生态敏感区公路隧道施工对地下水环境扰动的评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于隧道地下水环境评价技术领域，尤其是涉及一种生态敏感区公路隧道 施工对地下水环境扰动的评价方法。
【背景技术】
[0002] 生态敏感区是指那些对人类生产、生活活动具有特殊敏感性或具有潜在自然灾害 影响，极易受到人为的不当开发活动影响而产生生态负面效应的地区。隧道施工（尤其是 长大隧道施工）引发的涌排水、地面塌陷、环境污染、植被破坏等问题极大程度上干扰和破 坏了生态系统的结构和功能，威胁地下水系统健康。因此，要实现隧道建设的可持续发展， 就必须协调工程建设需求与生态环境承载力之间的关系，实现工程建设发展由需求导向型 和效率导向型向生态环境导向型的转变，实现隧道工程的生态化发展。在了解和掌握评价 区地下水环境现状的基础上，通过工程影响因素识别，把可能涉及的重要水环境扰动因子 从总体上综合起来，对地下水环境影响进行定性或定量分析，建立生态敏感区隧道施工引 起的地下水环境扰动评价指标体系，预测隧道建设对地下水环境的影响程度，合理的控制 隧道涌水量，从而防止因工程建设导致生态环境恶化，对于评价隧道施工过程对地下水环 境扰动程度、范围，指导隧道施工，保护隧址区地表生态环境，实现基础设施建设与社会经 济、生态环境协调发展具有重要的意义。因而，需设计一种方法步骤简单、设计合理且实现 方便、使用效果好的生态敏感区公路隧道施工对地下水环境扰动的评价方法，能简便、快速 对隧道施工过程对地下水环境扰动进行准确评价，以达到对隧道建设对地下水环境的影响 程度进行准确预测的目的。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种生态敏感 区公路隧道施工对地下水环境扰动的评价方法，其方法步骤简单、设计合理且实现方便、使 用效果好，能简便、快速对隧道施工过程对地下水环境扰动进行准确评价。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种生态敏感区公路隧道施工 对地下水环境扰动的评价方法，其特征在于：沿纵向延伸方向将所施工隧道划分为多个隧 道节段，对多个所述隧道节段的施工过程分别进行地下水环境扰动评价，所有隧道节段的 施工过程的地下水环境扰动评价方法均相同；对任一个隧道节段的施工过程进行地下水环 境扰动评价时，包括以下步骤：
[0005] 步骤一、扰动评价指标确定：对该隧道节段施工过程中的三类地下水环境扰动评 价指标分别进行确定；三类所述地下水环境扰动评价指标分别为CU C2和C3, CU C2和C3 分别为地理气象类扰动评价指标、水文地质类扰动评价指标和隧道工程类扰动评价指标；
[0006] 三类所述地下水环境扰动评价指标包括17个扰动评价指标；其中，地理气象类扰 动评价指标包括5个扰动评价指标且5个扰动评价指标分别为C 1UCJX1SXd和Q5, C1U Q2、Q3、Q4和Q5分别为该隧道节段所处施工区域的年平均降雨量、年平均蒸发量、降水 入渗系数、地表水库与湖泊规模和地表汇水面积；水文地质类扰动评价指标包括6个扰动 评价指标且6个扰动评价指标分别为C2U C22、C23、C24、C25和C26, C2U C22、C23、C24、C25和 C26分别为该隧道节段的地层岩性、洞顶水头压力、岩体节理裂隙发育程度、地下水位埋深、 地下水化学类型和岩石透水性；隧道工程类扰动评价指标包括6个扰动评价指标且6个扰 动评价指标分别为C 3U C32、C33、C34、C35和C36, C3U C32、C33、C34、C35和C36分别为该隧道 节段的与生态敏感区水力联系、隧道涌水量、隧道长度、隧道最大埋深、突涌水段落比例和 隧道施工方法；其中，涌突水段落比例为该隧道节段中涌突水节段的总长度占该隧道节段 总长度的比例；
[0007] 17个扰动评价指标包括11个定量指标和6个定性指标；11个所述定量指标分别 为 C1U Q2、Q3、C1L Q5、C22、C24、C32、C33、C 34 和 C35 ;6 个所述定性指标分别为 C2U C23、 C25、C26、C31 和 C36 ;
[0008] 其中，对11个所述定量指标进行确定时，对各定量指标的数值分别进行确定；对 C2I进行确定时，根据该隧道节段的围岩成分，对该隧道节段的围岩种类进行确定；对C 26进 行确定时，通过测定该隧道节段围岩的渗透系数，对该隧道节段围岩的透水性强弱程度进 行确定；对C 3I进行确定时，根据该隧道节段所处施工区域与生态敏感区之间的间距L，对 该隧道节段与生态敏感区水力联系的强弱程度进行确定，且间距L的数值越大，该隧道节 段与生态敏感区水力联系越弱；对C 36进行确定时，对该隧道节段施工过程中采用的N种类 型隧道开挖施工方法的开挖长度比例分别进行确定，其中每种类型隧道开挖施工方法的开 挖长度比例为该类型隧道开挖施工方法的开挖长度占该隧道节段总长度的比例；其中N为 正整数且I < N < 5, N种类型隧道开挖施工方法中第η种类型隧道开挖施工方法的开挖长 度比例记作Wn，n为正整数且η = 1、2、"·、Ν;
[0009] 步骤二、扰动评价指标等级确定：根据预先设定的扰动评价指标等级划分标准，对 步骤一中所确定的17个所述扰动评价指标的等级分别进行确定；
[0010] 17个所述扰动评价指标按照对地下水环境扰动的强弱程度均划分为五个等级，五 个所述等级分别为等级I、II、III、IV和V ;其中，等级I表示扰动程度为弱且其编号为1， 等级II表示扰动程度为较弱且其编号为2,等级III表示扰动程度为中等且其编号为3,等级 IV表示扰动程度为较强且其编号为4,等级V表示扰动程度为强且其编号为5 ;
[0011] 其中，对c36的等级进行确定时，对该隧道节段施工过程中采用的N种类型隧道开 挖施工方法的等级分别进行确定；
[0012] 步骤三、扰动评价指标隶属度确定：对步骤一中所确定的17个所述扰动评价指标 的隶属度分别进行确定，并获得三个隶属度矩阵私和R 3;
[0013] 其中，隶属度矩阵R1为地理气象类扰动评价指标的隶属度矩阵且其为5X5矩阵； 隶属度矩阵
，隶属度矩阵R1的第i行第j列元素记作r V rij为地理 气象类扰动评价指标中第i个扰动评价指标对编号为j的等级的隶属度；其中i为正整数 且 i = 1、2、3、4、5, j 为正整数且 j = 1、2、3、4、5 ;
[0014] 隶属度矩阵R2为水文地质类扰动评价指标隶属度矩阵且其为6X5矩阵；隶属度
，隶属度矩阵R2的第P行第j列元素记作R w，Rw为水文地质类 扰动评价指标中第P个扰动评价指标对编号为j的等级的隶属度；其中P为正整数且P = 1、2、3、4、5、6 ;
[0015] 隶属度矩阵R3为隧道工程类扰动评价指标隶属度矩阵且其为6X5矩阵；隶属度
隶属度矩阵R3的第P行第j列元素记作R' w，R' w为隧道 工程类扰动评价指标中第P个扰动评价指标对编号为j的等级的隶属度；
[0016] 对步骤一中所确定的11个所述定量指标的隶属度进行确定时，均先采用梯形分 布确定隶属度函数，再利用所确定的隶属度函数对各定量指标对编号为j的等级的隶属度 进行计算；
[0017] 对C2I的隶属度进行确定时，根据步骤二中所确定的C2I的等级进行确定，R lm= 1 且Rlm.= 0;其中，m为正整数且m为步骤二中所确定的C2I的等级编号；m'为正整数，m' = 1、2、…、5 且 m' 辛 m ;
[0018] 对C23的隶属度进行确定时，根据步骤二中所确定的C23的等级进行确定，R 2。= 1 且&，=0;其中，c为正整数且c为步骤二中所确定的C23的等级编号；c'为正整数，c' = 1、2、…、5 且 c' 乒 c ;
[0019] 对C25的隶属度进行确定时，根据步骤二中所确定的C25的等级进行确定，R 5h= 1 且R5h，=〇;其中，h为正整数且h为步骤二中所确定的C25的等级编号；h'为正整数，h' = 1、2、…、5 且 h' 乒 h;
[0020] 对C26的隶属度进行确定时，根据步骤二中所确定的C26的等级进行确定，R 6k= 1 且R6k，=〇;其中，k为正整数且k为步骤二中所确定的C26的等级编号；k'为正整数，k' = 1、2、…、5 且 k' 乒 k;
[0021] 对C3I的隶属度进行确定时，根据步骤二中所确定的C3I的等级进行确定，R' lb = 1且R' lb，= 〇 ;其中，b为正整数且b为步骤二中所确定的C3I的等级编号；b'为正整数，b' =1、2、..·、5 且 b' 辛 b ;
[0022] 对C36的隶属度进行确定时，根据步骤二中所确定的N种类型隧道开挖施工方法 的等级进行确定；R' 6n= Wn，Wn为步骤一中确定的第η种类型隧道开挖施工方法的开挖长度 比例；R' 6η，= 0, η'为正整数，η' = 1、2、…、5且η'辛η ;
[0023] 步骤四、扰动评价指标主观权重计算：采用层次分析法对CU C2和C3的主观权重 分别进行计算；其中，CU C2和C3的主观权重分别记作Wl、《2和W 3;同时，采用层次分析法 对Cl中5个扰动评价指标、C2中6个扰动评价指标和C3中6个扰动评价指标的主观权重 分别进行计算；其中，Cl中5个扰动评价指标的主观权重分别记作W1UwJhWjhW1A和％5， C2中6个扰动评价指标的主观权重分别记作w2l、w22、w23、w 24、w25和w26, C3中6个扰动评 价指标的主观权重分别记作w3l、w32、w33、w 34、w35和w36 ;
[0024] 本步骤中，对CU C2和C3的主观权重分别进行计算时，构造出的判断矩阵为第一 判断矩阵B1，所述第一判断矩阵Bl为3阶矩阵；对Cl中5个扰动评价指标的主观权重进 行计算时，构造出的判断矩阵为第二判断矩阵B2,所述第二判断矩阵B2为5阶矩阵；对C2 中6个扰动评价指标的主观权重进行计算时，构造出的判断矩阵为第三判断矩阵B3,所述 第三判断矩阵B3为6阶矩阵；对C3中6个扰动评价指标的主观权重进行计算时，构造出的 判断矩阵为第四判断矩阵M，所述第四判断矩阵M为6阶矩阵；
[0025] 步骤五、扰动评价指标客观权重计算：利用步骤四中所述的第一判断矩阵B1，且 采用熵权法计算出CU C2和C3的客观权重μ r μ 2和μ 3;利用步骤四中所述的第二判断 矩阵Β2,且采用熵权法计算出Cl中5个扰动评价指标的客观权重P 1U μ 2、μ J、μ 4和 μ ;利用步骤四中所述的第三判断矩阵Β3,且采用熵权法计算出C2中6个扰动评价指标 的客观权重μ21、μ 22、μ23、μ24、以25和μ26;同时，利用步骤四中所述的第四判断矩阵 Β4,且采用熵权法计算出C3中6个扰动评价指标的客观权重μ31、μ32、μ33、μ 34、μ35和 μ36 ;
[0026] 步骤六、扰动评价指标组合权重计算：根据步骤四中计算得出的CU C2和C3的 主观权重《2和W3以及步骤五中计算得出的CU C2和C3的客观权重μ η μ 2和μ 3， 且按照公式Aq= a iyq+(l-ai)Wq(l)，分别计算得出CU C2和C3的组合权重λ1Ν λ2 和λ3，获得第一组合权重向量T且T= U1, λ2, λ3);式⑴中，q为正整数且q= 1、 2、3 ;将步骤四中计算得出的CU C2和C3的主观权重Wl、《2和w 3按照从小到大的顺序进 行排序，排序后记作w/、W2'和w3'，且 Wl' < W2' <w3' ； CI1为主客观权重间差异系数且
[0027] 根据步骤四中计算得出的Cl中5个扰动评价指标的主观权重和步骤五中计 算得出的Cl中5个扰动评价指标的客观权重，且按照公式λ lS = α 2 μ lS+(l_ a 2) W1S (2)，分别计算得出Cl中5个扰动评价指标的组合权重A1U λρ、λ。、人^和λ#， 获得第二组合权重向量TjT1= (λ山λ λ J，λ λ j);式（2)中，s为正整数 且S = 1、2、3、4、5，A1S为Cl中第s个扰动评价指标的组合权重，μρ为步骤五中计 算得出的Cl中第s个扰动评价指标的客观权重，W 1S为步骤四中计算得出的Cl中第s 个扰动评价指标的主观权重；将步骤四中计算得出的Cl中5个扰动评价指标的主观权 重W1U wj、wj、wj和wj按照从小到大的顺序进行排序，排序后记作W1]/、wj'、wj'、 w#和^5'，且W1]/〈wj'〈wj'〈wj' <Wi5' ；a2为主客观权重间差异系数且
[0028] 根据步骤四中计算得出的C2中6个扰动评价指标的主观权重和步骤五中计 算得出的C2中6个扰动评价指标的客观权重，且按照公式λ#' =α3μ28' +(I-Ci3) W2Sr (3)，分别计算得出C2中6个扰动评价指标的组合权重λ 21、λ 22、λ 23、λ 24、λ 25和 入26，获得第三组合权重向量！'2且1'2=(人 21，人22，人23，人24，人25，人 26);式（3)中，8' 为正整数且V =1、2、3、4、5、6, λρ'为C2中第V个扰动评价指标的组合权重，y2s' 为步骤五中计算得出的C2中第s'个扰动评价指标的客观权重，w2s'为步骤四中计算得出 的C2中第s'个扰动评价指标的主观权重；将步骤四中计算得出的C2中6个扰动评价指 标的主观权重w 2l、w22、w23、w24、w25和w 26按照从小到大的顺序进行排序，排序后记作w2l'、
为主客观 权重间差异系数且
[0029] 根据步骤四中计算得出的C3中6个扰动评价指标的主观权重和步骤五中计 算得出的C3中6个扰动评价指标的客观权重，且按照公式λ#' =α4μ38' +(I-Ci4) W3S' (4)，分别计算得出C3中6个扰动评价指标的组合权重λ 31、λ 32、λ 33、λ 34、λ 35和 入36，获得第四组合权重向量！'3且1'3=(人 31，\32，人33，人34，人35，人 36);式（4)中，8' 为正整数且V =1、2、3、4、5、6, λρ'为C3中第V个扰动评价指标的组合权重，y3s' 为步骤五中计算得出的C3中第s'个扰动评价指标的客观权重，w 3s'为步骤四中计算得出 的C3中第s'个扰动评价指标的主观权重；将步骤四中计算得出的C3中6个扰动评价指 标的主观权重w 3l、w32、w33、w34、w35和w 36按照从小到大的顺序进行排序，排序后记作w3l'、
4为主客观 权重间差异系数且
[0030] 步骤七、模糊综合评价：根据步骤三中所述的隶属度矩阵私和R 3，并结合步骤 六中所述的第二组合权重向量T1、第三组合权重向量T2和第四组合权重向量T 3，按照公式 C1= T1R1 (5), C2= T2R2 (6)和C3= T 3R3 (7)，分别计算得出地理气象类指标隶属度向 量C1、水文地质类指标隶属度向量C2和隧道工程类指标隶属度向量C 3，并获得扰动评价指 标隶属度矩阵R且
；再结合步骤六中所述的第一组合权重向量T，按照公式C = TR (8)，计算得出该隧道节段的模糊综合评价矩阵C且C= ((31，(32，(：3，(34，(35)，并利用模 糊综合评价矩阵C对该隧道节段施工过程对地下水环境扰动的影响程度进行评价；该隧道 节段施工过程对地下水环境扰动的影响程度分为五个等级且五个等级分别为影响等级I、 II、III、IV和V，cl、c2、c3、c4和c5分别为评价出的影响等级I、II、III、IV和V的比重。
[0031] 上述生态敏感区公路隧道施工对地下水环境扰动的评价方法，其特征是：步骤 七中模糊综合评价完成后，还需进行有效性检验；实际进行有效性检验时，先根据公式
计算得出最大隶属度α ;其中β为步骤七中cl、c2、c3、c4和c5中的第一大 数值，γ为cl、c2、c3、c4和c5中的第二大数值；再对α进行数值比较：当α < 〇. 5时， 采用加权平均原则对该隧道节段施工过程对地下水环境扰动的影响程度进行评价；否则， 采用最大隶属度原则对该隧道节段施工过程对地下水环境扰动的影响程度进行评价。
[0032] 上述生态敏感区公路隧道施工对地下水环境扰动的评价方法，其特征是：步骤四 中所述层次分析法为九标度法。
[0033] 上述生态敏感区公路隧道施工对地下水环境扰动的评价方法，其特征是：步骤一 中进行扰动评价指标确定时，根据该隧道节段所处施工区