屈宇航，吳嘯宇，張 鑫，邱樂俠

(南京理工大學 自動化學院，南京 210094)

高速公路作為我國現(xiàn)代化交通運輸網(wǎng)絡體系的重要組成部分，具有高效、迅捷、通達及覆蓋范圍廣等特點，極大地促進了沿線地區(qū)經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，為人民日常生活和國家發(fā)展提供了便利。然而，在帶來經(jīng)濟與社會效益的同時，高速公路建設造成的嚴重環(huán)境問題也隨之而來，如生物多樣性減少和水土流失[1-2]等。因此，開展高速公路建設項目對環(huán)境影響的評價，是實現(xiàn)高速公路建設與環(huán)境和諧統(tǒng)一的重要一步。

高速公路建設對環(huán)境影響的評價方法主要有層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、數(shù)理統(tǒng)計法以及模糊綜合評判法[3-6]。近年來，不少學者通過改進評價方法，研究高速公路建設項目對環(huán)境的影響，并取得了一定成果。朱濤等[7]從生態(tài)環(huán)境等6個方面建立評價指標體系，運用改進的群組AHP-FCE法構(gòu)造生態(tài)環(huán)境影響評價模型，并評價河南省欒盧高速公路對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響；周正祥等[8]利用綜合指數(shù)法和單項指數(shù)法探索分析了高速公路運營期對周邊水環(huán)境的影響；趙兵[9]利用綜合指數(shù)法對山西省某高速公路施工期環(huán)境空氣的質(zhì)量進行評價和等級劃分；朱云波等[10]論述了高速公路建設項目噪聲的環(huán)境影響及評價過程，并提出相應的施工期和運營期聲環(huán)境防治措施；孫祥龍等[11]結(jié)合粗糙集理論與無對比法構(gòu)建了高速公路對社會影響的后評價定量模型；張丹[12]建立改進的群組AHP-FCE模型對高速公路建設產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響進行評價，分析漢略高速建設項目生態(tài)環(huán)境影響評價權(quán)重，并進行綜合評價；寇龍[13]分析了西商高速公路建設期的水土流失原因，對水土流失進行風險評價，并根據(jù)評價結(jié)果提出西商高速公路水土流失防治措施方案及檢測方法。

已有成果主要研究高速公路建設項目在某種特定環(huán)境下產(chǎn)生的影響，未綜合考慮對多方面環(huán)境的影響。與層次分析法相比，序關(guān)系分析法(G1)[14]是一種簡單且直觀的主觀賦權(quán)方法，無需一致性檢驗，也不限于同一層元素個數(shù)。熵權(quán)法[15]可準確計算指標的客觀權(quán)重。綜上考慮，首先確定指標間的重要度排序，然后計算各指標熵權(quán)并利用熵權(quán)確定相鄰指標間重要度比值，最后結(jié)合G1法計算各指標綜合權(quán)重，進而基于優(yōu)劣解距離法(TOPSIS)[16]計算高速公路建設項目對環(huán)境影響的綜合評價值。

1 評價指標體系構(gòu)建

依據(jù)系統(tǒng)性、可比性以及可靠性原則，結(jié)合高速公路周邊環(huán)境的特殊性，從聲環(huán)境、空氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境及社會環(huán)境4個方面對高速公路建設項目進行環(huán)境影響評價。從目標層、準則層以及指標層3個方面構(gòu)建三級高速公路建設項目對環(huán)境影響的評價指標體系，包括聲環(huán)境影響、空氣環(huán)境影響、生態(tài)環(huán)境影響及社會環(huán)境影響等4個一級指標，交通噪聲、總懸浮顆粒物、每公里水土流失量等12個二級指標。

1)聲環(huán)境方面。施工期的噪聲影響主要來自鏟土機、攪拌機等各種施工機械，而運營期的主要影響因素是交通噪聲和噪聲敏感點的數(shù)量。

2)空氣環(huán)境方面。施工期的大氣污染物主要是總懸浮顆粒物和瀝青燃燒過程中產(chǎn)生的瀝青煙，目前高速公路建設采用設有除塵設備的封閉式廠拌工藝，瀝青煙氣的排放濃度很低，并將瀝青拌合站選在居民區(qū)下風向300 m以外區(qū)域，可有效降低瀝青煙對居民生活的影響。高速公路運營期所產(chǎn)生的空氣污染主要來自汽車尾氣中的氮氧化合物。

3)生態(tài)環(huán)境方面。高速公路建設永久占用大面積的農(nóng)田和林地，對植被造成難以恢復的破壞，還會造成水土流失，土石場還會產(chǎn)生大量棄渣。高速公路建設對動物的生存環(huán)境也會產(chǎn)生一定影響，但隨著建設期的完成，生態(tài)環(huán)境會逐漸恢復，動物的種群數(shù)量也會隨之恢復。

4)社會環(huán)境方面。高速公路的建設使得水田、旱地以及宅基地等土地利用比例發(fā)生變化，影響土地利用格局；高速公路建設需要占用大量房屋，拆遷房屋也會對被拆遷居民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生不利影響。

綜上所述，高速公路建設項目環(huán)境影響評價指標體系設計如表1所示。

表1 高速公路建設項目環(huán)境影響評價指標體系

2 基于G1-熵權(quán)-TOPSIS法的綜合評價模型

2.1 數(shù)據(jù)標準化

極大型指標的標準化處理算式為

(1)

極小型指標的標準化處理算式為

(2)

最后，經(jīng)過處理的所有指標都處在0～1范圍內(nèi)，且指標值bij越接近于1，說明該條高速公路建設項目對此環(huán)境指標的影響越有利。

2.2 G1法確定主觀權(quán)重

G1法本質(zhì)是一種序關(guān)系分析法，相比層次分析法，G1法無需一致性檢驗，方法使用簡便，可快速準確地確定主觀權(quán)重。G1法的步驟如下：

x1≥x2≥x3≥…≥xn

(3)

2)各指標重要程度的定量分析。給出評價指標xk-1與xk之間的重要程度比值為wk-1/wk，記為

(4)

式中：wk為指標k的主觀權(quán)重。

3)主觀權(quán)重計算?；谝陨喜襟E得到rk的理性賦值，則可先計算出指標xn的權(quán)重系數(shù)wn，再通過從后往前的遞歸方法依次得到剩余n-1個指標的權(quán)重系數(shù)為

(5)

wk-1=rkwk(k=n,n-1,…,2)

(6)

最終得到基于G1法的評價指標權(quán)重向量為W=(w1,w2,…,wn)T。

2.3 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

基于2.1節(jié)中的方法，將高速公路建設項目原始數(shù)據(jù)矩陣處理為無量綱、標準化的標準矩陣B=(bij)m×n。

(7)

則第j個評價指標bj的熵值Hj定義為

(8)

則第j個指標的熵權(quán)定義為

(9)

2.4 組合賦權(quán)法確定綜合權(quán)重

綜合權(quán)重計算方法是G1法的一種，將主觀賦權(quán)和標準離差法的客觀賦權(quán)相結(jié)合，此方法利用客觀熵權(quán)法中的熵權(quán)確定相鄰重要度比值，再結(jié)合G1法計算各指標綜合權(quán)重[18],其具體步驟如下。

1)相鄰指標重要度比值確定。計算各項指標的標準差，并通過指標標準差sj計算相鄰指標的重要性比值，記第j個指標的標準差sj和相鄰指標xk-1與xk的重要性比值為rk，算式為

(10)

(11)

(12)

2)指標權(quán)重的確定。根據(jù)式(12)計算r值，則第n個指標的G1綜合權(quán)重un，以及第n-1，n-2，…，1個指標的權(quán)重可根據(jù)式(5)、式(6)得到。

基于上述方法，考慮到熵權(quán)法中的熵值H能夠反映數(shù)據(jù)信息量的大小，則可以選取相鄰兩個指標在熵權(quán)法中的熵值H比值作為相鄰指標的重要性之比[19]，如式(13)所示。熵值Hj可根據(jù)式(8)計算得到。

(13)

則綜合權(quán)重可根據(jù)式(5)、式(6)計算得到。

2.5 確定TOPSIS綜合評價方法

1)計算加權(quán)標準化決策矩陣。通過結(jié)合標準化矩陣B與指標權(quán)重uj，計算出加權(quán)標準化決策矩陣K=(kij)m×n，其中kij=bijuj，則加權(quán)標準化矩陣表示為

(14)

2)確定正負理想解K+、K-。評價指標體系中，只有每公里公路交通容量為極大型指標，其余指標均為極小型指標，令每公里公路交通容量為指標體系中第1個指標，因此,確定加權(quán)標準化決策矩陣的正負理想解為

(15)

(16)

(17)

(18)

設高速公路建設項目到正理想解的貼近度di為

(19)

3 算例分析

根據(jù)高速公路建設項目環(huán)境評價指標體系，基于近年來立項的8條高速公路(仁沐新高速、昆倘高速、三清高速、蔓金高速、大南高速、大潮高速、董梁高速寧梁段、蒲炎高速廣吉段，分別記為公路A1，A2，…，A8)建設項目數(shù)據(jù)(見表2)，結(jié)合高速公路建設項目對環(huán)境影響評價模型進行算例分析。

表2 高速公路建設項目具體數(shù)據(jù)

3.1 計算權(quán)重

1)首先將指標體系中12個評價指標篩選為極大型指標和極小型指標，由式(1)、式(2)將原始數(shù)據(jù)進行標準化處理后得到標準化矩陣B。

2)給出各指標的重要性排序：x11>x6>x10>x5>x8>x12>x7>x4>x2>x9>x3>x1。

3)根據(jù)式(8)計算各指標的熵值。H=(0.794,0.709,0.817,0.898,0.912,0.929,0.915,0.747,0.853,0.852,0.885,0.899)T。

4)根據(jù)各指標熵值和式(13)計算相鄰指標的重要度比值，結(jié)果如表3所示。

5)由式(5)、式(6)計算指標綜合權(quán)重。

表3 相鄰指標重要度比值

Wj=(0.055,0.063,0.057,0.080,0.103,0.113,0.063,0.085,0.080,0.103,0.113,0.085)T。

3.2 計算綜合評價值

1)根據(jù)式(14)計算加權(quán)標準化決策矩陣K。

2)根據(jù)式(15)、式(16)確定正負理想解。

K+=(0.055,0.064,0.057,0.080,0.104,0.113,

0.064,0.085,0.080,0.104,0.113,0.085)

K-=(0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)

3)根據(jù)式(17)、式(18)計算各公路建設項目到正負理想解的距離。

0.178,0.168,0.142)

0.193,0.193,0.213)

4)根據(jù)式(19)計算各建設項目到正理想解的貼近度。

D=(0.589,0.371,0.514,0.590,

0.568,0.521,0.535,0.599)

可以得到：d8>d4>d1>d5>d7>d6>d3>d2。

結(jié)合原始數(shù)據(jù)和各高速公路綜合評價值可知，高速公路A8建設造成的水土流失量、拆遷量、棄渣量等5項指標較小，得到最高的評價值；高速公路A6建設雖然造成水土流失量和植被損失量較高，但該高速公路造成農(nóng)田損失影響極小，綜合評價值仍高于高速公路A3和高速公路A2，而高速公路A2的建設對4方面環(huán)境影響都相對較大，因此得到了最低的綜合評價值。綜上，將客觀修正主觀的G1—熵權(quán)—TOPSIS法運用到高速公路建設項目環(huán)境影響評價中是可行的。

4 結(jié) 語

1)為客觀、準確地評價高速公路建設項目對環(huán)境的影響，建立一種結(jié)合主客觀權(quán)重的評價模型具有重要意義。從聲環(huán)境、空氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境及社會環(huán)境4方面構(gòu)建了4個一級指標，12個二級指標的評價指標體系，較為全面地展現(xiàn)了高速公路建設項目對環(huán)境的影響。

2)采用主觀賦權(quán)的G1法和客觀賦權(quán)的熵權(quán)法相結(jié)合方式確定各指標綜合權(quán)重?；赥OPSIS法確定正負理想解，通過計算公路建設項目到理想解的距離和貼近度來確定綜合評價值。

3)對近年立項的8條高速公路項目進行了算例分析，結(jié)果表明：用客觀修正主觀的G1—熵權(quán)法評價高速公路建設對環(huán)境的影響能夠有效提高合理性和準確性。