吳元金, 劉永勝, 尹 龍, 羅占夫, 王 棟, 張繼超

(1.中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 511458; 2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與 維護(hù)重點實驗室,廣東 廣州 511458; 3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 511458)

隧道作為鐵路建設(shè)中的重要組成部分之一,資源和能源的消耗高于其它基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[1]。在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)與可持續(xù)發(fā)展背景下,學(xué)者們提出了低碳隧道施工理念。這一理念隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)而日益受到關(guān)注[2]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及鐵路建造技術(shù)的不斷創(chuàng)新,我國鐵路逐漸向高原艱險山區(qū)推進(jìn),氣候條件惡劣、生態(tài)環(huán)境敏感脆弱、機(jī)械設(shè)備降效嚴(yán)重、隧道棄渣產(chǎn)生量大等將成為鐵路工程建設(shè)面臨的共性難題,綠色低碳鐵路工程尤其是綠色低碳隧道工程建造成為目前的研究熱點之一[3]。

學(xué)者們針對綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)中能源消耗及CO2排放等問題開展低碳評價研究,提出碳排放評價相關(guān)指標(biāo)。但在低碳隧道研究方面,目前尚未建立完善的評價標(biāo)準(zhǔn)體系,已有研究主要集中在隧道綠色施工評價方面。例如:蔣振雄等[4]構(gòu)建了包含資源節(jié)約利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、行車安全舒適等方面的綠色隧道“五橫三縱”評價體系;李海文等[5]基于向量夾角余弦與二維云評價模型,對風(fēng)火山隧道綠色施工水平進(jìn)行綜合評價;鮑學(xué)英等[6]以“四節(jié)一環(huán)?！睘榛A(chǔ),提出一種基于灰色聚類法的鐵路綠色施工等級評價方法。但是目前綠色隧道評價側(cè)重于資源與能源消耗的基本情況以及營造的環(huán)境水平,較少考慮隧道建造過程中的碳排放性能與影響因素,與當(dāng)前“雙碳”背景下的低碳評價要求存在較大差異。因此,如何制定科學(xué)合理的低碳隧道評價標(biāo)準(zhǔn)體系,如何對隧道的碳排放水平與低碳等級進(jìn)行評定,是目前需要重點研究的問題。

基于以上分析,本文從評價指標(biāo)與評價方法兩個方面進(jìn)行改進(jìn),基于已有綠色評價標(biāo)準(zhǔn)框架構(gòu)建低碳評價體系。通過標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)的梳理及指標(biāo)篩選建立具有針對性的鐵路隧道工程建造過程低碳評價指標(biāo)體系,將組合權(quán)重計算與基于三角白化權(quán)函數(shù)的灰色聚類法相結(jié)合,構(gòu)建綜合評價模型,并通過應(yīng)用驗證綜合評價方法的可靠性和結(jié)果的合理性。研究結(jié)果可為“雙碳”背景下鐵路隧道工程建造過程評價提供決策支持,為鐵路隧道工程建造節(jié)能減排提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取某鐵路隧道工程作為研究對象。該工程具有投資大、周期長、工程所在地環(huán)境因素復(fù)雜等特點。這些因素對建造過程人、材、機(jī)的投入及工作效率等都會產(chǎn)生較大影響。因此需考慮復(fù)雜環(huán)境因素及隧道自身特點的影響,有針對性地對該隧道建造過程的低碳情況進(jìn)行評價。

本研究涉及的資源與能源消耗量、材料本地化率等定量指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于工程施工組織設(shè)計、工程造價文件、建材和能源工程量清單以及現(xiàn)場測量結(jié)果等;管理控制、環(huán)境因素等定性指標(biāo)通過專家問卷調(diào)查的方式獲取。對部分較難獲取數(shù)據(jù)的指標(biāo),參考國內(nèi)平均水平或同類工程的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行賦值。

1.2 研究方法

1.2.1低碳評價指標(biāo)體系建立

考慮到工程外界環(huán)境和低碳評價的復(fù)雜性,首先通過梳理已有綠色低碳評價相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn),識別得到64個綠色低碳類指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,考慮到低碳隧道評價側(cè)重于隧道資源與能源消耗的詳細(xì)情況及碳排放性能,以減少碳源與增加碳匯為目標(biāo),根據(jù)評價對象和評價范圍,剔除與低碳隧道相關(guān)程度較低的指標(biāo);與此同時,結(jié)合自然環(huán)境特點補(bǔ)充環(huán)境因素影響類指標(biāo),建立包含43個指標(biāo)的初步指標(biāo)體系。為了使評價指標(biāo)更具代表性,進(jìn)一步采用主成分分析法剔除冗余指標(biāo),得到包含能源利用碳排放與碳減排、資源利用碳排放與碳減排等6個方面共21個指標(biāo)的最終指標(biāo)體系。

5級標(biāo)度法是一種常見的用于量化和描述研究對象某種特定屬性或品質(zhì)程度的評分工具。本文根據(jù)評價指標(biāo)達(dá)到低碳效果的程度,采用5級標(biāo)度法將指標(biāo)分為好、較好、中等、合格、不合格5個級別[7]。其中定性指標(biāo)以專家對其重要性打分結(jié)果為基準(zhǔn)進(jìn)行等級區(qū)間劃分;定量指標(biāo)參考已有文獻(xiàn)提出的指標(biāo)[8-9],以及《建筑工程綠色施工評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50640—2010)相關(guān)規(guī)定確定本文定量指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)。建立的隧道工程建造過程低碳評價指標(biāo)體系及其分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 隧道工程建造過程低碳評價指標(biāo)體系及分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Low carbon evaluation index system and classification standard for tunnel construction

1.2.2低碳評價指標(biāo)權(quán)重計算

本文采用主成分分析法與改進(jìn)的熵權(quán)法相結(jié)合的方法計算指標(biāo)組合權(quán)重,以提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。

1) 主成分分析法

鐵路隧道工程建造過程碳排放影響因素多,且各因素間相互關(guān)聯(lián),相互影響。采用主成分分析法將多維變量進(jìn)行降維處理,去除評價指標(biāo)間的信息交疊與傳遞依賴性[10]。根據(jù)主成分分析得到的總方差解釋表及旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的計算,其具體步驟如下。

a.構(gòu)建指標(biāo)初始矩陣A=(aij)mn,其中aij為第i個研究對象第j個評價指標(biāo)實測值。

b.采用Z-score法對初始矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(1)

c.計算指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣R=(rij)nn,并求其特征值及特征向量。

(2)

式中,rij(i,j=1,2,3,…,n)為標(biāo)準(zhǔn)化后變量bi與bj的相關(guān)系數(shù)。

d.對特征值大于1的q個主成分進(jìn)行分析,得到總方差解釋率及成分矩陣,并計算線性組合系數(shù)矩陣D=(djt)nq,其中djt為第j個指標(biāo)在第t個主成分下的線性組合系數(shù)。

(3)

式中,fjt為第j個指標(biāo)在第t個主成分下的載荷系數(shù),λt為第t個主成分對應(yīng)的特征值。

e.計算各指標(biāo)的綜合得分系數(shù)ρj

(4)

式中R2為方差解釋率。

f.計算指標(biāo)權(quán)重

(5)

2) 改進(jìn)的熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種常見的利用指標(biāo)的信息熵來表示權(quán)重的客觀賦權(quán)法。傳統(tǒng)熵權(quán)法計算中,當(dāng)指標(biāo)信息熵接近于1時,計算結(jié)果會出現(xiàn)信息熵值的微小變化引起指標(biāo)熵權(quán)成倍變化的情況[11],針對該問題,本文提出改進(jìn)的熵權(quán)法,具體計算過程如下。

a.為了消除各評價指標(biāo)間量級、量綱與正負(fù)向的不一致性[12],采用極差法對初始矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X=(xij)mn。

(6)

b.計算比重矩陣P=(pij)mn

(7)

c.計算第j項指標(biāo)的信息熵ej

(8)

d.計算低碳評價指標(biāo)客觀權(quán)重

(9)

3) 組合賦權(quán)

以主成分分析法與熵權(quán)法的計算結(jié)果為基礎(chǔ),取其重要性均衡,按照式(10)計算組合權(quán)重。

wj=0.5waj+0.5wej

(10)

1.2.3基于灰色聚類的低碳評價模型

考慮到鐵路隧道工程低碳評價涉及資源與能源利用、管理控制等諸多影響因素,是一個典型的多因素相互作用、相互影響的灰色系統(tǒng),為了避免傳統(tǒng)評價方法存在的不足,本文基于三角白化權(quán)函數(shù)的灰色聚類法進(jìn)行隧道建造過程低碳評價。根據(jù)表1確定的評價指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn),通過構(gòu)造基于端點型的三角白化權(quán)函數(shù)來確定聚類對象所屬灰類。

1) 指標(biāo)取值范圍劃分

將j指標(biāo)的取值范圍[a1,as+1]劃分為s個區(qū)間,并計算各個區(qū)間幾何重心。

[a1,a2],…,[ak-1,ak],…,[as,as+1]

(11)

λk=(ak+ak+1)/2

(12)

白化權(quán)函數(shù)可將所考察的觀測指標(biāo)或觀測對象劃分為若干個可定義類別,構(gòu)造白化權(quán)函數(shù)是整個評價過程的核心環(huán)節(jié),本文建立的指標(biāo)體系灰色邊界清晰,可構(gòu)造基于端點類型的三角白化權(quán)函數(shù)。

圖1 白化權(quán)函數(shù)圖像Fig.1 Whitening power function image

對于指標(biāo)j的一個觀測值x,其函數(shù)表達(dá)式為:

(13)

(14)

(15)

式中,s為灰類的個數(shù),ηj為指標(biāo)的綜合權(quán)重。

5) 等級確定

(16)

由上式可判斷對象i屬于灰類k*。

1.2.4低碳評價等級劃分

為了表征隧道建造過程的低碳水平,本文以《建筑工程綠色施工評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50640—2010)、《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378—2019)的評價等級為基礎(chǔ),將鐵路隧道工程建造過程低碳評價等級劃分為:基本級、一星級、二星級、三星級、四星級5個級別。這些級別分別與指標(biāo)等級不合格、合格、中等、較好、好對應(yīng)。具體劃分方式如表2所示。

表2 鐵路隧道建造過程低碳評價等級劃分Tab.2 Low carbon classification during railway tunnel construction in high altitude areas

2 結(jié)果與分析

該工程在施工過程中能夠優(yōu)化資源配置,強(qiáng)化機(jī)械設(shè)備使用管理,堅持綠色低碳與文明施工。現(xiàn)采用文中建立的低碳評價模型對其進(jìn)行評價,確定其低碳等級。

2.1 評價指標(biāo)權(quán)重計算

邀請鐵路隧道建造設(shè)計、施工和管理等單位具有豐富經(jīng)驗的專家對指標(biāo)的重要性程度進(jìn)行打分,共收到問卷48份。通過對問卷進(jìn)行初步篩選,確定有效問卷43份,其中隧道施工單位專業(yè)技術(shù)人員占60%,建設(shè)、設(shè)計及勘察等單位專家占40%。以1 ～ 5分分別表示指標(biāo)重要性程度的5個等級,將打分結(jié)果作為權(quán)重計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 指標(biāo)重要性打分結(jié)果(以B2指標(biāo)層為例)Tab.3 Indicator importance scoring results (taking B2 indicator layer as an example)

結(jié)合式(1)～(10)所述權(quán)重計算方法,對各級指標(biāo)的綜合權(quán)重進(jìn)行計算,結(jié)果如表4和表5所示。

表4 準(zhǔn)則層指標(biāo)組合權(quán)重計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of indicator combination weights for guideline layer

表5 指標(biāo)層指標(biāo)組合權(quán)重計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of indicator combination weights for indicator layer

由計算結(jié)果可知,準(zhǔn)則層指標(biāo)中“能源利用碳排放與碳減排”權(quán)重最大,為0.320,說明鐵路隧道高度機(jī)械化施工過程中能源的使用情況會對碳排放以及低碳等級產(chǎn)生較大影響,應(yīng)在保證工程質(zhì)量的前提下,合理配置機(jī)械設(shè)備,定期對其進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng),減少能源的消耗與浪費。除此之外,在施工過程中還應(yīng)注意提高新能源機(jī)械設(shè)備與可再生能源的利用率。其次,自然環(huán)境差、隧道長度大及生態(tài)環(huán)境脆弱三個方面的指標(biāo)都受工程所在地復(fù)雜環(huán)境因素影響,其權(quán)重合計達(dá)到0.282,說明區(qū)域環(huán)境因素對鐵路隧道建造過程碳排放的影響不容忽視,應(yīng)從施工人員配備、機(jī)械設(shè)備選型與增效、節(jié)能減排施工技術(shù)應(yīng)用等方面進(jìn)行考慮,降低碳排放量。

2.2 確定白化權(quán)函數(shù)值

通過施工現(xiàn)場實際調(diào)研、查閱施工組織設(shè)計資料、邀請專家進(jìn)行估算、參考同類工程等渠道獲得定量指標(biāo)數(shù)據(jù),根據(jù)專家經(jīng)驗打分獲得定性指標(biāo)數(shù)據(jù)。結(jié)合圖1所示白化權(quán)函數(shù)的構(gòu)造方式,分別計算各指標(biāo)的函數(shù)值,結(jié)果如表6所示(以準(zhǔn)則層B3與B4為例)。

2.3 確定綜合聚類系數(shù)

根據(jù)式(14),計算低碳評價指標(biāo)體系準(zhǔn)則層及待評工程的綜合聚類系數(shù),結(jié)果如表7所示。

表6 待評工程指標(biāo)白化權(quán)函數(shù)值(以B3和B4指標(biāo)層為例)Tab.6 Whitening weight function values of projects to be evaluated (taking B3 and B4 indicator layer as an example)

表7 鐵路隧道低碳施工綜合聚類系數(shù)Tab.7 Comprehensive clustering coefficients for low carbon construction of railroad tunnels

2.4 結(jié)果分析

由計算結(jié)果可知,研究對象綜合聚類系數(shù)的最大值為0.088,隸屬于第四灰類,即某鐵路隧道建造過程的低碳等級為“三星級”,表明隧道工程低碳施工水平較好,對碳排放影響因素考慮較多,取得了較好的節(jié)能減排效果。

為驗證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步對該隧道工程的21個指標(biāo)以及5個評語集采用模糊綜合評價法進(jìn)行驗證,首先根據(jù)各指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)及綜合權(quán)重計算結(jié)果構(gòu)建模糊綜合評判矩陣,然后將其導(dǎo)入SPSSAU分析軟件進(jìn)行綜合計算,得到5個評語集的隸屬度分別為:0.279、0.356、0.238、0.065、0.061,結(jié)合最大隸屬度法則可知最終綜合評價結(jié)果為低碳“三星級”,與本研究的評價結(jié)果一致。但灰色聚類法能夠較好彌補(bǔ)數(shù)據(jù)量少、樣本小的情況,使評價更客觀合理,符合工程實際情況。

進(jìn)一步對低碳指標(biāo)體系不同維度進(jìn)行分析,由表7可知B2資源利用碳排放與碳減排和B6生態(tài)環(huán)境脆弱隸屬于第二灰類“一星級”,基本達(dá)到低碳施工水平,表明該隧道低碳施工仍然有較大的提升空間:一方面,應(yīng)加強(qiáng)對初期支護(hù)及二次襯砌等施工過程中鋼筋和水泥等主要材料的節(jié)約利用,注重對施工人員節(jié)能減排相關(guān)技術(shù)的培訓(xùn)[13],做好施工過程臨時用地和用水等的監(jiān)督管理工作,進(jìn)而實現(xiàn)減少碳排放的目的;另一方面,應(yīng)探索對施工余料和固體廢棄物的回收利用途徑,做到廢棄物減量化、資源化與就近化處理[3],全面提高鐵路隧道工程建造過程的低碳水平。

3 結(jié)論與討論

本文針對鐵路隧道工程建造過程碳排放建立低碳評價體系,采用適合“小樣本、貧信息”的灰色聚類法對隧道工程進(jìn)行低碳評價,主要結(jié)論如下。

1) 基于綠色評價標(biāo)準(zhǔn),初步識別鐵路隧道工程低碳評價指標(biāo),以碳排放量為重要影響因素,結(jié)合特殊環(huán)境下隧道施工特點,對低碳指標(biāo)進(jìn)行篩選與補(bǔ)充,建立鐵路隧道工程建造階段低碳評價指標(biāo)體系,確定評價指標(biāo)分級判定標(biāo)準(zhǔn)。

2) 采用主成分分析與熵權(quán)法相結(jié)合的方法,計算低碳評價指標(biāo)組合權(quán)重;建立基于灰色聚類法的低碳評價模型,通過構(gòu)造三角白化權(quán)函數(shù)計算各灰類的綜合聚類系數(shù),確定低碳等級,依據(jù)評價結(jié)果為鐵路隧道工程低碳施工提供理論參考。

3) 將建立的灰色聚類綜合評價模型應(yīng)用于實際工程中,計算得到該隧道建造過程低碳等級為“三星級”,與實際情況一致;采用模糊綜合評價法進(jìn)一步驗證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,驗證了低碳評價體系和評價模型的可靠性。

由于鐵路隧道施工過程復(fù)雜,碳排放影響因素多,本文所建立的評價指標(biāo)體系主要從建造階段開展低碳評價。在后期的研究中,將繼續(xù)探索鐵路隧道工程全生命周期的低碳評價,為鐵路隧道低碳建造和節(jié)能減排提供理論依據(jù)和決策支持。