西北寒旱地区铁路绿色施工等级评价研究

鲍学英， 张 健， 王起才

(兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730070)

铁路工程作为典型的线性工程，动辄绵延数千公里，具有施工周期长、对沿途生态环境破坏严重的特点。长期以来，我国粗放型的铁路工程施工管理方式存在资源消耗量大、再利用率低、环境污染严重的弊端，与国家可持续发展目标的实现存在一定的背离，在此背景下提出了铁路绿色施工的概念。所谓铁路绿色施工就是指在满足铁路施工基本目标的基础上运用一定的技术手段、管理措施，通过提高施工中各类资源的利用率，并且尽量降低其对外界产生的负面环境影响，从而达到铁路施工项目与生态环境和谐共存的施工活动。由于西北寒旱地区崇山峻岭密布，干旱少雨、水土流失严重、生态环境非常脆弱。在此区域内修建铁路，往往需要开挖大体积的路堑、修建大量的隧道、桥梁等，对生态环境造成很大破环，由于大量水土流失而造成泥石流等次生地质灾害，因此在西北寒旱地区推行绿色施工更具有急迫性和重要性[1]。

现有文献中对铁路绿色施工的研究主要针对水土保持和环境影响等单一因素[2-4]，尚未有完善的铁路绿色施工评价体系。因此，本文根据铁路绿色施工的涵义，充分考虑西北寒旱地区的资源和环境等条件，尝试从“节地”、“节能”、“节水”、“节材”等资源的节约以及综合利用和“环境保护”等5个方面通过指标体系的构建、指标权重的测算，以及评价模型的建构，对其绿色施工等级进行评定。最后选取兰新高速铁路的5个标段，按照文中提出的评价体系对其绿色施工效果进行评价。

1 构建评价指标体系、确定分级标准

1.1 评价指标体系的构建

通过研究西北寒旱地区的资源及环境条件以及铁路施工的独有特征，在满足系统性、前瞻性、独立性、可操作性的原则上，通过学习、借鉴、分析目前国内外现有研究成果[5-9]，筛选提取代表性强、精确度高的评价指标，确保提取出的指标能够科学、全面、客观、正确地表征评价对象的绿色施工水平。据此，建立评价指标体系，见表1。

表1 西北寒旱地区铁路绿色施工评价指标体系及分级标准

1.2 指标分级标准的确定

对于指标的分级标准，本文参考国际惯例，综合国内外评估体系分级标准的划分，将评价指标的合格等级标准设置为5个等级：不合格、合格、中、良、优。并以Q/CR 9202—2015《铁路建设项目现场管理规范》[10]、TB 10530—2005《铁路建设项目水土保持方案技术标准》[11]、TB 10424—2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》[12]等现行标准为基础，参考DB 62/T25—3064—2013《甘肃省绿色建筑评价标准》[13]等规范、标准中的相关规定，并参照同类评价项目的约定标准，结合西北寒旱地区的地域特点确定各指标分级标准，结果见表1[1]。

2 评价指标权重的确定

确定评价指标权重是综合评价的前提。由于表1中各个评价指标具有相互独立的属性，且由于“绿色”本身也是一个较为主观感知的概念，故在考虑专家意见的基础上首先采用层次分析法确定各个评价指标的主观权重，为了消除主观权重主观随意性大的缺点，引入了熵权法确定各个评价指标的客观权重，最后将两者组合作为西北寒旱地区铁路绿色施工等级评价指标的权重。设waj、wej、woj分别代表指标j的主观、客观、组合权重，具体计算流程见图1。

表2 绿色施工数据统计表

拟评项目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拟评项目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

收集每个评价指标的实际观测值是利用熵权法确定评价指标客观权重的基本前提。兰新高速铁路是我国实施西部大开发战略的重大铁路项目之一，该铁路线的施工段大多处于高海拔、高寒、高旱等无人荒漠区，有些地域寸草不生、植被覆盖率极低。由于地域的特殊性，适宜的天然植被种类单调、生长周期长，所破坏的植被很难恢复，生态环境极为恶劣，是西北地区高寒高旱环境条件下铁路施工的典型代表，故本文选取兰新高速铁路施工项目作为研究对象对其绿色施工的数据进行采集。挑选了5个绿色施工措施较好的标段作为拟评项目，通过专家访谈、现场测试等手段收集了其在施工过程中的基础数据见表2。运用熵权法计算了各个评价指标的客观权重；借助于专家打分的基础上，运用层次分析法计算了各个评价指标的主观权重，利用图1的流程确定了各个评价指标的组合权重，计算结果见表3[1]。

表3 评价指标的权重

3 评价模型的构建

从表1可知，西北寒旱地区铁路绿色施工等级评价指标数量较多，拟评项目的各个评价指标的数值可能分别属于不同的绿色等级，且各个评价指标对评价结果的影响程度不同，故不能直接评定其绿色施工等级。同时由于铁路施工企业对施工过程中的资源、能源等有关绿色施工消耗的数量不能全面计量。采集到的样本数量少，且数据没有明确的分布规律，运用数理统计方法进行处理的难度较大。而灰色聚类法则可以对数据量少、样本小的研究对象进行评价，故灰色聚类法适合对西北寒旱地区绿色施工等级进行评价[14]。但是灰色聚类法只对研究对象的等级进行评定，对属于同一等级的研究对象，则无法对其相对优劣进行判定，影响评价结果的精确性。本文以灰色聚类法与雷达图法[15-16]相结合的方式建立了西北寒旱地区铁路绿色施工等级评价的模型。

3.1 构造白化权函数

设拟评项目有n个，设置有m个评价指标，划分了s个绿色等级，则根据收集的各个拟定项目其各自评价指标的数值所形成的样本空间为

( 1 )

式中：xi为第i个拟评项目；xij为第i个拟评项目的第j个指标的数值。

针对下限未确知测度白化权函数，其表达式为

( 2 )

针对上限未确知测度白化权函数，其表达式为

( 3 )

针对式中未确知测度白化权函数(以图3中，k=2为例)，其表达式为

( 4 )

3.2 计算灰类等级

( 5 )

3.3 雷达图分析

(1) 评价指标无量纲化处理

进行雷达图分析的首要步骤，是将各指标值无量纲化处理，使处理值分布于[0,1]范围内[15-16]。指标无量纲化处理方式为

( 6 )

(2) 评价指标权重与角度转换

在雷达图中绘制m条指标轴，由式( 7 )将各个评价指标的权重w1，w2，…，wm转化为指标轴之间的夹角。

θj=360wj

( 7 )

式中：θj为夹角角度；wj为权重。

(3) 绘制雷达图

利用Excel软件，对评价指标的数值做无量纲化处理，将每个指标的数值投影在对应的指标轴上，并将每个值的投影点连接成线，形成雷达图。

(4) 特征值计算

以雷达图的平均面积及周长作为评价函数的特征量，雷达图的平均面积、周长分别为

( 8 )

( 9 )

(10)

最后，各指标的评价值Yx为

(11)

4 评价案例

兰新高速铁路横贯我国甘肃、青海、新疆三个省区，是连接我国西北地区的一条铁路大动脉，全长1 776 km。铁路全线包括兰州至西宁、西宁至张掖、张掖至红柳河、红柳河至哈密、哈密至乌鲁木齐等五个施工段，是西北高寒高旱地区铁路施工项目的典型代表。在施工过程中各拟评项目均采取了一系列绿色施工措施，例如拟评项目1，全长142 km，平均海拔约2 400 m，最高达到3 100 m。其在项目沿线适宜种植区域，种植沙蒿、沙棘等能够适应沙漠气候的植物，在植物难以生存的区域，则采用草方格法对项目临时用地进行修复。经过近2年多不间断施工，共栽植坡面容器苗175万穴，路基灌木85万株，桥下灌木104万株，所种植的植物成活率在77%以上，有效改善了当地的生态环境[1]。

(1) 基础数据的统计

挑选了5个标段作为拟评项目，收集了各个拟评项目绿色施工的基础数据，针对统计困难的数据，从施工单位、兰州铁路局、科研单位邀请了11位高级职称以上的该领域专家对其进行了估算，见表2。

(2) 建立各指标评价矩阵

5个拟评项目的指标白化权函数矩阵由式( 1 )～式( 5 )求得，见表4(以指标X1为例)。

表4 拟评项目1的部分函数值

(3) 灰色聚类等级的确定

根据式( 5 )，可得5个拟评项目的灰色聚类等级计算结果为

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)

综上，拟评项目1的评价结果是良，拟评项目2、3、4的评价结果是“中”，拟评项目5的评价结果是“合格”。

(4) 绘制雷达图

根据式( 6 )、式( 7 )对各指标进行标准化处理、角度转化，并绘制雷达图，见图4。

从图4可以看出各个评价指标的相对优劣，例如拟评项目1中，有17个指标的数值接近于理想值，说明这17项的绿色施工措施效果好，3个指标比平均水平高，1个指标表现一般，总体绿色施工效果较好。

(5) 计算雷达图的特征量

根据式( 8 )～式(11)，可以分别计算出各拟评项目雷达图的平均面积、平均周长见表5。

表5 各拟评项目的计算结果

拟评项目平均面积平均周长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

通过综合评价函数计算各标段的评价值，各标段综合评价排序为拟评项目1>拟评项目3>拟评项目4>拟评项目2>拟评项目5。对比5个拟评项目个施工过程，拟评项目1采取的桥梁墩身喷淋技术、材料本地化率达到60%、施工废水回收再利用、生态植被修复等一系列绿色施工措施，充分证明了本文构建的评价指标体系和评价模型的合理性、可行性。

5 结论

(1) 本文根据绿色施工的含义构建了充分考虑西北寒旱地区地域特点的铁路绿色施工等级评价指标体系，包含了“节地”、“节能”、“节材”等资源节约及综合利用和“环境保护”等一级评价指标5个，二级评价指标21个。

(2) 在不同的地域条件下，所采取的绿色施工措施不同，决定其绿色等级的要素也不同。本文的研究结果表明，决定西北寒旱地区铁路绿色施工等级最主要的要素依次为为水土流失防治率、节能机械设备使用率、材料的本地化率、敏感区水污染控制率。

(3) 针对目前样本数据少以及灰色聚类法的缺点，本文运用灰色聚类法结合雷达图分析法所建立的评价模型不仅可以实现对绿色等级的判定，也可以对评价指标的相对优劣性进行纵向和横向对比，便于找出研究对象绿色施工措施存在的主要问题。

(4) 通过对兰新高速铁路施工项目的实证研究，结果表明西北寒旱地区铁路绿色施工的实施尚不成熟，各个评价指标的实施情况差异性大，说明西北寒旱地区的铁路绿色施工需要制定统一的标准进行规范。