干旱區(qū)高速公路水土保持措施與效益分析
——以連霍高速公路烏蘇至賽里木湖段為例

張 剛

(新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

1 概 述

隨著“一帶一路”進(jìn)程的推進(jìn)，新疆地區(qū)作為路上絲綢之路的重要區(qū)域得到迅速發(fā)展，修建高速公路是眾多開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中的關(guān)鍵一環(huán)[1]。新疆地區(qū)地處亞洲內(nèi)陸，氣候干旱、生態(tài)脆弱易受到破壞，修建高速公路會擾動土地、產(chǎn)生棄土棄渣，在惡劣氣候環(huán)境的作用下，進(jìn)而帶來各種類型的水土流失問題。因此，干旱區(qū)高速公路建設(shè)過程中水土流失的問題越來越受到重視，脆弱的生態(tài)環(huán)境對施工技術(shù)提出了更高的要求[2]。根據(jù)干旱山區(qū)高速公路的建設(shè)特點(diǎn)，采取工程措施與植物措施相結(jié)合、永久措施與臨時(shí)措施相結(jié)合的方法，達(dá)到保持水土的目的。項(xiàng)目建設(shè)完成后，適時(shí)評估水土保持各項(xiàng)措施的效益，建立涵蓋保土保水效益、生態(tài)植被效益和社會經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合的生態(tài)效益評價(jià)體系，為開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持措施制定和效益評估提供有利依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

2.1 開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目

連霍國家高速公路烏蘇至賽里木湖段，起始于新疆維吾爾自治區(qū)塔城地區(qū)烏蘇市以東，途經(jīng)烏蘇市、精河縣、博樂市，終于賽里木湖南側(cè)，并與果子溝高速公路相連，全線 295.517 km。

2.2 氣候與地理

本項(xiàng)目地處新疆天山北麓山前洪積扇下緣和沖積帶上緣，地表沉積了大量的第四系礫石土等堆積層，屬新疆準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣。地形上分為兩段，其中烏蘇至五臺為平原地形，主要為荒漠戈壁、沙漠或荒草地，有間斷式綠洲，稀疏低灌木叢，植被覆蓋率小于6%；五臺至賽里木湖段屬平原微丘，地形起伏較小，海拔介于 330～2 118 m，地表多以低矮草本植物形成牧場，植被覆蓋率8%。土壤類型主要為栗鈣土、鹽堿土、灰漠土、潮土及巖性土等。高速公路沿線人工植被類型以農(nóng)田、防護(hù)林、行道樹為主，主要為新疆楊、毛白楊、旱柳、沙棗、榆樹等；農(nóng)作物有玉米、棉花、苜蓿、小麥等。

項(xiàng)目區(qū)為溫帶大陸性氣候，冬季干燥寒冷，夏季少雨炎熱。多年平均氣溫5.8℃～7.3℃，年均降水量91.4～183.2 mm，年均積雪深度13～41 cm，年最大蒸發(fā)量1 562.4～2 046 mm。年內(nèi)大風(fēng)天數(shù)有45～50 d，最大風(fēng)速24 m/s，平均風(fēng)速 2～2.6 m/s。無霜期140～185 d，最大凍土深度約為152 cm。

2.3 水土侵蝕現(xiàn)狀

該公路建設(shè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，屬于國家級水土流失重點(diǎn)監(jiān)督區(qū)，水力侵蝕主要為輕度[3]。以《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)為依據(jù)，容許土壤流失量為1 000 t·km-2·a-1；將路段長度加權(quán)計(jì)算得到項(xiàng)目區(qū)背景土壤侵蝕模數(shù)為2 105 t·km-2·a-1。

工程沿線縣市土壤侵蝕現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 工程沿線縣市土壤侵蝕現(xiàn)狀表

2.4 水土流失原因

高速公路出現(xiàn)水土流失的主要位置在修建過程中公路的邊坡[4]。本項(xiàng)目中造成邊坡水土流失原因：①降雨直接對裸露邊坡?lián)魹R產(chǎn)生的土壤松動和流失；②風(fēng)力對裸露邊坡的侵蝕；③路面、路基本身匯流，以及集雨區(qū)地表徑流對路堤邊坡的沖刷。另外，路基邊坡還存在一定的重力侵蝕。針對當(dāng)?shù)貧夂颉⑺摹⒌匦巍⒌刭|(zhì)條件、填方路基水土流失特點(diǎn)以及筑路材料的分布情況，對主體工程設(shè)計(jì)了相應(yīng)的水保防護(hù)措施。

3 水土保持

3.1 水土保持區(qū)劃

水土保持工程分為主體施工區(qū)和直接影響區(qū)。根據(jù)公路建設(shè)的特點(diǎn)，進(jìn)一步細(xì)分為5個(gè)二級防治分區(qū)：主體工程防治區(qū)(路基、路堤、路塹、中間隔離區(qū)、路面排水工程、橋涵、隧道及公路附屬工程)、臨時(shí)施工區(qū)、施工通道區(qū)、施工生產(chǎn)生活防治區(qū)、借用防治區(qū)劃分。

3.2 水土保持措施

3.2.1 主體施工區(qū)域水保措施

3.2.1.1 工程措施

1) 攔擋措施。對主體公路路基的邊坡以及施工道路等的邊坡采用重力式漿砌石擋土墻。擋土墻滿足5級建筑物標(biāo)準(zhǔn)；個(gè)別臨河路段的邊坡的攔擋措施滿足10年一遇洪水的規(guī)格；特殊地段采用20年一遇洪水的標(biāo)準(zhǔn)，如河道水庫等。

2) 排水措施。本工程內(nèi)的排水措施主要有截洪溝和排水溝。截洪溝集中布設(shè)在易積水的公路段路塹坡頂上游側(cè)。排水溝主要布設(shè)于主體公路路基的兩側(cè)、路塹邊坡平臺、邊坡平臺等地和土料場開采跡地等。

3) 護(hù)坡措施。根據(jù)氣候條件、地形、地質(zhì)條件和邊坡高度差別，對部分高陡邊坡進(jìn)行削坡開級、漿砌片石護(hù)坡。路基采用礫石土填筑，路基邊坡采用1∶1.5的坡率。對于邊坡高度≥3 m的路段，采用六棱塊或者預(yù)制塊方格網(wǎng)防護(hù)。預(yù)制塊方格網(wǎng)適用于主線路段，六棱塊防護(hù)適用于互通區(qū)防護(hù)。對于戈壁荒地路段，當(dāng)邊坡高度小于3 m時(shí)，邊坡采用礫石土自然坡面；在農(nóng)田區(qū)域，邊坡的高度小于等于3 m時(shí)，采用植物籬護(hù)坡。

4) 土地整治措施。公路建設(shè)過程中的土料場以及施工臨建設(shè)施區(qū)域是生態(tài)脆弱區(qū)，需要進(jìn)行土地整治，整治措施包括土石渣體邊坡修整、凹坑回填、清理以及平整。主體工程在設(shè)計(jì)時(shí)，對工程開挖的土方進(jìn)行綜合調(diào)配利用。全線填方419.09×104m3，全部為土方；借方419.09×104m3，全部為土方；棄方1 750 m3，運(yùn)至取土場填埋。

3.2.1.2 植物措施

項(xiàng)目區(qū)降水量少，戈壁區(qū)人工栽植植物難以成活，綠洲附近水分條件較好，可以進(jìn)行植被恢復(fù)。一般說來，有植被綠化的邊坡更穩(wěn)定，喬灌草組合的邊坡比單一草類的邊坡更好，植被加工程防護(hù)(如格構(gòu)梁)的邊坡比只進(jìn)行工程防護(hù)(如格構(gòu)梁)的好。選取植被多為當(dāng)?shù)貎?yōu)勢物種，草本植被采用播種的方法[5]，喬灌木采用移苗法，喬灌草結(jié)合形成有層次的防護(hù)結(jié)構(gòu)。栽植后一個(gè)月內(nèi)定期進(jìn)行澆水、除草等撫育管理。將工程措施與植被恢復(fù)相結(jié)合，可有效減少水土流失，維持路域生態(tài)平衡，為公路建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)[6]。

3.2.2 臨時(shí)施工區(qū)

1) 臨時(shí)攔擋措施。以編織袋裝土建造攔擋坎，多用于公路路基、施工便道的邊坡坡腳填方，填方范圍0～150 cm；少部分用于臨時(shí)堆土區(qū)、表土剝離堆置區(qū)以及土料場開采地的下游。

2) 臨時(shí)排水措施。臨時(shí)排水溝為主要臨時(shí)排水措施，該工程措施便于施工道路的路基、臨時(shí)堆土區(qū)和表土剝離堆置區(qū)周圍易積水的區(qū)域排水。根據(jù)工程區(qū)實(shí)地情況，排水溝一般選擇修建寬淺土質(zhì)排水溝。

3) 臨時(shí)覆蓋措施。該項(xiàng)目地處水蝕、風(fēng)蝕交錯(cuò)影響的區(qū)域，臨時(shí)堆土場和表土剝離堆置區(qū)所堆置的土方一旦遭遇強(qiáng)降水或大風(fēng)天氣，則極易受到侵蝕。為防止水蝕和風(fēng)蝕的影響，采取質(zhì)地較厚的彩條布覆蓋，邊角部分以及重要部位用重石塊復(fù)壓。

3.2.3 施工道路防治區(qū)

施工道路包括取土場便道和保通道路。施工臨時(shí)便道在施工過程中地表擾動程度較為嚴(yán)重，故在施工期間也需采取臨時(shí)的防護(hù)措施，施工結(jié)束后立即進(jìn)行場地平整與植被恢復(fù)。

該項(xiàng)目主體工程沿線工程建設(shè)施工交通條件較好，分布有較多生產(chǎn)生活道路。施工便道大多選在山前沖洪積扇平原區(qū)，防止施工道路及周圍區(qū)域的地表林灌木草被運(yùn)輸車輛隨意碾壓和破壞，進(jìn)而加劇水土流失量。因此，在施工期必須嚴(yán)格規(guī)定運(yùn)輸車通道，特別是在農(nóng)田區(qū)，應(yīng)盡量將貫通式施工便道修筑在征地范圍內(nèi)，避免破壞掉施工便道沿線的植被。

3.2.4 借用防治區(qū)

本著少占地、盡量不占好地、工程經(jīng)濟(jì)、不破壞生態(tài)環(huán)境、造地等原則，取土場設(shè)置在戈壁或質(zhì)量較差的草地上，采用集中取土的方式[7]。取土后，應(yīng)對場地進(jìn)行平整，回填利于植被恢復(fù)的表土，對于具備造田可能性的區(qū)域，可交付當(dāng)?shù)卣謴?fù)為耕地。

3.2.5 施工生產(chǎn)生活防治區(qū)

施工生產(chǎn)區(qū)盡量利用互通立交占地，或利用服務(wù)區(qū)、管理處、養(yǎng)護(hù)工區(qū)等的占地；離村莊較近的施工標(biāo)段，施工生活區(qū)可選則租用民房，以減少臨時(shí)占地和對環(huán)境的破壞。若無永久占地可利用時(shí)，選用戈壁荒地和荒草荒地，盡量遠(yuǎn)離村莊、學(xué)校等敏感目標(biāo)。施工場地在修建和場地平整時(shí)，將要損壞原地貌，若不采取防護(hù)，定會造成新的水土流失。因此，主體工程施工過程中需要進(jìn)行補(bǔ)充防護(hù)設(shè)計(jì)。

3.3 水土保持監(jiān)測

3.3.1 水保監(jiān)測區(qū)劃與監(jiān)測內(nèi)容

項(xiàng)目工程水土保持監(jiān)測區(qū)劃分為五大區(qū)：路基工程區(qū)、橋梁涵洞隧道工程區(qū)、取土場與臨時(shí)堆土棄渣場區(qū)、沿線附屬設(shè)施區(qū)和施工場地及便道區(qū)。對工程進(jìn)行水土保持監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)槿⊥翀觥⑴R時(shí)堆土場、棄渣場、路基邊坡、開挖的大型邊坡、施工現(xiàn)場、生活場地及管理所等服務(wù)設(shè)施場地。

水土保持監(jiān)測的目的是評估各類水土保持措施的實(shí)施效果。在5類重點(diǎn)檢測區(qū)內(nèi)監(jiān)測擾動面積變化情況、土石方改變量、路基邊坡的穩(wěn)定性、運(yùn)行初期水土保持效果，如植被覆蓋率、植物成活率、植物生長量，以及施工作業(yè)帶內(nèi)水土流失對周邊影響及恢復(fù)期的水土保持效果。

3.3.2 監(jiān)測方法

在工程建設(shè)期間，監(jiān)測人員應(yīng)當(dāng)制定詳細(xì)的監(jiān)測實(shí)施細(xì)則，通過定期和不定期走訪現(xiàn)場進(jìn)行定點(diǎn)、定位、調(diào)查監(jiān)測，及時(shí)了解工程建設(shè)過程中水土流失情況，為科學(xué)制定廢渣治理、土地修復(fù)和植物保護(hù)措施提供指導(dǎo)和建議[8]。

3.3.2.1 調(diào)查監(jiān)測

調(diào)查監(jiān)測采用全面調(diào)查的形式，定期進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地勘測，將GPS定位儀與1∶5 000比例尺的地形圖、尺子、標(biāo)桿、照相機(jī)相結(jié)合，劃分出多個(gè)標(biāo)段，分段測定地表擾動類型及其面積。記錄每個(gè)目標(biāo)區(qū)域的基本特征和實(shí)施水土保持措施的類型和效果，主要包括固定樣地調(diào)查、臨時(shí)樣地調(diào)查、擾動土地類型、開挖面邊坡長度、邊坡、護(hù)坡工程、土地處理工程等。

3.3.2.2 地面定位觀測

1) 風(fēng)蝕監(jiān)測。在監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)置4 m×4 m的樣方小區(qū)，根據(jù)坡面狀況，從上到下、從左到右縱橫均勻布設(shè)間距1.0 m的測釬，并沿鉛垂方向垂直插入坡面，插入深度大于歷史資料中最大坡面土壤侵蝕深度，并記錄初始刻度。測釬插入土壤中時(shí)，盡量減少對周圍土地的擾動，以保證測釬牢固穩(wěn)定。同時(shí)，設(shè)立圍欄加以保護(hù)，避免人類活動的干擾。以后每15天記錄一次測針的刻度，大風(fēng)后補(bǔ)測一次。根據(jù)監(jiān)測時(shí)段內(nèi)累積觀測值，估算不同時(shí)段內(nèi)土壤風(fēng)蝕量。

2) 水蝕監(jiān)測。采用人工設(shè)置的簡易徑流小區(qū)法，以混凝土、鐵皮為小區(qū)邊界材料，保證與周圍地區(qū)沒有水分交換。簡易徑流小區(qū)面積約20 m2，是內(nèi)部有一定坡度的矩形水量平衡場，較低的一端安裝測量設(shè)備和集流槽，在集流池收集每次降雨后小區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的水土物質(zhì)，并測定徑流量和土壤流失量。采用燒杯、漏斗和乒乓球制作自記雨量計(jì)，結(jié)合雨量桶人工觀測降水量。

3.3.2.3 場地巡查

采取巡視、巡測可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行記錄工程施工期間主體工程設(shè)計(jì)方案提出的水土流失防治措施是否滿足設(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)巡查可能存在的問題與不足的地段[9]。如果不滿足設(shè)計(jì)要求，及時(shí)向建設(shè)單位提出補(bǔ)救措施，進(jìn)一步起到監(jiān)督作用。場地巡查的地點(diǎn)主要為項(xiàng)目建設(shè)區(qū)的水土流失敏感點(diǎn)，如取土場、橋梁基礎(chǔ)、預(yù)制場、施工便道等。

4 水土保持效益評定

4.1 保水保土效益

通過調(diào)查，該項(xiàng)目的擾動面積為436.47 hm2，項(xiàng)目施工結(jié)束之后，除去收費(fèi)站這類永久建筑物占地以外，擾動土地整治率99.92%；水土流失基本控制，治理度達(dá)到99.82%；攔渣率100%，土壤流失控制比為1。在水土保持措施實(shí)施后，擾動后地土壤侵蝕強(qiáng)度平均為1 800 t·km-2·a-1，較好地控制了項(xiàng)目區(qū)的水土流失，達(dá)到了防治目標(biāo)值。

4.2 生態(tài)環(huán)境效益

植物通過光合作用固碳釋氧，汽車產(chǎn)生的有害氣體也可以被植物帶吸收或吸附在植物枝葉上；同時(shí)植物還有物理防蝕作用，地上植被具有一定體積，可減緩風(fēng)速，減輕沙粒對路面的磨蝕。此外，植物枝葉具有吸收噪音、多角度反射太陽光線、降低噪聲的作用。通過對生態(tài)環(huán)境較好地區(qū)的綠化以及臨時(shí)占地的植被恢復(fù)，林草恢復(fù)率達(dá)到92.5%，林草覆蓋率為28.73%。

因此，植被綠化應(yīng)用于高速公路兩側(cè)，不僅可以一定程度上改善高速公路的小氣候，還能有效提高視力范圍上對路標(biāo)、警示牌的辨識度，提高行車安全度[10]。通過植被措施，項(xiàng)目區(qū)植被得到恢復(fù)和穩(wěn)步提高了林草覆蓋率。

4.3 社會經(jīng)濟(jì)效益

實(shí)施水土保持措施使得該公路工程的運(yùn)營得到全面保障，延長了公路工程的使用壽命，為政府縮減了維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施的巨額開支。通過綜合治理高速公路建設(shè)區(qū)的水土流失，大幅減小了由于工程施工對地表擾動所帶來的洪澇災(zāi)害，保證了公路沿線以及沿河下游地區(qū)各種基礎(chǔ)設(shè)施安全、人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，間接促進(jìn)了當(dāng)?shù)丶爸車貐^(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[11]。

5 結(jié)論與展望

水土保持措施和水保工程監(jiān)測是高速公路建設(shè)中不可替代的部分之一。水土流失防治中不僅要做到預(yù)防為主，還要做到防治水土流失與開發(fā)建設(shè)并重。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的有序推進(jìn)，在高速公路建設(shè)中，只有切實(shí)保證各類水土保持措施科學(xué)規(guī)劃、合理施工、監(jiān)督有效，才能達(dá)到控制水土流失量、維護(hù)稀有自然資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、維持公路安全，最終達(dá)到為經(jīng)濟(jì)建設(shè)助一臂之力的發(fā)展目標(biāo)。

水土保持監(jiān)測工作從設(shè)立至今已有多年歷史，但在高速公路水土保持工作開展進(jìn)程中仍有較多可優(yōu)化的部分。對于主體設(shè)計(jì)單位，要進(jìn)一步加強(qiáng)與當(dāng)?shù)卣畢f(xié)商施工的相關(guān)問題，結(jié)合該區(qū)域土地利用規(guī)劃，合理布設(shè)取土場；實(shí)際情況中，遇到施工變化后及時(shí)調(diào)整方案。施工單位需將施工期合理安排，盡量避開風(fēng)季、雨季施工；在大風(fēng)頻發(fā)的季節(jié)，及時(shí)遮蓋施工場地的裸露地表，在堆土堆渣場利用防風(fēng)板等臨時(shí)防護(hù)措施以減少風(fēng)蝕量；在工程實(shí)施過程中，注重積累、整理質(zhì)量評定的原始資料和臨時(shí)防護(hù)措施的影像資料。

目前，水土保持效益評價(jià)體系較為豐富，無法對不同評價(jià)結(jié)果作出統(tǒng)一有效比較，需建立更明確、科學(xué)的綜合評價(jià)系統(tǒng)，為水土保持效益評估準(zhǔn)確定量。同時(shí)，評價(jià)體系應(yīng)更科學(xué)化，如采用層次分析法設(shè)計(jì)水土保持綜合評價(jià)體系、將各類要素按權(quán)重合理分配。當(dāng)前，生態(tài)高速公路、景觀高速公路的建設(shè)理念日益成為熱點(diǎn)，未來將會有更多科研工作者參與開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的研究和實(shí)踐。