基于圖斑精細化管理的國家水土保持重點工程治理效果評估

羅夢琦，段 倩，姜雅瓊，劉 霞，李 想，吳鎮(zhèn)宇，胡續(xù)禮

（1. 南京林業(yè)大學 南方現代林業(yè)協同創(chuàng)新中心 江蘇省水土保持與生態(tài)修復重點實驗室，江蘇 南京 210037；2. 淮河水利委員會 水土保持處，安徽 蚌埠 233001）

國家水土保持重點工程起源于1983年實施的全國八大片水土流失重點治理區(qū)，是中國目前正在大規(guī)模實施的以小流域(或片區(qū))為單元的水土流失綜合治理工程[1]。經過約30 a的實踐，已形成了一套包括治理規(guī)劃、措施設計、審查、施工、檢查、驗收等環(huán)節(jié)相對完善的技術與管理體系，為國家水土保持重點工程的實施提供了有力保障。隨著經濟社會發(fā)展以及行業(yè)監(jiān)管精準化要求，傳統的技術與管理模式難以適應新形勢需求。如何利用信息化技術和手段，以圖斑為單元，對國家水土保持重點工程實施精細化管理成為水行政主管部門亟待解決的重要問題之一。目前，有關國家水土保持重點工程的調查和研究還局限于對重點工程項目實施的措施、成效及經驗等方面的總結[2?4]，而針對重點工程項目治理效果的定量化評估還缺乏系統研究，因此，系統調查與定量分析重點工程實施后水土流失治理、水土保持措施保存、林草植被覆蓋以及水土流失變化等，對認識和評價重點工程的水土保持效果具有重要意義。山東省臨沂市蒙陰縣張家村小流域于2012年列入國家水土保持重點工程治理項目，2013年竣工驗收。本研究以張家村小流域為研究對象，以2011年作為重點工程實施前的基礎年、2018年作為重點工程實施后的評估年，基于高分遙感、無人機、移動終端等技術，通過定位調查及實地復核，以圖斑為單元，對比分析小流域治理實施前后土地利用、林草植被覆蓋、水土保持措施和水土流失狀況變化，開展實施效果定量分析，以期為國家水土保持重點工程的精準化監(jiān)管提供基礎數據和技術支撐。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

張家村小流域地處國家級重點治理區(qū)蒙陰縣西南部 (35°38'21"～35°41'22"N，117°44'19"～117°48'32"E)，土地利用面積2 913.45 hm2。地勢西高東低，最高點位于西南部大望山山頂，最低點位于東北部龍榜崖村河道，海拔高差429.4 m。屬暖溫帶半濕潤季風氣候，多年平均氣溫13.5 ℃，多年平均降水量776.0 mm。地表巖性以花崗片麻巖為主，主要土壤類型為棕壤。地帶性植被屬暖溫帶落葉闊葉林，現狀植被以人工林和天然雜草為主，主要喬木有油松Pinus tabulaeformis、赤松Pinus densiflora、刺槐Robinia pseudoacacia、麻櫟Quercus acutissima；主要灌草植被有黃荊Vitex negundo、酸棗Ziziphus jujuba、胡枝子Lespedeza bicolor、結縷草Zoysia japonica等。

1.2 研究方法

1.2.1 基礎圖斑與效果圖斑構建 基于2011和2018年2 m分辨率遙感影像，采用人機交互解譯，提取土地利用、水土保持措施，計算林草植被覆蓋度[5]；基于1∶1萬地形圖提取坡度坡長；根據土地利用、植被覆蓋、坡度等信息，分別構建小流域2011年的水土保持基礎圖斑和2018年的評估效果圖斑。

1.2.2 水土保持措施數據采集 基于全國水土保持信息管理系統內的張家村小流域初步設計與驗收資料、小流域矢量邊界、點線面措施等基礎數據，利用奧維互動地圖，通過實地調查及無人機航拍，開展水土保持措施、土地利用、植被狀況等測定、核查及信息采集[6?11]。

1.2.3 重點工程實施效果評估 依據水利行業(yè)標準SL 190?2007《土壤侵蝕分類分級標準》，以及土地利用、植被覆蓋、水土保持措施驗收及實施情況核查等數據，通過分析水土流失面積消減率(R)、水土流失治理度(G)、水土保持措施保存率(P)、林草覆蓋率(F)和提高率(I)等指標，評估國家水土保持重點工程實施效果。具體指標計算如下：R=(|Se?Sf|/Sf)×100%。 其中：R為水土流失面積消減率(%)，Se為評估年水土流失面積(hm2)，Sf為基礎年水土流失面積(hm2)。G=(Ce/Sf)×100%。其中：G為水土流失治理度(%)，Ce為重點工程水土流失治理面積(hm2)。P=(Ne/Na)×100%。其中：P為水土保持單類措施保存率(%)，Ne為評估年該項措施實測數量，Na為竣工驗收時該項措施的實測數量。F=(Fe/A)×100%。其中：F為評估年林草覆蓋率(%)，Fe為評估年林草覆蓋面積(hm2)，A為研究區(qū)總面積(hm2)。I=[(Fe?Ff)/A]×100%。其中：I為林草覆蓋提高率(%)，Fe為評估年林草覆蓋面積(hm2)，Ff為基礎年林草覆蓋面積(hm2)。

2 結果與分析

2.1 水土保持基礎圖斑與效果圖斑時空分布及變化

2.1.1 重點工程實施前后圖斑時空分布 從圖斑數量看(圖1)，2011年基礎圖斑數量總計924個，其中坡耕地圖斑數量最多，為251個，占27.16%；其次為旱梯田191個圖斑，占20.67%；村莊居民點180個，占19.48%；有林地163個，占17.64%；果園數量較少，僅55個圖斑，占5.95%。2018年實施效果圖斑數量共946個，其中坡耕地圖斑120個，占12.68%；旱梯田190個圖斑，占20.08%；村莊居民點圖斑數量最多，207個，占21.88%；有林地155個，占16.38%；果園185個，占19.56%。

圖1 基礎圖斑和效果圖斑數量與面積Figure 1 Number and area of basic spots and effect spots

從圖斑面積看，2011年基礎圖斑中坡耕地面積占比最大，達31.89%，其次為有林地(27.66%)、旱梯田(23.86%)，村莊居民點及果園面積占比分別為7.39%、3.47%。2018年效果圖斑中旱梯田、有林地面積占比相當，分別為28.44%、28.22%，其次為果園面積，占比17.46%，坡耕地面積占比12.06%，村莊居民點占比7.96%(圖1)。

從空間分布看，2011年耕地廣泛分布于流域內中東部丘陵區(qū)域，在村莊居民點周圍呈現大面積、片狀、集中特點，且坡耕地和旱梯田交錯分布；有林地則主要集中在流域內西部山區(qū)，呈大面積集中連片分布；果園較少，零星分布在流域內西部山前過渡帶以及村莊周圍。2018年耕地在空間上仍廣泛分布于流域內中東部丘陵區(qū)，但旱梯田優(yōu)勢明顯，呈大面積集中片狀分布，坡耕地呈塊狀零散分布于村莊周邊；有林地仍集中連片在流域內西部山區(qū)；果園分布擴張明顯，在流域西部山前過渡帶呈集中帶狀分布，且在村莊周圍呈大面積塊狀聚集(圖2)。

圖2 2011和2018年土地利用現狀示意圖Figure 2 Land use in 2011 and 2018

2.1.2 重點工程實施前后圖斑變化 張家村小流域重點工程實施前后圖斑變化數量339個，變化面積870.60 hm2。變化方向主要為坡耕地/旱梯田轉變?yōu)楣麍@，圖斑變化數量132個，變化面積364.07 hm2，分別占變化圖斑數量和面積的38.94%、41.82%%；其次為坡耕地轉變?yōu)楹堤萏?，圖斑變化數量77個，變化面積343.77 hm2，分別占變化圖斑數量和面積的22.71%、39.49%(表1)。重點工程實施前后坡耕地圖斑數量和面積減少最多，圖斑數量減少了191個、面積減少了578.59 hm2；果園數量和面積增加最多，共增加156個圖斑、407.53 hm2。

表1 重點工程實施前后圖斑變化方向Table 1 Direction of land use change before and after the implementation of the key projects

2.2 林草植被覆蓋狀況評估

2.2.1 重點工程實施前后林草植被覆蓋狀況 2011年研究區(qū)林草植被面積906.94 hm2，林草植被覆蓋率31.13%，以60%～75%的中高覆蓋度為主，面積為629.62 hm2；≥75%的高覆蓋度次之，面積為181.30 hm2，主要分布在西南部山區(qū)。2018年林草植被面積1 331.03 hm2，林草植被覆蓋率45.69%，仍以60%～75%的中高覆蓋度為主，面積為720.15 hm2；≥75%的高覆蓋度次之，面積為494.37 hm2，集中分布在西南部、西北部山區(qū)，片狀分布在東部(圖3)。2011–2018年，項目區(qū)林草植被面積增加了424.09 hm2，林草植被覆蓋提高率達14.56%。

圖3 2011和2018年林草植被覆蓋分布示意圖Figure 3 Distribution of forest and grass coverage in 2011 and 2018

2.2.2 重點工程實施前后林草植被覆蓋度轉移 2011?2018年，林草植被覆蓋度發(fā)生變化的面積為797.73 hm2(表2)，占研究區(qū)總面積的27.38%。林草植被轉入面積434.84 hm2，占林草植被變化面積的54.51%，主要是經濟果林種植面積增加；林草植被轉出面積10.75 hm2，占1.3%。各覆蓋度等級變化中，高覆蓋度增加最多，占林草新增面積73.82%。

表2 2011–2018 年林草植被覆蓋度變化方向轉移矩陣Table 2 Transfer matrix of vegetation coverage change direction of forest and grass coverage from 2011 to 2018

2.3 水土保持措施保存效果評估

2.3.1 水土保持措施實施統計 根據2013年驗收成果(表3)，研究區(qū)實施了點—線—面結合的治理措施，面狀措施總計1 172.48 hm2，其中封禁治理486.62 hm2、經濟果林179.00 hm2、水土保持林37.89 hm2、土坎梯田468.97 hm2；點狀措施總計28座，包括蓄水池9個、谷坊9座、山塘堰壩10座；線狀措施為配套的生產道路8 km。

表3 水土保持措施實施狀況與保存效果Table 3 Statistical table for preservation condition of soil and water conservation measures

2.3.2 水土保持措施保存效果 根據2018年水土保持措施調查數據(表3)，除蓄水池數量與驗收數據一致外，其余水土保持措施面積、數量均有一定程度減少。面狀措施現存1 082.16 hm2，較驗收數據減少90.32 hm2，點狀措施谷坊現存5座，山塘堰壩現存8座，分別減少了4座和2座；線狀措施生產道路現存7.24 km，減少了0.76 km。

從水土保持措施保存效果看，除谷坊受損嚴重，保存率僅為55.56%之外，其余水土保持措施保存率均在80.00%以上。其中蓄水池保存率達100.00%；土坎梯田、封禁治理措施和生產道路措施保存率在90.00%～100.00%；經濟果林、水土保持林和山塘堰壩措施保存率為80.00%～90.00%。

從空間分布看(圖4)，封禁治理措施集中在西南部，水土保持林措施主要分布在西北部，經濟果林措施和土坎梯田措施呈片狀分布在王家村西南和西北部、許家溝村北部、龍榜崖村北部、南爐村東南部和西寶興店村南部，蓄水池零散分布在東部耕地區(qū)域。

圖4 2018年水土保持措施現狀分布示意圖Figure 4 Current distribution of water and soil conservation measures in 2018

2.4 水土流失治理效果評估

2.4.1 水土流失及變化 2011年，研究區(qū)水土流失面積1 724.83 hm2，占總面積59.12%。其中輕度侵蝕908.99 hm2，占水土流失面積52.70%，其次為中度侵蝕678.75 hm2，占39.35%。2018年，水土流失面積1 324.44 hm2，占土地利用總面積45.45%。仍以輕度侵蝕為主，面積為1 185.53 hm2，占水土流失面積89.51%；中度侵蝕面積125.4 hm2，僅占 9.47%(圖5)。

圖5 2011和2018年土壤侵蝕強度分布示意圖Figure 5 Soil erosion intensity distribution in 2011 and 2018

土壤侵蝕強度等級變化面積938.58 hm2，占總面積32.22%。土壤侵蝕強度等級呈降低趨勢，侵蝕強度等級降低面積901.58 hm2，占變化面積96.06%；侵蝕強度等級升高面積僅37.00 hm2，占變化總面積3.94%；侵蝕等級面積變化最大的為中度侵蝕，其次為強烈侵蝕和極強烈侵蝕(表4)。

表4 水土流失變化方向轉移矩陣Table 4 Transfer matrices of soil erosion intensity change

2.4.2 水土流失治理效果評估 2011?2018年，重點工程實施前后水土流失面積減少了400.39 hm2，水土流失面積消減率達23.21%。評估年治理水土流失面積1 082.16 hm2，水土流失治理度76.78%。

研究區(qū)不同措施類型區(qū)對水土流失的防控效果不同(表5)。土坎梯田措施區(qū)水土流失面積消減率達20.74%。除輕度侵蝕增加外，其余高強度侵蝕等級水土流失面積均減少，主要是原有坡耕地區(qū)域實施土坎梯田措施，達到保持水土的效果；經濟果林措施區(qū)水土流失面積消減率2.80%，土壤侵蝕強度整體呈下降趨勢，2018年土壤侵蝕強度等級均為輕度；封禁治理措施區(qū)、水土保持林措施區(qū)水土流失面積消減率分別為84.82%、78.64%，水土流失防控效果顯著。

表5 不同措施類型區(qū)水土流失狀況統計Table 5 The statistics of soil and water loss in different measures

3 討論

根據國家水土保持重點工程信息化監(jiān)管技術規(guī)定，開展實施效果評估的項目原則為竣工驗收后1～5 a的重點工程。本研究區(qū)張家村小流域于2013年竣工驗收，2018年開展重點工程實施效果評估，屬竣工驗收后5 a項目，水土保持措施中除蓄水池數量保存完好外，其余措施均有一定程度減少。這與竣工驗收后年限選取有直接關系，評估年與竣工驗收時間間隔越長，對水土保持措施保存率影響越大。為對比分析重點工程實施效果，仍需進一步探索不同區(qū)域或同一區(qū)域重點工程實施效果評估年時限對水土保持措施的影響。

4 結論與建議

水土保持基礎圖斑中坡耕地圖斑數量與面積占比最大，效果圖斑中則以旱梯田和有林地為主；評估年與基礎年相比，圖斑變化數量為339個，變化面積870.60 hm2，變化方向主要為坡耕地/旱梯田轉變?yōu)楣麍@，其次為坡耕地變轉為旱梯田；重點工程實施前后坡耕地圖斑數量和面積減少最多，果園數量和面積增加最多。

基礎年林草植被面積906.94 hm2，林草覆蓋率31.13%；評估年林草植被面積1 331.03 hm2，林草覆蓋率為45.69%。覆蓋度均以中高覆蓋(60%～75%)為主，林草覆蓋提高率達14.56%。

水土保持措施現狀除蓄水池數量與驗收數據一致外，其余水土保持措施面積、數量均有一定程度減少。蓄水池保存率最高，谷坊受損最嚴重，保存率僅55.56%，其余水土保持措施保存率均在80.00%以上。

評估年較基礎年水土流失面積減少了400.39 hm2，水土流失面積消減率23.21%，水土流失治理度76.78%；不同措施類型區(qū)對水土流失防控效果不同，封禁治理措施區(qū)、水土保持林措施區(qū)水土流失面積消減率分別為84.82%、78.64%，土坎梯田措施水土流失面積消減率達20.74%，經濟果林措施區(qū)水土流失面積消減率2.80%。

國家重點工程項目數據庫中缺失山塘堰壩、谷坊、蓄水池和生產道路的準確地理位置，這給野外復核工作帶來了很大困難。建議國家重點工程相關數據入庫時，明確要求提供矢量圖件以及各項水土保持措施的精準位置信息，以便精準評估實施效果。