公路工程线性扰动下的水土流失特征及其生态防治技术研究

随着“交通强国”战略持续推进，我国公路总里程已突破 535万公里，但大规模建设引发的生态扰动不断加剧。据 2022 年《中国水土保持公报》显示，公路建设导致的水土流失面积达 2300 平方公里，直接经济损失超 50 亿元，其中黄土高原区侵蚀模数高达5000 t/（km²·a） 和 3200 t/（km²·a），引发土壤养分流失、生物栖息地破碎化及滑坡、泥石流风险上升。2021 年河南“7·20”暴雨期间，边坡防护不足导致的公路损毁占比达 63% ，暴露了传统工程防护在极端气候下的适应性不足。现有研究多集中于单一技术优化，缺乏对侵蚀机制系统解析与多技术协同效应的深入探讨。面对极端气候与特殊地质条件的挑战，亟需构建适应性更强的综合治理体系。

1 公路建设中的水土流失特点（ 水土流失时空特征与驱动机制

公路工程因其线性延伸、施工周期长及地貌扰动显著等特点，导致水土流失呈现复杂的时空分异规律。本节结合典型区域案例与最新监测数据，从空间分布、时间动态及侵蚀形式三方面展开分析。

1.1 空间分异与线性扰动效应

如图 3 所示，冻融循环次数从 30 次增至 60 次时，土壤剥蚀厚度由 2.1cm/a 升至 5.3cm/a ，呈显著线性相关（ R²=0.92 ），体现了冻融作用对高原侵蚀的驱动。公路线性延伸打破地貌连续性，导致水土流失呈现显著空间异质性：西南喀斯特山区路堑开挖使坡度＞45°的边坡占比从 12% 增至 62% ，侵蚀模数峰值达 5800 t/（km²·a），重力侵蚀贡献率 43% ；西北干旱区路基填筑致地表粗糙度降低30% ，盐渍化路段风蚀速率达 8.6±0.5 t/（km²·d），为非盐渍区的2.3 倍，且运营 5 年以上边坡植被退化率达 34.7% （p<0.05），土壤抗剪强度下降 18.2% ；青藏高原冻融区年均冻融超 50 次路段剥蚀厚度达 3-5cm/ 年。此外，公路 300m 范围内植被覆盖度下降 40% 60% ，生物多样性降低 28% ，形成水土流失风险带状扩散的“廊道效应”，需针对性设计分区防控。

表1 不同地貌单元水土流失特征对比

1.2 阶段累积性与动态演变

公路建设周期涵盖施工准备、主体施工及运营维护三个阶段，各阶段水土流失特征差异显著。施工前期（土方开挖期）是侵蚀强度峰值期，约占全周期流失总量的 70%-80% 。例如，在高速公路两侧 0～300m 范围内的植被覆盖度下降较为明显，且叶面积指数（LAI）的离散度在 300m 范围内相对最大。施工后期虽通过防护措施降低侵蚀强度，但临时堆土场和未硬化便道仍存在次生侵蚀风险。运营期因植被恢复滞后或维护不足，可能引发长期累积效应。2022年粤港澳大湾区公路监测显示，运营 5 年以上的边坡植被退化率超过 30% ，导致土壤抗剪强度下降 18% 。

1.3 侵蚀形式多元化与复合机制除传统水力与重力侵蚀外，特殊环境下的复合侵蚀机制日益突出：

（1）冻融 - 水力耦合侵蚀：青藏高原 G109 国道沿线，基于CT 扫描的裂隙分形维数 D=1.73⟶1.92 （ R²=0.87 ）验证裂隙网络发育程度，冻融循环诱发张性裂隙（密度 5-8 条 /m² ），裂隙导流能力的提升使单次降雨产沙量增加 1.8 倍（从 12.6t/hm² 增至 35.2 t/hm² ），验证了优先流对深层侵蚀的加剧效应。

（2）盐碱- 风蚀协同作用：新疆G217 国道穿越盐渍化区域，土壤含盐量 >1.5% 的路段，风蚀速率较非盐渍区提高 2.3 倍，盐结晶作用进一步破坏土壤团聚体结构。

（3）公路建设改变青藏高原冻融环境：路基吸热使周边 50m 范围内土壤年冻融循环次数从自然状态的 35 次增至 58 次，裂隙发育密度提高 1.8 倍，为水力侵蚀提供优先流通道。

表2 复合侵蚀类型与机制

2 公路建设水土保持技术体系创新

2.1 工程防护技术升级

（1）生态型挡土结

传统重力式挡土墙正逐步向生态 - 力学协同设计转型。3D 打 印护坡模块采用六边形多孔结构，适配川藏公路等陡峭岩质边坡（坡 度 30° -50°），其透水性（1.2×10 ⁻ ² cm/s）与生态混凝土结合， 既保障边坡稳定（安全系数＞ 1.35），又为植被扎根提供生境；应 用后次降雨产沙量从 12.5±1.3 t/hm² 降至 5.7±0.8 t/hm²，减沙效 益达 54.4%，显著高于传统生态袋护坡（32.7%，p<0.05）。加筋土 挡墙通过高密度聚乙烯格栅（抗拉强度≥ 80 kN/m）与改良填土的 分层压实，界面摩擦角 δ=32°，使 15m 墙高稳定系数 Fs>1.35， 并节约混凝土用量 60%。格宾挡墙创新采用玄武岩纤维网箱（网孔 尺寸 10×12 cm，透水系数 1.2×10 ⁻ ² cm/s），填充火山渣与种 植基质，配合深根植物使边坡稳定系数提升至 1.35。

（2）仿生护坡技术

受生物矿化机理启发，研发的生态混凝土通过掺入 5% 纳米SiO ₂ 与 3% 聚丙烯纤维，使抗压强度达 25MPa 的同时孔隙率保持22% ，为植物根系延拓创造生境。3D 打印护坡模块实现地形自适应性设计，采用地质聚合物基材料（粉煤灰掺量 70% ）制成的六边形构件，其水力糙率系数 n 值达 0.025，较浆砌石护坡消能效率提高40% 。

（3）智能排水系统

基于物联网的径流调控系统在云南某高速公路成功应用，通过毫米波雷达实时监测坡面流速，联动可调式截水沟（开度精度 ±2 mm），使施工期可调式截水沟通过 ±2mm 开度精度的动态调控（公式推导见附录 A），将泥沙拦截率提升至 89% 。地下排水系统创新采用毛细透排水管（孔径 0.3mm ），结合负压调控装置，在黄土高原区使地下水位下降速率提高3 倍。

表3 工程防护技术对比

2.2 植被恢复技术突破

（1）基质 - 植物协同优化

针对岩质边坡研发的有机- 无机复合基质，以建筑渣土（ 60% ）、生物炭（ 15% ）、保水剂（ 2% ）构成，其饱和持水量达 45% ，较传统客土提高 120% 。在青藏高原应用耐寒菌根真菌（Glomusmosseae）接种技术，使垂穗披碱草生物量增加 65% ，根系抗拉强度达 18 MPa。

（2）立体防护模式

乔木 - 灌木 - 草本 - 苔藓’立体防护中，乔木（如云南松）起固坡作用，灌木（如紫穗槐）拦截坡面径流，草本（如结缕草）覆盖地表减少溅蚀，苔藓则通过生物结皮降低土壤可蚀性，四层协同使喀斯特山区 5 年土壤团聚体稳定性提高 0.82mm 。乔木 - 灌木 -草本 - 苔藓 " 四层结构在福建某高速公路试验显示：5 年后土壤团聚体稳定性（MWD）提高 0.82mm ，地表径流系数降至 0.15。无人机飞播技术实现种子投放定位误差≤5m，每公顷精准投放12 万粒，配合超吸水聚合物包衣（保水率 120% ），使喀斯特地区 3 年植被盖度达 78% 。

2.3 智慧监测技术集成

空天地一体化智能监测网络在粤港澳大湾区公路网的应用表明：Sentinel-1 SAR 数据可穿透植被监测浅层滑坡，精度达 86% ；“Sentinel-1 SAR 数据通过监测浅层滑坡（精度 86% ），可反演坡体稳定性变化，间接预警重力侵蚀引发的水土流失风险。

无人机 LiDAR（点密度 200pts/m² ）实现侵蚀沟三维重构，体积测算误差 <5%_< 。基于BIM 的水土保持数字孪生系统（SW-DT），通过实时耦合气象数据与土体参数，成功预警 2023 年川藏公路某段泥石流灾害，为应急管理赢得72 小时黄金时间。

3 公路工程水土流失协同治理体系构建（ 多尺度协同治理体系）

图 1 公路水土流失综合治理技术体系

（注：左侧‘问题诊断层’通过解析空间分异与复合侵蚀机制，为中间‘技术调控层’（工程防护、植被恢复等）提供靶向目标；右侧‘智能决策层’基于前两层数据输出治理方案，形成‘诊断 -施策 - 反馈’闭环）

3.1 多尺度空间分异治理策略

图2 三级梯度防控空间治理框架示意图 图3 冻融循环次数与土壤剥蚀厚度的示意图

如图 2 所示，本研究基于“扰动强度 - 生态敏感性”划分构建了三级梯度防控框架：核心防护区（红线内 50m ）受直接工程扰动，采用抗滑桩 - 植生袋等刚性防护措施，现场试验表明桩间距 ⩽2m 时浅层滑坡发生率降低 72% （ p<0.01 ）；缓冲调控区（50-100m）通过植被修复应对径流改道等间接影响；外围修复区（ 100-300m ）依托自然恢复形成生态缓冲带。针对地貌空间异质性，西南喀斯特山区建立重力侵蚀防控带，西北干旱区采用 0.5m×0.5m 草方格 + 耐盐雾封层技术使输沙量降至对照组 31.7% （ p<0.05 ），青藏高原冻融区应用≥ 15cm 相变储能隔热层将冻融循环次数从年均 58 次降至 27 次，土壤剥蚀厚度减少 64% 。该框架通过“监测数据 - 措施调整”联动实现动态优化。

3.2 生命周期过程调控技术

（1）对公路建设各阶段侵蚀特征，构建动态调控模型

 式中：CET 为综合侵蚀阈值，α、β、γ 分别为施工期、运营期、自然恢复系数（取值范围 0.3-0.7）；K 为土壤可蚀性因子；LS 为坡长坡度因子；SDR 为泥沙输移比，VFC 为植被覆盖度，t 为运营年限，τ 为生态恢复时间常数（取 3.8 年）。模型验证显示，其预测精度 R²=0.873 （ n=127 ）。在施工期采用移动式侵蚀控制装置（MECS），集成激光雷达实时扫描与 3D 打印技术，使临时堆土场侵蚀模数从 2850t/（km²⋅a） 降至 920t/（km²⋅a） 。运营期通过无人机集群实施精准生态修复，机器学习算法优化后的播种方案使植被恢复周期缩短 42% 。动态调控模型（CET）通过实时计算综合侵蚀阈值指导实践：施工期当 CET>0.6 时，启动移动式侵蚀控制装置（MECS）；运营期 CET <0.3 时，可减少监测频率，实现‘风险分级 - 精准施策。

（2）技术演进趋势（2024-2030）

图4 水土流失动态调控模型应用流程

表4 生命周期过程的技术演进趋势

注：“气凝胶隔热层（导热系数 0.018W/m⋅K ）较传统聚氨酯材料（ 0.030W/m^⋅K ）降低 40% 。

3.3 多目标协同优化机制

为解决传统治理中生态- 经济目标冲突，建立多目标规划模型：

Max {EcoBenefit， Cost^-1 ， Safety}

s.t. Σ（resource） ⩽ Budget

SlopeStability ⩾1.25

采用 NSGA-II 算法 reto 前沿，案例研究表明：当投资强度达280 万元 /km 时，生态效益与工程安全可实现帕累托最优（边际效益转换率 Δ=0.83 ）。基于区块链的协同管理平台实现跨部门数据共享，在浙江某高速公路应用中，工程变更响应时间从 14 天缩短至 3.2 天。

3.4 智能决策支持系统开发

集成数字孪生与联邦学习技术，构建 HECM 2.0 系统。系统包含132个参数输入层、8个隐藏层（每层256节点）及3个决策输出层。在粤港澳大湾区验证中，系统对侵蚀热点的预测准确率达 89.7% ，较传统模型提升23 个百分点。通过迁移学习实现跨区域知识共享，模型在西北干旱区的泛化能力F1 值达 0.812

4 结语

本研究通过多尺度观测与模型耦合，明确了公路线性扰动下水土流失的时空分异规律，创新性提出“三级梯度防控”框架与动态调控模型，实现了侵蚀风险精准预警与生态修复效率提升。本研究提出的三级梯度防控框架，与《美丽中国建设纲要（2035）》中‘生态廊道修复工程’直接衔接。其中草方格技术已纳入《干旱区公路设计规范》（JTG/T 3），支撑‘一带一路’跨境公路风蚀防治。”建议后续研究从三方面深化：（1）结合《关于进一步加强生物多样性保护的意见》，量化公路廊道对生态网络连通性的影响阈值；（2）依据《十四五土壤污染防治规划》，研发重金属迁移阻控型生态材料；（3）参照《新型基础设施建设规划》，构建“空 - 天 - 地”一体化智能监测网络将三级防控框架纳入" 双重规划" 重点工程（专栏 7）。研究成果可为交通、水利、生态等多部门协同治理提供跨学科解决方案。

参考文献

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