西北寒旱地區(qū)鐵路路基綠色施工水平綜合評價

萬炳彤， 鮑學英， 李愛春

(蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國鐵路建設(shè)的不斷推進，隨之帶來的環(huán)境問題也越發(fā)嚴重。保護生態(tài)環(huán)境，倡導綠色施工，提高鐵路行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展水平已經(jīng)逐漸成為鐵路建設(shè)部門關(guān)注的重點，而如何評價鐵路綠色施工水平，是解決鐵路綠色建設(shè)的首要問題。當前，針對如何優(yōu)選鐵路綠色施工方案，已有不少學者對其進行了研究，王明慧等[1]從我國國情出發(fā)構(gòu)建了鐵路綠色施工評價指標體系，運用突變級數(shù)法對鐵路綠色施工方案等級進行了研究。熊風等[2]從綠色施工概念出發(fā)，運用層次分析 (Analytic Hierarchy Process，AHP)法對鐵路綠色評價指標權(quán)重進行了研究。李化建等[3]從鐵路工程作用環(huán)境的功能性指標出發(fā)，利用模糊數(shù)學，對鐵路混凝土綠色度進行了研究。

但是，上述研究方法的共同缺陷就是綠色評價指標體系太籠統(tǒng)，沒有針對鐵路建設(shè)各階段施工內(nèi)容的不同而細化綠色評價指標體系，且評價模型過分依賴數(shù)據(jù)，主觀性強。鑒于鐵路路基施工階段是鐵路形成過程中能源與資源消耗最大，對環(huán)境影響最深刻的階段，所以，本文以鐵路路基施工階段為例，根據(jù)GB-T 50378-2014《綠色建筑評價標準》、西北地區(qū)自然特征及西北地區(qū)鐵路路基施工組織設(shè)計，構(gòu)建出合理科學的針對西北寒旱地區(qū)鐵路路基綠色施工水平的多層次評價指標體系。利用層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合的主客觀綜合賦權(quán)法，使評價指標權(quán)重得到合理分配，既能兼顧到西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境的突出問題，同時又能減少賦權(quán)的主觀隨意性，使賦權(quán)結(jié)果合理、可靠。并將所得權(quán)重運用于逼近理想解排序 (Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS) 法模型進行決策分析，高效合理地評判出各施工方案針對西北寒旱地區(qū)鐵路路基的綠色施工水平，為西北地區(qū)優(yōu)選路基綠色施工方案提供理論依據(jù)，以促進西北地區(qū)鐵路路基綠色施工的推廣應(yīng)用，從而提高西北地區(qū)交通行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展水平。

1 評價指標體系構(gòu)建

根據(jù)現(xiàn)行的GB/T 50905-2014《建筑工程綠色施工評價標準》，將“四節(jié)一環(huán)?！弊鳛樵u價西北寒旱地區(qū)鐵路路基綠色施工水平的主要原則?；诖耍瑢ζ湓u價指標從土壤生態(tài)破壞防治、大氣污染防治、固體廢物污染防治、噪聲污染防治、合理使用與資源節(jié)約這五個主要評價綠色施工的標準出發(fā)，結(jié)合西北地區(qū)存在的生態(tài)問題及鐵路路基施工階段特點構(gòu)建針對西北寒旱地區(qū)鐵路路基的綠色施工水平評價指標體系。

土壤生態(tài)破壞在路基施工階段主要體現(xiàn)在路基主體施工時對道路沿線的植被破壞，以及為配合路基施工建立的一些施工輔助設(shè)施用地(如取土場等、棄土場等)對土壤及生態(tài)環(huán)境造成的破壞，鑒于西北地區(qū)風害頻繁、水土流失嚴重，應(yīng)加強綠色通道建設(shè)，選擇抗寒、抗旱、耐貧瘠、抗風沙的植被對路基邊坡實施有效的生態(tài)防護，同時待主體工程完工后對取、棄土場等臨時用地進行土地復墾和綠化防護等措施，防止土地荒廢與水土流失；在固體廢物污染防治方面，除了對施工人員產(chǎn)生的生活垃圾進行合理處理，在路基施工階段要對棄土場實施合理的防護、排水、環(huán)保措施，避免污染環(huán)境；合理使用與資源節(jié)約在路基施工階段主要體現(xiàn)在取土場與棄土場選址的合理性(選址時應(yīng)考慮節(jié)約土地、有利排水、選用低效益土地的原則)、保證質(zhì)量的前提下再生骨料作為路基底層填料的利用率、路基土石方移挖作填率等方面；大氣污染在路基施工階段主要體現(xiàn)在土方挖掘產(chǎn)生的揚塵、填料運輸產(chǎn)生的揚塵、現(xiàn)場堆放材料產(chǎn)生的揚塵及施工機械產(chǎn)生的尾氣。施工時應(yīng)采取及時灑水，材料合理堆放并及時覆蓋，運輸填料時用帆布遮蓋等措施防治大氣污染；噪聲污染在路基施工階段主要來源于填料裝運，路基填筑、開挖、攤鋪、整平、碾壓時機械產(chǎn)生的噪音，施工時通過采用低噪音環(huán)保機械，定期對機械設(shè)備進行維護與保養(yǎng)等措施對噪聲污染進行防治。通過對西北地區(qū)鐵路路基施工組織設(shè)計的深入研究并參考有關(guān)文獻[4～8]，將獲得的指標運用Delphi法按代表性好、敏感度髙、科學合理等原則進行篩選，最終確定出土壤修復與培肥地力等16個細化指標，構(gòu)建出針對西北寒旱地區(qū)鐵路路基綠色施工水平的多層次評價指標體系，如表1所示。

表1 西北寒旱地區(qū)鐵路路基綠色施工水平

2 評價指標權(quán)重確定

2.1 權(quán)重確定方法的選擇

要對鐵路路基的綠色施工水平評估，首先要確定評價指標的權(quán)重，權(quán)重的確定方法分為兩類：主觀賦權(quán)法，客觀賦權(quán)法。層次分析法(AHP)是比較成熟的主觀賦權(quán)法，它的優(yōu)點是專家可以根據(jù)西北地區(qū)主要面臨的生態(tài)環(huán)境問題和專家自身的知識經(jīng)驗合理地確定各屬性權(quán)重的排序。但決策或評價結(jié)果容易被決策者的主觀意識所影響，客觀性較差[9]。熵權(quán)法是一種常用的客觀賦權(quán)法，權(quán)重的確定主要依靠數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，客觀性強，但人的參與性較差，沒有考慮到西北地區(qū)主要面臨的生態(tài)環(huán)境問題，缺乏針對性[10]。所以,西北寒旱地區(qū)鐵路路基綠色施工評價合理的賦權(quán)方法應(yīng)該為主客觀相結(jié)合的綜合賦權(quán)法?；诖?，本文在權(quán)重的選取上采用層次分析法與熵權(quán)法結(jié)合的主客觀綜合賦權(quán)法進行賦權(quán)。

2.2 權(quán)重確定的具體步驟

2.2.1AHP法確定主觀權(quán)重

AHP法的原理是將問題層次化，在每一層次可按某一規(guī)定準則對該層要素進行逐對比較建立判斷矩陣，通過計算得出該層要素對于該準則的權(quán)重，進而計算出各層次要素對于總體目標的組合權(quán)重[11]。具體步驟如下：

(1)對每層指標因素按其對應(yīng)的上一層指標因素為參照，逐對比較構(gòu)建出判斷矩陣A=[aij]n×n，其中aij為第i個指標與第j個指標的相對重要程度。

(2)得到判斷矩陣后，利用和積法求出判斷矩陣的最大特征根λmax及特征向量Wi，按式(1)～(4)計算。

(1)

(2)

(3)

(4)

(3)為了檢驗權(quán)重分配是否合理，需要計算判斷矩的一致性比例CR，按式(5)計算。

(5)

式中：CI為一致性檢驗指標；RI為平均隨機一致性指標；n為該矩陣階數(shù)。當CR<0.10時，判斷矩陣具有令人滿意的一致性；當CR>0.10時，需要調(diào)整判斷矩陣，直到滿意為止[12]。

2.2.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

熵權(quán)法是利用被評價對象的指標值構(gòu)成的判斷矩陣來確定權(quán)重的一種賦權(quán)方法[13]，具體步驟如下：

(1)對屬性矩陣X進行無量綱化處理，即將效益型指標(越大越優(yōu)型)和成本型指標(越小越優(yōu)型)分別按式(6)(7)計算，可得到規(guī)范化決策矩陣V。

(6)

(7)

式中：max(xij)和min(xij)分別為不同方案中同指標下第i個指標值的最大和最小值；i=1,2,…,n,j=1,2,…,m,n和m分別為指標與方案個數(shù)。

(2)根據(jù)規(guī)范化決策矩陣V，按式(8)計算各指標的熵Hj。

(8)

(3)按式(9)計算各評價指標熵權(quán)wj。

(9)

式中：0≤wj≤1，各指標權(quán)重的和等于1。

2.2.3 綜合權(quán)重的確定

通過查閱相關(guān)文獻[14]按式(10)將AHP法與熵權(quán)法得到的權(quán)重結(jié)果wj主觀和wj客觀進行綜合。

wj綜合=αwj主觀+ (1-α)wj客觀

(10)

式中：wj綜合為第j項指標的綜合權(quán)重；a(0≤a≤1)為決策偏好系數(shù)。在偏差的平方和最小的前提下，最佳的組合權(quán)重是主觀AHP權(quán)重和客觀熵權(quán)各占50%，即取a=0.5。

3 TOPSIS綜合評判模型構(gòu)建

TOPSIS法是一種多目標決策方法。其基本原理是定義決策問題的理想解和負理想解，然后在所有備選方案中找到一個方案，使其與理想解的距離最近，與負理想解的距離最遠[15]。具體步驟如下：

(1)按式(11)對屬性矩陣X進行歸一化處理得到規(guī)范化決策矩陣R。

(11)

(2)構(gòu)造加權(quán)規(guī)范矩陣K，按式(12)計算。

(12)

(3)按式(13)(14)計算正理想解K+與負理想解K-。

(13)

(14)

(4)按式(15)(16)計算每個方案到正、負理想解的距離D+和D-。

(15)

(16)

(5)按式(17)分別計算各方案的相對貼近度Ci。

(17)

按Ci(0≤Ci≤1)的大小對各方案進行排序，Ci越大越理想。

4 實證研究

現(xiàn)有有4個施工方案，記為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，通過運用本文所構(gòu)建的評價體系對西北地區(qū)某鐵路路基建設(shè)項目施工過程中的綠色程度進行評價，說明該評價模型如何因地制宜優(yōu)選綠色施工方案的實用性。

邀請5家西北地區(qū)綠色建筑科研單位，每家單位分別派出5位專家組成評價小組，為確保評價結(jié)果的可靠性，派出的每位專家均具有高級工程師及以上職稱且從事綠色鐵路研究8年以上，有豐富的綠色鐵路施工經(jīng)驗，熟悉鐵路路基施工技術(shù)。由評價小組根據(jù)西北寒旱地區(qū)鐵路路基綠色施工水平的多層次評價指標體系并考慮西北地區(qū)風害頻繁、水土流失嚴重等生態(tài)環(huán)境問題對準則層和指標層因素分別進行重要度評價，構(gòu)造目標層A和準則層B各因素的A-B判斷矩陣如表2，構(gòu)造準則層B和指標層C各因素的判斷矩陣B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，B5-C，判斷矩陣分別如表3～7所示；并對4個施工方案關(guān)于西北寒旱地區(qū)鐵路路基綠色施工水平的指標層因素進行評估打分，滿分為100分。對所有專家的打分取平均值即為最終得分，每項指標的最終得分如表8所示。

表2 A-B判斷矩陣

表3 B1-C判斷矩陣

表4 B2-C 判斷矩陣

表5 B3-C 判斷矩陣

表6 B4-C 判斷矩陣

表7 B5-C 判斷矩陣

表8 指標層評價指標得分

根據(jù)表2的A-B判斷矩陣，由式(1)～(3)得A-B權(quán)重矩陣W=[0.047，0.105，0.1105，0.497，0.245]，由式(4)(5)得：最大特征值λmax=5.127，CI=0.032，RI=1.12，CR=0.029<0.1，滿足一致性檢驗，同理可得：

B1-C矩陣：W=[0.164，0297，0.539]，λmax=3.010，CI=0.005，RI=O.58，CR=0.009<0.1，滿足一致性檢驗；

B2-C矩陣：W=[0.138，0.623，0.239]，λmax=3.018，CI=0.009，RI=0.58，CR=0.016<0.1，滿足一致性檢驗；

B3-C矩陣：W=[0.540，0.297，0.163]，λmax=3.010，CI=0.005，RI=0.58，CR=0.009<0.1，滿足一致性檢驗；

B4-C矩陣：W=[0.143，0.143，0.714]，λmax=3.000，CI=0.000，RI=0.58，CR=0.000<0.1，滿足一致性檢驗；

B5-C矩陣：W=[0.250，0.548，0.075，0.128]，λmax=4.017，CI=0.006，RI=0.90，CR=0.007<0.1，滿足一致性檢驗。

層次分析法所得各指標權(quán)重結(jié)果如表9所示。

表9 層次分析法所得各指標權(quán)重結(jié)果

由指標層因素最終得分(表8)獲得熵權(quán)法和TOPSIS法的決策矩陣X。由式(6)(7)對決策矩陣X進行規(guī)范化處理可得規(guī)范化決策矩陣V：

表10 指標層的熵值 Hj 及對應(yīng)熵權(quán) Wj

按式(11)對決策矩陣X進行歸一化處理得到規(guī)范化決策矩陣R，然后按式(12) 對矩陣R進行加權(quán)處理得到加權(quán)規(guī)范矩陣K：

按式(13)，(14)計算確定正理想解K+與負理想解K-：

K+=[0.019 0.019 0.023 0.019 0.040 0.023 0.033 0.026 0.020 0.034 0.037 0.115 0.041 0.018 0.020 0.026]，K-=[0.015 0.016 0.016 0.017 0.033 0.016 0.027 0.019 0.017 0.030 0.027 0.093 0.031 0.016 0.015 0.018]。

按式(15)(16)計算每個方案到正理想解和負理想解的距離，并按式(17)計算各方案的相對貼近度Ci，結(jié)果如表11所示。

表11 綜合評價結(jié)果

由表11可以得出，這4個施工方案關(guān)于西北寒旱地區(qū)鐵路路基綠色施工水平的排序為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，故方案Ⅳ最優(yōu)，其評價結(jié)果也符合西北地區(qū)風害頻繁、水土流失嚴重的環(huán)境條件。

5 結(jié) 論

(1)本文根據(jù)GB-T 50378-2014《綠色建筑評價標準》，西北地區(qū)自然特征及西北地區(qū)鐵路路基施工組織設(shè)計，構(gòu)建出科學合理的針對西北寒旱地區(qū)鐵路路基綠色施工水平的多層次評價指標體系。

(2)本文在權(quán)重的選取上采用將層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合的綜合賦權(quán)法，基于主、客觀賦權(quán)法各自的優(yōu)點，既兼顧到了西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境的突出問題，同時又減少了賦權(quán)的主觀隨意性，使評價指標權(quán)重得到合理分配，得出了合理的權(quán)重矩陣，進而使決策結(jié)果合理、可靠。

(3)本文將綜合賦權(quán)結(jié)果運用于TOPSIS決策模型對西北寒旱地區(qū)鐵路路基綠色施工水平進行綜合評價，可以在較短時間內(nèi)對各施工方案關(guān)于西北寒旱地區(qū)鐵路路基的綠色施工水平進行客觀公正的評價，促進了西北地區(qū)鐵路路基綠色施工的推廣應(yīng)用，從而提高鐵路行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展水平。