基于遥感信息的黄河中游水土流失敏感区淤地坝坝地资源特征研究

张齐飞 ，孙从建 *，向燕芸 ，李 皎 ，刘 显 ，梁家荣

1.山西师范大学 地理科学学院，太原 030031

2.山西财经大学 公共管理学院，太原 030006

3.黄河中游生态环境研究中心，太原 030031

4.中国科学院新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐 830011

黄河中游是黄河流域主要的泥沙来源地，是世界上水土流失最为严重的地区之一，强烈的水土流失过程导致区域水土、泥沙流失，植被退化，塬面破坏，土壤肥力下降，可耕地面积萎缩，公路交通基础设施破坏等相关问题（Wang et al，2016；
杨云斌等，2019；
邹雅婧等，2019；
孙从建等，2020；
孙从建等，2022），这也进一步加剧了黄河下游“地上悬河”的危害，直接威胁到周边人民群众的生命财产安全，对该区域人类的生产生活和经济社会的可持续发展产生重要影响，并逐渐成为我国人地矛盾最为突出和复杂的区域之一（傅伯杰等，2021；
Li et al，2021）。为此，开展区域水土流失防治对于黄河流域生态保护和高质量发展具有重要的现实意义。

淤地坝是指在水土流失地区各级沟道中，以拦泥淤地为目的而修建的坝工建筑物，其拦泥淤成的地叫坝地，用于淤地生产的叫淤地坝或生产坝（黄河上中游管理局，2005）。淤地坝是当前黄土高原地区水土流失防治的有效工程措施之一，具有良好的水土保持功效，在拦泥淤地、滞洪蓄水、建设农田、巩固退耕还林（草）、发展生产、减轻黄河泥沙、改善生态环境等方面均发挥了重要作用（高海东等，2017；
袁水龙等，2019；
惠波等，2020；
鞠琴等，2021）。淤地坝工程建设有效抑制了黄土高原地区1970 — 1990年的水土流失过程，对区域生态保护具有显著效益（Wang et al，2016）。习近平总书记2015年在延安梁家河调研指出：“淤地坝是流域综合治理的一种有效形式，既可以增加耕地面积、提高农业生产能力，又可以防止水土流失，要因地制宜推行”（史红艳，2019）。淤地坝坝地作为黄土高原地区一种潜在的土地资源形式，正受到广泛关注，传统对淤地坝坝地的监测方式多集中在单个小流域的少数坝地、坝系中，监测方法多为人工GPS测绘方法，费时费力（黎奕瑾等，2010）。随着科学技术的发展，遥感技术作为一种有效的地物判读手段，已被广泛应用在草地系统、城市、河流水系、水库信息和工程水利设施研究中。如当前使用的 Landsat MSS/TM/ETM+/OLI、MODIS产品，以及高分辨率的 WorldView-2、SPOT/IKNOS、ASTER、Cornaoa、HJ1A/1B、Google Earth 等卫星影像已经被广泛应用到湖泊和湖坝信息的提取，并取得了很好的效果（Song and Sheng，2016；
Kapitsa et al，2017；
Li et al，2020；
Wangchuk and Bolch，2020）。Petrov et al

（2017）基于高分辨率的WorldView-2、IKONOS和SPOT5影像并结合SRTM DEM高程数据实现对整个乌兹别克斯坦山区冰川湖坝体分类，并对其坝体参数（坝顶宽度、坝体宽高比、坡度）等进行了统计编目；
Worni et al（2013）基于Landsat ETM+、Google Earth 影像并结合SRTM DEM高程数据实现了对山区湖泊溃坝事件的监测。淤地坝坝地分布较为零散，传统的测量手法往往误差较大，难以准确定量分析其时空分布特征，而遥感技术手段使得大范围淤地坝坝地的判别及其时空变化得以监测，例如：基于无人机遥感技术定量分析淤地坝的水土资源（王彦武等，2019）；
借助地形数据、Landsat和Google Earth高分遥感影像完成1976 — 2010年黄河中游皇甫川流域淤地坝的信息提取和动态监测（弥智娟等，2015）；
借助Landsat TM影像提取地物信息并改进RUSLE模型，实现对皇甫川流域土壤侵蚀产沙的模拟（田鹏等，2015）。而对于黄土高原东部地区，目前仍然缺乏较大区域的淤地坝信息统计，如何准确获取淤地坝的位置信息、数目、空间分布、坝地面积、控制面积等信息是科学分析淤地坝减蚀（减少土壤侵蚀）和拦沙（拦截入黄泥沙）作用及其未来建设规划的基础。

为此，本研究基于遥感技术手段，借助多源遥感数据，结合各流域主要淤地坝监测站点，以黄土高原腹地晋西南地区为研究靶区，开展黄土高原地区淤地坝坝地资源现状调查及其动态变化研究，评估淤地坝的运行现状及其生态服务功能，以期为黄河流域的生态保护和可持续发展提供理论依据和科技支撑。

选取黄河中游水土流失严重的晋西南地区作为典型研究区，该区毗邻黄河，是典型的黄土残垣沟壑区。该区地理位置介于110°22′ — 112°35′ E、35°14′ — 36°57′ N（图1），总面积约2.03 ×104km2，涵盖16个县区（县级市）（尧都区、曲沃县、襄汾县、洪洞县、古县、安泽县、浮山县、吉县、乡宁县、大宁县、隰县、永和县、蒲县、汾西县、侯马市和霍州市）。地形上四周环山，东临太岳山、西临吕梁山，中部被临汾盆地所贯穿，整个区域海拔范围在377 — 2480 m，平均海拔为1008 m。该地区处在半干旱、半湿润季风气候区，多年平均气温12.6℃，多年平均降水量500 —600 mm。该区河流均属黄河水系，分布有大小河流200余条，该区生态环境较为脆弱，水土流失较为严重，水土流失面积达14374 km2，约占区域总面积的71%（张文强等，2019）。该区土地利用/覆盖类型主要为耕地（水田和旱地）、林地（人工和天然的灌木、疏林等）、草地、水域、城乡居民用地。土壤类型主要为黄绵土、褐土、钙土、潮土、稻土等。

图1 研究区概况Fig. 1 Location of the study area

2.1 数据来源及预处理

选用多源遥感数据提取淤地坝坝地信息，包括遥感卫星Sentinel-2影像（包含Sentinel-2A和Sentinel-2B），为避免植被和河流对淤地坝坝地信息的干扰，主要选取10月末到次年2月初的影像，云层覆盖度在10%以下。此外，结合高分辨率的WorldView-2、Google Earth 以及Bing影像作为淤地坝信息提取过程中的主要和辅助影像。选用的数字高程数据来源于SRTM1 Arcsec（Shuttle Radar Topography Mission），与SRTM3 Arcsec DEM相比，SRTM1 Arcsec DEM 具有更高的空间分辨率，该数据来自美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS，http://www.usgs.gov）。将所有的影像坐标系信息统一投影到WGS 1984 UTM Zone 49N。

土地利用和植被指数（NDVI）数据来源于资源环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn/），用于分析淤地坝流域范围内的土地利用和植被变化情况，该土地利用类型包含耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型，本研究主要以第一类型分类为主，该套数据基于美国陆地卫星Landsat TM/OLI影像，通过人工目视解译生成。NDVI数据是基于SPOT/VEGETATION以及MODIS等卫星生成的一套反映生长季（春夏秋三季）的NDVI数据，本研究选取该时期内NDVI的最大值，该数据产品当前已经在植被动态变化监测、土地利用、覆被变化监测等方面得到广泛应用。此外，使用淤地坝（骨干坝和综合坝）坝地资料用以分析和评估研究区淤地坝运行情况，坝地资料包含淤地坝的方位信息、坝地类型、建设年份、验收年份、所属支流、所在地区、坝地工程设计的淤地坝长、坝高、总库容、防洪标准、坝控面积等信息，该数据源由山西省水利局提供。本研究所采用的数据信息详见表1。

表1 本研究使用的数据源汇总Tab. 1 Summary of the datasets used in this study

2.2 淤地坝信息提取

淤地坝信息的提取过程如图2所示。首先，根据现有淤地坝监测资料，对其坝地空间位置进行定位。其次，基于30 m的SRTM1 DEM高程数据并借助ArcSWAT模型自带的Watershed Delineator等工具对研究区河流水系、流域范围和出山口节点位置进行提取，同时借助提取的等高线对其淤地坝系的空间位置和朝向进行判断。Sentinel-2卫星数据共包含13个光谱波段，该原始数据通过SNAP软件处理后分辨率达到10 m。本研究根据遥感影像中的图斑信息进行淤地坝坝地信息矢量化，为进一步提取地物信息，通过组合波段4、3、2真彩色和波段8、4、3假彩色组合影像，根据淤地坝坝系/坝地明显的纹理特征和空间位置信息进行提取。针对山区河道内复杂地形、地物特征、河流水体等的影响，进一步结合Bing和Google Earth高分影像以及WorldView-2高分影像对其坝地信息进行判读和校正，所提取的淤地坝坝地信息与遥感影像均在统一坐标系下进行。最后，基于多源遥感数据编目了一套黄河中游淤地坝坝地数据集，其数据包括淤地坝的数目、坝地面积、控制面积、位置、高程信息以及不同流域坝系信息等。

图2 淤地坝坝地信息提取的流程图Fig. 2 Flow chart showing process used for check dam extraction

关于提取淤地坝坝地面积的不确定分析，借鉴当前山区湖泊信息提取中的不确定相关研究（Petrov et al，2017；
Zheng et al，2019），利 用缓冲区法来估算淤地坝坝地面积提取过程中的误差。在这项研究中，淤地坝坝地面积提取的不确定性依据淤地坝坝地边缘长度及其不确定误差，考虑到的最大误差为淤地坝坝地提取影像的半个像元，即基于陆地卫星Sentinel-2影像误差为5 m，而WorldView-2影像的空间误差为0.25 m左右。总体上，基于淤地坝坝地边界缓冲区方法，2020/2021年研究区域淤地坝坝地面积提取的不确定范围在20%以内。此外，为进一步验证提取淤地坝坝地边界的精确度，基于2015年的监测淤地坝坝地面积数据，通过与同期分辨率较差的Sentinel-2提取对应30座淤地坝面积对比发现，本方法提取的淤地坝坝地面积误差约为15%。

3.1 淤地坝坝地资源现状分析

3.1.1 淤地坝坝地总体分布特征

截至2021年，整个研究区各种类型淤地坝共计12167座，总覆盖面积达71.19 km2，平均单座淤地坝坝地面积为5851 m2。就淤地坝的规模而言，主要以小型淤地坝为主，其中，淤地坝坝地＜15000 m2的坝地数量占该地区坝地总数量的93.42%，坝地面积＜5000 m2的淤地坝占总淤地坝数量的68.92%。从淤地坝的空间分布特征（图3）来看，其主要集中在山区流域沟道中，如西部吕梁山区分布有众多的淤地坝；
盆地内的淤地坝相对较少，如汾河谷地，但在汾河谷地的上游山区分布有众多的淤地坝。

图3 研究区淤地坝坝地的空间分布Fig. 3 Distribution of the check dam in the study area

3.1.2 各县（市）淤地坝坝地分布特征

研究区各县（市）淤地坝数量和面积存在明显的空间差异，就整个研究区而言，淤地坝数量和面积整体呈现由北向东依次递减趋势（图4）。县域上，北部的汾西县淤地坝数量最多，面积最大，分别占该地区淤地坝坝地总数量和总面积的47.56%和37.81%。其次是洪洞县和浮山县地区，其对应范围内淤地坝数量和面积分别占总量的10.68%和10.71%（洪洞县），9.12%和8.16%（浮山县）。古县、霍州市、尧都区和襄汾县对应淤地坝数量和面积相似，分别占研究区淤地坝总数量和总面积的5%和4%左右（表2）。区域淤地坝数量最少的为曲沃县和侯马市，同时也是海拔最低的地区，以山谷平原为主，其所涵盖的淤地坝数量和面积均不超过总量的0.5%。

表2 研究区各县（市）淤地坝坝地数量及其面积分布Tab. 2 Distribution of check dam number in each county (city) across the study area

图4 研究区各县（市）淤地坝坝地数量和面积的空间分布Fig. 4 Spatial distribution of check dam number and area in each county (city) across the study area

3.2 淤地坝运行现状分析

3.2.1 淤地坝淤泥年限运行现状

按照淤地坝建设及使用标准，其主要分为骨干坝、中型坝和小型坝三大类，共同组成了黄土高原地区各类坝系。截至2021年，研究区各类骨干坝和中型坝共计532座，其中，骨干坝321座（60.34%），中型坝211座（39.66%）（表3）。对比发现：研究区的淤地坝建设时间在2000年前后，主要集中于2002 — 2010年（图5a）。就各县区淤地坝修建时间来看，汾西县和吉县淤地坝的建设时间较早，集中在2000 — 2005年，而浮山县在2010年前后也开始大规模修建淤地坝（图5b）。从整个研究区淤地坝的服务期限来看，其分布在5 — 23 a，主要集中在10 —16 a。

表3 研究区各县（市）骨干坝和中型坝的空间分布统计Tab. 3 Distribution of check dam number in each county (city) across the study area

基于淤地坝工程服务期限来看（图5d），截至2021年，有一半以上（56.58%）的淤地坝已经超过了淤地坝淤积年限，绝大多数淤地坝的淤积超限时间在2 — 6 a，多座淤地坝淤积年限已经超过15 a。而对于当前未超淤积年限的淤地坝而言，其大都在未来5 a内服务期满。就晋西南各地区而言，这些服务年限已经超限的淤地坝主要集中在西北部地区，如：隰县（46座淤地坝服务年限超限，占该地区骨干坝和中型坝总数的51.11%，平均超限4 a）、永和县（27座，占该地区骨干坝和中型坝总数的42.86%，平均超限4 a）、大宁县（69座，占该地区骨干坝和中型坝总数的62.16%，平均超限3 a）、汾西县（35座，占该地区骨干坝和中型坝总数的72.92%，平均超限6 a）、蒲县（22座，占该地区骨干坝和中型坝总数的47.83%，平均超限8 a）、吉县（51座，占该地区骨干坝和中型坝总数的64.56%，平均超限4 a）和乡宁县（46座，占该地区骨干坝和中型坝总数的62.16%，平均超限4 a）。

图5 研究区各县（市）淤地坝的建设时间及其运行时间Fig. 5 The construction time of check dams in each county (city) and their operation period in the study area

3.2.2 淤地坝淤积服务现状

研究区骨干坝和中型坝所控流域面积为15272.76 km2，其设计总库容量达26861.76万m3，其中，淤地坝设计拦泥沙库容量达15745.11万m3。基于每座淤地坝的工程设计年限，其超出工程设计年限为“淤满”状态，截至2021年，晋西南地区设计超限的淤地坝（骨干坝和中型坝）总淤满库容达6617.41万m3，约占晋西南地区总设计拦泥容量的42.03%。空间上，这些库容淤满的淤地坝主要集中在西部和西北部区域（图6）。就空间上库容淤满的淤地坝而言，这些库容淤满的淤地坝主要集中在隰县（46座，淤满库容1210.26万m3）、永和县（27座，淤满库容565.67万m3）、大宁县（69座，淤满库容2008.12万m3）、汾西县（35座，淤满库容670.04万m3）、蒲县（22座，淤满库容280.50万m3）、吉县（51座，淤满库容1183.33万m3）和乡宁县（46座，淤满库容660.01万m3）。

图6 研究区超服务年限淤地坝（骨干坝和中型坝）的超期时间及其拦泥库容量淤满空间分布Fig. 6 Spatial distribution of overdue period and silt storage capacity of check dam (key and medium-sized dams) beyond designed service life in the study area

近年来，在全球气候变暖和人类活动的影响下，黄土高原地区水土流失加剧，粮食生产较为集中的丘陵沟壑区水土流失更为严重。其中，研究区受水土流失影响最为敏感的草地在2000 — 2020年减少了6.8%，减幅达17.9 km2· a-1。淤地坝作为黄河流域和黄土高原地区生态治理的重点工程和土地利用方式，对该地区的生态保护和高质量发展有重要作用。2019年习近平总书记《在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话》中指出：“黄河流域要加强生态环境保护，中游要突出抓好水土保持和污染治理，有条件的地方要大力建设旱作梯田，淤地坝等”。基于2000年以来的土地利用数据发现，研究区城乡和居民用地近20 a扩张了近67%，扩张速率达6.7 km2· a-1，而耕地面积仅扩张了2.23%，增幅达5.4 km2· a-1。天然和人工林在内的林地范围在近20 a扩张了3.55%，扩张速率在5.7 km2· a-1，而这很大程度上受到人工植树造林的影响（图7）。

为进一步探究淤地坝工程建设对植被生态保护的影响，基于NDVI数据，对2000 — 2019年的植被状况进行了分析，结果表明：近20 a，晋西南地区淤地坝流域的NDVI呈现非常显著的增加态势（P＜0.01），速率达0.01 · a-1（图7a），NDVI值从2000年的0.53增大到2019年的0.70，增幅达32.08%。而淤地坝坝地当前已成为土地资源开发的重点方向，水土流失得到有效防治，植被得到了很好恢复。

图7 2000 — 2020年淤地坝流域范围内土地利用类型和NDVI变化Fig. 7 Land use / NDVI change in the basins of the check dam during 2000 — 2020

淤地坝坝地作为黄土高原地区一种有效的土地利用资源，在很大程度上可以减少水土流失，并在很大程度上提供肥沃的土地资源。尽管淤地坝淤满之后，其拦泥蓄容和防洪等功能下降，但其淤满后仍能发挥减蚀和拦蓄径流泥沙作用（惠波等，2020）。与坡耕地相比，淤地坝坝地具备易于获取且稳定高产的土地资源条件，如淤地坝拦淤后，形成平坦的人造平原，土壤湿润肥沃，抗旱能力强，产量高，比坡地增产3 — 10倍。据推算，黄土高原区每淤坝地1 hm2，可退耕陡坡耕地 3 — 8 h m2（罗西超，2016），本研究中的淤地坝总面积71.19 km2，折算可退耕地面积21357 — 56952 hm2。由此可见，相较其他土地利用类型，淤地坝具有更高的经济效益和生态效益。

基于多源遥感卫星数据和淤地坝监测资料，对晋西南地区淤地坝坝地资源现状进行了统计与分析，完成了该地区淤地坝坝地编目，并对其运行现状进行了评估，主要结论如下：

（1）截至2021年，研究区各种类型淤地坝共计12167座，总覆盖面积达71.19 km2，平均单座淤地坝坝地面积为5851 m2。淤地坝规模上主要以小型规模（＜15000 m2）的淤地坝为主，占淤地坝总数量的93.42%。其中，骨干坝和中型坝总计532座（占4.37%）。淤地坝在空间分布上主要集中于汾西县、洪洞县和浮山县。

（2）截至2021年，晋西南地区56.58%的骨干坝和中型坝已超过了其服务年限（平均超限4.35 a），其总淤满库容达6617.41万m3，而剩余的绝大多骨干坝和中型坝在5 a之内也将超过其运行服务年限。整体上，晋西南地区淤地坝超服务期限严重并多呈现淤满状态。

（3）淤地坝的建设在很大程度上减少了上游水土流失，对防洪、生态保护、淤泥建地、发展农业生产等方面已经产生了重要影响，但淤地坝淤满使得防沙、防洪能力明显减弱。

致谢：感谢刘志慧、张雅清、闫斌和刘文毅在遥感影像处理和解译过程等方面付出的辛勤劳动。

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