西北寒旱地区铁路桥梁绿色施工环境影响的区间分析

唐 欢,鲍学英,王起才,2,3,朱文浩

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070； 2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室,兰州 730070； 3.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,兰州 730070； 4.江西理工大学经济管理学院,江西赣州 341000)

随着高铁建设的蓬勃发展以及人们绿色环保施工的意识越来越强，绿色施工越来越被广泛应用和推广。据相关数据统计，2016年我国在建和即将开工建设的高速铁路客运专线规模已超过9 700 km，其中桥梁比重高达52%，铁路桥梁建设过程中面临严重的环境影响问题，而施工阶段在项目建设周期中消耗资源量、排放废物量所占比例巨大，加上西北地区气候干燥、旱季长、温差大、冰冻时间长，自然环境非常恶劣，此地区铁路建设在满足设计施工要求的前提下，需要更多考虑绿色施工带来的环境影响。

国内外对绿色建筑生命周期环境影响评价[1-2](LCA)的研究众多，众多国家都对绿色建筑评价体系作出了深入研究并取得一定成果，如：美国的绿色建筑分级评估体系(LEED)、德国的可持续建筑认证体系(DGNB)、日本的建筑物综合环境性能评价体系(CAS BEE)等，形成了较为成熟的绿色建筑环境影响评价体系；我国为了贯彻落实完善资源节约标准的要求，在2011年发布了《绿色建筑评价标准》，对建筑的绿色评定提供了有利的参考。而对于桥梁工程的研究，Keoleian等[3]采用了生命周期评价法对两种不同桥梁面板的环境影响情况进行比较分析，评价寿命周期各阶段桥面板造成的环境影响；Helena Gervasio等[4]对不同桥型的环境影响进行生命周期的评价时采用了SETAC提出的环境问题法，并选取两种不同桥型进行了实例应用验证，结果与实际桥况符合。

在国内，顾道金等[5]对我国的建筑进行了节能和综合环境影响研究，分析了在原料掘取、建材生产、施工、运行、报废处置5个阶段带来的能耗、资耗、污染3方面的环境影响。苏卫青[6]从噪声角度研究了噪声对环境造成的影响，并对高速铁路声源位置的确定、噪声预测、距离衰减预测进行分析并提出相应建议；刘沐宇等[7]提出了用模糊综合评价法对桥梁全生命周期环境影响的多级分析评价，对桥梁的综合环境影响进行量化评价。在上述评价体系和对象中，目前研究主要是针对建筑的建设各个阶段[8]以及桥梁建设工程的全寿命周期。对于桥梁而言，包括了桥梁设计、原材料生产加工、现场施工、桥梁运营、桥梁废弃等较长时间段内造成的环境影响，并没有单独综合考虑在桥梁施工阶段的社会、资源、生态等诸多方面的因素产生的环境影响。为了科学、合理、定量评价在西北寒旱地区特殊自然环境下桥梁于施工阶段对环境的影响，本文综合考虑造成施工环境影响的因素，建立适合于西北寒旱地区高铁桥梁绿色施工的环境影响评价框架和体系。一般的评价方法是对确定的、肯定的问题进行研究分析，而施工环境影响因外界因素是处于不断变化的状态，具有不确定性，故对群组专家的评价结果用区间分析方法[9-10]来进行区间划分，再构建灰关联TOPSIS[11]评价模型对铁路桥梁绿色施工环境影响进行评价。

1 桥梁绿色施工环境影响评价框架和指标体系建立

基于生命周期评价(LCA)理论，参考EIA对环境评价的要求，在文献[12]提出的建设项目生命周期评级系统(BEPAS)和文献[13]建立的施工阶段环境影响评价框架基础上，结合西北寒旱地区绿色施工环境影响的因素，建立铁路桥梁施工阶段环境影响评价框架，如图1所示。

图1 铁路桥梁施工阶段环境影响评价框架

桥梁在施工阶段造成的环境影响涵盖了社会、资源、生态等诸多方面，环境影响因素的确定是构建环境评价体系的前提。结合铁路桥梁工程的施工特点以及图1所示分类表征情况，参考国外对环境影响因素的分类方法[14]，将铁路桥梁绿色施工环境影响因素分为六大类，如表1所示。桥梁施工阶段环境影响因素的评价指标具有复杂性和不确定性，应按照科学、客观、合理、完整、有效进行选取，避免条款式带来的固定思维。根据桥梁施工阶段特点，参考EIA环评要求和有关文献[7]，并ES ET 实地考察、分析筛选、专家咨询、工程分析等多种手段，最终构建了三级铁路桥梁绿色施工环境影响评价指标体系，其中二级指标因素为表1所示的社会环境、生态环境、地表水污染、大气污染、声污染、固体废弃物污染6个指标，三级指标共27个，见表2。

2 评价因子权重确定

得到上述表2对于西北寒旱地区铁路桥梁绿色施工环境影响的评价指标后，考虑到由于工程本身带来的环境影响，以及可通过实施过程中妥善处理的环境影响，每个评价指标对环境影响的程度各有差异，需理性客观的对其进行评价，区分各指标影响的重要度，因此要确定每个评价指标的权重。层次分析法是主要依靠评判专家的个人经验、意识、偏向等一种确定权重的方法，它克服了工程项目信息量不足、缺失的缺点。该方法综合专家个人知识、经验，以及客观数据统计规律，得到的指标权重同时具有定性和定量的特点。本文采用层次分析法来确定铁路桥梁绿色施工环境影响评价的权重。专家根据互反判断矩阵评价标度对各指标进行两两分析比较，构造满足一致性检验的判断矩阵A=(xij)m×m。有众多学者对互反判断矩阵导出的权重进行研究并取得许多成果，采用文献[15]中的指标权重导出公式，确定环境影响的各指标权重，如式(1)所示

表1 桥梁绿色施工环境影响因素

表2 桥梁绿色施工环境影响评价体系

(1)

其中，B=(bij)n×n，bij=-n(tij+tji)，i≠j

3 区间型评价标度

为了评价西北寒旱地区铁路桥梁绿色施工环境影响，需对评价因素进行量化。考虑到各因素指标对绿色施工的环境影响各不相同，故建立备选集：V={负面影响较大，负面影响较小，基本无影响，证明影响较小，证明影响较大}，记为V={V1，V2，V3，V4，V5}。为了便于评价，用分值表示各级别标准，即V={20，40，60，80，100}。聘请了q位专家构成了群组专家，根据现场实测数据和相关检测资料、研究成果，以及个人专业能力、工作经验等，对上述表3的指标进行环境影响值的评价打分，分数越高表示该项指标对环境的负面影响越小，证明影响越大，得到的各专家最终评价数据为{x1，x2，…，xq}。由于在该指标下综合各专家意见后得到的评价结果值存在不确定性，但能得到一个确定的波动范围{xmin，xmax}，所以最终的群组专家评价结果区间数为{xmin，xmax}，其中：xmin=min{xi，i=1，2，…，q}，xmax=max{xi，i=1，2，…，q}。设评价对象有l个，每个评价对象有n个评价指标，采用落点法得到群组专家对各指标的环境影响评价结果，得到区间型评价矩阵

(2)

为了解决群组专家对评价对象环境影响评价结果的不确定性，同时有效集结评价信息中的不确定性，故采用区间连续有序加权算子，即C-OWA算子[16]，集结区间数。用C-OWA算子对区间型评价矩阵X去不确定化，得到评价矩阵

(3)

4 灰色关联TOPSIS法模型建立

将铁路桥梁绿色施工环境影响评价的正理想解作为评价的参考序列，一般情况下，m个评价指标加权最优值可作为评价的理想状态，即

Z0={z01，z02，…，z0m} (5)

其中，Z0i=max{Zji}。由式(4)可知，评价对象i进行指标加权得到向量

Zi={zi1，zi2，…，zim} (6)

将向量i看作比较序列。

据此计算评价对象i的施工环境影响与理想状态之间的灰色关联度

(7)

其中

根据ξi(k)的大小值可以对各评价对象的环境影响进行排序，得出的灰色关联度越大，说明越接近理想解，即该评价对象对环境的影响越小，反之影响越大。

5 应用实例

兰新高铁作为国家在西北投资最大的高速铁路，其自然环境非常恶劣，主要表现在以下几个方面:(1)穿越百里风区、三十里风区、安西风区、烟墩风区、达板城风区等五大风区，有国家级沙漠自然保护区；(2)气候干燥，雨季时间短，旱季时间长；(3)由于大风作用，晚上温度骤降，日温差大，冬季寒冷，天气变化剧烈，常突降阴雨、冰雹等，冰冻时间长。

现选取兰新高铁上5座桥梁工程为绿色施工环境影响评价对象，分别为红星特大桥(DK1322+564)、白杨沟特大桥(DK1351+552)、葡萄沟特大桥(DK1663+599)、达坂城湿地特大桥(DK1760+969.34)、胜金1号大桥(DK1635+400)，记为A、B、C、D、E。其中，乌鲁木齐市天山南麓达坂城湿地是国家级自然生态保护区，为了保护湿地，减少施工环境影响，中国铁建十二局集团四公司坚持环保优先的理念，严格按照环保部门划定的区域展开施工。在靠湿地一侧采用钢护栏封闭，生活区均设在湿地以外，基础施工的泥浆、开挖土、施工垃圾等全部外运，并做好完工后生态恢复工作；在修建胜金1号大桥时，铁路部门重视文明绿色施工，坚持环保和水土保湿的原则，在编制施工方案时就力争把施工对周围环境的影响降低到最低程度，并且制定出了详细的文明施工和环保的相应措施；其他各桥在结合本工程特点的同时，在劳力、材料、机械的合理优化配制方面也做出了诸多努力，力求采取成熟可靠、绿色先进的施工方法和工艺，最大限度降低施工对环境的影响。

现运用上述提出的评价方法对5座桥梁进行施工环境影响评价。聘请符合参评条件的专家20人构成专家组，对5个评价对象的环境影响情况进行考核分析，采取百分制的评分方式，运用落点法得到5个评价对象的二级影响因素评价矩阵X1、三级影响因素评价矩阵X2。

采用层次分析法得到各专家对于27个三级评价指标和6个二级评价指标的重要性比较判断矩阵，权重确定方法结合式(1)、式(2)得出二、三级评价指标的权重向量分别为W1，W2，如下所示

W1=(0.125，0.208，0.188，0.217，0.132，0.131)

W2=(0.009，0.008，0.170，0.006，0.072，0.001，0.006，0.019，0.028，0.042，0.018，0.031，0.067，0.041，

0.032，0.025，0.009，0.057，0.037，0.057，0.053， 0.064，0.002，0.004，0.069，0.030，0.039)

用区间连续有序加权算子C-OWA集结区间数，取r=3。根据式(5)对评价矩阵X1和X2去不确定性得到评价矩阵后，对二、三级指标进行指标加权得到Z1、Z2。

根据指标加权后矩阵，可得到6个二级评价指标社会环境、生态环境、水环境、大气环境、声环境、固体废弃物排放的参考序列为

Z0={38.037，49.673，55.078，38.391，36.862，29.098}

根据式(7)、式(8)，分别计算5个评价对象A、B、C、D、E对社会环境影响、生态环境、水环境、大气环境、声环境、固体废弃物排放6个指标的灰色关联度，见表3。

表3 各评价对象与评价指标的灰色关联度

从表3可以看出，只考虑对社会环境的影响，最小的是D(达坂城湿地特大桥)，影响最大的为C(葡萄沟特大桥)；只考虑对生态环境的影响，最小的是B(白杨沟特大桥)，影响最大的为D(达坂城湿地特大桥)；只考虑地表水污染，最少的是E(胜金1号大桥)，污染最多的为B(白杨沟特大桥)；只考虑大气污染，最少的是B(白杨沟特大桥)，污染最多的为A(红星特大桥)；只考虑声污染，最少的是A(红星特大桥)，污染最多的为E(胜金1号大桥)；只考虑固体废弃物污染，最少的是C(葡萄沟特大桥)，污染最多的为A(红星特大桥)。

最后根据式(8)计算5个评价对象的环境影响与参考序列之间的灰色关联系数矩阵为

运用式(7)求得5个评价对象环境影响状态与理想状态的灰色关联度为

η=(0.769，0.804，0.792，0.623，0.667)

为了更清晰分析5个评价对象对环境影响的情况，现将5座桥梁工程绿色施工环境影响结果绘制成图2所示。

图2 桥梁绿色施工环境影响

由图2能更清晰看出，A(红星特大桥)、B(白杨沟特大桥)、C(葡萄沟特大桥)、D(达坂城湿地特大桥)、E(胜金1号大桥)5个评价对象的绿色施工对环境影响排序为：B>C>A>E>D，即B(白杨沟特大桥)在施工阶段对环境影响最小，而D(达坂城湿地特大桥)在施工阶段对环境影响最大。通过有关数据资料显示，白杨沟特大桥位于乌鲁木齐南郊著名的避暑游览胜地白杨沟附近，其施工建设的环境影响要求较高，故采取有效施工环境影响控制措施，绿色施工，造成较小的环境影响。而坂城湿地特大桥是兰新高铁新疆境内最大跨度的连续桥梁，位于乌市达坂城区，工程量大，施工难度高，环境影响不易控制，故造成的环境影响较大。对比评价工程实际情况，分析评价结果与相关数据资料相吻合较好。

6 结论

(1)施工环境影响分析评价是一个涉及多方面因素的复杂问题。基于LAC理论，参考EIA、BEPAS对环境评价的要求，结合西北寒旱地区特殊地理、气候自然环境对绿色施工造成环境影响的因素，建立铁路桥梁工程绿色施工环境影响框架，确定了造成环境影响的6个因素：社会环境、生态环境、地表水污染、大气污染、声污染、固体废弃物污染。构建评价指标体系，该体系分为三层，二级指标6个，三级指标27个。

(2)采用区间分析法对群组专家评价结果进行划分区间，对信息中的不确定性进行有效集结，减少评价结果的不准确，克服了常规评价方法的评价结果带来的不确定性。群组专家共同评价，在一定程度上有效弥补了单一决策者评价时自身主观因素的影响。

(3)为了克服TOPSIS法不能有效解释现实决策的问题，用灰色关联度替代传统TOPSIS法中欧氏距离，用灰色关联分析与TOPSIS法相结合对评价对象进行评价，对得到的灰关联度进行环境影响程度大小的优先排序，可以更客观、清晰、方便地为决策者提供决策参考。

(4)对兰新高铁5座桥梁工程进行实例分析，运用本文提出的环境影响评价方法得出的评价结果与工程实际情况吻合较好，该方法可以作为今后高铁桥梁施工环境影响评价的参考，也为铁路桥梁绿色施工评价提供思路。