基于可變模糊理論的地下水對膠東調(diào)水工程影響綜合評價

楊文泰，金 麗，李慶國，劉豐銘，劉玉玉

（1.濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022； 2.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013）

山東省膠東調(diào)水工程是南水北調(diào)東線工程中山東T 形調(diào)水大動脈的重要組成部分，是實現(xiàn)山東省水資源優(yōu)化配置、緩解膠東地區(qū)水資源供需矛盾的重要水利基礎(chǔ)設(shè)施。由于工程所處地區(qū)的地形地勢條件以及水文地質(zhì)條件都十分復(fù)雜，因此對于工程安全運(yùn)行的影響因素眾多，其中地下水對長距離調(diào)水工程的影響不可忽視。在地下水對工程建筑的影響方面，姚銘富［1］研究了不同類型地下水對各種工程建筑的影響，結(jié)果表明地下水侵蝕和水位變化會導(dǎo)致工程地基發(fā)生不均勻沉降。羅永紅等［2］通過鉆孔揭示研究區(qū)地質(zhì)條件，研究了不同類型地下水對某機(jī)場工程建設(shè)及運(yùn)營所產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)地下水對工程建設(shè)的影響主要包括地基凍融破壞、誘發(fā)開挖邊坡失穩(wěn)及地基不均勻沉降等。國內(nèi)外關(guān)于地下水對長距離調(diào)水工程影響評價方面的研究相對較少，因此筆者以膠東調(diào)水工程為研究對象，通過實地勘測與取樣獲取相關(guān)水質(zhì)與工程數(shù)據(jù)，結(jié)合實測資料構(gòu)建指標(biāo)體系，探究地下水對膠東調(diào)水工程的影響并進(jìn)行評價，以期為提出切實可行的對策和處理措施、保障膠東調(diào)水工程安全運(yùn)行提供參考。

1 工程及沿線地下水概況

膠東調(diào)水工程是國家南水北調(diào)東線工程的重要組成部分，從山東省濱州市打漁張引黃閘引黃河水，輸送至威海市米山水庫。工程全長482.4 km，除現(xiàn)有172.5 km引黃濟(jì)青段工程外，新辟輸水線路309.9 km，其中：宋莊分水閘至黃水河泵站前輸水明渠段長160.02 km，主要包括昌邑段、平度段、萊州段、招遠(yuǎn)段；黃水河泵站至米山水庫輸水管道、暗渠及隧洞段長149.88 km，主要包括龍口段、福山段、萊山段、牟平段、文登段。膠東調(diào)水工程明渠占比約69%，輸水管道（預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、鋼筋混凝土箱涵、螺旋鋼管、玻璃鋼管分別占輸水管道總長的49%、20%、19%和12%）、暗渠與隧洞占比約31%。

輸水線路穿越不同的地貌單元及構(gòu)造區(qū)域，各段的水文地質(zhì)條件各不相同，穿越區(qū)地下水離子組分以為主，地下水化學(xué)類型主要為Ca·Mg－型（占比為85%左右）。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)特征，結(jié)合地貌分區(qū)、含水層分布特征及地下水埋藏條件，將輸水線路所經(jīng)地區(qū)分為山間平原水文地質(zhì)區(qū)、丘陵水文地質(zhì)區(qū)及平原水文地質(zhì)區(qū)，其中：山間平原水文地質(zhì)區(qū)分布于龍口市側(cè)高至大劉家、蓬萊市任家溝隧洞出口至村里集隧洞入口、村里集隧洞出口至福山區(qū)寨子、牟平區(qū)星石泊至南觀、文登市孔家莊至米山水庫，地下水主要為第四系孔隙潛水、承壓水，埋深一般為0.20～2.50 m，地下水水化學(xué)類型主要為重碳酸鈣鎂型水、氯化硫酸鈣鎂型水、氯化重碳酸鈣鎂型水、重碳酸硫酸氯化鈣鎂型水，地下水對混凝土無侵蝕性；丘陵水文地質(zhì)區(qū)分布于龍口市大劉家至蓬萊市任家溝隧洞出口、村里集隧洞入口至出口、牟平啤酒設(shè)備廠至東系山、牟平區(qū)南觀至孔家莊，地下水以基巖裂隙水、巖溶裂隙水為主，僅沖溝處局部存在第四系孔隙潛水，其水化學(xué)類型主要為氯化鈉鈣鎂型水、氯化硫酸鈉鎂型水、重碳酸鈣鎂型水，地下水對混凝土無侵蝕性；平原水文地質(zhì)區(qū)分布于牟平區(qū)東系山至星石泊，地下水主要為第四系孔隙潛水、承壓水，水化學(xué)類型主要為氯化鈉型水、重碳酸硫酸鎂鈣型水、重碳酸鈣鎂型水，地下水對普通混凝土具有一定腐蝕性。明渠段工程在渠道銜接處因會發(fā)生滲漏等現(xiàn)象而受到地下水的影響，暗渠段管道等埋深在1.5 m 左右，處于地下水埋深變化范圍內(nèi)，因此也會受到影響。

2 評價指標(biāo)體系構(gòu)建與評價標(biāo)準(zhǔn)的確定

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)膠東調(diào)水工程的實際情況以及當(dāng)?shù)氐叵滤疇顩r，結(jié)合相關(guān)地下水對輸水工程影響的分析，選取對混凝土的結(jié)晶性腐蝕U1、對混凝土的分解性腐蝕U2、對混凝土的結(jié)晶分解性腐蝕U3、對混凝土中鋼筋的腐蝕U4、對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕U5、管材U6、工程地面最大沉降量U7共7 個指標(biāo)構(gòu)建評價指標(biāo)體系。由于明渠段對管材的影響可以忽略不計，因此對明渠段進(jìn)行評價只選取6 個評價指標(biāo)。

2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)的確定

參考相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及專家學(xué)者的研究，將地下水對膠東輸水工程影響評價標(biāo)準(zhǔn)分為基本無影響（Ⅰ）、有較小影響（Ⅱ）、有中等影響（Ⅲ）、有較大影響（Ⅳ）4 個等級。

2.2.1 地下水腐蝕性評價標(biāo)準(zhǔn)

地下水腐蝕性評價標(biāo)準(zhǔn)參考《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）。考慮地下水pH 值和離子濃度，確定地下水對混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)腐蝕評價標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)腐蝕評價標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 管材評價標(biāo)準(zhǔn)

孫迎松等［3］通過對常見的管材進(jìn)行對比，分析其各自優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮耐腐蝕等性能，得到各種管材的安全性能排序：玻璃鋼＞PE 管＞鋼筋混凝土管＞鋼管／球墨鑄鐵管＞灰口鑄鐵管／鍍鋅管。本文采用打分法進(jìn)行評價，根據(jù)各渠段管道具體材料及長度打分，對應(yīng)評價等級標(biāo)準(zhǔn)：［75，100］基本無影響、［50，75）有較小影響、［25，50）有中等影響、［0，25）有較大影響。

2.2.3 工程最大地表沉降量評價標(biāo)準(zhǔn)

地下水位下降會導(dǎo)致含水層孔隙壓力減小，造成土體壓縮［4］，進(jìn)而使建筑物發(fā)生沉降。輸水管道屬于隱蔽工程，直接測量其沉降和應(yīng)變都不太容易，可通過測量其地表沉降量估算管道的沉降量。王霆等［5］提出地表沉降量對地下管道的影響，見表2。

表2 工程最大地表沉降量對地下管道安全性的影響

3 評價模型構(gòu)建

3.1 地下水對膠東調(diào)水工程影響的可變模糊評價模型

可變模糊集理論是陳守煜［6］提出的以相對隸屬度為基礎(chǔ)、運(yùn)用相對隸屬度函數(shù)動態(tài)描述模糊集合隸屬程度的理論。相比其他評價方法，可變模糊集評價方法對于解決涉及因素較為復(fù)雜的問題時，可根據(jù)不同指標(biāo)的特點(diǎn)確定其評價等級及區(qū)間并進(jìn)行量化，且計算更為簡便，其具體步驟如下。

（1）設(shè)n個樣本依據(jù)m個指標(biāo)特征值按照c個類別指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間進(jìn)行評價，將m個指標(biāo)按照c個類別劃分為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間，得到指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間矩陣Iab、Icd及點(diǎn)值矩陣M：

式中：i＝1，2，…，m；h＝1，2，…，c。

（2）將特征值xij與Mih進(jìn)行比較，若xij落在Mih左側(cè)，則其相對隸屬度函數(shù)為

若xij落在Mih上，則其相對隸屬度函數(shù)為

若xij落在Mih右側(cè)，則其相對隸屬度函數(shù)為

（3）根據(jù)步驟（2）構(gòu)建相對隸屬度矩陣U并計算指標(biāo)權(quán)重，然后構(gòu)建綜合評價模型：

式中：wi為指標(biāo)權(quán)重；μA（xij）h為隸屬于級別h的歸一化相對隸屬度函數(shù)；p為距離參數(shù)（p＝1 為海明距離，p＝2為歐氏距離）；α為優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)（α＝1 為最小一乘方準(zhǔn)則，α＝2 為最小二乘方準(zhǔn)則）。α、p為模型可變參數(shù)，通常有α＝1、p＝1，α＝1、p＝2，α＝2、p＝1，α＝2、p＝2 四種組合方式。

（4）計算樣本j的級別特征值：

式中：t為參數(shù)的4 種組合方式，t＝1，2，3，4。

（5）將（4）中可變參數(shù)組合得到的級別特征值H取平均值，得到綜合級別特征值：

根據(jù)綜合級別特征值

取值范圍，得到判斷準(zhǔn)則：

3.2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

為了保證評價結(jié)果合理準(zhǔn)確，需要選擇科學(xué)的方法計算所選評價指標(biāo)的權(quán)重。本文結(jié)合主觀賦權(quán)法（AHP 法）和客觀賦權(quán)法（CRITIC 法）得到組合權(quán)重，計算公式為

式中：ωj為采用AHP 法得到的權(quán)重；為采用CRITIC法得到的權(quán)重。

4 結(jié)果分析

采用AHP 法和CRITIC 法，結(jié)合實地勘測與取樣所獲取的水質(zhì)與工程數(shù)據(jù)及評價標(biāo)準(zhǔn)（見表3、表4）計算指標(biāo)綜合權(quán)重，其中AHP 法計算的明渠和暗渠一致性檢驗指標(biāo)CR值分別為0.03 與0.02，均小于0.1，滿足一致性要求。利用AHP 法得到的明渠段各個指標(biāo)權(quán)重向量為ω1＝（0.09，0.09，0.18，0.28，0.16，0.20）、暗渠段各個指標(biāo)權(quán)重向量為ω2＝（0.07，0.07，0.14，0.27，0.25，0.13，0.07）；利用CRITIC 法得到的明渠段各個指標(biāo)權(quán)重向量為ω3＝（0.14，0.20，0.20，0.14，0.13，0.19）、暗渠段各個指標(biāo)權(quán)重向量為ω4＝（0.12，0.24，0.13，0.12，0.12，0.17，0.10）。利用式（11）計算指標(biāo)綜合權(quán)重，其中明渠段指標(biāo)綜合權(quán)重向量為ω5＝（0.08，0.10，0.21，0.24，0.14，0.23）、暗渠段指標(biāo)綜合權(quán)重向量為ω6＝（0.07，0.13，0.13，0.24，0.21，0.17，0.05）。根據(jù)可變模糊集理論計算的綜合評價結(jié)果見 表5。

表3 明渠段指標(biāo)值及評價等級

表4 暗渠段指標(biāo)值及評價等級

表5 綜合評價結(jié)果

結(jié)合以上可變模糊綜合評價結(jié)果可知：昌邑段、招遠(yuǎn)段、龍口段、福山段評價等級屬于Ⅱ級，偏向Ⅰ級，屬于有較小影響；平度段、萊州段評價等級屬于Ⅱ級，偏向Ⅲ級，屬于有較小影響；萊山段、牟平段、文登段評價等級屬于Ⅰ級，屬于基本無影響；綜合級別特征值平均為1.748，說明地下水對膠東調(diào)水工程整體影響為有較小影響，其中明渠段綜合級別特征值較大（最大為平度段2.308）、暗渠段相對較?。ㄗ钚槿R山段1.411）。由表3、表4 可知，地下水對膠東調(diào)水工程的腐蝕影響較大。由表5 可知，綜合級別特征值從明渠段到暗渠段總體呈減小趨勢，表明地下水對明渠段影響較大。明渠平度段腐蝕影響特征值遠(yuǎn)大于其他渠段，其原因可能是該段地下水中Cl－與含量較高，地下水水質(zhì)超標(biāo)；明渠段工程影響特征值較大，其原因可能是地下水過度開采使得地下水位下降，導(dǎo)致地面沉降量增大。綜合來看，地下水對膠東調(diào)水工程各段都產(chǎn)生了一定影響，但總體影響程度屬于有較小影響。

5 結(jié)論與建議

（1）結(jié)合AHP 法和CRITIC 法進(jìn)行賦權(quán)，避免了單一主客觀權(quán)重分配方法的片面性。

（2）可變模糊集理論能夠綜合考慮地下水對調(diào)水工程影響的主要因素，設(shè)置模型參數(shù)的4 種不同組合，使評價結(jié)果更加科學(xué)合理。

（3）地下水對膠東調(diào)水工程各渠段均造成一定影響，對明渠段的影響大于對暗渠段的影響，但總體影響程度屬于較小影響。

（4）針對地面沉降問題，應(yīng)加強(qiáng)對調(diào)水工程沿線地下水位的監(jiān)測以及地下水開采的管理，加強(qiáng)對地下水位的有效控制，盡可能減輕地下水位變化對工程的影響，并應(yīng)對發(fā)生沉降部位進(jìn)行基礎(chǔ)抬升加固，尤其應(yīng)加強(qiáng)對萊州沉陷明渠段的關(guān)注。

（5）針對地下水對工程的腐蝕問題，應(yīng)嚴(yán)格把握工程原材料質(zhì)量，加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，增強(qiáng)混凝土表面保護(hù)措施，重點(diǎn)部位表面可貼兩層瀝青玻璃布或涂兩遍環(huán)氧瀝青厚漿型涂料，提高材質(zhì)防腐能力。

（6）地下水化學(xué)性質(zhì)是造成混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的主要因素，其受生產(chǎn)、生活等人類活動的影響較大，因此應(yīng)提高人們的環(huán)保意識，采用更加高效環(huán)保的生產(chǎn)方式，防止或減輕地下水污染，減弱地下水對工程的腐蝕。