昨天，我哥为广州市青年志愿者协会的一个民间环保组织做了一次题为“道路工程设计施工中对生态环境保护的措施和方法”的讲课。
由于受邀非常突然，他没有把更详尽的资料带回国内，因此在他的ppt中，没有出现一个中文字，全部运用平日拍摄的图片和设计图，结合他在国外施工设计的过程中，对环境特别是水土流失问题的思考。
这是第一次我非常直观地了解他所从事的领域。他最后讲到risk assessment ，这跟制药业风险效益比决策很相像。
以下是演讲大致内容：
路桥工程总是和大自然直接打交道，影响到包括水，山石，土壤，森林，湿地，动植物等。人类为了发展经济，总是不断地贪婪地向自然索取，人类的活动总是或多或少危害着自然。
道路的修建或扩展总是伴随着林木的砍伐，山石的开挖和回填等行为。那么，如何保护并合理的利用自然资源为内造福，并将对生态的破坏降至最小呢?这是一个值得深思的问题。
在道路设计的初期阶段，设计人员应对在项目范围内和周围水域作整体得考查。如果碰到湿地或沼泽，因该特别关注和加以保护，因为它们担负着天然蓄水防洪并抗旱的职责，也为各种野生动物栖息或产卵育婴提供了庇护所。
所以，新设计修建的道路时应尽可能绕道而行。实在避免不了的小块的湿地，应再三考核，可将其原封不动迁移到适合的区域。对贯穿公路的溪流或河道，要对其水纹作分析，要了解它们是季节性的还些是常年性的。 对常年性的，要彻底了解其源头，流向，流速流量，还有水中的生态情况。并根据研究报告，在设计和施工时做出响应的处理。
当河（溪）流横穿公路时，就必须有渠箱（culvert）引流。渠箱的通水能力是按百年一遇的降雨量进行设计。渠箱可以是圆形，椭圆形，或方形。 其底部可以是封闭式或是开放的。渠箱的安置应顺着自然水流方向，避免引起漩涡和降低排水能力，同时影响鱼群的洄游。渠箱本身除满足排水承压外，还应模拟河道自然生态条件：
箱底宽度不应少于现有河道的截面宽度
遇到比较宽的溪流，应用开放式箱底
若是封闭式渠箱，箱底可平铺卵石或是人工隔板（BAVEL），起到减缓水流，为鱼类提供栖息和疏导的作用
出水口离水面的高度由一定要求，为的是让逆流而上的鱼能够跳上去并游到上游产卵育婴
入口（出口）处，以及河壁，应放置碎石起护坡的作用，至于碎石的尺寸大小，由设计流速和水流冲击方向决定
有的渠箱并不是用来通水，它的作用相当是个地下过道，车在上面走，人或者是动物可以在地下过。为的是避免了高速撞上横穿公路的孩子和其它动物。也有隧道的顶部和周围的丛林连接成一体，就像人行天桥，只不过上面走得是动物，车在隧道下面通过。
提到动物，不得不谈时常夜晚在公路出没得大型哺乳动物，象黑熊，驼鹿，山羊等。横穿公路时会被高速的车辆夜间的强光吓呆，小车来不及刹车碰上去，往往造成车毁人亡。有什么办法避免呢？
常见的是修筑铁丝围栏，我在国内的过速公路也看到同样的设施。但是，建筑成百公里的围栏有造价的问题，此外，围栏干扰了这些动物的生活习性。比方说，切断饮水觅食的去处。有没有更好的方法呢？动物不会认字，不懂小心横过公路的道理。试行在路边安放反光板，将夜间的强光反射到林子里提醒动物。仍在试行阶段。效果如何，需要一定时间数据积累。
谈到施工路面的扬起的粉尘问题对任何环境造成得危害问题，提到控制方法，除定时洒水外，还可以添加一些无毒的粘合液，比如图中这种从大豆油提炼加工后得剩余物，将其喷洒在沙石石路面时能在短时间内将粉尘泥沙粘结在一起，效果很好。
对于道路施工中的噪音和交通分流控制，都有明确的规范，设计者和施工管理者都必须严格遵守并优化设计和施工管理。
在讲讲雨水的问题，我们都知道，城市的高楼越建越多，柏油路面越拓越宽，这些高楼和沥青路面都是不透水层，雨水落下时，除蒸发一点外，绝大部分都迅速地经下水道到直接排到河里。 既浪费又破坏了大自然中水的正常循环。实想想在暴雨后大量的雨水一下子释放到河水中，就会会引发河水暴涨和泛滥。
此外，我在广州看到施工工地直接将混有泥沙的水直接排到下水道，造成水道堵塞，下暴雨时造成水浸街的现象也不足为奇怪了。 相比自然界，雨水先是被植物叶面的阻隔并蒸发，让后经根部的吸收并蒸腾作用释放，部分雨水还能渗透土壤的补充地下水和地表水资源，每个环节都是必要和和谐的，整个水循环是个动态的平衡。
不仅如此，柏油路面来往得车辆会残留油污，泥沙粉尘，在北方城市冬天为了融雪除冰防打滑，路上还需洒食盐或MgSo4等东西，这些物质基本未经过处理就会被雨水或雪水直接冲到河里，造成水土污染。这是个繁忙的路段十字路口排水系统的方案设计。由于这条公路是BC和AB省的主要交通枢纽，而AB省又产油，所以途径该交叉口的油罐车数量非常之多。
在设计时要先考虑到运油车发生交通事故翻车漏油得可能性，我们必需得在常规的排水系统中添加特殊的集水井，这个集水井有很深的集油槽和过滤阀门（就象这个样子），能漏油隔离，避免被雨水带到附近的蓄洪水池里再冲进河里（就在这个位置）。尽管造价不菲，但益国益民。我在广州和北京都看到过人力高压洗车，车身将人行过道横拦部说，洗车用的化学药剂就直接冲到下水道排到江里。
下面我想讲讲水土流失得问题。大家都知道，土壤土壤的形成需要几百万年甚至长达几亿年的周期。土壤最初由是大块的岩石经太阳光，风，水，冰雪和其它自然外力风化侵蚀等作用，逐渐碎化成沙石粉末，加上苔藓和其它植物的生长，死亡，腐化，世世代代一点一点积累叠加而演变而成。而土壤得流失却是在很短的时间。
从雨水降落并且撞击土壤得那一瞬间，侵蚀作用就开始了，土壤的颗粒被分离并被水带走，经冲刷得作用，形成沟壑，沟壑日益汇聚并扩大，造成严重的水土流失。尽管水土流失的形成并最终沉积是一个自然现象。但是人类的行为却大大加速并恶化了这一过程，这些行为包括过度地工业化的农业，森林砍伐，采矿业，还有土建工程等等。
举个实际道路工程例子，这个项目是并不复杂，就是将一段三公里长得二车道公路拓展成四车道得公路。
Pre-construction: Picture was taken in fall 2007. The project site was undisturbed in its natural setting. The vegetative coverage is well developed and there was no sign of erosion problem.
During construction: Picture was taken in summer 2008. It shows the the vegetative coverage was stripped off, the ground profile and other site conditions were modified due to the activities I described before.
• removal of vegetative cover and surface protection, 导致土壤的裸露
• steepness of embankment slope
• deep cut or high fill （深度的开挖和回填）
• site contouring and terracing
• materials replacement （土质的替代）
• cross stream channel rerouting （河流改道）
通常在施工完后，会“种”上人工植被，就是将各种的草籽按一定比例混合配上营养液然后高压喷射到裸露的土坡上，大概一两个季节这些土坡就会被野草覆盖，草根能抓住土壤不让水冲走。 但是，这个项目是在夏末施工，草还来不及长就被冰雪覆盖。第二年早春，融雪的作用导致了大量的水土流失。
2nd post-construction shows the subsequent slope instability （滑坡现象）issues resulted from the erosion. See the hydro-power pole has shifted from its original location and could eventually fall over and snapped the power line if any mitigation measure wasn’t in place.
3rd post-construction shows on the other side of the highway, flow was channelized along the ditch line, leaving high velocity and volume persistently scraping the ground and sending soils to downstream fish-bearing creek. （浑浊的泥水会最终流到下游的溪水里，导致鱼类的窒息）
4th post-construction shows a typical example of the problem due to terrain modification. （湿地回填）The local low spot, which functioned as a detention area to retard the runoff flow, was utilized as disposal site and filled up with waste materials. As a result, water found its way to go and undermined the highway structure.
出现了这些问题，有什么补救措施呢? 我们只好用石块堵，隔沙过滤网（就是透水不透沙），或是建造临时小型石坝来减缓水流速度和被带走的泥沙。可以看到，亡羊补牢固然可取，但代价总是很大的。如果在事发前对其危害性做出客观的评估，防范于未然。就象能预测地震和海啸一样。
但是，造成水土流失由许多因数决定，有一部分是不确定或未知的，即使是已知的影响因素，要做到定量分析也比较困难。比方说，植被覆盖率就是一个显而易见的参数，覆盖率越高，发生水土流失滑坡塌方的几率就越小。这是个感性的认识，但怎能定量分析呢，或者是说用数学公式表达出来呢？通常对水土流失危险性评估都是很主观的，所谓靠的是积累的知识和经验。因此，不同的人会得到不同的结论，采取的措施和手段也会因人而异，似乎无法捉摸。
在众多的理论中，我在探索模糊数学，希望能通过它找到更好的解决问题的方法。其基本思想就是某一事物对于一个集合的从属性不是由简单的“是”或“否”，“对”或“错”来辨别，而是相对模糊渐变的概念。
比方说，一个人的性别，我们可以用“男”跟“女”辨别，但对它的长相身材，我们可以说“不好看”，“一般”，“漂亮”，“沉鱼落雁，闭月休花”等形容。我们可以用数学模型简化将这种关系并假设成线性的，并表示成三角形的形式表示，渐变过程按0到1来分布。
比如说，我们定义一个车速，如果时速是55m/h, 我们说它个绝对从属于中等车速度， 赋最大值“1”，如果车速在70m/h或以上，那么我们就将它定义成高速，相应值也是“1”。那如果任意一个时速呢，比方说60m/h, 那么它即可以定义成中等车速，但只有60%的confidence，也可以定义成高速，大约也有40%的confidence。
同样，对和水土流失的危害预测，我们也可以用模糊理论来攻克？我刚才说过，植被是其中一个影响因素，除此外，还有其它的主要影响因素，比如降雨量啊，土壤属性，坡长和陡度等等。假如我们事先测出这些参据，比如知道植被覆盖率是30%，最大小时降雨量是100mm,粘性土，坡长500m,坡度是5%，那么根据模糊逻辑，我们可推断施工中发生严重水土流失会可能性会是80%，根据这种结论，我们何以及早作出相应的防御措施，而不是等事发后再补救。
