基于TOPSIS的黑龙江省公路施工路域生态环境影响评价研究

石振武,王金茹,谭兆秋

(东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 概述

黑龙江省是典型寒冷地区的代表，2018年黑龙江省内公路里程累计高达16.5万 km，其中高速公路4 346 km，国省干线及以上的公路里程11 611 km。由于气候严寒、冻土环境复杂等原因，使得寒冷地区的生态环境十分脆弱。寒冷地区公路的建设施工对冻土环境造成扰动和破坏，引起冻土冻融循环不断产生，改变土壤理化性质，加剧水土流失，破坏植被生长环境，造成植被退化。寒冷地区特殊敏感的生态环境又给寒区公路的施工造成困难，出现边坡及路基失稳、冻胀、融沉和道路翻浆等公路病害和问题。因此有必要针对寒冷地区特殊生态环境，建立路域生态环境影响评价指标体系进行评价。

近年来，许多学者对路域生态环境影响进行了一定的评价研究[1-7]。崔精[8]利用加权复合综合指数模型对公路路域生态恢复效果进行了评价。许大为[9]利用RS和GIS技术对寒区公路景观质量进行了评价。付亚君[10]提出将环境成本作为评价指标的一方面，运用双层DEA法对高速公路运营期将产生的环境影响进行评价，李群善[11]对寒区自然生态环境进行分析并提出寒区公路生态环保需要解决的主要问题，研究总结了寒区公路边坡生态防护技术。

综上所述，虽然有学者针对某些具体的寒区生态因子进行了评价研究[12-13]，但是目前还没有针对寒冷地区特殊生态环境的路域生态影响综合评价，也缺乏因地制宜的路域生态环境影响评价指标体系，因此本文以典型寒冷地区的代表——黑龙江省公路为研究对象，建立黑龙江省公路施工路域生态环境影响评价指标体系，指导黑龙江省公路生态保护与恢复工程建设，实现黑龙江绿色公路可持续发展，同时为寒区公路建设与路域生态环境保护和谐发展提供理论支持与对策建议。

2 评价指标体系的构建

黑龙江省是典型寒区代表，受地理气候影响植物生长缓慢，生态环境敏感而脆弱。黑龙江省也是典型的冻土区，包含多年冻土和季节性冻土。公路建设施工对冻土环境造成扰动，引起冻土层退化，造成高寒湿地生态系统萎缩及荒漠化，破坏植被生长环境，造成植被退化，进而引起植被种群结构的变化，同时破坏地表景观的稳定性。在冬春季节容易发生边坡冻融现象，而雨季更易引发水土流失问题。黑龙江冻土环境敏感特殊，冻土环境对公路建设影响重大，影响路基边坡稳定性以及路面质量，同时冻土环境也是寒冷地区植被生存的重要方面。因此本文创新性地提出将冻土环境作为公路路域生态环境的一个重要方面，考虑公路建设对冻土环境的影响，建立路域生态环境影响评价指标体系。

考虑到公路施工期对路域生态环境影响最大，本文参考国家发布的《公路建设项目环境影响评价规范》[14]中规定的重点评价内容，结合寒冷地区生态环境特征与公路路域生态环境突出问题，从植物资源状况、土壤资源状况、水资源状况、野生动物及其栖境保护状况,以及寒区冻土环境状况5个方面来构建黑龙江省公路施工路域生态影响评价指标体系，如表1所示。

表1 黑龙江省公路施工路域生态环境影响评价指标体系Table 1 Index system for ecological environment impact assessment of highway construction roads in hei-longjiang province一级指标二级指标正/负原生植被破坏情况C11负植物资源状况C1占用林地面积C12负沿线植被覆盖度C13正野生植物保护C14正土地占用C21负新增水土流失量C22负土壤资源状况C2表土资源收集与利用C23正临时用地生态恢复率C24正土壤污染指数C25负水污染指数C31负水资源状况C3敏感水体保护C32正污水处理率C33正野生动物及其栖境保护状况C4野生动物通道设置C41正野生动物栖境保护C42正冻土保护与处理C51正边坡冻融防护C52正寒区冻土环境状况C5寒区地表景观稳定性C53正寒区植被种群结构变化C54正冻土生态敏感区扰动C55负

3 确定评价指标权重

用组合赋权法[15-18]将主客观权重相结合，既考虑了黑龙江省公路路域生态环境的突出问题，同时兼顾了指标的客观性，减少了指标赋权的主观随意性。用层次分析法确定主观权重，熵权法确定客观权重，然后通过主客观权重组合确定评价指标的综合权重。

3.1 层次分析法确定主观权重

AHP法计算客观权重的具体步骤如下:

Step 1：构造判断矩阵。

根据构建的路域生态环境影响评价指标体系的特点，选择9标度法对各级指标的重要性进行对比赋值。

表2 判断矩阵1-9标度法Table 2 Judgment matrix 1-9 scale method标度aij含义1指标i与指标j同等重要3指标i比指标j稍微重要5指标i比指标j明显重要7指标i比指标j强烈重要9指标i比指标j极端重要2,4,6,8指标i与指标j重要性介于上述两相邻判断的中值

Step 2：求近似权重。

将判断矩阵的n个列向量归一化，求出近似权重，即:

(1)

Step 3：一致性检验。

(2)

(3)

当CR<0.10时，则可以认为判断矩阵的一致性是可以接受的，则λmax对应的特征向量可以作为排序权重向量。

3.2 熵权法确定客观权重

熵权法计算客观权重的具体步骤如下：

Step 1：构造原始数据矩阵。

(4)

Step 2：原始矩阵标准化处理。

① 正向指标：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(5)

② 负向指标：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(6)

Step 3：计算指标的熵值。

第j个指标的熵值为：

(7)

Step 4：计算指标的熵权。

(8)

3.3 层次分析法—熵权法组合优化赋权

将层次分析法得到的主观权重与熵权法得到的客观权重进行组合优化，确定综合权重。

Wj=αwi+(1-α)wj

(9)

其中,当偏差平方和最小时，最优组合α=0.5。

4 TOPSIS评价模型的建立

公路路域生态环境影响评价是对多个生态因子进行综合评价，属于多目标评价范畴，而确定公路施工期生态环境影响需要首先定义原始生态环境状况，因此可以利用TOPSIS[19-21]法确定最优解作为原始生态状况，通过计算各层指标值与最优解的欧式距离得到指标相对贴近度，进而确定评价等级。TOPSIS法具体步骤如下：

Step 1：计算规范化决策矩阵。

(10)

Step 2：计算加权规范化决策矩阵K。

(11)

Step 3：确定路域生态状况的正、负理想解K+、K-。

(12)

(13)

Step 4：计算路域生态状况与正、负理想解的欧式距离。

(14)

(15)

Step 5：计算路域生态状况与理想解的相对贴近度。

(16)

Step 6：确定路域生态环境影响评价等级。

按照Ci(0≤Ci≤1)的大小来对各个评价对象进行排序，Ci越接近于1则表明路域生态状况越接近理想状况。具体路域生态影响评价等级见表3。

表3 公路施工期路域生态环境影响评价等级表Table 3 Grades of road ecological environment impact assessment during highway construction period影响评价等级贴近度[0,1]影响评价描述Ⅰ 0.8,1 对路域生态环境产生轻微影响,路域生态环境得到了极好的保护和最低程度的破坏,路域生态系统能够在短期内达到新的平衡Ⅱ 0.6,0.8 对路域生态环境产生很小影响,路域生态环境得到了很好的保护和较低程度的破坏,路域生态系统在能够在比较短的时间内能达到新的平衡Ⅲ 0.4,0.6 对路域生态环境产生一般影响,路域生态环境得到了较好的维持和一般程度的破坏,需要后期采取一定恢复措施Ⅳ 0.2,0.4 对路域生态环境产生较大影响,路域生态环境造成中度破坏,降低生态系统的功能和平衡水平Ⅴ 0,0.2 对路域生态环境产生很大影响,路域生态环境造成重度破坏,造成生态环境很大程度的退化

5 实证研究

本文以国道丹东至阿勒泰公路呼玛至十八站段为研究对象进行实证分析验证。呼玛至十八站段全长155.017 km，建设标准为双向二车道二级公路，路基宽10.0 m。路线所在区域地处北温带，属寒温带大陆性季风气候，夏季短暂而炎热，冬季漫长而严寒，最热为7月，最冷为1月。南北温差突出，南端呼玛镇年平均气温为-2.1 ℃。无霜期为80～105 d左右，结冰期每年约7个月左右。晚霜到5月末止，早霜在9月上旬出现。全年降雨量在300～500 mm之间，本项目经过路线包含季节性冻土和多年冻土，项目区域季节性冻土标准冻深为2.81 m。沿线地表植被以人工林、次生林为主，在地势低洼段有部分河滩地、沼泽，植被种类有落叶松、白桦及少量的樟子松、山杨、柞。工程主要影响占用国家重点Ⅱ级公益林。项目所在区域与本段道路相关的沿线主要河流为呼玛河支流，并涉及白银纳及十八站两处饮用水源保护区。

5.1 依托工程各指标因素评分

根据黑龙江省地区公路建设特征及建立的评价指标体系，选择长期从事公路设计工作人员、公路建设工作人员、公路运营管理工作人员、环境评价工作人员以及公路生态环境的科研机构研究人员共计5位专家发送指标因素打分表，并以总分为5分的得分机制，根据项目实际情况结合呼十可行性研究报告、呼十绿色公路实施方案等项目资料及公路实地调研资料，按照优、良、中、差、很差五个等级标准进行打分，计算各个专家打分的平均值。各指标得分结果如下：

表4 指标层因素得分表Table 4 Indicator level factor score table指标项专家1专家2专家3专家4专家5原生植被破坏情况C1122112占用林地面积C1211121沿线植被覆盖度C1334334野生植物保护C1433233土地占用C2121221新增水土流失量C2222212表土资源收集与利用C2343443临时用地生态恢复率C2434444土壤污染指数C2523223水污染指数C3112121敏感水体保护C3232223污水处理率C3322323野生动物通道设置C4134444野生动物栖境保护C4244344冻土保护与处理C5134344边坡冻融防护C5223222寒区地表景观稳定性C5312223寒区植被种群结构变化C5423233冻土生态敏感区扰动C5533223

5.2 层次分析法主观权重

选择长期从事公路设计工作人员、公路建设工作人员、公路运营管理工作人员、环境评价工作人员以及研究公路生态环境的科研机构人员共计8位专家发放指标相对重要性调查问卷，对准则层和指标层因素分别进行相对重要性评价。

表5 1#专家判断矩阵Table 5 1# expert judgment matrix指标项C1C2C3C4C5特征向量权重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:一致性检验:λmax=5.297 8;CI=0.074 4;RI=1.12;CR=0.066 5。

表6 植物资源状况中1#专家判断矩阵Table 6 1# expert judgment matrix in plant resource status指标项C11C12C13C14特征向量权重C11151/ 230.606 20.291 3C121/ 511/ 81/ 40.104 40.048 3C1328151.093 70.490 7C141/ 341/ 510.271 40.169 7注:一致性检验:λmax=4.109 8;CI=0.036 6;RI=0.58;CR=0.063 1。

表7 土壤资源状况中1#专家判断矩阵Table 7 1# expert judgment matrix in soil resource status指标项C21C22C23C24C25特征向量权重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: 一致性检验:λmax= 5.086 7;CI=0.021 7;RI=1.12;CR=0.019 3。

表8 水资源状况中1#专家判断矩阵Table 8 1# expert judgment matrix in water resources status指标项C31C32C33特征向量权重C3111/ 350.834 90.322 2C323182.027 00.610 4C331/ 51/ 810.205 30.067 4注: 一致性检验;λmax=3.044 4;CI=0.022 2;RI=0.58;CR=0.038 3。

表9 野生动物及其栖境保护状况中1#专家判断矩阵Table 9 1#expert judgment matrix in wild animals and their habitat protection status指标项C41C42特征向量权重C41141.40.8C421/ 410.40.2注: 一致性检验:λmax= 2;CI=0;RI=0;CR=0。

表10 寒区冻土环境状况中1#专家判断矩阵Table 10 1# expert judgment matrix under the cold soil environment in cold regions指标项C51C52C53C54C55特征向量权重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: 一致性检验,λmax= 5.227 8;CI=0.056 9;RI=1.12;CR=0.050 8。

层次分析法二级指标权重矩阵为：

层次分析法二级指标近似权重为：

5.3 熵权法客观权重

由指标因素得分表构造原始数据矩阵：

规范化后的决策矩阵：

二级指标的熵权矩阵：

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 组合赋权权重

组合赋权之后的综合权重矩阵：

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模型计算

按照TOPSIS横型的计算步骤，对评价指标各因素原始数据矩阵进行归一化处理后得到规范化决策矩阵：

对矩阵R进行加权处理得到加权规范化矩阵：

路域生态环境状况的正理想解和负理想解：

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]

路域生态环境影响评价指标体系中二级指标与正、负理想解的欧式距离：

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]

路域生态环境影响评价指标体系中二级指标的相对贴近度：

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 ]

路域生态环境影响评价指标体系中一级指标的相对贴近度：

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

路域生态环境状况的综合贴近度：

C=0.612 9

由综合贴近度可知：依托工程公路施工期路域生态环境影响评价的等级为Ⅱ级。

5.6 结果分析

5.6.1指标体系内部分析(见图1、图2)

a.路域生态环境影响分析。

由一级指标相对贴近度的雷达图分析结果可以看出，依托工程对路域水生态(贴近度为 0.384 8)环境影响较大，依托工程沿线与敏感水体呼玛河平行，跨越呼玛河支流实验区，施工期间对水生态造成一定影响，针对依托工程水生态状况应该及时采取有效的水体保护措施与水体净化措施，同时设置桥面径流收集装置，采取危险品运输防范技术，防止运营期由于车辆运营等对水体造成污染。

图1 一级指标相对贴近度雷达图

图2 二级指标相对贴近度雷达图

由二级指标相对贴近度的雷达图分析结果可以看出，依托工程公路建设对路域生态环境影响最大的因素是占用林地面积(贴近度0.333 3)以及边坡冻融防护(贴近度0.333 3)，表明依托工程对林地占用情况较为严重，依托工程主要影响占用国家Ⅱ级公益林，应该在后期采取一定的补偿措施，如补栽树种等。公路沿线穿越冻土主要为多年冻土，在冻土环境下公路边坡冻融循环次数增多，但是公路施工期边坡的冻融防护措施不够到位，应加强冻土环境下边坡生态防护工程的建设，如采用生态袋护岸、格宾石笼生态护坡等提高边坡冻融防护效果和稳定性。

b.路域生态环境保护分析。

由一级指标相对贴近度的雷达图分析结果可以看出，依托工程在土壤生态环境保护(贴近度0.848 5)方面成效显著，主要原因是依托工程在施工期注重保护土壤生态环境，利用表土资源收集保护技术、临时用地分类整治技术等保证土壤有机质，保护土体质量。其次寒区冻土环境状况(贴近度0.635 1)较好，依托工程存在的主要冻土类型为多年冻土，针对不同类型冻土采取的针对性措施，对于冻土类型为富冰冻土、饱冰冻土路段，融沉等级高，融后产生的融沉和变形大，公路路基有可能引起变形失稳，导致公路破坏，对于富冰冻土、饱冰冻土下限小于6 m，采用清除富冰冻土、饱冰冻土换填砂砾的处理方法，富冰冻土、饱冰冻土下限大于6 m，采用桥梁跨越。冻土保护与处理措施具有针对性和合理性，冻土环境保护效果明显，同时保护了冻土环境下的植被生存环境，使得植被种群结构变化相对合理，地表景观趋于稳定。

由二级指标相对贴近度的雷达图分析结果也可以看出依托工程在野生动植物保护(贴近度0.666 7)、临时用地生态恢复(贴近度0.666 7)以及水土保持(贴近度0.666 7)水生态保护效果显著，依托工程采取了动物通行热区判别技术，建造了适宜野生动物生活习性的通道，达到了保护野生动物(狍子、野猪等)的目的；同时依托工程应用了原生植被保护技术及植被自然恢复诱导技术保护沿线植被，并且对表土资源进行了收集保护，用于料场、拌站、取弃土场、施工便道等临时用地的生态恢复，通过应用临时用地分类整治技术极大地提高了临时用地的生态恢复率，同时减少了水土流失现象的发生。

5.6.2综合评价分析

由路域生态环境状况综合贴近度的分析结果(贴近度0.612 9)可以看出，依托工程在施工期对路域生态环境产生很小影响，依托工程采取冻土保护与处理技术、临时用地分类整治技术、野生动物通道建造技术、原生植被保护技术、表土资源收集与利用技术等生态技术，冻土环境下的冻土针对性保护与处理、植被种群结构及地表景观稳定性保护效果良好，其生态保护与修复工程建设取得的成效显著，路域生态系统在施工期结束后能够在比较短的时间内能达到新的平衡，同时应在运营期阶段采取有效措施保护水生态。

6 结论

a.本文创新性提出将冻土环境作为寒区生态环境评价的重要方面，研究构建的综合评价指标体系适用于黑龙江省公路路域生态影响评价，能够促进黑龙江省绿色公路生态保护与恢复工程建设，同时对寒区公路路域生态环境评价具有重要指导意义。

b.利用本文建立的评价指标体系，采取组合赋权法和TOPSIS法对国道丹阿公路呼玛至十八站段公路进行路域生态环境影响评价，得出该公路路域生态环境状况的评价等级为Ⅱ级。

c.影响黑龙江省公路施工路域生态环境评价等级评价的因素为寒区冻土环境状况、水资源状况、植物资源状况、土壤资源状况、野生动物及其栖境保护状况。

d.组合赋权法确定的权重科学合理，既考虑黑龙江省地区公路路域生态环境的突出问题，又考虑了权重确定的客观性。TOPSIS 模型适用于公路施工期路域生态环境影响评价，将路域原始状况视为理想解，通过计算指标相对贴近度来确定路域生态环境状况等级具有现实意义。