水位變幅區取水泵站方案優化選擇

惠可文

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

1 研究項目背景

黃河古賢水利樞紐處于陜晉交界,距離壺口瀑布約10 km。陜西延安黃河引水工程取水口位于古賢水庫壩址上游,屆時水庫建設過程中蓄水位逐步抬高,水位淹沒范圍覆蓋陜西延安黃河引水工程取水口。

根據古賢水庫工程規模,洪水標準按1000 年一遇設計（P=1‰）,對應設計水位為627.52 m,5000 年一遇校核（P=0.2‰）,對應水位為 628.75 m。考慮水庫死水位（550 m）時依舊能取水,取水水位變化范圍由最低550 m至最高627.05 m。

古賢水庫施工期進入第8 年時,自此大壩下閘蓄水,同時拆除施工圍堰,到第9 年時,水庫水位達560 m,高出延安黃河引水工程取水口廠坪高程7 m,取水口大部分功能性建筑均被淹沒,無法運行。隨著時間的推移,水庫庫區回水位繼續抬升,淹沒到引黃工程二級、三級泵站,整個工程停運的同時,原工程受水區用水無法保障,所以,重新修建適應水庫水位變幅的取水泵站非常必要。

2 取水泵站型式介紹

按照泵站構造形式,取水泵站可分為兩類：固定式、移動式。兩種泵站型式,優缺點不同,固定式泵站優點在于取水保證率高,運行維護便利；移動式泵站優點在于一次性投資成本小,土建工程量小。

1）固定式取水泵站分為兩類：岸邊式（臨水）、河岸式（岸上）

岸邊式取水泵站往往設置在江河、水庫的岸邊。以塔式取水泵站為例,當水位達到設計水位時,首先河水通過閘門攔污柵進入進水間,經過過濾后進入水泵進水管,最終經過水泵將其輸送至水廠或用水點。

河岸式取水泵站設在岸上,通常采用半地下式。岸邊式取水泵站是直接從江河岸邊抽水,河岸式取水泵站前有獨立的取水頭部,以及較長的引水管或引水渠。

2）移動式取水泵站大致也分為兩類：浮船式（浮動）、纜車式（滑動）

浮船式取水泵站直接抽取河道、水庫淺層水,一般水質較好。浮船可隨著水位的變化而上下移動,通過搖臂與岸邊支墩鉸接,有較強適應河流水位變化的能力。

纜車式取水泵站也可適應較大的水位變幅,泵站由水泵車、滑道和牽引設備等組成。因泵車需要沿坡道上的軌道上下移動,故該方案對岸邊坡度要求較高,適用于坡度較小、流速較低的河道或水庫。

3 優化選擇方法

“決策樹”是一種科學的決策方法。它的原理就是將復雜問題簡單化、直觀化、數值化,將若干個平行對比方案通過一定的影響因素,按照相應的方法構造一個樹形圖，模擬大樹的生長形態,通過樹的不斷分枝,可以把一個多因素的復雜問題轉化成多個單一因素的簡單問題。

圖1 決策樹示意圖

決策樹的分解過程好比金字塔,從塔尖至塔底,從高高在上到觸手可及。首先,考慮某個需要決策的問題,針對問題的特點,列舉出若干個可行的方案。其次,分析出影響方案決策的因素,每個因素對應一個決策因子,對決策因子進行等級劃分,并對其按數學期望進行賦值,使其數值化。最后,按照因素的重要程度將決策因子的概率進行賦值,使其直觀化。最后,計算出加權后的總期望值,其最大期望值對應的方案就是最佳的決策方案。

用決策樹選擇最佳的方案,有以下要素：泵站的分類、評價因素及指標值。根據上文論述,取水泵站主要分為：岸邊式、河岸式、浮船式、纜車式等若干種型式。評價因素就是在多種平行方案比選時考慮的內容：建設費用、運行管理費用、工作條件、施工難度、工程壽命和適應泥沙能力等,見圖2。

圖2 決策樹結構示意圖

我們需要對各個方案的評價因素進行數值化處理,首先需要對它進行等級劃分,為了讓結果更準確,初步按五個等級區分,從不利到有利分別賦值0至1,如建設費用“很大”,屬于不利因素,賦0分。見表1。

表1 評價因素等級劃分

用表1中的評價因素對每個方案進行衡量評估,各平行方案對應評價因素見表2。

表2 各平行方案評價因素的評價值

所以,可得出幾個取水泵站的矩陣：

共有n個評價因素,每個因素從不同方面影響著決策方案,但不同的評價因素重要程度也不同。所以,為了使決策方案更具合理性、準確性,在評價值的基礎上,按照評價因素的重要程度再規定一個加權系數。具體的取值見表3。

表3 評價因素的加權系數

決策方案的矩陣模型所需的決策系數向量A：

決策方案加權期望值 Yi= A·Xi。

4 取水泵站型式對比應用

通過上述方案列舉,以及用“決策樹”數值化評價標準。結合《黃河古賢水利樞紐工程建設征地移民安置規劃延安黃河引水工程淹沒區重建工程可行性研究報告》[1],以下簡稱《淹沒重建工程》,該可研報告中選取岸邊式和浮船式泵站進行比選,本文針對這個實際案例進行分析。

采用“決策樹”對比,針對每個平行方案,先確定每個方案的評價因素。根據《淹沒重建工程》的項目特點,泵站在水位變幅較大區域取水,且黃河含沙量較大,擬定取水泵站對比選型的評價因素為：（1）建設費用；（2）運行管理費用；（3）工作條件；（4）工程壽命；（5）施工難度；（6）適應泥沙能力。取[0,1]作為評價因素的取值范圍,見表1。

①建設費用：岸邊式泵站方案的一次性投資費用較大,建設費用的評價因素賦分為0.25；浮船式泵站一次性投資費用較小,建設費用的評價因素賦分為0.75。

②運行管理費用：兩個方案用電量相當,但岸邊式泵站維護管理較浮船式泵站更方便,管理費用的評價因素賦分為0.75；浮船船體采用鋼材焊接,需要除銹防腐、破冰、保溫,年維護費較高,管理費用的評價因素賦分為0.50。

③工作條件：岸邊式泵站采用封閉式鋼筋混凝土結構,工作條件很好,工作條件的評價因素賦分為1；浮船泵站受庫水位漲落變幅影響,泵船位于河道、庫水位低時,棧橋坡度較陡,人員行走不便,有一定危險,工作條件的評價因素賦分為0.50。

④工程壽命：岸邊式取水泵站一般為鋼筋混凝土結構,壽命很長,按建筑物使用年限劃分,壽命一般大于50年,工程壽命的評價因素賦分為1；浮船式取水泵站因船體為鋼材,整體為特種設備,工作壽命小于25年,壽命較短,工程壽命的的評價因素賦分為0.50。

⑤適應泥沙能力：古賢水庫在建設期間,水庫水位不斷抬高,庫底部淤積面高程也不斷上升,岸邊式取水泵站的取水口一般設在泵站底部,容易淤積,需要抬高取水口分層取水,適應泥沙能力的評價因素賦分為0.25；浮船式取水泵站取水庫表層水,水質較好,含沙量低,適應泥沙能力的評價因素賦分為0.75。

⑥施工難度：岸邊式泵站為了更好地適應水位變幅,一般采用庫內布置,土方工程量大,施工難度大,有時還需要修建大型圍堰,施工難度的評價因素賦分為0.25；浮船式方案為特種設備,利用水路運輸,現場安裝；土建施工僅在庫水位以上的平臺澆筑,工程量較小,無需導流圍堰,施工難度的評價因素賦分為0.75。

由表4可得出兩種泵站的計算式：

表4 兩種泵站的評價因素賦分表

不同工程,同一評價因素重要性不一樣,同一工程,不同評價因素重要性也不一樣,為保證決策結果的科學性、合理性,應使較為重要的因素占比分值較大,例如建設費用、工作條件對于一個工程來說至關重要,應給予較大的權重。這里引入加權系數,見表5。

表5 評價因素的加權系數

由表5,得到評價因素的加權系數矩陣A=[1 1 1 0.9 0.7 0.5],所以評價取水泵站方案的總指標期望值Yi= A·Xi（Y1代表岸邊式,Y2代表浮船式）。

因為總指標期望值Y1＞ Y2,所以《淹沒重建工程》取水泵站方案選擇岸邊式取水泵站,與項目可研報告結論一致。

5 結論

從《黃河古賢水利樞紐工程建設征地移民安置規劃延安黃河引水工程淹沒區重建工程》看,岸邊式泵站和浮船式泵站均可行,需要從建設費用、運行管理費用、工作條件、工程壽命、施工難度、適應泥沙能力等多方面比選,影響因素太多,設計師進行方案選擇時,會比較困難。本文提供了泵站型式選擇的新思路,使一個復雜問題簡單化、數值化,在選取評價因素時,根據評價因素在同一工程中的重要性引入權值,使結論更加科學、準確、實用。

綜上,在今后工程設計中,遇到多因素影響方案選擇時,可采用決策樹的方法,快速幫助設計師做出決策判斷。