基于可变模糊理论的地下水对胶东调水工程影响综合评价

2023-03-10杨文泰李庆国刘丰铭刘玉玉

人民黄河 2023年3期

杨文泰，金丽，李庆国，刘丰铭，刘玉玉

（1.济南大学水利与环境学院，山东济南 250022； 2.山东省水利科学研究院，山东济南 250013）

山东省胶东调水工程是南水北调东线工程中山东T 形调水大动脉的重要组成部分，是实现山东省水资源优化配置、缓解胶东地区水资源供需矛盾的重要水利基础设施。由于工程所处地区的地形地势条件以及水文地质条件都十分复杂，因此对于工程安全运行的影响因素众多，其中地下水对长距离调水工程的影响不可忽视。在地下水对工程建筑的影响方面，姚铭富［1］研究了不同类型地下水对各种工程建筑的影响，结果表明地下水侵蚀和水位变化会导致工程地基发生不均匀沉降。罗永红等［2］通过钻孔揭示研究区地质条件，研究了不同类型地下水对某机场工程建设及运营所产生的影响，发现地下水对工程建设的影响主要包括地基冻融破坏、诱发开挖边坡失稳及地基不均匀沉降等。国内外关于地下水对长距离调水工程影响评价方面的研究相对较少，因此笔者以胶东调水工程为研究对象，通过实地勘测与取样获取相关水质与工程数据，结合实测资料构建指标体系，探究地下水对胶东调水工程的影响并进行评价，以期为提出切实可行的对策和处理措施、保障胶东调水工程安全运行提供参考。

1 工程及沿线地下水概况

胶东调水工程是国家南水北调东线工程的重要组成部分，从山东省滨州市打渔张引黄闸引黄河水，输送至威海市米山水库。工程全长482.4 km，除现有172.5 km引黄济青段工程外，新辟输水线路309.9 km，其中：宋庄分水闸至黄水河泵站前输水明渠段长160.02 km，主要包括昌邑段、平度段、莱州段、招远段；黄水河泵站至米山水库输水管道、暗渠及隧洞段长149.88 km，主要包括龙口段、福山段、莱山段、牟平段、文登段。胶东调水工程明渠占比约69%，输水管道（预应力钢筒混凝土管、钢筋混凝土箱涵、螺旋钢管、玻璃钢管分别占输水管道总长的49%、20%、19%和12%）、暗渠与隧洞占比约31%。

输水线路穿越不同的地貌单元及构造区域，各段的水文地质条件各不相同，穿越区地下水离子组分以为主，地下水化学类型主要为Ca·Mg－型（占比为85%左右）。根据区域水文地质特征，结合地貌分区、含水层分布特征及地下水埋藏条件，将输水线路所经地区分为山间平原水文地质区、丘陵水文地质区及平原水文地质区，其中：山间平原水文地质区分布于龙口市侧高至大刘家、蓬莱市任家沟隧洞出口至村里集隧洞入口、村里集隧洞出口至福山区寨子、牟平区星石泊至南观、文登市孔家庄至米山水库，地下水主要为第四系孔隙潜水、承压水，埋深一般为0.20～2.50 m，地下水水化学类型主要为重碳酸钙镁型水、氯化硫酸钙镁型水、氯化重碳酸钙镁型水、重碳酸硫酸氯化钙镁型水，地下水对混凝土无侵蚀性；丘陵水文地质区分布于龙口市大刘家至蓬莱市任家沟隧洞出口、村里集隧洞入口至出口、牟平啤酒设备厂至东系山、牟平区南观至孔家庄，地下水以基岩裂隙水、岩溶裂隙水为主，仅冲沟处局部存在第四系孔隙潜水，其水化学类型主要为氯化钠钙镁型水、氯化硫酸钠镁型水、重碳酸钙镁型水，地下水对混凝土无侵蚀性；平原水文地质区分布于牟平区东系山至星石泊，地下水主要为第四系孔隙潜水、承压水，水化学类型主要为氯化钠型水、重碳酸硫酸镁钙型水、重碳酸钙镁型水，地下水对普通混凝土具有一定腐蚀性。明渠段工程在渠道衔接处因会发生渗漏等现象而受到地下水的影响，暗渠段管道等埋深在1.5 m 左右，处于地下水埋深变化范围内，因此也会受到影响。

2 评价指标体系构建与评价标准的确定

2.1 评价指标体系构建

根据胶东调水工程的实际情况以及当地地下水状况，结合相关地下水对输水工程影响的分析，选取对混凝土的结晶性腐蚀U1、对混凝土的分解性腐蚀U2、对混凝土的结晶分解性腐蚀U3、对混凝土中钢筋的腐蚀U4、对钢结构的腐蚀U5、管材U6、工程地面最大沉降量U7共7 个指标构建评价指标体系。由于明渠段对管材的影响可以忽略不计，因此对明渠段进行评价只选取6 个评价指标。

2.2 评价标准的确定

参考相关国家标准、规范以及专家学者的研究，将地下水对胶东输水工程影响评价标准分为基本无影响（Ⅰ）、有较小影响（Ⅱ）、有中等影响（Ⅲ）、有较大影响（Ⅳ）4 个等级。

2.2.1 地下水腐蚀性评价标准

地下水腐蚀性评价标准参考《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）。考虑地下水pH 值和离子浓度，确定地下水对混凝土结构与钢结构腐蚀评价标准，见表1。

表1 混凝土结构与钢结构腐蚀评价标准

2.2.2 管材评价标准

孙迎松等［3］通过对常见的管材进行对比，分析其各自优缺点，综合考虑耐腐蚀等性能，得到各种管材的安全性能排序：玻璃钢＞PE 管＞钢筋混凝土管＞钢管／球墨铸铁管＞灰口铸铁管／镀锌管。本文采用打分法进行评价，根据各渠段管道具体材料及长度打分，对应评价等级标准：［75，100］基本无影响、［50，75）有较小影响、［25，50）有中等影响、［0，25）有较大影响。

2.2.3 工程最大地表沉降量评价标准

地下水位下降会导致含水层孔隙压力减小，造成土体压缩［4］，进而使建筑物发生沉降。输水管道属于隐蔽工程，直接测量其沉降和应变都不太容易，可通过测量其地表沉降量估算管道的沉降量。王霆等［5］提出地表沉降量对地下管道的影响，见表2。

表2 工程最大地表沉降量对地下管道安全性的影响

3 评价模型构建

3.1 地下水对胶东调水工程影响的可变模糊评价模型

可变模糊集理论是陈守煜［6］提出的以相对隶属度为基础、运用相对隶属度函数动态描述模糊集合隶属程度的理论。相比其他评价方法，可变模糊集评价方法对于解决涉及因素较为复杂的问题时，可根据不同指标的特点确定其评价等级及区间并进行量化，且计算更为简便，其具体步骤如下。

（1）设n个样本依据m个指标特征值按照c个类别指标标准值区间进行评价，将m个指标按照c个类别划分为指标标准值区间，得到指标标准值区间矩阵Iab、Icd及点值矩阵M：

式中：i＝1，2，…，m；h＝1，2，…，c。

（2）将特征值xij与Mih进行比较，若xij落在Mih左侧，则其相对隶属度函数为

若xij落在Mih上，则其相对隶属度函数为

若xij落在Mih右侧，则其相对隶属度函数为

（3）根据步骤（2）构建相对隶属度矩阵U并计算指标权重，然后构建综合评价模型：

式中：wi为指标权重；μA（xij）h为隶属于级别h的归一化相对隶属度函数；p为距离参数（p＝1 为海明距离，p＝2为欧氏距离）；α为优化准则参数（α＝1 为最小一乘方准则，α＝2 为最小二乘方准则）。α、p为模型可变参数，通常有α＝1、p＝1，α＝1、p＝2，α＝2、p＝1，α＝2、p＝2 四种组合方式。

（4）计算样本j的级别特征值：

式中：t为参数的4 种组合方式，t＝1，2，3，4。

（5）将（4）中可变参数组合得到的级别特征值H取平均值，得到综合级别特征值：

根据综合级别特征值

取值范围，得到判断准则：

3.2 评价指标权重的确定

为了保证评价结果合理准确，需要选择科学的方法计算所选评价指标的权重。本文结合主观赋权法（AHP 法）和客观赋权法（CRITIC 法）得到组合权重，计算公式为

式中：ωj为采用AHP 法得到的权重；为采用CRITIC法得到的权重。

4 结果分析

采用AHP 法和CRITIC 法，结合实地勘测与取样所获取的水质与工程数据及评价标准（见表3、表4）计算指标综合权重，其中AHP 法计算的明渠和暗渠一致性检验指标CR值分别为0.03 与0.02，均小于0.1，满足一致性要求。利用AHP 法得到的明渠段各个指标权重向量为ω1＝（0.09，0.09，0.18，0.28，0.16，0.20）、暗渠段各个指标权重向量为ω2＝（0.07，0.07，0.14，0.27，0.25，0.13，0.07）；利用CRITIC 法得到的明渠段各个指标权重向量为ω3＝（0.14，0.20，0.20，0.14，0.13，0.19）、暗渠段各个指标权重向量为ω4＝（0.12，0.24，0.13，0.12，0.12，0.17，0.10）。利用式（11）计算指标综合权重，其中明渠段指标综合权重向量为ω5＝（0.08，0.10，0.21，0.24，0.14，0.23）、暗渠段指标综合权重向量为ω6＝（0.07，0.13，0.13，0.24，0.21，0.17，0.05）。根据可变模糊集理论计算的综合评价结果见表5。

表3 明渠段指标值及评价等级

表4 暗渠段指标值及评价等级

表5 综合评价结果

结合以上可变模糊综合评价结果可知：昌邑段、招远段、龙口段、福山段评价等级属于Ⅱ级，偏向Ⅰ级，属于有较小影响；平度段、莱州段评价等级属于Ⅱ级，偏向Ⅲ级，属于有较小影响；莱山段、牟平段、文登段评价等级属于Ⅰ级，属于基本无影响；综合级别特征值平均为1.748，说明地下水对胶东调水工程整体影响为有较小影响，其中明渠段综合级别特征值较大（最大为平度段2.308）、暗渠段相对较小（最小为莱山段1.411）。由表3、表4 可知，地下水对胶东调水工程的腐蚀影响较大。由表5 可知，综合级别特征值从明渠段到暗渠段总体呈减小趋势，表明地下水对明渠段影响较大。明渠平度段腐蚀影响特征值远大于其他渠段，其原因可能是该段地下水中Cl－与含量较高，地下水水质超标；明渠段工程影响特征值较大，其原因可能是地下水过度开采使得地下水位下降，导致地面沉降量增大。综合来看，地下水对胶东调水工程各段都产生了一定影响，但总体影响程度属于有较小影响。