高速公路建設背景下水土保持生態(tài)效益綜合評價
——以廣吉高速為例

王 農(nóng)，鄒龍宇，2，湯崇軍*

（1.江西省水利科學院，江西 南昌，330029；2.河海大學，江蘇 南京，210000）

0 引言

高速公路建設常伴隨大面積的水土流失，為此水土保持措施的布設至關重要，而水土保持生態(tài)效益評價就是對水土保持方案及各項措施可行性評價的有效尺度。因此探明高速公路建設過程中水土流失特征并就水土流失治理后的生態(tài)效益進行評價，其結(jié)果可為公路水土流失防治措施的優(yōu)化與合理配置提供科學依據(jù)。

目前一些學者在生產(chǎn)建設項目的水土保持效益及其評價方面做了一些研究。于坤霞等[1]認為線性生產(chǎn)建設項目在采取水土保持措施后有一定的生態(tài)效益且各個時期主線工程的防治效果最好；陳曉安等[2]通過對78個類型生產(chǎn)建設項目生態(tài)效益指數(shù)進行計算，將水土保持生態(tài)效益分為5個等級；楊嬋等[3]通過水土流失量、水土流失強度、水土流失量與降雨量關系等方面研究高速公路建設過程中水土流失特點；張理華等[4]在建立水土保持綜合評價模型的基礎上，對皖南低山丘陵區(qū)水土保持狀況進行綜合評價；康玲玲等[5]通過類比法和指數(shù)評價法對水土保持生態(tài)效益進行計算與評價；肖飛等[6]認為水土流失主要集中在公路建設項目的施工和營運初期且高原山區(qū)公路工程的水土流失主要由棄土棄渣造成。綜上所述，當前對高速公路水土保持生態(tài)效益評價資料較少，缺少系統(tǒng)的整理、分析和總結(jié)。本文以廣吉高速為例，探究其建設過程中的水土流失特征并構建水土保持生態(tài)效益評價指標體系，結(jié)合綜合效益指數(shù)科學地評價該工程水土保持措施的生態(tài)效益。

1 研究區(qū)

1.1 研究區(qū)概況

廣吉高速是沈海高速（莆田至炎陵聯(lián)絡線）中廣昌至吉安段新建工程（以下簡稱“該項目”），位于江西省撫州市、贛州市和吉安市境內(nèi)，由廣吉主線和吉安支線兩部分組成，路線全長189.277km，其中主線起于廣昌縣盱江鎮(zhèn)城南白田村，終于泰和縣澄江鎮(zhèn)大塘村，全長154.844km。支線起于吉水縣文峰鎮(zhèn)東，終于青原區(qū)新圩鎮(zhèn)田南村，全長34.433km。該項目于2016年11月開工，2019年1月完工，總工期27個月。

項目區(qū)地表水系發(fā)達，江河、水庫密布，水系分屬江西東部的撫河和贛江。該區(qū)域處亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明、降水豐沛、日照充足；其多年平均降水量1 458～1 863mm，10年一遇 24h最大降水量為156.3～192.2mm，降水季節(jié)分配不均，全年降水總量的50%以上集中在4～6月，多年平均蒸發(fā)量1 546～1 585mm；多年平均氣溫18.0℃～18.8℃，多年平均日照時數(shù)1 336～1 939h，多年平均無霜期 270～285d；多年平均風速 2.2～2.5m/s。

該項目呈東西走向，路線從東至西分別經(jīng)過東部贛中紅砂巖丘陵崗地、中部雩山山地、西部吉泰盆地，總體地勢為東西部低中間高，由武夷山西麓山地、丘陵地貌逐漸過渡至吉泰盆地地貌。廣吉線主線起點至青原樞紐路段由東往西途經(jīng)贛中紅砂巖丘陵地貌和雩山山脈，地勢險峻，屬山地丘陵地貌；青原樞紐至終點泰和路段地處贛江兩岸的吉泰盆地，地勢平坦，有個別剝蝕殘丘發(fā)育，屬崗地平原地貌；吉安支線地處青原山和嵩華山谷地，屬丘陵地貌。

1.2 水土保持措施總體布局

根據(jù)項目建設特點、主體工程布局、可能造成的水土流失情況、各建設區(qū)域水土流失防治責任以及防治目標[7，8]，該項目水土流失劃分為9個防治區(qū)。即路基工程區(qū)、互通工程區(qū)、橋梁工程區(qū)、附屬設施區(qū)、取土場區(qū)、棄渣場區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)、施工便道區(qū)和表土堆放場區(qū)。其各個防治區(qū)的水土保持措施總體布局見表1。

表1 各區(qū)水土保持設施布局表

2 研究方法

2.1 監(jiān)測方法

本項目水土流失監(jiān)測主要采用地面觀測、遙感監(jiān)測、實地量測和資料分析的方法。針對不同地表擾動類型的流失特點，選取適用的觀測方法，經(jīng)現(xiàn)場實地量測、查閱相關資料、施工期遙感衛(wèi)片解譯等進行多點位、多頻次監(jiān)測，綜合分析得出不同防治區(qū)的水土流失量及土壤侵蝕強度。

2.2 評價指標體系建立

本研究通過搜集大量有關高速公路水土保持評價指標的相關文獻和技術資料，選出其中出現(xiàn)頻率高的評價指標[3]，并結(jié)合廣吉高速水土保持監(jiān)測報告和驗收報告以及《生產(chǎn)項目水土技術保持標準》（GB50433-2018）和《開發(fā)建設項目水土流失防治標準》（GB50434-2008），通過理論分析[9]以及專家咨詢[10]后選取本文的評價指標[11]。通過層次分析法將這些指標分為3層，其中第1層為目標層，第2層為準則層包含3個影響因子，第3層為指標層共包含13個指標[12]，具體見表2所示。

表2 水土保持生態(tài)效益評價指標體系

2.3 指標權重計算

（1）根據(jù)指標的得分情況進行兩兩比較，構建判斷矩陣，將判斷矩陣的每一列元素作歸一化處理：

其中 i，j=1，2，……，n。

（2）將每一列經(jīng)歸一化處理后的判斷矩陣按列相加：

對于多階判斷矩陣，引入平均隨機一致性指標RI，表3給出1～10階正互反矩陣計算1000次得到的平均隨機一致性指標，當CR＜0.1時，便認為判斷矩陣具有可以接受的一致性。

表3 RI取值表

2.4 綜合指數(shù)計算

由于各個指標的的量綱不同，所以需進行標準化處理[2]。方法如下：

（1）正向指標

（2）逆向指標

式中，xi′為第i個指標數(shù)據(jù)標準化后的值；xi為第i個指標的值；minx為該指標最小值；maxx為該指標最大值。

其中自然影響因子B1和水土流失人為擾動因子B2下的指標按逆向指標進行標準化，水土保持效益因子B3下的指標按正向指標進行標準化處理。

由于上述方法計算所得的數(shù)值往往不符合人們判斷好和差的習慣，因此需要將定量表述轉(zhuǎn)化為定性描述，以便真實地反映防治效果，因此采用級差標準化的方法，將指標的標準化值與指標權重轉(zhuǎn)換為等級值。綜合指數(shù)是由n個要素加權得來的，計算結(jié)果隨機分布在0～10之間，因此，本研究采取等間距法[13]將水土保持生態(tài)效益綜合指數(shù)劃分為5個等級，即：0＜UI≤2為效益非常差；2＜UI≤4 為效益差；4＜UI≤6 為效益一般；6＜UI≤8 為效益良好；8＜UI≤10 為效益非常好。

水土保持生態(tài)效益綜合指數(shù)通過加權求和計算，公式如下：

式中，xi′為第i個指標數(shù)據(jù)標準化后的值；ai為第i指標權重；i=1，2，3…，n。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同防治區(qū)水土流失面積動態(tài)變化分析

（1）據(jù)圖1所示，項目自2016年施工起，其多個防治區(qū)的水土流失面積開始有增加的趨勢，特別是施工生產(chǎn)區(qū)和施工便道，其水土流失面積所占比分別從建設前的18.3%和21.56%增加到了55.14%和48.83%，其增幅分別達到近37%和27%，所以在施工初期要格外引起重視，加強該區(qū)域的水土保持措施布設，提前做好水土流失防治。

圖1 各防治區(qū)水土流失面積占比動態(tài)變化折線圖

（2）隨著施工的進行，相比于施工前，施工中期2017年的表土臨時堆放場、附屬設施區(qū)、路基工程、取土場、橋梁工程、互通工程、棄渣場的水土流失面積增幅分別達到 50.75%、39.33%、38.92%、35.2%、30.63%、27.55%、15.73%。施工過程中，各防治區(qū)的水土流失均有顯著增加，尤其是表土臨時堆放場、附屬設施區(qū)、路基工程較為嚴重。

（3）各個防治區(qū)在2017年采取相應的水土保持治理以后，到2019年取土場、表土臨時堆放場、附屬設施區(qū)、路基工程、棄渣場、橋梁工程、互通工程的水土流失面積相比于2017年減幅分別達43.2%、38.81%、34.32%、30.78%、25.31%、20.08%、15.28%。

（4）從2019年項目完工到2020年底，各個防治區(qū)的水土流失面積比項目建設前的水土流失面積還要有所減少，表明水土保持措施所產(chǎn)生的效益非常顯著。

3.2 水土流失量及平均土壤侵蝕模數(shù)變化分析

（1）據(jù)表4和圖2可知，各個防治區(qū)在采取相應的水土保持措施后，其水土流失情況得到顯著改善。在水土保持設施布置一年后，項目區(qū)的水土流失量由132 896 t減少到77 386.6 t，減幅達41.77%，各防治區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)的減幅平均達到38.48%，且水土流失較嚴重的路基工程、互通工程、取土場、棄渣場等這些防治區(qū)的水土流失量和平均土壤侵蝕模數(shù)的減幅均在第一年達到40%以上。

圖2 各防治區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)動態(tài)變化柱狀圖

表4 布設水保措施后各防治區(qū)水土流失量表

（2）隨著植被的恢復和水土保持設施的不斷完善，各防治區(qū)的水土流失整治效果也在逐步提升，在水土保持設施布置后的第2、第3年，項目區(qū)的水土流失量減幅分別達67.43%和71.53%，各防治區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)的減幅平均分別達到59.88%和69.59%。

（3）相較于施工初期，水土保持設施布設3年后，路基工程、互通工程、橋梁工程、附屬設施區(qū)、取土場、棄渣場、施工生產(chǎn)生活區(qū)、施工便道、表土臨時堆放場的平均土壤侵蝕模數(shù)降到了480 t/（km·a）、490 t/（km·a）、480t/（km·a）、480t/（km·a）、680t/（km·a）、740 t/（km·a）、420 t/（km·a）、510 t/（km·a）、610 t/（km·a），侵蝕強度均達到輕度侵蝕及以下（500～2 500 t/（km·a）為輕度侵蝕），項目的主體工程以及施工生產(chǎn)生活區(qū)的侵蝕強度甚至達到了微度侵蝕（0～500t/（km·a）為微度侵蝕）。

（4）總體來說，項目區(qū)的年水土流失量減少到了7 175.35t，總減幅達到94.6%，平均土壤侵蝕模數(shù)減少到543.33t/（km·a），其總減幅達92.92%。

（5）據(jù)圖2可知，在施工建設前中期，路基工程、互通工程、橋梁工程、附屬設施區(qū)、取土場、棄渣場、施工生產(chǎn)生活區(qū)、施工便道、表土臨時堆放場的平均土壤侵蝕模數(shù)高達9 650t/（km·a）、8 630t/（km·a）、8 620 t/（km·a）、7 930t/（km·a）、9 620t/（km·a）、9 830t/（km·a）、5 830t/（km·a）、6 830t/（km·a）、7 830t/（km·a），侵蝕強度均達到強度侵蝕及以上（5 000～8 000t/（km·a）為強度侵蝕），其中路基工程、互通工程、橋梁工程、取土場、棄渣場甚至達到極強度侵蝕（8 000～15 000t/（km·a）為極強度侵蝕），尤以取土場和棄渣場最為嚴重，這主要是由于棄渣場和取土場的前期的立地條件差、植物生長緩慢且成活率低、地表裸露時間長[14]。據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以看到，高速公路建設過程中，應重點把控好施工階段的水土保持措施，尤其是路基工程、互通工程、橋梁工程、棄渣場、取土場等這幾個防治區(qū)。該項目在施工期采取一系列水土流失防治工程措施、植物措施、臨時防護措施后，數(shù)據(jù)表明水土保持效果顯著，項目區(qū)的生態(tài)環(huán)境有明顯改善，總體上發(fā)揮了較好的保水保土、改善生態(tài)環(huán)境的作用。

3.3 綜合效益評價

邀請水土保持專家運用1～9標度法對其進行打分，根據(jù)專家評分表的統(tǒng)計結(jié)果，得到各指標權重如表5所示。

表5 各指標權重匯總表

評價指標對水土保持生態(tài)效益貢獻大小的排序為：林草植被恢復率＞擾動土地面積＞年平均降雨量＞攔渣率=表土保護率＞臨時堆土量=棄土石、渣量＞林草植被覆蓋率＞土壤流失控制比＞地形地貌＞項目建設總工期＞土壤質(zhì)地＞水土流失治理度。

由于廣吉高速建設工程量較大，其工程建設征占地總面積為1 513.7hm2，這就造成了較大的擾動面積，故C4指標的標準化賦值較低，同時項目區(qū)為山地丘陵地貌，部分地段地勢險峻，在施工過程中需進行大量的開挖作業(yè)，故會產(chǎn)生大量的臨時堆土和棄土、石、渣，這就使得指標C2、C5、C7的標準化賦值偏低。此外，廣吉高速工程建設過程中采取了相應的水土保持工程措施和植物措施，水土流失治理效果顯著，且在人工干預的情況下改善了當?shù)氐牧⒌貤l件，增強了植物根系固土保水能力進而植被覆蓋率及成活率較好，故C10、C11、C12的指數(shù)值較大。據(jù)表6各指標指數(shù)值，結(jié)合公式（9）計算得項目的綜合指數(shù)UI為6.33，水土保持生態(tài)效益良好，根據(jù)《生產(chǎn)建設項目水土流失防治標準》（GB/T 50434-2018）規(guī)定，該項目水土流失防治為該項目一級標準，各項水土流失防治標準都達到設計要求，表明水土保持措施效益顯著。

表6 指標指數(shù)表

4 結(jié)論

針對廣吉高速建設項目中水土流失嚴重的問題，解析了高速公路建設過程的水土流失特征，通過構建生態(tài)效益指標體系，采用層次分析法評價了高速公路建設背景下水土保持生態(tài)效益。得到主要結(jié)論如下：

（1）在廣吉高速建設項目中，水土流失主要發(fā)生在施工時期，路基工程、取土場、棄渣場等施工區(qū)域是水土流失主要來源，需著重加強這些區(qū)域的水土流失防治措施。

（2）該項目水土保持措施效益顯著，相比于項目建設時期，建設完成后大部分防治區(qū)的水土流失量和平均土壤侵蝕模數(shù)的降幅達到30%以上，且在運行期各個防治區(qū)的平均土壤侵蝕模數(shù)均從施工期的強度或極強度侵蝕降低到了輕度或微度侵蝕。甚至在建設完成后，大部分防治區(qū)的水土流失面積占比、平均土壤侵蝕模數(shù)低于項目建設之前，表明工程建成后的水土保持措施效益得到了顯著提升。該項目的水土保持生態(tài)效益綜合指數(shù)是6.33，表明其水土保持生態(tài)效益好，能夠很好地保護此區(qū)域的水土資源和生態(tài)環(huán)境。

（3）在水土保持生態(tài)效益框架下，構建了1個目標層、3個準則層、13個指標層的指標體系。在各個指標中，年平均降雨量C1、擾動土地面積C4和林草植被恢復率C12這三指標所占權重較大，分別達到0.102、0.129和0.222，表明項目建設應盡量避開降雨密集時段，同時做好排水設施的布設，對于擾動裸露土地，用苫布進行覆蓋，以減少降雨對土壤的沖刷。在滿足施工、設計和經(jīng)濟方面的要求下，應避免不必要的開挖和回填，減少臨時設施的占用面積，同時提高各設施占地面積的有效利用率，以此減少建設過程中的擾動土地面積。此外，對于植被恢復滯后，水土保持措施不完善的地方，應加強植被修復工作，完善水土保持措施，并對植被覆蓋區(qū)域進行動態(tài)監(jiān)測，以此來提高項目區(qū)的林草植被恢復率。