高速公路建设背景下水土保持生态效益综合评价——以广吉高速为例

王 农，邹龙宇，2，汤崇军*

（1.江西省水利科学院，江西 南昌，330029；2.河海大学，江苏 南京，210000）

0 引言

高速公路建设常伴随大面积的水土流失，为此水土保持措施的布设至关重要，而水土保持生态效益评价就是对水土保持方案及各项措施可行性评价的有效尺度。因此探明高速公路建设过程中水土流失特征并就水土流失治理后的生态效益进行评价，其结果可为公路水土流失防治措施的优化与合理配置提供科学依据。

目前一些学者在生产建设项目的水土保持效益及其评价方面做了一些研究。于坤霞等[1]认为线性生产建设项目在采取水土保持措施后有一定的生态效益且各个时期主线工程的防治效果最好；陈晓安等[2]通过对78个类型生产建设项目生态效益指数进行计算，将水土保持生态效益分为5个等级；杨婵等[3]通过水土流失量、水土流失强度、水土流失量与降雨量关系等方面研究高速公路建设过程中水土流失特点；张理华等[4]在建立水土保持综合评价模型的基础上，对皖南低山丘陵区水土保持状况进行综合评价；康玲玲等[5]通过类比法和指数评价法对水土保持生态效益进行计算与评价；肖飞等[6]认为水土流失主要集中在公路建设项目的施工和营运初期且高原山区公路工程的水土流失主要由弃土弃渣造成。综上所述，当前对高速公路水土保持生态效益评价资料较少，缺少系统的整理、分析和总结。本文以广吉高速为例，探究其建设过程中的水土流失特征并构建水土保持生态效益评价指标体系，结合综合效益指数科学地评价该工程水土保持措施的生态效益。

1 研究区

1.1 研究区概况

广吉高速是沈海高速（莆田至炎陵联络线）中广昌至吉安段新建工程（以下简称“该项目”），位于江西省抚州市、赣州市和吉安市境内，由广吉主线和吉安支线两部分组成，路线全长189.277km，其中主线起于广昌县盱江镇城南白田村，终于泰和县澄江镇大塘村，全长154.844km。支线起于吉水县文峰镇东，终于青原区新圩镇田南村，全长34.433km。该项目于2016年11月开工，2019年1月完工，总工期27个月。

项目区地表水系发达，江河、水库密布，水系分属江西东部的抚河和赣江。该区域处亚热带湿润季风气候，四季分明、降水丰沛、日照充足；其多年平均降水量1 458～1 863mm，10年一遇 24h最大降水量为156.3～192.2mm，降水季节分配不均，全年降水总量的50%以上集中在4～6月，多年平均蒸发量1 546～1 585mm；多年平均气温18.0℃～18.8℃，多年平均日照时数1 336～1 939h，多年平均无霜期 270～285d；多年平均风速 2.2～2.5m/s。

该项目呈东西走向，路线从东至西分别经过东部赣中红砂岩丘陵岗地、中部雩山山地、西部吉泰盆地，总体地势为东西部低中间高，由武夷山西麓山地、丘陵地貌逐渐过渡至吉泰盆地地貌。广吉线主线起点至青原枢纽路段由东往西途经赣中红砂岩丘陵地貌和雩山山脉，地势险峻，属山地丘陵地貌；青原枢纽至终点泰和路段地处赣江两岸的吉泰盆地，地势平坦，有个别剥蚀残丘发育，属岗地平原地貌；吉安支线地处青原山和嵩华山谷地，属丘陵地貌。

1.2 水土保持措施总体布局

根据项目建设特点、主体工程布局、可能造成的水土流失情况、各建设区域水土流失防治责任以及防治目标[7，8]，该项目水土流失划分为9个防治区。即路基工程区、互通工程区、桥梁工程区、附属设施区、取土场区、弃渣场区、施工生产生活区、施工便道区和表土堆放场区。其各个防治区的水土保持措施总体布局见表1。

表1 各区水土保持设施布局表

2 研究方法

2.1 监测方法

本项目水土流失监测主要采用地面观测、遥感监测、实地量测和资料分析的方法。针对不同地表扰动类型的流失特点，选取适用的观测方法，经现场实地量测、查阅相关资料、施工期遥感卫片解译等进行多点位、多频次监测，综合分析得出不同防治区的水土流失量及土壤侵蚀强度。

2.2 评价指标体系建立

本研究通过搜集大量有关高速公路水土保持评价指标的相关文献和技术资料，选出其中出现频率高的评价指标[3]，并结合广吉高速水土保持监测报告和验收报告以及《生产项目水土技术保持标准》（GB50433-2018）和《开发建设项目水土流失防治标准》（GB50434-2008），通过理论分析[9]以及专家咨询[10]后选取本文的评价指标[11]。通过层次分析法将这些指标分为3层，其中第1层为目标层，第2层为准则层包含3个影响因子，第3层为指标层共包含13个指标[12]，具体见表2所示。

表2 水土保持生态效益评价指标体系

2.3 指标权重计算

（1）根据指标的得分情况进行两两比较，构建判断矩阵，将判断矩阵的每一列元素作归一化处理：

其中 i，j=1，2，……，n。

（2）将每一列经归一化处理后的判断矩阵按列相加：

对于多阶判断矩阵，引入平均随机一致性指标RI，表3给出1～10阶正互反矩阵计算1000次得到的平均随机一致性指标，当CR＜0.1时，便认为判断矩阵具有可以接受的一致性。

表3 RI取值表

2.4 综合指数计算

由于各个指标的的量纲不同，所以需进行标准化处理[2]。方法如下：

（1）正向指标

（2）逆向指标

式中，xi′为第i个指标数据标准化后的值；xi为第i个指标的值；minx为该指标最小值；maxx为该指标最大值。

其中自然影响因子B1和水土流失人为扰动因子B2下的指标按逆向指标进行标准化，水土保持效益因子B3下的指标按正向指标进行标准化处理。

由于上述方法计算所得的数值往往不符合人们判断好和差的习惯，因此需要将定量表述转化为定性描述，以便真实地反映防治效果，因此采用级差标准化的方法，将指标的标准化值与指标权重转换为等级值。综合指数是由n个要素加权得来的，计算结果随机分布在0～10之间，因此，本研究采取等间距法[13]将水土保持生态效益综合指数划分为5个等级，即：0＜UI≤2为效益非常差；2＜UI≤4 为效益差；4＜UI≤6 为效益一般；6＜UI≤8 为效益良好；8＜UI≤10 为效益非常好。

水土保持生态效益综合指数通过加权求和计算，公式如下：

式中，xi′为第i个指标数据标准化后的值；ai为第i指标权重；i=1，2，3…，n。

3 结果与分析

3.1 不同防治区水土流失面积动态变化分析

（1）据图1所示，项目自2016年施工起，其多个防治区的水土流失面积开始有增加的趋势，特别是施工生产区和施工便道，其水土流失面积所占比分别从建设前的18.3%和21.56%增加到了55.14%和48.83%，其增幅分别达到近37%和27%，所以在施工初期要格外引起重视，加强该区域的水土保持措施布设，提前做好水土流失防治。

图1 各防治区水土流失面积占比动态变化折线图

（2）随着施工的进行，相比于施工前，施工中期2017年的表土临时堆放场、附属设施区、路基工程、取土场、桥梁工程、互通工程、弃渣场的水土流失面积增幅分别达到 50.75%、39.33%、38.92%、35.2%、30.63%、27.55%、15.73%。施工过程中，各防治区的水土流失均有显著增加，尤其是表土临时堆放场、附属设施区、路基工程较为严重。

（3）各个防治区在2017年采取相应的水土保持治理以后，到2019年取土场、表土临时堆放场、附属设施区、路基工程、弃渣场、桥梁工程、互通工程的水土流失面积相比于2017年减幅分别达43.2%、38.81%、34.32%、30.78%、25.31%、20.08%、15.28%。

（4）从2019年项目完工到2020年底，各个防治区的水土流失面积比项目建设前的水土流失面积还要有所减少，表明水土保持措施所产生的效益非常显著。

3.2 水土流失量及平均土壤侵蚀模数变化分析

（1）据表4和图2可知，各个防治区在采取相应的水土保持措施后，其水土流失情况得到显著改善。在水土保持设施布置一年后，项目区的水土流失量由132 896 t减少到77 386.6 t，减幅达41.77%，各防治区平均土壤侵蚀模数的减幅平均达到38.48%，且水土流失较严重的路基工程、互通工程、取土场、弃渣场等这些防治区的水土流失量和平均土壤侵蚀模数的减幅均在第一年达到40%以上。

图2 各防治区平均土壤侵蚀模数动态变化柱状图

表4 布设水保措施后各防治区水土流失量表

（2）随着植被的恢复和水土保持设施的不断完善，各防治区的水土流失整治效果也在逐步提升，在水土保持设施布置后的第2、第3年，项目区的水土流失量减幅分别达67.43%和71.53%，各防治区平均土壤侵蚀模数的减幅平均分别达到59.88%和69.59%。

（3）相较于施工初期，水土保持设施布设3年后，路基工程、互通工程、桥梁工程、附属设施区、取土场、弃渣场、施工生产生活区、施工便道、表土临时堆放场的平均土壤侵蚀模数降到了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），侵蚀强度均达到轻度侵蚀及以下（500～2 500 t/（km·a）为轻度侵蚀），项目的主体工程以及施工生产生活区的侵蚀强度甚至达到了微度侵蚀（0～500t/（km·a）为微度侵蚀）。

（4）总体来说，项目区的年水土流失量减少到了7 175.35t，总减幅达到94.6%，平均土壤侵蚀模数减少到543.33t/（km·a），其总减幅达92.92%。

（5）据图2可知，在施工建设前中期，路基工程、互通工程、桥梁工程、附属设施区、取土场、弃渣场、施工生产生活区、施工便道、表土临时堆放场的平均土壤侵蚀模数高达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），侵蚀强度均达到强度侵蚀及以上（5 000～8 000t/（km·a）为强度侵蚀），其中路基工程、互通工程、桥梁工程、取土场、弃渣场甚至达到极强度侵蚀（8 000～15 000t/（km·a）为极强度侵蚀），尤以取土场和弃渣场最为严重，这主要是由于弃渣场和取土场的前期的立地条件差、植物生长缓慢且成活率低、地表裸露时间长[14]。据以上数据，可以看到，高速公路建设过程中，应重点把控好施工阶段的水土保持措施，尤其是路基工程、互通工程、桥梁工程、弃渣场、取土场等这几个防治区。该项目在施工期采取一系列水土流失防治工程措施、植物措施、临时防护措施后，数据表明水土保持效果显著，项目区的生态环境有明显改善，总体上发挥了较好的保水保土、改善生态环境的作用。

3.3 综合效益评价

邀请水土保持专家运用1～9标度法对其进行打分，根据专家评分表的统计结果，得到各指标权重如表5所示。

表5 各指标权重汇总表

评价指标对水土保持生态效益贡献大小的排序为：林草植被恢复率＞扰动土地面积＞年平均降雨量＞拦渣率=表土保护率＞临时堆土量=弃土石、渣量＞林草植被覆盖率＞土壤流失控制比＞地形地貌＞项目建设总工期＞土壤质地＞水土流失治理度。

由于广吉高速建设工程量较大，其工程建设征占地总面积为1 513.7hm2，这就造成了较大的扰动面积，故C4指标的标准化赋值较低，同时项目区为山地丘陵地貌，部分地段地势险峻，在施工过程中需进行大量的开挖作业，故会产生大量的临时堆土和弃土、石、渣，这就使得指标C2、C5、C7的标准化赋值偏低。此外，广吉高速工程建设过程中采取了相应的水土保持工程措施和植物措施，水土流失治理效果显著，且在人工干预的情况下改善了当地的立地条件，增强了植物根系固土保水能力进而植被覆盖率及成活率较好，故C10、C11、C12的指数值较大。据表6各指标指数值，结合公式（9）计算得项目的综合指数UI为6.33，水土保持生态效益良好，根据《生产建设项目水土流失防治标准》（GB/T 50434-2018）规定，该项目水土流失防治为该项目一级标准，各项水土流失防治标准都达到设计要求，表明水土保持措施效益显著。

表6 指标指数表

4 结论

针对广吉高速建设项目中水土流失严重的问题，解析了高速公路建设过程的水土流失特征，通过构建生态效益指标体系，采用层次分析法评价了高速公路建设背景下水土保持生态效益。得到主要结论如下：

（1）在广吉高速建设项目中，水土流失主要发生在施工时期，路基工程、取土场、弃渣场等施工区域是水土流失主要来源，需着重加强这些区域的水土流失防治措施。

（2）该项目水土保持措施效益显著，相比于项目建设时期，建设完成后大部分防治区的水土流失量和平均土壤侵蚀模数的降幅达到30%以上，且在运行期各个防治区的平均土壤侵蚀模数均从施工期的强度或极强度侵蚀降低到了轻度或微度侵蚀。甚至在建设完成后，大部分防治区的水土流失面积占比、平均土壤侵蚀模数低于项目建设之前，表明工程建成后的水土保持措施效益得到了显著提升。该项目的水土保持生态效益综合指数是6.33，表明其水土保持生态效益好，能够很好地保护此区域的水土资源和生态环境。

（3）在水土保持生态效益框架下，构建了1个目标层、3个准则层、13个指标层的指标体系。在各个指标中，年平均降雨量C1、扰动土地面积C4和林草植被恢复率C12这三指标所占权重较大，分别达到0.102、0.129和0.222，表明项目建设应尽量避开降雨密集时段，同时做好排水设施的布设，对于扰动裸露土地，用苫布进行覆盖，以减少降雨对土壤的冲刷。在满足施工、设计和经济方面的要求下，应避免不必要的开挖和回填，减少临时设施的占用面积，同时提高各设施占地面积的有效利用率，以此减少建设过程中的扰动土地面积。此外，对于植被恢复滞后，水土保持措施不完善的地方，应加强植被修复工作，完善水土保持措施，并对植被覆盖区域进行动态监测，以此来提高项目区的林草植被恢复率。