云南洱海东侧引水隧道地下水环境负效应探讨

汪亚莉,许 模,张 强,周中海

（1.四川省环科院科技咨询有限责任公司,成都 610000；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059)



云南洱海东侧引水隧道地下水环境负效应探讨

汪亚莉1,许 模2,张 强2,周中海2

（1.四川省环科院科技咨询有限责任公司,成都 610000；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059)

摘 要：为防止隧道施工引起地下水环境恶化,将环境负效应评价体系应用于云南洱海东侧引水隧道工程中。利用AHP层次分析法对环境负效应体系各项指标选取适宜的指标权重,对实例地质条件以及水文地质条件等的分析,并采用模糊综合评判法对洱海东侧引水隧洞工程进行地下水环境负效应评价。评价结果表明:大理某引水隧道在经过萂村段时,造成的地下水环境负效应为Ⅳ级,隧道两侧约5 000 m内将出现地下水位下降,并伴随出现一定范围的地面塌陷和岩溶塌陷,以及明显的地表水系流量减少和井泉点枯竭。研究成果可为该引水隧洞的施工及设计提供参考。

关键词：云南洱海；隧道建设；地下水环境负效应；AHP层次分析法；指标权重；模糊综合评判法

2016,33（02):14-18

1 研究背景

目前隧道建设普遍,地下水涌入隧道会引起严重风险,不仅会使施工速度减慢,而且在处理地下水涌入带来的危害时,将提高施工成本［1］。Vincenzi等［2］通过示踪试验和水文观测对意大利Firenzoula隧道建设地区进行了地下水影响评价,得出隧道排水将对当地生态系统造成严重威胁。由于隧道施工引起的主要水文地质问题在于地下水位下降,会引起周围居民饮用水井干涸［3］。同时也说明了隧道受地下水影响的同时,地下水环境也因隧道而受到影响,随着隧道大量疏干地下水,形成了一系列自然环境的恶化［4-5］。

随着隧道建设技术的提高,隧道的线路选择往往会涉及到一些地下水环境敏感的区域,特别是岩溶地区。《岩溶隧洞地下水环境负效应评价理论与实践》专著中在分析隧道工程建设与地下水环境相互作用关系的基础上,对隧道用水来源进行了识别,从而建立了岩溶隧道地下水环境负效应评价体系［5］。然而该体系主要根据西南地区岩溶隧道的经验总结与研究得出,具有一定的局限性,目前对于云南地区隧道工程暂无针对性研究,因不同地区其环境基础不同,所以不同环境负效应应考虑和重视不同的权重［6］。

故本文通过对洱海以东某隧道进行分析,采用该评价体系,通过具有逐阶层次结构的AHP层次分析法计算出各影响因子的权重,再利用模糊综合评价,定性评价与定量评价相结合,根据最大隶属度原则［7］,确定由于引水隧洞的建设对地下水产生的环境负效应的等级。说明该评价体系在云南洱海以东地区的适用性,并推导引水隧洞影响萂村盆地的主要因素,提出隧洞选线、施工和运营阶段需重视地下水环境负效应以及地下水泄漏区域。

2 地下水环境负效应评价

地下水环境负效应的主要诱因为隧道涌水,该体系在选取评价指标时,主要考虑隧道涌水的有关因素。指标体系在遵循科学性、系统性、可操作性、层次性和定性与定量相结合、动态性与静态性结合的原则上,在结合国内外地下水环境影响评价方面相关研究成果的基础上,采用了综合法和分析法来建立地下水环境负效应评价体系。

该环境负效应评价指标体系建立了由自然地理、地质-水文地质和隧道工程3大子系统和19项具体指标,主要用于评价岩溶地区因隧道疏排水而产生的地下水环境负效应,同时适合岩溶地区已建、在建和拟建隧道的地下水环境负效应评价［5］,评价指标见图1。

地下水环境负效应评价体系中有12个定量指标和7个定性指标,评价等级划分结合国内外有关环境负效应的研究成果,评价等级划分标准见表1。本次评价采用模糊综合评价法,根据AHP获得的二级权重ωi,结合实际工程指标的取值,利用隶属度函数对各指标进行评定计算。其中,定性指标利用模糊数学的二值逻辑（非0则1),确定隶属度；定量指标则根据隶属度函数建立,来确定该指标的隶属度,本文采用岭形隶属函数进行隶属函数的建立［8］。再利用评定计算结果进行一级综合评判,分别对每个因素进行综合评价,建立评判矩阵Rci,再进行二级评价,对一级指标建立评判矩阵Rc,利用一级权重ω进行评判结果运算,B＝ω·Rc,根据最大隶属度原则,在矩阵中选取最大值,相对应的影响等级即为建设区域的环境负效应等级。

图1 隧道地下水负效应评价体系分级层次Fig.1 Classification of evaluation factors for negative effects of groundwater in tunnel

表1 目标层A评价等级划分标准Table 1 Criteria of classifying evaluation result in target layer A

结合目前普遍被工程界接受的等级划分标准,不同评价等级对应环境负效应表现形式见表2。

表2 评价结果等级划分Table 2 Level classification for evaluation results

3 洱海东侧引水隧道权重取值

洱海东侧属于亚热带高原季风气候,日温差大,年温差小,干湿季分明,雨季降雨充沛,而在枯水期,局部地区缺水严重。整体构造属横断山脉南段,在新构造运动的间歇性抬升作用下,伴随着差异性升降运动,形成了切割深度大的山地地形,地势从西北向东南倾斜递降,高原、山地、盆地相间分布。滇西岩溶区,地质构造复杂,山间盆地也较发育,已形成以盆地为汇流中心的水文地质单元,岩溶水在盆地中排泄到地表之后再向大江大河汇流。较西南地区的地质环境,洱海东侧地区更加复杂。因而根据地区基础地质环境,选取合适的权重显得尤为重要。

本文基于西南地区环境负效应体系,利用AHP 法,依据洱海东侧地区地质环境背景特点,将各元素两两按1—9标度对重要性程度进行赋值,从而建立判断矩阵,算出各指标的权重,最后通过一致性检验。通过该方法确定权重值,使得评价过程简单快捷,各指标综合权重见表3。

表3 各指标综合权重Table 3 Comprehensive weights of indexes

4 实 例

4.1 隧道地质状况

拟建滇西某引水隧道位于大理,全长24 km,隧址区地质条件复杂,全段穿越可溶岩长度约为20 km,尤其在萂村段,在地质构造的作用下,地质条件和水文地质条件显得尤为复杂,研究该段岩溶隧道对地下水环境负效应极具意义。

大理位于云贵高原和横断山脉交接处,地势西高东低,隧道在大理的东部（图2),萂村段主要岩层有D1l,D1q,D1k,γπ,Qhpl,D2ch,C1,P1,可溶岩与非可溶岩互层,其中D1l,D1q,D1k,P1为可溶岩地层。D1q以质纯的厚层状石灰岩为主,是暗河溶洞强烈发育的含水层（组),富含岩溶水,而在此处岩层受断裂影响,比较破碎。裸露的D1k以厚层状白云岩及白云质灰岩为主,岩溶发育较均匀,是暗河溶洞中等发育的含水层（组),而覆盖型的D1k和D1l主要为白云质灰岩与灰岩夹碎屑岩,上覆第四系盖层。P1为裸露型暗河溶洞强烈发育的碳酸盐岩岩溶水,以较纯的厚层至块状石灰岩为主,两层整合接触,水力联系密切,岩性均一,质纯性脆。

图2 隧洞周边地质概况Fig.2 Geologic map for areas around the tunnel

萂村段隧道主要构造为自北西向东南延伸的F13挖色—宾居断裂带,同时一些短小断裂发育强烈,致使可溶岩与非可溶岩相互交错呈断块状出露。隧洞穿越2个岩溶水文地质单元,分别为东庄可溶岩水文地质单元和马头山可溶岩水文地质单元。隧洞穿越东庄可溶岩水文地质单元的补给区,受冲沟及河谷切割的作用,地下水主要顺断裂向萂村盆地运移,萂村盆地为该水文地质单元地下水基本排泄点。马头山可溶岩水文地质单元地表溶蚀现象明显,暗河发育,该单元的地下水排泄点为较远处的老太箐暗河出口。

4.2 敏感点概况

引水隧洞设计线路最大埋深为412 m,最小埋深为27.6 m,设计埋深为1 975.83～1 962.05 m,结合隧道穿越地区的地形地貌特征和岩性构造特征,将萂村划为此段隧洞的敏感点。

隧洞位于萂村盆地西侧,最小距离约0.41 km,盆地周围地形高差大,地貌复杂,西部多山,地势总体西高东低。平均海拔为1 860 m,年降水量为600 mm,年蒸发量为1 600 mm,该村村民主要以种植、畜牧业为主。

萂村盆地依附于F13断裂带而生,是断块沿几条平行于断裂陷落形成的盆状地形,在云南断陷盆地是主要的栖居地［9］。沿萂村存在许多地表水沟, HD4＃渣场布置在其西北部,在隧道的建设过程中,需考虑该渣场是否会污染地下水,从而对下游的萂村盆地水质造成影响。

4.3 环境负效应评价

基于上述地质条件和水文地质条件基础,该段隧洞的地下水环境负效应19个评价因子取值如表4。

表4 环境负效应评价因子取值Table 4 Scores of evaluation factors for negative effect on environment

对AHP法确定的一级权重ω和模糊评判确定的评判矩阵Rc进行评判结果运算,得B＝（0.191 6, 0.196 5,0.217 0,0.227 0,0.167 8),评判结果分析,根据最大隶属度原则,在矩阵中选取最大值,即bmax＝0.227 0,相对应的影响等级为Ⅳ级,即该地区的环境负效应等级为较强。

4.4 评价结果

AHP层次法计算权重,说明在该段隧洞地下水环境负效应评价中,多年蒸发量、可溶岩的出露面积、破碎带发育程度、隧道埋深占权重大,分带性占权重最小；该段隧洞发生地下水的环境负效应主要体现为发生明显的涌突水灾害,伴随出现一定范围地面沉降、岩溶塌陷和地表水流量明显减少及大量井泉枯竭；根据该段隧洞的补径排特征,地下水环境负效应影响最大的是萂村,最主要的影响为会疏干作为补给源的上游麻甸箐水库,且盆地上游的HD4＃渣场可能会对地下水水质造成威胁。

5 结 论

（1) AHP法确定权重:研究区主要的地层岩性为可溶岩,可溶岩溶蚀程度高,主要的岩溶形态为石芽、洼地等,56%的可溶岩出露面积利于大气降雨的渗入,有利的地下水补给条件和较发育的断裂带。而由于隧道为深埋型,分带性在该评价体系中控制性不明显,建议深埋型隧洞中,该评价体系中的分带性可忽略。

（2)模糊综合评价地下水环境负效应评价结果:地下水环境负效应评价等级为Ⅳ级,发生环境负效应的主要地区为萂村,主要影响为隧道两侧5 000 m以内的范围会发生地面沉降、岩溶塌陷等,作为萂村补给源的麻甸箐水库可能会造成疏干。

（3)本次对洱海东侧某引水隧道的环境负效应体系研究的成果表明:该评价体系可分析、预测带来地下水环境负效应的主要因素,从而更好地避免重大地下水灾难发生,同时针对不同的地区,需根据基础地质背景,选取合适的权重以便适应环境负效应体系的应用。

参考文献：

［1］ POŞLUK E. Underground Water Problem in Ankara-Istanbul High Speed Railway Construction Tunnel No:36 ［C］∥International Society for Rock Mechanics. Proceedings of ISRM International Symposium-EUROCK 2012, Stockholm, Sweden, May 28-30, 2012:12.

［2］ VINCENZI V, GARGINI A, GOLDSCHEIDER N. Using Tracer Tests and Hydrological Observations to Evaluate Effects of Tunnel Drainage on Groundwater and Surface Waters in the Northern Apennines（Italy)［J］. Hydrogeology Journal, 2009, 17（1):135-150.

［3］ SJOLANDER-LINDQVIST A. Local Identity, Science and Politics Indivisible: The Swedish Wolf Controversy Deconstructed［J］. Journal of Environmental Policy＆Planning, 2008,10（1):71-94.

［4］ 李 国,杜 欣,曾亚武.隧道与地下水环境相互影响分析［J］.中国水运,2008,9（9):263-265.

［5］ 刘 建,刘 丹.岩溶隧道地下水环境负效应评价理论与实践［M］.北京:中国环境出版社,2013.

［6］ 虎维岳.矿山开挖与环境负效应［J］.煤炭学报,1998, 10（5):513-516.

［7］ 田 婧,韩 秀.工程地质环境评价方法［J］.河北理工大学学报, 2007, 29（1): 125-128.

［8］ 李士勇.工程模糊数学及应用［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.

［9］ 谭继中,谭继泽.云南断陷盆地浅循环岩溶水赋存规律初步研究［J］.地质与资源,2003,12（2):91-96.

（编辑:刘运飞)

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

作者简介：汪亚莉（1990-),女,湖北云梦人,硕士研究生,主要从事工程与水文地质研究,（电话)15108448624（电子信箱)wyalihehe01@ sina.com。

收稿日期：2014-9-18;修回日期：2014-11-24

doi:10.11988/ ckyyb.20140811

中图分类号：TV221.2 ; P69

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)02-0014-05