基于SD-組合賦權(quán)的棄土場環(huán)境影響評(píng)價(jià)

周洪文，易鼎鼎，范永豐，趙德強(qiáng)，張永剛

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海 201499；2.河南省新融高速公路建設(shè)有限公司，河南 洛陽 471000)

近年來，國家對(duì)于工程環(huán)保的重視程度日益上升，管理力度也在加大。高速公路是中國主要的基建工程，其所包含的棄土場對(duì)環(huán)境的影響最為深遠(yuǎn)。實(shí)際工程中，棄土場對(duì)環(huán)境的影響體現(xiàn)在很多方面，專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。劉俊臺(tái)[1]利用遙感技術(shù)，對(duì)張承公路棄土場環(huán)境進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，并提出建議。李磊[2]利用遙感技術(shù)，對(duì)張崇段公路棄土場的地質(zhì)、氣候、水文等生態(tài)環(huán)境方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，為工程的施工提供了便利。李開鵬[3]根據(jù)都勻馬鞍山棄土場實(shí)際情況，著力研究環(huán)境影響，結(jié)合相關(guān)公式，計(jì)算棄土場穩(wěn)定性。韓麗源等[4]分析了鐵路項(xiàng)目中棄土場環(huán)境影響特點(diǎn)以及存在的問題，從監(jiān)理視角出發(fā)，提出了施工各時(shí)期對(duì)棄土場環(huán)境監(jiān)理的要點(diǎn)。代紅鳳[5]論述了棄土場環(huán)境影響的重要性，定性提出了棄土場水土保持對(duì)策。周勇[6]對(duì)廣樂高速全線41處棄土場進(jìn)行分析，以資源節(jié)約為研究點(diǎn)，提出全線棄土場資源環(huán)境保護(hù)措施。陳學(xué)平等[7]就中國公路建設(shè)項(xiàng)目的取棄土場現(xiàn)狀做了綜述，深入剖析現(xiàn)階段取、棄土場出現(xiàn)的問題，并提出科學(xué)可行的解決方案。

可以看出，學(xué)者們對(duì)于棄土場環(huán)境影響評(píng)價(jià)多數(shù)是結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行的定性判斷，但棄土場對(duì)于環(huán)境影響是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。為此，以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，建立棄土場環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用層次分析法與因子分析法組合確定權(quán)重，最后運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法對(duì)棄土場的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 棄土場環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

在棄土場的環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇是評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)因果反饋圖結(jié)合普適性、可量化性以及數(shù)據(jù)可得性，建立評(píng)價(jià)體系。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamics，SD)是美國麻省理工學(xué)院福瑞斯特教授提出來的研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的一種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，初期主要應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)管理。車越等[8]利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立水資源承載力模型，對(duì)上海崇明島水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)并預(yù)測其發(fā)展，提出優(yōu)化策略；宇鵬[9]運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立了水資源承載力評(píng)價(jià)體系，并分情景對(duì)武漢市的水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出對(duì)策；柯小玲等[10]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論與方法對(duì)武漢市生態(tài)安全進(jìn)行研究，提出3個(gè)發(fā)展階段，并針對(duì)各個(gè)發(fā)展階段特點(diǎn)給出相關(guān)建議。能夠看出，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一門發(fā)展成熟的理論，可以用在環(huán)境影響研究中。

2 組合賦權(quán)的模糊綜合評(píng)價(jià)

屬性的主客觀的合理組合是評(píng)價(jià)的關(guān)鍵點(diǎn)。主觀權(quán)重的確定由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷得出，不受屬性取值的影響，代表性的主觀權(quán)重計(jì)算方法有層次分析法(AHP)法，GI法和BWM等[11-13]；客觀權(quán)重由各屬性的實(shí)際數(shù)值計(jì)算得到，反映屬性自身的情況，代表性的客觀賦權(quán)法有熵權(quán)法[14]、DEA[15]等。主客觀權(quán)重的組合可對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行合理評(píng)估，結(jié)果與實(shí)際接近。本文使用層次分析法計(jì)算各指標(biāo)主觀權(quán)重，因子分析法計(jì)算客觀權(quán)重，通過“乘法”集成法，將主客觀組合賦權(quán)作為最后權(quán)重，應(yīng)用于模糊綜合評(píng)價(jià)中，確定棄土場環(huán)境影響等級(jí)。

2.1 AHP分析確定主觀權(quán)重

AHP是眾多評(píng)價(jià)方法中應(yīng)用較多、較為成熟的方法，使用AHP法確定主觀權(quán)重的步驟如下：

2.1.1 選取評(píng)價(jià)因子、建立階梯型結(jié)構(gòu)模型

設(shè)定A表示工程棄方環(huán)境影響評(píng)價(jià)，為目標(biāo)層；Bi為影響因素，為準(zhǔn)則層；Bij為具體影響因素，為方案層，以此建立階梯型層次結(jié)構(gòu)模型。

2.1.2 構(gòu)造判斷矩陣，確定權(quán)重

采用標(biāo)度法，可查表1，將環(huán)境影響子系統(tǒng)兩兩進(jìn)行重要度比較，得到判斷矩陣，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算一致性比例CR，即

表1 AHP標(biāo)度法

(1)

CR=CI/RI

(2)

式中：CI為一次性指標(biāo)；n為矩陣階數(shù)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。一致性檢驗(yàn)用來檢驗(yàn)因素重要性與權(quán)重的合理性，只有當(dāng)CR<0.1時(shí)，方可認(rèn)為構(gòu)造的矩陣有良好的一致性。

2.2 客觀權(quán)重的確定

運(yùn)用因子分析法確定客觀權(quán)重。因子分析利用降維的思想，研究各個(gè)指標(biāo)之間客觀關(guān)系的方法。學(xué)者們使用因子分析法求取水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重[16]、礦工不安全行為影響因素的權(quán)重[17]以及邊坡穩(wěn)定性的指標(biāo)權(quán)重[18]，效果較好。

2.3 組合賦權(quán)

主客觀的組合賦權(quán)要比單一使用主觀權(quán)重或客觀權(quán)重更為科學(xué)。使用“乘法”集成法進(jìn)行主客觀組合賦權(quán)，公式為

(3)

式中：Wi為第i個(gè)指標(biāo)的組合權(quán)重；ai、bi分別為第i個(gè)屬性的客觀權(quán)重與主觀權(quán)重。

2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)法[19-21]可以將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，直觀反映被評(píng)價(jià)對(duì)象的相對(duì)應(yīng)的隸屬程度，從而更加客觀、準(zhǔn)確地反映各個(gè)指標(biāo)與總影響之間的關(guān)系，其評(píng)價(jià)步驟如下：

1)確定評(píng)價(jià)對(duì)象范圍。設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)因子，集合為U={u1，u2，…，un}。

2)確定評(píng)語等級(jí)集合。設(shè)共有m種評(píng)語等級(jí)，V={v1，v2，…，vm}。

3)進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)。建立模糊關(guān)系矩陣單因素評(píng)價(jià)就是對(duì)棄土場環(huán)境影響各因子進(jìn)行評(píng)價(jià)確定每個(gè)因子對(duì)各評(píng)語的隸屬度，在數(shù)學(xué)上，就是建立一個(gè)從X到Y(jié)的映射，并誘導(dǎo)處因素的模糊關(guān)系R，即單因素評(píng)價(jià)矩陣：

(4)

式中，rij表示i因素對(duì)j等級(jí)的隸屬程度。

4)綜合評(píng)判。在單因素評(píng)價(jià)矩陣的基礎(chǔ)上，結(jié)合各因子的權(quán)重Wi進(jìn)行模糊變換，選用的綜合評(píng)價(jià)方法是M(·,⊕)，求得評(píng)價(jià)結(jié)果Bi為

(5)

式中：wi為各指標(biāo)權(quán)重；rij為單因素評(píng)價(jià)矩陣計(jì)算結(jié)果，計(jì)算所得的結(jié)果按照最大隸屬原則進(jìn)行選取，判定最終的影響等級(jí)。

3 實(shí)例應(yīng)用

澠淅高速公路澠池至洛寧段是河南省新建的高速公路規(guī)劃項(xiàng)目，路線全長約40 km，線路較長，工程較大，其棄土場對(duì)環(huán)境影響深遠(yuǎn)。課題組對(duì)距離主線600 m的12號(hào)棄土場進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，棄土場主要情況如表2所示。

表2 12號(hào)棄土場情況

3.1 數(shù)據(jù)采集

課題組于2019年12月前往依托工程所在地進(jìn)行調(diào)研，對(duì)澠淅高速12號(hào)棄土場環(huán)境情況進(jìn)行考察，并對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)地航測；同時(shí)對(duì)工程一線人員就12號(hào)棄土場環(huán)境情況進(jìn)行問卷調(diào)查。所制作的問卷內(nèi)容包括填寫問卷者的基本情況(10個(gè))以及棄土場周邊環(huán)境專項(xiàng)問題(25個(gè))?；拘畔ㄕ{(diào)查者的年齡、受教育水平、工作年限等情況；環(huán)境專項(xiàng)問題針對(duì)棄土場環(huán)境評(píng)價(jià)體系設(shè)置，調(diào)查對(duì)象為建設(shè)區(qū)的項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)班子、一線工人以及部分居民，以詳細(xì)了解棄土實(shí)地環(huán)境狀況。一共發(fā)放了100份問卷，回收99份，實(shí)際有效96份。訪談內(nèi)容主要圍繞評(píng)價(jià)體系進(jìn)行，通過實(shí)地調(diào)研、了解、記錄相關(guān)環(huán)境問題以及棄土環(huán)境影響，以此作為評(píng)價(jià)體系建立基礎(chǔ)。

3.2 建立棄土場環(huán)境影響指標(biāo)體系

棄土場對(duì)于環(huán)境的影響主要包括生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境以及水文環(huán)境3個(gè)方面。在環(huán)境體系中，創(chuàng)造性地加入了工程措施指標(biāo)，在棄土自然影響的狀態(tài)下，添加人為因素，體現(xiàn)了人與自然環(huán)境動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，如圖1所示。在生態(tài)環(huán)境影響子系統(tǒng)中，棄土主要對(duì)其周圍植被、空氣以及動(dòng)物產(chǎn)生影響，呈現(xiàn)正反饋路線，對(duì)噪聲的影響方面，呈現(xiàn)負(fù)反饋路線，故而不采取這一指標(biāo)；地質(zhì)環(huán)境中，正反饋因素主要是土壤污染、水土流失以及土地占用；水文影響中的正反饋因素主要是河流情況(主要包括河流數(shù)量以及河流距離)、匯水面積、水質(zhì)等級(jí)(主要包括含沙量以及水體污染)，綜合因果反饋圖的正反饋路線上的因素，形成表3所示的指標(biāo)體系。

表3 棄土場環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖1 棄土場環(huán)境影響因果循環(huán)圖

3.3 權(quán)重計(jì)算

按照AHP標(biāo)度法，取值生成準(zhǔn)則層判斷矩陣VA，運(yùn)用層次分析計(jì)算其排序向量WA，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

WA=[0.482,0.301,0.152,0.066]T。

WA表示準(zhǔn)則層Bi的權(quán)重，其CR=0.069<0.1，通過的一致性檢驗(yàn)，該評(píng)判矩陣合理。

同理，得出方案層Bij的一致性檢驗(yàn)合格的因素權(quán)重，并保留三位小數(shù)。

W1=[0.219,0.562,0.156,0.0637]T，CR=0.078<0.1，一致性檢驗(yàn)合格。

W2=[0.187,0.687,0.127]T，CR=0.081<0.1，一致性檢驗(yàn)合格。

W3=[0.627,0.280,0.094]T，CR=0.074<0.1，一致性檢驗(yàn)合格。

W4=[0.437,0.284,0.145,0.134]T，CR=0.089<0.1，一致性檢驗(yàn)合格。

得到主觀權(quán)重，同時(shí)，以2019年9月做的調(diào)查問卷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際航測數(shù)據(jù)，使用因子分析方法計(jì)算棄土場對(duì)于環(huán)境影響指標(biāo)的客觀權(quán)重。運(yùn)用SPSS軟件強(qiáng)大的分析功能分析問卷數(shù)據(jù)，可得KMO為0.784，適合進(jìn)行因子分析，球體檢驗(yàn)卡方值為1 696.941，自由度為91，顯著性Sig為0.00，巴特利球體檢驗(yàn)顯著，適合因子分析。因子分析過程中采用主成分分析法，得到客觀權(quán)重。最后按照主客觀賦權(quán)公式，計(jì)算最終權(quán)重，如表4所示。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各部分權(quán)重

3.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

3.4.1 評(píng)價(jià)對(duì)象的確定

依照建立的指標(biāo)體系，將評(píng)價(jià)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)對(duì)象，共有14個(gè)，用Ei表示，Ei={E1,E2,…,E14}。

3.4.2 評(píng)語等級(jí)的確定

確定各指標(biāo)的等級(jí)，共有5個(gè)評(píng)語等級(jí)，分別為優(yōu)秀p1、良好p2、中等p3、較差p4、差p5，得到評(píng)價(jià)集合pj={p1,p2,p3,p4,p5}。

3.4.3 綜合評(píng)價(jià)

對(duì)回收的問卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到每個(gè)指標(biāo)評(píng)語百分比。指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)組成單因素評(píng)價(jià)矩陣R，其中，每個(gè)因素為rij，i=1,2,…,14，j=1,2,3,4,5。對(duì)單因素評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行綜合分析，得到各指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量，計(jì)算公式為

(6)

式中：w為各指標(biāo)權(quán)重；rij為單因素評(píng)價(jià)矩陣計(jì)算結(jié)果，如表5所示。

表5 單因素指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果為Bi=[0.101，0.298，0.361，0.052]，根據(jù)最大隸屬度原則，B=0.361，表明該棄土場環(huán)境影響為中等，從整體結(jié)果來看，該棄土場對(duì)于環(huán)境的影響是中等偏良好水平，故而該棄土場可用于實(shí)際工程。

4 結(jié)論

利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，科學(xué)構(gòu)建棄土場環(huán)境影響指標(biāo)體系，層次分析法與因子分析法相結(jié)合，計(jì)算組合權(quán)重，具備科學(xué)性，模糊綜合評(píng)價(jià)確定棄土場環(huán)境影響級(jí)別為一般水平。基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的因果反饋探索，可以合理科學(xué)構(gòu)建環(huán)境影響指標(biāo)體系；基于層次分析與因子分析的模糊綜合評(píng)價(jià)在實(shí)例工程中的應(yīng)用，表明這種方法適用于棄土場環(huán)境評(píng)價(jià)。最后的評(píng)價(jià)結(jié)果能夠?yàn)槭┕し教峁┮粋€(gè)環(huán)保規(guī)劃方向，同時(shí)也可以作為棄土場選址是否合理的判斷基礎(chǔ)。具體結(jié)論如下：

1)在生態(tài)影響方面，權(quán)重占比順序依次是植被面積、空氣污染、植物種類、動(dòng)物環(huán)境。表明在棄土場環(huán)境生態(tài)影響方面，植被面積是重點(diǎn)關(guān)注的因素。

2)在地質(zhì)影響方面，權(quán)重順序依次為水土流失、土壤污染、土地占用，表明在棄土場環(huán)境地質(zhì)影響方面，水土流失情況是需要關(guān)注的重點(diǎn)，在后期防護(hù)過程中，水土流失相關(guān)方案應(yīng)該受到重視。

3)在水文影響方面，權(quán)重順序?yàn)楹恿髑闆r、匯水面積、水質(zhì)等級(jí)，表明在棄土場環(huán)境水文影響方面，周圍河流情況是前期選址的重要參考點(diǎn)。

4)在工程措施方面，權(quán)重順序?yàn)橹脖淮胧?、地質(zhì)措施、成本控制措施、水文措施，表明在棄土場工程措施的實(shí)行過程中，恢復(fù)植被的相關(guān)措施是重點(diǎn)。選取的棄土場周圍河流情況較好，故而水文措施權(quán)重占比較小，權(quán)重順序符合實(shí)際，具有科學(xué)性。