2.3　案例分析

以湖南某高速铁路工程为例对高速铁路区域生态环境累积影响评价方法进行实例研究。

2.3.1　项目简介

2.3.1.1　项目设计施工概况

湖南省某高速铁路工程CK13+300～CK85+750，项目投资预估算总额为89.8亿元，位于湖南省西北部。工程正线全长72.609km，路基全长28.735km，占线路全长的39.57％。工程永久用地293.25公顷，占地类型以林地、耕地、建筑用地为主，其中林地69.66公顷（含生态公益林地42.40公顷），占永久占地面积的23.75％，耕地面积112.67公顷（含基本农田82.37公顷），占永久占地面积的38.42％，建筑用地面积60.39公顷，占永久占地面积的20.59％；临时占地面积合计159.66公顷，其中耕地97.52公顷（不占用基本农田），占临时占地面积的61.08％，林地29.69公顷（不占用生态公益林地），占18.60％，建筑用地面积29.65公顷，占18.57％，拆迁房屋计242026m2（其中民房223104m2，厂房18922m2）。

路基设计工点类型主要有边坡防护路基、高路堤、深路堑、陡坡路基、浸水路基、侵限路基、软土及松软土地基路基、膨胀土路基、顺层路基、岩溶路基、危岩落石路基、堆积体路基、采空区路基等。其中软土及松软土路基主要分布在沩水等冲积阶地，部分分布山间谷地区，合计长约10.873km；岩溶及采空区路基主要分布在于宁乡-衡龙桥、益阳一带，长约4.815km；深路堑主要分布在长沙-茅江桥、宁乡、沧水铺-益阳一带丘陵及岗地区，长约4.782km；膨胀土路基主要分布在茅江桥-衡龙桥沿线垄岗地貌区，长约6.22km；全段水塘等浸水路基零星分布；土质、软质岩及硬质岩路堑分布于岗地及剥蚀丘陵地段。正线累计路基个别设计工点50个，共计28735延米。

本工程全线区间、站场土石方共计933.93×104m3，其中挖方共计657.57×104m3，填方共计276.36×104m3，利用202.7×104m3，利用率30.83％。经过移挖作填后，需取土73.66×104m3，弃土（渣）454.87×104m3。此外，本工程全线清表土工程量合计132.4×104m3，由于清表土肥力较好，施工结束后，所有清表土将按100％进行利用，主要用于边坡绿化、临时用地复绿等。主体工程组成见表2-14。

2.3.1.2　影响生态环境的工程活动

1.造成水土流失的原因分析

（1）在施工期开挖路基、修建梁场、修建火车站等工程建设活动，都会破坏植物生长，使植被减少，地表土受到扰动，从而产生水土流失。

（2）施工期，工人对施工便道视而不见、弃土乱放，临时建筑等非工程主体行为也会扰动地表土，使土地裸露，极易产生严重的水土流失。

2.对土地资源的影响分析

本工程征用土地主要为农业用地、林地、建设用地、养殖水面和未利用地等，工程征地使得农田减少，原有生态平衡遭到不同程度的破坏；村民本来依靠农田生活，农田变成铁路和其附属设施后会使其利益直接受到损失。

3.对沿线河流、沟渠行洪、航运、农灌等影响的因素

桥涵工程可能压缩河道过水断面，破坏部分农田灌溉系统，如不采取措施，可能对沿线河道、沟渠行洪、航运、农灌等造成一定影响。

4.对野生动植物资源的影响分析

工程施工将造成路基、站场等永久占地内植被的永久性消失和施工营地、施工场地等临时用地内植被的暂时性消失。由于这些植物均为区域内常见物种，分布范围广，分布面积大，因此本工程建设不会造成评价区域植物种类的减少，更不会造成区域植物区系发生改变。工程对沿线野生动物产生的影响较小，工程在沿线野生动物主要活动区域大部分以隧道方式通过，工程建设不会改变野生动物的区系，影响其种群数量。

2.3.1.3　项目所经地区的自然概况

1.地形地貌

线路位于湘中南丘陵区。总的地势，东部及西北侧地势较高，北部次之，山体大多呈北偏东向展布。

（1）剥蚀丘陵：主要在长沙至茅江桥（CK13+100～CK30+400）、刀子潭-衡龙桥（CK43+400～CK58+900）及沧水铺至益阳（CK64+500～CK85+750）区段；地势起伏较大，相对高差30～180m，局部山势较陡，自然边坡在25°～55°间，植被较发育。丘间谷地蜿蜒展布于丘陵间，局部较宽广，地势较平坦，广辟为农田及村镇。

（2）堆积平原：主要在茅江桥-刀子潭（CK30+400～CK43+400）及衡龙桥-沧水铺（CK58+900～CK64+500）区段，以岗地为主，间有八曲河及沩水一二级阶地，一般海拔高程30～70m，局部达90m，地势波状起伏，切割深度一般10～30m，部分地段小于10m。沩水阶地平坦开阔，沟渠水塘散布，地面高程43～48m，广辟为农田及乡镇。

2.工程地质及水文地质

（1）工程地质

剥蚀丘陵间谷地区：地势、地形及地质条件相对复杂，构造发育，对工程影响较大，区内发育有人为坑洞、岩溶、危岩落石、滑坡、软土/松软土等不良及特殊地质体。

高阶地垄岗区：受北东向构造断裂影响，局部岩层较破碎，工程地质条件一般，局部地段土层具有弱～中等膨胀性。

一级阶地区：地基土松软，地基强度低、压缩变形较大。

本线不良地质主要有人为坑洞、岩溶、危岩落石、滑坡及崩塌落石等。区内人为坑洞主要为浅层砂金采空区，分布于杨泗庙CK75+000～CK77+000段、益阳站及附近CK83+540～CK85+750等地段；可溶岩主要为零散分布于刀子潭-清华铺一带的下第三系始新统霞流寺组的泥灰岩，岩溶发育在岩面以下8m左右，在衡龙桥附近分布有上古生界二叠系下统栖霞组的灰岩，岩溶较发育，另在第三系钙质胶结的砾岩（砾石以灰岩质为主）地段，亦局部发育岩溶；危岩落石区内分布规模较小，仅存于元古界泥质板岩、绢云母板岩与变质砂岩、砂质板岩组成的地层中，主要分布在CK27+850～CK30+100及CK66+400～+550等段落；滑坡主要分布在沿线垄岗地带（CK35+000～CK40+000、CK43+000～CK60+000）的第四系中上更新统黏性土层中，因该地层呈弱～中膨胀性，具有吸水膨胀、失水开裂特点。工程沿线软土及松软土分布广泛，主要分布于丘间谷地、阶地及岗间坳地水塘、水田等低洼地带表层，软土层为软～流塑黏性土，褐灰色、灰黑色，厚1～5m，松软土地层多为土层上部软塑黏性土，褐黄色、褐灰色，厚3～8m；沿线膨胀土多为弱～中膨胀土，主要分布于茅江桥-衡龙桥沿线垄岗地貌区，岩性为中上更新统网纹状黏土、粉质黏土，垂直节理较发育，人工坡面小型冲沟发育，局部形成小型坍塌。膨胀土黏土矿物主要由亲水矿物组成，工程地质条件较差。在CK83+535～+900线路及左侧分布有新近人工填土，主要成分为粉质黏土夹部分砾石组成及少量风化碎块，稍密，厚度在10～18m；其他城区地段也分布厚度不一的人工填筑土。

（2）水文地质

工程沿线地下水类型可划分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水。

第四系松散岩类孔隙水：主要分布于沩水、八曲河及其支流河漫滩、沿岸阶地、山区斜坡洪积、坡积第四系松散层中，在河流附近局部地段具承压性，水量较丰富；其主要接受大气降水补给，且多与地表水系有水力联系，其次是基岩裂隙水补给；地下水位埋深0.5～10m，水位随季节性变化明显。

基岩裂隙水：主要分布于低山、丘陵区节理、裂隙发育的基岩中和覆盖层下的基岩中，地下水主要赋存于风化及构造裂隙中，局部存在着层间裂隙水；其主要由大气降水补给和地表水补给，一般地带水量不大，变化幅度小。

岩溶水：主要分布于二叠系碳酸盐岩及第三系泥质灰岩地层中，局部分布于第三系钙质砾岩裂隙岩溶水地层中，一般水量较丰富，主要由大气降水和地表水补给。地下水位一般埋深较大，变化幅度小。

3.河流水系

本区段线路横穿湖南省湘江水系，流域地势西、南高，东、北低，水流自西南流向东北入洞庭湖。

沿线通过湘江水系处已接近尾闾滨湖地区，汛期常受洞庭湖水位顶托，沿河广筑堤坝，防御洪水，内涝外洪，深受洪涝灾害威胁，尤以长沙地区沿湖地段为甚。历年来由于围垦淤积影响，洞庭湖区蓄水能力减弱，水位有逐渐抬高趋势，水文变化极为复杂。湘江、沩水是湖南省某高速铁路工程沿线的主要河流。

4.地震动参数

全线地震动峰值加速度均为0.05g，地震动反应谱周期为0.35s，基本烈度为Ⅵ级。

5.气象

工程处于亚热带，气候为亚热带季风气候。春湿秋燥，夏热冬寒，5～9月平均气温20℃，极端最高气温可达43.6℃（益阳）。全年雨量丰沛，多年平均年总降水量为1428hmm，日最大降水量192.5（长沙）～167.2mm（益阳），最大风速20m/s，最大积雪厚度10（长沙）～18cm（益阳）。

2.3.1.4　区域环境质量概况

1.生态环境

线路自北向南穿行于湖南省洞庭湖区西南侧平原及低山丘陵区，沿线地势为西高东低，地貌以丘陵、堆积平原为主，土壤分布以水稻土、红壤、黄红壤等为主，土层厚度为30～60cm不等，一般耕地土层较厚。

植被类型以常绿阔叶林、落叶阔叶林、针叶林、针阔混交林，此外还有各种人工林及农作物，植物资源丰富，植被覆盖率较高。从侵蚀种类上说，水力侵蚀是沿线地区土壤侵蚀的主要形式，低山丘陵区还有重力侵蚀；从侵蚀程度上来说，沿线地区土壤侵蚀以微度、轻度为主。

2.水环境

工程设计的桥梁跨越的主要河流有沩水、万名塅、沙河，根据《湖南省主要水系地表水环境功能区划》（DB43/023-2005），沩水体水质均按《地表水环境质量标准》之Ⅲ类水体控制。万名塅、沙河地方水环境功能区划未划定其功能，其实际使用功能为农田灌溉。水质满足《农田灌溉水质标准》（GB 5084-92）中的一类水作标准。

3.空气环境质量

2008年长沙市、益阳市城市SO2、可吸入颗粒物、NO2浓度年均值达到国家二级标准，环境空气质量总体良好。两城市均受到不同程度的酸雨污染，其中长沙市酸雨频率较高，雨水pH年平均数值范围为4.21～6.11。

4.土地利用

评价范围内土地利用类型以林地为主，其面积为2668.71hm2，占评价范围内总面积的35.60％；其次是耕地，面积为2175.26hm2，占评价范围内总面积的29.02％；评价范围内其他用地类型比重较小。

5.水土流失

工程沿线降雨量大，且相对比较集中，但由于植被发育较好，覆盖率高，因此水土流失现象不明显。从流失成因上看，沿线以水的侵蚀为主；从流失是否严重上看，铁路沿线以轻微度流失为主，流失等级严重的强度流失主要集中在人类活动比较频繁的地区，极强度以上级水土流失主要源于人类无序的开发建设与利用造成。评价范围内水土流失面积（不计水域和无明显侵蚀类）合计1466.29hm2，占评价范围总面积的19.56％，水土流失现象不明显。

6.生态环境评价工作

（1）评价目的

通过对建设项目欲通过地区的生态原貌进行评价，分析这些地区是否适合修建高速铁路，适合的话是否需要环境保护措施，不适合的话是否需要进行生态恢复和重建。

（2）评价范围

评价工程范围为新修建的高速铁路自长株潭城际铁路雷锋大道站至石长铁路益阳站，对应里程CK13+300～CK85+750，正线全长72.609m；以及本工程建设引起的长株潭城际工程线路延长变更（DK13+187～DK13+300）、石长铁路及其增加二线工程宁乡段4.7km改线和宁乡站位置调整变更、益阳站调车场搬迁工程。具体为工程设计中心线向外300m以内区域。

2.3.2　生态本底类型调查

在野外实地调查的基础上，结合航片影像的对比，制定了湖南省某高速铁路工程生态类型分类系统，见表2-15～表2-17。

根据表2-15～表2-17，将湖南省某高速铁路工程生态原貌按“植被-土壤-地貌”三名法划分为表2-18中15种类型。

2.3.3　生态原貌评价

2.3.3.1　生态本底评价

以表2-18中15个生态类型为调研样本，通过“3S”调查、典型样地调查、查阅文献及访问群众等方法，取得本次调查的原始数据，见表2-19。

1.原量化始数据

依据表2-3中的标准，对表2-19中的属性值进行量化。其中石砾含量、制约因子、坡度和pH值等指标，第一等级赋值5分，第二等级赋值4分，第三等级赋值3分，第四等级赋值2分，第五等级赋值1分；全氮、土层厚度、全磷、有机质、全钾等指标则仍沿用原来的数值；生长势则根据实地调查结果，由差到好打1～10分。那么，原始数据的量化结果详见表2-20。

为了使上述10项指标更具代表性，利用主成分回归分析的方找出综合因子。

2.标准化原始数据

原始数据利用离差标准化方法进行标准化，消除量纲与量级的不统一。分析数据见表2-21。

3.主成分分析

（1）根据标准化后的数据计算内积矩阵，计算结果见表2-22。

R=XXT=（γhi）　　　（h，i=1，2，…，p）　　　　　（2-15）

（2）求R特征向量和特征根。通过正交变换URUT=Λ，可以使矩阵变为对角矩阵，计算R的本征根多项式R-λi=0的p个根，并排列为λ1≥λ2≥…λp。然后由RUT=UT求出p个特征向量，得到矩阵U。计算结果见表2-23～表2-25。

（3）求出各因素的贡献率和累积贡献率。定义为第i个特征根占全部特征根的信息比，即第i个因素作用程度的大小；取前k个特征根的信息百分比（即累积贡献率），，就可以满足要求。

因此，可以取k=3，累积贡献率达到87.529％。其中，主成分1的贡献率为39.898％，主成分2为21.469％，主成分3为16.162％。解释的总方差见表2-26。

（4）利用公式Y=UK算出各个样本在前k个排序轴上的几何坐标，并标示在可反映样本实体之间相互关系的旋转空间成分图上。本案例中排序轴个数k=3，用旋转空间中的成分图2-2表示。

（5）定义各个因素在新的主成分中占得比重，计算公式如下：

成分得分系数矩阵计算结果见表2-27。

根据表2-27成分得分系数矩阵中的数据，建立下列计算公式：

①主成分1

F1=0.202X1-0.224X2-0.219X3+0.155X4+0.196X5-0.125X6-0.008X7+0.217X8+0.303X9-0.046X10　（2-17）

其中，坡度、土层厚度、石砾含量、pH值和生长势这五种系数的绝对值较大，分别为0.202、0.224、0.219、0.217和0.303，表明这一主成分反映的是坡度、土层厚度、石砾含量、pH值和生长势的综合信息。

②主成分2

F2=-0.161X1+0.107X2+0.088X3+0.041X4+0.090X5+0.044X6-0.199X7+0.046X8+0.432X9+0.489X10　（2-18）

其中，0.432和0.498分别是生长势和制约因子系数的绝对值，在本组的值较大，表明生长势和制约因子的综合信息是这个主成分反映的主要信息。

③主成分3

F3=0.026X1+0.056X2-0.024X3+0.148X4+0.014X5+0.523X6+0.607X7-0.201X8-0.078X9-0.121X10　（2-19）

其中，全组系数的绝对值较大值为全磷和全钾的，分别为0.523和0.607，表明这个主成分反映的是全磷、全钾的综合信息。

将表2-20数据代入上述三个主成分的公式计算，得到3个主成分的结果值，见表2-28。

4.系统聚类分析

系统聚类分析方法是研究多要素事物分类问题的数量方法。根据样本自身的属性，用数学方法按照某种相似性或差异性指标，定量的确定样本之间的亲疏关系，并按这种亲疏关系程度对样本进行聚类。

（1）采用欧氏距离测定15个样本间的距离，计算结果见表2-29。

续上表

（2）进行最远距离聚类计算，公式如下：

drk=max{dqk，dpk}（k≠p，q）　　　　　（2-20）

凝聚顺序见表2-30。

（3）结合上述聚类过程，直接由SPSS软件得出聚类谱系的树状图，如图2-3所示。

（4）聚类结果分析。根据上面系统聚类分析的树状图，可以采用8～10的类间距作为分类的依据，15个样本可聚为4大类，聚类结果见表2-31。

根据表2-31的聚类结果，按表2-31对每一类属性进行累加，并求出这些数据的平均值，结果见表2-32。通过聚类分析，15个样本被聚为4类，奠定了生态原貌评价的基础，有针对性地提供了在不同生态原貌类型上的生态恢复的科学依据。

5.结果分析

根据聚类属性平均值的计算结果，对四个大类进行生态属性的优劣排序为

第三个类型>第一个类型>第四个类型>第二个类型

分析主成分分析法及系统聚类法得出的四个生态类型：

（1）优等生态本底类。本类主要有常绿阔叶林水稻土缓坡地、常绿阔叶林水稻土平缓地、针阔混交林水稻土平缓地，平缓地和缓坡地为主要的地貌类型。坡度在4°～26°之间，地势较为平坦缓和。有机质含量和全氮含量中等，全磷含量和全钾含量较低，pH值较适宜，总体土壤肥力较好。生长势均为9，植被生长较好，生态限制因子较轻。属于地势平缓、土层肥厚、肥力较好、植被生长良好、生态限制较轻的类型。优等生态本底类主要分布在湖南省某高速铁路工程的茅江桥-刀子潭（CK30+400～CK43+400）及衡龙桥-沧水铺（CK58+900～CK64+500）段，以岗地为主，间有八曲河及沩水一二级阶地，一般海拔高程30～70m，局部达90m，地势波状起伏，切割深度一般10～30m，部分地段小于10m。沩水阶地平坦开阔，沟渠水塘散布，地面高程43～48m，广辟为农田及乡镇。根据生态本底评价结果，这两个里程段所在地生态系统正常，可以修建高速铁路。

（2）中等生态本底类。本类主要有水田水稻土平缓地、落叶阔叶林黄红壤陡坡地、常绿阔叶林黄红壤陡坡地。有机质含量、全氮含量和全钾含量中等，pH值较适宜，总体土壤肥力中等。生长势在5～9之间，植被生长中等，生态限制因子主要为坡度。属于地势起伏较大、土层中等、肥力中等、植被生长中等、生态限制明显的类型。中等生态本底类主要分布在湖南省某高速铁路工程的长沙至茅江桥（CK13+100～CK30+400）、刀子潭-衡龙桥（CK43+400～CK58+900）、沧水铺至王家（CK64+500～CK75+500）、河丰基至金家屋场（CK77+430～CK83+540）段，地势起伏较大，相对高差30～180m，局部山势较陡，自然边坡在25～55°间，植被发育较差。根据生态本底评价结果，这四个里程段为中等生态本底类，但是如果在这四个区段选线需要做好充分的生态恢复和重建工作。

（3）差等生态本底类。本类主要有针叶林红壤陡坡地、针阔混交林红壤陡坡地、常绿阔叶林红壤陡坡地、常绿阔叶林红壤陡坡地、针叶林红壤陡坡地。有机质含量和全氮含量中等，全磷含量和全钾含量较低，pH值较大，总体土壤肥力较差。生长势在6～7之间，植被生长较差，生态限制因子主要为土层厚度、坡度。属于地势起伏较大、土层中等、肥力较差、植被生长较差、生态限制明显的类型。差等生态本底类主要分布在湖南省某高速铁路工程的杨泗庙CK75+000～CK77+000段，建议铁路选线时绕行，如绕行有困难，必须在设计阶段和施工准备阶段做好充分的路域生态系统恢复和重建的研究及措施。

（4）最差生态本底类。本类主要有落叶阔叶林黄红壤陡坡地、旱田红壤陡坡地、旱田黄红壤缓坡地、旱田红壤平缓地。有机质含量和全氮含量较差，全磷含量和全钾含量较高，pH值较小，总体土壤肥力很差。生长势在5～7之间，植被生长差，生态限制因子为坡度、土层厚度、石砾含量。属于地势起伏较大、土层薄、肥力差、植被生长差、生态限制多且明显的类型。本线不良地质主要有人为坑洞、岩溶、危岩落石、滑坡及崩塌落石等。区段内人为坑洞主要为浅层砂金采空区，分布于及益阳站及附近CK83+540～CK85+750等地段。根据生本底评价结果，该地段为已经恶化的生态系统，即使做好充分的环保准备也不适合在该地段修建高速铁路。

从环境保护角度分析，湖南省某高速铁路工程茅江桥-刀子潭（CK30+400～CK43+400）、衡龙桥-沧水铺（CK58+900～CK64+500）、长沙至茅江桥（CK13+100～CK30+400）、刀子潭-衡龙桥（CK43+400～CK58+900）、沧水铺至王家湾（CK64+500～CK75+500）、河丰基至金家屋场（CK77+430～CK82+250）区段共67.22km，占该铁路总长92.58％，选线所经地区生态类型均适合修建高速铁路。

对其他区段，可以选择绕行，也可选择做好充分的生态恢复和重建工作。具体工作由建设单位、设计单位、施工单位、监理单位和各环保部门共同负责。

2.3.3.2　生态退化评价

根据上述生态本底评价结果，占92.58％的优等和中等生态本底类区域适合修建高速铁路，为此，从2008年开始连续四年对这两个区域逐年进行生态退化程度评价。

1.生物丰度指数

生物丰度指数各因子面积见表2-33。

由表2-33参数可计算知，2008～2011年生物丰度指数分别为115.76、115.62、115.55、110.09。

2.植被覆盖指数

植被覆盖指数各因子面积见表2-34。

由表2-34参数可计算知，2008～2011年植被覆盖指数分别为120.07、119.99、119.84、117.39。

3.水网密度指数

水网密度指数各因子面积见表2-35。

由表2-35参数可计算知，2008～2011年水网密度指数分别为20.95、19.63、18.77、18.19。

4.土地退化指数

土地退化指数各因子面积见表2-36。

由表2-36参数可计算知，2008～2011年土地退化指数分别为14.05、13.99、13.85、13.95。

5.环境质量指数

环境质量指数各因子值及权重见表2-37。

由表2-37参数可计算知，2008～2011年环境质量指数分别为99.19、99.17、99.14、99.10。

6.生态环境状况指数

各年份各项评价指标值见表2-38。

由表2-38参数可计算知，2008～2011年生态环境状况指数分别为74.83、74.50、74.25、72.29。

7.路域生态退化评价

根据生态环境指数、生态环境状况和变化幅度分级，2008年和2011年研究区域生态环境状况都属于良，植被覆盖度较高，生物多样性较丰富，基本适合人类生存。计算2008～2009年ΔEI=-0.33，在|ΔEI|<2范围以内，生态环境状况无明显变化；2009～2010年ΔEI=-0.25，在|ΔEI|<2范围以内，生态环境状况无明显变化；2010～2011年ΔEI=-2.54，在2<|ΔEI|≤5范围以内，属于略有变化，生态环境状况略微变差。应采取相应的生态恢复和重建策略。