層次分析法在長距離輸水管道選線中的應(yīng)用

陳銀川

(太原市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030002)

0 引言

我國水資源在地域分布上差異較大,東、南區(qū)域水資源相對充足,西、北地區(qū)則比較匱乏。對于北方地區(qū),尤其是資源型缺水城市,僅僅依靠本地水資源已經(jīng)無法滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求。因此,實(shí)施跨區(qū)域的長距離輸水工程對改變水資源地域分布不均,優(yōu)化水資源配置,緩解水資源短缺具有重要的作用。長距離輸水有明渠、隧洞、管道等多種形式,而管道輸送因具有漏損少、水質(zhì)水量有保障、節(jié)約土地資源、方便管理維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),在跨區(qū)域調(diào)水工程中被廣泛應(yīng)用,如南水北調(diào)、引黃入晉、引灤入津等工程。

長距離輸水工程是一個涉及多因素、多層次的復(fù)雜工程,線路選擇受輸水方式、地形地勢、施工條件、工程投資等多種因素影響。傳統(tǒng)的線路選擇時,設(shè)計(jì)人員通常以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為衡量線路合理的重要指標(biāo),但對于多種方案,且各方案的定性指標(biāo)出現(xiàn)特征值交叉,在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)又相差不大的情況下,很難確定出一個較優(yōu)方案[1]。而層次分析法作為一種定性與定量相結(jié)合的評價方法,通過將定性指標(biāo)定量化研究,更科學(xué)合理地對方案做出決策,目前該方法已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路以及油氣管線等項(xiàng)目的選線。本文選取線路長度、拆遷征地、土地利用、敏感因素、施工條件、泵站揚(yáng)程、工程投資、運(yùn)行費(fèi)用8個影響因素作為該項(xiàng)目的評價指標(biāo),利用層次分析法建立線路方案比選模型,并通過權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn),對東山調(diào)水工程線路最優(yōu)方案進(jìn)行評價分析。

1 研究方法

層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策方法,適用于解決定性指標(biāo)定量化問題[2]。該方法主要思路是把多目標(biāo)決策問題分解成若干個影響因素,根據(jù)因素之間的相互重要程度和隸屬關(guān)系進(jìn)行按類分組,形成由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及方案層組成的階梯層次結(jié)構(gòu)。通過不同因素之間的相互比較,并根據(jù)其在層次中的重要程度合理賦值,使定性問題轉(zhuǎn)變?yōu)槎炕幚韀3]。應(yīng)用層次分析法進(jìn)行決策主要分為以下四步:

1)建立遞階層次的結(jié)構(gòu)模型。將解決問題思路進(jìn)行條理化梳理,建立一個由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層組成的結(jié)構(gòu)模型[4]。其中目標(biāo)層對應(yīng)的是預(yù)定目標(biāo),稱為最高層;準(zhǔn)則層對應(yīng)的是目標(biāo)實(shí)現(xiàn)需要的準(zhǔn)則和子準(zhǔn)則,為中間環(huán)節(jié),也稱為中間層;方案層對應(yīng)的是實(shí)現(xiàn)決策目標(biāo)可供選擇的措施、決策方案,又稱為最底層。

2)構(gòu)造各層次中的所有判斷矩陣。建立層次結(jié)構(gòu)模型后,對同一層次因素進(jìn)行兩兩比較,通常采用1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度進(jìn)行判斷矩陣A=(αij)m×n的構(gòu)建,標(biāo)度含義見表1[5]。

表1 標(biāo)度含義

表2 RI數(shù)值表

當(dāng)CR<0.1時,表示一致性檢驗(yàn)合格,即各因素權(quán)重分配較為合理,否則應(yīng)當(dāng)對判斷矩陣做適當(dāng)調(diào)整。

4)層次總排序。根據(jù)準(zhǔn)則層、方案層的權(quán)重值,計(jì)算對目標(biāo)層的組合權(quán)重,并進(jìn)行各方案優(yōu)先程度的排序,確定出最優(yōu)方案[7]。

2 選線方案

2.1 工程概況

太原市東西山調(diào)水工程是一項(xiàng)跨區(qū)域長距離輸水工程,分為西山調(diào)水工程和東山調(diào)水工程。其中東山線路跨越太原市尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)、迎澤區(qū)以及小店區(qū)四個城區(qū),對解決太原東山地區(qū)缺水問題,治理地下水超采,實(shí)現(xiàn)北澗河、北沙河、南沙河復(fù)流,構(gòu)建多源一網(wǎng)的水網(wǎng)體系具有重要的作用。輸水工程采用埋地式單根管道輸水,水源引自為萬家寨引黃7號隧洞。東山線路設(shè)計(jì)起點(diǎn)為陽曲原水直供工程分水口,終點(diǎn)為南坪頭水庫,設(shè)計(jì)供水量為20萬m3/d。

2.2 選線原則

應(yīng)充分利用地形高差,盡可能采用重力流方式。線路盡量靠近供水點(diǎn),方便沿線用戶取水。線路盡可能避讓現(xiàn)狀建、構(gòu)筑物,減少征地拆遷。線路盡量避開地震斷裂帶、采空沉陷區(qū)等地質(zhì)不良地段。線路盡量短而順直,且靠近現(xiàn)狀道路,方便施工車輛進(jìn)出,減少工程投資。線路盡量選擇與現(xiàn)有或規(guī)劃廊道并行,避免形成獨(dú)立廊道,造成土地資源浪費(fèi)。線路及附屬設(shè)施盡量不占基本農(nóng)田和耕地。線路盡可能減少與現(xiàn)狀高速、鐵路、公路以及其他長輸管道的交叉。線路走向應(yīng)符合城市規(guī)劃的要求。

2.3 線路方案

綜合考慮輸水管道沿線用戶以及城市發(fā)展規(guī)劃、土地利用、施工條件以及工程造價等多方面因素,形成2個線路方案。為了更直觀體現(xiàn),借助ArcGIS軟件繪制管線線路的剖面圖和三維影像圖,分別如圖1,圖2所示。

2.3.1 線路方案一

輸水線路從陽曲原水管道約13 km處分水口取水,向南沿鋼園北路、鋼盛街穿越鐵路后沿規(guī)劃市政道路接入中途提升加壓站,經(jīng)泵站加壓出線向東穿越臥虎山路、東環(huán)高速后接入溝南村高位調(diào)節(jié)池,利用重力流由北向南沿高壓天然氣、東環(huán)高速現(xiàn)有廊道一路向南至楊家峪高速后折向北澗河南岸,穿越高速后繼續(xù)沿高速廊道向南至學(xué)府街,最終沿學(xué)府街敷設(shè)至南坪頭水庫。該線路由北向南依次穿越棗溝、北澗河、北沙河、南沙河等防洪河道,輸水線路總長度約26.9 km。

2.3.2 線路方案二

輸水線路從陽曲原水管道約13 km處分水口取水,向南沿鋼園北路、鋼盛街穿越鐵路后沿規(guī)劃市政道路接入中途提升加壓站,經(jīng)泵站加壓出線向東穿越臥虎山路、東環(huán)高速后接入小返村北側(cè)高位調(diào)節(jié)池,利用重力流由北向南沿規(guī)劃東山大道一路向南至學(xué)府街后向西折向南坪頭水庫。該線路由北向南依次穿越棗溝、北澗河、北沙河、南沙河等防洪河道,輸水線路總長度約24.5 km。

從剖面圖可以看出方案一和方案二線路所在區(qū)域均呈現(xiàn)南北低、中間高的地形特點(diǎn),為充分利用地形高差,兩方案均采用壓力流與重力流結(jié)合的方式輸水。

2.4 管道設(shè)計(jì)

長距離輸水管道常用的管材有球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、鋼管和玻璃鋼夾砂管[8]。通過從性能、抗內(nèi)外壓、供水安全保證、耐久性、經(jīng)濟(jì)性和施工條件等方面的比較,確定本次泵站段及閥室段采用鋼管,其他管段采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管。

沿程水頭損失hj采用海曾威廉公式計(jì)算,局部水頭損失按hj的20%計(jì)[9],公式如下:

hj=iL

(1)

i=10.67C-1.825×Q1.825×d-4.87

(2)

其中,海曾威廉系數(shù)C取值為120。

各管段水力計(jì)算見表3。

表3 水力計(jì)算對比表

2.5 附屬設(shè)施

根據(jù)陽曲原水輸水管道設(shè)計(jì)參數(shù),陽曲分水口水壓為855.20,分水口-加壓泵站水頭損失為5.12 m,考慮進(jìn)泵站預(yù)留10 m自由水頭,擬建泵站應(yīng)設(shè)置于地面標(biāo)高不高于840.0位置。受泵站所需標(biāo)高的限制,本項(xiàng)目泵站位置按唯一性考慮。

方案一:全線共設(shè)置4座分水口,分別為北澗河分水口、北沙河分水口、南沙河分水口、南坪頭水庫分水口。在臥虎山路西側(cè),設(shè)置一座中途加壓泵站,設(shè)計(jì)規(guī)模為20萬m3/d,占地規(guī)模約1 hm2,泵站提升揚(yáng)程為100 m。在溝南村高地,設(shè)置一處調(diào)節(jié)水池,水池規(guī)模為1 000 m3。

方案二:線路分水口數(shù)量、供水對象、泵站設(shè)置位置、設(shè)計(jì)規(guī)模以及占地面積同方案一一致,不同的是方案二所需的泵站揚(yáng)程為170 m。在小返村北側(cè)高地,設(shè)置一處調(diào)節(jié)水池,水池規(guī)模也為1 000 m3。

2.6 方案比選

方案對比表見表4。

表4 方案對比表

通過表4可以看出,方案一具有施工條件較好、泵站揚(yáng)程較低、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn),但是征地規(guī)模較大、與現(xiàn)有其他長輸管道交叉較多,且穿越王家峰墓群,施工過程中需協(xié)調(diào)因素較多,對施工影響較大。方案二具有線路較短、征地規(guī)模較小、與其他管道交叉較少,施工影響較小,且線路并行于東山大道,符合遠(yuǎn)期城市規(guī)劃,但是泵站揚(yáng)程、運(yùn)行費(fèi)用較高,且施工條件較差,需自建施工道路,增加了工程投資。另外,東山大道屬于遠(yuǎn)期規(guī)劃道路,存在工程建設(shè)的不確定性。綜合上述不難發(fā)現(xiàn),兩個方案各有優(yōu)劣勢,無法對最優(yōu)線路做出正確判斷。因此,本項(xiàng)目采用層次分析法,通過構(gòu)建指標(biāo)評價體系和權(quán)重的計(jì)算、排序來確定線路的最優(yōu)方案。

3 層次分析法在東山調(diào)水工程的具體應(yīng)用

3.1 構(gòu)建指標(biāo)評價體系

將線路最優(yōu)方案作為目標(biāo)層,將影響線路走向方案的線路長度、施工條件、拆遷征地、泵站揚(yáng)程、工程投資、敏感因素、土地利用、運(yùn)行費(fèi)用8個主要因素作為準(zhǔn)則層,將線路一、線路二作為方案層,構(gòu)建如圖3所示的層次結(jié)構(gòu)模型。

3.2 構(gòu)造判斷矩陣及權(quán)重計(jì)算

根據(jù)圖3建立的結(jié)構(gòu)模型,依次構(gòu)造準(zhǔn)則層-目標(biāo)層、方案層-準(zhǔn)則層的判斷矩陣。對矩陣進(jìn)行歸一化計(jì)算,得到各因素的相對權(quán)重。各層次判斷矩陣及權(quán)重值見表5,圖4。

表5 準(zhǔn)則層-目標(biāo)層判斷矩陣

3.3 組合權(quán)重的計(jì)算及排序

依據(jù)方案層對準(zhǔn)則層的權(quán)重及準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的權(quán)重,計(jì)算出方案層對目標(biāo)層的組合權(quán)重,并進(jìn)行排序,權(quán)重值及排序見表6。

表6 方案層對目標(biāo)層排序

由表6可以看出,方案一的權(quán)重值為0.555 0,方案二的權(quán)重值為0.445 0,方案一優(yōu)于方案二。

4 結(jié)論

考慮到長距離輸水管道選線涉及的因素較多,傳統(tǒng)的方法更多的是采用定性的方式分析,而層次分析法將定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合,并通過權(quán)重的引入使得最優(yōu)方案的確定更具合理性和科學(xué)性。本文在綜合分析選線涉及因素的基礎(chǔ)上,選擇線路長度、拆遷征地、土地利用、敏感因素、施工條件、泵站揚(yáng)程、工程投資、運(yùn)行費(fèi)用8個因素作為選線的評價指標(biāo),通過建立層次結(jié)構(gòu)模型,各因素權(quán)重的計(jì)算、排序以及一致性檢驗(yàn),得出方案一為最優(yōu)線路。