基于AHP的玉树机场排洪工程规划

岳亚军 李 乐 徐万里

(空军第一建筑安装工程总队，北京 100076)

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基于AHP的玉树机场排洪工程规划

岳亚军 李 乐 徐万里

(空军第一建筑安装工程总队，北京 100076)

将层次分析法(AHP)运用于玉树机场排洪工程方案规划中，确定了准则层元素，结合实例分析了方案层判断矩阵的构建方法，最后，研究得出了排洪方案规划结果，实践证明该方案运用于玉树机场防排洪工程，取得了良好的效果。

层次分析法，排洪，规划

1 工程概况

玉树民用机场位于青海省玉树藏族自治州玉树县境内，等级为4C，设计跑道长度3 800 m，为青海省重点工程。

机场海拔3 900 m左右，属典型的高原机场，气象、地形条件复杂，河流发达，山峦起伏。场址位于山前坡地上，机场北侧和东侧分别有巴曲河和扎曲河通过。机场以南为山脉，与机场的相对高差超过1 000 m。坡面上冲沟发育，有10条大小不同的冲沟穿越飞行场区，总汇水面积33 km2，在国内机场非常罕见。因此机场防洪问题非常突出，排洪工程相当复杂。

本文采用层次分析法(AHP)对该工程进行了分析，制定了机场排洪方案。方案实施后，达到了设计排洪能力，取得了良好的效果。

2 排洪工程规划原则

玉树机场场区冲沟多，山坡洪水汇水面积大，地形条件复杂，排洪工程既要考虑安全和节省投资，又要与地势设计方案和场内排水协调，还要做好“三江源”地区的生态环境保护，方案制定难度大。结合玉树机场的具体实际，拟定了防洪工程设计应遵循的几条原则：

1)突出防洪安全。

玉树机场山洪流量大，当地小流域水文、气象资料缺乏，高原气候变化复杂，当地经常出现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，以降低突发情况下洪水对机场的威胁程度。

2)重视生态环境保护。

玉树机场位于“三江源”地区，草原生态比较脆弱，仅表层30 cm～50 cm为高原草甸，其余为砂砾石。因此，截、排洪沟的布置还要与草原环境相协调，避免截断放牧的主要通道，防止排洪沟出口水流在草原上漫流破坏植被；同时，尽量减少土面开挖，对开挖后的土面区要进行生态恢复。

3)节约工程投资、便于维护管理。

玉树机场地处欠发达地区，经济条件较差，资金比较紧张。排洪工程在保证安全和环保的基础上，尽量节约工程投资。同时，由于该地气候条件恶劣，机场保障人员少，平时维护管理比较困难。尤其是排洪工程基本上都在场外，所以排洪工程设计首先保证结构可靠性，尽量减少机场运行过程中的养护和维修。

3 排洪方案规划的AHP模型

根据AHP原则并结合实际经验，提出影响排洪方案AHP模型的目标层和准则层因素，其中准则层的主要因素有：构筑物防洪的安全性、功能性、维护方便性、工程费用和对环境的影响，如图1所示。

按照防洪工程设计原则[1,2]，排洪方案AHP模型中所示的5个准则对于目标层的权重比大小顺序应为：安全性>功能性>对环境影响>工程费用>维护方便性。按照AHP中元素间重要性评判指标[3]，构建的比较矩阵为：

(1)

该矩阵的最大特征值和相应的最大特征向量分别为：λmax=4.812 2，V=[0.069 7 0.125 8 0.210 0 0.279 5 0.314 9]T。经检验，该矩阵的一致性可以接受[4]。

4 排洪方案的比选

根据场区地形特点及地势设计方案，结合飞行区总平面规划，布置飞行区防洪系统，并根据设计流量确定排洪构筑物的结构形式和断面尺寸[5]。防洪方案比选的内容主要包括截洪沟的平面位置确定、排洪线路布置和排洪出口选择3个方面。

4.1 截洪沟的平面位置确定

截洪沟的平面位置需考虑与地势设计协调，既要保证截洪效果，又要满足经济、环保等多方面的因素。根据场区的地形特点和民航机场飞行区的技术标准，排洪沟至少距离跑道中心线105 m。由于高原气象条件复杂，机场净空条件较差，而当地大风天气较多，飞机下降过程中可能受侧风影响。考虑飞行安全，截洪沟布置在距跑道中心线150 m以外。结合地势设计，主要选择两种方案进行了分析比较。

方案1：先以10‰向南降坡，在距跑道中心线80 m处向南升坡，150 m处与跑道同高，考虑围界不超高和截洪沟的布置，平整至距跑道中心线180 m，其中围界在距跑道中心线169 m处，截洪沟布置在围界外，截洪沟南侧进行侧净空处理。

方案2：以10‰向南降坡，在距跑道中心线145 m处向下放坡，以满足围界不超高，围界在距跑道中心线150 m处，截洪沟布置在围界外侧，截洪沟南侧进行侧净空处理。方案如图2所示。

方案层中两个因素对于准则层5个因素的权重比矩阵分别为：

1)安全性指标。

方案2截洪沟位置比跑道高程低，安全性较好，同时，方案2对降低场区的地下水位有利，减小地下水对道面结构的危害，方案2的安全性量化指标为1；方案1洪水对机场的威胁较大，将其安全性指标定为4。

由此，构建的安全性比较矩阵为：

(2)

该矩阵的最大特征值和相应的特征向量分别为：λmax=2，V=[0.2 0.8]T。

2)功能性指标。

从对场内排水的影响来说，方案1虽然可以结合V形沟排水，但由于场地较长，V形沟排水出口受到制约，对场内排水不利，而方案2可以将场内径流分段排入截洪沟。经综合分析，构造的比较矩阵为：

(3)

该矩阵的最大特征值和相应的特征向量分别为：λmax=2.002 5，V=[0.400 6 0.599 4]T。

3)对环境的影响。

方案1的征地范围为190 m，方案2的征地范围为170 m，由此，构建的比较矩阵为：

(4)

该矩阵的最大特征值和相应的特征向量分别为：λmax=2.006 2，V=[0.527 8 0.472 2]T。

4)工程费用指标。

方案1挖方447万m3，填方419万m3；方案2挖455万m3，填419万m3，由此构建的比较矩阵为：

(5)

该矩阵的最大特征值和相应的特征向量分别为：λmax=2，V=[0.449 7 0.502 3]T。

5)维护方便性指标。

方案1坡面防护范围小，其中坡度较陡的坡段，需用三维网草皮防护，坡顶需设截水沟；方案2坡面防护范围中等，其中坡度较陡的坡段，需用三维网草皮防护，坡顶需设截水沟，均会给整体工程带来一定隐患，增加后期维护费用。经综合比较，得比较矩阵为：

(6)

该矩阵的最大特征值和相应的特征向量分别为：λmax=2，V=[0.33 0.67]T。

根据以上分析，结合准则层相对于目标层的权向量，得出方案层对于准则层和目标层的组合权向量计算表(见表1)。

表1 组合权向量计算表(一)

经组合权重计算，得出方案1和方案2对于目标层的决策权重向量为：V=[0.404 8 0.581 7]T，可以看出，方案2占58.17%的权重，为首选方案。

4.2 排洪路线规划

根据地势设计，跑道西端最高，从跑道西端向东全部为降坡，排洪沟主要径流方向是自西向东。在跑道西端安全区，坡度向西降坡，这部分少量径流向西绕过飞行区西端，接到天然冲沟。

由于向东的径流汇集了山口1和山口2的洪水，因此流量很大，其排洪线路有两个方案：

方案1：全部径流通过排洪沟向东排入容泄区；

方案2：采用排洪涵洞分流，将山口1的主要径流通过排洪涵洞穿越飞行场区后排入原主冲沟，其他径流向东排入扎曲河，如图3所示。

由于排洪沟下游地面反坡，开挖深度大，最大深度达到9.5 m左右，若采用梯形明沟，方案1上口最大宽度达到43.5 m，方案2上口最大宽度达到39 m，对草原生态破坏严重。同时排洪沟下游若采用明沟，影响附近居民的生产和生活，需要在该位置架设桥梁，造价也比较高。因此，考虑在下游开挖深度超过5 m的地段采用盖板涵的形式，长度约400 m，涵顶覆土恢复生态，如图4所示。

两个方案的主要区别在截排洪沟的中下游，截排洪沟在排洪涵洞位置以后的长度约4 052 m，其中中游3 028 m沟底纵坡基本为5‰，下游1 024 m长度范围内由于地形反坡，沟底纵坡最大按3‰考虑，根据推求的扎曲河水位和排洪线路的纵断面情况，若保证扎曲河水位不顶托排洪沟径流，排洪沟下游沟深最大为2.5 m。方案层中两个因素对于准则层5个因素的权重比矩阵分别为：

1)安全性指标。

方案1下游流量太大，主要径流只有一个出口，一旦堵塞或结构失效，洪水很快就会溢出排洪沟，导致场区被淹没，将其安全性指标定为4。方案2由于分流了山口1的大部分径流，下游防洪负担减轻，同时两个主要出口增加防洪的安全系数，将其安全性指标定为2。构建比较矩阵为：

(7)

该矩阵的最大特征值和相应的特征向量分别为：λmax=2，V=[0.33 0.67]T。

2)功能性指标。

两个方案均能完成预定排洪功能，且无附加功能，因此，构建比较矩阵为：

(8)

该矩阵的最大特征值和相应的特征向量分别为：λmax=2，V=[0.5 0.5]T。

3)对环境的影响。

减少明沟开挖断面面积有利于保护草原生态，同时保持原主要冲沟长流水对保护草原生态也很有利。经计算，方案1开挖面积为176 262 m2，方案2的开挖面积为158 028 m2，因此，构建比较矩阵为：

(9)

该矩阵的最大特征值和相应的特征向量分别为：λmax=2.000 1，V=[0.473 0.527]T。

4)工程费用指标。

方案1比方案2减少280 m长箱涵，箱涵每延米约15 000元，减少造价420万元。截洪沟中游3 028 m范围排洪沟断面面积方案1比方案2增加约42%，每延米约增加造价630元，增加造价190.76万元。排洪沟下游1 024 m范围内，其中624 m浆砌片石排洪沟断面面积方案1比方案2增加约70%，每延米约增加造价1 050元，增加造价65.52万元；400 m长盖板涵把高度控制在2.5 m的情况下，方案1底宽需要8.5 m，设计为三孔箱涵，方案2底宽需要5.8 m，设计为两孔箱涵，方案1比方案2每延米盖板涵约增加造价4 200元，共增加造价168万元。总计方案1比方案2增加造价24.28万元。由此，构建比较矩阵为：

(10)

该矩阵的最大特征值和相应的特征向量分别为：λmax=2.000 2，V=[0.494 0.506]T。

5)维护方便性指标。

按照后期维护费用来计算维护方便性指标。据估算，方案1包括4 052 m的明沟和400 m的盖板涵，使用维护费用指标为(4 052×1+400×2)/4 452=1.09；方案2包括4 052 m的明沟和680 m的涵洞，使用维护费用指标为(4 052×1+680×2)/4 732=1.14，由此，得比较矩阵为：

(11)

该矩阵的最大特征值和相应的特征向量分别为：λmax=2.000 1，V=[0.528 0.472]T。

根据以上分析，结合准则层相对于目标层的权向量V=[0.069 7 0.125 8 0.210 0 0.279 5 0.314 9]T，得出方案层对于准则层和目标层的组合权向量计算表(见表2)。

表2 组合权向量计算表(二)

经过组合权重计算，得出方案1和方案2对于目标层的决策权重向量为：V=[0.489 6 0.510 4]T，可以看出，方案2占有51.04%的权重，为首选方案。

4.3 排洪出口的选择

排洪沟西端出口流量小，可以直接绕过飞行区西端接入原冲沟排入巴曲河；中部排洪涵洞出口流量较大，接入原山口1径流形成的主冲沟，排水比较顺畅；排洪沟东端的出口有两种设计方案。

方案1：绕过飞行区东端排入巴曲河；

方案2：直接向东排入扎曲河。

方案1路线不顺，若直接排入附近冲沟漫流，由于流量大，而附近的冲沟断面很小，易形成冲刷，影响草原的使用，增加日后管理工作难度，征求当地管理部门的意见，也主张不直接排入附近冲沟，以避免机场运行管理过程中与当地居民发生纠纷；若修建排洪沟到巴曲河，距离太长，不经济，而且对草原生态环境破坏较大。方案2直接排入扎曲河，距离短，排水线路顺畅，日后维护管理较为方便。从保护生态环境和提高使用性能方面考虑，推荐方案2为排洪沟东端出口方案。

5 结语

本文将AHP运用在大型机场的防排洪工程上，建立了方案优选的AHP模型，分析确定了5个准则层元素，并构建了比较矩阵，计算得出了权重向量。随后，分别运用AHP对截洪沟的平面位置、排洪路线规划方案进行了优选，最后分析了排洪出口方案。

本文的研究成果已运用于玉树机场防排洪工程中，保证了功能性和安全性，效果较为理想。

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

[2] 中国市政工程东北设计院.给水排水设计手册(第七册)，城市防洪[M].北京：中国建筑工业出版社，1986.

[3] 王 蔷.层次分析法在多目标水利项目决策中的应用[J].东北水利水电，2003(8)：68-69.

[4] 朱 茵,孟志勇,阚叔遇.用层次分析法计算权重[J].北方交通大学学报,1999(5)：46-47.

[5] 岑国平，洪 刚.机场排水结构物设计[D].北京：空军工程大学，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

岳亚军(1974- )，男，工程师； 李 乐(1981- )，男，工程师； 徐万里(1986- )，男，助理工程师

TU992

A