（交通运输规划与管理专业论文）公路生态环境监控系统研究.pdf

摘要 我国公路交通的跨越式发展不仅带来了巨大的经济效益和社会效益，也对公路沿线 的生态环境产生了较多的负面影响，给人类文明的延续和社会经济的发展设置了较难逾 越的障碍。论文在综合考虑公路交通发展内涵转变、交通规划与设计理念的发展变化等 背景下，重新审视公路发展与环境保护的平衡关系，以公路交通新理念为指导，开展了 公路生态环境监控系统的研究。 目前，有关公路建设引发的环境问题的研究主要集中在工程恢复或补偿方面，对水 土流失、噪声等不利现象开展了不同程度的监测，但忽略了对公路生态环境健康状况进 行全面监控的研究，缺乏对恢复或补偿措施的动态效果追踪。论文针对现有公路环境问 题对公路生态环境监控系统进行初步研究，在对公路生态环境监控内涵界定的基础上， 针对公路施工期和营运期两个阶段对沿线生态环境影响的特点，确定各阶段的监控因子 和测算方法，提出公路生态环境健康等级划分和相应的环境控制策略。基于现有g i s 技 术和计算机网络通信技术，建立基于g i s 的公路生态环境监控系统，并对该系统的功能 需求及结构组成等内容进行了深入的研究。 关键词：公路、生态环境、监控因子、监控系统、g i s a b s t r a c t t h eg r e a t l e a p f o r w a r d d e v e l o p m e n to ft h eh i g h w a yh a sn o tm e r e l yb r o u g h tt h e e n o r m o u s ec o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a l b e n e f i t ，b u ta l s oh a sp r o d u c e dm o r en e g a t i v ee f f e c t s o nt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta l o n gt h el i n eo ft h eh i g h w a y i ts e t su pt h eo b s t a c l et ot h e c o n t i n u i t yo ft h eh u m a nc i v i l i z a t i o n a n dt h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y t h et h e s i s i s u n d e rc o n s i d e r i n gb a c kg r o u n d ss u c ha sd e v e l o p m e n ti n t e n s i o nc h a n g i n g ，t r a f f i cp l a n n i n g a n dd e v e l o p m e n ta n dc h a n g eo fd e s i g ni d e a ，e t c s y n t h e t i c a l l y ，s c r u t i n i z et h eb a l a n c er e l a t i o n b e t w e e nh i g h w a yd e v e l o p m e n ta n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc l o s e l ya g a i n u n d e rt h e g u i d a n c eo fn e w i d e ao ft h eh i g h w a y ，t h e r es e a r c ho ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g s y s t e mo fh i g h w a yi sl a u n c h e d a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e mc a u s e da b o u tr o a dc o n s t r u c t i o ni s c o n c e n t r a t e do nr e s u m i n go rc o m p e n s a t i n gi np r o j e c t m a i n l y ，t h em o n i t o r i n go ft h e p h e n o m e n o nd i s a d v a n t a g e o u st os o i le r o s i o n ，n o i s e ，e t c h a v el a u n c h e dm o r eo rl e s s ，b u th a s n e g l e c t e dt h er e s e a r c ho fm o n i t o r i n gt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n th e a l t hs t a t u so ft h eh i g h w a y a l l r o u n dw a y ，a n dl a c ko ft r a c kt h er e s u l to fr e s u m i n gm e a s u r e sd y n a m i c a l l y t h et h e s i s c a r r i e so np r e l i m i n a r yr e s e a r c ht ot h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mo ft h e h i g h w a y o nt h ef o u n d a t i o nt h a ti n t e n s i o nd e f i n e so fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n go f h i g h w a y , t h ec o n t r o lf a c t o r so fe v e r ys t a g e sa n dc o n t r o lt h em e t h o d sa r ec o n f i r m e d ，t h e m e t h o do fd i v i d i n gh i g h w a yh e a l t hg r a d e sa n dt h e i rc o n t r o ls t r a t e g ya r ep r o p o s e d f i n a l l y ，o n t h eb a s i s e so fg i st e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mo fh i g h w a yb a s e do ng i si ss t r u c t u r e d ，a n dt h e f u n c t i o nd e m a n d sa n ds t r u c t u r eo ft h i ss y s t e mi sd e e p l yr e s e a r c h e d k e y w o r d s ：h i g h w a y 、e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t 、c o n t r o lf a c t o r 、 m o n i t o r i n gs y s t e m 、g i s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：并砂讥k 妒年多月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 并b - v z - _ 、 t 亿知 7 鹕年6 月1 日 砂扩年多月日 长安人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着我国社会、经济的快速发展，道路交通基础设施的建设迅猛发展。截至2 0 0 7 年底，我国公路通车总里程达3 5 7 3 万公里，其中高速公路5 3 6 万公里。随着“五纵七 横”国道主干线的基本贯通，国家级和省级交通道路网已基本建成。 公路建设的跨越式发展，不仅带来了巨大的经济效益和社会效益，也对公路沿线的 环境产生许多负面的影响，如施工弃渣浸占河道、跨越河流湖泊的桥梁加速河岸侵蚀， 施工期及营运期引起的大气污染、噪声污染和水污染，及沿线地表植被萎缩或枯死、动 物活动范围受限等，这些现象在我国公路尤其是高速公路建设中颇为常见。根据中国 生态问题报告，交通工程建设、矿产开发等引起的生态破坏已经成为生态环境恶化的 主要原因之一，并且呈加重和发展趋势。公路环境危机对人类文明的延续和社会经济的 发展设置了较难逾越的障碍，因此，如何对我国公路建设中存在的生态环境问题重新审 视，并科学合理地开展公路生态恢复成为一项迫切的任务1 1 1 。 公路环境监测是公路环境保护的基础，目前开展的公路环境监测，其内容是公路造 成的表层环境污染，对象主要是水环境、环境空气和声环境等。但是，我们应当看到， 公路工程是一种规模宏大、耗资较高、影响面广的线形带状结构物，属于生态影响型建 设项目，会穿越各种生态系统，其中不可避免地会涉及一些特殊的、敏感的生态目标或 穿越此类特殊地区，项目的付诸实施，必将对沿线生态环境带来深层次的负面影响。 因此，公路建设要达到节约资源和保护环境的目标，就迫切需要开展公路生态环境 的调查与监控，针对公路生态环境的特点及存在的问题建立一套行之有效的监控体系， 加强环保监测和监督，提高监测信息的传输和反馈速度，提高环境保护管理决策信息的 形成和实施速度，积极落实环境保护政策，为减少工程建设对公路沿线生态环境的破坏、 改善生态条件和保护自然环境提供决策依据。 1 2 有关研究综述 1 2 1 生态环境概念解析 “生态环境”这一术语出现在中国已有近6 0 年的时间，是从俄文和英文( “3 k o t o i i 和“e c o t o p c ) 翻译而梨2 1 ，但是从现在情况看，“生态环境”这一术语在我国已经较少 与“3 k o t o i i ”或“c c o t o p c ”相对应。在全国科学技术名词审定委员会公布的生物学名词 中，与“c c o t o p c ”相应的规范名词为“生境 x e 】”，我国学者已普遍将“生态环境”与 1 第一章绪论 “e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t 作为汉英、英汉双向对照名词i 引。 目前，“生态环境 这一名词频繁的出现于各行各业的报道和研究中。据不完全统 计，2 0 0 0 年到2 0 0 7 年间，中国知识资源总库中有8 7 9 6 篇期刊论文、9 1 8 篇重要会议论 文、6 1 篇博士论文和3 7 7 篇硕士论文在题名中使用了“生态环境”这一术语，有3 4 2 9 5 篇期刊论文、3 5 3 3 篇重要会议论文、2 0 9 篇博士论文和5 5 6 5 篇硕士论文在关键词中使 用了“生态环境”这一名词；学术期刊有生态环境、生态环境与保护等；我国现 行宪法、环境保护法等1 0 多部国家法律也对改善生态环境、保护生态环境、防 止对生态环境造成破坏或防治生态环境污染等内容进行了不同程度的规定。 但是，关于“生态环境的涵义存在较多的争议。a n 谢尼阔夫在植物生态学 一书中写道“对于植物重要的环境因素，叫做植物生活的生态因子，它们综合在一起， 构成植物的生态环境( 3 k o t o n ) ：w h i t t a k e r 等人认为“e c o t o p e ”是物种面临的对其产生 影响的全部环境因子的集合；上官铁梁、李博等认为“所有生态因子构成生物的生态环 境( e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ) ”【4 1 。由此可见，a n 谢尼阔夫的“3 k o t o h ”、w h i t t a k e r 等 人的“e c o t o p e 、上官铁梁和李博等的“e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t 基本思想是致的，只 是研究的对象不同罢了。若以生物为主体，生态环境可定义为“对生物生长、发育、生 殖、行为和分布有直接或间接影响的全部环境因子的综合 ；若以人类为主体，生态环 境可理解为“对人类生存和发展有影响的自然因子的综合”，即以人与自然界的关系为 基本出发点，着重强调人与自然的和谐相处，从而实现人类社会的可持续发展。 “生态环境”这一术语的出现是适应经济一社会一自然复合系统的发展，运用生态 学理论研究多元复合生态系统，体现了传统污染环境研究向生态系统机理和复合生态关 系研究的升华【5 1 。论文所研究的“生态环境”，是目前媒体、公众、法律等普遍涉及到的 “生态环境”。公路工程的建设对沿线生态环境的影响是沿道路中心线逐渐减小的，呈 沿道路中线对称的渐变回归曲线，影响波及几百米甚至上千米的范围。论文提到的“公 路生态环境”是指此影响范围内的自然保护区、水源保护地、森林、草原、湿地和野生 生物及其栖息地等，即以人类为研究主体，从生态学的角度看待公路建设这一人为活动 所引起的环境问题，研究人类活动对沿线生物生长、发育、生殖、行为和分布的直接或 间接影响，以达到公路工程与周围生态环境和谐相处的目的。 1 2 2 生态监测发展概况 ( 1 ) 生态监测的发展历程 2 长安大学硕上学位论文 生态监测是上世纪初叶发展起来的，其标志是科尔克威茨和马森提出的污水生物系 统，其后，克列门茨( c l e m e n t s ，1 9 2 0 ) 积极提倡植物监测器( p l a n tm o n i t o r ) 。7 0 年代 后，生态监测成为活跃的研究领域，并在理论和监测方法上更加丰富，在环境监测中占 有了特殊的地位。目前世界各国已开展大量的生态监测工作，如中国生态系统研究网络 ( c e r n ) 、英国环境变化网络( e c n ) 、美国长期生态学研究网络( u s l t e r ) 等，同 时一些全球性生态监测网络也已形成，如全球环境监测系统( g e m s ) 人与生物圈计划 ( m a b ) 等，遥感、g i s 技术已成为区域生态环境监测的常规工具。【& 7 一l 从1 9 5 0 年代尤其是1 9 8 0 年代以来，我国开展了一系列的环境、资源和污染的调查 与研究工作，各相关部门和单位如国家环保总局、中国科学院等都相继建立了生态研究 和环境监测站点，如草原生态环境监测站、荒漠生态环境监测站、内陆湿地生态监测站、 海洋生态监测网等，提出“地球动态观测信息网络 和“中国资源生态环境预警研究” 等方案及计划，我国的研究从单纯的环境监测发展到了环境区划和生态环境变化研究， 从城市遥感监测研究扩展到了区域环境研究，从一次性监测发展到了连续动态监测，正 在逐步建立具有合理布局、良好运行和有效管理的生态监测网络。【9 1 0 1 1 t1 2 】 但是，从整体上看，我国尚未建立起有效的、完善的生态监测网络，尽管有关部门 和系统相继建立了一些生态研究观测站、定位站和生态监测站，从事一定的生态监测工 作，但仍处于分散、重复和不规范的初级阶段，尚未形成可直接应用于生态监测具体工 作的完整和成熟的技术体系。 ( 2 ) 生态监测概念解析 生态监测是针对生态环境的监测活动或过程，目前关于“生态监测”的理解存在一 定的差异。联合国环境规划属及下设机构全球环境监测系统认为生态监测是一种系统收 集地球自然资源信息的方法；美国环保局h i r s c h 把生态监测解释为自然生态系统的变化 及其原因的监测；国内一些学者认为生态监测是运用各种技术测定和分析生命系统各层 次对自然或人为作用的反应或反馈的综合表征，以此来判断和评价这些干扰对环境的影 响、危害及其规律，为环境质量的评估、调控和环境管理提供重要科学依据的过程【1 3 】。 其实，对于生态监测来说，其内涵是研究生命系统与环境系统的关系，是环境监测 的拓宽，是采用生态学的各种方法和手段，在时间和空间上对特定区域范围内生态系统 或生态系统组合体的类型、结构和功能及其组合要素等进行系统地测定和观察，判断和 评价自然或人为干扰对环境产生的影响、危害及其变化规律，为合理利用资源、改善生 态环境和自然保护提供决策依据。 3 第一章绪论 通过分析国内外有关研究历程，可以看出，虽然不少专家和学者对生态监测有关理 论进行了较为深入的研究，并积极采用遥感、g i s 等技术建立生态监测网络，但国内外 对于公路生态监测研究较少，即使有环境监测的研究，也往往只集中于水土流失、噪声 污染等单个方面，缺乏系统的、全面的监测研究，尤其对公路施工、运营全过程缺乏动 态、连续性的监控，忽视对恢复状态的监控，对于监测结果缺乏及时的反馈分析，从而 不能针对公路施工期和营运期存在的生态环境问题采取有效的控制措施，这不仅有悖于 公路交通可持续发展的方向，而且不符合构建资源节约型、环境友好型交通的发展方向。 1 2 3 环境监测技术与方法 环境监测技术是随着环境科学的形成和发展而产生，它是运用现代科学技术方法测 取、运用环境质量数据资料的科学活动，是用科学的方法监视和检测反映环境质量及其 变化过程的各种数据的过程。随着环境监测技术的发展，已经从单一的环境分析发展到 生物监测、生态监测、遥感、卫星监测，从间断监测逐步过渡到自动连续监测，从一个 断面发展到一个城市、一个区域乃至全球，一个以环境分心为基础、以物理测定为主导、 以生态监测为补充的环境监测技术体系已初步形成。 ( 1 ) 常用环境监测方法【1 4 】 环境监测方法是在现代分析化学各个领域的测试技术和手段的基础上发展起来的， 用于研究环境污染物的性质、来源、含量、分布状态和环境背景值。它应有灵敏、准确、 精密、选择性好、操作简便和连续自动的特点，主要可分为成分分析法、结构分析法、 生物指示分析与酶法分析等。 成分分析常用化学分析法和仪器分析法，化学分析法是以特定的化学反应为基础的 分析方法，主要有重量法和容量法；仪器分析法以物质的物理、化学性质为基础，采用 各种仪器进行分析测定，包括光谱分析法、色谱分析法、电化学分析法和放射分析法等。 结构分析法是分析污染物的物理、化学状态或结构的方法，该方法对确定治理措施 和分析监测污染状况均有重要的理论和实际意义，常用的方法有紫外光谱、红外光谱、 激光拉曼光谱、质谱、核磁共振、顺磁共振、x 射线衍射法和电子能谱等。 生物指示分析是利用植物等生物体对环境中某些污染物所产生的各种信息，用来判 断环境污染的一种手段，能反映出污染物对生物体的慢性和急性作用，不需要昂贵的仪 器设备和各式各样的化学试剂，具有简便、经济实惠和无污染的特点。酶法分析法是利 用酶催化反应测定污染物含量的方法，具有专一性、灵敏度高的优点。 4 长安大学硕十学位论文 ( 2 ) 生态监测技术与方法 生态监测是环境监测的拓展，其方法有地面监测、空中监测和卫星监测等。f 1 4 j 地面监测是在所监测区域建立固定的监测站点，由人徒步或越野车等交通工具按照 既定的路线进行定期测量和收集数据。其缺点是只能收集几千米到几十千米范围内的数 据且费用昂贵，其优点是能监测到最贴近实际的数据，可以对空中或卫星监测进行校核， 而且一些数据( 如降雨量、土壤湿度、动物残余量等) 只能通过地面监测获得。地面测 量采样路线一般沿着现存的地貌( 如小路、动物活动的小道) ，收集数据包括沿线动植 物的物候现象、高度、物种及其密度、生长习性，植被覆盖等。 空中监测一般采用4 - 6 座单引擎轻型飞机，根据绘制的工作区域图，将坐标图覆 盖所研究区域，典型的坐标是1 0 k m x1 0 k m 一小格，飞机飞行高度大约1 0 0 m ，速度大 约1 5 0 k m h ，观察员前方有一观察窗口，视觉约9 0 0 ，观察地面宽度约为2 5 0 m 。 卫星监测是利用地球资源卫星观测天气、农作物生长、森林病虫害、空气和地表水 的污染等情况已经普及，它的最大优点是覆盖面广，可以获得人工难以到达的高山、丛 林等资料，但对于地面的细微变化却难以了解，因此地面监测、空中监测和卫星监测要 相互配合使用才能获得比较完整的资料。 生态监测是以宏观为主、宏观与微观相结合的工作。“3 s 技术即遥感技术、全球 定位系统和地理信息系统三项技术的结合，是宏观生态环境监测发展的方向和主要技术 基础。“3 s ”技术在我国环境领域已有不同程度的应用，但是还没有充分发挥出它的巨 大作用，在今后较长的时期内，遥感技术将在生态环境监测中得到更广泛的应用，地理 信息系统作为“3 s 的核心将发挥更大的作用。 公路工程绵延几十公里甚至上百公里，所经区域生态特征变化较大，传统的环境监 测技术只能解决局部监测问题，不能比较真实准确地表征公路生态环境的变化情况。基 于现有的环境监测尤其是生态监测的技术基础，对公路生态环境监控进行研究，不仅有 利于合理的应用现有道路环境监测条件和成果，更能够促进生态信息共享的实现，这对 有效地开展公路生态环境保护工作，提高其技术水平是十分必要的。 1 2 4 环境监控发展历程 近2 0 年来，世界各国均把先进的自动控制技术、化学分析手段和计算机测控技术 作为发展环境监测技术的重要手段，其中，西方国家及日本等一直在研究和发展在线式、 不间断测量的环境监测设备，建立了以监测空气、水质环境综合指标以及某些特定项目 5 第一章绪论 为基础的在线监测系统1 1 5 l 。随着信息技术、网络技术的飞速发展，环境监测仪器的计算 机化、网络化己成为不可逆转的潮流，网络技术、工业测控总线技术、面向对象的软件 开发技术以及无线通信技术较好的应用于环境在线监测。 在国内，己经开发出了一系列用于环境的监测和控制系统，如上海环境保护中心、 河北先科公司等。但就当前的应用情况看，还不尽如人意，主要表现为没有形成统一的 环保软硬件开发规范和标准，开发平台和数据库的选择种类繁多，致使信息交流十分困 难，对环保数据的采集能力不强，数据滞后，数据传输水平落后，数据有限且处理及分 析能力差，不能进行远程实时监测，污染源不能得到及时的控制和处理。另外，由于污 染源排放的随意性，不能对环境的污染指数进行客观的预报和预测【1 6 1 。 通过研究公路生态环境监控系统，对公路建设引起的沿线生态环境破坏和生态恢复 过程进行实时监控，不但可以对破坏进行更好更快的恢复，而且可以为有关部门做出正 确决策提供科学依据，适当调整策略，维护生态平衡，促进公路与环境、经济的协调发 展。基于上述分析，提出了公路生态环境监控系统的研究。 1 3 研究内容 1 3 1 研究内容 公路生态环境监控涉及到公路交通、环境工程、生态学、通信与控制等多个领域， 论文针对现有公路环境问题对公路生态环境监控系统进行初步研究，界定公路生态环境 监控的内涵，确定公路施工期和营运期的监控因子，结合常规环境监测方法与技术、生 态环境监测技术对监控因子进行测算，并对其健康状态进行等级划分，最后建立基于 g i s 的公路生态环境监控系统。 首先，论文分析了“生态环境”、“生态监测 等术语的研究历程及其涵义，叙述了 环境监测技术和环境监控的发展现状，总结了公路生态环境监控系统研究的理论基础， 并提出论文研究的必要性。 其次，以基础生态学理论和公路的生态学效应为基础，从“监控术语本身和公路 工程两个层面揭示公路生态环境监控的内涵，分析其特征、主要内容和实践要点。 再次，对公路生态环境监控因子分析，针对公路施工期和营运期特点选择合理的生 态环境监控因子，对监控点布设问题进行试探性研究，并结合现有仪器设备和计算方法 对监控因子进行测算。 最后，结合g i s 系统、网络通信和常规监控手段，按照b r o w s e s e r v e r 和c s 体系 相结合的结构建立基于g i s 的公路建设项目生态环境监控系统，并对系统的各个子系统 6 长安人学硕十学位论文 进行详细设计，为实现区域公路生态环境监控的网络化提供了研究基础。 1 3 2 研究思路 厂二= 二= 一一j i 旌y g i s 的公路生念绵境j 盗控系统 纂】f 篓1f 萎jf 萎 f 纂jf 薹 图1 1 研究思路示意图 7 i i l i l l i l j 第二章高速公路生态环境监控的内涵 第二章公路生态环境监控的内涵 2 1 研究基础 2 1 1 理论基础 ( 1 ) 基础生态学理论 公路建设项目生态环境监控应用了许多学科的理论，但最主要的应该是以基础生态 学理论为研究基础，主要有：限制因子理论、生态适宜性理论、生物群落演替理论等。 限制因子理论【1 7 t1 8 ，1 9 l 生态因子( e c o l o g i c a lf a c t o r s ) 是指环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有 直接或间接影响的环境要素，如温度、湿度、食物、氧气、二氧化碳和其它相关生物等， 所有生态因子构成生物的生态环境( e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ) 。生物的生存和繁殖依赖于 各种生态因子的综合作用，其中限制生物生存和繁殖的关键性因子就是限制因子，任何 一种生态因子只要接近或超过生物的承受能力，它就会成为这种生物的限制因子。系统 的生态限制因子强烈地制约着系统的发展，在系统的发展过程中往往同时有多个因子起 限制作用，并且因子之间也存在相互作用。 公路建设项目生态环境监控会涉及到许多因子的制约，如水分、土壤、温度、光照 等，因此必须找出影响生态环境的关键因子，才能对生态环境质量进行有效的控制。如 果道路经过干旱地区，则进行生态恢复时应选择一些耐旱性强的植物，以水这一因子作 为关键因子进行植被恢复监控。 生态适宜性理论【1 8 】 生物经过长期的与环境的协同进化，对生态环境产生了生态上的依赖，其生长发育 对环境产生了要求，如果生态环境发生了变化，生物就不能较好的生长，这种生物对光、 热、温、水、土等的依赖性便是生态适宜性理论。 因此，在进行公路生态环境监控时必须注重生物的生态适宜性，监控土壤状态、光 照特性、温度等，才能保证沿线的植物或动物在最适宜的环境中生存。 生物群落演替理论【1 】 在自然条件下，如果群落遭到干扰和破坏，它还是能够恢复的( 尽管恢复的时间有 长有短) ，首先是被称为先锋植物的种类入侵，在遭到破坏的地方定居并繁殖，先锋植 物改善了被破坏地的生态环境，使得更适宜的其他物种生存并被其取代。如此渐进直到 8 长安火学硕上学位论文 群落恢复到稳定的状态和物种成分为止，上述一系列变化就是生物群落的演替理论。 一般来讲，公路沿途岩石创伤面旱生原生演替要经过地衣阶段、苔藓植物阶段、草 本植物阶段和木本植物阶段，其中地衣阶段、苔藓植物阶段时间最长，木本植物阶段次 之，草本植物阶段较快。在裸露的边坡上建造演替过程中的中间群落，高草灌木混生型 和草本型为理想群落。目前实践表明，公路边坡的人工生态恢复的顺序一般为：先锋植 物( 一般人工选择草类植物) 一当地草种一灌木一乔木( 如果土层太薄则演绎不到乔木) 。 先锋植物的选择和生长情况最重要，因为它关系到初期有效保持和改良人工固定的土 壤，通过对其生长状况进行监控，能够及时的通过人工的手段加以调控，从而改变演替 速度或方向。 ( 2 ) 景观生态学理论 景观生态学史研究景观单元的类型组成、空间格局及其与生态学过程相互作用的综 合性学科，是介于地理学中景观学与生态学之间的交叉学科，它注重人类活动对景观格 局与过程的影响。景观生态学理论可以指导公路生态环境保护，使得被破坏的生态系统 尽快恢复。因此，根据景观生态学理论，景观中有某些点对控制生态过程有关键作用， 抓住这些景观战略点，将给公路生态环境监控带来准确和高效的优势。 ( 3 ) 生态监测的理论依据【6 】 生物与其生存环境是统一的整体，环境创造了生物，生物又不断地改变着环境，两 者相互依存、相互补偿、协同进化。这是生物进化论的基本思想，是生态学最重要的理 论基础之一，同时也是生态监测理论依据的核心。 生态监测的基础 生命与环境的统一性和协同进化是进行生态监测的基础。生物系统各层次之所以能 够做为“仪器”来指示其生存环境的质量状况，从根本上说，这是由两者间存在着相互 依存和协同进化的内在关系决定的。从某种意义上说，环境创造了生命，生命是适应于 这一环境的一种特殊的物质运动。 图2 1原始生命产生的大致过程 9 第二章高速公路生态环境监控的内涵 然而，生命一经产生，它又在其发展进化过程中不断地改着环境，形成了生物与环 境间的相互补偿和协同发展的关系，群落原生演替就是这方面的典型例子。生物群落从 低级阶段向高级阶段发展，在这一过程中，环境则由光秃秃的岩石裸地向着小生境增多 的方向演变，原生演替是生物改变环境的过程，是两者协同发展的过程。因此，生物的 变化既是某一区域内环境变化的一个组成部分，同时又可作为环境改变的一种指示和象 征。生物与环境间的这种统一性，正是开展生态监测的基础和前提条件。 生态监测的可能性 生物对环境的适应实际上就是各种生物能够很好地生活在各种环境中，适应是普遍 的生命现象，生物的多样性其中就包括了适应的多样性，生物适应的相对性为实施生态 监测提供了可能。相对性的一层含义是生物为适应环境而发生某些变异，另一种含义是 生物适应能力不是无限的，而是有一个适应范围( 生态幅) ，超过这个范围，生物就表 现出不同程度的损伤特征。以群落结构特征参数作为生态监测指标，如物种的多样性、 物种的丰度、均匀度以及优势度和群落相似性等，就是以此为理论依据的，正是生物适 应的相对性才使生物群落发生着各种变化。 生态监测的依据 生物学富集( b i o l o g i c a le n r i c h m e n t ) 是指生物体或同一营养级的生物与环境中某元 索( 或物质) 浓度的比较，为生态监测的实施提供了可靠的依据。 生物富集现象是生物中的普遍现象之一。生物在从外界摄取营养物质的同时，必然 使体内一些物质或元素的浓度大大超过环境中的浓度。在长期的进化历程中，生物对环 境中某种元素或各类物质的需求与其生活环境条件间的“供需 关系基本是协调的。然 而，人类的干扰如农药的使用、某些人工合成化学物质等进入环境后，也必然要被生物 吸收和富集，而且还会通过食物链在生态系统中传递和被放大。当这些物质超过生物所 能承受的浓度后，将对生物乃至整个群落造成影响或损伤，并通过各种形式表现出来。 因而，公路生态监控就可以以此为依据，来分析和判断施工期和营运期的各种污染物对 环境的影响和危害的。 2 1 2 环境保护标准 迄今为止，我国开展环境保护标准制订工作已经有三十五年的历史。三十多年来， 1 0 长安人学硕士学位论文 环境保护标准在我国经历了产生、发展、完善的历程，标准的数量不断增加，标准的种 类日益丰富，标准的地位显著提高。同时，标准正在贯彻法律法规、落实环保规划目标、 促进技术进步、优化产业结构、规范管理和执法行为等方面正在发挥着不可替代的作用。 从1 9 7 4 年国务院环境保护领导小组成立到1 9 8 4 年成立国家环境保护局，国家环境 保护标准工作健康发展，取得了较大的进展，标准种类得到丰富、标准数量快速增长。 目前，现行国家环境保护标准数量已经突破1 0 0 0 项，用于公路建设项目的环境法规有 中华人民共和国国务院令第2 5 3 号建设项目环境保护管理条例、中华人民共和国交 通部1 9 号部长令交通建设项目环境保护管理办法、环境影响评价技术导则、公 路建设项目环境影响评价规范和公路环境保护设计规范。现有的环境保护标准为 实施公路生态环境监控提供了法律依据。1 2 0 】 表2 1国家环境保护总局发布的生态环境保护标准 类别标准编号标准名称实施日期 h j 厂1 1 4 1 5 2 0 0 8 环保用微生物菌剂环境安全评价导则 2 0 0 8 加5 - 0 1 h j t 1 9 2 2 0 0 6生态环境状况评价技术规范( 试行) 2 0 0 6 0 5 0 1 h j 3 3 2 2 0 0 6 食用农产品产地环境质量评价标准 2 0 0 7 0 2 0 1 h j 3 3 3 2 0 0 6 温室蔬菜产地环境质量评价标准 2 0 0 7 0 2 - 0 1 相关技术 厂r 1 2 9 2 0 0 3 自然保护区管护基础设施建设技术规范 2 0 0 3 1 0 加1 规范、标准 h j 厂r 8 1 2 0 0 t 畜禽养殖业污染防治技术规范 2 0 0 2 0 4 - 0 1 厂i 8 0 - 2 0 0 1 有机食品技术规范 2 0 0 2 0 4 0 1 g b 厂r 1 7 5 0 4 1 9 9 8 海洋自然保护区类型与级别划分原则 1 9 9 9 0 4 0 1 h j 厂r 6 9 4 山岳型风景资源开发环境影响评价指标体系 1 9 9 4 1 0 0 1 g b 厂r 1 4 5 2 9 9 3 自然保护区类型与级别划分原则 1 9 9 4 加1 旬1 g b 厂r 1 6 1 5 6 1 9 9 6 生物尿中1 羟基芘的测定高效液相色谱法 1 9 9 6 1 0 - 0 1 相关监测规范、 方法标准 g b t 1 4 5 5 1 9 3 生物质量六六六和滴滴涕的测定气相色谱法 1 9 9 4 0 1 - 1 5 g b t 1 4 5 5 3 9 3 粮食和果蔬质量有机磷农药的测定气相色谱法 1 9 9 4 0 1 1 5 第二章高速公路生态环境监控的内涵 表2 2 国家环境保护总局发布的其他相关监测规范、方法标准 类别相关监测规范、方法标准 水环境 饮用水水源地保护区划分技术规范( 砌厂r 3 3 8 2 0 0 7 ) 、水污染源在线监测系 统安装技术规范( 试行) ( h j t 3 5 3 2 0 0 7 ) 、水质自动采样器技术要求及检测 保护标准 方法( 厂r 3 7 2 2 0 0 7 ) 等1 6 0 项标准 大气环境环境空气质黄监测规范( 试行) ( 国家环保总局公告2 0 0 7 年第4 号) 、固定 保护标准源废气监测技术规范( 厂r 3 9 7 2 0 0 7 ) 等1 1 2 项标准 土壤环境 十壤环境监测技术规范( 厂r 1 6 6 2 0 0 4 ) 、士壤质量总汞的测定冷原子吸收 保护标准分光光度法( g b 厂r 1 7 1 3 6 1 9 9 7 ) 等1 0 项标准 环境噪声与振动声学机动车辆定置噪卢测量方法( g b 厂r 1 4 3 6 5 9 3 ) 、建筑施工场界噪声测量 保护标准方法( g b l 2 5 2 4 9 0 ) 等9 项标准 2 2 公路的生态学效应 2 2 1 道路的廊道与分割效应 公路对生态系统的分割包括地面上的机械分割和空间上的噪音分割。机械分割是由 于公路路基工程和交通隔离工程对生态系统物质流的阻截、屏障作用；噪声分隔是汽车 噪声、振动等对生态系统信息流的阻隔、误导作用1 2 1 】。由于人i ：3 不断增加，平原微丘 地带大多被人类挤占并开发利用，野生动植物被驱向山岭重丘区，而山岭之间的隘口、 狭谷或低岭，既是人类穿越山脉的通道，也是野生动物迁徙、觅食、寻偶或避害的穿行 通道【2 2 】。因此，在山岭重丘区修建公路，尤其是占领隘口、狭谷，或切断岭脊，或深挖 高填，对野生动物可能有巨大的阻隔作用，其生境破碎化产生的生态影响可能更为严重。 在干旱地区，水源缺少，许多动物都会到固定的水源处饮水，也需要到更广大的地区觅 食或作季节性迁徙，公路切断动物的通行通道，阻隔动物的惯常活动线路，会对其产生 毁灭性影响。有关资料表明，在交通繁忙的公路地段，两栖动物或其它行动缓慢的动物 穿越公路时的死亡率可达1 1 0 ，某些鸟类在乡村公路附近5 0 0 - - - 6 0 0 m 及高速公路1 6 - - 1 8 k i n 之内繁殖率变低。荷兰学者d e i j n e n ( 1 9 9 5 ) 在对“交通噪声与鸟类繁殖密度 关系研究”一文中，经过对4 3 种鸟类的观察研究得出：交通噪声可能影响鸟类的繁殖 率，噪声级的大小是影响鸟类繁殖密度的主要因素，当鸟类栖息地昼夜2 4 小时的等效 连续a 声级l e q ( a ) 超过5 0 d b ( a ) 时，鸟类繁殖率下降，下降率为2 0 - 9 8 1 2 4 】。 为避免生境岛屿化造成的生物多样性侵蚀，许多自然保护区( 其他生态系统也一样) 需要建立与其他自然保护区或自然地域的通道，以使保护区内的生物与其他相邻保护区 1 2 长安人学硕士学位论文 或其他地区的生物进行遗传上的交流，这就是经常所说的“生物走廊”。公路建设切断 这类通道，会使自然保护区或其他生态系统保存生物多样性的功能下降，并会使那些有 迁徙习性或个体较少的种群最终灭绝。 2 2 2 小气候环境效应 道路的小气候环境效应主要归结为两个方面，一是交通运输活动产生的热排放，另 一方面就是随着道路修筑而产生的热污染。 若不考虑人及其它耗能放热设备，只考虑每辆汽车平均排放5 0 k w 的热污染，则有 近千万千瓦的流动热污染源在污染着道路沿线的环境，严重影响其周围的气候条件；另 外，机动车消耗石化燃料产生了大量的c 0 2 ，它的温室热效应加重了城市市区的温室效 应。据有关研究，白天尤其是在盛夏，水泥沥青路面的温度能很快增至4 0 以上，加上 道路上方空气粉尘和c 0 2 含量增高以及车辆的散热，使得道路成为一个“热浪带”。i 冽 其次，公路的路面多是采用导热性好、受热传热快的材料修筑而成，白天在太阳的 辐射下结构体快速升温，日落后，路面继续向空气中散发剩余热量，使得路域气温持高 不下。机动车尾气热排放、机动车排放的c 0 2 气体和道路路面吸放热是形成城市热岛效 应的重要因素，它将使道路周围会逐渐形成一个温度、热量、湿度、风及土壤条件等均 与周围环境有所差别的独特小气候环境。经过一定时间的演变，在道路周围景观元素有 可能产生局地分异，出现新的适生生物群落和边缘物种，而呈现出一定的过渡性。 2 2 3 交通的接近与诱导效应 公路的开通使沿线地区的人流和物质流强度增加，速度加快，同时也扩大了人类活 动的范围，使许多原先难以到达或难以进人的地区变得可达和易于进入。这对自然保护 区和珍稀资源的保护构成巨大威胁，这就是交通的接近效应。在我国，常常是路通到哪 里，树砍到哪里，出现路通山空，或公路通鸟兽尽的现象。 接近效应是公路的一种间接影响，例如，在埃塞俄比亚，人们从1 9 8 0 年至1 9 9 3 年， 利用航摄照片和卫星图象对一条高速公路沿线的环境变化做了长期监视和分析。该公路 穿过一个以前从未接触现代文明、实际上与外界隔离的地区。在研究期间，该地区的人 口从9 2 0 0 0 人增加到2 1 1 0 0 0 人，较小型村落的数量和范围都有所增加，而大型村落的 数量则增加了一倍，定居人口以及被中度和高度开垦的土地面积均有所增加，一大片竹 林被清除，森林也受n t 威胁【2 3 1 。在我国，即将建成的五纵七横”国道主干线、沟通 区域( 如省城) 的省道主干线等已经形成公路网络化，正向省市交界或边区地带拓展， 1 3 第二章高速公路生态环境监拎的内涵 或是高山分隔区，或是江河分水岭，这些地区生物多样性相对较高而生态环境又比较脆 弱，公路开通所导致的区域性人口增加，资源开发加剧，经济规模扩大，必然会对自然 生态环境带来巨大的压力和多方面的负面影响。 公路可以改变某一城市或乡村发展和扩大的方式，就是当一条公路建成不久，在公 路走廊地带的某些区域，就会有新的工业、商业及民用建筑大量涌现。公路为出行提供 的交通便利性是工商业建筑和民用住宅倾向于公路两侧不远区域的主要原因。公路刺激 城市区域的扩展以及农村向城镇的发展，导致公路沿线街道化或城镇化，从而间接地造 成由城镇景观代替农村景观或自然景观的巨变。例如，高速公路诱导效应主要发生在立 交桥和公路有进出口的连接线地段，因此高速公路的进出口处应视为公路诱导效应的研 究重点，应考虑形成城镇的可能，应尽可能避开诸如水源保护地带，自然保护地域，文 物古迹和重要景观等重要的环保目标，以免城镇化破坏这些有价值的保护目标。 2 3 公路生态环境监控的内涵 2 3 1 公路生态环境监控的内涵 ( 1 ) 术语本身涵义 根据汉语词典，监控为监测并控制之意，方言十二解释说“监，察也”，说文 解释说“控，引也 。所谓“监测”，是指利用路面、路旁的数据采集、检测设备( 摄像 头、车检器) 和人为观察对沿线植被生长状况、动物生活状况、气象状况和动植物种类 变化状况等进行实时观察和测量，并通过通信系统送至监控中心。所谓“控制”，就是 将监测到的各种数据提供给操作者进行分析、判断和决策，并将最终的决策结果和控制 命令通过通信系统传送到监控分中心以及其它信息发布设备( 可变情报板等) ，为存在 的生态环境问题提供解决办法，达到调节和控制公路建设项目生态环境状况的目的。因 而，公路生态环境监控可理解为利用生态监测的方法实时监测公路沿线生态环境的变化 动态，采用现代环境控制技术对监测数据进行分析、决策，尽可能减少环境污染、生态 破坏的现象，并对存在破坏现象进行及时修复或补偿。 ( 2 ) 公路工程层面涵义 公路工程实施后