基于TOPSIS的黑龍江省公路施工路域生態環境影響評價研究

石振武,王金茹,譚兆秋

(東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

黑龍江省是典型寒冷地區的代表，2018年黑龍江省內公路里程累計高達16.5萬 km，其中高速公路4 346 km，國省干線及以上的公路里程11 611 km。由于氣候嚴寒、凍土環境復雜等原因，使得寒冷地區的生態環境十分脆弱。寒冷地區公路的建設施工對凍土環境造成擾動和破壞，引起凍土凍融循環不斷產生，改變土壤理化性質，加劇水土流失，破壞植被生長環境，造成植被退化。寒冷地區特殊敏感的生態環境又給寒區公路的施工造成困難，出現邊坡及路基失穩、凍脹、融沉和道路翻漿等公路病害和問題。因此有必要針對寒冷地區特殊生態環境，建立路域生態環境影響評價指標體系進行評價。

近年來，許多學者對路域生態環境影響進行了一定的評價研究[1-7]。崔精[8]利用加權復合綜合指數模型對公路路域生態恢復效果進行了評價。許大為[9]利用RS和GIS技術對寒區公路景觀質量進行了評價。付亞君[10]提出將環境成本作為評價指標的一方面，運用雙層DEA法對高速公路運營期將產生的環境影響進行評價，李群善[11]對寒區自然生態環境進行分析并提出寒區公路生態環保需要解決的主要問題，研究總結了寒區公路邊坡生態防護技術。

綜上所述，雖然有學者針對某些具體的寒區生態因子進行了評價研究[12-13]，但是目前還沒有針對寒冷地區特殊生態環境的路域生態影響綜合評價，也缺乏因地制宜的路域生態環境影響評價指標體系，因此本文以典型寒冷地區的代表——黑龍江省公路為研究對象，建立黑龍江省公路施工路域生態環境影響評價指標體系，指導黑龍江省公路生態保護與恢復工程建設，實現黑龍江綠色公路可持續發展，同時為寒區公路建設與路域生態環境保護和諧發展提供理論支持與對策建議。

2 評價指標體系的構建

黑龍江省是典型寒區代表，受地理氣候影響植物生長緩慢，生態環境敏感而脆弱。黑龍江省也是典型的凍土區，包含多年凍土和季節性凍土。公路建設施工對凍土環境造成擾動，引起凍土層退化，造成高寒濕地生態系統萎縮及荒漠化，破壞植被生長環境，造成植被退化，進而引起植被種群結構的變化，同時破壞地表景觀的穩定性。在冬春季節容易發生邊坡凍融現象，而雨季更易引發水土流失問題。黑龍江凍土環境敏感特殊，凍土環境對公路建設影響重大，影響路基邊坡穩定性以及路面質量，同時凍土環境也是寒冷地區植被生存的重要方面。因此本文創新性地提出將凍土環境作為公路路域生態環境的一個重要方面，考慮公路建設對凍土環境的影響，建立路域生態環境影響評價指標體系。

考慮到公路施工期對路域生態環境影響最大，本文參考國家發布的《公路建設項目環境影響評價規范》[14]中規定的重點評價內容，結合寒冷地區生態環境特征與公路路域生態環境突出問題，從植物資源狀況、土壤資源狀況、水資源狀況、野生動物及其棲境保護狀況,以及寒區凍土環境狀況5個方面來構建黑龍江省公路施工路域生態影響評價指標體系，如表1所示。

表1 黑龍江省公路施工路域生態環境影響評價指標體系Table 1 Index system for ecological environment impact assessment of highway construction roads in hei-longjiang province一級指標二級指標正/負原生植被破壞情況C11負植物資源狀況C1占用林地面積C12負沿線植被覆蓋度C13正野生植物保護C14正土地占用C21負新增水土流失量C22負土壤資源狀況C2表土資源收集與利用C23正臨時用地生態恢復率C24正土壤污染指數C25負水污染指數C31負水資源狀況C3敏感水體保護C32正污水處理率C33正野生動物及其棲境保護狀況C4野生動物通道設置C41正野生動物棲境保護C42正凍土保護與處理C51正邊坡凍融防護C52正寒區凍土環境狀況C5寒區地表景觀穩定性C53正寒區植被種群結構變化C54正凍土生態敏感區擾動C55負

3 確定評價指標權重

用組合賦權法[15-18]將主客觀權重相結合，既考慮了黑龍江省公路路域生態環境的突出問題，同時兼顧了指標的客觀性，減少了指標賦權的主觀隨意性。用層次分析法確定主觀權重，熵權法確定客觀權重，然后通過主客觀權重組合確定評價指標的綜合權重。

3.1 層次分析法確定主觀權重

AHP法計算客觀權重的具體步驟如下:

Step 1：構造判斷矩陣。

根據構建的路域生態環境影響評價指標體系的特點，選擇9標度法對各級指標的重要性進行對比賦值。

表2 判斷矩陣1-9標度法Table 2 Judgment matrix 1-9 scale method標度aij含義1指標i與指標j同等重要3指標i比指標j稍微重要5指標i比指標j明顯重要7指標i比指標j強烈重要9指標i比指標j極端重要2,4,6,8指標i與指標j重要性介于上述兩相鄰判斷的中值

Step 2：求近似權重。

將判斷矩陣的n個列向量歸一化，求出近似權重，即:

(1)

Step 3：一致性檢驗。

(2)

(3)

當CR<0.10時，則可以認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，則λmax對應的特征向量可以作為排序權重向量。

3.2 熵權法確定客觀權重

熵權法計算客觀權重的具體步驟如下：

Step 1：構造原始數據矩陣。

(4)

Step 2：原始矩陣標準化處理。

① 正向指標：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(5)

② 負向指標：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(6)

Step 3：計算指標的熵值。

第j個指標的熵值為：

(7)

Step 4：計算指標的熵權。

(8)

3.3 層次分析法—熵權法組合優化賦權

將層次分析法得到的主觀權重與熵權法得到的客觀權重進行組合優化，確定綜合權重。

Wj=αwi+(1-α)wj

(9)

其中,當偏差平方和最小時，最優組合α=0.5。

4 TOPSIS評價模型的建立

公路路域生態環境影響評價是對多個生態因子進行綜合評價，屬于多目標評價范疇，而確定公路施工期生態環境影響需要首先定義原始生態環境狀況，因此可以利用TOPSIS[19-21]法確定最優解作為原始生態狀況，通過計算各層指標值與最優解的歐式距離得到指標相對貼近度，進而確定評價等級。TOPSIS法具體步驟如下：

Step 1：計算規范化決策矩陣。

(10)

Step 2：計算加權規范化決策矩陣K。

(11)

Step 3：確定路域生態狀況的正、負理想解K+、K-。

(12)

(13)

Step 4：計算路域生態狀況與正、負理想解的歐式距離。

(14)

(15)

Step 5：計算路域生態狀況與理想解的相對貼近度。

(16)

Step 6：確定路域生態環境影響評價等級。

按照Ci(0≤Ci≤1)的大小來對各個評價對象進行排序，Ci越接近于1則表明路域生態狀況越接近理想狀況。具體路域生態影響評價等級見表3。

表3 公路施工期路域生態環境影響評價等級表Table 3 Grades of road ecological environment impact assessment during highway construction period影響評價等級貼近度[0,1]影響評價描述Ⅰ 0.8,1 對路域生態環境產生輕微影響,路域生態環境得到了極好的保護和最低程度的破壞,路域生態系統能夠在短期內達到新的平衡Ⅱ 0.6,0.8 對路域生態環境產生很小影響,路域生態環境得到了很好的保護和較低程度的破壞,路域生態系統在能夠在比較短的時間內能達到新的平衡Ⅲ 0.4,0.6 對路域生態環境產生一般影響,路域生態環境得到了較好的維持和一般程度的破壞,需要后期采取一定恢復措施Ⅳ 0.2,0.4 對路域生態環境產生較大影響,路域生態環境造成中度破壞,降低生態系統的功能和平衡水平Ⅴ 0,0.2 對路域生態環境產生很大影響,路域生態環境造成重度破壞,造成生態環境很大程度的退化

5 實證研究

本文以國道丹東至阿勒泰公路呼瑪至十八站段為研究對象進行實證分析驗證。呼瑪至十八站段全長155.017 km，建設標準為雙向二車道二級公路，路基寬10.0 m。路線所在區域地處北溫帶，屬寒溫帶大陸性季風氣候，夏季短暫而炎熱，冬季漫長而嚴寒，最熱為7月，最冷為1月。南北溫差突出，南端呼瑪鎮年平均氣溫為-2.1 ℃。無霜期為80～105 d左右，結冰期每年約7個月左右。晚霜到5月末止，早霜在9月上旬出現。全年降雨量在300～500 mm之間，本項目經過路線包含季節性凍土和多年凍土，項目區域季節性凍土標準凍深為2.81 m。沿線地表植被以人工林、次生林為主，在地勢低洼段有部分河灘地、沼澤，植被種類有落葉松、白樺及少量的樟子松、山楊、柞。工程主要影響占用國家重點Ⅱ級公益林。項目所在區域與本段道路相關的沿線主要河流為呼瑪河支流，并涉及白銀納及十八站兩處飲用水源保護區。

5.1 依托工程各指標因素評分

根據黑龍江省地區公路建設特征及建立的評價指標體系，選擇長期從事公路設計工作人員、公路建設工作人員、公路運營管理工作人員、環境評價工作人員以及公路生態環境的科研機構研究人員共計5位專家發送指標因素打分表，并以總分為5分的得分機制，根據項目實際情況結合呼十可行性研究報告、呼十綠色公路實施方案等項目資料及公路實地調研資料，按照優、良、中、差、很差五個等級標準進行打分，計算各個專家打分的平均值。各指標得分結果如下：

表4 指標層因素得分表Table 4 Indicator level factor score table指標項專家1專家2專家3專家4專家5原生植被破壞情況C1122112占用林地面積C1211121沿線植被覆蓋度C1334334野生植物保護C1433233土地占用C2121221新增水土流失量C2222212表土資源收集與利用C2343443臨時用地生態恢復率C2434444土壤污染指數C2523223水污染指數C3112121敏感水體保護C3232223污水處理率C3322323野生動物通道設置C4134444野生動物棲境保護C4244344凍土保護與處理C5134344邊坡凍融防護C5223222寒區地表景觀穩定性C5312223寒區植被種群結構變化C5423233凍土生態敏感區擾動C5533223

5.2 層次分析法主觀權重

選擇長期從事公路設計工作人員、公路建設工作人員、公路運營管理工作人員、環境評價工作人員以及研究公路生態環境的科研機構人員共計8位專家發放指標相對重要性調查問卷，對準則層和指標層因素分別進行相對重要性評價。

表5 1#專家判斷矩陣Table 5 1# expert judgment matrix指標項C1C2C3C4C5特征向量權重C112451/ 31.248 40.246 9C21/ 21231/ 40.704 40.135 2C31/ 41/ 211/ 31/ 70.274 00.044 6C41/ 51/ 3311/ 90.382 30.093 0C5347912.768 40.480 4注:一致性檢驗:λmax=5.297 8;CI=0.074 4;RI=1.12;CR=0.066 5。

表6 植物資源狀況中1#專家判斷矩陣Table 6 1# expert judgment matrix in plant resource status指標項C11C12C13C14特征向量權重C11151/ 230.606 20.291 3C121/ 511/ 81/ 40.104 40.048 3C1328151.093 70.490 7C141/ 341/ 510.271 40.169 7注:一致性檢驗:λmax=4.109 8;CI=0.036 6;RI=0.58;CR=0.063 1。

表7 土壤資源狀況中1#專家判斷矩陣Table 7 1# expert judgment matrix in soil resource status指標項C21C22C23C24C25特征向量權重C2111/ 31/ 91/ 81/ 50.178 30.033 5C22311/ 61/ 41/ 30.381 50.089 9C23961232.277 40.397 3C24841/ 2121.422 80.293 3C25531/ 31/ 210.859 70.186 1注: 一致性檢驗:λmax= 5.086 7;CI=0.021 7;RI=1.12;CR=0.019 3。

表8 水資源狀況中1#專家判斷矩陣Table 8 1# expert judgment matrix in water resources status指標項C31C32C33特征向量權重C3111/ 350.834 90.322 2C323182.027 00.610 4C331/ 51/ 810.205 30.067 4注: 一致性檢驗;λmax=3.044 4;CI=0.022 2;RI=0.58;CR=0.038 3。

表9 野生動物及其棲境保護狀況中1#專家判斷矩陣Table 9 1#expert judgment matrix in wild animals and their habitat protection status指標項C41C42特征向量權重C41141.40.8C421/ 410.40.2注: 一致性檢驗:λmax= 2;CI=0;RI=0;CR=0。

表10 寒區凍土環境狀況中1#專家判斷矩陣Table 10 1# expert judgment matrix under the cold soil environment in cold regions指標項C51C52C53C54C55特征向量權重C51128572.491 80.428 6C521/ 216451.619 50.307 4C531/ 81 / 611/ 31/ 20.225 90.039 6C541/ 51/ 43140.675 60.157 5C551/ 71/ 521/ 410.308 20.066 9注: 一致性檢驗,λmax= 5.227 8;CI=0.056 9;RI=1.12;CR=0.050 8。

層次分析法二級指標權重矩陣為：

層次分析法二級指標近似權重為：

5.3 熵權法客觀權重

由指標因素得分表構造原始數據矩陣：

規范化后的決策矩陣：

二級指標的熵權矩陣：

wj= [0.032 9 0.017 9 0.032 9 0.045 7 0.032 9 0.024 6 0.029 6 0.018 0 0.080 4 0.093 6 0.096 2 0.096 2 0.017 9 0.017 9 0.029 6 0.078 6 0.078 6 0.080 4 0.096 2]

5.4 組合賦權權重

組合賦權之后的綜合權重矩陣：

Wi=αwi+(1-α)wj=[0.164 8 0.078 1 0.202 6 0.119 1 0.039 0 0.050 9 0.124 0 0.218 3 0.160 6 0.102 8 0.313 9 0.226 3 0.350 3 0.167 5 0.223 8 0.189 8 0.060 3 0.114 9 0.092 9]

5.5 TOPSIS模型計算

按照TOPSIS橫型的計算步驟，對評價指標各因素原始數據矩陣進行歸一化處理后得到規范化決策矩陣：

對矩陣R進行加權處理得到加權規范化矩陣：

路域生態環境狀況的正理想解和負理想解：

K+=[0.071 4 0.250 0 0.101 7 0.112 5 0.142 9 0.058 8 0.121 2 0.109 6 0.100 0 0.181 8 0.055 6 0.062 5 0.109 6 0.109 6 0.121 2 0.120 0 0.136 4 0.128 6 0.085 7]

K-=[0.035 7 0.125 0 0.076 3 0.075 0 0.071 4 0.029 4 0.090 9 0.082 2 0.066 7 0.090 9 0.018 5 0.020 8 0.082 2 0.082 2 0.090 9 0.080 0 0.045 5 0.085 7 0.057 1]

路域生態環境影響評價指標體系中二級指標與正、負理想解的歐式距離：

D+=[ 0.050 5 0.250 0 0.044 0 0.037 5 0.101 0 0.029 4 0.042 9 0.027 4 0.057 8 0.157 5 0.045 4 0.062 5 0.027 4 0.027 4 0.042 9 0.080 0 0.120 3 0.060 6 0.040 4]

D-=[0.061 9 0.125 0 0.036 0 0.075 0 0.123 7 0.058 8 0.052 5 0.054 8 0.047 1 0.128 6 0.058 6 0.062 5 0.054 8 0.054 8 0.052 5 0.040 0 0.120 3 0.074 2 0.049 5]

路域生態環境影響評價指標體系中二級指標的相對貼近度：

Ci j=[0.550 5 0.333 3 0.449 5 0.666 7 0.550 5 0.666 7 0.550 5 0.666 7 0.449 5 0.449 5 0.563 5 0.500 0 0.666 7 0.666 7 0.550 5 0.333 3 0.500 0 0.550 5 0.550 5 ]

路域生態環境影響評價指標體系中一級指標的相對貼近度：

Ci=[0.530 3 0.848 5 0.384 8 0.444 4 0.635 1]

路域生態環境狀況的綜合貼近度：

C=0.612 9

由綜合貼近度可知：依托工程公路施工期路域生態環境影響評價的等級為Ⅱ級。

5.6 結果分析

5.6.1指標體系內部分析(見圖1、圖2)

a.路域生態環境影響分析。

由一級指標相對貼近度的雷達圖分析結果可以看出，依托工程對路域水生態(貼近度為 0.384 8)環境影響較大，依托工程沿線與敏感水體呼瑪河平行，跨越呼瑪河支流實驗區，施工期間對水生態造成一定影響，針對依托工程水生態狀況應該及時采取有效的水體保護措施與水體凈化措施，同時設置橋面徑流收集裝置，采取危險品運輸防范技術，防止運營期由于車輛運營等對水體造成污染。

圖1 一級指標相對貼近度雷達圖

圖2 二級指標相對貼近度雷達圖

由二級指標相對貼近度的雷達圖分析結果可以看出，依托工程公路建設對路域生態環境影響最大的因素是占用林地面積(貼近度0.333 3)以及邊坡凍融防護(貼近度0.333 3)，表明依托工程對林地占用情況較為嚴重，依托工程主要影響占用國家Ⅱ級公益林，應該在后期采取一定的補償措施，如補栽樹種等。公路沿線穿越凍土主要為多年凍土，在凍土環境下公路邊坡凍融循環次數增多，但是公路施工期邊坡的凍融防護措施不夠到位，應加強凍土環境下邊坡生態防護工程的建設，如采用生態袋護岸、格賓石籠生態護坡等提高邊坡凍融防護效果和穩定性。

b.路域生態環境保護分析。

由一級指標相對貼近度的雷達圖分析結果可以看出，依托工程在土壤生態環境保護(貼近度0.848 5)方面成效顯著，主要原因是依托工程在施工期注重保護土壤生態環境，利用表土資源收集保護技術、臨時用地分類整治技術等保證土壤有機質，保護土體質量。其次寒區凍土環境狀況(貼近度0.635 1)較好，依托工程存在的主要凍土類型為多年凍土，針對不同類型凍土采取的針對性措施，對于凍土類型為富冰凍土、飽冰凍土路段，融沉等級高，融后產生的融沉和變形大，公路路基有可能引起變形失穩，導致公路破壞，對于富冰凍土、飽冰凍土下限小于6 m，采用清除富冰凍土、飽冰凍土換填砂礫的處理方法，富冰凍土、飽冰凍土下限大于6 m，采用橋梁跨越。凍土保護與處理措施具有針對性和合理性，凍土環境保護效果明顯，同時保護了凍土環境下的植被生存環境，使得植被種群結構變化相對合理，地表景觀趨于穩定。

由二級指標相對貼近度的雷達圖分析結果也可以看出依托工程在野生動植物保護(貼近度0.666 7)、臨時用地生態恢復(貼近度0.666 7)以及水土保持(貼近度0.666 7)水生態保護效果顯著，依托工程采取了動物通行熱區判別技術，建造了適宜野生動物生活習性的通道，達到了保護野生動物(狍子、野豬等)的目的；同時依托工程應用了原生植被保護技術及植被自然恢復誘導技術保護沿線植被，并且對表土資源進行了收集保護，用于料場、拌站、取棄土場、施工便道等臨時用地的生態恢復，通過應用臨時用地分類整治技術極大地提高了臨時用地的生態恢復率，同時減少了水土流失現象的發生。

5.6.2綜合評價分析

由路域生態環境狀況綜合貼近度的分析結果(貼近度0.612 9)可以看出，依托工程在施工期對路域生態環境產生很小影響，依托工程采取凍土保護與處理技術、臨時用地分類整治技術、野生動物通道建造技術、原生植被保護技術、表土資源收集與利用技術等生態技術，凍土環境下的凍土針對性保護與處理、植被種群結構及地表景觀穩定性保護效果良好，其生態保護與修復工程建設取得的成效顯著，路域生態系統在施工期結束后能夠在比較短的時間內能達到新的平衡，同時應在運營期階段采取有效措施保護水生態。

6 結論

a.本文創新性提出將凍土環境作為寒區生態環境評價的重要方面，研究構建的綜合評價指標體系適用于黑龍江省公路路域生態影響評價，能夠促進黑龍江省綠色公路生態保護與恢復工程建設，同時對寒區公路路域生態環境評價具有重要指導意義。

b.利用本文建立的評價指標體系，采取組合賦權法和TOPSIS法對國道丹阿公路呼瑪至十八站段公路進行路域生態環境影響評價，得出該公路路域生態環境狀況的評價等級為Ⅱ級。

c.影響黑龍江省公路施工路域生態環境評價等級評價的因素為寒區凍土環境狀況、水資源狀況、植物資源狀況、土壤資源狀況、野生動物及其棲境保護狀況。

d.組合賦權法確定的權重科學合理，既考慮黑龍江省地區公路路域生態環境的突出問題，又考慮了權重確定的客觀性。TOPSIS 模型適用于公路施工期路域生態環境影響評價，將路域原始狀況視為理想解，通過計算指標相對貼近度來確定路域生態環境狀況等級具有現實意義。