張 薇，鮑學(xué)英

（蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070，E-mail：813257032@qq.com）

我國鐵路客運(yùn)需求量大，鐵路專線迅速發(fā)展，在建項(xiàng)目眾多。近些年來，鐵路建設(shè)項(xiàng)目愈發(fā)重視節(jié)約用地、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等問題，因此鐵路線路中橋隧比越來越高，棄渣量也越來越大。加之鐵路線路跨越地形地貌復(fù)雜，鐵路建設(shè)過程中路基土石方數(shù)量大，隧道、橋臺等工程量大，沿線存在許多高填深挖路段。但挖方往往無法滿足工程建設(shè)的土質(zhì)要求，因此產(chǎn)生大量棄渣。鐵路棄渣場渣體主要來自土石方、隧道挖方工程產(chǎn)生的棄土棄渣和建筑垃圾等。這些棄渣需要占用耕地甚至農(nóng)田用地作為臨時(shí)用地設(shè)置棄渣場。臨時(shí)用地被占用后，土地受到工程建設(shè)干擾失去了原有的生態(tài)，對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響[1]。實(shí)際工作中，鐵路建設(shè)產(chǎn)生的棄渣運(yùn)輸困難，導(dǎo)致棄渣場大多就近選址，再加上棄渣本身結(jié)構(gòu)松散、渣體不穩(wěn)定、滲透系數(shù)大，大量堆積容易引發(fā)棄渣場失穩(wěn)、水土流失、滑坡和泥石流等自然災(zāi)害[2]。棄渣場土石顆?？紫洞?，易被細(xì)小顆粒填充，但由于顆粒之間缺少粘結(jié)作用，強(qiáng)度往往低于原狀土顆粒。因此，在雨水沖刷作用下，棄渣土顆粒容易產(chǎn)生滑動、離散，造成嚴(yán)重的水土流失[3]。棄渣體在棄置過程中，由于外界影響及自身重力作用，土石顆粒內(nèi)部順序重新排列，使得棄渣體內(nèi)部不均勻狀態(tài)加劇，這不僅會造成棄渣體穩(wěn)定性喪失，也會加重水土流失[4]。隨著棄渣不斷地棄置堆積，渣體底部由于受重力作用影響較大而被充分壓實(shí)，渣體上部受重力作用較小，結(jié)構(gòu)較為松散。棄渣體在壓實(shí)和松散的分界面會產(chǎn)生受力不均衡的現(xiàn)象，并形成富水帶。在雨水、地震或外界條件影響下，棄渣場會失穩(wěn)，邊坡失去抗滑能力整體發(fā)生滑動，造成滑坡災(zāi)害[5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對鐵路棄渣場有了一定程度的研究。王明慧等[6]認(rèn)為棄渣場應(yīng)將山溝、山腳作為主要選址，減少農(nóng)田耕地占用，做好防護(hù)工作，避免滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。王冠琪[7]對棄渣場排水溝、擋渣墻等防護(hù)措施設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。張春暉[8]認(rèn)為棄渣場是鐵路建設(shè)項(xiàng)目水土流失最為嚴(yán)重的部分，應(yīng)落實(shí)棄渣場的水土保持防護(hù)措施設(shè)計(jì)，降低棄渣場生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。Simon等[9]應(yīng)用有限元方法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。Einsten[10]從地質(zhì)環(huán)境層面提出滑坡災(zāi)害評價(jià)系統(tǒng)，對滑坡的危險(xiǎn)性及風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行分析評價(jià)。以上研究主要包含棄渣場的選址、工程措施布設(shè)、水土保持、邊坡穩(wěn)定性和棄渣場引發(fā)的滑坡災(zāi)害等方面內(nèi)容，缺少棄渣場生態(tài)環(huán)境影響評價(jià)方面的研究。

本文擬在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，基于鐵路生態(tài)環(huán)境影響的基本理論，通過分析棄渣場施工中各項(xiàng)工程產(chǎn)生的環(huán)境影響，建立鐵路棄渣場生態(tài)環(huán)境影響評價(jià)指標(biāo)體系，將基于矩估計(jì)思想的組合權(quán)重確定方法和改進(jìn)灰靶模型[11]相結(jié)合，對鐵路沿線棄渣場生態(tài)環(huán)境影響等級進(jìn)行綜合評價(jià)，以期為后續(xù)棄渣場生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

1 鐵路棄渣場生態(tài)環(huán)境影響指標(biāo)體系的構(gòu)建及等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過實(shí)地調(diào)研及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)行的《鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》中鐵路建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)環(huán)境影響的評價(jià)內(nèi)容，結(jié)合鐵路棄渣場建設(shè)特點(diǎn)，分析鐵路棄渣場施工中棄渣場選址工程、截排水工程、攔擋工程、邊坡工程和土地復(fù)墾工程各項(xiàng)工程引起的環(huán)境問題，選出與棄渣場生態(tài)環(huán)境影響有關(guān)的變量指標(biāo)，對所選指標(biāo)進(jìn)行分析可得相關(guān)指標(biāo)主要包括施工環(huán)境影響、工程地質(zhì)條件、環(huán)保防護(hù)措施3個(gè)方面。利用德爾菲法對指標(biāo)進(jìn)行篩選，得出 15個(gè)評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建鐵路棄渣場生態(tài)環(huán)境影響指標(biāo)體系如表1所示[12～15]。

表1 鐵路棄渣場生態(tài)環(huán)境影響評價(jià)指標(biāo)體系

（1）施工環(huán)境影響。王明慧等[6]研究表明棄渣場選址不當(dāng)會引起沿線自然環(huán)境破壞、農(nóng)田占用及水土流失，如不按要求棄渣，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量、沿線生態(tài)環(huán)境。因此應(yīng)重視鐵路建設(shè)中棄渣場設(shè)置。棄渣場選址應(yīng)避免對居民、公共設(shè)施和既有線路產(chǎn)生安全隱患，重視當(dāng)?shù)氐匦蔚孛?，鐵路沿線若涉及自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)和動物棲息地，不可在此類敏感點(diǎn)布設(shè)選址[6，7]。對各棄渣場選址進(jìn)行評價(jià)時(shí)，由于鐵路線路長，沿線地質(zhì)、環(huán)境條件多變，因此應(yīng)因地制宜、科學(xué)合理地綜合考慮。此外，在《鐵路建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（TB10503-2005）等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，選取棄渣征占地面積、渣土永久堆棄率及溝道占用等指標(biāo)表征棄渣場施工對生態(tài)環(huán)境的影響。棄渣場征占地應(yīng)避免占用耕地、農(nóng)田，盡量采用荒地，或通過調(diào)整棄渣堆高減少征占地面積。渣土處理首先應(yīng)考慮能否綜合利用，對于無法再利用的渣土堆放到指定棄渣場棄置。渣土永久堆棄率指永久堆置的渣土量占棄渣總量的比率，該比率越高則對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響越大。受地形地貌影響和運(yùn)輸條件限制，棄渣場往往設(shè)在隧道洞口附近的溝谷，因此占用大量溝道，若棄渣失穩(wěn)會導(dǎo)致大量渣土堵塞溝道，堵塞物淤積影響溝道正常功能還會給下游帶來破壞性影響。揚(yáng)塵在棄渣場施工過程中主要來源于土方挖掘、運(yùn)輸以及現(xiàn)場堆放等，為控制揚(yáng)塵應(yīng)在施工時(shí)及時(shí)灑水，運(yùn)輸堆放時(shí)適當(dāng)遮蓋。鐵路沿線棄渣場眾多，棄渣場選址占地會破壞土地原始生態(tài)以及土壤機(jī)械固著能力，植被難以存活，施工結(jié)束后應(yīng)采用相應(yīng)植物保護(hù)措施進(jìn)行防護(hù)修復(fù)。如不重視棄渣場施工對土地的破壞和對環(huán)境的影響，會造成難以預(yù)計(jì)的損失。

（2）工程地質(zhì)條件。工程地質(zhì)條件對生態(tài)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在棄渣巖性、棄渣場工程區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度以及棄渣失穩(wěn)易引發(fā)的自然災(zāi)害等方面。棄渣體物料形式?jīng)Q定棄渣體的穩(wěn)定性，因此選取棄渣巖性特征、棄渣顆粒粒度等指標(biāo)來表征[2]。工程區(qū)所處地理位置不同，棄渣堆棄對土壤存在不同程度的侵蝕，植被覆蓋率降低，堆積體邊坡失穩(wěn)等均會加重土壤侵蝕。若棄渣大量堆棄在溝道、河道，施工期遇雨水天氣，棄渣遭遇雨水沖刷容易造成大面積水土流失，淤積河道，影響河道行洪及下游安全；若將棄渣棄置在水源保護(hù)區(qū)和自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，將影響和破壞周邊生態(tài)環(huán)境。

（3）環(huán)境保護(hù)措施。鐵路棄渣場是鐵路建設(shè)項(xiàng)目中水土流失最為嚴(yán)重的部分，為最大程度減輕生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)重點(diǎn)落實(shí)棄渣場防護(hù)措施。棄渣場若不采取防護(hù)措施，棄渣堆放后穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生移動，由此會引發(fā)一系列環(huán)境問題。為了緩解棄渣場施工對生態(tài)環(huán)境的影響，根據(jù)《鐵路建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10503-2005），采取工程防護(hù)措施為主，植保防護(hù)、臨時(shí)防護(hù)為輔的方法來解決這些問題。因此選用截排水溝布設(shè)效果、擋渣墻攔渣率、棄渣資源化利用率等指標(biāo)細(xì)化棄渣場防護(hù)措施。在棄渣場上游設(shè)置截水溝可以在降雨情況下緩解地表水、降雨入滲問題。排水溝一般設(shè)在靠山體一側(cè)，排出坡面地表徑流。為抵抗棄渣體壓力，防止渣體垮塌、移動，應(yīng)在坡腳設(shè)置擋渣墻。擋渣墻的布設(shè)是保持棄渣場穩(wěn)定的重要措施。除此之外，擋渣墻還能起到收縮坡腳減少占地，減少水土流失災(zāi)害發(fā)生的作用[16]。將棄渣資源化利用于隧道襯砌施工、鋪設(shè)路基和堤壩的修筑，不但可以減少棄渣場占地，還能大大降低工程建設(shè)成本。棄渣資源化利用率反映可綜合利用的棄渣量占總棄渣量的比率，該比率越高則棄渣場占地越少[17]。棄渣場頂部種植能夠生長良好、易于成活的植物進(jìn)行植保綠化防護(hù)，可以保護(hù)渣土，防止滑坡、水土流失。

對上述定性指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同棄渣場類型以及所處區(qū)域環(huán)境特征、鐵路工程實(shí)際情況，以達(dá)到防護(hù)安全要求條件下的最經(jīng)濟(jì)方案為效果最好為目的，因地制宜、科學(xué)評價(jià)。

1.2 指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)的確定

本文指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)參考國內(nèi)外評估體系分級標(biāo)準(zhǔn)劃分，將指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個(gè)等級：優(yōu)、良、中、低、微。在此基礎(chǔ)上，以《鐵路建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（TB10503-2005）《鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50433-2018）等為參考，結(jié)合鐵路建設(shè)地區(qū)地域特點(diǎn)，對各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)劃分等級，如表2所示。

表2 評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

2 基于矩估計(jì)思想確定組合權(quán)重

矩估計(jì)思想[18]的基本原理是利用樣本矩估計(jì)總體矩。在權(quán)重確定過程中應(yīng)用矩估計(jì)思想，即利用各主、客觀權(quán)重估計(jì)指標(biāo)綜合權(quán)重。綜合權(quán)重具體確定方法如下：

（1）采用a種主觀賦權(quán)法、b-a種客觀賦權(quán)法分別對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重確定。主觀權(quán)重集合且應(yīng)滿足：?p∈ [1 ,a]，客觀權(quán)重集合且應(yīng)滿足：式中，a為主觀權(quán)重樣本數(shù)；b為主、客觀權(quán)重總體樣本數(shù)；p為主觀權(quán)重樣本；q為客觀權(quán)重樣本；ω為指標(biāo)權(quán)重。

（2）設(shè)a和b-a為從主觀、客觀權(quán)重總體中抽取的樣本數(shù)，由此可知，指標(biāo)xk(1≤k≤n)有b個(gè)權(quán)重樣本值。各指標(biāo)權(quán)重ωk與b個(gè)主客觀權(quán)重的偏差最小時(shí)可得到最優(yōu)的組合權(quán)重。構(gòu)建組合權(quán)重優(yōu)化模型：

（3）b個(gè)樣本來自主、客觀兩個(gè)總體，基于矩估計(jì)法思想計(jì)算指標(biāo)xk的ωpk和ωqk的期望值：

（4）指標(biāo)xk的相對重要系數(shù)：

（5）從兩個(gè)總體中各抽取n個(gè)樣本，可得：

（6）對于每一個(gè)指標(biāo)，使De(k)最小，式（1）應(yīng)轉(zhuǎn)化為：

（7）采用Lagrange乘子法求解模型，得到指標(biāo)的最優(yōu)組合權(quán)重：

3 改進(jìn)的灰靶模型

3.1 傳統(tǒng)灰靶模型

（1）構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)模式x0。對效益型指標(biāo)對成本型指標(biāo)，

對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到標(biāo)準(zhǔn)模式序列：

式中：n為評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

式中，T( λi( k) ) = xi( k) ∈[ 0 ,1]，若λi(k)=λ0(k)，則xi(k)=1；|λi(k)-λ0(k)|越小，則 xi(k)越接近 1；|λi(k)-λ0(k)|越大，則xi(k)越遠(yuǎn)離1。

（4）計(jì)算靶心系數(shù)。由灰靶理論可知，靶心系數(shù)公式如下：

（5）計(jì)算靶心度。傳統(tǒng)灰靶模型[19]沒有特定的標(biāo)準(zhǔn)模型，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)各指標(biāo)自身特點(diǎn)設(shè)定灰靶，在灰靶中找到靶心，比較得出各指標(biāo)與靶心的接近程度即靶心度，根據(jù)靶心度進(jìn)行等級劃分確定評估等級。靶心度的計(jì)算公式為：

3.2 改進(jìn)的灰靶模型

從靶心度的計(jì)算公式可以看出，傳統(tǒng)的灰靶模型認(rèn)為各評價(jià)指標(biāo)對靶心度的影響程度是相同的。而在本文對棄渣場生態(tài)環(huán)境影響的評價(jià)中，各個(gè)指標(biāo)對靶心度的影響各不相同。因此，本文在靶心度的計(jì)算中引入指標(biāo)權(quán)重ωk，對傳統(tǒng)灰靶模型進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)公式如下：

式中： γ( x0, xi)為靶心度； γ ( x0k,xik)為指標(biāo)i的靶心系數(shù)；ωk為指標(biāo)權(quán)重。

4 實(shí)例驗(yàn)證

成蘭鐵路沿線植被類型豐富，但由于長期以來的人為干擾如森林采伐、農(nóng)田開墾等，導(dǎo)致現(xiàn)有的天然原始林較少。該地區(qū)野生動物豐富，自然景觀和自然遺產(chǎn)分布較多。因此，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。本文選取該鐵路成都至川主寺（黃勝關(guān)）段沿線10座棄渣場，編號1#、2#、…、10#。在政府建設(shè)行政主管部門主導(dǎo)下，邀請滿足條件的科研機(jī)構(gòu)專家通過打分對各定性評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化評估，各定量指標(biāo)采用2014年成蘭鐵路建設(shè)期 指標(biāo)數(shù)據(jù)，得出各指標(biāo)初始決策矩陣如表3所示。

表3 成蘭鐵路棄渣場生態(tài)環(huán)境影響初始判斷矩陣

將難以量化的指標(biāo)按表2劃分為五級，每級對應(yīng)分值為{0.90，0.70，0.50，0.30，0.10}，對各定性指標(biāo)進(jìn)行處理，得出各指標(biāo)的量化值：

式中，μ1、μ2、…、μ5為不同等級的打分專家數(shù)；μ為打分專家總數(shù)。

4.1 改進(jìn)灰靶模型進(jìn)行綜合評價(jià)

（1）根據(jù)初始評判矩陣構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)模式。

（2）根據(jù)式（11）得出灰靶變換后組成的矩陣T。

（3）灰靶變換后確定灰色關(guān)聯(lián)差異信息空間，可得由 ( Δ01, Δ02, Δ03, Δ04)組成的矩陣 Δ 。

由此，得Δ0i(max) = 0.8865，Δ0i(min) = 0。

（4）根據(jù)式（12）確定靶心系數(shù)γ(x0(k) ,xi(k) )，式中ρ取0.5。

則可得由靶心系數(shù)γ（x0（k），xi（k））組成的矩陣：

（5）指標(biāo)權(quán)重。其中，AHP和G1法由邀請的專家打分計(jì)算，熵權(quán)法和離差最大化法根據(jù)處理后的指標(biāo)按公式進(jìn)行計(jì)算（鑒于篇幅，此處不再列出權(quán)重計(jì)算具體過程）：

（6）計(jì)算靶心度。將綜合權(quán)重代入式（14），可得綜合評價(jià)結(jié)果：

4.2 評價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)各棄渣場的評價(jià)計(jì)算結(jié)果，按照均分原則將棄渣場生態(tài)環(huán)境影響劃分為5個(gè)等級，微度影響[1～0.80）、 輕 度影 響 [0.80～0.60）、中 度影響[0.60～0.40）、重度影響[0.40～0.20）、極度影響[0.20～0]。具體等級表現(xiàn)形式如表 4所示，評價(jià)結(jié)果如表5所示。

表4 評價(jià)結(jié)果等級表現(xiàn)形式

由表5可以得出，8#棄渣場對周邊生態(tài)環(huán)境的影響為Ⅳ級重度影響。根據(jù)對成蘭鐵路的現(xiàn)場調(diào)查，在實(shí)際工程中，8#棄渣場對周邊環(huán)境的擾動主要有渣土堆積、土地侵蝕、植被覆蓋率降低等現(xiàn)象，原有生態(tài)服務(wù)功能幾乎被徹底改變。調(diào)查顯示該棄渣場在建設(shè)項(xiàng)目中對生態(tài)環(huán)境有較大的不利影響，這與改進(jìn)灰靶模型的評價(jià)等級基本一致。

表5 棄渣場生態(tài)環(huán)境影響評價(jià)結(jié)果

5 結(jié)語

鐵路棄渣場生態(tài)環(huán)境影響涉及到的因素較多。本文通過實(shí)地調(diào)研及參考大量文獻(xiàn)，初選出相關(guān)的影響因子，運(yùn)用德爾菲法篩選出 3個(gè)評價(jià)方面 15個(gè)主要的變量構(gòu)建棄渣場生態(tài)環(huán)境影響指標(biāo)體系，采用基于矩估計(jì)思想的組合權(quán)重確定指標(biāo)的權(quán)重，將4種主、客觀權(quán)重確定方法相結(jié)合，采用AHP、G1法使得綜合權(quán)重保留主觀權(quán)重專家偏好，采用熵權(quán)法、離差最大化法使得綜合權(quán)重存在數(shù)據(jù)間的客觀聯(lián)系，得到的評價(jià)結(jié)果相比較單一權(quán)重得到的評價(jià)結(jié)果更加客觀，符合實(shí)際。

基于組合權(quán)重-改進(jìn)灰靶模型對成蘭鐵路成都至川主寺（黃勝關(guān)）段 10座棄渣場進(jìn)行生態(tài)環(huán)境影響等級評價(jià)，得出8#棄渣場對周邊生態(tài)環(huán)境存在重度不利的影響，需首先進(jìn)行相應(yīng)的人為修復(fù)。這個(gè)評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符。表明本文模型結(jié)果合理有效，可作為解決同類問題的參考。通過對各棄渣場進(jìn)行生態(tài)環(huán)境影響評價(jià)，比選出需首先進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的棄渣場，加強(qiáng)施工期防護(hù)，加強(qiáng)攔擋工程、排水工程等工程防護(hù)措施布設(shè)，通過人為修復(fù)恢復(fù)、重建被破壞和擾動的棄渣場周邊生態(tài)環(huán)境。工程防護(hù)與生態(tài)修復(fù)相互結(jié)合科學(xué)治理，使棄渣場區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境得到一定程度的改善和恢復(fù)，有助于防止水土流失，避免泥石流、滑坡等災(zāi)害發(fā)生，達(dá)到保護(hù)周邊生態(tài)環(huán)境的目的。