（环境工程专业论文）高速公路建设期水土流失监测方法分析研究.pdf

a b s t r a c t w a t e re r o s i o n m o n i t o r i n g i st h ee y eo fw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o n i ti st h e p r e r e q u i s i t ea n db a s eo fp r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n g s o i le r o s i o nt o o a tp r e s e n t ， s o i le r o s i o nm o n i t o r i n gm e t h o d sh a v eb e e nr e s e a r c h e db y m a n yp e o p l e ，b u tt h e i r r a n g ei sm o s t l yc o n f i n e d t oa l a r g ea r e ao f f a r m l a n da n df o r e s tl a n d n er e p o r t s o n a p p l i c a t i o ns t u d y o ft h ec o n s t r u c t i o np r o j e c ta r ef e w o nt h eo t h e rh a n d ，s o i l e r o s i o nc a u s e db yt h el a r g e - s c a l ec o n s t r u c t i o np r o j c c t ( i n c l u d i n ge x p r e s s w a y ) i s b e c o m i n gm o r ea n dm o r cs e r i o u s l y , t h ep r o p o r t i o ni sl a r g e ra n dl a r g e r t h i s p h e n o m e n o nh a sa l r e a d ya r o u s e dw i d ca t t e n t i o mb a s e do nt h eh a n k o u - s h i y a n e x p r e s s w a y c o n s t r u c t i o n p r o j e c t a n dt h ec o n d i t i o n so ft h e e x p r e s s w a y e n g i n e e r i n g , w em o n i t o r sa n da n a l y z e st h es o i le r o s i o nd u r i n gt h ep e r i o do f c o n s t r u c t i o n n ew h o l e s t u d y i sd i v i d e di n t ot w o p a r t s 1 1 l cf i r s t p a r tm a i n l y s t u d i e st h em e t h o 出a n dm e a n so fs o i le r o s i o n m o n i t o r i n gd u r i n gt h ep e r i o do fe x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o n i td i s c u s s e sh o w t o s e l e c tt h es o f te r o s i o nm o n i t o r i n gp o i n t sa n dh o wt oc o 曲l r mt h em o n i t o r i n g m e t h o d s ，t h em o n i t o r i n gp e r i o da n dt h em o n i t o r i n g f r e q u e n c y a f t e rc o n s i d e r i n g 8f a c t o r so fs e l e c t i n gs i t e ，s u c ha st h er e p r e s e n t a t i v e n e s so ft o p o g r a p h ya n d g r o u n d f o r mo f m o n i t o r i n gp o i n t s ，w ef i x6s o i le r o s i o nm o n i t o r i n gp o i n t so nt h e c o n n e c t i n gs e c t i o no ft h ex i a n gs h i - x i n gj i n ge x p r e s s w a ya n dt h ew u d a n g m o u n t a i n - x u j i a p o n g s e c t i o no ft h e h a n k o u s h i y a ne x p r e s s w a y , s e tu p t l l e e x p e r i m e n t a ls p o t s0 1 1t h e ma n dm o n i t o rs o i le r o s i o nb y1 u s e f fs p o t s i nt e r m so f b e i n g f a v o r a b l et os o i la n dw a t e r c o n s e r v a t i o n , w ec o n f m nt h er a i n f a l l , v e g e t a t i o n c o v e rd e g r e e ，t h i c k n e s so fi i t t e ra n dt h ea m o u n to fs o i le r o s i o na sm o n i t o r i n g p r o j e c t s a s 也er a i n ys e a s o ni nd i s t r i c ti sf r o mj u n et os e p t e m b e r , w ec o n f l l m t h a tt h em o n i t o r i n gp e r i o di sf r o ma p r i l2 0 0 3t on o v e m b e r 2 0 0 4 , m o n i t o r i n g f r e q u e n c y j so n c cam o n t hi n2 0 0 3 a n dw e m o n i t o rt h e mi nt h el a s tt e nd a y so f e v e r ym o n t h h lt h es e c o n dp a r t ，a c c o r d i n gt om a t h e m a t i c a ls t a t i s t i cp r i n c i p l e t h ep a p e r m a i n l y d e a l sw i t ha n da n a l y z e s m o n i t o r i n gd a t ab ys p s s ( s t a t i s t i c a lp a c k a g ef o r t h es o c i a l s c i e n c e ) s o f t w a r e ，s e t su p t l l c r e g r e s s i o n e q u a t i o n s ，e x a m i n e s g o o d n e s s o f - f i t 假e x a m i n a t i o n ) ，i n s p e c t ss i g n f i c a n c eo fr e g r e s s i o ne q u a t i o n s ( fe x a m i n a t i o n ) a n da n a l y z e sb e l i e v i n gd e g r e e w ef i n do u t ：t h er e l a t i o nb e t w e e n l i t h ea m o u n to fs o i le r o s i o na n dr a i n f a l ii sl i n e a rp o s i t i v er e l e v a n tr e l a t i o n s ，a n dt h e r e l a t i o n sb e t w e e nt h ea m o u n to fs o i le r o s i o na n dt h ev e g e t a t i o nc q v e rd e g r e ea n d t h i c k n e s so fl i a e ra l et h eo b v i o u sn e g a t i v ee x p o n e n t i a lf u n c t i o n a lr e l a t i o n n e a m o u n to fs o i le r o s i o ni si nc l o s er e l a t i o nw i t ht h er a i n f a l l c o m p a r a t i v e l y , t h e v e g e t a t i o nc o v e q rd e g r e ea n dt h i c k n e s s o fl i t t e rh a sal i t t l ee f f e c to ni t t h e r ei sa f i n es o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o nb e n e f i ti nt h em e a s u r eo fp l a n tp r o t e c t i o no n e x p r e s s w a ys l o p e ，t h ea m o u n to fs o i le r o s i o nc a nb er e d u c e db y9 0 t h e r ei sa d j f e r e n ts o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o nr e s u l ti nd i f f e r e n t v e g e t a t i o nm e a s u r e s f i n a l l y , a c c o r d i n gt om o n i t o r i n ga n da n a l y s i sr e s u l t ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r d s o m e c o r r e s p o n d i n g c o u n t e r m e a s u r s e s k e y w o r d ：t h e p e r i o d o f e x p r e s s w a y c o n s t r u c t i o ns o f te r o s i o n m o n i t o r i n g d a t a a n a l y s i s 。 c o r r e s p o n d i n g c o u n t e r m e a s u r e s h i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 水土流失是一个全球性的环境问题，在所有的生态破坏中，水土流失被 视为“环境破坏第一大杀手”，据美国华盛顿世界观察研究所的调查资料表 明，目前在全世界的农耕地上，每年平均流失肥沃土壤2 6 4 亿吨，由于 水土流失，全球耕地每年正以7 0 0 9 0 0 万平方公里的速度消失。中国作为 世界上水土流失最为严重的国家之一，每年流失的土壤约占世界的1 1 2 ， 每年入海泥沙亦占世界的i 2 脚。据水利部遥感中心调查统计，我国目前 水土流失面积达4 9 2 6 万平方公里，占国土面积的5 1 ，而且每年还新增水 土流失面积2 4 6 0 平方公里。水土流失遍布全国各地，每个省( 市、区) 都 有发生，每年有8 0 1 2 0 亿吨沃土付之东流，相当于卷走至少i 0 0 万亩耕地 上的一尺厚肥沃的耕作层，水土流失问题已成为我国第一大环境问题“”。 值得注意的是，近些年来，随着改革开放和经济的发展，我国的水土流 失状况出现了一些新的变化“1 ：包括高速公路在内的一些国家大型建设项目 纷纷上马，工程建设扰动地面，破坏地表植被，使局部地表裸露，加剧了土 壤的流失，建设项目导致的水土流失愈演愈烈，所占比重也越来越大，这一 现象已引起了有关部门的高度重视。 1 1 本课题的研究背景 1 1 1 我国高速公路建设发展状况 交通运输是国民经济的基础性产业之一，它对促进社会经济发展、加强 国防建设、提高综合国力和人民生活水平都具有重要的支撑作用。公路运输 以其机动、灵活、快捷、直达、方便等特点，成为交通工具的重要手段之一。 自八十年代起，我国逐步加快公路建设的步伐，并规划和逐步建设由高速公 路组成的国道主干线“五纵七横”网格，截止1 9 9 7 年底，全国各级通车公 路里程已达1 2 5 万公里。近几年来新增公路里程3 4 万公里，全国高速公 路通车里程已超过l 万公里，遍及2 8 个省、市、自治区，至2 0 0 0 年末，全 国公路总里程达1 4 0 万公里，其中高速公路突破1 6 万公里，跃居世界第三， 茎竖堡三查兰塑主兰垒笙茎一 到2 0 1 0 年，我国将基本建成“五纵七横”的国道主干线系统，形成连接省 会城市和重要沿海港口城市以及对外开放口岸，横连东西、纵贯南北的现代 化高等级公路网”1 。我国公路建设发展情况见表卜1 和表卜2 。 表1 - 1我国公路建设5 0 年发展状况 、 年度 类别 1 9 4 9 芷1 9 5 9 正1 9 7 8 芷1 9 9 8 芷2 0 0 0 拄2 0 0 1 正 全国公路( 1 0 0 0 0 k m ) 8 0 75 08 9 0 21 2 7 81 4 01 6 9 其中高速公路( 1 0 0 0 0 l m )f| 0 8 71 6l ，9 表i - 2我国公路网总体密度 年份总里程( 1 0 0 0 0 k m ) 密度( k m l o o k m z )通乡率( )通村率( ) 1 9 9 01 0 2 81 0 79 6 07 4 0 2 0 0 01 4 0 3 1 4 69 8 38 9 5 2 0 0 l1 6 9 81 7 79 9 39 1 2 1 1 2 高速公路建设对水土流失的影响 高速公路建设带来了地方经济的发展与繁荣，但在公路建设过程中，给 公路沿线环境直接或间接地带来一些不可避免的负面影响，如在生态环境、 大气环境、声环境、水环境等方面，而其中影响较大的是水土流失问题。特 别是高速及高等级公路的建设，导致公路沿线山体裸露，破坏原有地貌和 植被，阻塞河道，损坏水土保持设施，产生新的水土流失，恶化生态环境， 这种现象在山区表现尤为突出。据水利部统计州，全国每年修路、开矿等新 增水土流失面积达1 0 0 0 0 平方公里，四川省每年因修路造成土壤流失量高达 2 6 7 8 万吨”1 ，公路建设引起的的水土流失数量之大让人触目惊心。 “十五”期间，我国将进一步加大对高速公路建设的投资力度，到2 0 0 5 年底，全国大部分省、市、自治区的地级市之间都将互通高速公路，其水土 流失防治经费也将加大。因此，如何搞好高速公路建设期水土保持工作是一 个重大丽紧迫的问题。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 我国公路建设项目水土保持现状 我国公路水土保持源于公路边坡防护。新中国成立后，公路交通管理部 门建立健全了养路机构，各地对所辖路段的路基、路面采取了一系列防护措 施，如边坡防护林、护路林、排水渠、过水涵洞等，在滑坡、坍塌防治方面 取得了一些成功的经验。但随着改革开放的深入，国家大型公路建设项目纷 纷上马，新的水土流失愈演愈烈。出现了水土流失、土地沙漠化等一系列环 境问题，引起了有关部门的高度重视，1 9 9 1 年颁发了中华人民共和国水 土保持法，1 9 9 3 年又出台了中华人民共和国水土保持法实施办法，之 后各省相继颁布相应的地方法规，从中央到地方健全了水土保持监督机构， 公路水土保持工作进入了崭新的阶段，1 9 9 5 年5 月3 0 日水利部发布了开 发建设项目水土保持方案审批管理规定，同年6 月又发布了编制开发建 设项目水土保持方案资格证书管理办法，进一步规范和推动了建设项目水 土保持工作。 根据水土保持法的要求，在山区、丘陵区、风沙区修建公路，必须 编报水土保持方案。水土保持方案作为环境影响报告书的组成部分，为建设、 设计、施工单位和水行政主管部门的水土保持工作提供管理和决策依据，同 时将公路建设对当地水土流失的影响减小到最低程度，防治水土流失、保护 生态环境，实现可持续发展。随着开发建设项目水土保持方案审批管理规 定和开发建设项目水土保持方案技术规范的执行，“九五”期间，全 国共审批开发建设项目水土保持方案3 4 万个。建设单位投入水土流失防治 资金达7 0 多亿元。”，水土流失在一定程度上得到了减缓。 水土保持方案的审批、监督实施及工程验收工作，是目前我国水行政部 门防治公路建设项目水土流失的主要措施“。因此，编制与公路建设项目相 适应的水土保持方案并加以贯彻实施，对于公路设计者来说，是一项新的任 务，也是水土保持工作者新的研究方向。 1 2 国内外水土监测现状 水土流失监测是水土流失研究的重要内容之一，在国内外都是一项新的 研究课题“”。为了获得能反映客观实际的土壤侵蚀量测定方法。国内外土 壤侵蚀科学工作者进行了长期努力，水土流失监测取得了很大的进展，监测 茎堡里三查兰堡主兰垡堕兰一 方法概括起来有五种：调查法、径流小区法、侵蚀针法、原子示踪法和定量 遥感法。 1 2 1 调查法 调查法常采用某地区或地域的航片进行调查，对于航片中的小河和山谷 则进行现场调查，以计算土壤侵蚀量。该方法往往需要对地区或流域的侵蚀 特点有初步了解，可提供超过5 年的土壤侵蚀。缺点在于它并未考虑溅蚀、 片蚀和风蚀的影响，难以对土壤沉积做出估算，更为重要的是它难以进行较 长时期的土壤侵蚀量的估算。 1 2 2 径流小区法 径流小区法，是指在选定的监测点上布设试验小区，并在试验小区底部 设置沉淀池或收集槽，以确定该试验小区的土壤流失量。径流小区法是定量 研究土壤侵蚀的常规方法，在世界各地广为采用。它可以适应不同坡长、坡 度、土壤类型、土壤物理性状、作物耕作方式和植物类型的研究条件，并能 提供上述诸条件对土壤侵蚀影响十分有用的资料。该法的特点是获取资料准 确、及时，但该法代表的面积较小，往往不能反映大范围空间的实际情况， 特别是对地形变化较大的坡面部位侵蚀强度垂直分布的测定无能为力，另 外，该法如在大范围内布设小区则费用较高，且实地观测费时费力、劳动强 度大。尽管如此，这种方法仍是目前采用最广泛的方法之一，据l o u g h r a n 0 6 1 和r g a n “”的报道，英国从八十年代就开展了这方面的监测研究，并积累 了大量资料。 1 2 3 侵蚀针法 侵蚀针法是在监测小区内均匀布置监测点( 一般按一定密度的空间网格 均匀布置) ，确定合理的样本数，并用树立在坡面上的侵蚀针( 钢钎) 来记 录侵蚀的高度，在一定的时间间隔的起止时间分别精确测量各个观测点的高 程值，确定在此时间段内各个观测点高程的降低值，利用统计学的方法求得 区域的平均土壤侵蚀厚度，再计算其土壤流失量“。与其它方法相比，侵蚀 茎望里三查兰婴主兰垡堡苎一 针法具有灵活、省钱、省力的优点“，适用于项目区内分散的土状堆积物及 不便于设置小区收集池的地方口0 1 。 1 2 4 原子示踪法 利用原子示踪法研究水土流失是国内外近二十多年来该领域的重要发 展方向，由于其定量化程度高及可研究的地域面积大等优点而受到重视，并 得到较快的发展，该法克服了侵蚀小区观测法和普查法的不足之处，运用该 法可以对土壤侵蚀的空间变化、土壤不同层次的形成年代、土壤迁移的空间 分布进行研究，并可估算长期( 大约4 0 a ) 的土壤侵蚀量。其中，以”7 c s 为示 踪剂的研究和应用最为广泛和深入( a n d e r s o n ，1 9 8 7 ”：l o w r a n c e ， 1 9 8 6 ；6 l i a r t z ，1 9 9 1 嘲；m e n z e l ，1 9 8 7 ；田均良等，1 9 9 2 出3 ：张信 宝等，1 9 8 8 脚1 ；李雅琦等，1 9 9 7 乜7 1 ，1 9 9 8 z 8 1 ：杨武德等，1 9 9 8 。1 ) 。7 0 年 代m c h e n r r y 等人( 1 9 7 3 ，1 9 7 7 ) 咖“州利用在全球广为沉降的核爆炸产物”7 c s 作为示踪原子，研究其在土壤和沉积物中的分布，从而估算农林系统土壤侵 蚀和沉积，这种方法较适用于进行大时间尺度( 1 0 年以上) 侵蚀量的估算， 对短期的侵蚀量估算则不适宜。对侵蚀严重地段，由于从7 0 年代开始核爆 试验多转为地下，原沉降的”c s 核素多侵蚀殆尽，也不适宜。8 0 年代初美 国学者i ( n a u s ( 1 9 8 9 ) o ”利用稳定性核素示踪法研究沼泽地土壤侵蚀和沉 积速率，9 0 年代澳大利亚开展了同时用礓e ，” c s ，”o p b ，。r a ，8 等 多种土壤核素示踪研究小流域的泥沙来源( a n d e r s o n1 9 8 7 ) “。我国从8 0 年代起利用核素示踪法进行土壤侵蚀的研究，如张信宝等( 1 9 8 8 ) 利用”7 c s 研究农耕地的土壤侵蚀，核素示踪技术的利用和开发，促进了土壤侵蚀量 化研究进入新的阶段。我国西北水保所田均良等( 1 9 9 2 ) 对k n a u s 的研究 方法作了改进，通过室内模拟实验，取得了初步结果。杨武德等人( 1 9 9 8 ) 删 研究和建立了e u 土芯定位法测定红壤丘陵坡地土壤侵蚀，并取得了较好的 结果。但是，要建立简便易行且适于开发建设项目的水土流失监测方法，还 需要更进一步的研究探讨。 1 2 5 定量遥感法 遥感技术是当今迅速发展的高新技术之一，是空问对地观测系统的重要 武汉理工大学硕士学位论文 组成部分。遥感信息具有周期性、实时性和综合性的特点，随着计算机技术、 空间技术和信息技术的发展，遥感技术将更可能多地集传感器、多光谱、多 分辨率和多时相于一体，并与全球定位系统( g p s ) 和地理信息系统( g i s ) 以及 快速图像处理系统等高新技术结合起来，构成图像数据采集与处理智能空间 对地观测系统。利用遥感数据光谱特征，对地表植被覆盖度、地形地貌、土 壤、地球化学异常等信息进行提取、分析与处理，该方法具有信息量大、覆 盖面广、数据更新快等特征。 遥感技术的应用使水土流失监测提高到新的深度和高度，为进一步分析 区域土壤侵蚀状况、历史变化、发展趋势及存在问题等，提供了重要的科学 依据和新的手段“1 。目前国内在这一研究领域内开展了大量的工作”， 在软件研制、定量遥感方法研究等方面取得了突出的进展。预示着这一技术 的远大应用前景。水土流失定量遥感( r e m o t es e n s i n g ) 的概念有多种解释。 就水土流失调查而言，有的把卫片判读勾绘在地图上的各类图斑判对和量准 认为是定量遥感( 夏夫川，1 9 8 5 ) ；有的认为，遥感必须与地理信息系统 ( g i s ) 相结合，首先监测出每个像元的土壤年流失量，而后按部颁技术规范 将像元的流失量转换为流失等级，并获得流失现状图和各级面积数，才算定 量遥感( h 兆宏，1 9 9 5 ) “”。现代遥感技术的应用使土壤侵蚀的监测成为可能， 但它最终还要依靠一定的监测模型，而准确的监测模型需要大量实测资料为 基础。美国等国家已将遥感、g i s 技术广泛应用于水土流失动态监测与预报， 并开发出基于物理过程的土壤侵蚀预报模型。中国在水土流失地面观测、遥 感监测方面已取得许多成果，但缺少系列化观测与统计数据，已有的坡面土 壤侵蚀模型等在通用性、适用性方面也存在不少问题。当前急需解决的问题 是建立水土流失监测与评价指标体系，开发评价模型系统，建立国家水土保 持信息系统洲。 遥感技术作为国土资源调查和监测的重要手段，具有周期性、宏观性、 实时性和综合性的特点，已经成为对黄土高原等大面区域水土流失状况适 时、大尺度监测评价的有效手段，具有技术成熟、成本较低，信息量大、 数据更新快、可靠程度较高、速度快等优点，但是，遥感技术也有很大的局 限性：包括精度有限、周期稍长、范围较小、受遥感数据精度的影响较大、 一次性投入大、要求有专门的技术人员等。 综上所述，以上各水土流失监测方法一般只对大面积区域和流域的农 茎竖里三查兰堡主兰堡笙壅 一一 地、林地进行m “；近年来，我国各级水利水保部门按中华人民共和国 水土保持法的规定，大力推进水土流失监测工作，取得了显著成绩“： 水利部水土保持监测中心、各流域机构监测中心站等各级水土流失监测 机构陆续成立； 开展了全国和重点地区水土流失动态监测工作，如水利部组织开展了全 国第二次土壤侵蚀遥感调查，成果已经向社会公告，取得了良好的社会 效益； 全国水土流失监测网络与信息系统建设工程前期准备工作就绪，包括水 土流失试验观测设施、数据采集与处理设备、数据管理传输设备等内容。 但是，我国水土流失监测工作也存在一些问题：主要是监测的广度和深 度不够，对包括高速公路建设工程在内的开发建设项目的应用研究报道较 少；另外，由于我国公路水土保持工作起步较晚，在目前高速公路建设期环 境监测中，只开展了水质、大气、噪声等常规监测，还没有开展水土流失这 方面的工作，在目前的大多数公路建设项目水土保持方案中，水土流失监测 这一部分内容，要么照搬开发建设项目水土保持技术规范的有关条文， 内容过于简单、可操作性较差等问题，无针对性和实用性，要么干脆没有编 写这章，致使公路建设项目水土流失监测在实际工作中很难实施“”“。 1 3 本课题的研究目的和意义 高速公路建设期水土流失监测是公路建设项目水土保持工作的“眼睛”， 是编制水保方案的基础，也是科学开展水土保持工作和水土流失防治的前提 和基础。高速公路建设期水土流失监测是新世纪公路水土保持领域发展的突 破口，它对高速公路建设期水土流失实施监测，并将收集的信息经科学地存 储、整理、分析、传递，并及时、准确地予以公布，为公路建设项目“三同 时”制度奠定基础，协调环境与经济发展的关系，也是公路水土保持方案中 很重要的一部分内容m 。 汉口十堰高速公路建设项目为本课题的依托项目，建设项目总长 4 1 4 4 1 公里。其中孝感至襄樊段路线全长为2 7 9 4 7 公里，工程占用土地 2 1 8 9 6 亩，年土壤流失量为1 6 0 6 0 0 t 州：襄樊至十堰段路线全长为1 3 4 9 4 公里，工程占用土地1 3 2 2 2 亩，年土壤流失量为6 9 8 8 9 t o ”。该工程建设周 茎堡翌三查兰堡主堂垡堡苎 一 期长( 4 年) ，同时该工程地处汉江中游、桐柏山区和鄂西北构造剥蚀重丘 区等湖北省水土流失重点治理区，因此，有必要对该工程建设过程中的水土 流失进行监测，以验证水土保持方案的可靠性，并根据监测结果对水土保持 方案作进一步的完善。 本论文严格按照水土保持方案和水土流失监测技术规程的要求，结合汉 十高速公路施工期水土流失的特点，把一般水土流失监测技术应用到高速公 路开发建设项目建设过程中，研究了适用于高速公路建设期水土监测的方 法，即解决了公路建设期水土流失监测方法和技术手段等问题；另一方面， 对植护坡物措施的水土流失影响因子( 植被覆盖度和枯落物厚度等) 进行了 监测，并对监测数据进行相关、回归分析，确定了它们之问的定性、定量的 关系，进而来分析各因子对土壤流失的影响；最后，根据所监测的数据，分 析和比较了不同植被措施的水保效果，并提出了相应对策。应用水土流失监 测有助于综合评价公路建设项目对当地水土保持的影响，及时发现问题，及 时采取相应的防治措施，并为以后的公路建设项目的水土保持工作提供指导 和借鉴。 1 4 本课题的研究内容和方法 1 4 1 研究内容 研究内容主要包括以下几点： 1 研究适用于高速公路施工期水土流失监测的监测方法； 2 高速公路建设期水土流失监测点的选址原则； 3 对高速公路水土流失区域的水土流失进行试验设计，其中包括试验 4 5 6 小区的选择和布点，测量仪器的安置和观测等； 确定水土流失监测项目及其确定原则、理由： 监测时段和频率的确定及其依据； 根据数理统计的原理，应用s p s s 程序软件对监测数据进行分析和处 理，分析了降雨量、植被覆盖度、枯落物厚度等因子对土壤流失量 的影响： 最后，对本工程所采取的植物护坡措旌的水土保持效果进行综合评 价和比较，并给出了相应的对策。 8 塞堡里三茎堂堡主兰些垄苎一一 1 4 2 研究方法 1 4 2 1 监测方法 针对高速公路建设期水土流失呈线形分布、纵向长度大而横向长度小、 交通方便、易于监测操作等特点，本课题采用的水土流失监测方法为径流小 区法( 沉淀池法) ，这种方法具有技术成熟、成本较低、不需特殊设备和手 段、监测范围可大可小、易于操作等特点，比较适台于公路边坡面蚀的监测 研究。 1 4 2 2 数据分析方法 为分析降雨量、植被覆盖度和枯落物厚度等因子对土壤流失量的影响， 我们采用变量相关分析的方法来研究各因素变量之间的关系。通过回归分 析，建立回归方程，并计算其相关系数、方程拟会优度检验、回归方程的显 著性检验回归系数的显著性检验和置信度分析，来确定各因素变量间的定性 定量关系，并分析其机理和原因，进而来分析各因素对水土流失的影响，具 体通过借助数理统计软件s p s s 来实现。 1 4 3 技术路线 本课题研究主要分七个步骤进行：第一步是收集项目区自然环境资料， 并进行实地调查，为后面的水土流失监测工作作准备；第二步是根据公路建 设水土流失的特点，确定水土流失监测方法；第三步是根据工程建设具体情 况，确定水土流失监测点，并在监测点上布设好试验小区，在试验小区附近 安装好雨量计；第四步是确定监测项目、监测频率、监测时段，并进行监测： 第五步应用s p s s 软件，处理监测数据，分析各因子对土壤流失量的影响； 第六步是分析和比较本工程所采取的植被措旖的水土保持效果；最后，对本 工程所采取的不同植物护坡措施的水土保持效果进行分析和比较，并给出了 相应的对策。 茎堡墨三查堂堡主兰垒望奎一 所采取的技术路线图如下图卜1 a 实地调查，收集资料 1 l 确定水土流失监测方法 上 确定监测点位置，布设试验小区，安装雨量计 上 确定监测项目，确定监测时段，进行监测 1 l l 处理监测数据，分析各因子对土壤流失量的影响 土 分析和比较不同植被的水保效果 土 提出相应对策 图卜1技术路线流程简图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汉口十堰高速公路建设期水土流失监测 水土流失是水土保持学科和山区国土整治中常用的概念，是指土壤及其 母质在外营力作用下，遭受破坏、搬运和堆积的整个过程。侵蚀营力有水力、 风力、热力、生物等。其中水力和风力是主要的营力，美、英、前苏联等多 数国家基本上采用“土壤侵蚀”( s o i le r o s i o n ) 一词，而我国多采用“水土 流失”，其含义基本一致旧“0 2 1 工程概况 汉口十堰高速公路是国家和湖北省“十五”期间的重大建设项目，是 国家规划建设的武汉至西安高速公路的重要组成部分。它与已建成的宜昌至 黄梅高速公路、京珠高速公路湖北段和拟建的襄樊至荆州高速公路，共同构 成以武汉为中心、连接湖北省“大三角”经济区的高速公路主骨架。 建设项目总长4 1 4 4 1 公里，工程建设工期为四年( 1 9 9 9 年2 0 0 3 年) ， 工程总投资1 3 5 1 5 3 7 亿元。其中孝感至襄樊段长为2 7 9 4 7 公里，投资额为 7 5 2 0 3 9 亿元，襄樊至十堰段长为1 3 4 9 4 公里，投资额为5 9 9 4 9 8 亿元。 其中孝感至襄樊段起点为孝感市孝南区，终点为襄樊市襄阳县，沿线经 过孝南区、云梦县、安陆市、随州市、枣阳市、襄阳县。计算行车速度为 1 2 0 k m h ，采用双向四车道高速公路标准，路基宽2 b m ，设计荷载采用汽一 超2 0 ，挂一1 2 0 ：沥青混凝土路面，全封闭、全立交、控制出入；中央分隔 带宽为1 5 2 o r e ；最大坡度为3 9 6 ；平曲线最小半径为6 5 0 m ；全线土石方 3 4 5 8 7 8 万3 ，排水防护工程1 5 8 3 9 4 万m 3 ：路面工程5 3 9 5 9 8 万1 1 1 2 ；特大 桥2 8 2 o i i l 2 座；大桥6 2 3 0 m 2 8 座；中桥3 1 7 1 m 5 2 座；小桥9 6 3 m 4 4 座；涵 洞5 0 8 道，互通式立交1 3 处，通道4 8 2 处，天桥9 0 座，分离式立交4 5 处， 占用土地2 1 8 9 6 亩。 襄樊至十堰段起点为湖北省襄樊市，终点为十堰市，沿线途经襄阳、老 河口、谷城、丹江口等县市，其中襄樊谷城为平丘区，谷城十堰为重丘 区。计算行车速度，平丘区为1 0 0k m h ，重丘区为8 0k m h ，路基宽度分别 为2 6 m 和2 4 5 m ；设计荷载采用汽超2 0 ，挂一1 2 0 ；沥青混凝土路面，亦 茎堡登三盔兰堡主兰垡堡壅一 采用双向四车道、全封闭、全立交、高速公路标准；中央分隔带宽为1 5 2 0 m ；最大坡度为5 ：平曲线最小半径为4 0 0 m ；路基土石方2 3 6 2 8 9 万m 3 ， 排水防护工程1 0 9 1 0 万m 3 ；路面工程2 6 6 6 8 万m 2 ；特大桥4 4 7 6 m 6 座；大 桥6 9 4 0 m 1 1 座；中小桥1 4 4 4 m 3 1 座；涵洞7 3 道，互通式立交5 处，天桥 通道2 4 8 处，分离式立交1 8 处，征用土地1 3 2 2 2 亩。 2 2 沿线自然环境特征 2 2 1 地形、地貌 孝感至襄樊段位于汉江以北，穿越湖北省中北部和西北部，自然区划为 长江中游平原中湿区和江淮丘陵、山地润湿区。本段工程东邻大别山脉，西 靠武当山脉，北为桐柏山脉，南为大洪山及其余脉，总体地势为东南低、西 北高，本段工程走廊带内地形主要有岗地、河谷平原、丘陵、低山等。 襄樊至十堰段路线走廊呈东西走向，路线所经地区大致以汉江为界分为 两种地形：汉江以东属剥蚀堆积岗地低丘区，为江汉一、二级阶地，波状起 伏，边坡极缓，地表植被除农作物外，多为裸露地貌；汉江以西为剥蚀中低 山重丘区，地面起伏大，冲沟发育，地形破碎，坡陡，地表植被多为低矮灌 木丛。 2 2 2 地质 孝感至襄樊段工程区横跨昆仑秦岭区和扬子区两个一级地层区，昆 仑秦岭区内主要出露有元古代到下古生代和自垩系上统至第四系的地层， 元古代至下古生代的地层由混合岩、片麻岩、片岩、千枚岩、板岩及变质基 性酸性火山岩组成，尚有少量大理岩、自云岩、灰岩、泥岩、页岩、砂 岩、硅质岩、和变质砂岩、石英岩等，而白垩系上统至第四系的地层由红层 及松散沉积物组成。另外，本公路工程区岩浆岩广泛分布，包括有侵入岩和 喷出岩，岩性有超基性岩、基性岩、酸性岩、碱性岩。 襄樊至十堰段位于鄂西北山岭重丘区。山岭区内冲沟、山梁交错，河沟 纵横，路段起伏较大，山梁挖方路段形成多处高边坡。该路段山区高速公路 有许多路段穿越构造剥蚀重丘区，且多数属变质岩山区。区内岩性多变，表 武汉理工大学硕士学位论文 现为硬质的变粒岩与软质的石英片岩等交互分布。且岩体受多重构造作用破 坏，片理、节理发育，致使沿线岩体风化、破碎强烈。该路段区域内地势起 伏频繁，相对高差较大。地表一般含部分母岩风化角砾，下为强风化岩。主 要地质不良现象呈现为滑坡、软岩岩组、倾倒变形体、断层破碎带、局部岩 体深度风化等。 2 2 3 气象 孝感至襄樊段地处北亚热带，属大陆性气候，夏季湿热，冬季干冷。年 平均气温为1 5 1 6 ，1 、2 月为最冷季节，月平均气温为2 ，最低极端 气温为- 1 6 3 ；7 、8 月为最热季节，月平均气温为2 8 ，最高气温达4 2 5 ，6 、7 、8 月为雨季，占全年降雨量的4 0 左右，年均降雨量8 4 5 1 2 0 0 m m ， 降雨量地区差异甚大，呈现东部和南部雨量大，西部和北部雨量小的特点； 区内洪涝及干旱等灾害均较严重，每年6 月至8 月间多雨时期，路线经过区 的主要河流及湖泊水势猛涨，其中以襄阳唐自河流域受灾最为严重。年均无 霜期2 2 0 d 2 5 0 d ，年平均日照时数为1 8 4 0 2 1 0 0 h ，日照率为4 5 。6 、7 月份为偏南风，其余月份多为北风或东北风，平均风速2 7 2 8 m s ，最大 风速2 9 6m s ，风力可达十级。 襄樊至十堰段地处北亚热带季风气候区，具有南北过渡气候特征。自丹 江口库区沿岸至武当山天柱峰顶，气候的垂直层带明显，具有多种多样的局 地小气候。沿土关垭、浪河、丁家营、武当山镇、白浪、鸳鸯乡一带，年平 均气温在1 5 6 1 6 c ，年极端气温最高为4 1 5 c ，最低为一1 2 4 c ，年日照 时数在1 9 5 0 2 0 0 0 小时以上，日照百分率为4 4 4 5 。本区域湿润多雨， 年降水量在8 5 0 9 0 0 m m ，降水分布有三大特征： 迎风坡雨量大于背风坡； 降水量与海拨高度成正比： 雨热同季。 四月至十月雨量占全年8 5 。2 ，夏季雨量占全年降水量4 0 5 0 ，降水 日数1 1 0 1 2 0 天。本地区风速平均2 6 2 9m s ，最大风力可达十级，风 向六、七月多为偏南风。 2 2 4 河流及水系 孝感至襄樊高速公路区内水系属长江水系及长江水系下的汉江水系a 枣 阳市王城以西，河流隶属汉江水系下的唐自河及其支流滚河及其支流一 一英河、华阳河、沙河，被交叉河流流向西南；枣阳市王城以东，河流隶属 长江水系下的府河及其支流环水河、滚子河、沅水、均水，被交叉河流 流向东北或东南。路线跨越的主要河流自东向西有：环水河、府河、滚河、 沙河、唐自河等，它们的支流如叶脉状遍布于平原、山谷。区内湖泊水库众 多，线路跨越或经历的较大水库有徐家河水库和清水河水库。 襄樊至十堰段项目影响区地表水发达，汉江自西向东流经该区域，著名 的国家南水北调工程重点水源保护区丹江水库也位于本项目区域。丹江口水 库由汉库和丹库并联组成，为南水北调中线方案水源地，水质良好，水源可 靠，为湖泊型水库；汉江是长江中游最大的支流，发源于秦岭南麓，干流流 经陕西、湖北两省，于武汉市汇入长江，汉江流域地处东亚热带季风区，降 雨主要来源于东南和西南两股暖湿气流，以气旋雨为主，流域内多年平均降 雨量为8 5 0 1 0 6 2 m m ，雨量年内分配不均，汛期降水约占全年降水的7 5 8 0 。汉江属雨洪河流，汛期与雨季基本一致，洪水大部分集中在7 1 0 月。 另外还有数座中型水库分布其中，有中小河流3 0 余条，受季节和气候影响 河水水位暴涨暴落。 2 2 5 壤 孝感至襄樊段沿线主要土壤类型有水箍土、潮土及黄棕壤土。水稻土是 该地区的数量最多，分布最广泛的土壤类型，从平原湖区至低山丘陵区均有 分布，它是该地区主要的耕地土壤，且质量较高，一、二级水稻占水稻土总 面积6 0 5 以上。潮土主要分布在湖积平原区。黄棕壤士主要为旱地土壤，广 泛分布于沿线岗、坡上，安陆市烟店以西区域分布较多。除了以上三种土壤， 其它分布较多的土壤有紫色土和石灰( 岩) 土。 襄樊至十堰段土壤有泥质岩黄棕壤土、紫色土、红砂岩黄壤、黄褐土、 黄棕壤性黄褐士泥田、棕色石灰土等。土层厚薄不一，有的土壤层中含有砾 石和碎石块较多。土层深厚、质地粘重、紧实、耕层浅、结构差，严重影响 1 4 武投理工大学硕士学位论文 阻碍了土体内部水、气、肥、热的协调。 2 2 6 植被 孝襄高速公路在烟店以南的沿线地区基本无集中林地，土地多为灌溉水 稻田和早地。该地区植被多为农作物，主要有水稻、小麦、棉花、油菜等； 烟店以北为丘陵低山区，森林覆盖率较高，多为人工植被，树种主要有松类 ( 马尾松为主) 、栎类。此外，人工栽培的银杏经济林占一定的比例。公路 后段经过的枣阳、襄阳中的主要植被为水稻、小麦、棉花、油菜等农作物。 沿河流、道路旁多种有护堤林、护路林，植被覆盖率低于2 0 。 襄樊至十堰段公路溜线植被种类较丰富，植被覆盖率达到6 0 以上。常 见的用材林有马尾松、栎类、柏树、白杨、枫树等，经济林木有银杏、油桐、 乌柏等，杂树种有化香、枫香、樟树、泡桐、臭椿、合欢等。天然植被有胡 枝子、茅竹、金银花、龙须草、茅草等；人工植被有杉木、油茶、龙须草、 椿树等。植被覆盏率较高，且公路沿线没有需特别保护的植物分布。 2 3 主体工程的施工进度及其水保措施 本公路项目于1 9 9 9 年被交通部批准建设，并于1 9 9 9 年年底正式破土 动工，至2 0 0 1 年8 月，一期工程路基土石方工程已经完工，同时开始 二期路面工程的施工建设。本工程严格按照国家水土保持的规定和“三 同时”的要求，水土流失防治措旌与主体工程同时设计、同时施工、同时验 收，对公路施工期水土流失主要敏感单元，分别已采取了以下几种水土保持 措旅： o 路堑边坡 对于较低路堑边坡，采用缓坡或高护面墙措施；对于挖方高度大于2 0 m