高鐵區域水與動植物環境影響系統動力學評價方法研究

段曉晨，錢 睿，徐 達

(石家莊鐵道大學 管理學院，河北 石家莊 050043)

近年來，我國高速鐵路(以下簡稱“高鐵”)建設快速發展，到2021年底，全國高鐵運營里程已超過4萬km，持續領跑世界。高鐵作為新興且先進的技術，是經濟社會發展的重要支撐和保證，促進了勞動力尤其是人才、信息等要素的快速流動，關系區域協調發展、環境友好型及資源節約型社會建設等多方面[1]。但交通建設等基礎工程的快速發展不可避免地對環境造成了或多或少的負面影響。

高鐵項目沿經區域廣，極易阻隔切割環境，造成廊道效應[2]，故而較于其他工程對自然環境的影響更大、更廣，其不可避免地會造成隔離割斷動植物棲息地、影響阻礙動植物繁衍、損害森林植被、產生噪聲污染和振動損害等生態環境負影響，施工及其設備的運維、建筑材料的使用和管理均可能污染和阻隔地表水、地下水，隧道工程等的施工還會使涌水量加大從而造成水體規模的改變。2011年，由于環評未通過審核、對周邊水與動植物環境造成的嚴重影響沒有被充分考慮，兩高鐵項目被強制停止。因此，高鐵區域環境保護也已經成為我國可持續綠色發展的重要內容。同時，保障高鐵區域健康也是社會發展的迫切需求，如何實現高鐵環境健康與經濟建設友好共存成為緊要的研究方向。

學術界從多方面研究了高鐵區域環境問題，分析得出鐵路建設對自然環境可能造成的影響大致有水土流失、水環境污染、動植物棲息地破壞等方面[3-8]?；阼F路環境影響的多元性、動態性和不確定性，部分學者將累積環境影響評價的概念和方法運用到高鐵區域環境評價研究中[9-11]。目前主要的評價方法有層次分析法[12]、系統聚類分析法[13-14]、生命周期評估方法[15-17]、BP神經網絡[18]等。部分環境評價方法直接在總結有關數據基礎上進行評價，這種評價沒有定量地刻畫生態環境系統內子系統之間、系統內外影響因素之間的關系，無法適應高鐵區域環境影響這一典型的開放、非線性、復雜系統，表現出超模糊、智能化程度不夠、缺乏動態性的局限性。從某種程度上說，對高鐵周圍生態環境情況的剖析和評價，該區域生態環境系統的多樣性、可持續性和穩定性是研究的重中之重。本文將系統動力學應用到高鐵區域生態環境影響評價研究中，運用SD方法處理非線性、時變、多重反饋的高鐵區域環境問題。首先對系統內外相互關系及其影響因素進行分析，并在此基礎上全面地建立評價因子體系。運用系統動力學模型對環境影響進行仿真模擬并評價，對該系統的內部架構進行分析，基于此描繪出系統存量流量圖，并構建出參數方程。隨后使用類似已完工程的統計數據以及實證工程中已有的數據檢驗模型，對模型有效性進行驗證。最后，預測本文所選取用于衡量區域水、動植物環境情況的參數仿真模擬情況，并判斷和評價案例是否與預期環保目標相適應。

1 高鐵區域水與動植物環境影響評價SD模型

1.1 影響因素分析

從路基、橋涵和隧道、車站站場這些高鐵工程主要部分，考慮造成切割、阻斷和改移水與動植物環境的影響[19]。施工期的影響主要集中表現在工程作業行為形成的污水、振動、噪聲等；運營期的影響主要源于線路和車站，表現在固體廢棄物、廢氣、振動等方面。高鐵對區域水與動植物環境影響的路徑有直接、間接和協同影響三方面，其影響結果主要體現為污染水環境質量、改變水體規模、使生物數量乃至多樣性衰減、加重局域水源枯涸等。依據上述分析可得到評價因子體系，如圖1所示。

圖1 評價因子體系

1.2 系統邊界的確定

高鐵區域生態環境主要劃分為水環境和動植物環境。本文研究的水環境可分為地下水環境和地表水環境，依據技術規范[20]，本文的水環境評價范圍主要為工程沿經的河流水體。地表水選取上游0.1 km、下游1 km范圍，地下水選取總調查評價面積為6 km2的含(隔)水層。本文研究及評價的動植物為野生動植物，不包括人工飼養或栽培的動植物，但可包括在野外大規模生長的農田、本地雜草和人造林。

1.3 系統結構分析

結合高鐵建設和運營特點，擬建模解決如下兩個問題：高鐵建設對水環境和動植物環境影響評價；分析評價實證工程，判斷其是否能達到預期的環保目標。

在系統中存在兩條主要反饋回路，生態防護投資比例與水土養護、動植物恢復均有著正反饋關系，同時這一變量與高鐵建設投資也有著正反饋關系；但隨著高鐵建設投資的增加，勞動力數量和建設規模的擴大又會對水與動植物環境產生負反饋關系，各種變量耦合、相互反饋即形成了高鐵區域水與動植物環境研究這一自組織、非線性、開放的復雜系統。系統的主要反饋關系如圖2所示。

圖2 高鐵區域水與動植物環境系統主要反饋關系

1.4 系統流程圖

因果關系圖僅能反映反饋結構的基礎方面，變量之間性質不同的區別卻無法體現，故而使用系統流程圖實現進一步闡述[21]，如圖3所示。

圖3 高鐵區域水與動植物環境系統流程圖

本文分析的主要方面為地下和地表水環境。在工程施工過程中不可避免地會產生施工廢水以及施工人員生活廢水，由于施工現場處理污水條件非常有限，這些廢水會直接影響該區域地表水的水質。但因為含水層和包氣帶的存在會過濾和隔斷污水，故而污水對地下水的污染程度較輕。如增壓地表的施工作業會加劇地下水涌出，此外對于處于缺乏地表水區域的工程也會掘用地下水以供使用，上述行為都會一定程度上影響地下水水位。工程占地和土方工程是對動植物環境造成影響的最主要因素，其會作用于動植物數量和多樣性這兩個方面。

參考技術規范[22]，本文將動植物環境評價的總指標定為生態環境豐富程度指數。剖析高速鐵路建設過程中產生工程廢水的重要污染成分并依據文獻[20]與有關工程的環評報告，本文將評判區域水環境的水體規模和水質情況的標準定為水體規模變化量、水環境污染指數。

1.5 參數及主要SD方程

本文系統動力學模型在分析總結技術規范、項目可研報告、環評報告的基礎上設立了68個變量，其中速率變量14個，輔助變量47個，狀態變量7個。限于篇幅此處不一一展示。

圖4 水環境子系統SD模型

1.5.1 水環境子系統

水環境子系統的SD模型如圖4所示，主要變量的方程關系如下：

(1) 水環境COD存量=Integ(COD形成量-COD降低量，現值)

(2) 水體規模變化量=Integ(水排放量-施工行為造成的涌水，現值)

(3) 水環境石油類存量=Integ(石油類形成量-石油類降低量，現值)

(4) 水環境動植物油存量=Integ(動植物油形成量-動植物油降低量，現值)

(5) 水環境SS存量=Integ(SS形成量-SS降低量，現值)

(6) COD產生量=生活廢水COD含量+工程作業廢水COD含量

(7) SS產生量=生活廢水SS含量+工程作業廢水SS含量

(8) COD污染比=水環境COD含量/COD累積初始值

(9) 動植物油污染比=水環境動植物油存量/水環境動植物油累積初始值

(10) SS污染比=水環境SS存量/SS累積初始值

(11) 環保投資額=高鐵建設總投資額×環保投資比例

(12) 水環境保護投資額=環保投資額×水環境保護投資比例

(13) 石油類污染比=水環境石油類存量/石油類累積初始值

(14) 土地荒漠化情況系數=水體規模變化量×植被覆蓋面積累積減少量×水源干涸程度系數/植被覆蓋面積累積起始量

(15) 水源干涸程度系數=水體規模變化量×植被覆蓋面積累積減少量/植被覆蓋面積累積起始量

1.5.2 動植物環境子系統

動植物環境子系統的SD模型如圖5所示。

圖5 動植物環境物子系統SD模型

主要變量的方程關系如下：

(1) 區域動物量累積減少量=Integ(動物數量增加量-動物數量減少量，初值)×土地荒漠化程度系數×水源干涸程度系數

(2) 植被覆蓋面積累積減少量=Integ(植被覆蓋面積增加量-植被覆蓋面積減少量，初值)

(3) 植被覆蓋面積增加量=生態防護投資額/單位植被覆蓋面積增加量所需成本

(4) 動物數量增加量=生態防護投資額/單位動物數量增加量所需成本

(5) 生態防護投資額=環保投資額×生態防護投資比例

(6) 生態環境豐富程度指數=(生物多樣性指數+生態環境質量指數)/2

(7) 生物多樣性指數=[(累計區域植被覆蓋面積-植被覆蓋面積累積減少量)/植被覆蓋面積累積起始量+ (累計區域動物量-區域動物數量累積減少量)/初始動物量累計值]/動植物種類數量

(8) 生態環境質量指數=511.26×(0.11×耕地面積+0.21×草地面積+ 0.35×林地面積+0.04×建設用地面積+0.01×未使用面積)/區域總面積

2 實證研究

2.1 概況

京張鐵路八達嶺越嶺段共有15.44 km，其中隧道長度15.11 km，占越嶺段總長度的97.9%。其沿線占地424 300 m2，投資估算總額約28.97億元。其設計年限近期到2025年、遠期到2035年。該段高鐵沿線途經風景區、世界文化遺產古建筑等生態敏感區，因此其工程生態環境影響評價等級設為一級，地表和地下水環境評價為三級。

2.2 環境影響因素分析

本文從施工期、運營期兩個主要階段對水環境、動植物環境影響進行分析。在施工階段，遴選出車站站場、施工行為、施工廢水3個影響水環境的主要因素。八達嶺越嶺段設計建立一個地下車站，最深開挖可達25 m，施工時建設有隔斷地下水的隔水層，同時，巨大的土石方量以及占地面積都會損傷水環境。此外，生活廢水、施工廢水也會在一定程度上污染水環境。

2.3 基礎參數的明確與賦值

由于本文擬研究的京張高鐵越嶺段已于2015年開工，本模型選取2015年的統計值作為重要狀態變量的起始數值。從類似工程和項目可研報告中匯總出16個表函數。依據環評報告、項目可研報告、取樣、計算等方法得到26個常數的取值，見表1；通過取樣檢測的方法得到7個狀態變量的起始值，見表2。

表1 常數取值

續表1 常數取值

表2 狀態變量起始值

2.4 模型檢驗

本文運用Vensim軟件進行建模，并檢驗其適用性和一致性。

2.4.1 結構適用性檢驗

模型的結構適用性檢驗以參數方程極限、量綱、模型界限的檢驗為主。檢驗模型的結構、賦值及單位一致性可采用軟件的Check model和Check unit功能，本文的模型均能通過檢驗。在構建SD模型時，分析水環境、動植物環境等子系統，方程和結構等均參照實際系統設立，與實際系統的真實狀況契合，滿足結構適用性。

2.4.2 行為適用性檢驗

模型中一些數值依據過往數據估出。檢驗發現，本模型對參數數值變化不敏感并且滿足行為適用性。

2.4.3 行為與實際一致性檢驗

行為一致檢驗分為外觀和參數兩部分。由于該實證案例數據不充分，本文先使用京津城際鐵路等三個類似已完工程數據進行模擬，再用該項目2016年已公布數據進行仿真模擬，所得仿真模擬顯示誤差均小于10%，如圖6所示，說明模型有較好的一致性，接近且能反映實際情況。

文中設立9個參數以評價水與動植物環境模擬情況，分別為水環境SS存量、水環境COD存量、水環境動植物油存量、水環境污染指數、水環境石油類存量、COD污染比、石油類污染比、SS污染比、動植物油污染比，其序號依次為1～9。

由于實際數據樣本太少，數據時效性和檢驗可靠性難以保證，故選取較為完整的2016年京張高鐵八達嶺越嶺段數據，進一步檢驗模型的可靠性。表3為仿真結果與實際工程2016年數值的比較，相對誤差均在10%以內，驗證了變量選擇及模型的合理性。

2.5 模型的應用研究與結果討論

基于上文構建、檢驗模型等論述，認為該模型為有效的系統動力學模型。再仿真模擬選取狀態變量以及反映水與動植物環境系統綜合影響的輔助變量。

7個狀態變量模擬結果如圖7所示。

圖7 7個狀態變量模擬結果

由圖7的仿真結果可以看出，建設期是影響水環境和動植物環境的集中期，同時各狀態變量最高值也大致出現在建設期結束時。而后進入運營期時，這種負影響整體上逐漸降低。例如到2019年，仿真結果顯示預計水體規模變化量為5 560.42 m3，隨后到2023年，這種影響可省略不計。同時，建設和運營期的動植物情況與水環境中SS、COD、石油類占比均完全符合環保目標。建設期不可避免地會對動植物產生巨大影響，工程作業和大量工程占地使該區域內動植物棲息地急劇減少，而后隨著臨時占地的逐漸減少，原生植被恢復，動物遷徙回來，使得動植物環境一定程度上有所修復，但難以修復永久占地區域的環境。

圖8為所選取的4個主要輔助變量的仿真模擬結果趨勢圖。

由圖8(a)可以看出，在建設期，高鐵施工對水環境的污染程度在建設前期、中期呈坡度增加趨勢，在建設末期增速放緩，進入運營期后逐步平緩。造成這種趨勢的主要原因是施工期間工程廢水與施工人員生活廢水的排放，且這些污水限于施工條件大部分未經處理直接排放，對水環境造成嚴重污染。而進入運營期之后，線路設備及管理逐步健全完善，產生的污水一般均會經污水處理系統處理后才排放，因此對水環境的污染大大減少。

由圖8(b)可知，建設期尚未開始時，該區域的生態環境豐富程度指數可達87.05，反映出區域內植被豐富、物種多樣；高鐵工程開工后即在建設期該指數逐步下降，于2020年達到最低值69.48。隨后進入運營期，該指數又逐步增大，在2035年時達到77.49。對該現象進行剖析，建設期生態環境豐富程度指數急劇減少是由于工程施工的土方變動、工程占地和施工中形成的噪聲等造成大批動物遷移、植被破壞。施工結束進入運營期后，大量臨時占地恢復，由于生態系統的自調節和自組織能力，生態環境逐漸恢復，生態環境豐富程度指數也就有所回升。但永久工程會使生態環境無法恢復到原有水平。到2035年，生態環境豐富程度指數達到77.49，達到了該工程的環保目標，也表明生態環境恢復良好。

如圖8(c)所示，在建設期，該京張高鐵區段建設有使水源污染逐漸加劇的趨勢，而在建設前期即2015年至2018年，這種加劇的負影響趨勢還較為平緩，而到了建設中后期增幅加大，到2020年達到最高值0.122。進入運營期后，由于拆除工程臨時用地等原因，地表與地下水受到的工程負影響逐漸減小，引起水源干涸的負作用減弱。但又因為工程永久占地阻隔水流等永久性影響，該參數在2027年前后變動平穩，且該區域處于自然保護區，對生態環境防護得當，到2035年對水源影響較未開工前增長較小，符合環保目標。

由圖8(d)可知，與其他參數仿真情況相比，整體上高鐵工程對土地荒漠化影響較小，依據仿真結果在2020年土地荒漠化程度系數將達到最大值0.070 8，相比開工前的0.063 3增加了11.85%，而相比2015年，2035年該參數僅增加2.68%，增長幅度微小。工程占地和土方工程是形成該區域土地荒漠化的最主要因素，而實例項目的隧道工程占有總工程建設長度的97.9%，工程施工會改變山體結構、分割和隔斷地下水的流通，從而影響植被和水土保持，使荒漠化加劇。但進入運營期后，由于該區域生態系統較好的自我修復能力，工程臨時用地的拆除使土地荒漠化逐漸恢復，荒漠化程度仍超建設期開始之前，但符合環保目標。

圖8 4個主要輔助變量的仿真模擬結果

綜上所述，在建設期和運營期近期，京張高鐵區域水與動植物的環境影響處于合理范圍，可以實現預期的環保目標。

3 結論

本文建立了高鐵區域水環境與動植物環境評價的SD仿真模型，基于建立的評價因子體系，對高鐵區域水環境與動植物環境影響進行評價，并結合實例驗證了模型的有效性，即該實例可以達到環保目標。主要研究結論如下：

(1)對影響高鐵區域水環境和動植物環境的各因素枚舉并加以分析，根據高鐵建設劃分為規劃設計、建設期、運營期三階段進行剖析，基于此建立評價因子體系，以判斷該區域水與動植物環境受高鐵的影響程度。

(2)根據經驗和分析，高鐵區域環境生態影響主要反映在水環境和動植物環境兩方面，而水與動植物環境又與高鐵建設投資等要素有著比較復雜的相互和因果關系，這些關系可以清晰地展現在系統流程圖中。

(3)本文的實證研究對象為京張高鐵八達嶺段工程，運用文中構建的SD模型對其水與動植物環境進行仿真模擬，其水環境石油類存量、水環境污染指數、水體規模量、生態環境豐富程度指數等變量的仿真結果均表明高鐵對區域水與動植物環境的負影響在建設期逐漸增強，大致在建設期末達到峰值，但隨著運營期的到來，這種負影響又會逐漸減弱，即水與動植物生態環境又會逐漸恢復。

(4)本文以滬昆高鐵云南段等三個類似工程數據檢驗模型的一致性，得到的結果誤差在10%以內。隨后以2016年京張高鐵八達嶺越嶺段數據對比，誤差均在10%以內，模型有效性得以驗證，由此可以認為該高鐵區域能實現預期的環保目標。