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. 秦皇島路橋建設開發(fā)有限公司， 河北 秦皇島 066000；4. 秦皇島市公路工程建設管理處， 河北 秦皇島 066000)

0 引言

隨著我國隧道建設的不斷發(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對景區(qū)環(huán)境影響程度評價的關鍵。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)境影響評價領域中最常用方法之一，廣泛應用于眾多領域，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)法應用于隧道施工對周圍環(huán)境影響評價領域時，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鍵指標。關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)的關鍵指標考慮到最大值中，即將最大值Fmax和關鍵指標平均值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，可在施工期設置排水降噪等環(huán)境保護措施。例如： 施工期的污水應集中排放，并專門設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；設置截水明槽(見圖2)、排水溝和鋪設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的實際工程中應用改進的內(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)法應用到旅游景區(qū)隧道施工對周圍環(huán)境影響評價領域，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。