基于PSR模型的西部干寒地區(qū)引水明渠安全評價研究

靳春玲，貢 力

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

引水工程在我國的建設和發(fā)展速度較快，由于水資源在時間上、空間上分布的不均衡性，缺水問題嚴重制約著缺水地區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展和人民生活水平的改善。引水工程是為了滿足工業(yè)生產(chǎn)、人民生活以及生態(tài)環(huán)境等日益增長的水需求而興建的。為了改善西部地區(qū)嚴重缺水的現(xiàn)狀，我國在西部地區(qū)投資建設了大批的引調(diào)水工程，明渠作為引水系統(tǒng)中的重要建筑物，對其進行安全評價和病害規(guī)律的研究具有十分重要的經(jīng)濟價值和社會效益[1]。

1 干寒地區(qū)引水明渠病害基本情況

綜合考察甘肅、寧夏、青海等西部省份的引水明渠，其主要特點是地層巖性較復雜，渠基大部分以第四系各類堆（沉）積物為主，地基的巖土主要有：含漂石砂卵礫石、崩坡積塊石碎石土、坡洪積塊石碎石土、坡積碎石土、洪積粉質(zhì)壤土、洪積砂礫碎石土、風積馬蘭黃土、洪積沖洪積離石黃土、沖洪積砂卵礫石、粉質(zhì)壤土、砂碎石、砂礫卵石、黃土狀土、粉質(zhì)壤土等。其中細粒土渠段易發(fā)生渠道凍脹問題，第四系全新統(tǒng)洪積黃土狀土、粉質(zhì)壤土、馬蘭黃土、洪積粉質(zhì)壤土等具有濕陷性，導致明渠的病害也存在多種形式，例如：梯形明渠段漿砌石勾縫沖刷脫落，渠道凍脹開裂；底板和兩側(cè)渠坡多發(fā)育裂縫、破損；渠段滲漏，部分渠基座于第四系全新統(tǒng)洪積黃土狀土（粉質(zhì)壤土）濕陷性黃土上存在基礎(chǔ)沉陷，原伸縮縫結(jié)構(gòu)破壞；渠道在渠底低洼處、轉(zhuǎn)彎處、流水回旋處有淤積；渠坡鼓脹現(xiàn)象明顯，渠坡塌陷、砌石間勾縫混凝土及渠坡與底板結(jié)合部位松動、脫落；混凝土預制塊破壞，渠道穿越村莊時存在垃圾入渠問題，渠坡兩側(cè)產(chǎn)生不均勻沉陷，底部混凝土預制板凍損開裂、沖刷，剝蝕，砂漿勾縫脫落等。

2 引水明渠安全評價理論

2.1 引水明渠的定義

引水明渠是按設計線路施工的，為農(nóng)田灌溉、工業(yè)及生活輸水用的且具有自由水面的人工水道。明渠按其用途可分為：灌溉渠道、供水渠道、動力渠道、通航渠道和排水渠道等，本文以研究供水渠道為主。一個灌區(qū)內(nèi)的引水明渠，一般分為總干渠、干渠和支渠三級，用于農(nóng)業(yè)灌溉的渠道又分為干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠四級，構(gòu)成渠道系統(tǒng)，簡稱渠系。

2.2 引水工程安全評價研究進展

目前關(guān)于跨流域引調(diào)水工程安全方面的研究已有不少論述,司春棣博士提出了較為完整的引水工程安全保障體系的概念，從引水工程的安全評價系統(tǒng)和應急系統(tǒng)兩個層次進行引水工程安全評價的研究，并采用模糊多維標度法來研究定性評價指標的量化問題，使該領(lǐng)域的研究向前邁了一大步[2]。顧靖超等進行了寧夏灌區(qū)襯砌渠道安全評價方面的研究，針對灌區(qū)渠道水力條件、斷面狀況、襯砌結(jié)構(gòu)和運行年限等條件進行加權(quán)平均計算評價渠道的安全狀態(tài)[3]。夏富洲等利用層次分析法（AHP）對渡槽的安全運行進行了評價研究[4]。唐純喜針對長距離輸水工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體系可靠度進行了研究，利用支持向量機(SVM)重構(gòu)結(jié)構(gòu)響應面方程，在計算精度和計算效率方面取得了一定進展[5]。王克忠等應用三維物理模型滲透試驗對深埋隧洞的滲透機理進行研究，設計制作了高滲透壓下深埋引水隧洞的模型，進行試驗模擬研究，為引水隧洞的防滲設計、施工和維護提供了比較可靠的理論依據(jù)[6]。

3 引水明渠安全評價指標體系的構(gòu)建

3.1 PSR模型的引入

應用PSR模型對城市水安全進行評價的研究取得了一定成果，該文通過PSR模型創(chuàng)建指標體系進行引水明渠安全評價，在國內(nèi)外尚屬首創(chuàng)。

P（pressure）為壓力，指由于“條件限制”引起的引水工程病害問題或人類活動引起的引水明渠安全問題的壓力因素。如明渠設計缺陷、施工質(zhì)量缺陷、季節(jié)性供水、干旱或洪澇威脅、水資源量有限而人均需水量增加（水資源供需比降低）可能導致明渠的超負荷運行等。

S（state）為狀態(tài)，指與引水明渠病害相關(guān)的環(huán)境、經(jīng)濟等要素當前所處的狀態(tài)或表征指標，描述明渠的使用過程和環(huán)境因素的指標因素。如地質(zhì)地形條件、材料本身狀態(tài)或環(huán)境氣候引起材料劣化狀態(tài)、自然災害等。

R（response）為響應，指人類在社會經(jīng)濟活動和政策實施中對引水明渠病害問題的能動反映，屬于明渠病因中的管理因素。如對工程薄弱建筑物的修復、加固或是對病害的及時維修，節(jié)水政策，冬季供水等[7]。

3.2 基于PSR的引水明渠安全評價指標選擇

根據(jù)引大入秦工程明渠維修施工現(xiàn)場及引大入秦管理局的調(diào)研結(jié)果，結(jié)合多名專家意見，從眾多影響引水明渠安全運行的指標當中進行排序篩選，最終研究確定了PSR指標，共選取了10個要素29個指標，具體要素層和指標層的構(gòu)建見表1。

3.3 基于AHP的指標權(quán)重確定

采用層次分析法（AHP）確定引水明渠安全綜合評價指標的權(quán)值。AHP法是安全評價指標權(quán)重確定的有效方法，它可以將相互關(guān)聯(lián)的要素按隸屬關(guān)系分為若干層次，建立層次清晰的指標結(jié)構(gòu)體系，利用數(shù)學分析方法結(jié)合專家調(diào)查訪問所得的意見，給出各層次要素的相對重要性權(quán)重值。根據(jù)13位專家的問卷調(diào)查結(jié)果，建立準則層╞要素層、要素層╞指標層判斷矩陣，將數(shù)據(jù)導入DPS數(shù)據(jù)處理軟件中進行層次單排序計算，經(jīng)計算判斷矩陣的隨機一致性符合要求，最后得出引水明渠安全評價指標權(quán)重見表1中的計算結(jié)果，29個指標權(quán)重值滿分為100分。

表1 基于PSR模型的引水明渠安全評價指標體系及權(quán)重

4 綜合評價指標的確定

將引水明渠各項安全評價指標量化分級，參考國內(nèi)外近期研究成果，結(jié)合目前引水工程建設現(xiàn)狀和社會經(jīng)濟發(fā)展水平，評價體系選取了29個指標來評判引水明渠的安全狀態(tài)，劃分為如下5個等級。

（1）非常安全。引水明渠供水均衡、穩(wěn)定，與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展，明渠病害發(fā)育遲緩，對供水效率沒有直接影響。

（2）安全。引水明渠供水比較均衡，能夠滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求，明渠病害有所發(fā)育，但是經(jīng)過必要的維護保養(yǎng)對供水效率不構(gòu)成嚴重影響。

（3）基本安全。引水明渠供水受季節(jié)性需求影響較大，基本滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求，明渠病害發(fā)育明顯，需要斷水進行維修和改造方能滿足供水需要。

（4）不安全。引水明渠供水受各方壓力較大，受結(jié)冰期長等季節(jié)性影響嚴重，需要嚴密調(diào)度管理才能基本滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求，明渠病害發(fā)育快速，跑冒滴漏現(xiàn)象較嚴重，需要斷水進行大面積的維修和改造方能繼續(xù)投入使用。

（5）極不安全。引水明渠供水受各方壓力影響非常大，受結(jié)冰期長等季節(jié)性影響極為嚴重，已經(jīng)不能滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求，明渠病害發(fā)育惡化，跑冒滴漏現(xiàn)象非常嚴重，需要長時間斷水進行大面積的維修和改造方能繼續(xù)投入使用。

引水明渠安全評價綜合指數(shù)由各個子指標加權(quán)求和獲得，即

式中xi表示各指標的權(quán)重值，yi表示具體項目指標標準化后的數(shù)值，i表示選取的29個指標。將數(shù)據(jù)標準化出來后S≥85時引水明渠安全級別為“非常安全”，75≤S﹤85時引水明渠安全級別為“安全”，65≤S﹤75時引水明渠安全級別為“基本安全”，55≤S﹤65時引水明渠安全級別為“不安全”，S﹤55時引水明渠安全級別為“極不安全”。

5 應用PSR指標對引大入秦工程引水明渠進行安全評價

5.1 工程概況

引大入秦工程是我國二十世紀規(guī)模最大的跨雙流域調(diào)水自流灌溉工程，被稱為“中國的地下運河”。工程于1976年開始開工建設，1981年停緩建，直至1987年復工，主體工程于2001年底全面建成并通水運行，工程引水能力達到設計年引水量4.43億m3。隨著蘭州新區(qū)的發(fā)展建設被正式提上日程，引大入秦工程被賦予了新的使命——為蘭州新區(qū)供水。2013年11月中旬，引大入秦工程全面停水進行加固改造，以滿足提升供水能力的要求。課題組以此次停水為契機，下到引水明渠實地考察病害情況，主要存在的問題包括渠道干裂滲漏、基礎(chǔ)不均勻沉陷、凍融破壞、襯砌脫落滑塌、水流沖蝕磨損等。該工程近二十年的實踐證明，工程的建設和運行取得了顯著成效，歷史性的改變了灌區(qū)農(nóng)民的生產(chǎn)條件，改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，提高了灌區(qū)農(nóng)民的生活水平，水資源供給有了基本保障，為秦王川地區(qū)的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

5.2 引大入秦工程引水明渠安全綜合評價

針對引大入秦工程運營20年的實際情況，考慮引水明渠的P-S-R各方面指標，選擇引大入秦工程管理局的總工、維修設計及施工管理人員5名進行項目打分，針對專家的職稱和工作經(jīng)驗取權(quán)重，高級職稱取0.5，中級職稱取0.3，初級職稱取0.2，將5位專家打分結(jié)果進行綜合后得出引大入秦工程引水明渠安全評價指標見表2。

將打分結(jié)果代入公式，計算得出引大入秦工程引水明渠安全評價綜合指數(shù)S，由于yi中的每一項都是以100分為滿分進行打分，所以最終S值應除以100。

由于75≤S﹤85，說明引大入秦工程引水明渠的狀態(tài)為“基本安全”，引水明渠供水受季節(jié)性需求影響較大，基本滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求，明渠病害發(fā)育明顯，尤其是增加了為蘭州新區(qū)供水的需求之后，加大了明渠的供水壓力，需要斷水進行維修和改造方能滿足供水需要。

6 結(jié)語

引水工程建設是我國西部地區(qū)用以緩和或解決經(jīng)濟發(fā)展的重要措施，引水明渠是西部地區(qū)引水工程的一個典型建筑物類型，針對引水明渠安全問題的研究具有很高的應用價值。本文首次應用PSR模型對引水明渠的安全運營情況進行綜合評價研究，將引水明渠的安全狀態(tài)劃分為五個等級，得出了影響明渠安全運營的關(guān)鍵因素，在對引水明渠安全維護工作中可以對這些關(guān)鍵因素重點監(jiān)控，提前采用應對措施。例如加強冬期供水管理，在結(jié)冰期前采取措施錯峰供水直至停水維修，將明渠側(cè)壁裂縫、混凝土剝落、滑坡、塌陷等部位進行集中修復，提高供水效率，同時也為今后類似氣候環(huán)境區(qū)域規(guī)劃、設計、施工引水明渠提供有效的借鑒。

表2 引大入秦工程引水明渠安全評價指標專家打分結(jié)果yi及各指標權(quán)重xi值

[1]靳春玲，貢力.引洮工程中明渠常見病害分析[J].人民黃河，2012，34（10）：108-110.

[2]司春棣.引水工程安全保障體系研究[D].天津：天津大學，2007.

[3]顧靖超，陸立國，孫淑華.寧夏灌區(qū)襯砌渠道安全評價研究[J].水利水電技術(shù)，2013，44（1）：117-120.

[4]夏富洲,錢麗云,張軍.大型渡槽結(jié)構(gòu)安全性及評價指標體系的研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2011(8)：121-123.

[5]唐純喜.長距離輸水工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體系可靠度研究[D].杭州：浙江大學，2007.

[6]王克忠,李仲奎.深埋長大引水明渠三維物理模型滲透性試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2009,28(4)：725-731.

[7]靳春玲，貢力.基于PSR模型的城市水安全評價研究[J].安全與環(huán)境學報，2009，9（5）：104-108.