南方丘陵区高速公路水土保持综合效益评价研究

邹龙宇 王农

［关键词］ 水土保持；综合效益；高速公路；层次分析法；主成分分析法；南方丘陵区

［摘 要］ 高速公路路线长，其建设扰动范围广、土石方挖填量大，加上南方丘陵区的山地土质较为疏松，边坡土体不稳定，导致南方丘陵区高速公路建设项目水土流失频繁发生。开展高速公路工程各水土流失防治区水土流失防治效果科学评价有助于推动绿色高速公路高质量建设。基于层次分析法构建水土保持综合效益评价指标体系，并采用主成分分析法开展南方丘陵区3个高速公路建设项目的水土保持综合效益评价，结果表明：①在指标体系中林草恢复率、水土保持投资、林草覆盖率3个指标的权重较高。②宜丰联络线水土保持综合效益得分最高，为4.214；昌栗高速得分最低，为3.903。③广吉高速路基工程区水土保持投资高，植物措施实施效果好，林草植被恢复率和林草覆盖率较高，水土保持效益好；宜丰联络线弃土场区通过喷播植草和护坡工程，植被恢复效果较好，水土保持效益好；昌栗高速弃土场区弃土量大，水土保持投资低，水土保持效益差。

［中图分类号］ S157  ［文献标识码］A  DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.012

隨着我国经济的快速发展，以高速公路为主体的快速交通网络不断更新完善，其建设技术也不断成熟。然而，高速公路路线长，其建设扰动范围广、土石方挖填量大，施工过程中通常会改变和破坏地表形态、植被及土质，进而造成较大范围的水土流失，加上南方丘陵区的山地土质较为疏松，土层较薄，边坡不稳定[1]，南方丘陵区高速公路建设会导致区域内水土流失频繁发生。因此，严格落实高速公路水土保持措施，加大水土保持监测力度，同时开展高速公路工程各水土流失防治区水土流失防治效果科学评价，及时发现防治漏洞和问题，有助于推动绿色高速公路高质量建设。

目前，许多学者开展了关于公路建设项目的水土保持效益评价研究。如于坤霞等[2]分别从施工前期、植被恢复期和建成使用期对西安—商洛高速公路的各个工程区进行了生态效益动态评价；陈晓安等[3]从水土流失状况、水土保持防治效果、水土流失危害角度构建生产建设项目水土保持评价模型，并对比分析了点状与线状生产建设项目间的水土保持效益差异；杨婵[4]以山区公路建设项目为对象，选取有效指标建立水土保持综合效益评价模型，对建设项目不同时期和不同防治区的水土保持措施综合效益进行了动态评价；林显锋等[5]根据绿化特征及其功能，从多方面构建公路绿化综合评价指标体系，并应用层次分析法计算确定各指标权重。但是，目前关于南方丘陵区高速公路建设项目水土保持效益评价的研究还缺少系统性的总结和分析，且大多数研究采用的数据来源于水土保持方案，并不是生产建设项目的实际监测数据，评价结果可能存在偏差。本研究基于高速公路建设项目监测数据，构建水土保持综合效益评价指标体系，以位于南方丘陵区的广昌—吉安高速公路（以下简称“广吉高速”）、南昌—上栗高速公路（以下简称“昌栗高速”）、铜鼓—万载高速公路宜丰联络线（以下简称“宜丰联络线”）为例，开展水土保持综合效益评价。

1 研究区概况

广吉高速是沈海高速广昌—吉安段的新建工程，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个部分组成，路线全长189.28 km。昌栗高速是南昌—上栗段的新建工程，位于江西省南昌市、宜春市、萍乡市境内，路线起点与南昌城市道路相接，并与南昌市西外环高速枢纽相连，终于江西省萍乡市上栗县金山镇上塘村，设枢纽互通与萍洪高速相接，路线全长223.09 km。宜丰联络线是一条东西横线，东连杭州—长沙国家高速公路南昌—天宝段、大庆—广州国家高速公路宜丰段，西连铜鼓—万载高速公路，并通过铜鼓—万载高速公路连通杭州—长沙国家高速公路铜鼓段；起于江西省宜春市宜丰县天宝乡彪马岭村，设置天宝枢纽互通与南昌—铜鼓高速公路相接，终点与铜鼓—万载高速公路在黄岗设枢纽互通相接，路线全长25.48 km。

广吉高速、昌栗高速、宜丰联络线项目区均属亚热带湿润季风气候区，四季分明、降水充沛、日照充足，其中广吉高速项目区年均降水量1 458～1 863 mm，昌栗高速项目区年均降水量1 545～1 732 mm，宜丰联络线项目区年均降水量约1 732 mm，且降水均集中在4—9月；广吉高速项目区年均气温18.0～18.8 ℃，昌栗高速和宜丰联络线项目区年均气温17.1～17.7 ℃。3个高速公路项目区地貌类型包括平原、丘陵、山地，主要土壤类型为红壤和水稻土，地带性植被为亚热带常绿阔叶林，现状植被为天然次生林、半次生林和人工林，植被类型主要为针叶林、针阔混交林和灌丛等。3个高速公路项目区均位于南方红壤丘陵区，土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主，容许土壤流失量为500 t/（km2·a）。

2 研究方法

2.1 评价指标体系构建

通过整理和分析高速公路建设项目水土保持评价相关的文献资料和技术文件[6-8]，选取其中出现频率较高的评价指标，结合《生产建设项目水土保持技术标准》（GB 50433—2018）和3个高速公路项目的水土保持监测报告和设施验收报告，通过层次分析法构建高速公路建设项目水土保持综合效益评价指标体系[9]。其中：第1层为目标层；第2层为准则层，包括2个影响因子；第3层为指标层，包括13个评价指标，见表1。

2.2 评价指标权重确定

邀请多位水土保持专家运用1～9标度法[10]对评价指标进行打分，

邹龙宇等：南方丘陵区高速公路水土保持综合效益评价研究

根据专家评分表的统计结果，构建准则层对目标层判断矩阵A-B、指标层对水土保持设施因子判断矩阵B1-C、指标层对水土流失防治效果因子判断矩阵B2-C，进行一致性检验，

并通过层次分析计算出各指标权重。

2.3 水土保持综合效益评价

主成分分析即利用降维的思想，将多个变量转化为少数几个综合变量（主成分），其中每个主成分都是原始变量的线性组合，且之间互不相关，从而使这些主成分能反映原始变量的绝大部分信息，且所含信息互不重叠。本研究通过主成分分析法确定水土保持综合效益，主要步骤为：指标数据标准化—指标间相关性判定—确定主成分个数—确定主成分表达式。

3 结果与分析

3.1 评价指标权重

判断矩阵A-B、B1-C、B2-C的最大特征根λmax分别为1.130、8.264、5.062，一致性比率分别为0.000 0、0.026 7、0.013 9，均小于0.100 0，满足一致性检验标准，其计算得到的各指标权重见表2。

各评价指标对水土保持综合效益的贡献率排序为：林草植被恢复率＞水土保持投资＞林草覆盖率＞植物措施＞护坡工程＞排水工程＞土壤流失控制比、水土流失治理度＞临时拦挡＞临时排水、临时覆盖＞临时沉沙＞场地整平。由于本研究主要分析高速公路建设项目在施工末期至运行期期间的水土保持综合效益，此时大部分公路主体工程已建成，主要施工建设活动已基本停止，水土保持措施已布设完毕，因此水土流失防治效果是水土保持综合效益评价中的重要内容，准则层水土流失防治效果的权重更高。良好的植被覆盖对防治土壤侵蚀起到关键作用，且相较于水土保持工程措施，植物措施工艺相对简单、成本更低、效益更高，是高速公路水土流失治理的重要手段，因此在水土保持设施因子和水土流失防治效果因子层次下，

与植物有关的指标权重都较高。在施工末期，由于高速公路各防治区的水土保持工程措施和植物措施均已基本布设完毕，因此水土保持临时措施在水土流失防治方面所起的作用相对较小，水土保持临时措施有关的指标权重相对较低。

3.2 主成分分析结果

经计算，KMO抽样适合性检验统计量为0.623，处于勉强适合水平，Bartlett检验得到显著性指标p＜0.001，达到极显著的水平，两种检验结果均表明高速公路建设项目水土保持综合效益评价适合主成分分析。表3为主成分分析的贡献率结果，前4个主成分的累计贡献率达90.36%（一般要求＞85%[11]），特征值分别为7.770、2.102、0.885、0.991，说明这4个主成分基本包含了全部指标所具有的信息，因此可用这4个主成分来反映高速公路各防治区水土保持综合效益。

3.3 水土保持综合效益评价

将高速公路建设项目依据施工工艺、水土流失防治责任等分为不同的水土流失防治分区，包括路基工程区、互通工程区、桥梁工程区、附属设施区、取土场区、弃土场区、施工生产生活区、施工便道区共8个水土流失防治区。表4为计算得到的3个高速公路建设项目的水土保持综合效益评价结果。宜丰联络线得分最高，水土保持综合效益最好，昌栗高速得分最低，水土保持综合效益最差。

高速公路建设项目中路基工程作为主要的建设工程，因其在建设过程中扰动面积大、扰动时间长，通常造成大面积裸露地表，易产生大规模的水土流失，故路基工程区是高速公路建设项目区水土流失防治的重点区域[12]。广吉高速路基工程区水土保持综合效益最好，其路基工程水土保持投资达63 402.43万元，占项目水土保持投资的76.18%，高于昌栗高速（72.28%）和宜丰联络线（73.34%）。此外，广吉高速路基工程的边坡植被大多选择适应性较强的乡土植物，结合浆砌石人字形骨架和方格形骨架进行防护，在骨架内配备植生袋，袋内配有有机肥、保水剂、土壤改良剂等植物生长基质，并对中央分隔带、护坡等进行大面积的草籽喷播，栽植当地适生的乔灌木，这些措施使得广吉高速路基工程区林草覆盖率和林草植被恢复率分别达到46.1%和99.3%，高于昌栗高速路基工程区的45.7%、98.7%和宜丰联络线路基工程区的45.4%、98.8%。

取土场区、弃土场区前期立地条件差，植物生长缓慢、存活率低，地表裸露时间长，区域内水土流失通常比较严重，因此这2个防治区的水土流失防治十分重要[13-14]。3个高速公路建设项目的取土场区水土保持综合效益评价得分接近，而弃土场区得分相差较大，其中宜丰联络线得分最高，昌栗高速得分最低。宜丰联络线建设规模较小，弃土（石、渣）量为92.5万m3，弃土场占地面积为18.17 hm2，弃土场区水土保持投资为585.54万元，约占项目水土保持投資的5%；而昌栗高速建设规模较大，弃土（石、渣）量为187.65万m3，弃土场占地面积为32.22 hm2，但是弃土场区水土保持投资仅为632.7万元，只占项目水土保持投资的0.51%。此外，宜丰联络线弃土场区通过喷播草灌，结合浆砌石人字形骨架护坡，有效控制了弃土场边坡土壤侵蚀，植物长势和植被恢复效果较好，水土流失治理度达98.5%，林草覆盖率和林草植被恢复率分别达96.1%和98.5%，高于昌栗高速弃土场区的83.5%和96.9%。

4 建议

高速公路项目建设过程中，应加大对路基工程区、取土场区、弃土场区等水土流失严重区域的水土保持投资力度。注重水土保持工程、植物和临时措施的有机结合[15]，通过场地整平以减少施工对高速公路建设项目区地表和土壤结构的影响；对裸露地表进行临时苫盖并修建截排水沟等防洪排水设施，以减轻降水冲刷造成的水力侵蚀；对开挖和填筑边坡，应及时实施护坡工程，并结合喷播植草，以快速恢复边坡植被覆盖；定期监测各水土流失防治区植被的存活率、生长情况，以及工程设施的运行和质量状况，对枯死、病死的植物应立即采取补植补种措施，更新草种，加强植被修复工作；及时维修受损的水土保持工程设施，加强工程设备的日常养护管理[16]。通过科学、合理、全面的水土保持措施布设及严格的后续管理，实现高速公路建设项目水土保持综合效益的最大化。

5 结论

针对南方丘陵区高速公路建设项目扰动范围大、水土流失严重的问题，以位于南方丘陵区的广吉高速、昌栗高速、宜丰联络线为例，基于层次分析法构建水土保持综合效益评价指标体系，指标体系包含1个目标层、2个准则层和13个指标层，在指标体系中林草恢复率、水土保持投资、林草覆盖率3个指标的权重较高。另外，基于主成分分析法评价了3个高速公路建设项目的水土保持综合效益，其中宜丰联络线水土保持综合效益得分最高，为4.214，昌栗高速得分最低，为3.903。对于高速公路建设项目主体工程的重要组成部分——路基工程，广吉高速路基工程区水土保持投资高，植物措施实施效果好，林草植被恢复率和林草覆盖率较高，水土保持效益好。3个高速公路建设项目取土场区水土保持综合效益得分比较接近，但宜丰联络线弃土场区通过喷播植草和护坡工程，植被恢复效果较好，水土保持效益好，而昌栗高速弃土场区弃土量大，水土保持投资较少，水土保持效益差。

对于高速公路建设项目，路基工程等主体工程规模较大，扰动地表面积范围大，产生的水土流失量多，在水土保持综合效益评价中占比较大；取土场区和弃渣场区边坡坡度大且土质松散，地表裸露时间长，土壤侵蚀严重。这些防治区是高速公路建设项目水土保持工作的重点和难点。应科学合理布设水土保持工程、植物和临时措施，加大水土流失防治重点区域的水土保持投资力度，做好定期水土保持设施质量和植被生长情况监测，加强后续日常管理，提升高速公路建设项目水土保持综合效益。

[参考文献]

[1] 宋磊，宋军，周勇.南方山区高速公路建设中的水土保持工程[J].公路，2008（7）：275-277.

[2] 于坤霞，白璐璐，李占斌，等.线性生产建设项目生态效益动态评价及其指标权重分析：以西安—商洛高速为例[J].中国水土保持科学，2018，16（4）：115-123.

[3] 陈晓安，谢颂华，张磊，等.生产建设项目水土保持综合评价[J].水土保持通报，2012，32（5）：286-290，295.

[4] 杨婵.恩施州山区公路建设项目水土流失综合效益动态评价与水土流失特点研究[D].恩施：湖北民族大学，2021：46-47.

[5] 林显锋，符锌砂.公路绿化综合评价指标体系的构建[J].中外公路，2008，28（5）：21-24.

[6] 向慧昌，李峰，袁丹凤，等.探讨如何做好水土保持效益评价[J].北京农业，2012（30）：65-66.

[7] 张艳红.建设项目实施中水土保持评价内容及方法探析[J].地下水，2018，40（3）：230-231.

[8] 张峥，陈吉虎，姜德文，等.高速公路项目水土流失影响指数的应用研究[J].水土保持通报，2014，34（2）：116-119.

[9] 邓雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J].数学的实践与认识，2012，42（7）：93-100.

[10] 夏积德，吴发启，周波，等.相关规划产生水土流失影响评价研究[J].水土保持研究，2016，23（5）：129-133.

[11] 李靖华，郭耀煌.主成分分析用于多指标评价的方法研究：主成分评价[J].管理工程学报，2002，16（1）：39-43.

[12] 张凯.高速公路水土保持方案编制技术探讨：以太原二环高速公路东环段为例[J].山西交通科技，2015（6）：100-102.

[13] 孙青，卓慕宁，朱利安，等.论高速公路建设中的生态破坏及其恢复[J].土壤与环境，2002，11（2）：210-212.

[14] 黄邦义.闽粤高速公路泉州永春至龙岩永定段工程水土保持监测分析[J].亚热带水土保持，2021，33（3）：46-50.

[15] 卓慕宁，李定强，贺新良，等.论高速公路建设中的水土保持生态恢复[J].水土保持研究，2003，10（4）：209-211.

[16] 馬少杰，刘国东.高速公路建设水土流失分析及水土保持研究[J].公路，2006（10）：128-134.