基于灰色聚类法的沙漠公路绿色施工评价研究

王首绪，韩凌云

（长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙410114，E-mail：1425230758@qq.com）

公路绿色施工是指以工程目标为根本，坚持以先进的科学理念、完善的规章制度为途径，全面加强生态环境保护、注重人与自然和谐共生，促进资源集约节约利用的施工活动[1]。国家“十四五”规划纲要提出加快建设交通强国，加强出疆入藏、中西部地区战略骨干通道建设，增加沙漠公路数量，对于完善交通网络节点、发展偏远地区经济具有重要意义。在沙漠地区修建公路存在消耗量大、再利用率不高、环境污染严重等问题[2]，受到相关行业和政府的高度关注。因此，进行沙漠公路的绿色施工评价是当务之急。

目前，公路绿色施工已引起了国内外专家学者的关注。吕思汝[3]发现公路工程与建筑工程在多方面存在显著差异，不能简单地在绿色建筑的基础上引申到绿色公路。Kumar Rajiv[4]从生态系统保护、流域内水管理、生命周期的能源和减排、资源回收再利用及整体社会利益5 个角度对绿色高速公路进行评价，指出绿色高速公路可以在全生命周期中降低其建设及运营成本。Balubaid Saeed 等[5]通过问卷调查，以施工活动、社会与安全、能源效率、环境与水管理和材料与技术5 个层面构建绿色公路评级工具。Attahiru Yusuf Babangida 等[6]探讨使用碳中和材料在建造绿色道路中的作用，从多方面分析绿色建材在高速公路建设中的积极作用。赵芳敏等[7]采用生命周期评估法构建公路全生命周期的评价指标体系框架，并未对各指标进行量化评价及权重确定。张正一等[8]指出现阶段绿色公路建设质量参差不齐，主要原因是绿色评估体系的不明确，且没有考虑特殊地区公路的参评指标。席欧等[9]通过对115项绿色公路相关技术标准和规范进行分析，指出地方区域不能简单粗暴地采用国家标准和行业标准进行评价。

综上，已有学者指出不同区域环境的绿色施工存在差异，但是针对沙漠背景下的公路绿色施工研究较少。鉴于此，本文以公路绿色施工为基础，充分考虑沙漠地区的自然资源、生态环境等特点，从节能低碳、生态保护、污染防治、防风固沙、资源节约和人员健康6 个方面进行指标体系的构建，基于C-OWA 算子和灰色聚类法，建立沙漠公路绿色施工评价模型。并选取S21 项目HW-4 标段工程验证该模型的可行性和适用性，以期为沙漠背景下的公路绿色施工评价研究提供借鉴。

1 沙漠公路绿色施工评价体系

1.1 沙漠公路绿色施工评价指标体系构建

构建完备且科学的评价指标体系是沙漠公路绿色施工的基础和关键，应遵循全面性、针对性、可操作性、简明性的原则选取评价指标。在中国知网输入“公路绿色施工”“低碳公路施工”“生态公路施工”“沙漠公路施工”等关键词，删除重复数据和无参考价值的文献，共获得4 条公路领域绿色施工相关法规、30 种期刊、83 篇硕博论文，有效数据共117 篇。对评价指标进行筛选，剔除无关项，结合沙漠地区生态特点，将评价指标发送给相关专家，最终确定节能低碳、生态保护、污染防治、防风固沙、资源节约和人员健康6 个准则层，建立了沙漠公路绿色施工评价指标体系。如表1 所示。

表1 沙漠公路绿色施工评价指标体系

1.2 绿色施工等级划分

本文参照《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）[10]，将评价等级划分为“优、良、中、合格、不合格”。考虑相关标准及沙漠环境的承载力，最后结合专家意见划定评价指标体系分级标准。进一步分析指标性质，将其划分为定量和定性两类，将定量指标用“*”标注，其他则为定性指标。具体内容如表2 所示。

表2 沙漠公路绿色施工指标实测值及等级划分

2 沙漠公路绿色施工评价模型

2.1 C-OWA 算子确定指标权重

C-OWA（Combination Ordered Weighted Averaging）算子是在OWA算子基础上改进提出的一种基于组合数的有序加权平均。与常见德尔非法、层次分析法相比，C-OWA算子只与专家打分数的排列组合位置有关，能够将数据极值分配到边缘位置，以达到削弱专家主观偏好的效果，使指标权重结果更具有说服力和客观性[11]。

2.2 基于灰色聚类法的评价模型

通过构建的沙漠公路绿色施工评价指标体系，可以看出影响沙漠公路绿色施工的指标因素多，涉及范围广且可测度低，对沙漠公路进行绿色施工评价变的较为困难，且各评价指标的绿色施工等级划分标准有所区别。此外，沙漠公路的绿色施工处于起步阶段，有关评价指标的数据收集比较困难，样本数量较少。而根据灰色理论中的灰色聚类法可以很好地研究此类问题，本文利用一种基于组合有序加权平均算子定权的灰色聚类法进行模型的构建[12]。将沙漠公路绿色施工水平在某个等级内不确定数定义为灰类，其可能取值记为白化值。通过白化权函数表示白化值和权重之间的关系[13，14]，进而确定沙漠公路绿色施工灰数隶属的灰类。

2.2.1 构造白化权函数

设评价对象有m个指标，划分s个灰类等级，则评价指标的样本空间为X=[x1，x1，…，xi，xm]，其中xi表示第i个指标的实测值。根据表2 中各评价指标地划分标准，构造出白化权函数fki。当指标属于越大越好型，在k=1，k=2、3、4，k=5 时分别选择上限未确知测度、适中未确知测度和下限未确知测度白化权函数，如图1 所示。

图1 指标越大越好型

当指标属于越小越好型，在k=1，k=2、3、4，k=5 时分别选择下限未确知测度、适中未确知测度和上限未确知测度白化权函数，如图2 所示。

图2 指标越小越好型

2.2.2 计算灰色聚类等级

取max{σk}=σ，则称评价对象属于灰类s。

3 实例分析

S21 阿勒泰至乌鲁木齐高速公路是新疆维吾尔自治区首条“五新”智慧沙漠高速，更是新疆“十三五”规划骨架路网中的重要组成部分。选取S21项目中比较典型的HW-4 标段作为评价对象。HW-4标段（K215+500～K252+000）地处古尔班通古特沙漠腹地，昼夜温差大，日照时间长，沿线无主要城镇，地质条件恶劣，地貌为连续沙丘，地形起伏较大。为积极响应国家绿色发展理念，实现我国“碳达峰、碳中和”目标，施工企业根据HW-4 标段周边资源紧缺，生态环境控制严格等特点，因地制宜地开展绿色施工活动，明确绿色施工目标、确定重要环境因素、制定控制措施将节约能源、降低双碳排放作为项目建设的新标准。在施工过程中采用了“真空环保卫生污水处理系统”；积极应用装配式混凝土结构技术、绿色施工技术、信息化技术。

3.1 绿色施工评价过程

3.1.1 数据收集与处理

定量指标数据来自HW-4 标段的实地调研、图纸资料、实时监测数据、相关检测报告；定性指标数据由现场经验丰富的专家按照量表法评分给出。S21 项目HW-4 标段绿色施工指标的实测值如表2第2 列所示。

3.1.2 C-OWA 算子计算权重

邀请专家采用10 分制打分法获得沙漠公路绿色施工评价指标的原始数据。打分专家共计8 名，其中4 名专家来自沙漠公路项目施工单位，具有大专及以上学历，有1 名及以上低碳公路或绿色公路项目工作经验；2 名专家分别来自设计单位与监理单位，具有本科及以上学历，均有3 年以上绿色公路的工作经验；2 名专家来自高校，具有硕士及以上学历，拥有8 年以上公路工程类教学经历，且至少参与过2 个绿色公路项目。应用C-OWA 算子计算权重，结果如表3 所示。

表3 沙漠公路绿色施工评价指标权重

3.1.3 基于灰色聚类法的绿色施工评价

该项目的指标白化权函数值由式（1）～式（3）求得，结合表3 中的权重，根据式（4）可以计算出HW-4 标段6 个准则层及目标层的灰色聚类等级，计算结果如表4 所示。

表4 HW-4 标段准则层及目标层评价结果

3.2 结果分析

根据最大隶属度原则判断沙漠公路绿色施工等级。

（1）节能低碳类指标。max{σk}=0.9867，表示等级为“优”。结合HW-4 标段现场可知在施工过程中采用节能型施工工艺和技术，如采用土工格室加固风积沙技术实现了沙漠公路就地取材，减少风积沙弃方数量、减少砾石土开采，从原材料方面做到节能减排；技术人员在项目部附近、道路沿线及拌和站附近安装太阳能光板。

（2）生态保护类指标。max{σk}=0.7818，表示等级为“良”。HW-4 标段深入沙漠腹地，生态环境与普通公路环境相比更加脆弱，一旦受到污染难以恢复、不可逆转。项目施工期需要占用大量临时用地，加之施工阶段工程作业多、施工工序复杂，对施工区域原有生态造成破坏。

（3）污染防治类指标。max{σk}=0.6302，表示等级为“良”。HW-4 标段现场采用钢板对临时道路进行铺设，对土方开挖未平整的场地用防尘网遮挡起到抑制扬尘，并采用喷淋系统和洒水装备降尘，绿色施工管理效果较好。

（4）防风固沙类指标。max{σk}=0.6701，表示等级为“良”。从施工现场了解到，风沙活动对修建沙漠公路具有不利影响，风沙常常对已完工的基层、垫层和面层进行掩埋，造成大量重复性工程，拖延施工进度。在沙害治理方面按照边施工边治沙的施工工序，以植物治沙作为根本，必要时增加工程防沙和化学固沙措施，建立综合的治沙体系，使得防风固沙取得较好效果。

（5）资源节约类指标。max{σk}=0.5580，表示等级为“优”。结合施工现场可知，管理人员具有丰富的资源节约经验，制定完整规范的资源节约制度，节水、节地和节材都取得较好效果。说明该项目施工场地规划合理，对土地进行了充分节约与保护。

（6）人员健康类指标。max{σk}=1.0000，表示等级为“优”。施工现场的卫生防疫措施在近阶段成为人员健康的重要衡量指标。HW-4 标段现场为施工人员做好安全防护措施，常态化推进卫生检查工作。说明有效地落实安全与健康管理制度，反映了该施工企业以人为本、人民至上的根本要求。

通过对S21 项目HW-4 标段综合评价分析，max{σk}=0.4593，表示等级为“优”，且“良”及以上比例占88%，说明该标段绿色施工整体水平较优秀。但在生态保护、污染防治、防风固沙方面还有进步空间，需要有针对地提高管理水平，努力践行绿色施工。最终评价结果与现场实际获奖情况、绿色施工情况相符，证明了基于灰色聚类法评价模型的科学性和合理性。

4 结语

沙漠公路施工工况相较于普通公路更为复杂，合理正确地识别和评估沙漠公路的绿色施工，是实现沙漠公路全寿命周期资源节约和节能减排的关键。本文采用文献研究和专家访谈构建沙漠公路绿色施工评价指标体系；利用C-OWA 确定各评价指标的权重，克服了评价指标多、层次复杂、信息量较大的障碍；采用灰色聚类法构建沙漠公路绿色施工评价模型，充分利用各指标的信息进行量化评价。应用该模型对S21 阿乌高速中HW-4 标段进行实证分析，评价结果与现场情况一致，验证了本文所建模型的可行性，对类似工程项目的绿色施工评价提供一种新的理论思路。