王景春， 薛佳龍， 黃文化， 劉 超， 陳思博

(1. 石家莊鐵道大學土木工程學院， 河北 石家莊 050043； 2. 石家莊鐵道大學大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所， 河北 石家莊 050043； 3. 秦皇島路橋建設(shè)開發(fā)有限公司， 河北 秦皇島 066000；4. 秦皇島市公路工程建設(shè)管理處， 河北 秦皇島 066000)

0 引言

隨著我國隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，越來越多的隧道會穿過旅游景區(qū)，由此帶來的環(huán)境影響問題不容忽視。在旅游景區(qū)修建隧道時，可能會引起景區(qū)空氣質(zhì)量、水土資源以及建筑結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變，甚至會造成嚴重的環(huán)境問題。因此，在隧道施工時及時判斷其對周圍環(huán)境影響程度并采取有效治理措施顯得尤為重要。

目前，許多專家學者針對隧道施工對周圍環(huán)境影響評價進行了深入研究，提出了很多評價方法和模型。梁軍平等[1]利用模糊層次分析法研究巖溶地區(qū)隧道施工對地表水及地下水環(huán)境的影響，結(jié)合"木桶理論"明確施工中對水污染最嚴重的環(huán)節(jié)；Liu等[2]基于CFD技術(shù)和現(xiàn)場監(jiān)測方法研究隧道施工中粉塵的擴散和污染距離，并提出利用空氣幕式通風裝置降低粉塵污染的措施；郭靖等[3]通過有限元模型分析隧道對地表臨近既有建筑的影響，發(fā)現(xiàn)當建筑在與隧道中心線水平距離為2倍隧道直徑位置時，隧道對建筑的影響可以忽略；馮文生等[4]采用模糊層次分析法評價雪山梁隧道施工對黃龍景區(qū)的影響，結(jié)果表明景區(qū)受到較輕微影響；劉志春等[5]提出"限量排放"必要性評價等級標準，對隧道與地下水環(huán)境相互作用進行評價，并確定各等級對應(yīng)的建議措施以指導施工。

以往研究隧道施工對周圍環(huán)境的影響多采用單指標評價法、模糊綜合評價法、1-9標度法等。在這些研究方法中，單指標評價法存在反映信息不夠全面、容易失真的缺點；模糊綜合評價法和1-9標度法則主觀性較強，缺乏客觀性。鑒于此，本文采用博弈論組合賦權(quán)法融合評價指標的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重進而得到綜合權(quán)重，彌補了單種賦權(quán)法主觀干擾或完全取決于樣本數(shù)據(jù)的缺陷。同時，首次運用改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法構(gòu)建旅游景區(qū)隧道施工對周圍環(huán)境影響評價模型。該模型具有綜合性和科學性，并且計算簡單，利于推廣使用，可為評價旅游景區(qū)隧道建設(shè)對周圍環(huán)境影響提供一個全新途徑。

1 景區(qū)環(huán)境影響評價指標體系

1.1 評價指標體系的確定

旅游景區(qū)隧道工程的建設(shè)對周圍環(huán)境影響因素眾多，評價指標的選取及其權(quán)重的確定成為隧道建設(shè)對景區(qū)環(huán)境影響程度評價的關(guān)鍵。在眾多影響因素中，噪聲污染[6]、粉塵污染[7]、固體廢物污染[8]、廢水污染[9]和人文景觀建筑破環(huán)[10]對景區(qū)環(huán)境影響尤為顯著。鉆孔、支護、攪拌和運輸?shù)人淼朗┕ち鞒讨挟a(chǎn)生的噪聲往往會對周圍環(huán)境造成嚴重的噪聲污染；隧道開挖和支護過程會產(chǎn)生大量的粉塵，粉塵隨通風換氣設(shè)備進入大氣，使周圍大氣粉塵質(zhì)量濃度升高，造成粉塵污染；建筑垃圾、開挖棄渣等堆積占地不僅對景區(qū)觀賞性造成不良影響，還會危害植物生長，使景區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，甚至對土地造成不可逆的污染；隧道建設(shè)項目污水排放，主要是施工期污水和生活污水等，含有大量有毒有害物質(zhì)，若處理不當會影響景區(qū)水質(zhì)，引發(fā)廢水污染問題；隧道開挖過程中引起的地表不均勻沉降也會對人文景觀建筑的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。旅游景區(qū)隧道施工對周圍環(huán)境影響因素較多，受客觀條件的制約，不可能將所有指標都反映到評價體系中，本著抓住主要指標、忽略次要指標的普適性原則，建立如圖1所示的評價指標體系。

圖1 旅游景區(qū)環(huán)境評價指標體系

1.2 評價等級的確定

針對隧道施工對景區(qū)環(huán)境影響特征，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)景區(qū)隧道施工的統(tǒng)計資料和JTG F60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[11]、GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[12]、GB 3096-2008《聲環(huán)境質(zhì)量標準》[13]、GB 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》[14]等文件，將旅游景區(qū)隧道建設(shè)對周圍環(huán)境質(zhì)量影響程度從優(yōu)到劣分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，如表1所示。

表1 隧道建設(shè)對景區(qū)環(huán)境影響指標分級標準

Table 1 Classification standards of environmental impact indices of tunnel construction on scenic spot

評價指標劃分等級Ⅰ Ⅱ ⅢⅣ噪聲污染c1/dB0～3030～6060～9090～150粉塵污染c2/(mg/m3)0～11～22～44～50固體廢棄物污染c3/(t/d)0～1010～3030～6060～100廢水污染c4/(m3/d)0～1717～3030～4545～60建筑物不均勻沉降c5/mm0～22～1010～2020～40

1.3 評價指標無量綱化處理

為使數(shù)值單位各不相同的指標具有可比性，需對各指標進行無量綱化處理。本文所選取的隧道工程對景區(qū)環(huán)境影響程度評價指標均是正向的，即指標數(shù)值越大，景區(qū)環(huán)境受影響程度越大。

無量綱化處理方法為

(1)

式中：ci為評價指標數(shù)值；cimin為評價指標最小值；cimax為評級指標最大值。

處理后各指標見表2。

表2 隧道建設(shè)對景區(qū)環(huán)境影響指標無量綱化分級

Table 2 Non-dimensional classification of impact indices of tunnel construction on scenic area environment

評價指標 劃分等級ⅠⅡⅢⅣ噪聲污染c10～0.200.20～0.400.40～0.600.60～1粉塵污染c20～0.020.02～0.040.04～0.080.08～1固體廢棄物污染c30～0.100.10～0.300.30～0.600.60～1廢水污染c40～0.280.28～0.500.50～0.750.75～1建筑物不均勻沉降c50～0.050.05～0.250.25～0.500.50～1

2 改進的內(nèi)梅羅指數(shù)評價模型

2.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法簡介

內(nèi)梅羅指數(shù)法[15]是當前綜合環(huán)境影響評價領(lǐng)域中最常用方法之一，廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，并且已形成了較完整的理論體系。它能夠?qū)φw環(huán)境影響做出定量描述，只要項目、標準、監(jiān)測結(jié)果可靠，其綜合評價就能在總體上反映工程對環(huán)境的影響程度。其計算公式如下：

(2)

Fmax=maxFi；

(3)

(4)

式(2)-(4)中：Pj為內(nèi)梅羅指數(shù)；Fmax為各項評價指標評分最大值；Fave為各項評價指標評分平均值；Fi為各項評價指標評分值；n為評價指標項數(shù)。

將表2中每個劃分等級的各個評價指標區(qū)間最大值和最小值依次代入式(2)-(4)，對應(yīng)得到每個綜合評價等級的區(qū)間，以量化評價旅游景區(qū)隧道施工對周圍環(huán)境的影響程度。同時，結(jié)合類似工程資料、規(guī)范及相關(guān)文獻對各評價等級的表現(xiàn)形式進行更直觀的描述。各評價等級區(qū)間及其對應(yīng)的表現(xiàn)形式如表3所示。

無量綱化處理主要針對經(jīng)過處理后，劃分等級標準區(qū)間近似的指標，例如： 噪聲污染、固體廢棄物污染和廢水污染3項指標實測值在評價計算中存在量綱不同和代數(shù)差較大的問題，通過無量綱化處理便可解決。但是，粉塵污染和建筑不均勻沉降在無量綱化處理后仍然與上述3項指標在等級劃分標準區(qū)間上存在一個數(shù)量級的差距。將傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法應(yīng)用于隧道施工對周圍環(huán)境影響評價領(lǐng)域時，會忽略實測值較小的粉塵污染和建筑不均勻沉降指標的作用。然而，此類指標實測值雖小，卻對景區(qū)環(huán)境影響極大，在傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)評價計算中其權(quán)重作用并未得到體現(xiàn)。

表3 景區(qū)環(huán)境影響評價等級與表現(xiàn)形式對應(yīng)表

Table 3 Correspondence between environmental impact grades of scenic spots and their characters

評價等級內(nèi)梅羅指數(shù)Pj區(qū)間各等級對應(yīng)的表現(xiàn)形式Ⅰ0～0.31 環(huán)境基本未受到干擾,地表建筑物及隧道穩(wěn)定安全Ⅱ0.31～0.58 環(huán)境受到較小的干擾,地表建筑物及隧道因地表不均勻沉降發(fā)生輕微變形Ⅲ0.58～0.90 環(huán)境受到較大的干擾,地表建筑物及隧道因地表不均勻沉降發(fā)生部分脫落Ⅳ0.90～1.00 環(huán)境受到很大的干擾,地表建筑物及隧道因地表不均勻沉降發(fā)生坍塌

在景區(qū)隧道施工對周圍環(huán)境評價過程中，若某指標污染等級達到Ⅲ級時，會對景區(qū)環(huán)境造成至關(guān)重要的影響。由表1或表2可知，最大值指標可能并非污染最嚴重的評價指標，即數(shù)值大小并不等價于污染程度大小，而傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法則更突出最大值指標對環(huán)境評價的影響，導致評價中最大值的單一性，與工程實際不太符合。因此，傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法中最大值的單一性在旅游景區(qū)隧道施工對周圍環(huán)境影響評價中顯然不太客觀。

針對上述傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法在隧道施工對周圍環(huán)境評價中存在指標間代數(shù)差影響較大和最大值單一性的問題，本文引入評價指標綜合權(quán)重來修正平均值Fave，以充分考慮指標的重要性，消除指標間代數(shù)差過大而影響景區(qū)環(huán)境評價結(jié)果的現(xiàn)象；同時，考慮了污染等級較高指標對景區(qū)環(huán)境影響的關(guān)鍵性，修正公式中的最大值Fmax，使其更符合景區(qū)隧道工程對周圍環(huán)境影響的實際情況。

2.2 綜合權(quán)重確定方法研究

博弈論組合賦權(quán)法[16]是在不同賦權(quán)方法所得權(quán)重值之間尋求妥協(xié)或一致，使指標權(quán)重與最優(yōu)權(quán)重偏差最小，從而得到更合理的組合權(quán)重。該方法對不同賦權(quán)方法的優(yōu)化組合彌補了單一賦權(quán)的缺陷，其計算流程如下。

假設(shè)用N種方法對各評價指標賦權(quán)，從而得到N個指標權(quán)重向量，構(gòu)造一個基本權(quán)重向量集W={w1，w2，...，wN}，將這N個權(quán)重向量進行任意線性組合

(5)

式中：w為綜合權(quán)重向量；αk為權(quán)重向量組合系數(shù)；wk為第k種賦權(quán)方法的權(quán)重向量。

對權(quán)重向量組合系數(shù)αk進行優(yōu)化，使w和各wk的離差極小化，進而獲得最滿意的綜合權(quán)重向量w*。

導出對策模型

(6)

依據(jù)式(6)導出對策模型的最優(yōu)化一階導數(shù)：

(7)

計算得到權(quán)重組合系數(shù)(α1，α2，...，αN)，對其進行歸一化處理得到(α1*，α2*，...，αN*)，將歸一化后的權(quán)重組合系數(shù)代入式(5)得最滿意的綜合權(quán)重向量

(8)

式中：w*=(w1*，w2*，...，wn*)為n項評價指標最滿意的綜合權(quán)重向量；αk*為歸一化后的權(quán)重向量組合系數(shù)。

2.3 改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法

通過對最大值Fmax和平均值Fave進行修正以克服傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法在環(huán)境綜合評價中所存在的缺陷。

若某一評價指標等級劣于Ⅲ級(包括Ⅲ級)表明隧道施工過程中該指標對景區(qū)環(huán)境影響超出合理范圍，將此類指標定義為關(guān)鍵指標。關(guān)鍵指標對隧道周圍環(huán)境影響起到?jīng)Q定性作用。為使景區(qū)環(huán)境評價更加客觀合理，需將環(huán)境影響超出正常范圍內(nèi)的關(guān)鍵指標考慮到最大值中，即將最大值Fmax和關(guān)鍵指標平均值Fw進行綜合考慮：

(9)

(10)

由于評價指標在隧道施工對景區(qū)環(huán)境影響評價中所占綜合權(quán)重各不相同，因此，為突出每個評價指標的重要性，需將算術(shù)平均值修正為加權(quán)平均值

(11)

改進的內(nèi)梅羅指數(shù)

(12)

3 工程實例

3.1 工程概況

老龍頭隧道位于秦皇島市山海關(guān)老龍頭景區(qū)，地處旅游景區(qū)且下穿古長城，屬于河北省旅游資源相當豐富的區(qū)域。隧道范圍為K1+500～+930，全長430 m，隧道埋深為5～8 m，屬超淺埋隧道，設(shè)計為連拱雙向4車道Ⅰ 級公路隧道。表層為粉質(zhì)黏土及沙礫石土，開挖層為強風化花崗變粒巖，圍巖較為破碎，圍巖自穩(wěn)能力較差。隧道區(qū)內(nèi)未見泉水，地下水埋深4.5～8.5 m。

3.2 老龍頭隧道評價指標量化結(jié)果

通過對老龍頭隧道工程周圍環(huán)境影響評價指標的監(jiān)控量測和數(shù)值模擬，將評價指標進行量化。其中，噪聲污染和粉塵污染是在洞口分別設(shè)置噪聲檢測儀和激光粉塵儀進行日常監(jiān)測，再取其平均值作為計算數(shù)據(jù)；固體廢棄物和廢水是對每日排放量進行統(tǒng)計和記錄；長城的不均勻沉降則是根據(jù)勘察資料及支護方案等建立有限元模型，計算其沉降量。各指標量化結(jié)果如表4所示。

表4 老龍頭隧道評價指標量化結(jié)果

Table 4 Quantitative results of assessment indices of Laolongtou Tunnel

評價指標量化結(jié)果無量綱化噪聲污染c190 dB0.60粉塵污染c25 mg/m30.10固體廢棄物污染c320 t/d0.20廢水污染c440 m3/d0.67長城不均勻沉降c54 mm0.10

3.3 權(quán)重值的確定

采用層次分析法[17]對各評價指標之間的重要性等級進行評判，確定各評價指標主觀權(quán)重，建立判斷矩陣

可得判斷矩陣A的最大特征值λmax=5.13，將其對應(yīng)的特征向量進行歸一化，進而得到各評價指標的主觀權(quán)重向量w1=(0.181，0.140，0.274，0.053，0.352)。

采用熵權(quán)法[18]確定各評價指標客觀權(quán)重。由表4可知，標準化矩陣B=(0.60，0.10，0.20，0.67，0.10)，對其進行歸一化處理，然后根據(jù)熵權(quán)法計算公式得到各指標權(quán)重向量w2=(0.190，0.192，0.216，0.104，0.298)。

根據(jù)博弈論組合賦權(quán)法公式(5)-(7)得到權(quán)重組合系數(shù)α1=0.736 4，α2=0.573 6，并對其歸一化可得α1*=0.562 1，α2*=0.437 9。將主客觀權(quán)重向量和歸一化組合權(quán)重系數(shù)代入式(8)確定各評價指標最滿意的綜合權(quán)重向量w*=(0.185，0.163，0.249，0.075，0.328)。

3.4 內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評價

采用改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法對老龍頭隧道工程周圍環(huán)境影響程度評價結(jié)果如下：

3.5 評價結(jié)果分析

改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法對老龍頭隧道周圍環(huán)境影響程度的評價與傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法評價對比結(jié)果如表5所示。

表5 老龍頭景區(qū)環(huán)境影響等級的內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果

Table 5 Assessment results of environmental impact grade of Laolongtou Scenic Spot by Nemerow index method

評價方法指數(shù)Pj環(huán)境影響等級傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法0.647Ⅲ改進內(nèi)梅羅指數(shù)法0.381Ⅱ

由表5可以看出內(nèi)梅羅指數(shù)法改進前后對老龍頭景區(qū)環(huán)境受影響程度評價結(jié)果有明顯區(qū)別。傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法認為老龍頭景區(qū)受隧道施工影響較為嚴重，而改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法認為隧道施工對景區(qū)影響在可控范圍內(nèi)。

由表1隧道施工對景區(qū)環(huán)境影響指標分級標準可知，在老龍頭隧道施工過程中，有3項評價指標在Ⅲ-Ⅳ級，但距離標準上限還有較大的距離，并且這些評價指標所占權(quán)重較小。傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法往往忽略權(quán)重的影響，將老龍頭隧道工程對周圍環(huán)境擾動程度定為Ⅲ級顯然與實際情況不符。對于傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)法，單純從數(shù)學公式上看，最大值Fmax和平均值Fave地位相同，但由于在景區(qū)環(huán)境綜合評價計算中，評價指標間代數(shù)差較大，造成Fmax往往占絕對優(yōu)勢，淡化了Fave對最終評價結(jié)果的影響，使評價結(jié)果不能有效地反映出老龍頭隧道施工對景區(qū)環(huán)境影響情況，降低了環(huán)境質(zhì)量評價的客觀性。而改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法充分考慮了評價指標的權(quán)重并修正了最大值Fmax和平均值Fave，使各評價指標都能得到表達，所得老龍頭景區(qū)環(huán)境評價更為客觀。

評價結(jié)果表明老龍頭隧道施工對景區(qū)環(huán)境影響程度為Ⅱ級，說明老龍頭隧道施工會對景區(qū)環(huán)境造成輕度影響，但影響程度有限，同時在施工過程中施加有效的環(huán)保措施，并不會對周圍環(huán)境造成大范圍破壞。

為了減少隧道施工對景區(qū)環(huán)境的破壞以及避免竣工后因人為因素而造成環(huán)境污染，可在施工期設(shè)置排水降噪等環(huán)境保護措施。例如： 施工期的污水應(yīng)集中排放，并專門設(shè)計污水沉淀池使污水經(jīng)過沉淀、過濾、化學處理等措施減少污水中有毒有害物質(zhì)，保護水源；設(shè)置截水明槽(見圖2)、排水溝和鋪設(shè)EVA防水卷材等，防止污水、雨水下滲污染地下水；洞口邊仰坡開挖以弱爆破為主，并在隧道四周墻面和吊頂做HF無機復(fù)合吸聲材料(見圖3)，通過吸聲降低整個隧道的混響時間，改善隧道的聲學缺陷等。

圖2 截水明槽

圖3 HF無機復(fù)合吸聲材料

4 結(jié)論與討論

本文針對旅游景區(qū)隧道施工對周圍環(huán)境影響的特點，建立了隧道施工對景區(qū)環(huán)境影響的評價指標體系，并在老龍頭隧道建設(shè)的實際工程中應(yīng)用改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法對景區(qū)環(huán)境影響程度進行評價。主要結(jié)論如下：

1)針對傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法中指標代數(shù)差過大而忽略數(shù)值較小指標的弊端，引入評價指標綜合權(quán)重修正平均值Fave，避免了廢水指標權(quán)重小數(shù)值大以及粉塵、長城變形指標權(quán)重大數(shù)值小而影響評價結(jié)果準確性；結(jié)合隧道施工對環(huán)境影響的實際情況，利用關(guān)鍵指標平均值修正傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法中的最大值Fmax，使評價結(jié)果更科學。

2)由于旅游景區(qū)隧道工程對周圍環(huán)境影響的復(fù)雜性和評價指標的多樣性，通過現(xiàn)場考察和資料分析，提出了噪聲、粉塵、廢棄物、廢水和景觀建筑5項評價指標，形成了完整、可量化的環(huán)境影響評價指標體系。

3)首次將內(nèi)梅羅指數(shù)法應(yīng)用到旅游景區(qū)隧道施工對周圍環(huán)境影響評價領(lǐng)域，并依據(jù)工程實際對其進行修正。結(jié)合景區(qū)環(huán)境影響評價指標體系，建立了更科學、簡單的環(huán)境綜合評價模型。

應(yīng)用改進內(nèi)梅羅指數(shù)評價模型確定老龍頭隧道施工對周圍環(huán)境影響等級為Ⅱ級，即老龍頭景區(qū)在隧道施工過程中受到輕度干擾，老龍頭隧道工程的環(huán)境可行性較好。但是，為了在隧道施工階段進一步采取措施降低環(huán)境影響程度，保證資源利用的有效性，后續(xù)還需對環(huán)境評價指標的重要程度進行科學排序研究。