摘要：公路工程施工過程中，通常不可避免地對周邊自然環(huán)境造成一定程度的污染與影響。我國青藏高原地區(qū)分布有珍稀水源地，因此在該區(qū)域內開展公路工程施工時，需要開展水源保護評價研究。文章以青海加西公路項目為依托，結合國內外研究現(xiàn)狀，構建了針對水源保護區(qū)地下水水質的綜合評價體系。采用熵權-可拓物元法作為公路工程施工現(xiàn)場地下水質的評價模型，并輔以單因子指數(shù)法與灰色加權關聯(lián)度法進行對比分析。結果表明：采用權用熵權-可拓物元法得到的結果不僅與其他兩種方法具有較高的吻合度，還展現(xiàn)出整體性強、評價精度高的優(yōu)勢。因此，在類似應用場景下，推薦優(yōu)先采用熵權-可拓物元法，以更有效地指導工程實踐與環(huán)境管理決策。

關鍵詞：公路工程；綠色施工；水源保護；熵權法；可拓物元法

中圖分類號：X523；X820.3" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）08-0081-05

0 引言

隨著我國社會經濟水平的不斷提高，公路工程建設逐漸向高原與西部地區(qū)延伸，施工過程中的環(huán)境污染問題日益凸顯，特別是在青藏高原等生態(tài)敏感區(qū)域，公路工程不能有效實施控制污染，將對當?shù)氐沫h(huán)境造成難以估量的破壞。雖然絕大部分工程施工采用了“邊污染邊治理”的措施，但是治理力度遠不及污染速度，尤其是廢棄材料對地下水環(huán)境的滲透污染，給水源保護區(qū)及周邊生活區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來很多潛在風險。因此，構建地下水環(huán)境評價體系，對地下水環(huán)境及水質進行實時監(jiān)測及評價，為后期的監(jiān)管和治理提供依據，成為公路工程建設的當務之急。目前，國內外針對地下水環(huán)境影響的研究較少。現(xiàn)有文獻提出了兩種地下水生態(tài)概念：一是指地下水體系對植被、濕地等的作用和效應；二是地下水在參與自然界水循環(huán)時，與環(huán)境的物質交換以及對生態(tài)環(huán)境的修復和改善［1-2］。王金哲等［3］提出地下水的功能是由驅動因子群、狀態(tài)因子群和響應因子群組成的“驅動—狀態(tài)—響應”體系，并通過對一些表象的影響因素進行分析，提出針對西北干旱區(qū)地下水的保護措施。張光輝等［4］針對我國北方地區(qū)提出了地下水生態(tài)功能評價與區(qū)劃的理論框架，該框架提出了10項宏觀指標，適用于東北、華北等大區(qū)域的地下水功能評估與區(qū)劃。楊麗芝等［5］針對干旱半干旱地區(qū)地下水引起的表生生態(tài)效應，基于水文地質、氣象、地質地貌等因素，構建了相應的生態(tài)環(huán)境影響評價指標體系?，F(xiàn)階段，國內外對于地下水環(huán)境質量的評價方法主要有層次分析法［6］、單因子判別類評價法［7-9］、灰色關聯(lián)度法［10］、自組織映射法［11］、模糊數(shù)學評價法［12-16］、主成分分析法［17-18］、聚類分析法［19-20］等。但是，采用上述方法建立的評價體系各不相同，評價體系中需要監(jiān)測的影響因素和樣本需求量較多。而且，當前國內外的地下水研究均以城區(qū)或平原地區(qū)為背景，針對高原地區(qū)水源保護區(qū)特點的評價體系尚屬空白。因此，需要針對高原地區(qū)的污染特征，建立適用于水源保護區(qū)的地下水環(huán)境評價體系。本文依托青海加西公路項目，針對其途經的多處國家水源保護區(qū)，開展專項地下水環(huán)境評價研究。考慮到該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的高度脆弱性以及對施工環(huán)保的嚴格要求，需要針對水源保護區(qū)及現(xiàn)場施工情況制定一套行之有效的水源保護區(qū)地下水環(huán)境評價體系，以實現(xiàn)對施工過程的實時監(jiān)測與科學評估，為后續(xù)的監(jiān)管與治理提供有力支持。

1 污染源分析及評價指標選擇

1.1 水源保護區(qū)污染源分析

1.1.1 施工廢水

根據項目所在區(qū)域的地下水文地質資料，區(qū)域內4處水源保護區(qū)的地下水層為砂卵石地層，水源取自地下潛水。施工活動中產生的污水及施工含油廢水若未經處理而隨意排放，將會在水源保護區(qū)內蔓延并下滲，對地下水質構成威脅。此外，施工區(qū)內堆放的瀝青、油料及化學品物質等建筑材料，若保管不善，經雨水沖刷后形成的淋漓水有可能下滲至地下水層，污染地下水水質。橋梁施工過程中，橋墩鉆孔灌注樁基礎作業(yè)使用的護壁泥漿，若與地下環(huán)境接觸并滲入深層地下水，將直接影響地下水質量。預制場和拌和站產生的施工廢水，主要源自施工機械沖洗，其中的SS（懸浮物）濃度高達3 000～5 000 mg/L。隧道施工涌水中，SS及石油類污染物的濃度較高，若此類廢水未經處理而任意排放，將增大地下水質被污染的風險。隧道施工廢水主要成分及濃度見表1。

1.1.2 生活污水

施工人員平均每人日生活用水量按70 L計，污水排放系數(shù)取0.9，按下述公式可計算出每位施工人員每日產生的生活污水量。

QS＝（k·q1 ） /1 000，" " " " " " " " " " " "（1）

其中：QS為每人每日生活污水排放量（t） ；k為生活污水排放系數(shù)（0.6～0.9），取 0.9；q1為每人每日生活用水量定額（L） 。

根據公式（1）計算出施工人員每人每日排放的生活污水量為 0.056 t。據調查，施工營地生活污水主要是施工人員就餐和洗滌產生的污水及糞便水（旱廁），主要含動植物油脂、食物殘渣、洗滌劑等多種有機物。施工營地生活污水成分及濃度見表2。

1.2 水源保護區(qū)地下水環(huán)境評價體系指標選擇

構建地下水環(huán)境評價體系時，在《地下水資源質量標準》（GB/T 14848—2017）所列的20余項影響因素中，需篩選出對評價結果具有實質性影響的因子。由于汞、鉛、鎘等重金屬在地下水中含量極低，并且其分級區(qū)間極小，對整體評價體系沒有實質性作用，因此應優(yōu)先選取在地下水中含量相對較高、分級區(qū)間合理的影響因子作為評價體系的核心指標，從而減少由于影響因素含量過少或分級區(qū)間過小導致的評價結果存在誤差。

基于水源保護區(qū)地下水環(huán)境的現(xiàn)場勘探資料及公路施工過程污染源的分析，結合嚴格的水質分析標準，本文選取了以下8項水質評價的關鍵指標：pH值、總硬度（以CaCO3為主）、氰化物、亞硝酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮（NH3-N）、鐵及六價鉻，以此構建一套具有較強針對性的水源保護區(qū)地下水環(huán)境評價體系。

2 基于熵權-可拓物元法的地下水環(huán)境評價模型

熵是熱力學的一個基本概念，最先由Shannon引入信息論中，用于度量系統(tǒng)的無序性［21］。在信息論中，系統(tǒng)整體的無序性與信息量呈負相關，因此熵值可以用于評估系統(tǒng)的整體狀況［22］。對于某一評價指標，其熵值越小，表明系統(tǒng)越有序，并且該指標在系統(tǒng)評價過程中的作用以及相應的權重也會更大［23］。因此，可利用熵減小主觀判斷對權重大小的影響，從而科學地計算出各評價指標的權重，為多指標系統(tǒng)的綜合評價提供依據。

可拓物元法由我國著名學者蔡文［24］提出，是一種基于可拓數(shù)學和物元理論的數(shù)學分類方法。該方法目前廣泛應用于高速公路交通評價、工程項目評價、施工質量評價等領域?；陟貦?可拓物元法的地下水環(huán)境評價流程見圖1。

熵權-可拓物元法的計算步驟包括確定經典域與節(jié)域、列出待評物元、確定關聯(lián)系數(shù)和綜合關聯(lián)度及確定評價等級等［25］，本文不再展開贅述。

3 基于熵權-可拓物元法的地下水環(huán)境評價模型的應用

3.1 獲取現(xiàn)場地下水樣本

本文選取的10個典型斷面的10組監(jiān)測樣本來源于《青海省加定（青甘界）至海晏（西海）公路環(huán)境影響報告書》［JGH（2016）—752］，現(xiàn)場地下水樣本數(shù)據見表3。地下水環(huán)境評價標準按《地下水環(huán)境質量標準》（GB/T 14848—93 ）執(zhí)行（見表4）。

3.2 熵權與關聯(lián)度的計算

根據熵權-可拓物元法的基本計算原理，分別計算出8個評價指標因子的權重值（見表5），以及各評價指標因子與各段地下水環(huán)境等級的關聯(lián)度，由于樣板的斷面較多，所以選取K60+350段和 K98+725段作為示例，這兩段的評價因子與評價等級的關聯(lián)度分別見表6和表7。

3.3 地下水環(huán)境級別確定

根據表6和表7的關聯(lián)度結果，計算出各段地下水環(huán)境與各段地下水環(huán)境等級的綜合關聯(lián)度（見表8）。根據表8中的數(shù)據，結合最大關聯(lián)度理論，可以確定K60+350段和K98+725段的地下水環(huán)境均為Ⅰ級。

采用本文建立的基于熵權-可拓物元法的地下水環(huán)境評價模型，對表3中的所有樣本進行分級評價，結果見表9。

3.4 對比分析

為驗證基于熵權-可拓物元法的地下水環(huán)境評價模型的適用性及準確性，本文將采用該模型所得的地下水環(huán)境分級結果與平原地區(qū)常用的單因子指數(shù)法及灰色加權關聯(lián)度法獲得的分級結果進行對比分析，結果見表10。從表10可以看出，3種方法均計算得出該地區(qū)50%的采樣點水質達到Ⅰ級，剩余50%達到Ⅱ級。進一步對比發(fā)現(xiàn)，熵權-可拓物元法的結果與單因子指數(shù)法及灰色加權關聯(lián)度法的吻合程度均高達80%，表明三者具有良好的一致性。從宏觀層面看，熵權-可拓物元法與其他兩種方法高度吻合，驗證了其在水源保護區(qū)地下水環(huán)境分級評價中的適用性。然而從微觀層面看，不同方法對各斷面的分析結果不同。單因子指數(shù)法側重于單一因素的評價，主觀性較強，在各個因素相互作用的整體性分析上不及灰色加權關聯(lián)度法和熵權-可拓物元法。在對比分析了同樣考慮評價因子相互作用的灰色加權關聯(lián)度法和熵權-可拓物元法后，我們發(fā)現(xiàn)，盡管灰色加權關聯(lián)度法的計算量小，但是在某些情況下，其可能精度略遜于熵權-可拓物元法。因此，熵權-可拓物元法相較于其他兩種方法，不僅能綜合考量各評價因子之間的相互作用，其計算精度也相對更高，更貼近現(xiàn)場的實際情況。

4 結論

本文研究了水源保護區(qū)地下水環(huán)境影響的綜合評價問題，得出以下結論。

（1）采用單因子指數(shù)法、灰色加權關聯(lián)度法和熵權-可拓物元法對現(xiàn)場地下水環(huán)境進行評估，結果顯示，熵權-可拓物元法計算的分級結果與前兩者的吻合度均高達80%，顯示出較高的準確性與一致性，驗證了其在地下水環(huán)境分析評價中的適用性。

（2）對比分析表明，熵權-可拓物元法相較于單因子指數(shù)法具有顯著優(yōu)勢。具體而言，熵權-可拓物無法能綜合分析和評價系統(tǒng)內各評價因子間的作用，避免了單一因子評價的主觀性和局限性。與灰色加權關聯(lián)度法相比，熵權-可拓物元法通過計算大規(guī)模樣本，不僅提高了評價精度，還能量化當前地下水環(huán)境等級別與其他級別之間的差異。

（3）熵權-可拓物元法的引入降低了評價指標因子賦權的主觀性，并解決了評價指標之間相互影響的問題。同時，綜合關聯(lián)度不僅能反映當前系統(tǒng)地下水環(huán)境的級別，還能揭示當前級別與其他級別之間的差距。同時，提供了水質變化的實時反饋，有助于現(xiàn)場施工單位調整施工措施。

綜上所述，基于熵權-可拓物元法的地下水環(huán)境評價模型適用于水源保護區(qū)地下水環(huán)境影響的綜合評價。

5 參考文獻

［1］張光輝，申建梅，聶振龍，等.區(qū)域地下水功能及可持續(xù)利用性評價理論與方法研究［J］.水文地質工程地質，2006（4）：62-66，71.

［2］王文科，宮程程，張在勇，等.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應研究現(xiàn)狀與展望 ［J］.地球科學進展，2018，33（7）：702-718.

［3］王金哲，張光輝，申建梅，等.地下水功能評價指標選取依據與原則的討論［J］.水文地質工程地質，2008（2）：76-81.

［4］張光輝，申建梅，聶振龍，等.區(qū)域地下水功能及可持續(xù)利用性評價理論與方法［J］.水文地質工程地質，2006（4）：62-66，71.

［5］楊麗芝，張光輝，聶振龍，等.寧夏南部地區(qū)水質形成機制研究［J］.地質論評，2006，52（6）：771-776.

［6］楊志輝，陳鐵牛，劉龍章.基于改進層次分析法的模糊優(yōu)選模型［J］.數(shù)學的實踐與認識，2010，40（10）：25-31.

［7］趙璐，金紅，薛蓮.基于單因子評價法和城市水質指數(shù)法的青島市主要地表水水質評價與排名［J］.中國資源綜合利用，2022，40（2）：68-70.

［8］SINGH S，GHOSH N C，KRISHAN G，et al.Development of indices for surface and ground water quality assessment and characterization for Indian conditions［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2019，191（3）：182.

［9］ MELESE D A.Evaluation of ground water quality with water quality index（WQI）in Woreillu Town，Ethiopia［J］.Journal of Environment and Earth Science，2021，11（1）：47-51.

［10］IP W C，HU B Q，WONG H，et al.Applications of grey relational method to river environment quality evaluation in China［J］. Journal of Hydrology，2009，379（3）：284-290.

［11］TSAKOVSKI S，ASTEL A，SIMEONOV V.Assessment of the water quality of a river catchment by chemometric expertise［J］.Journal of Chemometrics，2010，24（11-12）：694-702.

［12］MELESE D A.Evaluation of ground water quality with water quality index（WQI）in Woreillu Town，Ethiopia［J］.Journal of Environment and Earth Science，2021，11（1）：117-122.

［13］竇小涵，潘葉，王臘春，等.基于模糊綜合優(yōu)化模型的水質評價與重金屬污染健康風險分析——以貴州省銅仁市碧江區(qū)飲用水源地為例［J］.水土保持通報，2022，42（1）：173-183，190.

［14］ICAGA Y.Fuzzy evaluation of water quality classification［J］.Ecological Indicators，2007（7）：710-718.

［15］方運海，鄭西來，彭輝，等.基于模糊綜合優(yōu)化模型的地下水質量評價［J］.地學前緣，2019，26（4）：301-306.

［16］CHANAPATHI T，THATIKONDA S.Fuzzy-based regional water quality index for surface water quality assessment［J］.Practice Periodical of Hazardous，Toxic，and Radioactive Waste Management，2019，23（4）：1-11.

［17］MUSTAPHA A，ABDU A.Application of principal component analysis amp; multiple regression models in surface water quality assessment［J］.Journal of Environment and Earth Science，2012，2（2）：471-478.

［18］DAI B L，HE Y L，LI Y Z，et al.Surface water quality assessment by use of a combination of projection pursuit and principal component analysis［J］.Fresenius Environmental Bulletin，2014，23（7）：1490-1496.

［19］DABGERWAL D K，TRIPATHI S K.Assessment of surface water quality using hierarchical cluster analysis［J］.International Journal of Environment，2016，5（1）：32-44.

［20］馮思靜，姜瀅，宋康，等.基于模糊聚類分析的礦業(yè)城市地表水環(huán)境質量評價［J］.地球與環(huán)境，2013，41（2）：180-184.

［21］倪九派，李萍，魏朝富，等.基于AHP和熵權法賦權的區(qū)域土地開發(fā)整理潛力評價［J］.農業(yè)工程學報，2009，25（5）：202-209.

［22］侯恩科，紀卓辰，車曉陽，等.基于改進AHP和熵權法耦合的風化基巖富水性預測方法［J］.煤炭學報，2019，44（10）：3164-3173.

［23］鄧紅雷，戴棟，李述文.基于層次分析-熵權組合法的架空輸電線路綜合運行風險評估［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2017，45（1）：28-34.

［24］蔡文.物元分析［M］.廣州：廣東高等教育出版社，1987.

［25］田芬芳，王雪蓉，黃耀興.基于多因素可拓物元法的圍巖穩(wěn)定性評價［J］.人民長江，2021，52（S1）：277-280.