西北寒旱地區(qū)鐵路橋梁綠色施工環(huán)境影響的區(qū)間分析

唐 歡,鮑學(xué)英,王起才,2,3,朱文浩

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070； 2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070； 3.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070； 4.江西理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,江西贛州 341000)

隨著高鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展以及人們綠色環(huán)保施工的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，綠色施工越來(lái)越被廣泛應(yīng)用和推廣。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)在建和即將開(kāi)工建設(shè)的高速鐵路客運(yùn)專線規(guī)模已超過(guò)9 700 km，其中橋梁比重高達(dá)52%，鐵路橋梁建設(shè)過(guò)程中面臨嚴(yán)重的環(huán)境影響問(wèn)題，而施工階段在項(xiàng)目建設(shè)周期中消耗資源量、排放廢物量所占比例巨大，加上西北地區(qū)氣候干燥、旱季長(zhǎng)、溫差大、冰凍時(shí)間長(zhǎng)，自然環(huán)境非常惡劣，此地區(qū)鐵路建設(shè)在滿足設(shè)計(jì)施工要求的前提下，需要更多考慮綠色施工帶來(lái)的環(huán)境影響。

國(guó)內(nèi)外對(duì)綠色建筑生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)[1-2](LCA)的研究眾多，眾多國(guó)家都對(duì)綠色建筑評(píng)價(jià)體系作出了深入研究并取得一定成果，如：美國(guó)的綠色建筑分級(jí)評(píng)估體系(LEED)、德國(guó)的可持續(xù)建筑認(rèn)證體系(DGNB)、日本的建筑物綜合環(huán)境性能評(píng)價(jià)體系(CAS BEE)等，形成了較為成熟的綠色建筑環(huán)境影響評(píng)價(jià)體系；我國(guó)為了貫徹落實(shí)完善資源節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)的要求，在2011年發(fā)布了《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)建筑的綠色評(píng)定提供了有利的參考。而對(duì)于橋梁工程的研究，Keoleian等[3]采用了生命周期評(píng)價(jià)法對(duì)兩種不同橋梁面板的環(huán)境影響情況進(jìn)行比較分析，評(píng)價(jià)壽命周期各階段橋面板造成的環(huán)境影響；Helena Gervasio等[4]對(duì)不同橋型的環(huán)境影響進(jìn)行生命周期的評(píng)價(jià)時(shí)采用了SETAC提出的環(huán)境問(wèn)題法，并選取兩種不同橋型進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證，結(jié)果與實(shí)際橋況符合。

在國(guó)內(nèi)，顧道金等[5]對(duì)我國(guó)的建筑進(jìn)行了節(jié)能和綜合環(huán)境影響研究，分析了在原料掘取、建材生產(chǎn)、施工、運(yùn)行、報(bào)廢處置5個(gè)階段帶來(lái)的能耗、資耗、污染3方面的環(huán)境影響。蘇衛(wèi)青[6]從噪聲角度研究了噪聲對(duì)環(huán)境造成的影響，并對(duì)高速鐵路聲源位置的確定、噪聲預(yù)測(cè)、距離衰減預(yù)測(cè)進(jìn)行分析并提出相應(yīng)建議；劉沐宇等[7]提出了用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)橋梁全生命周期環(huán)境影響的多級(jí)分析評(píng)價(jià)，對(duì)橋梁的綜合環(huán)境影響進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。在上述評(píng)價(jià)體系和對(duì)象中，目前研究主要是針對(duì)建筑的建設(shè)各個(gè)階段[8]以及橋梁建設(shè)工程的全壽命周期。對(duì)于橋梁而言，包括了橋梁設(shè)計(jì)、原材料生產(chǎn)加工、現(xiàn)場(chǎng)施工、橋梁運(yùn)營(yíng)、橋梁廢棄等較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)造成的環(huán)境影響，并沒(méi)有單獨(dú)綜合考慮在橋梁施工階段的社會(huì)、資源、生態(tài)等諸多方面的因素產(chǎn)生的環(huán)境影響。為了科學(xué)、合理、定量評(píng)價(jià)在西北寒旱地區(qū)特殊自然環(huán)境下橋梁于施工階段對(duì)環(huán)境的影響，本文綜合考慮造成施工環(huán)境影響的因素，建立適合于西北寒旱地區(qū)高鐵橋梁綠色施工的環(huán)境影響評(píng)價(jià)框架和體系。一般的評(píng)價(jià)方法是對(duì)確定的、肯定的問(wèn)題進(jìn)行研究分析，而施工環(huán)境影響因外界因素是處于不斷變化的狀態(tài)，具有不確定性，故對(duì)群組專家的評(píng)價(jià)結(jié)果用區(qū)間分析方法[9-10]來(lái)進(jìn)行區(qū)間劃分，再構(gòu)建灰關(guān)聯(lián)TOPSIS[11]評(píng)價(jià)模型對(duì)鐵路橋梁綠色施工環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 橋梁綠色施工環(huán)境影響評(píng)價(jià)框架和指標(biāo)體系建立

基于生命周期評(píng)價(jià)(LCA)理論，參考EIA對(duì)環(huán)境評(píng)價(jià)的要求，在文獻(xiàn)[12]提出的建設(shè)項(xiàng)目生命周期評(píng)級(jí)系統(tǒng)(BEPAS)和文獻(xiàn)[13]建立的施工階段環(huán)境影響評(píng)價(jià)框架基礎(chǔ)上，結(jié)合西北寒旱地區(qū)綠色施工環(huán)境影響的因素，建立鐵路橋梁施工階段環(huán)境影響評(píng)價(jià)框架，如圖1所示。

圖1 鐵路橋梁施工階段環(huán)境影響評(píng)價(jià)框架

橋梁在施工階段造成的環(huán)境影響涵蓋了社會(huì)、資源、生態(tài)等諸多方面，環(huán)境影響因素的確定是構(gòu)建環(huán)境評(píng)價(jià)體系的前提。結(jié)合鐵路橋梁工程的施工特點(diǎn)以及圖1所示分類表征情況，參考國(guó)外對(duì)環(huán)境影響因素的分類方法[14]，將鐵路橋梁綠色施工環(huán)境影響因素分為六大類，如表1所示。橋梁施工階段環(huán)境影響因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有復(fù)雜性和不確定性，應(yīng)按照科學(xué)、客觀、合理、完整、有效進(jìn)行選取，避免條款式帶來(lái)的固定思維。根據(jù)橋梁施工階段特點(diǎn)，參考EIA環(huán)評(píng)要求和有關(guān)文獻(xiàn)[7]，并ES ET 實(shí)地考察、分析篩選、專家咨詢、工程分析等多種手段，最終構(gòu)建了三級(jí)鐵路橋梁綠色施工環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其中二級(jí)指標(biāo)因素為表1所示的社會(huì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、地表水污染、大氣污染、聲污染、固體廢棄物污染6個(gè)指標(biāo)，三級(jí)指標(biāo)共27個(gè)，見(jiàn)表2。

2 評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

得到上述表2對(duì)于西北寒旱地區(qū)鐵路橋梁綠色施工環(huán)境影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)后，考慮到由于工程本身帶來(lái)的環(huán)境影響，以及可通過(guò)實(shí)施過(guò)程中妥善處理的環(huán)境影響，每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)環(huán)境影響的程度各有差異，需理性客觀的對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，區(qū)分各指標(biāo)影響的重要度，因此要確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法是主要依靠評(píng)判專家的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、意識(shí)、偏向等一種確定權(quán)重的方法，它克服了工程項(xiàng)目信息量不足、缺失的缺點(diǎn)。該方法綜合專家個(gè)人知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)，以及客觀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，得到的指標(biāo)權(quán)重同時(shí)具有定性和定量的特點(diǎn)。本文采用層次分析法來(lái)確定鐵路橋梁綠色施工環(huán)境影響評(píng)價(jià)的權(quán)重。專家根據(jù)互反判斷矩陣評(píng)價(jià)標(biāo)度對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行兩兩分析比較，構(gòu)造滿足一致性檢驗(yàn)的判斷矩陣A=(xij)m×m。有眾多學(xué)者對(duì)互反判斷矩陣導(dǎo)出的權(quán)重進(jìn)行研究并取得許多成果，采用文獻(xiàn)[15]中的指標(biāo)權(quán)重導(dǎo)出公式，確定環(huán)境影響的各指標(biāo)權(quán)重，如式(1)所示

表1 橋梁綠色施工環(huán)境影響因素

表2 橋梁綠色施工環(huán)境影響評(píng)價(jià)體系

(1)

其中，B=(bij)n×n，bij=-n(tij+tji)，i≠j

3 區(qū)間型評(píng)價(jià)標(biāo)度

為了評(píng)價(jià)西北寒旱地區(qū)鐵路橋梁綠色施工環(huán)境影響，需對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行量化。考慮到各因素指標(biāo)對(duì)綠色施工的環(huán)境影響各不相同，故建立備選集：V={負(fù)面影響較大，負(fù)面影響較小，基本無(wú)影響，證明影響較小，證明影響較大}，記為V={V1，V2，V3，V4，V5}。為了便于評(píng)價(jià)，用分值表示各級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)，即V={20，40，60，80，100}。聘請(qǐng)了q位專家構(gòu)成了群組專家，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)檢測(cè)資料、研究成果，以及個(gè)人專業(yè)能力、工作經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)上述表3的指標(biāo)進(jìn)行環(huán)境影響值的評(píng)價(jià)打分，分?jǐn)?shù)越高表示該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響越小，證明影響越大，得到的各專家最終評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)為{x1，x2，…，xq}。由于在該指標(biāo)下綜合各專家意見(jiàn)后得到的評(píng)價(jià)結(jié)果值存在不確定性，但能得到一個(gè)確定的波動(dòng)范圍{xmin，xmax}，所以最終的群組專家評(píng)價(jià)結(jié)果區(qū)間數(shù)為{xmin，xmax}，其中：xmin=min{xi，i=1，2，…，q}，xmax=max{xi，i=1，2，…，q}。設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象有l(wèi)個(gè)，每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用落點(diǎn)法得到群組專家對(duì)各指標(biāo)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果，得到區(qū)間型評(píng)價(jià)矩陣

(2)

為了解決群組專家對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性，同時(shí)有效集結(jié)評(píng)價(jià)信息中的不確定性，故采用區(qū)間連續(xù)有序加權(quán)算子，即C-OWA算子[16]，集結(jié)區(qū)間數(shù)。用C-OWA算子對(duì)區(qū)間型評(píng)價(jià)矩陣X去不確定化，得到評(píng)價(jià)矩陣

(3)

4 灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法模型建立

將鐵路橋梁綠色施工環(huán)境影響評(píng)價(jià)的正理想解作為評(píng)價(jià)的參考序列，一般情況下，m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)最優(yōu)值可作為評(píng)價(jià)的理想狀態(tài)，即

Z0={z01，z02，…，z0m} (5)

其中，Z0i=max{Zji}。由式(4)可知，評(píng)價(jià)對(duì)象i進(jìn)行指標(biāo)加權(quán)得到向量

Zi={zi1，zi2，…，zim} (6)

將向量i看作比較序列。

據(jù)此計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象i的施工環(huán)境影響與理想狀態(tài)之間的灰色關(guān)聯(lián)度

(7)

其中

根據(jù)ξi(k)的大小值可以對(duì)各評(píng)價(jià)對(duì)象的環(huán)境影響進(jìn)行排序，得出的灰色關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明越接近理想解，即該評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)環(huán)境的影響越小，反之影響越大。

5 應(yīng)用實(shí)例

蘭新高鐵作為國(guó)家在西北投資最大的高速鐵路，其自然環(huán)境非常惡劣，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)穿越百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、安西風(fēng)區(qū)、煙墩風(fēng)區(qū)、達(dá)板城風(fēng)區(qū)等五大風(fēng)區(qū)，有國(guó)家級(jí)沙漠自然保護(hù)區(qū)；(2)氣候干燥，雨季時(shí)間短，旱季時(shí)間長(zhǎng)；(3)由于大風(fēng)作用，晚上溫度驟降，日溫差大，冬季寒冷，天氣變化劇烈，常突降陰雨、冰雹等，冰凍時(shí)間長(zhǎng)。

現(xiàn)選取蘭新高鐵上5座橋梁工程為綠色施工環(huán)境影響評(píng)價(jià)對(duì)象，分別為紅星特大橋(DK1322+564)、白楊溝特大橋(DK1351+552)、葡萄溝特大橋(DK1663+599)、達(dá)坂城濕地特大橋(DK1760+969.34)、勝金1號(hào)大橋(DK1635+400)，記為A、B、C、D、E。其中，烏魯木齊市天山南麓達(dá)坂城濕地是國(guó)家級(jí)自然生態(tài)保護(hù)區(qū)，為了保護(hù)濕地，減少施工環(huán)境影響，中國(guó)鐵建十二局集團(tuán)四公司堅(jiān)持環(huán)保優(yōu)先的理念，嚴(yán)格按照環(huán)保部門(mén)劃定的區(qū)域展開(kāi)施工。在靠濕地一側(cè)采用鋼護(hù)欄封閉，生活區(qū)均設(shè)在濕地以外，基礎(chǔ)施工的泥漿、開(kāi)挖土、施工垃圾等全部外運(yùn)，并做好完工后生態(tài)恢復(fù)工作；在修建勝金1號(hào)大橋時(shí)，鐵路部門(mén)重視文明綠色施工，堅(jiān)持環(huán)保和水土保濕的原則，在編制施工方案時(shí)就力爭(zhēng)把施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響降低到最低程度，并且制定出了詳細(xì)的文明施工和環(huán)保的相應(yīng)措施；其他各橋在結(jié)合本工程特點(diǎn)的同時(shí)，在勞力、材料、機(jī)械的合理優(yōu)化配制方面也做出了諸多努力，力求采取成熟可靠、綠色先進(jìn)的施工方法和工藝，最大限度降低施工對(duì)環(huán)境的影響。

現(xiàn)運(yùn)用上述提出的評(píng)價(jià)方法對(duì)5座橋梁進(jìn)行施工環(huán)境影響評(píng)價(jià)。聘請(qǐng)符合參評(píng)條件的專家20人構(gòu)成專家組，對(duì)5個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的環(huán)境影響情況進(jìn)行考核分析，采取百分制的評(píng)分方式，運(yùn)用落點(diǎn)法得到5個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的二級(jí)影響因素評(píng)價(jià)矩陣X1、三級(jí)影響因素評(píng)價(jià)矩陣X2。

采用層次分析法得到各專家對(duì)于27個(gè)三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和6個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性比較判斷矩陣，權(quán)重確定方法結(jié)合式(1)、式(2)得出二、三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量分別為W1，W2，如下所示

W1=(0.125，0.208，0.188，0.217，0.132，0.131)

W2=(0.009，0.008，0.170，0.006，0.072，0.001，0.006，0.019，0.028，0.042，0.018，0.031，0.067，0.041，

0.032，0.025，0.009，0.057，0.037，0.057，0.053， 0.064，0.002，0.004，0.069，0.030，0.039)

用區(qū)間連續(xù)有序加權(quán)算子C-OWA集結(jié)區(qū)間數(shù)，取r=3。根據(jù)式(5)對(duì)評(píng)價(jià)矩陣X1和X2去不確定性得到評(píng)價(jià)矩陣后，對(duì)二、三級(jí)指標(biāo)進(jìn)行指標(biāo)加權(quán)得到Z1、Z2。

根據(jù)指標(biāo)加權(quán)后矩陣，可得到6個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)社會(huì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境、大氣環(huán)境、聲環(huán)境、固體廢棄物排放的參考序列為

Z0={38.037，49.673，55.078，38.391，36.862，29.098}

根據(jù)式(7)、式(8)，分別計(jì)算5個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象A、B、C、D、E對(duì)社會(huì)環(huán)境影響、生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境、大氣環(huán)境、聲環(huán)境、固體廢棄物排放6個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度，見(jiàn)表3。

表3 各評(píng)價(jià)對(duì)象與評(píng)價(jià)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度

從表3可以看出，只考慮對(duì)社會(huì)環(huán)境的影響，最小的是D(達(dá)坂城濕地特大橋)，影響最大的為C(葡萄溝特大橋)；只考慮對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，最小的是B(白楊溝特大橋)，影響最大的為D(達(dá)坂城濕地特大橋)；只考慮地表水污染，最少的是E(勝金1號(hào)大橋)，污染最多的為B(白楊溝特大橋)；只考慮大氣污染，最少的是B(白楊溝特大橋)，污染最多的為A(紅星特大橋)；只考慮聲污染，最少的是A(紅星特大橋)，污染最多的為E(勝金1號(hào)大橋)；只考慮固體廢棄物污染，最少的是C(葡萄溝特大橋)，污染最多的為A(紅星特大橋)。

最后根據(jù)式(8)計(jì)算5個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的環(huán)境影響與參考序列之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為

運(yùn)用式(7)求得5個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象環(huán)境影響狀態(tài)與理想狀態(tài)的灰色關(guān)聯(lián)度為

η=(0.769，0.804，0.792，0.623，0.667)

為了更清晰分析5個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)環(huán)境影響的情況，現(xiàn)將5座橋梁工程綠色施工環(huán)境影響結(jié)果繪制成圖2所示。

圖2 橋梁綠色施工環(huán)境影響

由圖2能更清晰看出，A(紅星特大橋)、B(白楊溝特大橋)、C(葡萄溝特大橋)、D(達(dá)坂城濕地特大橋)、E(勝金1號(hào)大橋)5個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的綠色施工對(duì)環(huán)境影響排序?yàn)椋築>C>A>E>D，即B(白楊溝特大橋)在施工階段對(duì)環(huán)境影響最小，而D(達(dá)坂城濕地特大橋)在施工階段對(duì)環(huán)境影響最大。通過(guò)有關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示，白楊溝特大橋位于烏魯木齊南郊著名的避暑游覽勝地白楊溝附近，其施工建設(shè)的環(huán)境影響要求較高，故采取有效施工環(huán)境影響控制措施，綠色施工，造成較小的環(huán)境影響。而坂城濕地特大橋是蘭新高鐵新疆境內(nèi)最大跨度的連續(xù)橋梁，位于烏市達(dá)坂城區(qū)，工程量大，施工難度高，環(huán)境影響不易控制，故造成的環(huán)境影響較大。對(duì)比評(píng)價(jià)工程實(shí)際情況，分析評(píng)價(jià)結(jié)果與相關(guān)數(shù)據(jù)資料相吻合較好。

6 結(jié)論

(1)施工環(huán)境影響分析評(píng)價(jià)是一個(gè)涉及多方面因素的復(fù)雜問(wèn)題?；贚AC理論，參考EIA、BEPAS對(duì)環(huán)境評(píng)價(jià)的要求，結(jié)合西北寒旱地區(qū)特殊地理、氣候自然環(huán)境對(duì)綠色施工造成環(huán)境影響的因素，建立鐵路橋梁工程綠色施工環(huán)境影響框架，確定了造成環(huán)境影響的6個(gè)因素：社會(huì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、地表水污染、大氣污染、聲污染、固體廢棄物污染。構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該體系分為三層，二級(jí)指標(biāo)6個(gè)，三級(jí)指標(biāo)27個(gè)。

(2)采用區(qū)間分析法對(duì)群組專家評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行劃分區(qū)間，對(duì)信息中的不確定性進(jìn)行有效集結(jié)，減少評(píng)價(jià)結(jié)果的不準(zhǔn)確，克服了常規(guī)評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果帶來(lái)的不確定性。群組專家共同評(píng)價(jià)，在一定程度上有效彌補(bǔ)了單一決策者評(píng)價(jià)時(shí)自身主觀因素的影響。

(3)為了克服TOPSIS法不能有效解釋現(xiàn)實(shí)決策的問(wèn)題，用灰色關(guān)聯(lián)度替代傳統(tǒng)TOPSIS法中歐氏距離，用灰色關(guān)聯(lián)分析與TOPSIS法相結(jié)合對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)得到的灰關(guān)聯(lián)度進(jìn)行環(huán)境影響程度大小的優(yōu)先排序，可以更客觀、清晰、方便地為決策者提供決策參考。

(4)對(duì)蘭新高鐵5座橋梁工程進(jìn)行實(shí)例分析，運(yùn)用本文提出的環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法得出的評(píng)價(jià)結(jié)果與工程實(shí)際情況吻合較好，該方法可以作為今后高鐵橋梁施工環(huán)境影響評(píng)價(jià)的參考，也為鐵路橋梁綠色施工評(píng)價(jià)提供思路。