西北寒旱地區(qū)鐵路綠色施工等級評價研究

鮑學英， 張 健， 王起才

(蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

鐵路工程作為典型的線性工程，動輒綿延數(shù)千公里，具有施工周期長、對沿途生態(tài)環(huán)境破壞嚴重的特點。長期以來，我國粗放型的鐵路工程施工管理方式存在資源消耗量大、再利用率低、環(huán)境污染嚴重的弊端，與國家可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)存在一定的背離，在此背景下提出了鐵路綠色施工的概念。所謂鐵路綠色施工就是指在滿足鐵路施工基本目標的基礎上運用一定的技術(shù)手段、管理措施，通過提高施工中各類資源的利用率，并且盡量降低其對外界產(chǎn)生的負面環(huán)境影響，從而達到鐵路施工項目與生態(tài)環(huán)境和諧共存的施工活動。由于西北寒旱地區(qū)崇山峻嶺密布，干旱少雨、水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境非常脆弱。在此區(qū)域內(nèi)修建鐵路，往往需要開挖大體積的路塹、修建大量的隧道、橋梁等，對生態(tài)環(huán)境造成很大破環(huán)，由于大量水土流失而造成泥石流等次生地質(zhì)災害，因此在西北寒旱地區(qū)推行綠色施工更具有急迫性和重要性[1]。

現(xiàn)有文獻中對鐵路綠色施工的研究主要針對水土保持和環(huán)境影響等單一因素[2-4]，尚未有完善的鐵路綠色施工評價體系。因此，本文根據(jù)鐵路綠色施工的涵義，充分考慮西北寒旱地區(qū)的資源和環(huán)境等條件，嘗試從“節(jié)地”、“節(jié)能”、“節(jié)水”、“節(jié)材”等資源的節(jié)約以及綜合利用和“環(huán)境保護”等5個方面通過指標體系的構(gòu)建、指標權(quán)重的測算，以及評價模型的建構(gòu)，對其綠色施工等級進行評定。最后選取蘭新高速鐵路的5個標段，按照文中提出的評價體系對其綠色施工效果進行評價。

1 構(gòu)建評價指標體系、確定分級標準

1.1 評價指標體系的構(gòu)建

通過研究西北寒旱地區(qū)的資源及環(huán)境條件以及鐵路施工的獨有特征，在滿足系統(tǒng)性、前瞻性、獨立性、可操作性的原則上，通過學習、借鑒、分析目前國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果[5-9]，篩選提取代表性強、精確度高的評價指標，確保提取出的指標能夠科學、全面、客觀、正確地表征評價對象的綠色施工水平。據(jù)此，建立評價指標體系，見表1。

表1 西北寒旱地區(qū)鐵路綠色施工評價指標體系及分級標準

1.2 指標分級標準的確定

對于指標的分級標準，本文參考國際慣例，綜合國內(nèi)外評估體系分級標準的劃分，將評價指標的合格等級標準設置為5個等級：不合格、合格、中、良、優(yōu)。并以Q/CR 9202—2015《鐵路建設項目現(xiàn)場管理規(guī)范》[10]、TB 10530—2005《鐵路建設項目水土保持方案技術(shù)標準》[11]、TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準》[12]等現(xiàn)行標準為基礎，參考DB 62/T25—3064—2013《甘肅省綠色建筑評價標準》[13]等規(guī)范、標準中的相關規(guī)定，并參照同類評價項目的約定標準，結(jié)合西北寒旱地區(qū)的地域特點確定各指標分級標準，結(jié)果見表1[1]。

2 評價指標權(quán)重的確定

確定評價指標權(quán)重是綜合評價的前提。由于表1中各個評價指標具有相互獨立的屬性，且由于“綠色”本身也是一個較為主觀感知的概念，故在考慮專家意見的基礎上首先采用層次分析法確定各個評價指標的主觀權(quán)重，為了消除主觀權(quán)重主觀隨意性大的缺點，引入了熵權(quán)法確定各個評價指標的客觀權(quán)重，最后將兩者組合作為西北寒旱地區(qū)鐵路綠色施工等級評價指標的權(quán)重。設waj、wej、woj分別代表指標j的主觀、客觀、組合權(quán)重，具體計算流程見圖1。

表2 綠色施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

擬評項目X11X12X13X14X15X16X21X22X23X31X32185.0068.0090.0090.0090.0095.0055.002.2515.0080.0010.00285.0050.0090.0085.0087.5085.0060.002.0015.0080.0012.00378.0042.0085.0085.0085.0085.0060.001.7020.0085.0012.00474.0040.0095.0087.5087.5090.0065.001.5020.0085.0015.00570.0040.0095.0090.0090.0085.0065.002.0015.0070.0015.00擬評項目X33X41X42X43X44X45X51X52X53X54117.5021.0070.0017.5027.0055.001.5085.0067.5025.00215.0022.5050.0010.0010.0040.001.0070.0065.0025.00315.0015.0055.0012.5010.0040.001.2570.0060.0030.00417.5010.0048.0012.5015.0035.000.7575.0065.0030.00516.0010.0050.0015.005.0040.000.5060.0062.5035.00

收集每個評價指標的實際觀測值是利用熵權(quán)法確定評價指標客觀權(quán)重的基本前提。蘭新高速鐵路是我國實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重大鐵路項目之一，該鐵路線的施工段大多處于高海拔、高寒、高旱等無人荒漠區(qū)，有些地域寸草不生、植被覆蓋率極低。由于地域的特殊性，適宜的天然植被種類單調(diào)、生長周期長，所破壞的植被很難恢復，生態(tài)環(huán)境極為惡劣，是西北地區(qū)高寒高旱環(huán)境條件下鐵路施工的典型代表，故本文選取蘭新高速鐵路施工項目作為研究對象對其綠色施工的數(shù)據(jù)進行采集。挑選了5個綠色施工措施較好的標段作為擬評項目，通過專家訪談、現(xiàn)場測試等手段收集了其在施工過程中的基礎數(shù)據(jù)見表2。運用熵權(quán)法計算了各個評價指標的客觀權(quán)重；借助于專家打分的基礎上，運用層次分析法計算了各個評價指標的主觀權(quán)重，利用圖1的流程確定了各個評價指標的組合權(quán)重，計算結(jié)果見表3[1]。

表3 評價指標的權(quán)重

3 評價模型的構(gòu)建

從表1可知，西北寒旱地區(qū)鐵路綠色施工等級評價指標數(shù)量較多，擬評項目的各個評價指標的數(shù)值可能分別屬于不同的綠色等級，且各個評價指標對評價結(jié)果的影響程度不同，故不能直接評定其綠色施工等級。同時由于鐵路施工企業(yè)對施工過程中的資源、能源等有關綠色施工消耗的數(shù)量不能全面計量。采集到的樣本數(shù)量少，且數(shù)據(jù)沒有明確的分布規(guī)律，運用數(shù)理統(tǒng)計方法進行處理的難度較大。而灰色聚類法則可以對數(shù)據(jù)量少、樣本小的研究對象進行評價，故灰色聚類法適合對西北寒旱地區(qū)綠色施工等級進行評價[14]。但是灰色聚類法只對研究對象的等級進行評定，對屬于同一等級的研究對象，則無法對其相對優(yōu)劣進行判定，影響評價結(jié)果的精確性。本文以灰色聚類法與雷達圖法[15-16]相結(jié)合的方式建立了西北寒旱地區(qū)鐵路綠色施工等級評價的模型。

3.1 構(gòu)造白化權(quán)函數(shù)

設擬評項目有n個，設置有m個評價指標，劃分了s個綠色等級，則根據(jù)收集的各個擬定項目其各自評價指標的數(shù)值所形成的樣本空間為

( 1 )

式中：xi為第i個擬評項目；xij為第i個擬評項目的第j個指標的數(shù)值。

針對下限未確知測度白化權(quán)函數(shù)，其表達式為

( 2 )

針對上限未確知測度白化權(quán)函數(shù)，其表達式為

( 3 )

針對式中未確知測度白化權(quán)函數(shù)(以圖3中，k=2為例)，其表達式為

( 4 )

3.2 計算灰類等級

( 5 )

3.3 雷達圖分析

(1) 評價指標無量綱化處理

進行雷達圖分析的首要步驟，是將各指標值無量綱化處理，使處理值分布于[0,1]范圍內(nèi)[15-16]。指標無量綱化處理方式為

( 6 )

(2) 評價指標權(quán)重與角度轉(zhuǎn)換

在雷達圖中繪制m條指標軸，由式( 7 )將各個評價指標的權(quán)重w1，w2，…，wm轉(zhuǎn)化為指標軸之間的夾角。

θj=360wj

( 7 )

式中：θj為夾角角度；wj為權(quán)重。

(3) 繪制雷達圖

利用Excel軟件，對評價指標的數(shù)值做無量綱化處理，將每個指標的數(shù)值投影在對應的指標軸上，并將每個值的投影點連接成線，形成雷達圖。

(4) 特征值計算

以雷達圖的平均面積及周長作為評價函數(shù)的特征量，雷達圖的平均面積、周長分別為

( 8 )

( 9 )

(10)

最后，各指標的評價值Yx為

(11)

4 評價案例

蘭新高速鐵路橫貫我國甘肅、青海、新疆三個省區(qū)，是連接我國西北地區(qū)的一條鐵路大動脈，全長1 776 km。鐵路全線包括蘭州至西寧、西寧至張掖、張掖至紅柳河、紅柳河至哈密、哈密至烏魯木齊等五個施工段，是西北高寒高旱地區(qū)鐵路施工項目的典型代表。在施工過程中各擬評項目均采取了一系列綠色施工措施，例如擬評項目1，全長142 km，平均海拔約2 400 m，最高達到3 100 m。其在項目沿線適宜種植區(qū)域，種植沙蒿、沙棘等能夠適應沙漠氣候的植物，在植物難以生存的區(qū)域，則采用草方格法對項目臨時用地進行修復。經(jīng)過近2年多不間斷施工，共栽植坡面容器苗175萬穴，路基灌木85萬株，橋下灌木104萬株，所種植的植物成活率在77%以上，有效改善了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[1]。

(1) 基礎數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

挑選了5個標段作為擬評項目，收集了各個擬評項目綠色施工的基礎數(shù)據(jù)，針對統(tǒng)計困難的數(shù)據(jù)，從施工單位、蘭州鐵路局、科研單位邀請了11位高級職稱以上的該領域?qū)＜覍ζ溥M行了估算，見表2。

(2) 建立各指標評價矩陣

5個擬評項目的指標白化權(quán)函數(shù)矩陣由式( 1 )～式( 5 )求得，見表4(以指標X1為例)。

表4 擬評項目1的部分函數(shù)值

(3) 灰色聚類等級的確定

根據(jù)式( 5 )，可得5個擬評項目的灰色聚類等級計算結(jié)果為

σ1=(0,0.123 5,0.115 8,0.674 2,0.110 2)

σ2=(0.096 9,0.389 1,0.466 3,0.071 4,0)

σ3=(0.195 1,0.324 1,0.373 1,0.131 6,0)

σ4=(0.145 1,0.227 5,0.587 9,0.063 2,0)

σ5=(0.177 3,0.406 4,0.318 2,0.121 8,0)

綜上，擬評項目1的評價結(jié)果是良，擬評項目2、3、4的評價結(jié)果是“中”，擬評項目5的評價結(jié)果是“合格”。

(4) 繪制雷達圖

根據(jù)式( 6 )、式( 7 )對各指標進行標準化處理、角度轉(zhuǎn)化，并繪制雷達圖，見圖4。

從圖4可以看出各個評價指標的相對優(yōu)劣，例如擬評項目1中，有17個指標的數(shù)值接近于理想值，說明這17項的綠色施工措施效果好，3個指標比平均水平高，1個指標表現(xiàn)一般，總體綠色施工效果較好。

(5) 計算雷達圖的特征量

根據(jù)式( 8 )～式(11)，可以分別計算出各擬評項目雷達圖的平均面積、平均周長見表5。

表5 各擬評項目的計算結(jié)果

擬評項目平均面積平均周長VxYx排序14.936 622.615 40.001 20.078 4124.759 123.546 90.001 10.072 5434.841 523.746 30.001 10.073 2244.901 824.061 20.001 00.073 1354.520 722.971 80.001 10.070 65

通過綜合評價函數(shù)計算各標段的評價值，各標段綜合評價排序為擬評項目1>擬評項目3>擬評項目4>擬評項目2>擬評項目5。對比5個擬評項目個施工過程，擬評項目1采取的橋梁墩身噴淋技術(shù)、材料本地化率達到60%、施工廢水回收再利用、生態(tài)植被修復等一系列綠色施工措施，充分證明了本文構(gòu)建的評價指標體系和評價模型的合理性、可行性。

5 結(jié)論

(1) 本文根據(jù)綠色施工的含義構(gòu)建了充分考慮西北寒旱地區(qū)地域特點的鐵路綠色施工等級評價指標體系，包含了“節(jié)地”、“節(jié)能”、“節(jié)材”等資源節(jié)約及綜合利用和“環(huán)境保護”等一級評價指標5個，二級評價指標21個。

(2) 在不同的地域條件下，所采取的綠色施工措施不同，決定其綠色等級的要素也不同。本文的研究結(jié)果表明，決定西北寒旱地區(qū)鐵路綠色施工等級最主要的要素依次為為水土流失防治率、節(jié)能機械設備使用率、材料的本地化率、敏感區(qū)水污染控制率。

(3) 針對目前樣本數(shù)據(jù)少以及灰色聚類法的缺點，本文運用灰色聚類法結(jié)合雷達圖分析法所建立的評價模型不僅可以實現(xiàn)對綠色等級的判定，也可以對評價指標的相對優(yōu)劣性進行縱向和橫向?qū)Ρ?，便于找出研究對象綠色施工措施存在的主要問題。

(4) 通過對蘭新高速鐵路施工項目的實證研究，結(jié)果表明西北寒旱地區(qū)鐵路綠色施工的實施尚不成熟，各個評價指標的實施情況差異性大，說明西北寒旱地區(qū)的鐵路綠色施工需要制定統(tǒng)一的標準進行規(guī)范。