層次分析法在長距離輸水管道選線中的應用

陳銀川

(太原市城鄉規劃設計研究院,山西 太原 030002)

0 引言

我國水資源在地域分布上差異較大,東、南區域水資源相對充足,西、北地區則比較匱乏。對于北方地區,尤其是資源型缺水城市,僅僅依靠本地水資源已經無法滿足經濟快速發展的需求。因此,實施跨區域的長距離輸水工程對改變水資源地域分布不均,優化水資源配置,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、水質水量有保障、節約土地資源、方便管理維護等優點,在跨區域調水工程中被廣泛應用,如南水北調、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。傳統的線路選擇時,設計人員通常以經濟指標作為衡量線路合理的重要指標,但對于多種方案,且各方案的定性指標出現特征值交叉,在經濟指標又相差不大的情況下,很難確定出一個較優方案[1]。而層次分析法作為一種定性與定量相結合的評價方法,通過將定性指標定量化研究,更科學合理地對方案做出決策,目前該方法已廣泛應用于鐵路、公路以及油氣管線等項目的選線。本文選取線路長度、拆遷征地、土地利用、敏感因素、施工條件、泵站揚程、工程投資、運行費用8個影響因素作為該項目的評價指標,利用層次分析法建立線路方案比選模型,并通過權重計算和一致性檢驗,對東山調水工程線路最優方案進行評價分析。

1 研究方法

層次分析法是一種定性與定量相結合的多目標決策方法,適用于解決定性指標定量化問題[2]。該方法主要思路是把多目標決策問題分解成若干個影響因素,根據因素之間的相互重要程度和隸屬關系進行按類分組,形成由目標層、準則層及方案層組成的階梯層次結構。通過不同因素之間的相互比較,并根據其在層次中的重要程度合理賦值,使定性問題轉變為定量化處理[3]。應用層次分析法進行決策主要分為以下四步:

1)建立遞階層次的結構模型。將解決問題思路進行條理化梳理,建立一個由目標層、準則層、方案層組成的結構模型[4]。其中目標層對應的是預定目標,稱為最高層;準則層對應的是目標實現需要的準則和子準則,為中間環節,也稱為中間層;方案層對應的是實現決策目標可供選擇的措施、決策方案,又稱為最底層。

2)構造各層次中的所有判斷矩陣。建立層次結構模型后,對同一層次因素進行兩兩比較,通常采用1～9及其倒數作為標度進行判斷矩陣A=(αij)m×n的構建,標度含義見表1[5]。

表1 標度含義

表2 RI數值表

當CR<0.1時,表示一致性檢驗合格,即各因素權重分配較為合理,否則應當對判斷矩陣做適當調整。

4)層次總排序。根據準則層、方案層的權重值,計算對目標層的組合權重,并進行各方案優先程度的排序,確定出最優方案[7]。

2 選線方案

2.1 工程概況

太原市東西山調水工程是一項跨區域長距離輸水工程,分為西山調水工程和東山調水工程。其中東山線路跨越太原市尖草坪區、杏花嶺區、迎澤區以及小店區四個城區,對解決太原東山地區缺水問題,治理地下水超采,實現北澗河、北沙河、南沙河復流,構建多源一網的水網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。東山線路設計起點為陽曲原水直供工程分水口,終點為南坪頭水庫,設計供水量為20萬m3/d。

2.2 選線原則

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

2.3 線路方案

綜合考慮輸水管道沿線用戶以及城市發展規劃、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,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劃市政道路接入中途提升加壓站,經泵站加壓出線向東穿越臥虎山路、東環高速后接入溝南村高位調節池,利用重力流由北向南沿高壓天然氣、東環高速現有廊道一路向南至楊家峪高速后折向北澗河南岸,穿越高速后繼續沿高速廊道向南至學府街,最終沿學府街敷設至南坪頭水庫。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劃市政道路接入中途提升加壓站,經泵站加壓出線向東穿越臥虎山路、東環高速后接入小返村北側高位調節池,利用重力流由北向南沿規劃東山大道一路向南至學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域均呈現南北低、中間高的地形特點,為充分利用地形高差,兩方案均采用壓力流與重力流結合的方式輸水。

2.4 管道設計

長距離輸水管道常用的管材有球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管、鋼管和玻璃鋼夾砂管[8]。通過從性能、抗內外壓、供水安全保證、耐久性、經濟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,其他管段采用預應力鋼筒混凝土管。

沿程水頭損失hj采用海曾威廉公式計算,局部水頭損失按hj的20%計[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C取值為120。

各管段水力計算見表3。

表3 水力計算對比表

2.5 附屬設施

根據陽曲原水輸水管道設計參數,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,考慮進泵站預留10 m自由水頭,擬建泵站應設置于地面標高不高于840.0位置。受泵站所需標高的限制,本項目泵站位置按唯一性考慮。

方案一:全線共設置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,設置一座中途加壓泵站,設計規模為20萬m3/d,占地規模約1 hm2,泵站提升揚程為100 m。在溝南村高地,設置一處調節水池,水池規模為1 000 m3。

方案二:線路分水口數量、供水對象、泵站設置位置、設計規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程為170 m。在小返村北側高地,設置一處調節水池,水池規模也為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、泵站揚程較低、運行費用較低等優點,但是征地規模較大、與現有其他長輸管道交叉較多,且穿越王家峰墓群,施工過程中需協調因素較多,對施工影響較大。方案二具有線路較短、征地規模較小、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,符合遠期城市規劃,但是泵站揚程、運行費用較高,且施工條件較差,需自建施工道路,增加了工程投資。另外,東山大道屬于遠期規劃道路,存在工程建設的不確定性。綜合上述不難發現,兩個方案各有優劣勢,無法對最優線路做出正確判斷。因此,本項目采用層次分析法,通過構建指標評價體系和權重的計算、排序來確定線路的最優方案。

3 層次分析法在東山調水工程的具體應用

3.1 構建指標評價體系

將線路最優方案作為目標層,將影響線路走向方案的線路長度、施工條件、拆遷征地、泵站揚程、工程投資、敏感因素、土地利用、運行費用8個主要因素作為準則層,將線路一、線路二作為方案層,構建如圖3所示的層次結構模型。

3.2 構造判斷矩陣及權重計算

根據圖3建立的結構模型,依次構造準則層-目標層、方案層-準則層的判斷矩陣。對矩陣進行歸一化計算,得到各因素的相對權重。各層次判斷矩陣及權重值見表5,圖4。

表5 準則層-目標層判斷矩陣

3.3 組合權重的計算及排序

依據方案層對準則層的權重及準則層對目標層的權重,計算出方案層對目標層的組合權重,并進行排序,權重值及排序見表6。

表6 方案層對目標層排序

由表6可以看出,方案一的權重值為0.555 0,方案二的權重值為0.445 0,方案一優于方案二。

4 結論

考慮到長距離輸水管道選線涉及的因素較多,傳統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算相結合,并通過權重的引入使得最優方案的確定更具合理性和科學性。本文在綜合分析選線涉及因素的基礎上,選擇線路長度、拆遷征地、土地利用、敏感因素、施工條件、泵站揚程、工程投資、運行費用8個因素作為選線的評價指標,通過建立層次結構模型,各因素權重的計算、排序以及一致性檢驗,得出方案一為最優線路。