西北寒旱地区铁路路基绿色施工水平综合评价

2019-07-02万炳彤鲍学英李爱春

土木工程与管理学报 2019年3期

万炳彤，鲍学英，李爱春

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070)

随着我国铁路建设的不断推进，随之带来的环境问题也越发严重。保护生态环境，倡导绿色施工，提高铁路行业的可持续发展水平已经逐渐成为铁路建设部门关注的重点，而如何评价铁路绿色施工水平，是解决铁路绿色建设的首要问题。当前，针对如何优选铁路绿色施工方案，已有不少学者对其进行了研究，王明慧等[1]从我国国情出发构建了铁路绿色施工评价指标体系，运用突变级数法对铁路绿色施工方案等级进行了研究。熊风等[2]从绿色施工概念出发，运用层次分析 (Analytic Hierarchy Process，AHP)法对铁路绿色评价指标权重进行了研究。李化建等[3]从铁路工程作用环境的功能性指标出发，利用模糊数学，对铁路混凝土绿色度进行了研究。

但是，上述研究方法的共同缺陷就是绿色评价指标体系太笼统，没有针对铁路建设各阶段施工内容的不同而细化绿色评价指标体系，且评价模型过分依赖数据，主观性强。鉴于铁路路基施工阶段是铁路形成过程中能源与资源消耗最大，对环境影响最深刻的阶段，所以，本文以铁路路基施工阶段为例，根据GB-T 50378-2014《绿色建筑评价标准》、西北地区自然特征及西北地区铁路路基施工组织设计，构建出合理科学的针对西北寒旱地区铁路路基绿色施工水平的多层次评价指标体系。利用层次分析法与熵权法相结合的主客观综合赋权法，使评价指标权重得到合理分配，既能兼顾到西北地区生态环境的突出问题，同时又能减少赋权的主观随意性，使赋权结果合理、可靠。并将所得权重运用于逼近理想解排序 (Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS) 法模型进行决策分析，高效合理地评判出各施工方案针对西北寒旱地区铁路路基的绿色施工水平，为西北地区优选路基绿色施工方案提供理论依据，以促进西北地区铁路路基绿色施工的推广应用，从而提高西北地区交通行业的可持续发展水平。

1 评价指标体系构建

根据现行的GB/T 50905-2014《建筑工程绿色施工评价标准》，将“四节一环保”作为评价西北寒旱地区铁路路基绿色施工水平的主要原则。基于此，对其评价指标从土壤生态破坏防治、大气污染防治、固体废物污染防治、噪声污染防治、合理使用与资源节约这五个主要评价绿色施工的标准出发，结合西北地区存在的生态问题及铁路路基施工阶段特点构建针对西北寒旱地区铁路路基的绿色施工水平评价指标体系。

土壤生态破坏在路基施工阶段主要体现在路基主体施工时对道路沿线的植被破坏，以及为配合路基施工建立的一些施工辅助设施用地(如取土场等、弃土场等)对土壤及生态环境造成的破坏，鉴于西北地区风害频繁、水土流失严重，应加强绿色通道建设，选择抗寒、抗旱、耐贫瘠、抗风沙的植被对路基边坡实施有效的生态防护，同时待主体工程完工后对取、弃土场等临时用地进行土地复垦和绿化防护等措施，防止土地荒废与水土流失；在固体废物污染防治方面，除了对施工人员产生的生活垃圾进行合理处理，在路基施工阶段要对弃土场实施合理的防护、排水、环保措施，避免污染环境；合理使用与资源节约在路基施工阶段主要体现在取土场与弃土场选址的合理性(选址时应考虑节约土地、有利排水、选用低效益土地的原则)、保证质量的前提下再生骨料作为路基底层填料的利用率、路基土石方移挖作填率等方面；大气污染在路基施工阶段主要体现在土方挖掘产生的扬尘、填料运输产生的扬尘、现场堆放材料产生的扬尘及施工机械产生的尾气。施工时应采取及时洒水，材料合理堆放并及时覆盖，运输填料时用帆布遮盖等措施防治大气污染；噪声污染在路基施工阶段主要来源于填料装运，路基填筑、开挖、摊铺、整平、碾压时机械产生的噪音，施工时通过采用低噪音环保机械，定期对机械设备进行维护与保养等措施对噪声污染进行防治。通过对西北地区铁路路基施工组织设计的深入研究并参考有关文献[4～8]，将获得的指标运用Delphi法按代表性好、敏感度髙、科学合理等原则进行筛选，最终确定出土壤修复与培肥地力等16个细化指标，构建出针对西北寒旱地区铁路路基绿色施工水平的多层次评价指标体系，如表1所示。

表1 西北寒旱地区铁路路基绿色施工水平

2 评价指标权重确定

2.1 权重确定方法的选择

要对铁路路基的绿色施工水平评估，首先要确定评价指标的权重，权重的确定方法分为两类：主观赋权法，客观赋权法。层次分析法(AHP)是比较成熟的主观赋权法，它的优点是专家可以根据西北地区主要面临的生态环境问题和专家自身的知识经验合理地确定各属性权重的排序。但决策或评价结果容易被决策者的主观意识所影响，客观性较差[9]。熵权法是一种常用的客观赋权法，权重的确定主要依靠数据间的内在联系，客观性强，但人的参与性较差，没有考虑到西北地区主要面临的生态环境问题，缺乏针对性[10]。所以,西北寒旱地区铁路路基绿色施工评价合理的赋权方法应该为主客观相结合的综合赋权法。基于此，本文在权重的选取上采用层次分析法与熵权法结合的主客观综合赋权法进行赋权。

2.2 权重确定的具体步骤

2.2.1AHP法确定主观权重

AHP法的原理是将问题层次化，在每一层次可按某一规定准则对该层要素进行逐对比较建立判断矩阵，通过计算得出该层要素对于该准则的权重，进而计算出各层次要素对于总体目标的组合权重[11]。具体步骤如下：

(1)对每层指标因素按其对应的上一层指标因素为参照，逐对比较构建出判断矩阵A=[aij]n×n，其中aij为第i个指标与第j个指标的相对重要程度。

(2)得到判断矩阵后，利用和积法求出判断矩阵的最大特征根λmax及特征向量Wi，按式(1)～(4)计算。

(1)

(2)

(3)

(4)

(3)为了检验权重分配是否合理，需要计算判断矩的一致性比例CR，按式(5)计算。

(5)

式中：CI为一致性检验指标；RI为平均随机一致性指标；n为该矩阵阶数。当CR<0.10时，判断矩阵具有令人满意的一致性；当CR>0.10时，需要调整判断矩阵，直到满意为止[12]。

2.2.2 熵权法确定客观权重

熵权法是利用被评价对象的指标值构成的判断矩阵来确定权重的一种赋权方法[13]，具体步骤如下：

(1)对属性矩阵X进行无量纲化处理，即将效益型指标(越大越优型)和成本型指标(越小越优型)分别按式(6)(7)计算，可得到规范化决策矩阵V。

(6)

(7)

式中：max(xij)和min(xij)分别为不同方案中同指标下第i个指标值的最大和最小值；i=1,2,…,n,j=1,2,…,m,n和m分别为指标与方案个数。

(2)根据规范化决策矩阵V，按式(8)计算各指标的熵Hj。

(8)

(3)按式(9)计算各评价指标熵权wj。

(9)

式中：0≤wj≤1，各指标权重的和等于1。

2.2.3 综合权重的确定

通过查阅相关文献[14]按式(10)将AHP法与熵权法得到的权重结果wj主观和wj客观进行综合。

wj综合=αwj主观+ (1-α)wj客观

(10)

式中：wj综合为第j项指标的综合权重；a(0≤a≤1)为决策偏好系数。在偏差的平方和最小的前提下，最佳的组合权重是主观AHP权重和客观熵权各占50%，即取a=0.5。

3 TOPSIS综合评判模型构建

TOPSIS法是一种多目标决策方法。其基本原理是定义决策问题的理想解和负理想解，然后在所有备选方案中找到一个方案，使其与理想解的距离最近，与负理想解的距离最远[15]。具体步骤如下：

(1)按式(11)对属性矩阵X进行归一化处理得到规范化决策矩阵R。

(11)

(2)构造加权规范矩阵K，按式(12)计算。

(12)

(3)按式(13)(14)计算正理想解K+与负理想解K-。

(13)

(14)

(4)按式(15)(16)计算每个方案到正、负理想解的距离D+和D-。

(15)

(16)

(5)按式(17)分别计算各方案的相对贴近度Ci。

(17)

按Ci(0≤Ci≤1)的大小对各方案进行排序，Ci越大越理想。

4 实证研究

现有有4个施工方案，记为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，通过运用本文所构建的评价体系对西北地区某铁路路基建设项目施工过程中的绿色程度进行评价，说明该评价模型如何因地制宜优选绿色施工方案的实用性。

邀请5家西北地区绿色建筑科研单位，每家单位分别派出5位专家组成评价小组，为确保评价结果的可靠性，派出的每位专家均具有高级工程师及以上职称且从事绿色铁路研究8年以上，有丰富的绿色铁路施工经验，熟悉铁路路基施工技术。由评价小组根据西北寒旱地区铁路路基绿色施工水平的多层次评价指标体系并考虑西北地区风害频繁、水土流失严重等生态环境问题对准则层和指标层因素分别进行重要度评价，构造目标层A和准则层B各因素的A-B判断矩阵如表2，构造准则层B和指标层C各因素的判断矩阵B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，B5-C，判断矩阵分别如表3～7所示；并对4个施工方案关于西北寒旱地区铁路路基绿色施工水平的指标层因素进行评估打分，满分为100分。对所有专家的打分取平均值即为最终得分，每项指标的最终得分如表8所示。

表2 A-B判断矩阵

表3 B1-C判断矩阵

表4 B2-C 判断矩阵

表5 B3-C 判断矩阵

表6 B4-C 判断矩阵

表7 B5-C 判断矩阵

表8 指标层评价指标得分

根据表2的A-B判断矩阵，由式(1)～(3)得A-B权重矩阵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，满足一致性检验，同理可得：

B1-C矩阵：W=[0.164，0297，0.539]，λmax=3.010，CI=0.005，RI=O.58，CR=0.009<0.1，满足一致性检验；

B2-C矩阵：W=[0.138，0.623，0.239]，λmax=3.018，CI=0.009，RI=0.58，CR=0.016<0.1，满足一致性检验；

B3-C矩阵：W=[0.540，0.297，0.163]，λmax=3.010，CI=0.005，RI=0.58，CR=0.009<0.1，满足一致性检验；

B4-C矩阵：W=[0.143，0.143，0.714]，λmax=3.000，CI=0.000，RI=0.58，CR=0.000<0.1，满足一致性检验；

B5-C矩阵：W=[0.250，0.548，0.075，0.128]，λmax=4.017，CI=0.006，RI=0.90，CR=0.007<0.1，满足一致性检验。

层次分析法所得各指标权重结果如表9所示。

表9 层次分析法所得各指标权重结果

由指标层因素最终得分(表8)获得熵权法和TOPSIS法的决策矩阵X。由式(6)(7)对决策矩阵X进行规范化处理可得规范化决策矩阵V：

表10 指标层的熵值 Hj 及对应熵权 Wj

按式(11)对决策矩阵X进行归一化处理得到规范化决策矩阵R，然后按式(12) 对矩阵R进行加权处理得到加权规范矩阵K：

按式(13)，(14)计算确定正理想解K+与负理想解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)计算每个方案到正理想解和负理想解的距离，并按式(17)计算各方案的相对贴近度Ci，结果如表11所示。