道路施工過程中環(huán)境影響分析及方法研究

續(xù)競臺(tái),趙 琳

（1.中建路橋集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050000; 2.石家莊鐵道大學(xué),河北 石家莊 050000）

0 引言

近年來，我國在道路工程施工方面取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，隨之而來的環(huán)境問題也愈發(fā)嚴(yán)重，甚至造成了環(huán)境方面不可逆轉(zhuǎn)的負(fù)面影響。為了深刻踐行交通建設(shè)“十四五”規(guī)劃中交通強(qiáng)國的目標(biāo)，將環(huán)保工作落到實(shí)處，將綠色公路建設(shè)工作落到實(shí)處，嚴(yán)格把控施工過程中對(duì)環(huán)境可能造成污染的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，將綠色施工理念貫徹到施工過程全生命周期。

1 研究背景

2006年我國《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》首次將節(jié)約資源作為國家的基本政策。黨的十八大報(bào)告首次將生態(tài)文明建設(shè)作為執(zhí)政的戰(zhàn)略決策。此后，我國逐步實(shí)施生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略，從高污染的發(fā)展方式轉(zhuǎn)向綠色發(fā)展方式。道路建設(shè)領(lǐng)域一直被廣泛認(rèn)為是有效控制溫室氣體排放的四個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域之一，并予以厚望。同時(shí)，嚴(yán)格把控道路建設(shè)活動(dòng)的各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)直接關(guān)系到國家層面的環(huán)境目標(biāo)，它被視為實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明戰(zhàn)略的重要途徑。肖冰運(yùn)用動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法建立綠色施工環(huán)境影響閾值模型對(duì)空氣環(huán)境、光環(huán)境、地表水環(huán)境以及生態(tài)景觀環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷環(huán)境影響等級(jí)，提出環(huán)境保護(hù)措施[1]；楊中杰等從政府、消費(fèi)者、項(xiàng)目組織3個(gè)維度探討綠色工程項(xiàng)目管理發(fā)展影響因素，結(jié)合層次分析法對(duì)綠色工程項(xiàng)目管理整體發(fā)展環(huán)境進(jìn)行具體分析[2]；周杰在闡述利益及利益法學(xué)和環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度基本理論的基礎(chǔ)上，分析了我國環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度在利益衡量程序與實(shí)體及實(shí)施效果方面存在的問題與不足[3]?？紤]到道路建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響較大，而我國缺乏道路建設(shè)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法，該文從道路施工角度入手，通過道路建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響因素分析。

2 道路施工環(huán)境影響分析

在道路施工項(xiàng)目中，施工環(huán)境變化多端且不可控制因素諸多，導(dǎo)致道路施工環(huán)境充滿不確定性，施工環(huán)境的不確定性因素來源十分廣泛，可以來自施工任務(wù)、施工環(huán)境、施工材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工人員等。施工材料在運(yùn)輸和使用中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵、液體污染物、垃圾廢棄物等；其中粉塵主要來自混凝土，粉塵顆粒物對(duì)空氣和人體都有持續(xù)的危害；液態(tài)污染物的排放主要成分是工業(yè)廢水，排放過程中必須嚴(yán)格按照排污標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，稍有不當(dāng)就會(huì)造成嚴(yán)重后果；垃圾廢棄物主要是建筑廢料，經(jīng)過長期存放會(huì)蒸發(fā)至空氣中散開，影響周圍的空氣質(zhì)量。

在道路施工過程中，由于多個(gè)施工環(huán)節(jié)是互相影響的，從施工過程的某一環(huán)節(jié)出發(fā)，降低對(duì)環(huán)境的影響，就能夠降低道路施工對(duì)整個(gè)施工環(huán)境的維護(hù)成本，這也意味著可以將更多的精力和財(cái)力投入到其他的施工環(huán)節(jié)，有效節(jié)約環(huán)境成本。

在考慮施工對(duì)環(huán)境的影響時(shí)，往往是從一個(gè)周期的開始到結(jié)束，即全生命周期。道路的全生命周期對(duì)環(huán)境的影響主要存在于兩個(gè)階段，第一是道路施工建設(shè)階段對(duì)周邊環(huán)境的短期影響，第二是道路使用階段對(duì)周邊環(huán)境的長期影響。短期影響主要來自施工材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸、施工活動(dòng)中對(duì)能源的消耗以及污染物的直接排放。施工材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸過程需要設(shè)備和機(jī)械投入使用，意味著大量的電力和燃油消耗；能源消耗主要是水資源消耗、化石資源的消耗及其他資源消耗；污染物排放主要包含碳、氮和硫的氧化物、粉塵和固體廢棄物等，溫室氣體排放過量會(huì)破壞臭氧層，從而導(dǎo)致全球氣候惡化。長期影響主要來自道路投入使用后，行駛車輛對(duì)周圍環(huán)境的影響以及道路維護(hù)養(yǎng)護(hù)對(duì)周圍環(huán)境的影響，道路的養(yǎng)護(hù)維護(hù)能夠有效增加道路的使用年限，在養(yǎng)護(hù)維護(hù)期間，需要重新返修路面，返修過程也會(huì)對(duì)附近的土地和水質(zhì)造成影響，因此在決策時(shí)也需要重點(diǎn)考慮養(yǎng)護(hù)維護(hù)這一因素。道路全生命周期對(duì)環(huán)境的影響如圖1所示。

圖1 道路施工全生命周期對(duì)環(huán)境的影響

由于道路的使用周期長，基于道路的工作狀況、持續(xù)時(shí)間、氣候變化等一系列不確定因素，人們很難從中得到客觀的概率分布。隨著施工進(jìn)程的不斷推進(jìn)，決策者對(duì)于最終決策方案偏好會(huì)隨著項(xiàng)目決策背景的變化而變化。因此當(dāng)前的施工實(shí)踐行為仍然缺乏一種方法在深度不確定的情況下，對(duì)于施工過程的每一個(gè)階段的成本、進(jìn)度、環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)。

3 道路施工環(huán)境影響方法研究

3.1 生命周期評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)方法是道路環(huán)境定量評(píng)價(jià)中最重要的方法之一，它是評(píng)估研究對(duì)象整個(gè)生命周期過程對(duì)環(huán)境的影響，是一種客觀的定量評(píng)價(jià)方法，同時(shí)也是當(dāng)前被廣泛利用的環(huán)境定量評(píng)估方法之一。李小冬等基于生命周期評(píng)價(jià)（LCA）理論，從施工過程的單元分解入手，建立了適應(yīng)施工階段特點(diǎn)的環(huán)境影響定量評(píng)價(jià)框架和評(píng)價(jià)流程[4]。生命周期評(píng)價(jià)方法包含研究目標(biāo)、清單分析、影響計(jì)量和結(jié)果解釋四個(gè)部分。目前生命周期評(píng)價(jià)方法正在不斷更新完善，依據(jù)不同的施工情況，提出了混合式生命周期評(píng)價(jià)模型，該模型考慮到施工活動(dòng)繁雜，選取各個(gè)施工環(huán)節(jié)的一部分進(jìn)行測量，基于各施工環(huán)節(jié)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果的精準(zhǔn)性和可靠性得到了較好反饋。

目前，針對(duì)生命周期評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用普遍存在計(jì)算方法不完整或者不準(zhǔn)確的問題，這些問題都會(huì)導(dǎo)致最終的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際存在一定偏差。在道路施工過程中，各個(gè)施工工序之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，施工方案的微調(diào)可能引起整個(gè)施工工程的變化。因此若考慮應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法去準(zhǔn)確計(jì)量結(jié)果，就需要對(duì)每種方案的組合進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估與比較，不僅加大了工作難度和工作量，在數(shù)據(jù)精度方面也無法保證。

3.2 經(jīng)典數(shù)學(xué)規(guī)劃類方法

道路施工問題實(shí)際上可以看作是一個(gè)多目標(biāo)最優(yōu)化問題，即目標(biāo)函數(shù)需要成本最低、進(jìn)度最快、環(huán)境污染最小，其約束條件則是實(shí)際的各種條件限制。優(yōu)化問題的本質(zhì)是從可行域中找尋出一個(gè)或者多個(gè)可行解的過程，現(xiàn)實(shí)中絕大多數(shù)優(yōu)化問題均屬于多目標(biāo)優(yōu)化問題。在一般情況下，可行域的多個(gè)目標(biāo)表現(xiàn)不盡相同。該研究探討的經(jīng)典數(shù)學(xué)規(guī)劃類方法是最早用于解決多目標(biāo)優(yōu)化問題的方法。根據(jù)決策者的情況，可將經(jīng)典數(shù)學(xué)規(guī)劃類方法分為三個(gè)大類：偏好不表達(dá)型、偏好后表達(dá)型、偏好先表達(dá)型。每種大類里都有對(duì)應(yīng)的優(yōu)化方法，具體方法有：全標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)法、加權(quán)求和法、字典序法、加權(quán)最小最大法、指數(shù)加權(quán)準(zhǔn)則法、目標(biāo)規(guī)劃法、正常邊界相交法、正規(guī)約束法、ε-約束法、全局性準(zhǔn)則法、多目標(biāo)迫近束法等，依據(jù)實(shí)際工程情況，選取適當(dāng)?shù)姆椒ㄇ笕《嗄繕?biāo)優(yōu)化解。

3.3 元啟發(fā)算法

元啟發(fā)算法是一種常見的求解多目標(biāo)最優(yōu)化問題的方法，該方法的基本思想源于自然界，是一種與精確算法相對(duì)的一類方法。在元啟發(fā)算法中，常被大家使用的是基于生物自然選擇理論的進(jìn)化算法，它的基本思想是模擬生物的進(jìn)化過程，通過選擇、雜交、變異等產(chǎn)生更優(yōu)質(zhì)的后代。進(jìn)化算法具有的種群特征使得每一次優(yōu)化求解都能得到多組解，加快了多目標(biāo)最優(yōu)化問題的求解過程，并且對(duì)于各種形態(tài)的可行域適應(yīng)性極強(qiáng)，不容易受到干擾。在所用的基于生物自然選擇理論的進(jìn)化算法中，遺傳算法是最為人們所熟知、應(yīng)用最為廣泛的。自從1985年第一次使用遺傳算法求解對(duì)目標(biāo)最優(yōu)化問題后，多目標(biāo)遺傳算法已經(jīng)成為多目標(biāo)問題中應(yīng)用最為廣泛的算法之一，并在之后的研究中不斷迭代更新，推演出了十多種常用的遺傳算法。

3.4 仿生啟發(fā)算法

仿生啟發(fā)算法屬于元啟發(fā)算法類，它包括生物學(xué)和動(dòng)物行為學(xué)啟發(fā)兩類算法，在近年來的多目標(biāo)最優(yōu)化研究中逐漸開始流行起來，比如大家熟知的粒子群算法、蟻群優(yōu)化算法、差分進(jìn)化算法、人工免疫系統(tǒng)算法、人工蜂群算法、混合蛙跳算法等。這些算法是群智能算法一個(gè)分支，通過模擬一個(gè)具有社會(huì)屬性的動(dòng)物的群體行為來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的目的，特別的是一些算法通過模擬一些特定群體可以實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)化的效果。

3.5 人工智能算法

人工智能算法中的Deep Learning（深度學(xué)習(xí)）和Reinforcement Learning（強(qiáng)化學(xué)習(xí)）可以用于動(dòng)態(tài)指標(biāo)的評(píng)價(jià)，特別是在不確定的環(huán)境中，通過學(xué)習(xí)和分析進(jìn)行決策，能夠使效益最大化。深度學(xué)習(xí)是建立多層級(jí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分析和解決問題，主要包括DNN（深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）、CNN（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）、RNN（循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）、LSTM（長短期記憶網(wǎng)絡(luò)）。強(qiáng)化學(xué)習(xí)三大要素構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的多模態(tài)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型，在短期施工中對(duì)施工材料生產(chǎn)運(yùn)輸、能源消耗、污染物排放等影響環(huán)境的因素進(jìn)行指標(biāo)體系構(gòu)建，以獲取評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)[5]。深度學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)模型注重于各種類型數(shù)據(jù)的收集，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析。從各因素的抽象存在形式到數(shù)據(jù)的具體體現(xiàn)可分為以下三個(gè)階段：第一階段為數(shù)據(jù)采集階段，基于各種傳感器采集施工中如生產(chǎn)運(yùn)輸時(shí)間、能源消耗和污染物排放量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中以便之后操作；第二階段為數(shù)據(jù)處理階段，對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)簽化、歸一化、去噪、降維等手段進(jìn)行處理后，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中；第三階段為數(shù)據(jù)分析階段，搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中的已有數(shù)據(jù)，得到的模型用來測試現(xiàn)有數(shù)據(jù)集，按標(biāo)簽劃分?jǐn)?shù)據(jù)特征以此作為評(píng)價(jià)。

4 道路施工環(huán)境影響決策

施工的不確定性因素有很多，包括自然環(huán)境因素、環(huán)境管理因素和作業(yè)環(huán)境因素，從道路角度來講，路基是承受上部荷載作用的主要受力結(jié)構(gòu)，一定要有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，才能達(dá)到長久的要求，地下水位、氣候因素等對(duì)路基的影響非常大，不同的地區(qū)對(duì)路基土的要求不同[6]；從路面角度出發(fā)，其要求與路基不同，但也要確保其在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，達(dá)到耐久的要求。此外，施工環(huán)境管理的過程中各單位之間的協(xié)調(diào)和作業(yè)環(huán)境因素同樣對(duì)道路產(chǎn)生不同程度的影響，作業(yè)環(huán)境因素是指與施工現(xiàn)場有關(guān)的一系列要求，包括各種施工設(shè)施、施工照明、安全措施、交通條件等，施工階段的不確定性因素不僅會(huì)影響現(xiàn)場施工進(jìn)度，甚至?xí)?duì)道路質(zhì)量產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響。

根據(jù)施工階段生態(tài)環(huán)境影響的特點(diǎn)和施工活動(dòng)的決策特點(diǎn)，建立適合施工活動(dòng)的環(huán)境影響測算和優(yōu)化方法，在不確定性的背景下協(xié)助決策出準(zhǔn)確的決策，將會(huì)大力推進(jìn)施工建設(shè)環(huán)境、成本、效率等方面的發(fā)展。在環(huán)境影響預(yù)測方面，要考慮到地表水、大氣、土壤、噪聲、固體廢物及垃圾等對(duì)環(huán)境的影響，通過多因素進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)決策的最優(yōu)化[7]。

此外，由于以往的研究低估了施工污染的影響，在分布式復(fù)雜的程序和不確定性的影響下難以獲得準(zhǔn)確的施工過程數(shù)據(jù)，導(dǎo)致施工環(huán)境影響研究存在一些偏差，決策者指定的理想施工方案很難精準(zhǔn)完成。道路施工活動(dòng)是深度不確定的，由于該領(lǐng)域的施工不確定分析還處于剛剛起步階段，很難為實(shí)際的施工項(xiàng)目提供足夠的幫助。目前經(jīng)典的“模擬優(yōu)化”構(gòu)建模型框架計(jì)算性能要求高、計(jì)算時(shí)間長，無法提供實(shí)時(shí)決策支持。胡笑旋等對(duì)“學(xué)習(xí)模型”和經(jīng)典的“模擬優(yōu)化”框架進(jìn)行構(gòu)建，以數(shù)據(jù)挖掘?yàn)橥黄瓶?，多部門的力量與知識(shí)相匹配融合，建設(shè)中心決策系統(tǒng)，深入分析道路施工的不確定性，通過學(xué)習(xí)模型預(yù)測道路施工的不確定性，使得不確定分析更加接近真實(shí)的情況，促進(jìn)不確定性分析在道路施工領(lǐng)域的發(fā)展[7]。在深度不確定的環(huán)境情況下，選用某一個(gè)模型用來做決策方法精度不高，需要用集成的方法使用多個(gè)模型來描述實(shí)際問題，多個(gè)模型描述可以對(duì)一個(gè)事件有多個(gè)思考角度，以此來幫助決策者更好地做出決定。所以如何在施工決策中去考慮不確定因素的影響，并做出合理的施工決策，是不確定性環(huán)境決策研究的重要研究內(nèi)容。然而，現(xiàn)在對(duì)于不確定性的分析的研究工作還很少，分析不確定性因素如何影響施工是現(xiàn)在一個(gè)熱點(diǎn)的研究方向。

5 結(jié)論

道路施工對(duì)環(huán)境影響主要分兩個(gè)層面，宏觀層面是以經(jīng)濟(jì)能源研究為對(duì)象，微觀層面是以經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品為研究對(duì)象。一方面是重點(diǎn)研究該地區(qū)與其他地區(qū)引進(jìn)節(jié)能這一要素對(duì)環(huán)境的影響；另一方面是根據(jù)施工特點(diǎn)，通過合適的測量手段，從源頭減少施工過程對(duì)環(huán)境的影響。深度不確定性理論與相關(guān)方法可能是解決施工不確定性問題的有效方法。綜合考慮道路施工建設(shè)項(xiàng)目的不確定性因素，為建立在深度不確定的背景下施工決策分析方法提供了可能。該方法的構(gòu)建將會(huì)綜合運(yùn)用到環(huán)境影響評(píng)價(jià)理論、多目標(biāo)優(yōu)化理論、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，為深度不確定的背景下施工決策分析方法搭建一個(gè)更完美的舞臺(tái)。