鮑學(xué)英， 張 健， 王起才

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

鐵路工程作為典型的線性工程，動(dòng)輒綿延數(shù)千公里，具有施工周期長(zhǎng)、對(duì)沿途生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重的特點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)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(yán)重的弊端，與國(guó)家可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)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(biāo)的基礎(chǔ)上運(yùn)用一定的技術(shù)手段、管理措施，通過(guò)提高施工中各類資源的利用率，并且盡量降低其對(duì)外界產(chǎn)生的負(fù)面環(huán)境影響，從而達(dá)到鐵路施工項(xiàng)目與生態(tài)環(huán)境和諧共存的施工活動(dòng)。由于西北寒旱地區(qū)崇山峻嶺密布，干旱少雨、水土流失嚴(yán)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(kāi)挖大體積的路塹、修建大量的隧道、橋梁等，對(duì)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(zāi)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(xiàn)中對(duì)鐵路綠色施工的研究主要針對(duì)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(píng)價(jià)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(hù)”等5個(gè)方面通過(guò)指標(biāo)體系的構(gòu)建、指標(biāo)權(quán)重的測(cè)算，以及評(píng)價(jià)模型的建構(gòu)，對(duì)其綠色施工等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。最后選取蘭新高速鐵路的5個(gè)標(biāo)段，按照文中提出的評(píng)價(jià)體系對(duì)其綠色施工效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、確定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過(guò)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(dú)有特征，在滿足系統(tǒng)性、前瞻性、獨(dú)立性、可操作性的原則上，通過(guò)學(xué)習(xí)、借鑒、分析目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果[5-9]，篩選提取代表性強(qiáng)、精確度高的評(píng)價(jià)指標(biāo)，確保提取出的指標(biāo)能夠科學(xué)、全面、客觀、正確地表征評(píng)價(jià)對(duì)象的綠色施工水平。據(jù)此，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 西北寒旱地區(qū)鐵路綠色施工評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定

對(duì)于指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本文參考國(guó)際慣例，綜合國(guó)內(nèi)外評(píng)估體系分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的劃分，將評(píng)價(jià)指標(biāo)的合格等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為5個(gè)等級(jí)：不合格、合格、中、良、優(yōu)。并以Q/CR 9202—2015《鐵路建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)管理規(guī)范》[10]、TB 10530—2005《鐵路建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]、TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[12]等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，參考DB 62/T25—3064—2013《甘肅省綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[13]等規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，并參照同類評(píng)價(jià)項(xiàng)目的約定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合西北寒旱地區(qū)的地域特點(diǎn)確定各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見(jiàn)表1[1]。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重是綜合評(píng)價(jià)的前提。由于表1中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)具有相互獨(dú)立的屬性，且由于“綠色”本身也是一個(gè)較為主觀感知的概念，故在考慮專家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上首先采用層次分析法確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重，為了消除主觀權(quán)重主觀隨意性大的缺點(diǎn)，引入了熵權(quán)法確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。設(shè)waj、wej、woj分別代表指標(biāo)j的主觀、客觀、組合權(quán)重，具體計(jì)算流程見(jiàn)圖1。

表2 綠色施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

擬評(píng)項(xiàng)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(píng)項(xiàng)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(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際觀測(cè)值是利用熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重的基本前提。蘭新高速鐵路是我國(guó)實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的重大鐵路項(xiàng)目之一，該鐵路線的施工段大多處于高海拔、高寒、高旱等無(wú)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(zhǎng)周期長(zhǎng)，所破壞的植被很難恢復(fù)，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(xiàng)目作為研究對(duì)象對(duì)其綠色施工的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。挑選了5個(gè)綠色施工措施較好的標(biāo)段作為擬評(píng)項(xiàng)目，通過(guò)專家訪談、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段收集了其在施工過(guò)程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。運(yùn)用熵權(quán)法計(jì)算了各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重；借助于專家打分的基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次分析法計(jì)算了各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重，利用圖1的流程確定了各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3[1]。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

3 評(píng)價(jià)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(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量較多，擬評(píng)項(xiàng)目的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值可能分別屬于不同的綠色等級(jí)，且各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度不同，故不能直接評(píng)定其綠色施工等級(jí)。同時(shí)由于鐵路施工企業(yè)對(duì)施工過(guò)程中的資源、能源等有關(guān)綠色施工消耗的數(shù)量不能全面計(jì)量。采集到的樣本數(shù)量少，且數(shù)據(jù)沒(méi)有明確的分布規(guī)律，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理的難度較大。而灰色聚類法則可以對(duì)數(shù)據(jù)量少、樣本小的研究對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)，故灰色聚類法適合對(duì)西北寒旱地區(qū)綠色施工等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)[14]。但是灰色聚類法只對(duì)研究對(duì)象的等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，對(duì)屬于同一等級(jí)的研究對(duì)象，則無(wú)法對(duì)其相對(duì)優(yōu)劣進(jìn)行判定，影響評(píng)價(jià)結(jié)果的精確性。本文以灰色聚類法與雷達(dá)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(jí)評(píng)價(jià)的模型。

3.1 構(gòu)造白化權(quán)函數(shù)

設(shè)擬評(píng)項(xiàng)目有n個(gè)，設(shè)置有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，劃分了s個(gè)綠色等級(jí)，則根據(jù)收集的各個(gè)擬定項(xiàng)目其各自評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值所形成的樣本空間為

( 1 )

式中：xi為第i個(gè)擬評(píng)項(xiàng)目；xij為第i個(gè)擬評(píng)項(xiàng)目的第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值。

針對(duì)下限未確知測(cè)度白化權(quán)函數(shù)，其表達(dá)式為

( 2 )

針對(duì)上限未確知測(cè)度白化權(quán)函數(shù)，其表達(dá)式為

( 3 )

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

( 4 )

3.2 計(jì)算灰類等級(jí)

( 5 )

3.3 雷達(dá)圖分析

(1) 評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)量綱化處理

進(jìn)行雷達(dá)圖分析的首要步驟，是將各指標(biāo)值無(wú)量綱化處理，使處理值分布于[0,1]范圍內(nèi)[15-16]。指標(biāo)無(wú)量綱化處理方式為

( 6 )

(2) 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重與角度轉(zhuǎn)換

在雷達(dá)圖中繪制m條指標(biāo)軸，由式( 7 )將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重w1，w2，…，wm轉(zhuǎn)化為指標(biāo)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(dá)圖

利用Excel軟件，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值做無(wú)量綱化處理，將每個(gè)指標(biāo)的數(shù)值投影在對(duì)應(yīng)的指標(biāo)軸上，并將每個(gè)值的投影點(diǎn)連接成線，形成雷達(dá)圖。

(4) 特征值計(jì)算

以雷達(dá)圖的平均面積及周長(zhǎng)作為評(píng)價(jià)函數(shù)的特征量，雷達(dá)圖的平均面積、周長(zhǎng)分別為

( 8 )

( 9 )

(10)

最后，各指標(biāo)的評(píng)價(jià)值Yx為

(11)

4 評(píng)價(jià)案例

蘭新高速鐵路橫貫我國(guó)甘肅、青海、新疆三個(gè)省區(qū)，是連接我國(guó)西北地區(qū)的一條鐵路大動(dòng)脈，全長(zhǎng)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(gè)施工段，是西北高寒高旱地區(qū)鐵路施工項(xiàng)目的典型代表。在施工過(guò)程中各擬評(píng)項(xiàng)目均采取了一系列綠色施工措施，例如擬評(píng)項(xiàng)目1，全長(zhǎng)142 km，平均海拔約2 400 m，最高達(dá)到3 100 m。其在項(xiàng)目沿線適宜種植區(qū)域，種植沙蒿、沙棘等能夠適應(yīng)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(duì)項(xiàng)目臨時(shí)用地進(jìn)行修復(fù)。經(jīng)過(guò)近2年多不間斷施工，共栽植坡面容器苗175萬(wàn)穴，路基灌木85萬(wàn)株，橋下灌木104萬(wàn)株，所種植的植物成活率在77%以上，有效改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[1]。

(1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

挑選了5個(gè)標(biāo)段作為擬評(píng)項(xiàng)目，收集了各個(gè)擬評(píng)項(xiàng)目綠色施工的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對(duì)統(tǒng)計(jì)困難的數(shù)據(jù)，從施工單位、蘭州鐵路局、科研單位邀請(qǐng)了11位高級(jí)職稱以上的該領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)其進(jìn)行了估算，見(jiàn)表2。

(2) 建立各指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣

5個(gè)擬評(píng)項(xiàng)目的指標(biāo)白化權(quán)函數(shù)矩陣由式( 1 )～式( 5 )求得，見(jiàn)表4(以指標(biāo)X1為例)。

表4 擬評(píng)項(xiàng)目1的部分函數(shù)值

(3) 灰色聚類等級(jí)的確定

根據(jù)式( 5 )，可得5個(gè)擬評(píng)項(xiàng)目的灰色聚類等級(jí)計(jì)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(píng)項(xiàng)目1的評(píng)價(jià)結(jié)果是良，擬評(píng)項(xiàng)目2、3、4的評(píng)價(jià)結(jié)果是“中”，擬評(píng)項(xiàng)目5的評(píng)價(jià)結(jié)果是“合格”。

(4) 繪制雷達(dá)圖

根據(jù)式( 6 )、式( 7 )對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理、角度轉(zhuǎn)化，并繪制雷達(dá)圖，見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)優(yōu)劣，例如擬評(píng)項(xiàng)目1中，有17個(gè)指標(biāo)的數(shù)值接近于理想值，說(shuō)明這17項(xiàng)的綠色施工措施效果好，3個(gè)指標(biāo)比平均水平高，1個(gè)指標(biāo)表現(xiàn)一般，總體綠色施工效果較好。

(5) 計(jì)算雷達(dá)圖的特征量

根據(jù)式( 8 )～式(11)，可以分別計(jì)算出各擬評(píng)項(xiàng)目雷達(dá)圖的平均面積、平均周長(zhǎng)見(jiàn)表5。

表5 各擬評(píng)項(xiàng)目的計(jì)算結(jié)果

擬評(píng)項(xiàng)目平均面積平均周長(zhǎng)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(guò)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算各標(biāo)段的評(píng)價(jià)值，各標(biāo)段綜合評(píng)價(jià)排序?yàn)閿M評(píng)項(xiàng)目1>擬評(píng)項(xiàng)目3>擬評(píng)項(xiàng)目4>擬評(píng)項(xiàng)目2>擬評(píng)項(xiàng)目5。對(duì)比5個(gè)擬評(píng)項(xiàng)目個(gè)施工過(guò)程，擬評(píng)項(xiàng)目1采取的橋梁墩身噴淋技術(shù)、材料本地化率達(dá)到60%、施工廢水回收再利用、生態(tài)植被修復(fù)等一系列綠色施工措施，充分證明了本文構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)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(diǎn)的鐵路綠色施工等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(hù)”等一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)5個(gè)，二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)21個(gè)。

(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(jí)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(jí)最主要的要素依次為為水土流失防治率、節(jié)能機(jī)械設(shè)備使用率、材料的本地化率、敏感區(qū)水污染控制率。

(3) 針對(duì)目前樣本數(shù)據(jù)少以及灰色聚類法的缺點(diǎn)，本文運(yùn)用灰色聚類法結(jié)合雷達(dá)圖分析法所建立的評(píng)價(jià)模型不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色等級(jí)的判定，也可以對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)優(yōu)劣性進(jìn)行縱向和橫向?qū)Ρ龋阌谡页鲅芯繉?duì)象綠色施工措施存在的主要問(wèn)題。

(4) 通過(guò)對(duì)蘭新高速鐵路施工項(xiàng)目的實(shí)證研究，結(jié)果表明西北寒旱地區(qū)鐵路綠色施工的實(shí)施尚不成熟，各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)施情況差異性大，說(shuō)明西北寒旱地區(qū)的鐵路綠色施工需要制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。