云南洱海東側(cè)引水隧道地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)探討

汪亞莉,許 模,張 強(qiáng),周中海

（1.四川省環(huán)科院科技咨詢有限責(zé)任公司,成都 610000；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059)

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云南洱海東側(cè)引水隧道地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)探討

汪亞莉1,許 模2,張 強(qiáng)2,周中海2

（1.四川省環(huán)科院科技咨詢有限責(zé)任公司,成都 610000；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059)

摘 要：為防止隧道施工引起地下水環(huán)境惡化,將環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系應(yīng)用于云南洱海東側(cè)引水隧道工程中。利用AHP層次分析法對(duì)環(huán)境負(fù)效應(yīng)體系各項(xiàng)指標(biāo)選取適宜的指標(biāo)權(quán)重,對(duì)實(shí)例地質(zhì)條件以及水文地質(zhì)條件等的分析,并采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)洱海東側(cè)引水隧洞工程進(jìn)行地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明:大理某引水隧道在經(jīng)過萂村段時(shí),造成的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)為Ⅳ級(jí),隧道兩側(cè)約5 000 m內(nèi)將出現(xiàn)地下水位下降,并伴隨出現(xiàn)一定范圍的地面塌陷和巖溶塌陷,以及明顯的地表水系流量減少和井泉點(diǎn)枯竭。研究成果可為該引水隧洞的施工及設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：云南洱海；隧道建設(shè)；地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)；AHP層次分析法；指標(biāo)權(quán)重；模糊綜合評(píng)判法

2016,33（02):14-18

1 研究背景

目前隧道建設(shè)普遍,地下水涌入隧道會(huì)引起嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn),不僅會(huì)使施工速度減慢,而且在處理地下水涌入帶來的危害時(shí),將提高施工成本［1］。Vincenzi等［2］通過示蹤試驗(yàn)和水文觀測(cè)對(duì)意大利Firenzoula隧道建設(shè)地區(qū)進(jìn)行了地下水影響評(píng)價(jià),得出隧道排水將對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅。由于隧道施工引起的主要水文地質(zhì)問題在于地下水位下降,會(huì)引起周圍居民飲用水井干涸［3］。同時(shí)也說明了隧道受地下水影響的同時(shí),地下水環(huán)境也因隧道而受到影響,隨著隧道大量疏干地下水,形成了一系列自然環(huán)境的惡化［4-5］。

隨著隧道建設(shè)技術(shù)的提高,隧道的線路選擇往往會(huì)涉及到一些地下水環(huán)境敏感的區(qū)域,特別是巖溶地區(qū)?！稁r溶隧洞地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)理論與實(shí)踐》專著中在分析隧道工程建設(shè)與地下水環(huán)境相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上,對(duì)隧道用水來源進(jìn)行了識(shí)別,從而建立了巖溶隧道地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系［5］。然而該體系主要根據(jù)西南地區(qū)巖溶隧道的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與研究得出,具有一定的局限性,目前對(duì)于云南地區(qū)隧道工程暫無針對(duì)性研究,因不同地區(qū)其環(huán)境基礎(chǔ)不同,所以不同環(huán)境負(fù)效應(yīng)應(yīng)考慮和重視不同的權(quán)重［6］。

故本文通過對(duì)洱海以東某隧道進(jìn)行分析,采用該評(píng)價(jià)體系,通過具有逐階層次結(jié)構(gòu)的AHP層次分析法計(jì)算出各影響因子的權(quán)重,再利用模糊綜合評(píng)價(jià),定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合,根據(jù)最大隸屬度原則［7］,確定由于引水隧洞的建設(shè)對(duì)地下水產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)效應(yīng)的等級(jí)。說明該評(píng)價(jià)體系在云南洱海以東地區(qū)的適用性,并推導(dǎo)引水隧洞影響萂村盆地的主要因素,提出隧洞選線、施工和運(yùn)營(yíng)階段需重視地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)以及地下水泄漏區(qū)域。

2 地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)

地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)的主要誘因?yàn)樗淼烙克?該體系在選取評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),主要考慮隧道涌水的有關(guān)因素。指標(biāo)體系在遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、可操作性、層次性和定性與定量相結(jié)合、動(dòng)態(tài)性與靜態(tài)性結(jié)合的原則上,在結(jié)合國(guó)內(nèi)外地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,采用了綜合法和分析法來建立地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系。

該環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立了由自然地理、地質(zhì)-水文地質(zhì)和隧道工程3大子系統(tǒng)和19項(xiàng)具體指標(biāo),主要用于評(píng)價(jià)巖溶地區(qū)因隧道疏排水而產(chǎn)生的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng),同時(shí)適合巖溶地區(qū)已建、在建和擬建隧道的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)［5］,評(píng)價(jià)指標(biāo)見圖1。

地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系中有12個(gè)定量指標(biāo)和7個(gè)定性指標(biāo),評(píng)價(jià)等級(jí)劃分結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)環(huán)境負(fù)效應(yīng)的研究成果,評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。本次評(píng)價(jià)采用模糊綜合評(píng)價(jià)法,根據(jù)AHP獲得的二級(jí)權(quán)重ωi,結(jié)合實(shí)際工程指標(biāo)的取值,利用隸屬度函數(shù)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定計(jì)算。其中,定性指標(biāo)利用模糊數(shù)學(xué)的二值邏輯（非0則1),確定隸屬度；定量指標(biāo)則根據(jù)隸屬度函數(shù)建立,來確定該指標(biāo)的隸屬度,本文采用嶺形隸屬函數(shù)進(jìn)行隸屬函數(shù)的建立［8］。再利用評(píng)定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一級(jí)綜合評(píng)判,分別對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),建立評(píng)判矩陣Rci,再進(jìn)行二級(jí)評(píng)價(jià),對(duì)一級(jí)指標(biāo)建立評(píng)判矩陣Rc,利用一級(jí)權(quán)重ω進(jìn)行評(píng)判結(jié)果運(yùn)算,B＝ω·Rc,根據(jù)最大隸屬度原則,在矩陣中選取最大值,相對(duì)應(yīng)的影響等級(jí)即為建設(shè)區(qū)域的環(huán)境負(fù)效應(yīng)等級(jí)。

圖1 隧道地下水負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)體系分級(jí)層次Fig.1 Classification of evaluation factors for negative effects of groundwater in tunnel

表1 目標(biāo)層A評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria of classifying evaluation result in target layer A

結(jié)合目前普遍被工程界接受的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),不同評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)環(huán)境負(fù)效應(yīng)表現(xiàn)形式見表2。

表2 評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)劃分Table 2 Level classification for evaluation results

3 洱海東側(cè)引水隧道權(quán)重取值

洱海東側(cè)屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候,日溫差大,年溫差小,干濕季分明,雨季降雨充沛,而在枯水期,局部地區(qū)缺水嚴(yán)重。整體構(gòu)造屬橫斷山脈南段,在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的間歇性抬升作用下,伴隨著差異性升降運(yùn)動(dòng),形成了切割深度大的山地地形,地勢(shì)從西北向東南傾斜遞降,高原、山地、盆地相間分布。滇西巖溶區(qū),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,山間盆地也較發(fā)育,已形成以盆地為匯流中心的水文地質(zhì)單元,巖溶水在盆地中排泄到地表之后再向大江大河匯流。較西南地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境,洱海東側(cè)地區(qū)更加復(fù)雜。因而根據(jù)地區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境,選取合適的權(quán)重顯得尤為重要。

本文基于西南地區(qū)環(huán)境負(fù)效應(yīng)體系,利用AHP 法,依據(jù)洱海東側(cè)地區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景特點(diǎn),將各元素兩兩按1—9標(biāo)度對(duì)重要性程度進(jìn)行賦值,從而建立判斷矩陣,算出各指標(biāo)的權(quán)重,最后通過一致性檢驗(yàn)。通過該方法確定權(quán)重值,使得評(píng)價(jià)過程簡(jiǎn)單快捷,各指標(biāo)綜合權(quán)重見表3。

表3 各指標(biāo)綜合權(quán)重Table 3 Comprehensive weights of indexes

4 實(shí) 例

4.1 隧道地質(zhì)狀況

擬建滇西某引水隧道位于大理,全長(zhǎng)24 km,隧址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,全段穿越可溶巖長(zhǎng)度約為20 km,尤其在萂村段,在地質(zhì)構(gòu)造的作用下,地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件顯得尤為復(fù)雜,研究該段巖溶隧道對(duì)地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)極具意義。

大理位于云貴高原和橫斷山脈交接處,地勢(shì)西高東低,隧道在大理的東部（圖2),萂村段主要巖層有D1l,D1q,D1k,γπ,Qhpl,D2ch,C1,P1,可溶巖與非可溶巖互層,其中D1l,D1q,D1k,P1為可溶巖地層。D1q以質(zhì)純的厚層狀石灰?guī)r為主,是暗河溶洞強(qiáng)烈發(fā)育的含水層（組),富含巖溶水,而在此處巖層受斷裂影響,比較破碎。裸露的D1k以厚層狀白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r為主,巖溶發(fā)育較均勻,是暗河溶洞中等發(fā)育的含水層（組),而覆蓋型的D1k和D1l主要為白云質(zhì)灰?guī)r與灰?guī)r夾碎屑巖,上覆第四系蓋層。P1為裸露型暗河溶洞強(qiáng)烈發(fā)育的碳酸鹽巖巖溶水,以較純的厚層至塊狀石灰?guī)r為主,兩層整合接觸,水力聯(lián)系密切,巖性均一,質(zhì)純性脆。

圖2 隧洞周邊地質(zhì)概況Fig.2 Geologic map for areas around the tunnel

萂村段隧道主要構(gòu)造為自北西向東南延伸的F13挖色—賓居斷裂帶,同時(shí)一些短小斷裂發(fā)育強(qiáng)烈,致使可溶巖與非可溶巖相互交錯(cuò)呈斷塊狀出露。隧洞穿越2個(gè)巖溶水文地質(zhì)單元,分別為東莊可溶巖水文地質(zhì)單元和馬頭山可溶巖水文地質(zhì)單元。隧洞穿越東莊可溶巖水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給區(qū),受沖溝及河谷切割的作用,地下水主要順斷裂向萂村盆地運(yùn)移,萂村盆地為該水文地質(zhì)單元地下水基本排泄點(diǎn)。馬頭山可溶巖水文地質(zhì)單元地表溶蝕現(xiàn)象明顯,暗河發(fā)育,該單元的地下水排泄點(diǎn)為較遠(yuǎn)處的老太箐暗河出口。

4.2 敏感點(diǎn)概況

引水隧洞設(shè)計(jì)線路最大埋深為412 m,最小埋深為27.6 m,設(shè)計(jì)埋深為1 975.83～1 962.05 m,結(jié)合隧道穿越地區(qū)的地形地貌特征和巖性構(gòu)造特征,將萂村劃為此段隧洞的敏感點(diǎn)。

隧洞位于萂村盆地西側(cè),最小距離約0.41 km,盆地周圍地形高差大,地貌復(fù)雜,西部多山,地勢(shì)總體西高東低。平均海拔為1 860 m,年降水量為600 mm,年蒸發(fā)量為1 600 mm,該村村民主要以種植、畜牧業(yè)為主。

萂村盆地依附于F13斷裂帶而生,是斷塊沿幾條平行于斷裂陷落形成的盆狀地形,在云南斷陷盆地是主要的棲居地［9］。沿萂村存在許多地表水溝, HD4＃渣場(chǎng)布置在其西北部,在隧道的建設(shè)過程中,需考慮該渣場(chǎng)是否會(huì)污染地下水,從而對(duì)下游的萂村盆地水質(zhì)造成影響。

4.3 環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)

基于上述地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件基礎(chǔ),該段隧洞的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)19個(gè)評(píng)價(jià)因子取值如表4。

表4 環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)因子取值Table 4 Scores of evaluation factors for negative effect on environment

對(duì)AHP法確定的一級(jí)權(quán)重ω和模糊評(píng)判確定的評(píng)判矩陣Rc進(jìn)行評(píng)判結(jié)果運(yùn)算,得B＝（0.191 6, 0.196 5,0.217 0,0.227 0,0.167 8),評(píng)判結(jié)果分析,根據(jù)最大隸屬度原則,在矩陣中選取最大值,即bmax＝0.227 0,相對(duì)應(yīng)的影響等級(jí)為Ⅳ級(jí),即該地區(qū)的環(huán)境負(fù)效應(yīng)等級(jí)為較強(qiáng)。

4.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

AHP層次法計(jì)算權(quán)重,說明在該段隧洞地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)中,多年蒸發(fā)量、可溶巖的出露面積、破碎帶發(fā)育程度、隧道埋深占權(quán)重大,分帶性占權(quán)重最?。辉摱嗡矶窗l(fā)生地下水的環(huán)境負(fù)效應(yīng)主要體現(xiàn)為發(fā)生明顯的涌突水災(zāi)害,伴隨出現(xiàn)一定范圍地面沉降、巖溶塌陷和地表水流量明顯減少及大量井泉枯竭；根據(jù)該段隧洞的補(bǔ)徑排特征,地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)影響最大的是萂村,最主要的影響為會(huì)疏干作為補(bǔ)給源的上游麻甸箐水庫,且盆地上游的HD4＃渣場(chǎng)可能會(huì)對(duì)地下水水質(zhì)造成威脅。

5 結(jié) 論

（1) AHP法確定權(quán)重:研究區(qū)主要的地層巖性為可溶巖,可溶巖溶蝕程度高,主要的巖溶形態(tài)為石芽、洼地等,56%的可溶巖出露面積利于大氣降雨的滲入,有利的地下水補(bǔ)給條件和較發(fā)育的斷裂帶。而由于隧道為深埋型,分帶性在該評(píng)價(jià)體系中控制性不明顯,建議深埋型隧洞中,該評(píng)價(jià)體系中的分帶性可忽略。

（2)模糊綜合評(píng)價(jià)地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果:地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅳ級(jí),發(fā)生環(huán)境負(fù)效應(yīng)的主要地區(qū)為萂村,主要影響為隧道兩側(cè)5 000 m以內(nèi)的范圍會(huì)發(fā)生地面沉降、巖溶塌陷等,作為萂村補(bǔ)給源的麻甸箐水庫可能會(huì)造成疏干。

（3)本次對(duì)洱海東側(cè)某引水隧道的環(huán)境負(fù)效應(yīng)體系研究的成果表明:該評(píng)價(jià)體系可分析、預(yù)測(cè)帶來地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)的主要因素,從而更好地避免重大地下水災(zāi)難發(fā)生,同時(shí)針對(duì)不同的地區(qū),需根據(jù)基礎(chǔ)地質(zhì)背景,選取合適的權(quán)重以便適應(yīng)環(huán)境負(fù)效應(yīng)體系的應(yīng)用。

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（編輯:劉運(yùn)飛)

Negative Effects of Diversion Tunnel Construction on Groundwater Environment near the East of Erhai Lake in Yunnan

WANG Ya-li1, XU Mo2, ZHANG Qiang2, ZHOU Zhong-hai2
（1.Technical Consultation Company Limited of Sichuan Academy of Environmental Sciences, Chengdu 610000, China；2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Abstract:In order to prevent negative effects of tunnel construction on groundwater environment, we applied an evaluation system to a diversion tunnel project located near the east of Erhai Lake in Yunnan. On the basis of analysing the geological and hydrogeological conditions, we employed analytic hierarchy process（AHP) and fuzzy comprehensive evaluation method to select appropriate index weight and evaluate negative effects on groundwater environment. Results show that when the tunnel goes through Hecun segment of Dali, negative effects of level IV within 5 000 m on both sides of the tunnel and decline of groundwater are caused by tunnel construction. Ground subsidence, karst collapse, obvious surface flow reduction, and wellspring depletion will also take place. The research results offer reference for the construction and design of the diversion tunnel.

Key words:Erhai Lake in Yunnan；tunnel construction；negative effects on groundwater environment；AHP；index weight；fuzzy comprehensive evaluation method

作者簡(jiǎn)介：汪亞莉（1990-),女,湖北云夢(mèng)人,碩士研究生,主要從事工程與水文地質(zhì)研究,（電話)15108448624（電子信箱)wyalihehe01@ sina.com。

收稿日期：2014-9-18;修回日期：2014-11-24

doi:10.11988/ ckyyb.20140811

中圖分類號(hào)：TV221.2 ; P69

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)02-0014-05