跨流域引調水工程輸水線路施工規劃方案優選分析

李保虎

(華北電力大學，北京 100096)

1 項目概況

項目工程位于海淀區，屬于暖溫帶半干旱季風氣候，年平均氣溫在11～12 ℃，多年平均降水量在597 mm，降水量年際變化較大，最大年降水量為1050 mm，最小年降水量為347 mm。降水量年內分配不均，其中 6—9 月降水量占全年降水量的85%以上。工程區標準凍深為0.80 m。輸水工程涉及海淀區青龍橋鎮、西北旺鎮的團城湖、紅山口、龍背村一帶。地貌單元屬北京西山東側的山前斜坡帶，基巖埋深起伏變化大，局部殘留孤山，東接廣闊的沖洪積平原。西側香山最高海拔571 m，紅山口西三昭山最高海拔約110 m，南側頤和園萬壽山最高海拔100 m。因市政基礎及城市各類建設，地貌多經人工改造，現狀地勢較為平坦，地面高程一般在49～52 m左右。項目沿線屬于永定河流域與北運河流域交錯地帶，第四系松散覆蓋層巖性變化多，大體以紅山口橋為界，南部屬永定河沖洪積平原，北部屬北運河沖洪積平原。清河由西向東經紅山口后拐向北，至龍背村東又拐向東流，清河河底低于現狀地面約7～8 m。京密引水渠由北向南緊鄰紅山口西側低山及萬壽山東流入頤和園昆明湖，京密引水渠渠底低于現狀地面約5～6 m。場區附近各類市政基礎設施分布復雜，地上有五環路紅山口橋、北安河橋等，地下有地鐵四號線及其備用站臺、市政電力隧道及給水管線、再生水管線、燃氣管線等。旱河-清河從紅山口橋南側呈東西向以連通暗涵方式下穿京引渠后，改向為由南西至北東穿過該區。

2 評價方法

調水工程是一項復雜的綜合工程[1]。因此，對調水工程輸水線路施工規劃方案進行評價，需從工程各方面進行綜合考量。模糊綜合評價法基于模糊數學，能夠很好地對調水工程輸水線路施工規劃方案進行有效的評價。首先確定評價目標，評價目標對象的目標集合如式(1)所示。

I={I1，I2，…，Im}

(1)

式中：Ii為單個評價指標；m為存在m個評價指標。根據評價結果，得到評價等級集合，如式(2)所示。

U={U1，U2，…，Un}

(2)

式中：U為評價結果的集合；Ui為第i個評價結果；n為評價總數。從單一因素出發發起評價，得到評價等級集合U的隸屬程度，求得每個評價對象相應評價結果的隸屬度，得到模糊關系矩陣，如式(3)所示。

(3)

式中：aij為從指標Ii來看對Uj評價等級模糊集合的隸屬度。確定關系矩陣后，還需確定評價指標的權向量，如式(4)所示。

W=(w1，w2，…，wm)

(4)

式中：wi為各影響因素的權重占比。將權向量集合與評價對象的模糊關系矩陣結合，得到最終的評價結果向量，如式(5)所示。

B=W·A=(b1，b2，…，bn)

(5)

式中：B為評價結果向量；W為評價指標的權向量；A為評價對象的模糊關系矩陣；bi為被評價對象對評價指標模糊子集的隸屬程度。運用模糊綜合評價能夠對具體問題進行有效分析，利用精準化的數學方法將包含模糊信息的具體問題有效處理。

3 評價指標

指標體系的構建是將現實問題有效轉換為數學模型的關鍵[2]。對調水工程的指標進行構建需要遵循一般指標體系的科學性與層次性原則。同時，從調水工程的工程特性出發，還需注重評價體系的綜合性與區域性[3]。結合實際問題，調水工程指標主要從三方面考慮，分別是經濟指標、管理指標與影響指標。

經濟指標是項目的重要考察指標，任何項目的起止都離不開經濟，經濟指標既涵蓋了費用的產生，也包含了效益的預估[4]。調水工程的費用主要來自工程本身，包括建設沿線的一系列工程所產生的費用。此外還有工程中可能會造成的影響問題，調水工程可能會帶來移民征地、交通運輸管制等實際影響，其產生的費用也需考慮。從經濟效益考慮，調水工程帶來的經濟效益遵循一般水利經濟效益，主要有防洪、治澇、灌溉、供水、發電以及其他六大類。結合實際項目考慮，灌溉與發電貢獻較少，主要是解決供水問題。此外，項目對周邊生態環境影響也應算作生態效益予以考慮。

從管理指標考慮，輸水工程一般規模大、線路長，各輸水段相互影響，必須保證全線安全運行[5]。同時，供水率的保障也十分重要，因此還需考慮枯水年的供應情況，考慮備用輸水線的問題。此外，水污染風險也是重要指標，安全的水質是保障居民生活的必要條件。從工程管理考慮，主要考慮項目運行管理的難度、備用輸水線路的可靠性與項目搶修的響應能力。

從影響指標考慮，調水工程會對輸水干線及沿線城鎮的防洪除澇、灌溉排水、航運、環境生態等方面產生影響。此外，調水工程實施對沿線居民的生活也會產生一定影響。因此，影響指標存在項目影響與社會影響。綜合上述考量，結合工程評估建議，得出調水工程的評價指標體系如表1所示。

表1 調水工程評價指標體系

由表1可知，調水工程指標主要從經濟、管理與影響三方面考慮，一級指標6個，2級指標21個。其中，有定量指標12個，分別是河道項目費用、建筑物項目費用、水質保障項目費用、工程影響項目費用、工程工資費用、消耗品費用、維護費用、其他費用、供水收益、防洪除澇收益、運輸效益、枯年供水保障。定性指標9個，分別是生態效益、供水率保障、水質污染風險、備用輸水線保障、搶修響應能力、工程實施影響、用戶供水影響、排澇降漬影響、民眾認可度。根據指標影響類型劃分，其中有正向指標9個，分別是供水收益、防洪除澇收益、運輸效益、生態效益、供水率保障、枯年供水保障、備用輸水線保障、搶修響應能力、民眾認可度。負向指標12個，分別是河道項目費用、建筑物項目費用、水質保障項目費用、工程影響項目費用、工程工資費用、消耗品費用、維護費用、其他費用、水質污染風險、工程實施影響、用戶供水影響、排澇降漬影響。用專家調查法對指標權重進行計算。經過一輪基礎意見評價問卷與一輪匿名反饋評價后，綜合各專家意見，結合實際工程狀況，按照統計學方法計算，得出的指標權重如表2所示。

表2 調水工程評價指標權重

4 對比分析

使用研究構建評價方法對施工規劃方案進行比選。調水工程有3個關鍵施工點。方案一：在工程點1處構建盾構井，工程點2處構建二襯豎井，工程點3處構建盾構井。方案二：在工程點1處構建盾構井，工程點2處進行繞行工程，在工程點3處構建盾構井。方案三：在三處工程點均選擇繞行工程。將三種工程方案定性指標部分制作調查問卷，按照相關專家取平均值進行統計。綜合各方案預估定量指標，得出三個方案的評價結果。三個方案的項目投資費用指標與項目管理費用指標的評價結果如表3所示。

由表3可知，在項目投資費用指標中，方案一有三項指標評分最為優異。在建筑物項目費用評價指標上，方案一的評分不如方案三，原因是方案一構建了更多的盾構井，在建筑工程費用上相較于方案三有所增加。在項目管理費用指標中，方案一同樣綜合表現最為優秀。在維護評價指標中，方案一的表現不如方案二和方案三。因為方案一的工況更為復雜，從而后期維護費用相較于施工較為簡單的方案三更高。盡管方案一存在部分指標不如方案三的情況，但是從整體工程費用看，方案一的表現仍然最為優異，具備更好的經濟性。

三個方案的項目沿線收益指標與項目運營管理指標的評價結果如表4所示。從項目沿線收益指標看，在供水效益上三個方案沒有差別，在防洪除澇收益上方案一略微領先，在運輸效益上方案一的表現不如方案二和方案三，在生態效益上方案一的優勢更大。結合評價權重，因為生態效益的權重占比遠高于運輸受益，因此整體上仍是方案一的項目沿線收益評分更高。從項目運營管理指標上看，方案一在各項指標上的評價皆高于其他方案，更高的供水率保障能夠有效提升居民的用水體驗，是調水工程解決的核心問題所在。因此，方案一的施工效果更加優異。

表4 三個方案項目沿線收益與運營管理評分 分

三個方案的項目工程管理指標與項目工程影響與認可指標的評價結果如表5所示。方案一在備用輸水線保障的評價上遠遠高于方案二與方案三，因為方案一的施工層次更為復雜，預留的備用輸水線路更加穩定和高效。與此同時，由于方案一的工況更為復雜，因此其搶修響應能力會受到一些影響。在工程影響與認可指標中，方案一與方案二都取得了較高的評分，因為盾構井施工對居民生活的各方面影響都很低，相較于地面施工更多的方案三，能夠更好地減少因項目工程施工給附近居民帶來的不良體驗。綜合上述評價結果，依據模糊綜合評價法對三個方案進行綜合評價，得到的結果如圖2所示。

圖2 三個方案綜合評價對比

由圖2可知，方案一的綜合評分為89.3分，無論是整體評分還是單項評分皆為最高。方案二的綜合評分為86.5分，處于中間水平。方案三評分為82.0分，處于最低水平。結合表三分析，由于方案一更多地采用下穿施工，不必繞行，在各項綜合指標上均領先于采用繞行規劃的方案三。從單項指標看，采用繞行規劃更多的方案三僅在維護費用、運輸效益及搶修響應能力擁有微弱優勢，而這種優勢是采用更高成本和更多施工時間帶來的。從三個方案對比不難看出，隨著施工技術和施工標準的不斷的升級，采用盾構井施工更能節約成本，優化施工方案，保障供水并降低施工負面影響。

5 結 論

利用專家調查法結合調水工程實際情況構建工程評價指標體系，通過模糊綜合評價法，對調水工程施工規劃方案進行優選分析。結果表明，在工程點1處構建盾構井，工程點2處構建二襯豎井，工程點3處構建盾構井的方案一綜合評分更高，比更多采用繞行施工的方案三高出7.3分，比在工程點2處繞行施工的方案二高出2.8分。該分析結果符合實際，能對調水工程施工方案規劃進行準確分析，優化了施工規劃方案對比方法，為工程方案探討研究提供了數據參考。