多年冻土区公路建设环境保护关键技术与水土流失

土壤侵蚀很早就受到国际社会的重视。美国的土壤科学工作者和工程师们很早就发现，许多因素如降雨的类型和总量、坡长和坡度、土壤的可侵蚀性、农作物和管理措施等，都和土壤流失量有着密切的关系，他们认识到需要把这些因子对土壤的影响定量化，以便制定实际的防治措施。1930—1942年是美国土壤侵蚀研究的黄金时期，在H. H. Bennett的带领下，在有代表性的10个侵蚀区建立了土壤侵蚀实验站，为美国土壤侵蚀的研究提供了宝贵的数据。通用土壤流失方程里的作物管理因子就是完全建立在这些试验数据基础上的；Duley和Hays（1932年）对土壤侵蚀中的坡度和坡长因子进行了研究。Smith（1941年）首次定量研究了土壤允许侵蚀量。Laws（1940年）对自然降雨进行了研究，Ellison（1947年）对雨滴作用机制进行了分析。随着数据的积累，科学家们开始建立土壤侵蚀预报方程式，土壤侵蚀预测模型最早由Zingg（1940年）提出，他认为土壤侵蚀量是坡度和坡面的水平长度的函数，但并没有把降雨因子考虑进去。Musgrave在1947年提出了降雨特性与土壤侵蚀量之间的关系式。Smith和Whitt（1947—1948年）提出了一个由坡长、坡度、作物轮作、土壤类型、土壤保持措施等因子组成的预报方程，但方程中没有独立的降雨因子。1965年Wischmeier、Smith和其他学者研制出了通用土壤流失方程（universal soil loss equation,USLE），该模型用六个因子的乘积形式量化了土壤侵蚀，这六个因子是降雨和径流侵蚀力、土壤可蚀性、坡长、坡度、作物管理以及水土保持措施。由于因子选取合理，模型以最大30 min降雨强度和降雨能量来表征降雨因子，并将作物和管理因子缩短为作物的一个生长周期，通用方程是迄今为止运用最为广泛的土壤侵蚀预测模型，但该模型所使用的数据主要来自美国落基山脉以东地区，仅适用于平缓坡地，使其推广应用受到限制。另外，由于该模型只是一个经验模型。缺乏对侵蚀过程及其机理的深入剖析。如仅考虑了降雨侵蚀力因子，未考虑与侵蚀密切相关的径流因子，坡长与降雨、坡度与降雨等有关因子交互作用也被忽略等。20世纪70年代以后，美国应用现代化的试验测试手段和计算机模拟技术，根据细沟间侵蚀及细沟侵蚀的原理及泥沙输移的动力机制，建立了修正的通用土壤流失预报方程（revised universal soil loss equation, RUSLE），修正后的方程较好地考虑了各因子之间的相互作用，作物和管理因子缩短为 15 天，应用范围得到较大拓宽，不仅应用于非扰动地，在环境评价、荒地开垦、矿区及建筑工地的土壤流失量计算中也得到广泛应用。

国外很早就注意到矿产开采、工程施工引起的水土流失问题。1967年Wolinan等对工程施工和采矿的松散堆积物进行了研究。因缺少矿区、建筑工地及复垦土地的特定土壤侵蚀预报方程，1997年在美国内务部、矿务复垦及环境办公室的支持下，研究提高了RUSLE在这些地区的适用性和准确性，并建立了1.06 版RUSLE。但总的来说，对于工程建设引起的水土流失研究得还不深入。在美国进行水蚀预报模型研究的同时，英国、荷兰和澳大利亚等国也在开发适应本国或本地区的土壤侵蚀预报模型。英国Morgan等人根据欧洲土壤侵蚀的研究成果，开发了用于描述和预报田间和流域的土壤侵蚀预报模型（european soil erosion model, EUROSEM）。荷兰科学家结合本国的实际和研究成果，开发了土壤侵蚀预报模型（limberg soil erosion model, LISEM）。其他国家如澳大利亚也在开发自己的土壤侵蚀预报模型。

研究土壤侵蚀机制及进行土壤侵蚀预测，目的是将预测的土壤侵蚀模数与可接受的临界值加以比较，从而确定土地利用的方式，另外还可以评价不同水土保持措施的功用。目前为止，土壤侵蚀控制方面的成果数量不多，主要有耕作保护和化学控制等方法，其目的在于减少径流冲刷，提高土壤抗冲性，得到了非常广泛的应用。

国外公路建设项目水土保持起源于土地复垦，是伴随土地复垦而不断发展的。国外土地复垦最早始于德国和美国，进入20世纪70年代，复垦技术逐步形成了一门多学科、多行业、多门联合协作的系统工程，许多企业自觉地把土地复垦纳入设计、施工和生产过程中。国外水土流失控制技术主要是：

① 确定和设计合理的边坡角度。从植物生长来看，自然安息角是最低要求。

② 防蚀工程措施。主要是指土石方工程，包括斜坡固定工程。

③ 植被恢复措施。主要目的是迅速覆盖地表，控制水土流失。

随着高速公路建设的发展，国外在公路建设方面的水土保持问题日益受到重视。高速公路建设中的侵蚀控制、陡坡稳定技术、土地覆盖等问题已经成为国际侵蚀控制学会主要探讨的问题之一，高速公路及其筑路建设中的水土保持技术和设计的研究已经成为水土保持研究的新的发展方向。(www.xing528.com)

我国是世界上水土流失最严重的国家之一，据中华人民共和国成立初期不完全统计，全国水土流失面积达153万km2，约占全国总面积的1/6。从20世纪20年代末，我国开始了系统的土壤侵蚀研究，先后在四川内江、甘肃天水、陕西长安、福建河田等地建立了土壤侵蚀研究试验区，积累了一些研究资料和研究经验。从50年代到90年代初，我国在土壤侵蚀规律及预测预报的研究中取得了较大进展和显著成效。

1981—198　2年王万忠根据延安、绥德、子洲等地的降雨径流观测资料，分析了五种降雨特性参数（包括降雨量、降雨历时、降雨强度、降雨次数、瞬时雨率）与土壤流失量的关系，得出各种降雨参数与土壤流失量的相关程度以瞬时雨率为最好，降雨历时最差的结论。江忠善（1983年）、刘素媛等（1988年）、黄炎和等、周伏建（1995年）等对降雨动能进行了研究，建立了适用于我国的单位降雨动能公式一般为指数函数形式或幂函数形式。1996年王万忠等人通过研究全国九个代表站的资料，提出了次降雨量的降雨侵蚀力R值的简易算法公式，并通过对全国12个站点313个站年资料的统计分析，建立了我国估算年降雨侵蚀力R值的公式。同时一些研究者也对工程施工引发土壤流失量进行预测。薛嵎等通过对国道112线丰宁段公路水土流失的情况调查，认为公路施工造成的水土流失变化强烈，土壤侵蚀量急剧增加，影响时段内每年新增侵蚀总量为原土壤侵蚀总量的1.97倍。其中弃土场废弃岩土侵蚀量占总侵蚀量的42.1%，路基边坡侵蚀量占总侵蚀量的30.2%，为公路建设项目水土流失的防治重点。杨剑峰等对公路建设项目新增土壤流失预测时段确定的有关问题进行了探讨，指出根据开发建设项目的实际情况和区域水土流失特点，确定符合实际的预测时段，能提高预测结果的准确度，有利于防护措施的优化配置。

我国公路水土保持起源于公路边坡防护。中华人民共和国成立后，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、护坡工程、过水涵洞等，在滑坡、坍塌防治方面取得了一些成功的经验。但改革开放后，随着经济的迅猛发展，国家大型公路建设项目纷纷上马，新的水土流失愈演愈烈。愈发严重的水土流失、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。1991年颁布了《中华人民共和国水土保持法》，1993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。1995年5月30日水利部发布了《开发建设项目水土保持方案编报审批管理规定》，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。公路建设项目水土保持方案的编制对于公路设计者来说是一项新的任务，与公路建设相适应的水土保持技术和方法的研究是公路设计者新的工作方向。

在实践方面，和国外相比国内在水土保持方面研究起步较晚，直到20世纪90年代，随着高等级公路的发展以及人们对公路环境问题认识的提高，才开始进行系统的防护研究。1996年云南省昆明至曲靖高速公路全线路堑、路堤、中央分隔带和立交区等进行了全面防护和绿化，并首次采用瑞士湿法喷播技术进行大规模的植被种植，为我国公路绿化技术的提高做出了有益的尝试（陈济丁，1998年）。1996年10月交通部在昆明举办的“全国交通环保培训班”，为公路绿化尤其是喷播技术的宣传和推广起到了积极的推动作用。近几年我国公路防护技术有了长足的进步，各种新技术已经在公路绿化中得到了广泛应用。

在理论研究方面，中国科学院南京土壤研究所王库，中国科学院成都生物研究所吴彦，中国科学院地理研究所吴淑安，中国科学院水利部西北水土保持研究所李勇、吴钦孝、朱显漠等人通过模拟降雨试验对根系对土壤侵蚀的防护效应进行了研究。解明曙在综合国内外现有研究成果的基础，对植物根系固坡的力学机制进行了深入的理论研究；云南省地理研究所周跃根据土壤学、生态学和植物生理学的有关原理，在国内引入了坡面生态工程（slope eco-engineering, SEE）的概念。这些研究成果在高速公路的生态防护的设计、施工与管理上起了有益的指导作用。

目前，高速公路边坡工程在我国没有成功的经验和定型的模式，更无技术规范可循，也没有专门的设计单位和施工队伍，多依赖于园林部门和高等农林院校，但往往由于高速公路的特殊性，在诸多方面造成了浪费和不合理现象。一方面表现在施工过程中采用传统的边坡防护治理措施，大量使用工程防护，生态防护只是其中的点缀作用，忽视了植物防护的生态功能；另一方面表现在以往片面强调了植物的景观功能，而对边坡的稳定性考虑不足，往往有防护过后失稳的情况发生。此外，国内的研究人员过多集中水土保持学的研究，忽略了坡面植物根系的工程力学行为及与植物防护与工程防护相结合防护的研究，因而防护理论远远落后于防护技术应用的发展。