水源保護(hù)區(qū)內(nèi)公路工程施工地下水環(huán)境評(píng)價(jià)研究

摘要：公路工程施工過程中，通常不可避免地對(duì)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(nèi)開展公路工程施工時(shí)，需要開展水源保護(hù)評(píng)價(jià)研究。文章以青海加西公路項(xiàng)目為依托，結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，構(gòu)建了針對(duì)水源保護(hù)區(qū)地下水水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)體系。采用熵權(quán)-可拓物元法作為公路工程施工現(xiàn)場地下水質(zhì)的評(píng)價(jià)模型，并輔以單因子指數(shù)法與灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：采用權(quán)用熵權(quán)-可拓物元法得到的結(jié)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(qiáng)、評(píng)價(jià)精度高的優(yōu)勢。因此，在類似應(yīng)用場景下，推薦優(yōu)先采用熵權(quán)-可拓物元法，以更有效地指導(dǎo)工程實(shí)踐與環(huán)境管理決策。

關(guān)鍵詞：公路工程；綠色施工；水源保護(hù)；熵權(quán)法；可拓物元法

中圖分類號(hào)：X523；X820.3" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）08-0081-05

0 引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，公路工程建設(shè)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(shí)施控制污染，將對(duì)當(dāng)?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(yuǎn)不及污染速度，尤其是廢棄材料對(duì)地下水環(huán)境的滲透污染，給水源保護(hù)區(qū)及周邊生活區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來很多潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，構(gòu)建地下水環(huán)境評(píng)價(jià)體系，對(duì)地下水環(huán)境及水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及評(píng)價(jià)，為后期的監(jiān)管和治理提供依據(jù)，成為公路工程建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。目前，國內(nèi)外針對(duì)地下水環(huán)境影響的研究較少?，F(xiàn)有文獻(xiàn)提出了兩種地下水生態(tài)概念：一是指地下水體系對(duì)植被、濕地等的作用和效應(yīng)；二是地下水在參與自然界水循環(huán)時(shí)，與環(huán)境的物質(zhì)交換以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)和改善［1-2］。王金哲等［3］提出地下水的功能是由驅(qū)動(dòng)因子群、狀態(tài)因子群和響應(yīng)因子群組成的“驅(qū)動(dòng)—狀態(tài)—響應(yīng)”體系，并通過對(duì)一些表象的影響因素進(jìn)行分析，提出針對(duì)西北干旱區(qū)地下水的保護(hù)措施。張光輝等［4］針對(duì)我國北方地區(qū)提出了地下水生態(tài)功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃的理論框架，該框架提出了10項(xiàng)宏觀指標(biāo)，適用于東北、華北等大區(qū)域的地下水功能評(píng)估與區(qū)劃。楊麗芝等［5］針對(duì)干旱半干旱地區(qū)地下水引起的表生生態(tài)效應(yīng)，基于水文地質(zhì)、氣象、地質(zhì)地貌等因素，構(gòu)建了相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外對(duì)于地下水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法主要有層次分析法［6］、單因子判別類評(píng)價(jià)法［7-9］、灰色關(guān)聯(lián)度法［10］、自組織映射法［11］、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)體系各不相同，評(píng)價(jià)體系中需要監(jiān)測的影響因素和樣本需求量較多。而且，當(dāng)前國內(nèi)外的地下水研究均以城區(qū)或平原地區(qū)為背景，針對(duì)高原地區(qū)水源保護(hù)區(qū)特點(diǎn)的評(píng)價(jià)體系尚屬空白。因此，需要針對(duì)高原地區(qū)的污染特征，建立適用于水源保護(hù)區(qū)的地下水環(huán)境評(píng)價(jià)體系。本文依托青海加西公路項(xiàng)目，針對(duì)其途經(jīng)的多處國家水源保護(hù)區(qū)，開展專項(xiàng)地下水環(huán)境評(píng)價(jià)研究?？紤]到該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的高度脆弱性以及對(duì)施工環(huán)保的嚴(yán)格要求，需要針對(duì)水源保護(hù)區(qū)及現(xiàn)場施工情況制定一套行之有效的水源保護(hù)區(qū)地下水環(huán)境評(píng)價(jià)體系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測與科學(xué)評(píng)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(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

1.1 水源保護(hù)區(qū)污染源分析

1.1.1 施工廢水

根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域的地下水文地質(zhì)資料，區(qū)域內(nèi)4處水源保護(hù)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(dòng)中產(chǎn)生的污水及施工含油廢水若未經(jīng)處理而隨意排放，將會(huì)在水源保護(hù)區(qū)內(nèi)蔓延并下滲，對(duì)地下水質(zhì)構(gòu)成威脅。此外，施工區(qū)內(nèi)堆放的瀝青、油料及化學(xué)品物質(zhì)等建筑材料，若保管不善，經(jīng)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(zhì)。橋梁施工過程中，橋墩鉆孔灌注樁基礎(chǔ)作業(yè)使用的護(hù)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(zhì)量。預(yù)制場和拌和站產(chǎn)生的施工廢水，主要源自施工機(jī)械沖洗，其中的SS（懸浮物）濃度高達(dá)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(jīng)處理而任意排放，將增大地下水質(zhì)被污染的風(fēng)險(xiǎn)。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(jì)，污水排放系數(shù)取0.9，按下述公式可計(jì)算出每位施工人員每日產(chǎn)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(jù)公式（1）計(jì)算出施工人員每人每日排放的生活污水量為 0.056 t。據(jù)調(diào)查，施工營地生活污水主要是施工人員就餐和洗滌產(chǎn)生的污水及糞便水（旱廁），主要含動(dòng)植物油脂、食物殘?jiān)?、洗滌劑等多種有機(jī)物。施工營地生活污水成分及濃度見表2。

1.2 水源保護(hù)區(qū)地下水環(huán)境評(píng)價(jià)體系指標(biāo)選擇

構(gòu)建地下水環(huán)境評(píng)價(jià)體系時(shí)，在《地下水資源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）所列的20余項(xiàng)影響因素中，需篩選出對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果具有實(shí)質(zhì)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(jí)區(qū)間極小，對(duì)整體評(píng)價(jià)體系沒有實(shí)質(zhì)性作用，因此應(yīng)優(yōu)先選取在地下水中含量相對(duì)較高、分級(jí)區(qū)間合理的影響因子作為評(píng)價(jià)體系的核心指標(biāo)，從而減少由于影響因素含量過少或分級(jí)區(qū)間過小導(dǎo)致的評(píng)價(jià)結(jié)果存在誤差。

基于水源保護(hù)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(jié)合嚴(yán)格的水質(zhì)分析標(biāo)準(zhǔn)，本文選取了以下8項(xiàng)水質(zhì)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)：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(jià)鉻，以此構(gòu)建一套具有較強(qiáng)針對(duì)性的水源保護(hù)區(qū)地下水環(huán)境評(píng)價(jià)體系。

2 基于熵權(quán)-可拓物元法的地下水環(huán)境評(píng)價(jià)模型

熵是熱力學(xué)的一個(gè)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(fù)相關(guān)，因此熵值可以用于評(píng)估系統(tǒng)的整體狀況［22］。對(duì)于某一評(píng)價(jià)指標(biāo)，其熵值越小，表明系統(tǒng)越有序，并且該指標(biāo)在系統(tǒng)評(píng)價(jià)過程中的作用以及相應(yīng)的權(quán)重也會(huì)更大［23］。因此，可利用熵減小主觀判斷對(duì)權(quán)重大小的影響，從而科學(xué)地計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，為多指標(biāo)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

可拓物元法由我國著名學(xué)者蔡文［24］提出，是一種基于可拓?cái)?shù)學(xué)和物元理論的數(shù)學(xué)分類方法。該方法目前廣泛應(yīng)用于高速公路交通評(píng)價(jià)、工程項(xiàng)目評(píng)價(jià)、施工質(zhì)量評(píng)價(jià)等領(lǐng)域?；陟貦?quán)-可拓物元法的地下水環(huán)境評(píng)價(jià)流程見圖1。

熵權(quán)-可拓物元法的計(jì)算步驟包括確定經(jīng)典域與節(jié)域、列出待評(píng)物元、確定關(guān)聯(lián)系數(shù)和綜合關(guān)聯(lián)度及確定評(píng)價(jià)等級(jí)等［25］，本文不再展開贅述。

3 基于熵權(quán)-可拓物元法的地下水環(huán)境評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用

3.1 獲取現(xiàn)場地下水樣本

本文選取的10個(gè)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(bào)告書》［JGH（2016）—752］，現(xiàn)場地下水樣本數(shù)據(jù)見表3。地下水環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93 ）執(zhí)行（見表4）。

3.2 熵權(quán)與關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

根據(jù)熵權(quán)-可拓物元法的基本計(jì)算原理，分別計(jì)算出8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的權(quán)重值（見表5），以及各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子與各段地下水環(huán)境等級(jí)的關(guān)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(píng)價(jià)因子與評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度分別見表6和表7。

3.3 地下水環(huán)境級(jí)別確定

根據(jù)表6和表7的關(guān)聯(lián)度結(jié)果，計(jì)算出各段地下水環(huán)境與各段地下水環(huán)境等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度（見表8）。根據(jù)表8中的數(shù)據(jù)，結(jié)合最大關(guān)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(jí)。

采用本文建立的基于熵權(quán)-可拓物元法的地下水環(huán)境評(píng)價(jià)模型，對(duì)表3中的所有樣本進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，結(jié)果見表9。

3.4 對(duì)比分析

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

4 結(jié)論

本文研究了水源保護(hù)區(qū)地下水環(huán)境影響的綜合評(píng)價(jià)問題，得出以下結(jié)論。

（1）采用單因子指數(shù)法、灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度法和熵權(quán)-可拓物元法對(duì)現(xiàn)場地下水環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示，熵權(quán)-可拓物元法計(jì)算的分級(jí)結(jié)果與前兩者的吻合度均高達(dá)80%，顯示出較高的準(zhǔn)確性與一致性，驗(yàn)證了其在地下水環(huán)境分析評(píng)價(jià)中的適用性。

（2）對(duì)比分析表明，熵權(quán)-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(quán)-可拓物無法能綜合分析和評(píng)價(jià)系統(tǒng)內(nèi)各評(píng)價(jià)因子間的作用，避免了單一因子評(píng)價(jià)的主觀性和局限性。與灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度法相比，熵權(quán)-可拓物元法通過計(jì)算大規(guī)模樣本，不僅提高了評(píng)價(jià)精度，還能量化當(dāng)前地下水環(huán)境等級(jí)別與其他級(jí)別之間的差異。

（3）熵權(quán)-可拓物元法的引入降低了評(píng)價(jià)指標(biāo)因子賦權(quán)的主觀性，并解決了評(píng)價(jià)指標(biāo)之間相互影響的問題。同時(shí)，綜合關(guān)聯(lián)度不僅能反映當(dāng)前系統(tǒng)地下水環(huán)境的級(jí)別，還能揭示當(dāng)前級(jí)別與其他級(jí)別之間的差距。同時(shí)，提供了水質(zhì)變化的實(shí)時(shí)反饋，有助于現(xiàn)場施工單位調(diào)整施工措施。

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

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