基于AHP的玉樹機場排洪工程規劃

岳亞軍 李 樂 徐萬里

(空軍第一建筑安裝工程總隊，北京 100076)

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基于AHP的玉樹機場排洪工程規劃

岳亞軍 李 樂 徐萬里

(空軍第一建筑安裝工程總隊，北京 100076)

將層次分析法(AHP)運用于玉樹機場排洪工程方案規劃中，確定了準則層元素，結合實例分析了方案層判斷矩陣的構建方法，最后，研究得出了排洪方案規劃結果，實踐證明該方案運用于玉樹機場防排洪工程，取得了良好的效果。

層次分析法，排洪，規劃

1 工程概況

玉樹民用機場位于青海省玉樹藏族自治州玉樹縣境內，等級為4C，設計跑道長度3 800 m，為青海省重點工程。

機場海拔3 900 m左右，屬典型的高原機場，氣象、地形條件復雜，河流發達，山巒起伏。場址位于山前坡地上，機場北側和東側分別有巴曲河和扎曲河通過。機場以南為山脈，與機場的相對高差超過1 000 m。坡面上沖溝發育，有10條大小不同的沖溝穿越飛行場區，總匯水面積33 km2，在國內機場非常罕見。因此機場防洪問題非常突出，排洪工程相當復雜。

本文采用層次分析法(AHP)對該工程進行了分析，制定了機場排洪方案。方案實施后，達到了設計排洪能力，取得了良好的效果。

2 排洪工程規劃原則

玉樹機場場區沖溝多，山坡洪水匯水面積大，地形條件復雜，排洪工程既要考慮安全和節省投資，又要與地勢設計方案和場內排水協調，還要做好“三江源”地區的生態環境保護，方案制定難度大。結合玉樹機場的具體實際，擬定了防洪工程設計應遵循的幾條原則：

1)突出防洪安全。

玉樹機場山洪流量大，當地小流域水文、氣象資料缺乏，高原氣候變化復雜，當地經常出現小流域的山洪和泥石流，因此防洪方案布置要突出防洪安全，以降低突發情況下洪水對機場的威脅程度。

2)重視生態環境保護。

玉樹機場位于“三江源”地區，草原生態比較脆弱，僅表層30 cm～50 cm為高原草甸，其余為砂礫石。因此，截、排洪溝的布置還要與草原環境相協調，避免截斷放牧的主要通道，防止排洪溝出口水流在草原上漫流破壞植被；同時，盡量減少土面開挖，對開挖后的土面區要進行生態恢復。

3)節約工程投資、便于維護管理。

玉樹機場地處欠發達地區，經濟條件較差，資金比較緊張。排洪工程在保證安全和環保的基礎上，盡量節約工程投資。同時，由于該地氣候條件惡劣，機場保障人員少，平時維護管理比較困難。尤其是排洪工程基本上都在場外，所以排洪工程設計首先保證結構可靠性，盡量減少機場運行過程中的養護和維修。

3 排洪方案規劃的AHP模型

根據AHP原則并結合實際經驗，提出影響排洪方案AHP模型的目標層和準則層因素，其中準則層的主要因素有：構筑物防洪的安全性、功能性、維護方便性、工程費用和對環境的影響，如圖1所示。

按照防洪工程設計原則[1,2]，排洪方案AHP模型中所示的5個準則對于目標層的權重比大小順序應為：安全性>功能性>對環境影響>工程費用>維護方便性。按照AHP中元素間重要性評判指標[3]，構建的比較矩陣為：

(1)

該矩陣的最大特征值和相應的最大特征向量分別為：λmax=4.812 2，V=[0.069 7 0.125 8 0.210 0 0.279 5 0.314 9]T。經檢驗，該矩陣的一致性可以接受[4]。

4 排洪方案的比選

根據場區地形特點及地勢設計方案，結合飛行區總平面規劃，布置飛行區防洪系統，并根據設計流量確定排洪構筑物的結構形式和斷面尺寸[5]。防洪方案比選的內容主要包括截洪溝的平面位置確定、排洪線路布置和排洪出口選擇3個方面。

4.1 截洪溝的平面位置確定

截洪溝的平面位置需考慮與地勢設計協調，既要保證截洪效果，又要滿足經濟、環保等多方面的因素。根據場區的地形特點和民航機場飛行區的技術標準，排洪溝至少距離跑道中心線105 m。由于高原氣象條件復雜，機場凈空條件較差，而當地大風天氣較多，飛機下降過程中可能受側風影響。考慮飛行安全，截洪溝布置在距跑道中心線150 m以外。結合地勢設計，主要選擇兩種方案進行了分析比較。

方案1：先以10‰向南降坡，在距跑道中心線80 m處向南升坡，150 m處與跑道同高，考慮圍界不超高和截洪溝的布置，平整至距跑道中心線180 m，其中圍界在距跑道中心線169 m處，截洪溝布置在圍界外，截洪溝南側進行側凈空處理。

方案2：以10‰向南降坡，在距跑道中心線145 m處向下放坡，以滿足圍界不超高，圍界在距跑道中心線150 m處，截洪溝布置在圍界外側，截洪溝南側進行側凈空處理。方案如圖2所示。

方案層中兩個因素對于準則層5個因素的權重比矩陣分別為：

1)安全性指標。

方案2截洪溝位置比跑道高程低，安全性較好，同時，方案2對降低場區的地下水位有利，減小地下水對道面結構的危害，方案2的安全性量化指標為1；方案1洪水對機場的威脅較大，將其安全性指標定為4。

由此，構建的安全性比較矩陣為：

(2)

該矩陣的最大特征值和相應的特征向量分別為：λmax=2，V=[0.2 0.8]T。

2)功能性指標。

從對場內排水的影響來說，方案1雖然可以結合V形溝排水，但由于場地較長，V形溝排水出口受到制約，對場內排水不利，而方案2可以將場內徑流分段排入截洪溝。經綜合分析，構造的比較矩陣為：

(3)

該矩陣的最大特征值和相應的特征向量分別為：λmax=2.002 5，V=[0.400 6 0.599 4]T。

3)對環境的影響。

方案1的征地范圍為190 m，方案2的征地范圍為170 m，由此，構建的比較矩陣為：

(4)

該矩陣的最大特征值和相應的特征向量分別為：λmax=2.006 2，V=[0.527 8 0.472 2]T。

4)工程費用指標。

方案1挖方447萬m3，填方419萬m3；方案2挖455萬m3，填419萬m3，由此構建的比較矩陣為：

(5)

該矩陣的最大特征值和相應的特征向量分別為：λmax=2，V=[0.449 7 0.502 3]T。

5)維護方便性指標。

方案1坡面防護范圍小，其中坡度較陡的坡段，需用三維網草皮防護，坡頂需設截水溝；方案2坡面防護范圍中等，其中坡度較陡的坡段，需用三維網草皮防護，坡頂需設截水溝，均會給整體工程帶來一定隱患，增加后期維護費用。經綜合比較，得比較矩陣為：

(6)

該矩陣的最大特征值和相應的特征向量分別為：λmax=2，V=[0.33 0.67]T。

根據以上分析，結合準則層相對于目標層的權向量，得出方案層對于準則層和目標層的組合權向量計算表(見表1)。

表1 組合權向量計算表(一)

經組合權重計算，得出方案1和方案2對于目標層的決策權重向量為：V=[0.404 8 0.581 7]T，可以看出，方案2占58.17%的權重，為首選方案。

4.2 排洪路線規劃

根據地勢設計，跑道西端最高，從跑道西端向東全部為降坡，排洪溝主要徑流方向是自西向東。在跑道西端安全區，坡度向西降坡，這部分少量徑流向西繞過飛行區西端，接到天然沖溝。

由于向東的徑流匯集了山口1和山口2的洪水，因此流量很大，其排洪線路有兩個方案：

方案1：全部徑流通過排洪溝向東排入容泄區；

方案2：采用排洪涵洞分流，將山口1的主要徑流通過排洪涵洞穿越飛行場區后排入原主沖溝，其他徑流向東排入扎曲河，如圖3所示。

由于排洪溝下游地面反坡，開挖深度大，最大深度達到9.5 m左右，若采用梯形明溝，方案1上口最大寬度達到43.5 m，方案2上口最大寬度達到39 m，對草原生態破壞嚴重。同時排洪溝下游若采用明溝，影響附近居民的生產和生活，需要在該位置架設橋梁，造價也比較高。因此，考慮在下游開挖深度超過5 m的地段采用蓋板涵的形式，長度約400 m，涵頂覆土恢復生態，如圖4所示。

兩個方案的主要區別在截排洪溝的中下游，截排洪溝在排洪涵洞位置以后的長度約4 052 m，其中中游3 028 m溝底縱坡基本為5‰，下游1 024 m長度范圍內由于地形反坡，溝底縱坡最大按3‰考慮，根據推求的扎曲河水位和排洪線路的縱斷面情況，若保證扎曲河水位不頂托排洪溝徑流，排洪溝下游溝深最大為2.5 m。方案層中兩個因素對于準則層5個因素的權重比矩陣分別為：

1)安全性指標。

方案1下游流量太大，主要徑流只有一個出口，一旦堵塞或結構失效，洪水很快就會溢出排洪溝，導致場區被淹沒，將其安全性指標定為4。方案2由于分流了山口1的大部分徑流，下游防洪負擔減輕，同時兩個主要出口增加防洪的安全系數，將其安全性指標定為2。構建比較矩陣為：

(7)

該矩陣的最大特征值和相應的特征向量分別為：λmax=2，V=[0.33 0.67]T。

2)功能性指標。

兩個方案均能完成預定排洪功能，且無附加功能，因此，構建比較矩陣為：

(8)

該矩陣的最大特征值和相應的特征向量分別為：λmax=2，V=[0.5 0.5]T。

3)對環境的影響。

減少明溝開挖斷面面積有利于保護草原生態，同時保持原主要沖溝長流水對保護草原生態也很有利。經計算，方案1開挖面積為176 262 m2，方案2的開挖面積為158 028 m2，因此，構建比較矩陣為：

(9)

該矩陣的最大特征值和相應的特征向量分別為：λmax=2.000 1，V=[0.473 0.527]T。

4)工程費用指標。

方案1比方案2減少280 m長箱涵，箱涵每延米約15 000元，減少造價420萬元。截洪溝中游3 028 m范圍排洪溝斷面面積方案1比方案2增加約42%，每延米約增加造價630元，增加造價190.76萬元。排洪溝下游1 024 m范圍內，其中624 m漿砌片石排洪溝斷面面積方案1比方案2增加約70%，每延米約增加造價1 050元，增加造價65.52萬元；400 m長蓋板涵把高度控制在2.5 m的情況下，方案1底寬需要8.5 m，設計為三孔箱涵，方案2底寬需要5.8 m，設計為兩孔箱涵，方案1比方案2每延米蓋板涵約增加造價4 200元，共增加造價168萬元。總計方案1比方案2增加造價24.28萬元。由此，構建比較矩陣為：

(10)

該矩陣的最大特征值和相應的特征向量分別為：λmax=2.000 2，V=[0.494 0.506]T。

5)維護方便性指標。

按照后期維護費用來計算維護方便性指標。據估算，方案1包括4 052 m的明溝和400 m的蓋板涵，使用維護費用指標為(4 052×1+400×2)/4 452=1.09；方案2包括4 052 m的明溝和680 m的涵洞，使用維護費用指標為(4 052×1+680×2)/4 732=1.14，由此，得比較矩陣為：

(11)

該矩陣的最大特征值和相應的特征向量分別為：λmax=2.000 1，V=[0.528 0.472]T。

根據以上分析，結合準則層相對于目標層的權向量V=[0.069 7 0.125 8 0.210 0 0.279 5 0.314 9]T，得出方案層對于準則層和目標層的組合權向量計算表(見表2)。

表2 組合權向量計算表(二)

經過組合權重計算，得出方案1和方案2對于目標層的決策權重向量為：V=[0.489 6 0.510 4]T，可以看出，方案2占有51.04%的權重，為首選方案。

4.3 排洪出口的選擇

排洪溝西端出口流量小，可以直接繞過飛行區西端接入原沖溝排入巴曲河；中部排洪涵洞出口流量較大，接入原山口1徑流形成的主沖溝，排水比較順暢；排洪溝東端的出口有兩種設計方案。

方案1：繞過飛行區東端排入巴曲河；

方案2：直接向東排入扎曲河。

方案1路線不順，若直接排入附近沖溝漫流，由于流量大，而附近的沖溝斷面很小，易形成沖刷，影響草原的使用，增加日后管理工作難度，征求當地管理部門的意見，也主張不直接排入附近沖溝，以避免機場運行管理過程中與當地居民發生糾紛；若修建排洪溝到巴曲河，距離太長，不經濟，而且對草原生態環境破壞較大。方案2直接排入扎曲河，距離短，排水線路順暢，日后維護管理較為方便。從保護生態環境和提高使用性能方面考慮，推薦方案2為排洪溝東端出口方案。

5 結語

本文將AHP運用在大型機場的防排洪工程上，建立了方案優選的AHP模型，分析確定了5個準則層元素，并構建了比較矩陣，計算得出了權重向量。隨后，分別運用AHP對截洪溝的平面位置、排洪路線規劃方案進行了優選，最后分析了排洪出口方案。

本文的研究成果已運用于玉樹機場防排洪工程中，保證了功能性和安全性，效果較為理想。

[1] Kibler DF.Urban stormwater hydrology,American Geophysical Union’s Water Resources Monograph 7,1982.

[2] 中國市政工程東北設計院.給水排水設計手冊(第七冊)，城市防洪[M].北京：中國建筑工業出版社，1986.

[3] 王 薔.層次分析法在多目標水利項目決策中的應用[J].東北水利水電，2003(8)：68-69.

[4] 朱 茵,孟志勇,闞叔遇.用層次分析法計算權重[J].北方交通大學學報,1999(5)：46-47.

[5] 岑國平，洪 剛.機場排水結構物設計[D].北京：空軍工程大學，2006.

The program planning of the Yushu airport drainage construction based on AHP

YUE Ya-jun LI Le XU Wan-li

(TheFirstBridgeofConstruction&InstallationoftheChineseAirForce，Beijing100076,China)

The Analytic Hierarchy Process(AHP) was used for the program planning of the Yushu airport drainage construction, the elements of criteria layer was chosen, the example was used for analysing the construction method of the project layer judgement matrix, finally, the drainage construction planning was obtained. The conclusion was used in the Yushu airport drainage construction, it has been suitable for use up to now.

AHP, drainage, planning

1009-6825(2014)13-0134-03

2014-02-28

岳亞軍(1974- )，男，工程師； 李 樂(1981- )，男，工程師； 徐萬里(1986- )，男，助理工程師

TU992

A