层次分析法在长距离输水管道选线中的应用

陈银川

(太原市城乡规划设计研究院,山西 太原 030002)

0 引言

我国水资源在地域分布上差异较大,东、南区域水资源相对充足,西、北地区则比较匮乏。对于北方地区,尤其是资源型缺水城市,仅仅依靠本地水资源已经无法满足经济快速发展的需求。因此,实施跨区域的长距离输水工程对改变水资源地域分布不均,优化水资源配置,缓解水资源短缺具有重要的作用。长距离输水有明渠、隧洞、管道等多种形式,而管道输送因具有漏损少、水质水量有保障、节约土地资源、方便管理维护等优点,在跨区域调水工程中被广泛应用,如南水北调、引黄入晋、引滦入津等工程。

长距离输水工程是一个涉及多因素、多层次的复杂工程,线路选择受输水方式、地形地势、施工条件、工程投资等多种因素影响。传统的线路选择时,设计人员通常以经济指标作为衡量线路合理的重要指标,但对于多种方案,且各方案的定性指标出现特征值交叉,在经济指标又相差不大的情况下,很难确定出一个较优方案[1]。而层次分析法作为一种定性与定量相结合的评价方法,通过将定性指标定量化研究,更科学合理地对方案做出决策,目前该方法已广泛应用于铁路、公路以及油气管线等项目的选线。本文选取线路长度、拆迁征地、土地利用、敏感因素、施工条件、泵站扬程、工程投资、运行费用8个影响因素作为该项目的评价指标,利用层次分析法建立线路方案比选模型,并通过权重计算和一致性检验,对东山调水工程线路最优方案进行评价分析。

1 研究方法

层次分析法是一种定性与定量相结合的多目标决策方法,适用于解决定性指标定量化问题[2]。该方法主要思路是把多目标决策问题分解成若干个影响因素,根据因素之间的相互重要程度和隶属关系进行按类分组,形成由目标层、准则层及方案层组成的阶梯层次结构。通过不同因素之间的相互比较,并根据其在层次中的重要程度合理赋值,使定性问题转变为定量化处理[3]。应用层次分析法进行决策主要分为以下四步:

1)建立递阶层次的结构模型。将解决问题思路进行条理化梳理,建立一个由目标层、准则层、方案层组成的结构模型[4]。其中目标层对应的是预定目标,称为最高层;准则层对应的是目标实现需要的准则和子准则,为中间环节,也称为中间层;方案层对应的是实现决策目标可供选择的措施、决策方案,又称为最底层。

2)构造各层次中的所有判断矩阵。建立层次结构模型后,对同一层次因素进行两两比较,通常采用1～9及其倒数作为标度进行判断矩阵A=(αij)m×n的构建,标度含义见表1[5]。

表1 标度含义

表2 RI数值表

当CR<0.1时,表示一致性检验合格,即各因素权重分配较为合理,否则应当对判断矩阵做适当调整。

4)层次总排序。根据准则层、方案层的权重值,计算对目标层的组合权重,并进行各方案优先程度的排序,确定出最优方案[7]。

2 选线方案

2.1 工程概况

太原市东西山调水工程是一项跨区域长距离输水工程,分为西山调水工程和东山调水工程。其中东山线路跨越太原市尖草坪区、杏花岭区、迎泽区以及小店区四个城区,对解决太原东山地区缺水问题,治理地下水超采,实现北涧河、北沙河、南沙河复流,构建多源一网的水网体系具有重要的作用。输水工程采用埋地式单根管道输水,水源引自为万家寨引黄7号隧洞。东山线路设计起点为阳曲原水直供工程分水口,终点为南坪头水库,设计供水量为20万m3/d。

2.2 选线原则

应充分利用地形高差,尽可能采用重力流方式。线路尽量靠近供水点,方便沿线用户取水。线路尽可能避让现状建、构筑物,减少征地拆迁。线路尽量避开地震断裂带、采空沉陷区等地质不良地段。线路尽量短而顺直,且靠近现状道路,方便施工车辆进出,减少工程投资。线路尽量选择与现有或规划廊道并行,避免形成独立廊道,造成土地资源浪费。线路及附属设施尽量不占基本农田和耕地。线路尽可能减少与现状高速、铁路、公路以及其他长输管道的交叉。线路走向应符合城市规划的要求。

2.3 线路方案

综合考虑输水管道沿线用户以及城市发展规划、土地利用、施工条件以及工程造价等多方面因素,形成2个线路方案。为了更直观体现,借助ArcGIS软件绘制管线线路的剖面图和三维影像图,分别如图1,图2所示。

2.3.1 线路方案一

输水线路从阳曲原水管道约13 km处分水口取水,向南沿钢园北路、钢盛街穿越铁路后沿规划市政道路接入中途提升加压站,经泵站加压出线向东穿越卧虎山路、东环高速后接入沟南村高位调节池,利用重力流由北向南沿高压天然气、东环高速现有廊道一路向南至杨家峪高速后折向北涧河南岸,穿越高速后继续沿高速廊道向南至学府街,最终沿学府街敷设至南坪头水库。该线路由北向南依次穿越枣沟、北涧河、北沙河、南沙河等防洪河道,输水线路总长度约26.9 km。

2.3.2 线路方案二

输水线路从阳曲原水管道约13 km处分水口取水,向南沿钢园北路、钢盛街穿越铁路后沿规划市政道路接入中途提升加压站,经泵站加压出线向东穿越卧虎山路、东环高速后接入小返村北侧高位调节池,利用重力流由北向南沿规划东山大道一路向南至学府街后向西折向南坪头水库。该线路由北向南依次穿越枣沟、北涧河、北沙河、南沙河等防洪河道,输水线路总长度约24.5 km。

从剖面图可以看出方案一和方案二线路所在区域均呈现南北低、中间高的地形特点,为充分利用地形高差,两方案均采用压力流与重力流结合的方式输水。

2.4 管道设计

长距离输水管道常用的管材有球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管、钢管和玻璃钢夹砂管[8]。通过从性能、抗内外压、供水安全保证、耐久性、经济性和施工条件等方面的比较,确定本次泵站段及阀室段采用钢管,其他管段采用预应力钢筒混凝土管。

沿程水头损失hj采用海曾威廉公式计算,局部水头损失按hj的20%计[9],公式如下:

hj=iL

(1)

i=10.67C-1.825×Q1.825×d-4.87

(2)

其中,海曾威廉系数C取值为120。

各管段水力计算见表3。

表3 水力计算对比表

2.5 附属设施

根据阳曲原水输水管道设计参数,阳曲分水口水压为855.20,分水口-加压泵站水头损失为5.12 m,考虑进泵站预留10 m自由水头,拟建泵站应设置于地面标高不高于840.0位置。受泵站所需标高的限制,本项目泵站位置按唯一性考虑。

方案一:全线共设置4座分水口,分别为北涧河分水口、北沙河分水口、南沙河分水口、南坪头水库分水口。在卧虎山路西侧,设置一座中途加压泵站,设计规模为20万m3/d,占地规模约1 hm2,泵站提升扬程为100 m。在沟南村高地,设置一处调节水池,水池规模为1 000 m3。

方案二:线路分水口数量、供水对象、泵站设置位置、设计规模以及占地面积同方案一一致,不同的是方案二所需的泵站扬程为170 m。在小返村北侧高地,设置一处调节水池,水池规模也为1 000 m3。

2.6 方案比选

方案对比表见表4。

表4 方案对比表

通过表4可以看出,方案一具有施工条件较好、泵站扬程较低、运行费用较低等优点,但是征地规模较大、与现有其他长输管道交叉较多,且穿越王家峰墓群,施工过程中需协调因素较多,对施工影响较大。方案二具有线路较短、征地规模较小、与其他管道交叉较少,施工影响较小,且线路并行于东山大道,符合远期城市规划,但是泵站扬程、运行费用较高,且施工条件较差,需自建施工道路,增加了工程投资。另外,东山大道属于远期规划道路,存在工程建设的不确定性。综合上述不难发现,两个方案各有优劣势,无法对最优线路做出正确判断。因此,本项目采用层次分析法,通过构建指标评价体系和权重的计算、排序来确定线路的最优方案。

3 层次分析法在东山调水工程的具体应用

3.1 构建指标评价体系

将线路最优方案作为目标层,将影响线路走向方案的线路长度、施工条件、拆迁征地、泵站扬程、工程投资、敏感因素、土地利用、运行费用8个主要因素作为准则层,将线路一、线路二作为方案层,构建如图3所示的层次结构模型。

3.2 构造判断矩阵及权重计算

根据图3建立的结构模型,依次构造准则层-目标层、方案层-准则层的判断矩阵。对矩阵进行归一化计算,得到各因素的相对权重。各层次判断矩阵及权重值见表5,图4。

表5 准则层-目标层判断矩阵

3.3 组合权重的计算及排序

依据方案层对准则层的权重及准则层对目标层的权重,计算出方案层对目标层的组合权重,并进行排序,权重值及排序见表6。

表6 方案层对目标层排序

由表6可以看出,方案一的权重值为0.555 0,方案二的权重值为0.445 0,方案一优于方案二。

4 结论

考虑到长距离输水管道选线涉及的因素较多,传统的方法更多的是采用定性的方式分析,而层次分析法将定性分析与定量计算相结合,并通过权重的引入使得最优方案的确定更具合理性和科学性。本文在综合分析选线涉及因素的基础上,选择线路长度、拆迁征地、土地利用、敏感因素、施工条件、泵站扬程、工程投资、运行费用8个因素作为选线的评价指标,通过建立层次结构模型,各因素权重的计算、排序以及一致性检验,得出方案一为最优线路。