内梅罗指数法在隧道施工对景区环境影响评价中的修正与应用

王景春， 薛佳龙， 黄文化， 刘 超， 陈思博

(1. 石家庄铁道大学土木工程学院， 河北 石家庄 050043； 2. 石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所， 河北 石家庄 050043； 3. 秦皇岛路桥建设开发有限公司， 河北 秦皇岛 066000；4. 秦皇岛市公路工程建设管理处， 河北 秦皇岛 066000)

0 引言

随着我国隧道建设的不断发展，越来越多的隧道会穿过旅游景区，由此带来的环境影响问题不容忽视。在旅游景区修建隧道时，可能会引起景区空气质量、水土资源以及建筑结构等发生改变，甚至会造成严重的环境问题。因此，在隧道施工时及时判断其对周围环境影响程度并采取有效治理措施显得尤为重要。

目前，许多专家学者针对隧道施工对周围环境影响评价进行了深入研究，提出了很多评价方法和模型。梁军平等[1]利用模糊层次分析法研究岩溶地区隧道施工对地表水及地下水环境的影响，结合"木桶理论"明确施工中对水污染最严重的环节；Liu等[2]基于CFD技术和现场监测方法研究隧道施工中粉尘的扩散和污染距离，并提出利用空气幕式通风装置降低粉尘污染的措施；郭靖等[3]通过有限元模型分析隧道对地表临近既有建筑的影响，发现当建筑在与隧道中心线水平距离为2倍隧道直径位置时，隧道对建筑的影响可以忽略；冯文生等[4]采用模糊层次分析法评价雪山梁隧道施工对黄龙景区的影响，结果表明景区受到较轻微影响；刘志春等[5]提出"限量排放"必要性评价等级标准，对隧道与地下水环境相互作用进行评价，并确定各等级对应的建议措施以指导施工。

以往研究隧道施工对周围环境的影响多采用单指标评价法、模糊综合评价法、1-9标度法等。在这些研究方法中，单指标评价法存在反映信息不够全面、容易失真的缺点；模糊综合评价法和1-9标度法则主观性较强，缺乏客观性。鉴于此，本文采用博弈论组合赋权法融合评价指标的主观权重和客观权重进而得到综合权重，弥补了单种赋权法主观干扰或完全取决于样本数据的缺陷。同时，首次运用改进的内梅罗指数法构建旅游景区隧道施工对周围环境影响评价模型。该模型具有综合性和科学性，并且计算简单，利于推广使用，可为评价旅游景区隧道建设对周围环境影响提供一个全新途径。

1 景区环境影响评价指标体系

1.1 评价指标体系的确定

旅游景区隧道工程的建设对周围环境影响因素众多，评价指标的选取及其权重的确定成为隧道建设对景区环境影响程度评价的关键。在众多影响因素中，噪声污染[6]、粉尘污染[7]、固体废物污染[8]、废水污染[9]和人文景观建筑破环[10]对景区环境影响尤为显著。钻孔、支护、搅拌和运输等隧道施工流程中产生的噪声往往会对周围环境造成严重的噪声污染；隧道开挖和支护过程会产生大量的粉尘，粉尘随通风换气设备进入大气，使周围大气粉尘质量浓度升高，造成粉尘污染；建筑垃圾、开挖弃渣等堆积占地不仅对景区观赏性造成不良影响，还会危害植物生长，使景区生态环境质量下降，甚至对土地造成不可逆的污染；隧道建设项目污水排放，主要是施工期污水和生活污水等，含有大量有毒有害物质，若处理不当会影响景区水质，引发废水污染问题；隧道开挖过程中引起的地表不均匀沉降也会对人文景观建筑的稳定性产生不利影响。旅游景区隧道施工对周围环境影响因素较多，受客观条件的制约，不可能将所有指标都反映到评价体系中，本着抓住主要指标、忽略次要指标的普适性原则，建立如图1所示的评价指标体系。

图1 旅游景区环境评价指标体系

1.2 评价等级的确定

针对隧道施工对景区环境影响特征，根据国内外相关景区隧道施工的统计资料和JTG F60-2009《公路隧道施工技术规范》[11]、GB 3838-2002《地表水环境质量标准》[12]、GB 3096-2008《声环境质量标准》[13]、GB 3095-2012《环境空气质量标准》[14]等文件，将旅游景区隧道建设对周围环境质量影响程度从优到劣分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，如表1所示。

表1 隧道建设对景区环境影响指标分级标准

Table 1 Classification standards of environmental impact indices of tunnel construction on scenic spot

评价指标划分等级Ⅰ Ⅱ ⅢⅣ噪声污染c1/dB0～3030～6060～9090～150粉尘污染c2/(mg/m3)0～11～22～44～50固体废弃物污染c3/(t/d)0～1010～3030～6060～100废水污染c4/(m3/d)0～1717～3030～4545～60建筑物不均匀沉降c5/mm0～22～1010～2020～40

1.3 评价指标无量纲化处理

为使数值单位各不相同的指标具有可比性，需对各指标进行无量纲化处理。本文所选取的隧道工程对景区环境影响程度评价指标均是正向的，即指标数值越大，景区环境受影响程度越大。

无量纲化处理方法为

(1)

式中：ci为评价指标数值；cimin为评价指标最小值；cimax为评级指标最大值。

处理后各指标见表2。

表2 隧道建设对景区环境影响指标无量纲化分级

Table 2 Non-dimensional classification of impact indices of tunnel construction on scenic area environment

评价指标 划分等级ⅠⅡⅢⅣ噪声污染c10～0.200.20～0.400.40～0.600.60～1粉尘污染c20～0.020.02～0.040.04～0.080.08～1固体废弃物污染c30～0.100.10～0.300.30～0.600.60～1废水污染c40～0.280.28～0.500.50～0.750.75～1建筑物不均匀沉降c50～0.050.05～0.250.25～0.500.50～1

2 改进的内梅罗指数评价模型

2.1 内梅罗指数法简介

内梅罗指数法[15]是当前综合环境影响评价领域中最常用方法之一，广泛应用于众多领域，并且已形成了较完整的理论体系。它能够对整体环境影响做出定量描述，只要项目、标准、监测结果可靠，其综合评价就能在总体上反映工程对环境的影响程度。其计算公式如下：

(2)

Fmax=maxFi；

(3)

(4)

式(2)-(4)中：Pj为内梅罗指数；Fmax为各项评价指标评分最大值；Fave为各项评价指标评分平均值；Fi为各项评价指标评分值；n为评价指标项数。

将表2中每个划分等级的各个评价指标区间最大值和最小值依次代入式(2)-(4)，对应得到每个综合评价等级的区间，以量化评价旅游景区隧道施工对周围环境的影响程度。同时，结合类似工程资料、规范及相关文献对各评价等级的表现形式进行更直观的描述。各评价等级区间及其对应的表现形式如表3所示。

无量纲化处理主要针对经过处理后，划分等级标准区间近似的指标，例如： 噪声污染、固体废弃物污染和废水污染3项指标实测值在评价计算中存在量纲不同和代数差较大的问题，通过无量纲化处理便可解决。但是，粉尘污染和建筑不均匀沉降在无量纲化处理后仍然与上述3项指标在等级划分标准区间上存在一个数量级的差距。将传统内梅罗指数法应用于隧道施工对周围环境影响评价领域时，会忽略实测值较小的粉尘污染和建筑不均匀沉降指标的作用。然而，此类指标实测值虽小，却对景区环境影响极大，在传统内梅罗指数评价计算中其权重作用并未得到体现。

表3 景区环境影响评价等级与表现形式对应表

Table 3 Correspondence between environmental impact grades of scenic spots and their characters

评价等级内梅罗指数Pj区间各等级对应的表现形式Ⅰ0～0.31 环境基本未受到干扰,地表建筑物及隧道稳定安全Ⅱ0.31～0.58 环境受到较小的干扰,地表建筑物及隧道因地表不均匀沉降发生轻微变形Ⅲ0.58～0.90 环境受到较大的干扰,地表建筑物及隧道因地表不均匀沉降发生部分脱落Ⅳ0.90～1.00 环境受到很大的干扰,地表建筑物及隧道因地表不均匀沉降发生坍塌

在景区隧道施工对周围环境评价过程中，若某指标污染等级达到Ⅲ级时，会对景区环境造成至关重要的影响。由表1或表2可知，最大值指标可能并非污染最严重的评价指标，即数值大小并不等价于污染程度大小，而传统内梅罗指数法则更突出最大值指标对环境评价的影响，导致评价中最大值的单一性，与工程实际不太符合。因此，传统内梅罗指数法中最大值的单一性在旅游景区隧道施工对周围环境影响评价中显然不太客观。

针对上述传统内梅罗指数法在隧道施工对周围环境评价中存在指标间代数差影响较大和最大值单一性的问题，本文引入评价指标综合权重来修正平均值Fave，以充分考虑指标的重要性，消除指标间代数差过大而影响景区环境评价结果的现象；同时，考虑了污染等级较高指标对景区环境影响的关键性，修正公式中的最大值Fmax，使其更符合景区隧道工程对周围环境影响的实际情况。

2.2 综合权重确定方法研究

博弈论组合赋权法[16]是在不同赋权方法所得权重值之间寻求妥协或一致，使指标权重与最优权重偏差最小，从而得到更合理的组合权重。该方法对不同赋权方法的优化组合弥补了单一赋权的缺陷，其计算流程如下。

假设用N种方法对各评价指标赋权，从而得到N个指标权重向量，构造一个基本权重向量集W={w1，w2，...，wN}，将这N个权重向量进行任意线性组合

(5)

式中：w为综合权重向量；αk为权重向量组合系数；wk为第k种赋权方法的权重向量。

对权重向量组合系数αk进行优化，使w和各wk的离差极小化，进而获得最满意的综合权重向量w*。

导出对策模型

(6)

依据式(6)导出对策模型的最优化一阶导数：

(7)

计算得到权重组合系数(α1，α2，...，αN)，对其进行归一化处理得到(α1*，α2*，...，αN*)，将归一化后的权重组合系数代入式(5)得最满意的综合权重向量

(8)

式中：w*=(w1*，w2*，...，wn*)为n项评价指标最满意的综合权重向量；αk*为归一化后的权重向量组合系数。

2.3 改进的内梅罗指数法

通过对最大值Fmax和平均值Fave进行修正以克服传统内梅罗指数法在环境综合评价中所存在的缺陷。

若某一评价指标等级劣于Ⅲ级(包括Ⅲ级)表明隧道施工过程中该指标对景区环境影响超出合理范围，将此类指标定义为关键指标。关键指标对隧道周围环境影响起到决定性作用。为使景区环境评价更加客观合理，需将环境影响超出正常范围内的关键指标考虑到最大值中，即将最大值Fmax和关键指标平均值Fw进行综合考虑：

(9)

(10)

由于评价指标在隧道施工对景区环境影响评价中所占综合权重各不相同，因此，为突出每个评价指标的重要性，需将算术平均值修正为加权平均值

(11)

改进的内梅罗指数

(12)

3 工程实例

3.1 工程概况

老龙头隧道位于秦皇岛市山海关老龙头景区，地处旅游景区且下穿古长城，属于河北省旅游资源相当丰富的区域。隧道范围为K1+500～+930，全长430 m，隧道埋深为5～8 m，属超浅埋隧道，设计为连拱双向4车道Ⅰ 级公路隧道。表层为粉质黏土及沙砾石土，开挖层为强风化花岗变粒岩，围岩较为破碎，围岩自稳能力较差。隧道区内未见泉水，地下水埋深4.5～8.5 m。

3.2 老龙头隧道评价指标量化结果

通过对老龙头隧道工程周围环境影响评价指标的监控量测和数值模拟，将评价指标进行量化。其中，噪声污染和粉尘污染是在洞口分别设置噪声检测仪和激光粉尘仪进行日常监测，再取其平均值作为计算数据；固体废弃物和废水是对每日排放量进行统计和记录；长城的不均匀沉降则是根据勘察资料及支护方案等建立有限元模型，计算其沉降量。各指标量化结果如表4所示。

表4 老龙头隧道评价指标量化结果

Table 4 Quantitative results of assessment indices of Laolongtou Tunnel

评价指标量化结果无量纲化噪声污染c190 dB0.60粉尘污染c25 mg/m30.10固体废弃物污染c320 t/d0.20废水污染c440 m3/d0.67长城不均匀沉降c54 mm0.10

3.3 权重值的确定

采用层次分析法[17]对各评价指标之间的重要性等级进行评判，确定各评价指标主观权重，建立判断矩阵

可得判断矩阵A的最大特征值λmax=5.13，将其对应的特征向量进行归一化，进而得到各评价指标的主观权重向量w1=(0.181，0.140，0.274，0.053，0.352)。

采用熵权法[18]确定各评价指标客观权重。由表4可知，标准化矩阵B=(0.60，0.10，0.20，0.67，0.10)，对其进行归一化处理，然后根据熵权法计算公式得到各指标权重向量w2=(0.190，0.192，0.216，0.104，0.298)。

根据博弈论组合赋权法公式(5)-(7)得到权重组合系数α1=0.736 4，α2=0.573 6，并对其归一化可得α1*=0.562 1，α2*=0.437 9。将主客观权重向量和归一化组合权重系数代入式(8)确定各评价指标最满意的综合权重向量w*=(0.185，0.163，0.249，0.075，0.328)。

3.4 内梅罗指数综合评价

采用改进的内梅罗指数法对老龙头隧道工程周围环境影响程度评价结果如下：

3.5 评价结果分析

改进的内梅罗指数法对老龙头隧道周围环境影响程度的评价与传统内梅罗指数法评价对比结果如表5所示。

表5 老龙头景区环境影响等级的内梅罗指数法评价结果

Table 5 Assessment results of environmental impact grade of Laolongtou Scenic Spot by Nemerow index method

评价方法指数Pj环境影响等级传统内梅罗指数法0.647Ⅲ改进内梅罗指数法0.381Ⅱ

由表5可以看出内梅罗指数法改进前后对老龙头景区环境受影响程度评价结果有明显区别。传统内梅罗指数法认为老龙头景区受隧道施工影响较为严重，而改进的内梅罗指数法认为隧道施工对景区影响在可控范围内。

由表1隧道施工对景区环境影响指标分级标准可知，在老龙头隧道施工过程中，有3项评价指标在Ⅲ-Ⅳ级，但距离标准上限还有较大的距离，并且这些评价指标所占权重较小。传统内梅罗指数法往往忽略权重的影响，将老龙头隧道工程对周围环境扰动程度定为Ⅲ级显然与实际情况不符。对于传统的内梅罗指数法，单纯从数学公式上看，最大值Fmax和平均值Fave地位相同，但由于在景区环境综合评价计算中，评价指标间代数差较大，造成Fmax往往占绝对优势，淡化了Fave对最终评价结果的影响，使评价结果不能有效地反映出老龙头隧道施工对景区环境影响情况，降低了环境质量评价的客观性。而改进的内梅罗指数法充分考虑了评价指标的权重并修正了最大值Fmax和平均值Fave，使各评价指标都能得到表达，所得老龙头景区环境评价更为客观。

评价结果表明老龙头隧道施工对景区环境影响程度为Ⅱ级，说明老龙头隧道施工会对景区环境造成轻度影响，但影响程度有限，同时在施工过程中施加有效的环保措施，并不会对周围环境造成大范围破坏。

为了减少隧道施工对景区环境的破坏以及避免竣工后因人为因素而造成环境污染，可在施工期设置排水降噪等环境保护措施。例如： 施工期的污水应集中排放，并专门设计污水沉淀池使污水经过沉淀、过滤、化学处理等措施减少污水中有毒有害物质，保护水源；设置截水明槽(见图2)、排水沟和铺设EVA防水卷材等，防止污水、雨水下渗污染地下水；洞口边仰坡开挖以弱爆破为主，并在隧道四周墙面和吊顶做HF无机复合吸声材料(见图3)，通过吸声降低整个隧道的混响时间，改善隧道的声学缺陷等。

图2 截水明槽

图3 HF无机复合吸声材料

4 结论与讨论

本文针对旅游景区隧道施工对周围环境影响的特点，建立了隧道施工对景区环境影响的评价指标体系，并在老龙头隧道建设的实际工程中应用改进的内梅罗指数法对景区环境影响程度进行评价。主要结论如下：

1)针对传统内梅罗指数法中指标代数差过大而忽略数值较小指标的弊端，引入评价指标综合权重修正平均值Fave，避免了废水指标权重小数值大以及粉尘、长城变形指标权重大数值小而影响评价结果准确性；结合隧道施工对环境影响的实际情况，利用关键指标平均值修正传统内梅罗指数法中的最大值Fmax，使评价结果更科学。

2)由于旅游景区隧道工程对周围环境影响的复杂性和评价指标的多样性，通过现场考察和资料分析，提出了噪声、粉尘、废弃物、废水和景观建筑5项评价指标，形成了完整、可量化的环境影响评价指标体系。

3)首次将内梅罗指数法应用到旅游景区隧道施工对周围环境影响评价领域，并依据工程实际对其进行修正。结合景区环境影响评价指标体系，建立了更科学、简单的环境综合评价模型。

应用改进内梅罗指数评价模型确定老龙头隧道施工对周围环境影响等级为Ⅱ级，即老龙头景区在隧道施工过程中受到轻度干扰，老龙头隧道工程的环境可行性较好。但是，为了在隧道施工阶段进一步采取措施降低环境影响程度，保证资源利用的有效性，后续还需对环境评价指标的重要程度进行科学排序研究。