国家水土保持重点工程信息化监管实施效果评估

屈 创，董亚维，王 略，雷迪尧

(黄河水利委员会 黄河上中游管理局，陕西 西安 710021)

2015年，水利部印发了《全国水土保持信息化工作2015—2016年实施计划》，启动了国家水土保持重点工程“图斑精细化”管理示范工作，并提出通过整合改造全国水土保持综合治理管理系统，开发水土保持重点工程建设项目移动检查验收系统，优化重点工程前期管理、过程检查和竣工验收环节，初步实现国家水土保持重点工程以“图斑—小流域—项目区—县—省—流域—国家”为主线的精细化、现代化管理模式[1]。

2017年，水利部印发了《全国水土保持信息化工作2017—2018年实施计划》，明确要求国家水土保持重点工程全面纳入“图斑精细化”管理，各流域机构和地方各级水行政主管部门分工负责，以图斑为单元基于遥感技术、无人机、移动终端等手段，对重点工程实施精细化管理。这一工作安排，推动了高分遥感影像、无人机、信息系统技术在水土流失综合治理工作中的应用，提高了水土保持工作的信息化应用水平，成为新时期“水利工程补短板、水利行业强监管”的强有力抓手[3]。

按照水利部安排部署，2017年青海省完成了重点工程“图斑精细化”管理在建项目核查、竣工验收项目抽查和实施效果评估工作。通过对已竣工项目进行效果评估，可以客观反映出重点治理工程在区域水土流失综合治理和生态环境改善等方面取得的成效，为后续重点工程项目布局、规划编制和工程实施提供决策依据。

本研究以2014—2015年青海省海东市平安区石灰窑乡处处尔沟小流域综合治理工程为对象，分别采用2013年(项目实施前)和2017年(项目评估年)两期遥感数据，对水土流失综合治理重点工程实施效果进行了遥感评估，重点对相关评估指标的获取方法进行了探讨。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

处处尔沟小流域位于青海省海东市平安区祁家川河流域中部，流域面积1 784.84 hm2，地处黄土丘陵沟壑区第四副区，属黄河中游多沙区，生态环境脆弱，是典型的水土流失地区。流域地势南高北低、西高东低，海拔2 455～2 884 m，沟壑密度4.18 km/km2，多年平均降水量为350 mm。

针对流域内存在的严重水土流失和生态环境问题，经地方申请和上级批准，2015年在这里实施了国家水土保持重点工程。工程项目以防治水土流失和保护及改善生态环境为出发点，对全流域进行了“山、水、田、林、路、村”综合治理，做到了各项水土保持措施布局因地制宜、因害设防，植物措施与工程措施相结合，治坡与治沟相结合。

1.2 评估数据

(1)基础资料。收集项目实施方案报告、竣工验收报告、变更报告等。

(2)高分辨率遥感影像。收集小流域2013和2017年两期高分辨率遥感影像。其中，2013年的影像是QuickBird，空间分辨率优于2 m；2017年影像为国产高分一号，空间分辨率为2 m，数据来源于水利部水利信息中心。

(3) Landsat遥感影像。为获取流域2013和2017年两期植被覆盖度数据，分别收集区域内2013年6月的Landsat 7 ETM卫星影像和2017年6月的Landsat 8 OLI_TIRS卫星影像，多光谱影像空间分辨率为30 m，全色波段分辨率为15 m，投影坐标为UTM/WGS84。

(4) 地形数据。收集流域内1∶5万高程数据，并基于高程数据提取流域坡度数据。

(5) 数据预处理。基于2017年高分一号遥感影像对2013年的QuickBird影像进行几何精校正，消除影像几何变形和空间误差。对Landsat 7 ETM和Landsat 8 OLI_TIRS影像分别进行几何校正、大气校正等操作。

1.3 评估方法

(1)人工干预下的面向对象土地利用分类方法。与传统的影像分类方法不同，面向对象分类方法的基本单元是影像对象，而不是单个的像元。这种方法突破了传统分类方法的瓶颈，将整个分类过程划分为对象生成与信息提取两个独立的模块[4-5]。本研究中考虑到无高精度的地形数据，不能通过面向对象方法对流域内梯田和坡耕地类型进行自动提取，首先通过人工目视解译方法对流域内梯田和坡耕地土地利用类型进行提取，然后再对其他所有土地利用类型利用面向对象的自动分类方法进行解译。

(2) 植被覆盖度反演。像元二分模型是最常见的光合植被覆盖度遥感估算模型，它假定植被区的混合像元仅由植被和土壤两部分组成，遥感信息是由植被和土壤的光谱信号所占像元面积比例为权重系数的线性组合，是植被覆盖度线性混合像元分解模型中最简单、应用最广泛的模型[6-7]。模型表达式为

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

(1)

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

(2)

式中：NDVI为任意像元的归一化植被指数；NIR和R分别为多光谱影像的近红外波段和红光波段；F为像元植被覆盖度；NDVIsoil为裸土或无植被覆盖区域的NDVI值;NDVIveg为完全被植被覆盖像元的NDVI值，即纯植被像元的NDVI值。

(3)土壤侵蚀类型及强度。依照《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)中水力侵蚀类型的土壤侵蚀分类分级标准判定处处尔沟小流域土壤侵蚀强度。判定标准见表1。

(4) 水土流失消长分析。依据项目实施前和项目评估年土壤侵蚀强度分级结果，利用转移矩阵分析不同强度土壤侵蚀消长情况。通过土壤侵蚀强度转移矩阵，能够得到两个时相不同侵蚀强度之间的面积变化和结构变化情况，以此可掌握处处尔沟小流域内土壤侵蚀总的变化趋势。

表1 水力侵蚀强度面蚀(片蚀)分级参考指标

(5)实施效果评估。采用项目区评估年水土流失治理情况等5项指标，评估项目区水土保持重点工程实施效果：①评估年水土流失治理度=(评估年水土流失治理面积/水土流失面积)×100%；②提高治理度=(评估年水土流失治理面积-实施前水土流失治理面积)/水土流失面积×100%；③措施保存率=(评估年水土保持措施面积/竣工验收时水土保持措施面积)×100%；④评估年林草覆盖率=评估年林草覆盖面积/项目区总面积×100%；⑤提高林草覆盖率=(评估年林草覆盖面积-实施前林草覆盖面积)/项目区总面积×100%。

2 结果与分析

2.1 项目实施前、评估年土地利用分类

基于项目区高分辨率遥感影像，采用人工干预下的面向对象土地利用分类方法，分别获取流域内2013和2017年的土地利用分类数据(表2)。

表2 处处尔沟小流域土地利用分类统计

从表2可以看出，2015年国家水土保持重点工程实施前后，处处尔沟小流域内土地利用结构变化较大的是有林地、灌木林地、水平梯地、其他草地和坡耕地。其中：有林地面积较项目实施前增加了45.64 hm2，增加幅度为83.61%；灌木林地面积增加171.15 hm2，增加幅度为59.21%；水平梯地面积减少14.42 hm2，减少幅度为49.52%。实地调查发现：水平梯地减少的部分多为退耕还林还草或者实施了水保林措施；流域内其他草地属于荒草地类型，多分布在坡面，通过水土保持重点工程治理后，面积减少了156.05 hm2，减少幅度为16.32%；流域内有部分坡耕地经过重点工程治理进行了还林还草，或者人为撂荒，面积减少了46.14 hm2，减少幅度为12.48%。

2.2 项目实施前、评估年水土保持措施

2015年，处处尔沟小流域在国家水土保持重点工程项目推动下，布设各项水土保持措施对流域水土流失进行综合治理，包括营造乔木林、灌木林，封禁治理和修建石谷坊等。结合项目区高分辨率遥感影像和项目措施布局图，通过人工目视解译，获取项目区2013和2017年的水土保持措施分布结果见表3。

表3 处处尔沟小流域水土保持措施数量统计 hm2

从表3可以看出，处处尔沟小流域在2015年国家水土保持重点工程实施后，各项水土保持措施面积发生较大变化，至2017年水保林面积增加了216.79 hm2，封禁治理面积增加276.30 hm2，土坎梯田面积减少14.42 hm2，各项措施累计增加面积为478.67 hm2。

2.3 项目实施前、评估年植被覆盖度

植被覆盖度作为表征区域植被变化特征的定量指标，是影响水土流失的主要环境因子，同时也是生态建设和生态系统评价的综合量化指标和重要参数。本研究采用像元二分模型对项目实施前后处处尔沟小流域内的植被覆盖度进行的反演[5-6]结果见表4。

表4 处处尔沟小流域各级植被覆盖度及其面积变化

从表4可以看出，该小流域2017年各覆盖度等级中林草植被面积变化较大的是低覆盖、中覆盖。其中：低覆盖地面积减少5.08 hm2，减少幅度为32.54%；中覆盖面积较项目实施前增加了50.24 hm2，增加幅度为18.42%；高覆盖和中高覆盖面积在不同幅度上都有所增加，中低覆盖面积略有减少；流域内林草植被覆盖面积整体上有所增加，且植被覆盖度有所提高。

2.4 项目实施前、评估年土壤侵蚀强度分级

基于流域2013和2017年土地利用分类、植被覆盖度和坡度因子，根据表1中水力侵蚀强度面蚀(片蚀)分级标准，对该流域项目实施前、评估年的土壤侵蚀强度进行了判定(表5)。

从表5可以看出，该小流域2013年水土流失面积为1 089.29 hm2，占土地总面积的61.02%， 2015年实施了国家水土保持重点工程后水土流失面积有所减少，至2017年该小流域水土流失面积为1 019.79 hm2，较2013年减少69.50 hm2，水土流失面积占比下降了3.89百分点；各等级土壤侵蚀面积均有减少，轻度、中度侵蚀面积占比有所增加，强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积占比均有所下降。

表5 处处尔沟小流域土壤侵蚀面积统计

注：带＊者单位为百分点。

2.5 项目实施前、评估年水土流失消长评价

为进一步分析流域内水土流失消长情况，客观反映各土壤侵蚀强度等级内部转移变化，根据项目实施前和评估年土壤侵蚀强度分级结果，利用土壤侵蚀强度转移矩阵(表6)对水土流失消长变化进行分析。

表6 小流域土壤侵蚀强度转移矩阵 hm2

从表6可以看出，各侵蚀强度等级面积均有所变化，如微度面积，2017年没有发生变化的面积为610.38 hm2，转变为轻度、中度、强烈等级的面积分别为59.76、15.21和3.15 hm2；而由其他轻度、中度、强烈和极强烈等级转变来的面积分别是99.18、30.51、15.93和0.27 hm2，故2017年流域内水土流失面积减少69.50 hm2，水土流失面积占比下降了3.89百分点。

2.6 各项水土保持措施保存情况

采用评估年水土流失治理情况、水土保持措施保存情况和林草植被覆盖情况共五项指标来评估项目区水土保持重点工程的实施效果，见表7。

表7 评估年处处尔沟小流域综合治理工程实施效果评估

从表7可以看出，通过实施国家水土保持重点工程，流域内地表林草覆盖率得到进一步提高，水土流失得到进一步治理，水土保持综合治理成效明显。项目实施后，流域内水土流失治理度达到78.16%，较项目实施前提高了43.94%；评估年流域内林草覆盖率达到76.22%，提高了3.40%；评估年水保林保存率为74.65%，封禁治理措施保存率为87.72%，谷坊保存率为100%，各项水土保持措施保存完好，运行正常。

3 结论与讨论

国家水土保持重点工程实施后，流域内土地利用结构得到了合理调整，水土保持综合治理成效较为明显，土壤侵蚀强度逐步减轻，水土流失得到有效控制，流域内人居环境、农业生产条件和生态环境得到明显改善。

该小流域评估年流域内林草覆盖率达到了76.22%，较项目实施前提高了3.40%；评估年流域水土流失面积为1 019.79 hm2，较项目实施前减少了69.50 hm2；各项水土保持措施保存率较高，正在逐步发挥水土保持效益。

部分水土保持措施(造林、种草等植物措施，谷坊、生产路等工程措施，以及封禁治理等措施)在影像中表现不明显，在评估过程中需要借助其他高分辨率影像数据源作为补充。在今后进行项目效果评估时，应尽量选择已经竣工验收5年以上或者更长时间的项目，以使各项水土保持措施发挥的治理成效更加明显，能更深层次地反映出水土保持重点工程在区域水土流失综合治理过程中产生的生态效益、经济效益和社会效益。