水土保持治理工程保土效益评价指标及方法探讨

亢 庆，黄 俊，金平伟

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院珠江水利委员会珠江流域水土保持监测中心站,510610,广州)

水土保持效益是水土保持治理工程的重要组成部分,是反映治理工程成效的直接体现,也是水土保持技术方案及政策可行性评价的基本原则和依据。水土保持效益评价相关研究与水土保持治理工程密切相关,我国水土保持治理工程主要以小流域为基本单元开展；因此,治理工程效益评价研究与小流域综合治理同步发展[1]。尽管全国范围水土保持工作已经取得明显成效,但涉及水土保持效益评价研究仍存在一些问题。目前,对水土保持效益评价多结合某一特定治理工程开展,采用定量和定性相结合的综合评价方法,具有一定的局限性[2- 3]。

颁布GB/T 15774—2008《水土保持综合治理效益计算方法》(以下简称“方法”),极大地推动了水土保持效益评价工作,也为水土保持治理工程开展提供重要依据。该标准将调水保土效益单独作为一个一级指标列出,也突显调水保土效益在治理工程效益评价中的重要地位；其包括调水保土效益、经济效益、社会效益和生态效益4个一级指标及15个二级指标,该方法能够对目前各类小流域水土保持综合治理工程,开展较为详尽的效益评价工作。而保土效益又细分为8类,主要采用典型推算法和具体量计算法进行保土效益计算,对野外典型观测设施和设备依赖程度较高,且由点到面的推算也存在一些精度问题。“方法”中社会效益指标概念较为模糊,存在难以量化的问题,可考虑不必单独列出；此外,“方法”中调水保土效益隶属于广义生态效益范畴,尚存在效益重复计算问题[3-4]。王琦等[5]指出,“方法”尽管考虑了多种治理工程效益评价计算,但无法获得效益综合值,提供决策支持能力不足。近年来,随着遥感和无人机等技术的快速发展,水土保持治理工程效益评价逐步从“静态”发展到“动态”。如何改进和完善水土保持治理工程效益评价指标和方法,能够获得多时空尺度效益评价结果就显得十分必要。

笔者在现有研究成果的基础上,结合遥感和无人机等技术,提出了一种水土保持治理工程多时空尺度的保土效益评价指标与计算方法。该方法不依赖野外观测设施设备,可获得不同时空尺度的治理工程保土效益,为水土保持治理工程开展、管理及后评估提供技术支持。

1 研究方法

1.1 方法的提出

美国通用水土流失方程(USLE)是目前预测土壤侵蚀量最常用方法,其应用关键在于方程中各因子精确量化[6]。该方程表达式为

式中:A为土壤侵蚀模数；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L为坡长因子；S为坡度因子；C为植被覆盖因子；P为水土保持工程措施因子。

针对某一水土保持治理工程,假设治理工程实施前研究区土壤侵蚀量为Ab,实施后土壤侵蚀量为Aa,那么水土保持治理工程保土效益可用治理工程开展前后土壤侵蚀变化量来代表,即采用“土壤侵蚀量减少比例”(soil erosion decrease ratio,SEDR)作为水土保持治理工程保土效益评价指标,计算公式为

将式(1)代入式(2),SEDR可以表示为

式中:Ra、Ka、La、Sa、Ca和Pa分别为治理工程实施后研究区降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡长因子、坡度因子、植被覆盖因子和水土保持措施因子；Rb、Kb、Lb、Sb、Cb和Pb分别为治理工程实施前研究区降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡长因子、坡度因子、植被覆盖因子和水土保持措施因子。

若效益计算期相对较短,且期间无极端性天气发生,可认为降雨侵蚀力在效益计算期内未发生重要改变,即Rb≈Ra；同时,土壤可蚀性亦不会发生重要改变,即Kb≈Ka。因此,式(3)可简化为

式(3)或(4)即为水土保持治理工程保土效益评价指标及计算公式,该指标可直接反映治理前、后研究区土壤侵蚀量的变化,表征治理工程保土效益。若SEDR≤0,表示治理工程开展后,研究区土壤侵蚀量未发生变化或增加；若SEDR＞0,则表示治理工程开展后,研究区土壤侵蚀量降低,达到保土效果。

由式(3)或(4)可知,只需要获得水土保持治理工程实施前、后的上述6个因子值,即可计算得到研究区保土效益值。上述6个因子值可基于遥感或无人机高分辨率影像,使用EVNI和ArcGis等软件自动提取,进而针对不同时空尺度,开展水土保持治理工程保土效益动态评价研究工作。

1.2 保土效益计算

笔者提出的水土保持治理工程保土效益评价指标——土壤侵蚀量减少比例(SEDR),是采用遥感或无人机高分辨率影像,以水土保持措施图斑为基本单元的一种计算方法。具体计算流程如下。

图1 水土保持治理工程保土效益计算流程Fig.1 Calculation flow of the soil conservation benefit for the soil and water conservation engineering

1)获得研究区治理工程开展前、后同时像高分辨率遥感影像及数字高程模型资料(阶段Ⅰ——治理前、阶段Ⅱ——治理后)；

2)对高分辨率遥感影像进行预处理(大气校正、辐射校正等)；

3)使用eCognition Developer软件,基于面向对象的方法,进行土地利用分类,生成水土保持措施图斑矢量文件,为后期以图斑为单元计算SEDR值提供基础；

4)基于预处理后的高分辨率遥感影像、数值高程模型、研究区气象资料和土壤数据等,使用ENVI和ArcGis软件,计算提取治理前、后研究区各措施图斑R、K、L、S、C和P6 个因子值；

5)以措施图斑为计算单元,分别计算治理工程实施前Rb、Kb、Lb、Sb、Cb、Pb和实施后Ra、Ka、La、Sa、Ca、Pa6因子乘积值,进而计算各措施图斑SEDRi值；

6)使用图斑面积加权计算方法,获得研究区土壤侵蚀量减少比例SEDR综合值,计算公式如下:

式中:SEDRi为第i个措施图斑土壤侵蚀减少比例,mi为第i个措施图斑面积。

上述技术流程如图1所示。

1.3 长期保土效益预测

针对某一特定水土保持治理工程而言,工程措施(山塘坝堰、坡改梯和水平沟等)完成后,基本不会发生变化,因此,项目区P因子不会发生重大改变；同时,坡长、坡度等因子亦不会发生改变。后续治理工程保土效益值的变化,主要体现在植被措施覆盖度变化而引起植被覆盖因子改变上,即式(3)或(4)中C因子的变化。如果能够预测林草等植被措施长期植被覆盖度变化趋势,即可得到其对应的C因子值,进而得到长期保土效益预测值。如吴中伦等[7]编著的《中国森林》,给出了我国主要树种的树龄与覆盖度间统计学规律。基于治理工程实施年限(树龄),可得到远期植被覆盖度值,基于土壤侵蚀减少比例的计算公式,得到治理工程长期保土效益预测值。

2 结论与讨论

治理工程水土保持效益主要包括生态、经济和社会3方面；其中,生态效益是以调水保土为主要目的,是治理工程根本性目标,亦是其他效益存在的基础。保土效益实质是一个数量概念,可以使用减少土壤侵蚀量的绝对值(或量化为货币价值)表示,亦可使用减少土壤侵蚀量的比例表示[8]。保土效益指标与计算结果,能够从不同时空纬度上反映治理工程土壤侵蚀量变化,可为治理工程的开展、管理和后续评估提供技术支持。“方法”中保土效益计算,过分依赖野外径流小区、流域卡口站等设施设备,通过典型推算法和具体量计算法获得,存在诸如投入成本较大、难以快速获得近期与远期保土效益值,以及应对极端天气能力不足等问题。

笔者基于美国通用水土流失方程,提出了一种以“土壤侵蚀量减少比例”为保土效益评价指标的计算方法。该方法可大幅度减少对野外设施、设备的依赖程度,降低投入成本,借助遥感和无人机等技术,开展不同时空尺度保土效益计算评价工作。此外,该方法可根据林草等植被覆盖度长期预测数据,开展治理工程远期效益预测,为治理工程开展、管理及后续评估提供重要参考。

3 参考文献

[1] 刘震.我国水土保持小流域综合治理的回顾与展望[J].中国水利,2005(22):17.LIU Zhen.Retrospect and prospect on integrated management of soil conservation in small river basins[J].China Water Resources,2005(22):17.

[2] 陈渠昌,张如生.水土保持综合效益定量分析方法及指标体系研究[J].中国水利水电科学研究院学报,2007,5(2):95.CHEN Quchang,ZHANG Rusheng.Study on approaches and index system for quantitatively analyzing comprehensive benefits of soil and water conservation[J].Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research,2007,5(2):95.

[3] 景可,焦菊英.水土保持效益评价中的问题讨论[J].水土保持通报,2010,30(4):175.JING Ke,JIAO Juying.Discussion on questions in benefit assessment for soil and water conservation[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2010,30(4):175.

[4] 叶延琼,张信宝,冯明义,等.水土保持效益分析与社会进步[J].水土保持学报,2003,17(2):71.YE Yanqiong,ZHANG Xinbao,FENG Mingyi,et al.Benefit analysis of soil and water conservation and social advancement[J].Journal of Soil Water Conservation,2003,17(2):71.

[5] 王琦,杨勤科.区域水土保持效益评价指标体系及评价方法研究[J].水土保持研究,2010,17(2):32.WANG Qi,YANG Qinke.Parameters and methods for benefit evaluation of region-scale soil and water conservation[J].Research of Soil and Water Conservation,2010,17(2):32.

[6] WISCHMEIER W,SMITH D.Predicting rainfall-erosion losses from cropland east of the rocky-mountains[R].Agriculture Handbook.Washington DC:Soil Conservation Service,USDA,1965:8.

[7] 吴中伦,徐化成,管中天.中国森林:第2卷[M].北京:中国林业出版社,1999:950.WU Zhonglun,XU Huacheng,GUAN Zhongtian.China forestry(Volume II)[M].Beijing:China Forestry Publishing House,1999:950.

[8] 李蕾蕾,刘黎明,谢花林.退耕还林还草工程的土壤保持效益及其生态经济价值评估:以固原市原州区为例[J].水土保持学报,2004,18(1):161.LI Leilei,LIU Liming,XIE Hualin.Eco-economic benefit evaluation of soil conservation service of cropland conversion program:A case study of Yuanzhou District in Guyuan City[J].Journal of Soil Water Conservation,2004,18(1):161.