基于SD-组合赋权的弃土场环境影响评价

周洪文，易鼎鼎，范永丰，赵德强，张永刚

(1.上海应用技术大学 城市建设与安全工程学院，上海 201499；2.河南省新融高速公路建设有限公司，河南 洛阳 471000)

近年来，国家对于工程环保的重视程度日益上升，管理力度也在加大。高速公路是中国主要的基建工程，其所包含的弃土场对环境的影响最为深远。实际工程中，弃土场对环境的影响体现在很多方面，专家学者对其进行了大量的研究。刘俊台[1]利用遥感技术，对张承公路弃土场环境进行安全评价，并提出建议。李磊[2]利用遥感技术，对张崇段公路弃土场的地质、气候、水文等生态环境方面进行评价，为工程的施工提供了便利。李开鹏[3]根据都匀马鞍山弃土场实际情况，着力研究环境影响，结合相关公式，计算弃土场稳定性。韩丽源等[4]分析了铁路项目中弃土场环境影响特点以及存在的问题，从监理视角出发，提出了施工各时期对弃土场环境监理的要点。代红凤[5]论述了弃土场环境影响的重要性，定性提出了弃土场水土保持对策。周勇[6]对广乐高速全线41处弃土场进行分析，以资源节约为研究点，提出全线弃土场资源环境保护措施。陈学平等[7]就中国公路建设项目的取弃土场现状做了综述，深入剖析现阶段取、弃土场出现的问题，并提出科学可行的解决方案。

可以看出，学者们对于弃土场环境影响评价多数是结合实际工程进行的定性判断，但弃土场对于环境影响是一个动态过程。为此，以系统动力学为基础，建立弃土场环境影响评价指标体系，运用层次分析法与因子分析法组合确定权重，最后运用模糊综合评判法对弃土场的环境影响进行评价。

1 弃土场环境影响评价指标体系构建

在弃土场的环境影响评价中，评价指标的选择是评价的关键。利用系统动力学因果反馈图结合普适性、可量化性以及数据可得性，建立评价体系。系统动力学(system dynamics，SD)是美国麻省理工学院福瑞斯特教授提出来的研究系统动态行为的一种计算机仿真技术，初期主要应用于工业企业管理。车越等[8]利用系统动力学建立水资源承载力模型，对上海崇明岛水资源进行评价并预测其发展，提出优化策略；宇鹏[9]运用系统动力学建立了水资源承载力评价体系，并分情景对武汉市的水资源承载力进行评价，提出对策；柯小玲等[10]采用系统动力学理论与方法对武汉市生态安全进行研究，提出3个发展阶段，并针对各个发展阶段特点给出相关建议。能够看出，系统动力学是一门发展成熟的理论，可以用在环境影响研究中。

2 组合赋权的模糊综合评价

属性的主客观的合理组合是评价的关键点。主观权重的确定由专家根据经验判断得出，不受属性取值的影响，代表性的主观权重计算方法有层次分析法(AHP)法，GI法和BWM等[11-13]；客观权重由各属性的实际数值计算得到，反映属性自身的情况，代表性的客观赋权法有熵权法[14]、DEA[15]等。主客观权重的组合可对被评价对象进行合理评估，结果与实际接近。本文使用层次分析法计算各指标主观权重，因子分析法计算客观权重，通过“乘法”集成法，将主客观组合赋权作为最后权重，应用于模糊综合评价中，确定弃土场环境影响等级。

2.1 AHP分析确定主观权重

AHP是众多评价方法中应用较多、较为成熟的方法，使用AHP法确定主观权重的步骤如下：

2.1.1 选取评价因子、建立阶梯型结构模型

设定A表示工程弃方环境影响评价，为目标层；Bi为影响因素，为准则层；Bij为具体影响因素，为方案层，以此建立阶梯型层次结构模型。

2.1.2 构造判断矩阵，确定权重

采用标度法，可查表1，将环境影响子系统两两进行重要度比较，得到判断矩阵，对判断矩阵进行一致性检验，计算一致性比例CR，即

表1 AHP标度法

(1)

CR=CI/RI

(2)

式中：CI为一次性指标；n为矩阵阶数；RI为随机一致性指标。一致性检验用来检验因素重要性与权重的合理性，只有当CR<0.1时，方可认为构造的矩阵有良好的一致性。

2.2 客观权重的确定

运用因子分析法确定客观权重。因子分析利用降维的思想，研究各个指标之间客观关系的方法。学者们使用因子分析法求取水质评价指标权重[16]、矿工不安全行为影响因素的权重[17]以及边坡稳定性的指标权重[18]，效果较好。

2.3 组合赋权

主客观的组合赋权要比单一使用主观权重或客观权重更为科学。使用“乘法”集成法进行主客观组合赋权，公式为

(3)

式中：Wi为第i个指标的组合权重；ai、bi分别为第i个属性的客观权重与主观权重。

2.4 模糊综合评价

模糊综合评价法[19-21]可以将一些边界不清、不易定量的因素定量化，直观反映被评价对象的相对应的隶属程度，从而更加客观、准确地反映各个指标与总影响之间的关系，其评价步骤如下：

1)确定评价对象范围。设有n个评价因子，集合为U={u1，u2，…，un}。

2)确定评语等级集合。设共有m种评语等级，V={v1，v2，…，vm}。

3)进行单因素评价。建立模糊关系矩阵单因素评价就是对弃土场环境影响各因子进行评价确定每个因子对各评语的隶属度，在数学上，就是建立一个从X到Y的映射，并诱导处因素的模糊关系R，即单因素评价矩阵：

(4)

式中，rij表示i因素对j等级的隶属程度。

4)综合评判。在单因素评价矩阵的基础上，结合各因子的权重Wi进行模糊变换，选用的综合评价方法是M(·,⊕)，求得评价结果Bi为

(5)

式中：wi为各指标权重；rij为单因素评价矩阵计算结果，计算所得的结果按照最大隶属原则进行选取，判定最终的影响等级。

3 实例应用

渑淅高速公路渑池至洛宁段是河南省新建的高速公路规划项目，路线全长约40 km，线路较长，工程较大，其弃土场对环境影响深远。课题组对距离主线600 m的12号弃土场进行实地调研，弃土场主要情况如表2所示。

表2 12号弃土场情况

3.1 数据采集

课题组于2019年12月前往依托工程所在地进行调研，对渑淅高速12号弃土场环境情况进行考察，并对周围环境进行实地航测；同时对工程一线人员就12号弃土场环境情况进行问卷调查。所制作的问卷内容包括填写问卷者的基本情况(10个)以及弃土场周边环境专项问题(25个)。基本信息包括调查者的年龄、受教育水平、工作年限等情况；环境专项问题针对弃土场环境评价体系设置，调查对象为建设区的项目领导班子、一线工人以及部分居民，以详细了解弃土实地环境状况。一共发放了100份问卷，回收99份，实际有效96份。访谈内容主要围绕评价体系进行，通过实地调研、了解、记录相关环境问题以及弃土环境影响，以此作为评价体系建立基础。

3.2 建立弃土场环境影响指标体系

弃土场对于环境的影响主要包括生态环境、地质环境以及水文环境3个方面。在环境体系中，创造性地加入了工程措施指标，在弃土自然影响的状态下，添加人为因素，体现了人与自然环境动态平衡的状态，如图1所示。在生态环境影响子系统中，弃土主要对其周围植被、空气以及动物产生影响，呈现正反馈路线，对噪声的影响方面，呈现负反馈路线，故而不采取这一指标；地质环境中，正反馈因素主要是土壤污染、水土流失以及土地占用；水文影响中的正反馈因素主要是河流情况(主要包括河流数量以及河流距离)、汇水面积、水质等级(主要包括含沙量以及水体污染)，综合因果反馈图的正反馈路线上的因素，形成表3所示的指标体系。

表3 弃土场环境影响评价指标体系

图1 弃土场环境影响因果循环图

3.3 权重计算

按照AHP标度法，取值生成准则层判断矩阵VA，运用层次分析计算其排序向量WA，并进行一致性检验。

WA=[0.482,0.301,0.152,0.066]T。

WA表示准则层Bi的权重，其CR=0.069<0.1，通过的一致性检验，该评判矩阵合理。

同理，得出方案层Bij的一致性检验合格的因素权重，并保留三位小数。

W1=[0.219,0.562,0.156,0.0637]T，CR=0.078<0.1，一致性检验合格。

W2=[0.187,0.687,0.127]T，CR=0.081<0.1，一致性检验合格。

W3=[0.627,0.280,0.094]T，CR=0.074<0.1，一致性检验合格。

W4=[0.437,0.284,0.145,0.134]T，CR=0.089<0.1，一致性检验合格。

得到主观权重，同时，以2019年9月做的调查问卷数据为基础，结合实际航测数据，使用因子分析方法计算弃土场对于环境影响指标的客观权重。运用SPSS软件强大的分析功能分析问卷数据，可得KMO为0.784，适合进行因子分析，球体检验卡方值为1 696.941，自由度为91，显著性Sig为0.00，巴特利球体检验显著，适合因子分析。因子分析过程中采用主成分分析法，得到客观权重。最后按照主客观赋权公式，计算最终权重，如表4所示。

表4 评价指标体系各部分权重

3.4 模糊综合评价

3.4.1 评价对象的确定

依照建立的指标体系，将评价指标作为评价对象，共有14个，用Ei表示，Ei={E1,E2,…,E14}。

3.4.2 评语等级的确定

确定各指标的等级，共有5个评语等级，分别为优秀p1、良好p2、中等p3、较差p4、差p5，得到评价集合pj={p1,p2,p3,p4,p5}。

3.4.3 综合评价

对回收的问卷进行统计，得到每个指标评语百分比。指标与评价等级组成单因素评价矩阵R，其中，每个因素为rij，i=1,2,…,14，j=1,2,3,4,5。对单因素评价矩阵进行综合分析，得到各指标模糊综合评价结果向量，计算公式为

(6)

式中：w为各指标权重；rij为单因素评价矩阵计算结果，如表5所示。

表5 单因素指标评价结果

采用模糊综合评价法计算指标评价结果为Bi=[0.101，0.298，0.361，0.052]，根据最大隶属度原则，B=0.361，表明该弃土场环境影响为中等，从整体结果来看，该弃土场对于环境的影响是中等偏良好水平，故而该弃土场可用于实际工程。

4 结论

利用系统动力学，科学构建弃土场环境影响指标体系，层次分析法与因子分析法相结合，计算组合权重，具备科学性，模糊综合评价确定弃土场环境影响级别为一般水平。基于系统动力学的因果反馈探索，可以合理科学构建环境影响指标体系；基于层次分析与因子分析的模糊综合评价在实例工程中的应用，表明这种方法适用于弃土场环境评价。最后的评价结果能够为施工方提供一个环保规划方向，同时也可以作为弃土场选址是否合理的判断基础。具体结论如下：

1)在生态影响方面，权重占比顺序依次是植被面积、空气污染、植物种类、动物环境。表明在弃土场环境生态影响方面，植被面积是重点关注的因素。

2)在地质影响方面，权重顺序依次为水土流失、土壤污染、土地占用，表明在弃土场环境地质影响方面，水土流失情况是需要关注的重点，在后期防护过程中，水土流失相关方案应该受到重视。

3)在水文影响方面，权重顺序为河流情况、汇水面积、水质等级，表明在弃土场环境水文影响方面，周围河流情况是前期选址的重要参考点。

4)在工程措施方面，权重顺序为植被措施、地质措施、成本控制措施、水文措施，表明在弃土场工程措施的实行过程中，恢复植被的相关措施是重点。选取的弃土场周围河流情况较好，故而水文措施权重占比较小，权重顺序符合实际，具有科学性。