水土保持治理工程保土效益評價指標及方法探討

亢 慶，黃 俊，金平偉

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院珠江水利委員會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),也是水土保持技術方案及政策可行性評價的基本原則和依據。水土保持效益評價相關研究與水土保持治理工程密切相關,我國水土保持治理工程主要以小流域為基本單元開展；因此,治理工程效益評價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取得明顯成效,但涉及水土保持效益評價研究仍存在一些問題。目前,對水土保持效益評價多結合某一特定治理工程開展,采用定量和定性相結合的綜合評價方法,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算方法》(以下簡稱“方法”),極大地推動了水土保持效益評價工作,也為水土保持治理工程開展提供重要依據。該標準將調水保土效益單獨作為一個一級指標列出,也突顯調水保土效益在治理工程效益評價中的重要地位；其包括調水保土效益、經濟效益、社會效益和生態(tài)效益4個一級指標及15個二級指標,該方法能夠對目前各類小流域水土保持綜合治理工程,開展較為詳盡的效益評價工作。而保土效益又細分為8類,主要采用典型推算法和具體量計算法進行保土效益計算,對野外典型觀測設施和設備依賴程度較高,且由點到面的推算也存在一些精度問題?！胺椒ā敝猩鐣б嬷笜烁拍钶^為模糊,存在難以量化的問題,可考慮不必單獨列出；此外,“方法”中調水保土效益隸屬于廣義生態(tài)效益范疇,尚存在效益重復計算問題[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計算,但無法獲得效益綜合值,提供決策支持能力不足。近年來,隨著遙感和無人機等技術的快速發(fā)展,水土保持治理工程效益評價逐步從“靜態(tài)”發(fā)展到“動態(tài)”。如何改進和完善水土保持治理工程效益評價指標和方法,能夠獲得多時空尺度效益評價結果就顯得十分必要。

筆者在現(xiàn)有研究成果的基礎上,結合遙感和無人機等技術,提出了一種水土保持治理工程多時空尺度的保土效益評價指標與計算方法。該方法不依賴野外觀測設施設備,可獲得不同時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)是目前預測土壤侵蝕量最常用方法,其應用關鍵在于方程中各因子精確量化[6]。該方程表達式為

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,假設治理工程實施前研究區(qū)土壤侵蝕量為Ab,實施后土壤侵蝕量為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指標,計算公式為

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。

若效益計算期相對較短,且期間無極端性天氣發(fā)生,可認為降雨侵蝕力在效益計算期內未發(fā)生重要改變,即Rb≈Ra；同時,土壤可蝕性亦不會發(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指標及計算公式,該指標可直接反映治理前、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施前、后的上述6個因子值,即可計算得到研究區(qū)保土效益值。上述6個因子值可基于遙感或無人機高分辨率影像,使用EVNI和ArcGis等軟件自動提取,進而針對不同時空尺度,開展水土保持治理工程保土效益動態(tài)評價研究工作。

1.2 保土效益計算

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

圖1 水土保持治理工程保土效益計算流程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行預處理(大氣校正、輻射校正等)；

3)使用eCognition Developer軟件,基于面向對象的方法,進行土地利用分類,生成水土保持措施圖斑矢量文件,為后期以圖斑為單元計算SEDR值提供基礎；

4)基于預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)據等,使用ENVI和ArcGis軟件,計算提取治理前、后研究區(qū)各措施圖斑R、K、L、S、C和P6 個因子值；

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

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

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

上述技術流程如圖1所示。

1.3 長期保土效益預測

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,基本不會發(fā)生變化,因此,項目區(qū)P因子不會發(fā)生重大改變；同時,坡長、坡度等因子亦不會發(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,即可得到其對應的C因子值,進而得到長期保土效益預測值。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)計學規(guī)律?；谥卫砉こ虒嵤┠晗?樹齡),可得到遠期植被覆蓋度值,基于土壤侵蝕減少比例的計算公式,得到治理工程長期保土效益預測值。

2 結論與討論

治理工程水土保持效益主要包括生態(tài)、經濟和社會3方面；其中,生態(tài)效益是以調水保土為主要目的,是治理工程根本性目標,亦是其他效益存在的基礎。保土效益實質是一個數(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]。保土效益指標與計算結果,能夠從不同時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)評估提供技術支持。“方法”中保土效益計算,過分依賴野外徑流小區(qū)、流域卡口站等設施設備,通過典型推算法和具體量計算法獲得,存在諸如投入成本較大、難以快速獲得近期與遠期保土效益值,以及應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”為保土效益評價指標的計算方法。該方法可大幅度減少對野外設施、設備的依賴程度,降低投入成本,借助遙感和無人機等技術,開展不同時空尺度保土效益計算評價工作。此外,該方法可根據林草等植被覆蓋度長期預測數(shù)據,開展治理工程遠期效益預測,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

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