萬(wàn)炳彤， 鮑學(xué)英， 李愛(ài)春

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

環(huán)境效應(yīng)特指由于人為活動(dòng)或自然過(guò)程而引發(fā)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能改變的一種環(huán)境效果。環(huán)境負(fù)效應(yīng)即指對(duì)環(huán)境造成的不良效果[1]。隧道開(kāi)挖會(huì)破壞隧址區(qū)原有的地下水循環(huán)系統(tǒng)，造成一系列的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：出現(xiàn)隧道內(nèi)涌水，造成地下水位下降，水資源流失；疏干漏斗擴(kuò)大，造成洞頂?shù)乇硭Y源的涸竭、地表塌陷等災(zāi)害；出現(xiàn)土壤缺水情況，造成植被無(wú)法正常生長(zhǎng)，破壞生態(tài)環(huán)境[1-3]，其影響機(jī)理如圖1所示。目前，已有不少學(xué)者在關(guān)于隧道建設(shè)對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)方面進(jìn)行了一些研究[1-4]。但是，現(xiàn)有的研究多見(jiàn)于分析隧道施工對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)的成因、表現(xiàn)形式與對(duì)應(yīng)的的控制措施上，而對(duì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)的程度等級(jí)方面的評(píng)價(jià)研究卻為數(shù)不多。隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系研究作為隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)方向的重要分支，不僅能夠量化對(duì)水環(huán)境的影響程度，為隧道工程的生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為隧道工程選址優(yōu)化、隧道安全施工、隧道區(qū)域生態(tài)修復(fù)工作提供理論參考[1]。目前，現(xiàn)有的主要研究成果有：劉建[5]以墊鄰高速銅鑼山隧道為例，構(gòu)建了基于地下水補(bǔ)給源— 徑流途徑—隧道受體為框架的指標(biāo)體系，并利用模糊評(píng)價(jià)模型對(duì)其進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。白明洲等[6]認(rèn)為隧道涌水是造成地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)的主要原因，故考慮了誘發(fā)隧道涌水的各項(xiàng)因素，建立了隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)的層次模型，同樣應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。上述研究在隧道施工引起的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)方面均發(fā)揮了重要作用，但在科學(xué)合理地解決這類問(wèn)題上均存在一定的局限性。例如劉建[5]在充分考慮誘發(fā)隧道涌水因素的基礎(chǔ)上，從自然地理、水文地質(zhì)、隧道工程3個(gè)方面出發(fā)，構(gòu)建了一套科學(xué)完善的隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系，具體指標(biāo)多達(dá)19個(gè)，并應(yīng)用了模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。但該模型存在固有缺陷，即因數(shù)集(指標(biāo)個(gè)數(shù))較大時(shí)，相對(duì)隸屬度權(quán)系數(shù)變小(權(quán)向量和為1)，出現(xiàn)權(quán)向量和模糊矩陣 不匹配的現(xiàn)象，從而引發(fā)超模糊現(xiàn)象，難以識(shí)別各等級(jí)的隸屬度高低，影響評(píng)價(jià)效果[7]。故該模型在評(píng)價(jià)隧道施工引起的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)時(shí)缺乏合理性。白明洲等[6]在構(gòu)建層次模型時(shí)，僅考慮了自然地理與水文地質(zhì)因素，忽略了隧道施工因素與地下水環(huán)境的相關(guān)性，構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系缺乏科學(xué)完善性。隧道建設(shè)時(shí)影響地下水環(huán)境的因素復(fù)雜多變，具有不確定性，很難用簡(jiǎn)易的方法對(duì)隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，且隧道建設(shè)時(shí)影響地下水環(huán)境的因素例如地表匯水面積、多年平均蒸發(fā)量、可溶巖出露面積比率等指標(biāo)信息無(wú)法避免的會(huì)出現(xiàn)實(shí)測(cè)資料不完全、測(cè)量值不精確等原因所導(dǎo)致的不確定性，這種純主觀認(rèn)知上的不確定性稱為未確知性。

未確知測(cè)度模型是一種適用于大數(shù)據(jù)集的不確定性分析方法，能夠解決隧道施工引起的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)中諸多因素的未確知性，還能對(duì)其進(jìn)行定量分析?；诖耍疚母鶕?jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB/10049-2014)中的8.24節(jié)及其他相關(guān)文獻(xiàn)，建立了一套科學(xué)完善的評(píng)價(jià)體系，并建立各項(xiàng)指標(biāo)與地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)間的未確知測(cè)度模型，應(yīng)用AHP法求出各指標(biāo)權(quán)重，獲得多指標(biāo)加權(quán)綜合測(cè)度，從而得出基于未確知測(cè)度理論的評(píng)價(jià)模型(具體過(guò)程如圖2所示)。最后利用某工程實(shí)例對(duì)該模型加以驗(yàn)證。

圖1 隧道施工對(duì)地下水環(huán)境的影響機(jī)理

圖2 基于未確知測(cè)度理論的評(píng)價(jià)模型

2 未知測(cè)度評(píng)價(jià)模型

設(shè)O1,O2,…,On代表n個(gè)待評(píng)價(jià)地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)的隧道工程，其構(gòu)成的集合O={O1,O2,…,On}稱作評(píng)價(jià)對(duì)象空間，任取Oi∈O(i=1,2,…，n)都有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)S1,S2,…，Sm，其構(gòu)成的集合S={S1,S2,…，Sm}稱為評(píng)測(cè)空間，xij(j=1,2,…，m)表示第i個(gè)隧道工程O(píng)i關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)Sj的實(shí)測(cè)值。對(duì)于每個(gè)實(shí)測(cè)值xij都劃分成q個(gè)負(fù)效應(yīng)等級(jí)C1,C2,…，Cq，其構(gòu)成的集合E={C1,C2,…，Cq}稱作評(píng)價(jià)空間。其中Ck代表隧道工程地下水環(huán)境的第k個(gè)負(fù)效應(yīng)等級(jí)，且k級(jí)負(fù)效應(yīng)弱于k+1級(jí)，即Ck>Ck+1[8]。

2.1 單指標(biāo)測(cè)度

若μijk=μ(xij∈Ck)代表實(shí)測(cè)值xij隸屬于第k個(gè)負(fù)效應(yīng)等級(jí)Ck的范圍，且滿足：

O≤μ(xij∈Ck)≤1

(1)

μ(xij∈E)=1

(2)

(3)

則稱μ為未確知測(cè)度[9-11]，(μijk)m×q稱作評(píng)價(jià)對(duì)象Oi的單指標(biāo)測(cè)度評(píng)價(jià)矩陣，表示為：

(4)

利用最常用的直線型測(cè)度函數(shù)[12]，如公式(5)所示，計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象的單指標(biāo)測(cè)度評(píng)價(jià)矩陣。

式中：dk為評(píng)價(jià)對(duì)象實(shí)測(cè)值區(qū)間上分布的點(diǎn)，設(shè)第k個(gè)負(fù)效應(yīng)等級(jí)的取值區(qū)間為[dk-1,dk]，實(shí)測(cè)值從dk升高到dk+1時(shí)，對(duì)于第k個(gè)負(fù)效應(yīng)等級(jí)的隸屬度慢慢減少，至dk+1時(shí)，降為0，相應(yīng)的對(duì)第k+1個(gè)負(fù)效應(yīng)等級(jí)的隸屬度由0增加到1。

2.2 多指加權(quán)標(biāo)綜合測(cè)度

(6)

(i=1,2,…,n;k=1,2,…,q)

2.3 置信度識(shí)別

(7)

則第i個(gè)隧道工程O(píng)i施工引起的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)屬于Ckr等級(jí)。上述準(zhǔn)則認(rèn)為“負(fù)效應(yīng)低”的類應(yīng)占相當(dāng)大的比例。實(shí)際應(yīng)用中置信度取0.6～0.7之間[14]，本文取λ=0.6。

2.4 排序

得知各隧道工程的負(fù)效應(yīng)等級(jí)后，還可以對(duì)其負(fù)效應(yīng)程度進(jìn)行排序，從而使評(píng)價(jià)結(jié)果更加直觀，便于針對(duì)性地對(duì)隧道區(qū)段施行相應(yīng)的優(yōu)化措施。已知C1>C2>C3>…>Cq，取Ck(k=1,2,…,q)的分值為Ik，則Ik>Ik+1。且

(8)

式中：doi稱為評(píng)價(jià)對(duì)象Oi的未確知重要度，其構(gòu)成的集合d={do1,do2,…,don}稱為未確知重要度向量[14]。根據(jù)各隧道工程的未確知重要度大小即可獲知其最終的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)程度排序。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB/10049-2014)8.24節(jié)及參考文獻(xiàn)[15]，在充分考慮誘發(fā)隧道涌水因素的基礎(chǔ)上,從地質(zhì)-水文地質(zhì)、自然地理、隧道工程3個(gè)方面出發(fā)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并將各指標(biāo)運(yùn)用Delphi法進(jìn)行篩選，最終篩選出洞頂水頭壓力等19個(gè)具體指標(biāo)，構(gòu)建出隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖3所示。

3.2 地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果[15-18]常用的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將評(píng)價(jià)對(duì)象關(guān)于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值xij劃分為5個(gè)負(fù)效應(yīng)等級(jí)，即E={C1,C2,…,C5}，C1，C2，C3，C4，C5依次對(duì)應(yīng)：很弱(I)、較弱(II)、中等(III)、較強(qiáng)(IV)、很強(qiáng)(V)，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示(注：巖層富水性S3按補(bǔ)給模數(shù)(M)劃分[5])。各負(fù)效應(yīng)等級(jí)對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)形式如表2所示。

4 實(shí)證研究

以重慶市渝懷鐵路歌樂(lè)山隧道為例[15]，該隧道全長(zhǎng)4 050m,對(duì)應(yīng)里程DK1+560～DK5+610。最大洞高7.25 m，洞頂最大埋深28 m。隧址區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，多年平均降雨量為1 082 mm，多年評(píng)均蒸發(fā)量為766.2mm，根據(jù)該隧道工程相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合隧址區(qū)地質(zhì)-水文地質(zhì)情況、自然地理情況、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，按圖3獲得該工程各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值如表3所示。

根據(jù)表1與公式(5)，分別構(gòu)建各負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)度函數(shù)圖如圖4所示(其中定性指標(biāo)I級(jí)取9分，II級(jí)取7分， III級(jí)取5分，IV級(jí)取3分，V級(jí)取1分)。

圖3 隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)等級(jí)IIIIIIIVVS1/%<3030～5050～7070～90>90S2/MPa<0.50.5～1.01.0～3.03.0～5.0>5.0S3/104(m3·a-1·km-2)<55～1010～1515～20>20S4不發(fā)育較差一般較發(fā)育發(fā)育S5補(bǔ)給區(qū)弱補(bǔ)給區(qū)弱徑流區(qū)強(qiáng)徑流區(qū)排泄區(qū)S6無(wú)褶皺平緩褶皺裂隙較發(fā)育的褶皺裂隙發(fā)育的褶皺斷層發(fā)育的褶皺S7泥巖、黏土巖砂巖、細(xì)砂巖花崗巖、火成巖風(fēng)化變質(zhì)巖石灰?guī)r等可溶巖S8/km2<1010～2020～4040～80>80S9/mm<600600～800800～10001000～1600>1600S10/mm>800600～800500～600400～500<400S11<0.050.05～0.150.15～0.300.30～0.50>0.50S12/104 m3<5050～100100～500500～1000>1000S13平坦單斜面型山谷側(cè)下方平行型橫貫河流型山谷正下方平行型S14/(m3·s-1)<0.10.1～0.50.5～2.02.0～10.0>10.0S15TBM法新奧法鉆爆法分部開(kāi)挖鉆爆法臺(tái)階法鉆爆法全斷面S16/m2<5050～120120～250250～350>350S17/km<0.10.1～0.30.3～1.01.0～3.0>3.0S18/km<0.40.4～1.01.0～2.02.0～3.0>3.0S19/m<100100～300300～500500～1000>1000

表2 地下水環(huán)境各負(fù)效應(yīng)等級(jí)的表現(xiàn)形式

表3 各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值

圖4 各項(xiàng)負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)度函數(shù)圖

S1S2S3S4S5S6S7S8S9S100.06790.03930.07050.08340.06810.06170.07810.03870.05350.0251S11S12S13S14S15S16S17S18S190.03860.04190.05390.04190.04770.03620.05540.05380.0445

將表3中地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)取值分別代入圖4所對(duì)應(yīng)的各負(fù)效應(yīng)指標(biāo)的測(cè)度函數(shù)圖中，得到渝懷鐵路歌樂(lè)山隧道工程的單指標(biāo)測(cè)度矩陣μ1jk如下：

文獻(xiàn)[15]根據(jù)隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖3)，利用AHP法和10位地質(zhì)—水文地質(zhì)、自然地理、隧道工程等領(lǐng)域的專家打分構(gòu)建出多層次評(píng)價(jià)模型層間的判斷矩陣。獲得各負(fù)效應(yīng)指標(biāo)的總排序權(quán)重如表4所示。

表5 渝懷鐵路歌樂(lè)山隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)本文根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB/10049-2014)及相關(guān)文獻(xiàn)，在充分考慮誘發(fā)隧道涌水因素的基礎(chǔ)上,從地質(zhì)-水文地質(zhì)、自然地理、隧道工程3個(gè)方面出發(fā)建立了隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)的層次模型。

(2)考慮到隧道工程地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)中信息的不確定性和未確知性，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)與地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)間的未確知測(cè)度模型，結(jié)合AHP法求出的各指標(biāo)權(quán)重，得到多指標(biāo)加權(quán)綜合測(cè)度，從而得出基于未確知測(cè)度理論的評(píng)價(jià)模型。

(3)利用本文所構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系對(duì)渝懷鐵路歌樂(lè)山隧道某區(qū)段引起的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)價(jià),其結(jié)果為IV級(jí)，即該區(qū)段隧道工程引起的地下水環(huán)境負(fù)效較強(qiáng)。且評(píng)價(jià)結(jié)果同模糊綜合評(píng)價(jià)法求出的負(fù)效應(yīng)等級(jí)一致，驗(yàn)證了本文所構(gòu)建評(píng)價(jià)模型的可靠適用性。