)施了水保林措施；流域內(nèi)其他草地屬于荒草地類型，多分布在坡面，通過水土保持重點(diǎn)工程治理后，面積減少了156.05 hm2，減少幅度為16.32%；流域內(nèi)有部分坡耕地經(jīng)過重點(diǎn)工程治理進(jìn)行了還林還草，或者人為撂荒，面積減少了46.14 hm2，減少幅度為12.48%。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施前、評估年水土保持措施

2015年，處處爾溝小流域在國家水土保持重點(diǎn)工程項(xiàng)目推動下，布設(shè)各項(xiàng)水土保持措施對流域水土流失進(jìn)行綜合治理，包括營造喬木林、灌木林，封禁治理和修建石谷坊等。結(jié)合項(xiàng)目區(qū)高分辨率遙感影像和項(xiàng)目措施布局圖，通過人工目視解譯，獲取項(xiàng)目區(qū)2013和2017年的水土保持措施分布結(jié)果見表3。

表3 處處爾溝小流域水土保持措施數(shù)量統(tǒng)計 hm2

從表3可以看出，處處爾溝小流域在2015年國家水土保持重點(diǎn)工程實(shí)施后，各項(xiàng)水土保持措施面積發(fā)生較大變化，至2017年水保林面積增加了216.79 hm2，封禁治理面積增加276.30 hm2，土坎梯田面積減少14.42 hm2，各項(xiàng)措施累計增加面積為478.67 hm2。

2.3 項(xiàng)目實(shí)施前、評估年植被覆蓋度

植被覆蓋度作為表征區(qū)域植被變化特征的定量指標(biāo)，是影響水土流失的主要環(huán)境因子，同時也是生態(tài)建設(shè)和生態(tài)系統(tǒng)評價的綜合量化指標(biāo)和重要參數(shù)。本研究采用像元二分模型對項(xiàng)目實(shí)施前后處處爾溝小流域內(nèi)的植被覆蓋度進(jìn)行的反演[5-6]結(jié)果見表4。

表4 處處爾溝小流域各級植被覆蓋度及其面積變化

從表4可以看出，該小流域2017年各覆蓋度等級中林草植被面積變化較大的是低覆蓋、中覆蓋。其中：低覆蓋地面積減少5.08 hm2，減少幅度為32.54%；中覆蓋面積較項(xiàng)目實(shí)施前增加了50.24 hm2，增加幅度為18.42%；高覆蓋和中高覆蓋面積在不同幅度上都有所增加，中低覆蓋面積略有減少；流域內(nèi)林草植被覆蓋面積整體上有所增加，且植被覆蓋度有所提高。

2.4 項(xiàng)目實(shí)施前、評估年土壤侵蝕強(qiáng)度分級

基于流域2013和2017年土地利用分類、植被覆蓋度和坡度因子，根據(jù)表1中水力侵蝕強(qiáng)度面蝕(片蝕)分級標(biāo)準(zhǔn)，對該流域項(xiàng)目實(shí)施前、評估年的土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行了判定(表5)。

從表5可以看出，該小流域2013年水土流失面積為1 089.29 hm2，占土地總面積的61.02%， 2015年實(shí)施了國家水土保持重點(diǎn)工程后水土流失面積有所減少，至2017年該小流域水土流失面積為1 019.79 hm2，較2013年減少69.50 hm2，水土流失面積占比下降了3.89百分點(diǎn)；各等級土壤侵蝕面積均有減少，輕度、中度侵蝕面積占比有所增加，強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積占比均有所下降。

表5 處處爾溝小流域土壤侵蝕面積統(tǒng)計

注：帶＊者單位為百分點(diǎn)。

2.5 項(xiàng)目實(shí)施前、評估年水土流失消長評價

為進(jìn)一步分析流域內(nèi)水土流失消長情況，客觀反映各土壤侵蝕強(qiáng)度等級內(nèi)部轉(zhuǎn)移變化，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施前和評估年土壤侵蝕強(qiáng)度分級結(jié)果，利用土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣(表6)對水土流失消長變化進(jìn)行分析。

表6 小流域土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

從表6可以看出，各侵蝕強(qiáng)度等級面積均有所變化，如微度面積，2017年沒有發(fā)生變化的面積為610.38 hm2，轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度、中度、強(qiáng)烈等級的面積分別為59.76、15.21和3.15 hm2；而由其他輕度、中度、強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈等級轉(zhuǎn)變來的面積分別是99.18、30.51、15.93和0.27 hm2，故2017年流域內(nèi)水土流失面積減少69.50 hm2，水土流失面積占比下降了3.89百分點(diǎn)。

2.6 各項(xiàng)水土保持措施保存情況

采用評估年水土流失治理情況、水土保持措施保存情況和林草植被覆蓋情況共五項(xiàng)指標(biāo)來評估項(xiàng)目區(qū)水土保持重點(diǎn)工程的實(shí)施效果，見表7。

表7 評估年處處爾溝小流域綜合治理工程實(shí)施效果評估

從表7可以看出，通過實(shí)施國家水土保持重點(diǎn)工程，流域內(nèi)地表林草覆蓋率得到進(jìn)一步提高，水土流失得到進(jìn)一步治理，水土保持綜合治理成效明顯。項(xiàng)目實(shí)施后，流域內(nèi)水土流失治理度達(dá)到78.16%，較項(xiàng)目實(shí)施前提高了43.94%；評估年流域內(nèi)林草覆蓋率達(dá)到76.22%，提高了3.40%；評估年水保林保存率為74.65%，封禁治理措施保存率為87.72%，谷坊保存率為100%，各項(xiàng)水土保持措施保存完好，運(yùn)行正常。

3 結(jié)論與討論

國家水土保持重點(diǎn)工程實(shí)施后，流域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)得到了合理調(diào)整，水土保持綜合治理成效較為明顯，土壤侵蝕強(qiáng)度逐步減輕，水土流失得到有效控制，流域內(nèi)人居環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。

該小流域評估年流域內(nèi)林草覆蓋率達(dá)到了76.22%，較項(xiàng)目實(shí)施前提高了3.40%；評估年流域水土流失面積為1 019.79 hm2，較項(xiàng)目實(shí)施前減少了69.50 hm2；各項(xiàng)水土保持措施保存率較高，正在逐步發(fā)揮水土保持效益。

部分水土保持措施(造林、種草等植物措施，谷坊、生產(chǎn)路等工程措施，以及封禁治理等措施)在影像中表現(xiàn)不明顯，在評估過程中需要借助其他高分辨率影像數(shù)據(jù)源作為補(bǔ)充。在今后進(jìn)行項(xiàng)目效果評估時，應(yīng)盡量選擇已經(jīng)竣工驗(yàn)收5年以上或者更長時間的項(xiàng)目，以使各項(xiàng)水土保持措施發(fā)揮的治理成效更加明顯，能更深層次地反映出水土保持重點(diǎn)工程在區(qū)域水土流失綜合治理過程中產(chǎn)生的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。