基于综合权重的高速公路建设项目对环境影响评价

屈宇航，吴啸宇，张 鑫，邱乐侠

(南京理工大学 自动化学院，南京 210094)

高速公路作为我国现代化交通运输网络体系的重要组成部分，具有高效、迅捷、通达及覆盖范围广等特点，极大地促进了沿线地区经济的蓬勃发展，为人民日常生活和国家发展提供了便利。然而，在带来经济与社会效益的同时，高速公路建设造成的严重环境问题也随之而来，如生物多样性减少和水土流失[1-2]等。因此，开展高速公路建设项目对环境影响的评价，是实现高速公路建设与环境和谐统一的重要一步。

高速公路建设对环境影响的评价方法主要有层次分析法、灰色关联分析法、数理统计法以及模糊综合评判法[3-6]。近年来，不少学者通过改进评价方法，研究高速公路建设项目对环境的影响，并取得了一定成果。朱涛等[7]从生态环境等6个方面建立评价指标体系，运用改进的群组AHP-FCE法构造生态环境影响评价模型，并评价河南省栾卢高速公路对生态环境产生的影响；周正祥等[8]利用综合指数法和单项指数法探索分析了高速公路运营期对周边水环境的影响；赵兵[9]利用综合指数法对山西省某高速公路施工期环境空气的质量进行评价和等级划分；朱云波等[10]论述了高速公路建设项目噪声的环境影响及评价过程，并提出相应的施工期和运营期声环境防治措施；孙祥龙等[11]结合粗糙集理论与无对比法构建了高速公路对社会影响的后评价定量模型；张丹[12]建立改进的群组AHP-FCE模型对高速公路建设产生的生态环境影响进行评价，分析汉略高速建设项目生态环境影响评价权重，并进行综合评价；寇龙[13]分析了西商高速公路建设期的水土流失原因，对水土流失进行风险评价，并根据评价结果提出西商高速公路水土流失防治措施方案及检测方法。

已有成果主要研究高速公路建设项目在某种特定环境下产生的影响，未综合考虑对多方面环境的影响。与层次分析法相比，序关系分析法(G1)[14]是一种简单且直观的主观赋权方法，无需一致性检验，也不限于同一层元素个数。熵权法[15]可准确计算指标的客观权重。综上考虑，首先确定指标间的重要度排序，然后计算各指标熵权并利用熵权确定相邻指标间重要度比值，最后结合G1法计算各指标综合权重，进而基于优劣解距离法(TOPSIS)[16]计算高速公路建设项目对环境影响的综合评价值。

1 评价指标体系构建

依据系统性、可比性以及可靠性原则，结合高速公路周边环境的特殊性，从声环境、空气环境、生态环境及社会环境4个方面对高速公路建设项目进行环境影响评价。从目标层、准则层以及指标层3个方面构建三级高速公路建设项目对环境影响的评价指标体系，包括声环境影响、空气环境影响、生态环境影响及社会环境影响等4个一级指标，交通噪声、总悬浮颗粒物、每公里水土流失量等12个二级指标。

1)声环境方面。施工期的噪声影响主要来自铲土机、搅拌机等各种施工机械，而运营期的主要影响因素是交通噪声和噪声敏感点的数量。

2)空气环境方面。施工期的大气污染物主要是总悬浮颗粒物和沥青燃烧过程中产生的沥青烟，目前高速公路建设采用设有除尘设备的封闭式厂拌工艺，沥青烟气的排放浓度很低，并将沥青拌合站选在居民区下风向300 m以外区域，可有效降低沥青烟对居民生活的影响。高速公路运营期所产生的空气污染主要来自汽车尾气中的氮氧化合物。

3)生态环境方面。高速公路建设永久占用大面积的农田和林地，对植被造成难以恢复的破坏，还会造成水土流失，土石场还会产生大量弃渣。高速公路建设对动物的生存环境也会产生一定影响，但随着建设期的完成，生态环境会逐渐恢复，动物的种群数量也会随之恢复。

4)社会环境方面。高速公路的建设使得水田、旱地以及宅基地等土地利用比例发生变化，影响土地利用格局；高速公路建设需要占用大量房屋，拆迁房屋也会对被拆迁居民的生产生活产生不利影响。

综上所述，高速公路建设项目环境影响评价指标体系设计如表1所示。

表1 高速公路建设项目环境影响评价指标体系

2 基于G1-熵权-TOPSIS法的综合评价模型

2.1 数据标准化

极大型指标的标准化处理算式为

(1)

极小型指标的标准化处理算式为

(2)

最后，经过处理的所有指标都处在0～1范围内，且指标值bij越接近于1，说明该条高速公路建设项目对此环境指标的影响越有利。

2.2 G1法确定主观权重

G1法本质是一种序关系分析法，相比层次分析法，G1法无需一致性检验，方法使用简便，可快速准确地确定主观权重。G1法的步骤如下：

x1≥x2≥x3≥…≥xn

(3)

2)各指标重要程度的定量分析。给出评价指标xk-1与xk之间的重要程度比值为wk-1/wk，记为

(4)

式中：wk为指标k的主观权重。

3)主观权重计算。基于以上步骤得到rk的理性赋值，则可先计算出指标xn的权重系数wn，再通过从后往前的递归方法依次得到剩余n-1个指标的权重系数为

(5)

wk-1=rkwk(k=n,n-1,…,2)

(6)

最终得到基于G1法的评价指标权重向量为W=(w1,w2,…,wn)T。

2.3 熵权法确定客观权重

基于2.1节中的方法，将高速公路建设项目原始数据矩阵处理为无量纲、标准化的标准矩阵B=(bij)m×n。

(7)

则第j个评价指标bj的熵值Hj定义为

(8)

则第j个指标的熵权定义为

(9)

2.4 组合赋权法确定综合权重

综合权重计算方法是G1法的一种，将主观赋权和标准离差法的客观赋权相结合，此方法利用客观熵权法中的熵权确定相邻重要度比值，再结合G1法计算各指标综合权重[18],其具体步骤如下。

1)相邻指标重要度比值确定。计算各项指标的标准差，并通过指标标准差sj计算相邻指标的重要性比值，记第j个指标的标准差sj和相邻指标xk-1与xk的重要性比值为rk，算式为

(10)

(11)

(12)

2)指标权重的确定。根据式(12)计算r值，则第n个指标的G1综合权重un，以及第n-1，n-2，…，1个指标的权重可根据式(5)、式(6)得到。

基于上述方法，考虑到熵权法中的熵值H能够反映数据信息量的大小，则可以选取相邻两个指标在熵权法中的熵值H比值作为相邻指标的重要性之比[19]，如式(13)所示。熵值Hj可根据式(8)计算得到。

(13)

则综合权重可根据式(5)、式(6)计算得到。

2.5 确定TOPSIS综合评价方法

1)计算加权标准化决策矩阵。通过结合标准化矩阵B与指标权重uj，计算出加权标准化决策矩阵K=(kij)m×n，其中kij=bijuj，则加权标准化矩阵表示为

(14)

2)确定正负理想解K+、K-。评价指标体系中，只有每公里公路交通容量为极大型指标，其余指标均为极小型指标，令每公里公路交通容量为指标体系中第1个指标，因此,确定加权标准化决策矩阵的正负理想解为

(15)

(16)

(17)

(18)

设高速公路建设项目到正理想解的贴近度di为

(19)

3 算例分析

根据高速公路建设项目环境评价指标体系，基于近年来立项的8条高速公路(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、董梁高速宁梁段、蒲炎高速广吉段，分别记为公路A1，A2，…，A8)建设项目数据(见表2)，结合高速公路建设项目对环境影响评价模型进行算例分析。

表2 高速公路建设项目具体数据

3.1 计算权重

1)首先将指标体系中12个评价指标筛选为极大型指标和极小型指标，由式(1)、式(2)将原始数据进行标准化处理后得到标准化矩阵B。

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

3)根据式(8)计算各指标的熵值。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)根据各指标熵值和式(13)计算相邻指标的重要度比值，结果如表3所示。

5)由式(5)、式(6)计算指标综合权重。

表3 相邻指标重要度比值

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 计算综合评价值

1)根据式(14)计算加权标准化决策矩阵K。

2)根据式(15)、式(16)确定正负理想解。

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)根据式(17)、式(18)计算各公路建设项目到正负理想解的距离。

0.178,0.168,0.142)

0.193,0.193,0.213)

4)根据式(19)计算各建设项目到正理想解的贴近度。

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。

结合原始数据和各高速公路综合评价值可知，高速公路A8建设造成的水土流失量、拆迁量、弃渣量等5项指标较小，得到最高的评价值；高速公路A6建设虽然造成水土流失量和植被损失量较高，但该高速公路造成农田损失影响极小，综合评价值仍高于高速公路A3和高速公路A2，而高速公路A2的建设对4方面环境影响都相对较大，因此得到了最低的综合评价值。综上，将客观修正主观的G1—熵权—TOPSIS法运用到高速公路建设项目环境影响评价中是可行的。

4 结 语

1)为客观、准确地评价高速公路建设项目对环境的影响，建立一种结合主客观权重的评价模型具有重要意义。从声环境、空气环境、生态环境及社会环境4方面构建了4个一级指标，12个二级指标的评价指标体系，较为全面地展现了高速公路建设项目对环境的影响。

2)采用主观赋权的G1法和客观赋权的熵权法相结合方式确定各指标综合权重。基于TOPSIS法确定正负理想解，通过计算公路建设项目到理想解的距离和贴近度来确定综合评价值。

3)对近年立项的8条高速公路项目进行了算例分析，结果表明：用客观修正主观的G1—熵权法评价高速公路建设对环境的影响能够有效提高合理性和准确性。