（环境工程专业论文）铜黄高速公路生态护坡调查及模糊综合评价.pdf

摘要 本研究以铜黄高速公路生态边坡为研究对象，在六种生态防护类型中，选取1 4 个 实验样地，分别对路域生态护坡的植被生长状况、土壤理化性质、路域热环境特性和 景观环境进行调查研究，并运用模糊综合评价法对路域生态护坡工程的生态效果进行 评价。主要研究结论如下： ( 1 ) 通过对铜黄高速公路边坡植被调研可知，该公路生态护坡中有9 种菊科植物， 5 种豆科植物，3 种禾本科植物，和1 2 种其他科植物；草本类植物有2 2 种，占总植 物种的7 6 ，是边坡植被的主体；灌木5 种，藤本2 种，分别占总植物种数的1 7 和 7 。植草护坡和普通喷播样地坡面的植被覆盖度较高，达到8 5 以上，穴挖植草护坡 样地的植被覆盖度较低，不到5 。六种不同类型生态边坡的总生物量比较结果如下： 自然对照样地 植草护坡 喷播植草护坡 拱形骨架护坡 土工格室护坡 穴挖植草护坡 水平沟植草护坡。 ( 2 ) 通过对铜黄高速公路路域生态护坡样地土壤理化性质分析得知，植被护坡和 土工格室边坡土壤有机质含量较高，拱形骨架、穴挖植草和水平沟植草护坡边坡土壤 有机质含量较低；不同类型边坡土壤p h 值差异较小，p h 在7 0 8 6 之间，土壤均为 碱性；土工格室和拱形骨架边坡土壤的抗侵蚀性较强，普通喷播和植草护坡样地土壤 的抗侵蚀性次之，穴挖植草和水平沟植草样地边坡土壤抗侵蚀性最差。 ( 3 ) 通过对铜黄高速公路生态护坡样地路域热环境调查分析得知，公路路面温 度 植被表面温度 土壤表面温度，公路路面温度比土壤及植被表面温度高i o 。c 左 右：对样地下垫面温度进行方差一致性检验可知，其显著值p 为o 2 2 ，即铜黄高速公 路生态护坡样地下垫面温度有显著性的差异。 ( 4 ) 通过对铜黄高速公路生态护坡类型的景观效果进行问卷调查得知，普通喷播、 土工格室及植草护坡类型边坡的绿化效果好，植被覆盖度高，草、灌、藤结合，可迅 速形成良好景观效果；水平沟、穴挖植草及拱形骨架坡面的黄土裸露，植被生长状况 较差，坡面植被覆盖度低，斑秃现象明显，景观效果较差。 ( 5 ) 应用多层次模糊综合评价类型对铜黄高速公路生态护坡类型评价得知，植草 护坡和土工格室类型边坡的生态效果为优；普通喷播和拱形骨架类型边坡的生态效果 为良：穴挖植草和水平沟植草类型边坡的生态效果为差。 关键词：高速公路、边坡、生态防护类型、生态效果、模糊综合评价 t a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k e st h es u b g r a d es l o p eo f t o n gh u a n g h i g h w a y f r o mt h ei n v e s t i g a t i o n a n da n a l y s i so ft h ev e g e t a t i o ng r o w t hs t a t u s ，s o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ， r o a d s i d ef i e l de n v i r o n m e n tf e a t u r e sa n dl a n d s c a p eo f14t e s tp l a c e sc h o s e nf r o m6 d i f f e r e n t t y p e so fe c o l o g i c a lp r o t e c t i o n , t h ep a p e re v a l u a t e s t h ee c o l o g ye f f e c to fe c o l o g i c a l p r o t e c t i o ns l o p ep r o j e c tv i af u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n t h em a i nc o n c l u s i o n s a r e ： ( 1 ) t h er e s e a r c ho ft h es l o p ev e g e t a t i o no f “t o n gh u a n g h i g h w a y s h o w st h a tt h e e c o l o g i c a lp r o t e c t i o ns l o p eh a s9k i n d so fc o m p o s i t a ep l a n t s ，5k i n d so fl e g u m i n o u sp l a n t ，3 - k i n d so fg r a m i n e a ep l a n t s ，12o t h e rb r a n c h e s t h e r ea r e2 2t y p e so fh e r b a c e o u sp l a n t s ， a c c o u n t i n gf o r 7 6 o ft h ew h o l ep r o j e c tp l a n t s ，w h i c hi st h em a i nb o d yo ft h es l o p e v e g e t a t i o n t h e r ea r e5k i n d so f b u s h e sa n d 2k i n d so fl i a n a s ，w h i c ha c c o u n tf o r17 a n d7 r e s p e c t i v e l yo ft h ep l a n t s t h ev e g e t a t i o n c o v e rr a t eo fg r a s sp l a n t i n gs l o p ea n dg e n e r a l s e e d i n gs a m p l el a n di sh i g h e r , w h i c hi so v e r8 5 ，w h i l et h er a t eo f h o l es e e d i n gp l a n t s s l o p ei s l e s st h a n5 t h ec o m p a r i s o nr e s u l to ft h et o t a lb i o m a s so f6d i f f e r e n te c o l o g i c a ls l o p e si s ： n a t u r es l o p e g r a s sp l a n t i n gs l o p e s p r a y i n gs e e d i n gp l a n t i n gs l o p e c o n c r e t es k e l e t o ns l o p e g e o g r i ds l o p e h o l es e e d i n gp l a n t ss l o p e s p r a y i n gs e e d i n gp l a n t ss l o p e ( 2 ) t h ep h y s i c sa n dc h e m i s t r yn a t u r ea n a l y s i so fe c o l o g i c a lp r o t e c t i o ns l o p es a m p l e s o n t o n gh u a n g h i g h w a yg i v e ss o m ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o nt h a tv e g e t a t i o np r o t e c t i o ns l o p e a n dc o n c r e t es k e l e t o ns l o p eh a v eah i g hc o n t e n to fo r g a n i cm a t t e r s c o n t r a r i l y , a r c hs k e l e t o n s t r u c t u r es l o p e ，h o l es e e d i n gp l a n t sa n dl e v e lt r e n c hh a v ea l o wc o n t e n to fo r g a n i cm a t t e r s ； d i f f e r e n tt y p e so fo p e n c a s ts l o p e sh a v er e l a t i v e l ym i n o rd i f f e r e n c e s ，a n dt h e i rp ha l w a y si n t h er a n g eo fb e t w e e n7 6 8 6a n dh a v ea l k a l i n es o i l ；t h es o i lo fg e o c e l la n dc o n c r e t es k e l e t o n s l o p e sh a v et h eb e t t e rc o r r o s i o nr e s i s t a n c et h a no fo r d i n a r ys p r a ys e e d i n ga n dp l a n t i n gg r a s s p r o t e c t i o ns l o p e s ，t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h e s o i lh o l es e e d i n gp l a n t sa n dl e v e lt r e n c h o p e n c a s ts l o p e si st h ew o r s t ( 3 ) f r o mt h ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so ft h er o a d s i d ef i e l dh e a te n v i r o n m e n to ft h e e c o l o g i c a l p r o t e c t i o ns l o p es a m p l eo nt o n gh u a n gh i g h w a y , t h et e m p e r a t u r eo fh i g h w a y p a v e m e n ti sg r e a t e rt h a no fv e g e t a t i o ns u r f a c ea n do fo i ls u r f a c e ，t h e r ei s a na p p r o x i m a t e 10 。cg a pb e t w e e nh i g h w a yp a v e m e n tt e m p e r a t u r ea n dv e g e t a t i o ns u r f a c eo rs o i ls u r f a c e t e m p e r a t u r e n o e v i d e n td i f f e r e n c ee x i s t s i n t h et e m p e r a t u r eo fe d g es l o p es a m p l e u n d e r g r o u n du n d e r l i n gs u r f a c ec o m p a r e d t oh i g h w a yp a v e m e n t ( 4 ) a f t e ra d o p t i n gq u e s t i o n n a i r ei n v e s t i g a t i o no fr o a d s i d ef i e l dl a n d s c a p eb a s e do n i i i “t 0 n gn u a n f h i g h w a y ，i ti sc l e a rt h a to r d i n a r ys p r a ys e e d i n g 、c o n c r e t es k e l e t o na n d l a n d s c a p i n go fp l a n t i n gg r a s sf o rs l o p ep r o t e c t i o nh a v er e c e i v e da d m i r a b l ee f f e c t sw 1 1 i l s t l l i g hc o v e r a g er a t eo fv e g e t m i o na n di n t e g r a t i o no fg r a s s 、s h r u ba n db i n ec a l lr a p i d l yf o r m s f a v o r a b l el a n d s c a p i n g h o w e v e r s o m eu n s a t i s f a c t o r ya s p e c t sc a n n o tb ei g n o r e d ，s u c ha st h e e x p o s u r eo fl o e s sa tl e v e lt r e n c h ，h o l es e e d i n gp l a n t sa n da r c hs k e l e t o ns t r u c t u r es l o p e ， r e l a t i v e l yp o o rg r o w t hs i t u a t i o no fv e g e t a t i o l l ，l o wc o v e r a g er a t eo fs l o p ev e g e t a t i o n ， o b v i o u sp h e n o m e n o no fa l o p e c i aa r e a t aa n db a dl a n d s c a p i n g ( 5 ) t h ec o n c l u s i o n so ft h ee v a l u a t i o nf o r “t o n gh u a n g ”h i g h w a ye c o l o g i c a l p r o t e c t i o ns l o p e sb ya p p l y i n gm u l t i - t i e r e d ，f u z z ya n dc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d ea r ea s f o l l o w s ：p l a n t i n gg r a s sf o rs l o p ep r o t e c t i o na n de c o l o g i c a le f f e c to fc o n c r e t es k e l e t o ns l o p e h a v et h eg r e a t e s ti m p a c t s ，a n df o l l o w e db ye c o l o g i c a le f f e c to fo r d i n a r ys p r a ys e e d i n ga n d a r c hs k e l e t o ns t r u c t u r es l o p e ，t h ee c o l o g i c a lo fh o l es e e d i n gp l a n t sa n dl e v e lt r e n c hi st h e w o r s t k e yw o r d s ：h i g h w a y ；s l o p e ；v e g e t a t i o nt y p e ；e c o l o g ye f f e c t ；f u z z y c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 高速公路是经济发展的必然产物，它缩短了人们之间的时空距离。德国于1 9 1 9 年就修建了世界上最早设有上、下行车道、中间设分隔带的公路，是较早的高速公路 雏形，意大利、西班牙、英国、美国等也是较早修建成高速公路的国家之一。到目前 为止，全世界拥有高速公路的国家和地区已超过8 0 个，通车总里程达到了2 3 万公里 以上。世界交通运输的宏观格局因为高速公路的产生和发展而得到了很大的改变，高 速公路建设不仅具有公路运输高效、灵活、便捷以及门到门服务优势，并具有巨大的 经济和社会效益。目前高速公路已成为人们最主要的出行方式之一，其运输量己超过 铁路。截止到2 0 1 0 年，我国的高速公路总里程已达7 4 万公里，在“十一五”期间， 我国高速公路新增3 3 万公里，高速公路拥有量居世界第二位。按照国务院公布的高 速公路网发展规划，我国高速公路网将在“十二五”期间完成7 条首都放射线、9 条 南北纵向线和1 8 条东西横向线的建设。如果按照规划建设，我国高速公路总里程未 来两年将超过美国，成为世界拥有高速公路最多的国家f l j 。 陕西是国内最早建设高速公路的省份之一，其高速公路建设也一直保持较快的速 度。1 9 8 6 年1 2 月2 5 日，陕西最早的高速公路西安至临潼段进入建设。2 0 0 3 年1 1 月 1 8 日，勉县至宁强高速公路的建设竣工，标志着陕西省高速公路总里程突破了1 0 0 0 公里；2 0 0 7 年1 2 月1 3 日，咸阳至永寿高速公路建设竣工，预示着全省高速公路总里 程突破到了2 0 0 0 公里，总里程为2 0 6 4 公里【2 1 。在提出建设西部强省的战略背景下， 陕西规划了高速公路网新蓝图，即：“三纵四横五辐射，并制定了高速公路快速发展 新目标，共三个阶段。2 0 0 4 年陕西省高速公路总投资达到1 1 0 亿元，建成里程为6 0 公里；2 0 0 5 年投资达到1 6 5 亿元，通车里程为2 4 0 公里；2 0 0 6 年投资总额2 6 0 亿元， 建成高速公路3 4 0 公里，2 0 0 7 年超过3 0 0 亿元，建成4 2 0 公里，在陕西境内实现了国 家“五纵七横”国道主干线的规划目标。2 0 0 8 年，全省共有1 6 个建设项目，在建总规 模1 5 0 0 公里以上，确保了新增高速公路4 2 4 公里以上，年底全省通车里程将达到2 5 0 0 公里。2 0 1 0 年，全省建成高速公路突破3 0 0 0 公里，基本实现了市市通高速、全省主 要城市“日交通圈 ，8 2 个县区以高速公路相连【3 】。预计到2 0 1 2 年，陕西省9 2 个 县区将以高速公路网的形式相连，全省通车里程将超过3 8 0 0 公里，将建成横连东西、 纵贯南北、规模适当、布局合理的高速公路网。 第一章绪论 高速公路大量建设为经济高速发展带来强大助推力的同时，也使环境污染和生态 破坏问题变得更加突出。高速公路建设过程中产生了许多土石方工程，路堤边坡的高 填和路堑边坡的深挖一方面使得坡面原有植被群落破坏殆尽，另一方面表层土壤的大 面积裸露，造成原有植被难以继续正常生长，同时建设过程中产生的裸露坡面和取弃 土场也会导致坡面表层土层及营养元素大量流失。再者，高速公路的无休止建设坡面 上岩石和土壤的变形和移位，加大了坡面岩土掉落的可能性【4 l 。高速公路不仅要具有 普通运输方式快速、便捷、安全的特点，同时也要与沿线地区的自然景观协调。因此， 衡量一条高速公路规划、设计和建设水平标志，除了工程建设水平外，还应该包括生 态环境恢复程度。 陕西省最早修建的几条高速公路中，配套的边坡生态环境恢复建设所占的比例很 低，边坡防护主要采用纯工程防护工艺，边坡生态环境破坏严重，行车景观效果极差。 这几条高速公路的建设，一方面与陕西省最近提出的“生态路、“环保路”建设口号 不一致，另一方面也会对行使中车辆及行人构成很大安全威胁。随着大众对高速公路 边坡生态要求的提高，边坡生态环境恢复建设已成为高速公路建设中的重要部分。 2 0 0 1 年4 月3 0 日完成的铜川至黄陵高速公路，已开始注重高速公路边坡生态修复与 工程防护结合、植被布置与地形结合，经过十年左右的自然生态演替形成了特定的生 态景观。国道g 6 5 包( 头) 茂( 名) 线陕西段，即铜川至黄陵高速公路，是陕西省规 划的“2 6 3 7 高速公路网”的重要路段之一。铜黄高速公路北接黄延高速公路，南接西 铜一级公路，途经铜川市、宜君县，止于黄陵县康崖底，全长7 2 2 5 k m ，是关中通往 陕北的重要通道。 。 随着我国经济社会的不断进步，高速公路总里程的不断增加，早期高速公路建设 的质量及水平已经不能满足人们越来越高的要求。高速公路不仅是一种快速、便捷、 安全的交通快车道，同时也是人们观赏沿线优美景观环境一种休闲方式，因此高速公 路与沿线地区的生态环境和谐统一、相映成辉，已是一种时代对其的新要求。根据陕 西省委，省政府将铜黄高速公路作为陕西省通往陕北的红色旅游路，景观路和政治路 的目标，因此开展铜黄高速公路边坡生态防护研究具有十分重要的意义。 1 2 国内外公路边坡生态防护研究现状 边坡生态防护是指用活的植物或者用植物和非生命的材料相结合的方式，以减轻 坡面的不稳定性和侵蚀。边坡生态防护就是通过人工的方式，栽植“先驱植物 去快 速覆盖坡面，降低坡面水土流失，但“先驱植物不一定能够适应自然环境，相当 2 长安大学硕士学位论文 一部分因不适应可能会死亡，故坡面长期防护还需要当地植物的不断恢复1 5 j 。边坡生 态防护技术是- f - j 新兴的综合学科，它包括了环境生态学、工程力学、林学、地质学、 土壤学、园艺学、草业学、生物学等多种学科睁7 1 。高速公路边坡的植被恢复建设是 高速公路整体绿化建设中最大的一部分，国内外公路建设专家对其也越来越重视了， 边坡生态恢复与路基及路面施工必须同时进行。 1 2 1 国外公路边坡生态防护研究现状 世界上很多国家都非常重视高速公路的绿化，强调遵循自然，相融于周围环境， 尽可能恢复原有的自然植被和景观，体现了强烈的生态和环保意识。早在1 9 6 5 年， 美国就制定了高速公路绿化技术标准，日本也于1 9 7 6 年制定了相似的标准，原苏联 于1 9 7 5 年制定了公路建设和景观设计规范等。随着公路建设对沿线路域生态环境破 坏的加剧，人们开始重新审视公路施工过程中所造成的环境影响和破坏，并开始建立 了融于公路工程建设过程中的环境保护技术。例如，美国的地面交通效率方案( 1 9 9 1 年) 和 2 1 世纪交通权法案( 1 9 9 8 年) 均要求在公路设计、施工和运营过程中充分 考虑环境保护问题。在相关的公路工程施工规范中，也明确提出了环境保护的技术措 施和操作工艺，这样既有利于森林法、草原法、湿地保护法等自然资源保护 法律、法规的贯彻落实，也使施工过程中的生态保护成为施工单位的自觉行为【8 】。1 9 9 2 年，在美国土木工程施工指南中增加了生物工程技术篇章，从而促进了植物在公 路工程中的推广和应用。 1 9 9 5 年以来，美国开发了一批适用性的生态工程技术，强调了乡土植物和野生植 物的生态景观功能。为了减少外来物种的入侵，美国交通部规定：凡是在公路生态恢 复中，采用乡土植物的项目，将追加相当于工程总额0 0 5 的补助费用于生态工程建 设【9 】。日本也将公路边坡的生物防护作为水土流失治理的重点，在客土喷播技术和乡 土植物利用方面很有特色，强调生物工程技术与公路工程技术的有机结合。 在边坡防护的系统设计中，国际上特别是发达国家尤为重视植物防护或植物与圬 工防护相结合的方法，以使其同时发挥防护与美化的作用。国际上有关道路防护与加 固技术的研究，多年来一直是广大道路工作者关注的热点之一。有的研究已开始将降 水对边坡的侵蚀定量化，根据降水侵蚀力系数，土壤固有的侵蚀性系数、地形分类及 侵蚀控制参数等计算边坡的平均土壤流失，从而更科学地选择合适的边坡防护措施。 日本、美国等国家在相关设计规范中明确了防护设计和公路园林的设计重点、原则和 具体措施，如日本高等级公路设计规范中用比较大的篇幅对护坡的方法、分类、 3 第一章绪论 方案设计，以及公路园林设计的基本原则、不同物种在本地区的适应性作了详细的规 定，具体很强的设计指导作用。 在公路路域生态工程技术研究方面，日本做了大量的工作。日本是一个多山的国 家，第二次世界大战结束后大部分的国土处于荒芜的状态，加之公路多数修建在山岭 之间，绿化国土、保护坡面就成为公路建设的重要组成部分。从2 0 世纪5 0 年代仓田 益二郎首次提出“绿化工程”的概念，大量绿化新技术在工程实践中不断涌现，例如： 吹咐功法、捷壁工法、筋袋工法、网垫工法、连续纤维工法等。这些新技术不仅具有 绿化速度快、坡面保护效果好等特点，还强调了道路与自然的协调、景观与生态的统 一。近年来，日本又开发出了厚层基质挂网喷咐、水泥混凝土框架喷咐和生态水泥喷 咐等技术，使以往难以解决的高陡岩石边坡的绿化问题也得到解决。 日本在发展绿化工程技术时，并不只是单纯地追求施工技术的改变，而是在施工 技术创新的同时，与之相配套的生态技术也在研究中同步发展。例如在大量理论研究 和科学实验的基础上，客土技术、人工土壤技术、菌根技术、植被设计技术不断完善 和充实，使绿化工程质量得到提高。山寺喜成指出绿化工程要以恢复木本群落为目标， 要以播种为主、移栽为辅，要积极使用先锋树种，过厚的客土和移栽会诱发灾害；安 保昭探讨了坡面绿化的基本原则和存在的问题，这些研究成果对日本绿化技术的发展 起到了重要的指导作用。绿化工程技术在日本不断提高进步的原因之一是重视对施工 效果的监测和评价。例如喷播技术在施工初期有较快的绿化效果，2 0 世纪8 0 年代曾 在日本被广泛使用，但经过后期的监测研究发现，喷播的基质层自身的稳定性有限， 在水蚀和风化作用下会逐渐流失，最终难以防治土壤侵蚀，造成坡面裸露。这一研究 结论对施工技术的改进起到了促进作用，棉网状植生带技术就是在这种背景条件下产 生的。目前，日本国内客土喷播已开发2 0 多种施工方法，会员施工公司发展到几百 家，被誉为“从种子到森林的再生技术 。近年来，绿化网护坡、厚层基料喷射、植 被型混凝土等已成为日本最为广泛的生态防护技术。目前，日本正在抓紧研究“特 殊空间绿化技术 、“植被恢复技术 、“公路边坡绿化技术、“景观仿真技术等高新 技术【1 0 1 。 总之，从当今国外发达国家公路生态环境保护与恢复的先进技术来看，主要有两 个类型：一是以美欧为代表的最小破坏型。公路生态工程着重在于“防”，公路建设 避免高填深挖，对环境破坏小，生态恢复难度小，景观建设效果好，充足的养护经费 使路域生态环境建设质量具有了雄厚的经济保障。二是以日本为代表最大恢复型，公 4 长安大学硕士学位论文 路建设对环境破坏较大，恢复难度大，边坡生态防护率高，植被建植投资大、建成时 间长。 1 2 2 国内公路边坡生态防护研究现状 我国高速公路生态护坡研究开展的比较晚，1 9 9 6 年云南昆曲高速公路才开始运 用生态护坡进行绿化。我国高速公路建设的绿化设计和施工，与发达国家相比，都还 比较落后，边坡的生态防护也是如此1 1 1 】。我国的公路路域生态防护研究，从简单到多 样、从传统技术到现代技术的发展变化与公路建设规模和公路绿化的模式直接相关。 我国最初的公路绿化模式就是种行植树，其绿化技术主要借鉴林业部门的造林技术。 随着我国公路网的初步形成，绿化的范围逐步扩展到公路边坡，园林部门的铺草皮和 种草技术被运用到公路领域，并与植树技术结合，形成了公路绿化技术模式。我国在 2 0 世纪8 0 年代中期以前，主要以低等级的公路建设为主，因交通量小，深挖高填较 少，对生态环境的影响也较小，因而生态防护工程没有纳为道路建设的主要工程，边 坡的生态防护研究常被忽视。9 0 年代以后，高等级公路的修建带来环境问题的日益凸 显，我国开始引进国外先进生态防护技术，使我国的公路路域生态工程技术开始向现 代化发展，新型的植被建植技术( 以机械喷咐为代表) 被尝试应用于国内许多高速公 路建设中，绿化范围也从公路普通土质边坡到岩石边坡，从边坡绿化扩展到互通立交、 中央分隔带和服务区景观美观，立体式、全方位、多功能、景观生态的设计理念及绿 化模式正成为我国公路路域生态建设的指导思想。经过2 0 多年的研究和工程实践， 在高速公路的生态恢复技术方面已有了巨大的进步，其中尤以喷播技术推广最为广 泛。到目前为止，我国已经初步形成了具有中国特色的公路路域边坡生态建设技术体 系。 科研工作者在边坡生态护坡研究过程中取得了一定的科研成果。国家自然科学基 金从9 0 年代开始资助有关生态恢复和重建的基础研究【1 2 】，有学者在植被退化过程和 自然恢复过程以及山地退化生态系统的恢复与重建的空间尺度、途径、策略和措施方 面作了探讨【1 2 - 1 4 1 ，并在恢复植被的实践中取得了良好成效，在建植技术上有了突破， 成功恢复了某些裸地的植被15 1 。中国科学院南京土壤研究所王库【1 6 1 、中国利学院地理 研究所吴淑安1 7 1 、中国科学院成都生物研究所吴彦【1 8 】、中国科学院水利部西北水土保 持研究所吴钦孝、李勇、朱显测1 9 2 0 1 等人通过模拟降雨试验，研究了根系对土壤侵蚀 的防护效应。云南省地理研究所周跃【2 l 】根据生态学、土壤学和植物生理学的有关原理， 在国内引入了坡面生态工程( 简称s e e ) 的概念；解明曙 2 2 1 综合国内外现有的研究成 5 第一章绪论 果，对植物根系固坡的力学机制进行了深入的理论研究。李旭光f 2 3 】、杜娟【2 4 1 和张俊云 2 5 1 介绍了日本的客土喷播防护技术。总体上看，国内对岩石边坡和土质边坡的植坡防 护研究仍处于初期探索阶段。西南交通大学等单位成功开发了厚层基材喷射植被防护 技术，针对硬质岩边坡的植被防护，并且在国内获得了较广泛应用。这些研究成果在 高速公路生态防护的设计、施工与管理中起了有益的指导作用。 我国的公路生态工程研究不论是在理论还是实践上，与发达国家都还存在着不小 的差距。主要表现在： 、 ( 1 ) 高速公路建设与边坡生态防护脱节。在我国的高速公路建设过程中，往往是 先公路施工再边坡防护，这样给边坡的生态防护带来了许多不必要的困难。 ( 2 ) 过多地应用传统的工程防护，严重影响了道路的景观效果，缺乏对边坡防护 的生态效果和自然植被恢复的考虑，绿地护坡形式简单，植物种类单一，景观缺乏层 次变化。 ( 3 ) 生态护坡缺乏定量研究。不同地区、不同降雨强度、不同植物种类组成以及 不同的防护形式下，对高速公路坡面的防护效果，缺乏相关的定量数据。 1 3 公路路域边坡工程生态效果评价现状 我国的公路路域生态工程目前正处在大发展阶段，许多路域生态工程技术如日中 天，但是对于如何评价这些生态工程的实际效果，这些生态工程在何种程度上对路域 和行车环境的改善程度如何，目前尚仍无明确的研究结果。已有的研究多集中于定性 的评价，而在定量评价方面指标选择方面，因希望面面俱到而导致指标选取过多、数 据获取困难，指标叠置性较高。在评价方法方面，目前尚无统一的评价方法，而且评 价过程也较为复杂。以上种种问题，导致了评价结果不能较好地反映生态工程效果， 也不利于实际操作。由于缺乏生态评价的评估体系，导致验收标准单一，难以有效地 衡量路域生态工程的生态效果，从而使路域生态工程的效益无法得到最大的发挥。 公路边坡防护对路域生态环境影响评价是一个复杂而又模糊多变的综合体，受到 很多因素的影响。目前公路边坡生态评价的难点在于，结果难以做到较为准确地反映 每种防护模式对路域生态环境的影响，这主要是因为评价标准因人而异，这种影响对 于评价者来说总是过于主观，而缺乏一个能够较为准确地量化评价工具来对公路边坡 植被护坡工程生态效果进行一个评价。沈毅和晏晓林在公路路域生态工程技术这 本书中提出了采用多层次模糊综合评价法对公路植被护坡工程生态效果进行评价，并 将评价标准划分为护坡植被因子、坡面土壤因子、区域小气候因子和环境景观因子四 6 长安大学硕士学位论文 方面，提出一个包括1 4 个指标的公路植被护坡工程生态效果评价体系，较全面地放 映了公路植被护坡工程的生态效果。北京师范大学的刘永兵在西部公路路域植被护 坡工程生态效果评价研究从路域植被恢复景观表征指标、景观对安全影响表征指标 等方面构建了由1 0 个评价指标组成了公路植被恢复景观与改善行车环境的综合评价 指标体系；采用专家打分法和层次分析法相结合确定了各个指标的权重；确定了评价 指标分值、构建了高速公路植被恢复景观与改善行车环境的综合评价模型、依照景观 综合指数划分了评价等级。应用模糊综合评价的数学模型，构建了路域植被护坡工程 生态效果评价的数量化方法；提出了由路域护坡植被因子指标、路域土壤因子指标、 路域景观因子指标构成的路域植被护坡工程生态效果评价指标体系；建立了适合西部 路域植被护坡工程生态效果评价指标量化值表及分级序列。以评价体系框架为基础， 对我国西部公路路域植被护坡工程进行了案例分析，并提出了路域植被护坡生态效果 评价的可操作性及相关探讨。 1 4 研究的目的和意义 目前公路路域边坡生态防护技术正处在蓬勃发展中，许多实际公路工程中边坡生 态防护技术已大量运用，然而许多措施在实际运用中存在不同程度的随意性，生态防 护措施在公路边坡运用中的适用性缺乏系统的评价方法，由此造成工程防护不当，引 发工程病害，影响行车的安全。因此，研究符合我国国情，并能指导高速公路边坡生 态防护的理论与方法势在必行，可为今后我国的高速公路生态环境景观建设提供指导 和成功范例。 针对目前公路边坡生态防护中，护坡技术的选择往往只是凭借设计人员的经验， 同时植被配置也比较随意的现状，本研究试图在现有的公路工程学、土壤学、植物学 等研究成果和实践经验总结的基础上，通过对铜( 川) 黄( 陵) 高速公路不同生态护 坡模式下的植被生长状况、坡面土壤状况、路域热环境状况及行车景观状况方面的研 究，调查植物在铜黄高速公路边坡的生长适应性，为边坡植物的乡土化和植被恢复效 果的评价，做一些前期的工作。最后结合实验数据及现有资料，对研究区六种边坡植 被防护模式进行模糊综合评价分析，为今后相似条件公路边坡生态防护工程提供一定 参考依据和理论借鉴。 1 5 研究内容 本研究以铜( 川) 一黄( 陵) 高速公路为依托，对典型路段路堑及路堤边坡的植 7 第一章绪论 被护坡工程进行研究。本文的研究内容主要包括以下五个方面： ( 1 ) 通过资料收集及野外调查，观测了六种不同护坡模式边坡上的植被生长情况， 并就不同防护模式对边坡植被构成、植被覆盖度及地上( 下) 生物量的影响进行了探 讨。 ( 2 ) 对六种生态护坡模式土壤理化性质进行了研究，实验测定了土壤有机质含量、 土壤酸碱性及其土壤抗侵蚀性的数据，并对不同防护模式下的土壤理化性质差异性进 行了分析。 ( 3 ) 查阅铜黄高速公路沿线地区气候相关资料，结合现场下垫面温度实际测定数 据，对土壤表层温度、植被表层温度及公路路面温度三者进行分析，并对生态护坡样 地的下垫面温度进行差异显著性分析。 ( 4 ) 通过问卷调查( 普通人群调查问卷、专家调查问卷) 方式对铜黄高速公路所 在区域行车景观环境的调查，了解六种不同生态护坡模式的公路行车景观效果，并对 各种防护模式的优缺点进行讨论。 ( 5 ) 建立多层次的模糊综合评价类型，对路域植被护坡工程生态效果进行综合评 价，并就发现的问题提出优化建议。从科学系统的观点出发，综合分析影响铜黄高速 公路边坡生态状况的各种因素，选取合适的评价因子，确定边坡生态效果评价体系， 选择模糊综合评价方法作为数学工具，建立铜黄高速公路边坡生态效果模糊综合评价 类型，最终结合示范算例得出具有一定指导意义的结论。 1 6 研究技术路线 以铜黄高速公路为研究对象，通过野外调查与室内分析相结合，对现有六种植被 边坡防护模式的植被生长特性、坡面土壤特性、路域热环境及行车景观特性进行了研 究，通过多层次模糊综合评价类型对现有生态护坡工程的生态效果进行评价。具体技 术路线见图1 1 ： 8 图1 1 研究技术路线图 9 第二章铜黄高速公路护坡工程概况 第二章铜黄高速公路护坡工程概况 2 1 铜黄高速公路概况 2 1 1 工程概况 铜黄高速公路是国家“九五”计划的重点工程建设项目之一，是陕西境内的国家公 路网中g 6 5 包( 头) 茂( 名) 线的重要路段，作为陕西省新规划“2 6 3 7 高速公路网”公路 主骨架的组成部分，它南接西铜一级公路，北接黄延高速公路，途经铜川市、宜君县， 止于黄陵县康崖底，全长7 2 2 5 公里。基于新建山岭重丘区一级公路标准设计的铜黄 高速公路，始建于1 9 9 7 年1 2 月1 9 日，2 0 0 1 年4 月3 0 日正式竣工通车。其全线控制 出入，并都为双向四车道，行车速度为6 0 公里d , 时，路基宽度为2 1 5 m ，行车道宽 度为3 5 m ，中央分隔带宽度为1 5m 。 2 1 2 自然环境概况 ( 1 ) 地貌及地形 铜黄高速公路沿途经过地区为渭北高原向陕北黄土高原过渡的山岳地貌，该区域 属中低山地貌，地势西南高、东北低，小地貌可进一步划分为河谷地貌与斜坡地貌。 河谷地貌包括河床漫滩与阶地，阶地共发育三四级，多为基座式阶地，其中第三、 四级阶地多已被构成斜坡的坡麓，组成了河谷与斜坡的过渡地貌。斜坡地貌主要包括 斜坡堆积地貌和山梁剥蚀地貌两种。 本段路线布设在山地山坡的中下部，山地海拔高1 2 0 0 - - 1 7 0 0 m 。第三纪以来，该 区缓慢上升，历经多次黄土堆积和侵蚀作用，形成塬、梁、峁众布、沟壑纵横的黄土 地貌特征，地形地貌条件相对复杂。本项目沿线沟谷发育，沟壑纵横，地形破碎，地 形坡度大，植被少，水土流失严重。冲沟深切是勘察区内地貌的最主要特点，沟谷沟 壁陡峭，切深1 0 0 - - - 2 0 0 m ，沟谷呈“u 或“v 字形，冲沟内纵坡较陡，一般缓者 1 0 - - 1 5 ，陡者可达3 0 ，甚至常出现跌水陡坎。因受流水侵蚀，沟坡破坏较严重， 常在陡壁( 斜坡) 间发生崩塌、滑坡等不良地质现象。本段公路路线主要沿河谷、沟 道及坡面布设，以隧道形式穿越梁、峁。 ( 2 ) 地层岩性 铜黄高速公路沿线及周边出露地层除三迭系外，主要是第四系地层，且其成因类 型繁多，现按其所处地貌位置、岩性、成因等划分，由新到老概述如下： 新近人工堆积层：主要分布于公路沿线两侧及居民居住区。岩性多为灰黄、黄 褐色等杂色粘性土夹砂岩、泥岩块碎石组成。多为开挖路基弃土。 1 0 长安大学硕士学位论文 全新世重力堆积层：主要包括滑坡、崩塌等堆积物。分布于沟谷两侧阶地、斜 坡及公路两侧人工开挖区，其岩性大体可分为上下两层，上层以灰黄、灰黑褐色粉质 粘土为主，质地较均一而疏松，厚度较薄，一般为5 8 米。下层原岩多为坡残积物， 以灰黄、灰绿、褐红色粉质粘土和碎石土为主，碎石以风化泥岩、砂岩组成。该层土 一般密实，坚硬，多为粘性土充填半固结，厚度较大，一般厚度大于1 0 米。 全新统坡残积层：分布于斜坡地带，顺坡地形覆盖于基岩之上，其岩性多以灰 黄、灰绿色粉质粘土和碎石土为主，局部夹有块碎石等，其厚度较大，一般厚度为5 1 0 米，最后可达2 0 余米。该层土土质不均，结构成分复杂，性质变化大。特别是在 雨季土体饱和时，土体抗剪强度等力学性质降低，常引起山坡发生变形破坏，形成滑 坡等地质灾害。 上更新统风积层：分布于山梁及斜坡地带，披覆于基岩之上，为黄土夹棕褐、 棕红色古土壤层及钙质结核，土质均匀，较坚硬，直立性好。 三迭系上统互层状砂泥岩：砂岩呈灰黄、黄绿、青灰色，中细粒结构，层状结 ? 构，节理较发育、较坚硬。泥岩呈灰黑、青灰色，泥质结构，薄层状构造，较软( 软 一 质岩) ，抗风化能力差，暴露数日即风化成碎片或碎块状，且具弱膨胀性。 ( 3 ) 地质构造 研究区在构造上属于中朝准地台陕甘宁台坳之陕北台凹构造单元，其南紧邻陕甘 宁台坳缘褶皱束，实际上处于两个三级构造单元的过渡带。区内构造较为简单，断裂 及褶皱不发育，总体为一走向北东，倾向北西的缓倾单斜地层，其产状倾向3 3 0 - - 3 5 0 0 ， 倾角5 1 0 0 ，但走向北东、北西两组节理发育，尤其以走向北东一组更发育，倾角近 直立，使岩石较为破碎常造成崩塌现象。新构造运动以上升运动为主，主要表现在地 。 壳上升，山坡不断遭受剥蚀，河流沟谷强烈下切，进一步使山梁破碎，形成河流沟谷 不断溯源侵蚀。 ( 4 ) 气候 本区属于暖温带大陆季风气候区，四季温差大。夏季温度高、湿度适宜，雨水充 沛，冬季干燥寒冷，易积雪。春秋气候多变，为过渡季节。由于公路沿线地势地貌的 影响，气候差异明显。由于山区影响，气温一般较关中北部偏低，据铜川、宜君气象 站资料，多年平均气温1 0 - - - , 1 2 c ，一月份最冷，平均气温为5 1 ，极端最低气温 为2 0 * ( 2 。同时7 月份气温最高，该月份平均气温为2 2 , - , 2 6 0 c ，其极端最高气温为 3 4 4 ，但区内夏季比较凉爽，昼夜温差大，一般差幅约6 , - - - 8 ( 2 。多年平均降水量为 1 1 第二章铜黄高速公路护坡工程概况 5 5 0 - - - 7 0 0 m m ，7 、8 、9 三个月为降雨集中期，降水量约占全年降水量的5 0 以上，年 最大降雨量可达9 8 7 3 3 m m ，最小降雨量为4 9 6 5 m m 。研究区常受风沙和寒流的侵袭， 冰期和霜期季节相近，一般初霜期约在1 0 月中下旬，终霜期为翌年的3 月中上旬， 冻土深度一般为5 0 - 6 0 c m ，这对区内软质的泥岩表层风化作用很大。因为气候条件 对工程实施有较大影响，选择每年的