喀斯特山區(qū)人飲工程管材選擇及應(yīng)用評價

令志強(qiáng)，屈月雷，尹亞敏，宋國蒼，袁 會，彭爾瑞

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201)

0 引 言

農(nóng)村飲水困難和飲水安全是多年來農(nóng)村群眾面臨的主要問題，也是制約農(nóng)村生產(chǎn)力和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，尤其是地質(zhì)地貌復(fù)雜，水土流失嚴(yán)重，石漠化現(xiàn)象突出的喀斯特山區(qū)，工程性缺水問題已成為一種普遍現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了社會的可持續(xù)發(fā)展。高漸飛[1]等提出喀斯特山區(qū)巖溶地貌發(fā)育強(qiáng)烈，地形延綿起伏，山高陡坡，給管道布置帶來了巨大的難題；喀斯特地區(qū)，地質(zhì)情況復(fù)雜，輸水管線可能會通過不同地質(zhì)情況的地段，受各種管材安裝要求的限制，輸水管材選擇時應(yīng)充分考慮地質(zhì)情況的影響[2]；張金承[3]等提出管材選擇是供水工程設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，管材選擇是否合理不僅影響施工質(zhì)量及供水區(qū)用水保證率，而且還會影響到工程運(yùn)行、使用壽命及維修成本，特別是在特殊的地質(zhì)地貌及水文地質(zhì)環(huán)境情況下，做好供水管材的選擇尤為重要；何晶晶[4]等提出，近年來，隨著對水質(zhì)要求的提高，鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管在高原地區(qū)的供水工程中已廣泛采用，使用效果良好；徐飛飛[5]等用多因素二級模糊評價法評價模型確定了各種管材的權(quán)重，為管材選擇提供了依據(jù)；雷曉玲[6]等人結(jié)合云貴川丘陵地區(qū)低山、丘陵地貌等地形特點(diǎn)，對管線管材按口徑大小進(jìn)行分類選擇和優(yōu)化組合。管材的選用對于農(nóng)村飲水工程的經(jīng)濟(jì)合理性、安全性和高效性有著很大的影響，在工程安全運(yùn)行、保障供水、節(jié)省工程投資等方面都有著十分重要的意義。

1 工程概況

八道哨鄉(xiāng)大布紅村委會，其位于云南省文山州丘北縣中部，據(jù)丘北縣氣象站歷年實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，縣內(nèi)多年平均氣溫 16.3 ℃，最高氣溫35.7 ℃；極端最低氣溫-7.6 ℃；多年平均日照2 046 h，最熱月為7月，平均氣溫達(dá)26.8 ℃，最冷月為1月，平均氣溫為3.2 ℃，年無霜期 275 d。年降水變化在670.9～1 467.5 mm 之間，多年平均降水量為 1 178.2 mm，平均海拔1 780 m。該研究區(qū)人飲工程涉及八道哨鄉(xiāng)布紅上寨、布紅下寨、水頭、魚塘上寨、魚塘下寨等5個村民小組，2017年末共有人口2 760 人，其中農(nóng)村居民2 157 人，學(xué)校人數(shù)為603 人，大牲畜353 頭，有效耕地面積2 538 hm2。該研究區(qū)地處喀斯特典型山區(qū)，巖溶地貌發(fā)育[5,6]，石多土少、土薄易旱，特殊的地質(zhì)地貌給輸水管材的選擇帶來了諸多困難。

2 管材選擇

管材選擇是山區(qū)輸水工程中非常重要的部分，是人飲工程中面臨的主要難題，特別是在巖溶地區(qū)管材選擇時，首先要滿足巖溶地區(qū)管道施工和運(yùn)行安全的需要，提高管網(wǎng)安全性、延長使用壽命、提升輸送能力，避免管道事故發(fā)生，其次要根據(jù)地形情況，進(jìn)行充分的市場調(diào)查與經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，在保證質(zhì)量和工程安全的前提下，做到經(jīng)濟(jì)合理、施工方便[7]。根據(jù)各種管材所具備的特點(diǎn)，該人飲工程可推薦選用的管材有：聚乙烯管(PE)、球墨鑄鐵管(DIP) 、硬聚氯乙烯管(UPVC)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管(PCP)、鋼管(SP)等五種管材，為了更合理的選取，基于價值工程原理對以上五種管材進(jìn)行合理性分析，管材性能指標(biāo)如表1所示[8-12]。

表1 管材性能指標(biāo)Tab.1 Pipe performance indicators

3 價值工程原理

所謂價值工程，主要是指通過集體智慧和有組織的活動對產(chǎn)品或服務(wù)進(jìn)行功能分析，使壽命周期成本降到最低，以此實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或服務(wù)的必要因素，從而大大提高產(chǎn)品或服務(wù)的價值[13]。而價值工程的主要思想是通過對選定研究對象的功能及費(fèi)用進(jìn)行分析，提高對象的價值，因此將價值工程運(yùn)用于山區(qū)人飲工程中管材選擇具有重要的研究意義，一般用公式表示為：

V=F/C

(1)

式中：V為研究對象的價值；F為研究對象的功能；C為研究對象的成本。

從上述公式不難看出提升價值的方法有如下幾種[14]：①功能不變，成本降低；②成本不變，功能提高；③功能大幅度提高，成本小幅度提高；④功能小幅度下降，成本大幅度下降；⑤功能提高，成本降低。

3.1 功能權(quán)重的確定

利用層次分析法(AHP)對各指標(biāo)賦予權(quán)重[15]，構(gòu)造相應(yīng)層次的判斷矩陣，通過每一層次各因素之間兩兩比較，對其相對重要性做出判斷，最后構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算得出各(級)指標(biāo)的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，設(shè)某層指標(biāo)為F=[f1，f2，f3，…]，兩兩比較fi與fj對上層某個指標(biāo)的影響重要程度用fij=fi/fj表示，mij值用數(shù)字1～9及其倒數(shù)表示，即AHP標(biāo)度含義[16]，標(biāo)度含義見表2。

表2 AHP標(biāo)度含義Tab.2 Scale meaning of AHP

3.1.1 計(jì)算權(quán)重向量

權(quán)重向量根據(jù)判斷矩陣求出的最大特征根得到對應(yīng)的單位特征向量，常用方根法計(jì)算[17]。其計(jì)算步驟如下：

構(gòu)造判斷矩陣C，令：

Cω=λω

(2)

(3)

表3 判斷矩陣CTab.3 Target layer-criteria layer matrix norms

3.1.2 一致性檢驗(yàn)

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的數(shù)值Tab.4 Average random consistency index

由表4查的n=6所對應(yīng)的RI=1.24；

因此，該判斷矩陣C的功能權(quán)重:ω=(0.251，0.235，0.166，0.145，0.123，0.080)T。

3.2 功能評分與功能評價系數(shù)Fi的計(jì)算

對各種管材的功能進(jìn)行評分，通過成立專家小組對各種管材功能采用直接打分的方法，功能評分采用10分制，滿分按10分計(jì)算，某項(xiàng)功能最佳得10分(滿分為10分)，其余管材相對該管材打分，評分如表5所示。

管材的功能得分為功能權(quán)重與管材功能評分的積，即：功能得分=功能權(quán)重×功能評分，功能得分累計(jì)Ti=∑ti，功能系數(shù)由公式Fi=Ti/∑Ti計(jì)算，各管材的功能系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表5 各種管材功能評分 Tab.5 All kinds of pipe function score

表6 功能系數(shù)(Fi)Tab.6 Function coefficient

3.3 成本系數(shù)Ci的計(jì)算

通過對丘北縣八道哨鄉(xiāng)大布紅村供水工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究分析，推薦了五種適合該山區(qū)的輸水管材：聚乙烯管(PE)、球墨鑄鐵管(DIP) 、硬聚氯乙烯管(UPVC)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管(PCP)、鋼管(SP)，上述5種管材的預(yù)算價格如表7所示。

成本系數(shù)Ci的計(jì)算式為：

Ci=Bi/∑Bi

(4)

式中：Bi為第i類管材的總造價；∑Bi為各種管材總造價之和。

計(jì)算如表7所示。

表7 管材成本系數(shù)CiTab.7 Pipe cost coefficient

3.4 價值系數(shù)Vi的計(jì)算

由價值工程理論得，價值系數(shù)為功能系數(shù)與成本系數(shù)的比值即：

Vi=Fi/Ci

(5)

式中：Fi為管材的功能系數(shù)；Ci為管材的成本系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 管材價值系數(shù)ViTab.8 Pipe value coefficient

3.5 結(jié)論及分析

根據(jù)價值工程原理，功能系數(shù)值越大，該管材性能越好；成本系數(shù)值越小，該管材使用成本越低；價值系數(shù)值越大，該管材性價越高，從表8得出：①各種管材功能系數(shù)從大到小排列為(Fi)：PE>DIP>SP>UPVC>PCP；②各種管材成本系數(shù)從小到大排列為(Ci)：UPVC>PCP>PE>SP>DIP；③各種管材價值系數(shù)從大到小排列為(Vi)：PE>UPVC>PCP>SP>DIP。

綜上所述，該工程選擇了管材價值系數(shù)較大的 PE管，由于該研究區(qū)位于地質(zhì)地貌較為特殊的喀斯特山區(qū)，PE管具有對地形適應(yīng)能力強(qiáng)，易安裝，耐腐蝕性能好，運(yùn)輸方便，適用于有溝道沖刷和滑塌的部位，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地段，因此，選擇PE管是合理可行的。

4 結(jié) 語

從喀斯特山區(qū)供水現(xiàn)狀入手，以山區(qū)人畜飲水工程中輸水管材選擇為切入點(diǎn)，結(jié)合管材的管道強(qiáng)度(F1)、耐腐蝕性(F2)、安全可靠性(F3)、地形的適應(yīng)性(F4)、施工方便(F5)，使用壽命(F6)等6個方面出發(fā)，建立各指標(biāo)之間的判斷矩陣，利用層次分析法計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最后結(jié)合價值工程原理綜合比選，結(jié)果表明，PE管在該研究區(qū)輸水管材中的價值系數(shù)最大，則選擇PE管作為該工程中的主要輸水管材。該喀斯特山區(qū)飲水工程是關(guān)系到廣大人民群眾脫貧致富，改善農(nóng)村生活條件和社會穩(wěn)定的大事，工程建成以后解決了大布紅村兩千多人的飲水安全問題，改善了飲水條件，提高了飲水質(zhì)量，為該村的整體脫貧奠定了基礎(chǔ)。

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