國家水土保持重點工程信息化監(jiān)管實施效果評估

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年實施計劃》，啟動了國家水土保持重點工程“圖斑精細化”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)水土保持重點工程建設(shè)項目移動檢查驗收系統(tǒng)，優(yōu)化重點工程前期管理、過程檢查和竣工驗收環(huán)節(jié)，初步實現(xiàn)國家水土保持重點工程以“圖斑—小流域—項目區(qū)—縣—省—流域—國家”為主線的精細化、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年實施計劃》，明確要求國家水土保持重點工程全面納入“圖斑精細化”管理，各流域機構(gòu)和地方各級水行政主管部門分工負責(zé)，以圖斑為單元基于遙感技術(shù)、無人機、移動終端等手段，對重點工程實施精細化管理。這一工作安排，推動了高分遙感影像、無人機、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“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”的強有力抓手[3]。

按照水利部安排部署，2017年青海省完成了重點工程“圖斑精細化”管理在建項目核查、竣工驗收項目抽查和實施效果評估工作。通過對已竣工項目進行效果評估，可以客觀反映出重點治理工程在區(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)重點工程項目布局、規(guī)劃編制和工程實施提供決策依據(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(項目實施前)和2017年(項目評估年)兩期遙感數(shù)據(jù)，對水土流失綜合治理重點工程實施效果進行了遙感評估，重點對相關(guān)評估指標的獲取方法進行了探討。

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，2015年在這里實施了國家水土保持重點工程。工程項目以防治水土流失和保護及改善生態(tài)環(huán)境為出發(fā)點，對全流域進行了“山、水、田、林、路、村”綜合治理，做到了各項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。收集項目實施方案報告、竣工驗收報告、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?。與傳統(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螅皇菃蝹€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)土壤侵蝕類型及強度。依照《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)中水力侵蝕類型的土壤侵蝕分類分級標準判定處處爾溝小流域土壤侵蝕強度。判定標準見表1。

(4) 水土流失消長分析。依據(jù)項目實施前和項目評估年土壤侵蝕強度分級結(jié)果，利用轉(zhuǎn)移矩陣分析不同強度土壤侵蝕消長情況。通過土壤侵蝕強度轉(zhuǎn)移矩陣，能夠得到兩個時相不同侵蝕強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 水力侵蝕強度面蝕(片蝕)分級參考指標

(5)實施效果評估。采用項目區(qū)評估年水土流失治理情況等5項指標，評估項目區(qū)水土保持重點工程實施效果：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-實施前林草覆蓋面積)/項目區(qū)總面積×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 項目實施前、評估年土地利用分類

基于項目區(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?，分別獲取流域內(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工程實施前后，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：有林地面積較項目實施前增加了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)過重點工程治理進行了還林還草，或者人為撂荒，面積減少了46.14 hm2，減少幅度為12.48%。

2.2 項目實施前、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工程項目推動下，布設(shè)各項水土保持措施對流域水土流失進行綜合治理，包括營造喬木林、灌木林，封禁治理和修建石谷坊等。結(jié)合項目區(qū)高分辨率遙感影像和項目措施布局圖，通過人工目視解譯，獲取項目區(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工程實施后，各項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，各項措施累計增加面積為478.67 hm2。

2.3 項目實施前、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，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和重要參數(shù)。本研究采用像元二分模型對項目實施前后處處爾溝小流域內(nèi)的植被覆蓋度進行的反演[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%；中覆蓋面積較項目實施前增加了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 項目實施前、評估年土壤侵蝕強度分級

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中水力侵蝕強度面蝕(片蝕)分級標準，對該流域項目實施前、評估年的土壤侵蝕強度進行了判定(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年實施了國家水土保持重點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；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，強烈、極強烈、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。

2.5 項目實施前、評估年水土流失消長評價

為進一步分析流域內(nèi)水土流失消長情況，客觀反映各土壤侵蝕強度等級內(nèi)部轉(zhuǎn)移變化，根據(jù)項目實施前和評估年土壤侵蝕強度分級結(jié)果，利用土壤侵蝕強度轉(zhuǎn)移矩陣(表6)對水土流失消長變化進行分析。

表6 小流域土壤侵蝕強度轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

從表6可以看出，各侵蝕強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、強烈和極強烈等級轉(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。

2.6 各項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指標來評估項目區(qū)水土保持重點工程的實施效果，見表7。

表7 評估年處處爾溝小流域綜合治理工程實施效果評估

從表7可以看出，通過實施國家水土保持重點工程，流域內(nèi)地表林草覆蓋率得到進一步提高，水土流失得到進一步治理，水土保持綜合治理成效明顯。項目實施后，流域內(nèi)水土流失治理度達到78.16%，較項目實施前提高了43.94%；評估年流域內(nèi)林草覆蓋率達到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%，各項水土保持措施保存完好，運行正常。

3 結(jié)論與討論

國家水土保持重點工程實施后，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)林草覆蓋率達到了76.22%，較項目實施前提高了3.40%；評估年流域水土流失面積為1 019.79 hm2，較項目實施前減少了69.50 hm2；各項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)源作為補充。在今后進行項目效果評估時，應(yīng)盡量選擇已經(jīng)竣工驗收5年以上或者更長時間的項目，以使各項水土保持措施發(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)濟效益和社會效益。