基于PSR模型的西部干寒地区引水明渠安全评价研究

靳春玲，贡 力

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070）

0 引言

引水工程在我国的建设和发展速度较快，由于水资源在时间上、空间上分布的不均衡性，缺水问题严重制约着缺水地区经济社会的发展和人民生活水平的改善。引水工程是为了满足工业生产、人民生活以及生态环境等日益增长的水需求而兴建的。为了改善西部地区严重缺水的现状，我国在西部地区投资建设了大批的引调水工程，明渠作为引水系统中的重要建筑物，对其进行安全评价和病害规律的研究具有十分重要的经济价值和社会效益[1]。

1 干寒地区引水明渠病害基本情况

综合考察甘肃、宁夏、青海等西部省份的引水明渠，其主要特点是地层岩性较复杂，渠基大部分以第四系各类堆（沉）积物为主，地基的岩土主要有：含漂石砂卵砾石、崩坡积块石碎石土、坡洪积块石碎石土、坡积碎石土、洪积粉质壤土、洪积砂砾碎石土、风积马兰黄土、洪积冲洪积离石黄土、冲洪积砂卵砾石、粉质壤土、砂碎石、砂砾卵石、黄土状土、粉质壤土等。其中细粒土渠段易发生渠道冻胀问题，第四系全新统洪积黄土状土、粉质壤土、马兰黄土、洪积粉质壤土等具有湿陷性，导致明渠的病害也存在多种形式，例如：梯形明渠段浆砌石勾缝冲刷脱落，渠道冻胀开裂；底板和两侧渠坡多发育裂缝、破损；渠段渗漏，部分渠基座于第四系全新统洪积黄土状土（粉质壤土）湿陷性黄土上存在基础沉陷，原伸缩缝结构破坏；渠道在渠底低洼处、转弯处、流水回旋处有淤积；渠坡鼓胀现象明显，渠坡塌陷、砌石间勾缝混凝土及渠坡与底板结合部位松动、脱落；混凝土预制块破坏，渠道穿越村庄时存在垃圾入渠问题，渠坡两侧产生不均匀沉陷，底部混凝土预制板冻损开裂、冲刷，剥蚀，砂浆勾缝脱落等。

2 引水明渠安全评价理论

2.1 引水明渠的定义

引水明渠是按设计线路施工的，为农田灌溉、工业及生活输水用的且具有自由水面的人工水道。明渠按其用途可分为：灌溉渠道、供水渠道、动力渠道、通航渠道和排水渠道等，本文以研究供水渠道为主。一个灌区内的引水明渠，一般分为总干渠、干渠和支渠三级，用于农业灌溉的渠道又分为干渠、支渠、斗渠、农渠四级，构成渠道系统，简称渠系。

2.2 引水工程安全评价研究进展

目前关于跨流域引调水工程安全方面的研究已有不少论述,司春棣博士提出了较为完整的引水工程安全保障体系的概念，从引水工程的安全评价系统和应急系统两个层次进行引水工程安全评价的研究，并采用模糊多维标度法来研究定性评价指标的量化问题，使该领域的研究向前迈了一大步[2]。顾靖超等进行了宁夏灌区衬砌渠道安全评价方面的研究，针对灌区渠道水力条件、断面状况、衬砌结构和运行年限等条件进行加权平均计算评价渠道的安全状态[3]。夏富洲等利用层次分析法（AHP）对渡槽的安全运行进行了评价研究[4]。唐纯喜针对长距离输水工程的关键结构体系可靠度进行了研究，利用支持向量机(SVM)重构结构响应面方程，在计算精度和计算效率方面取得了一定进展[5]。王克忠等应用三维物理模型渗透试验对深埋隧洞的渗透机理进行研究，设计制作了高渗透压下深埋引水隧洞的模型，进行试验模拟研究，为引水隧洞的防渗设计、施工和维护提供了比较可靠的理论依据[6]。

3 引水明渠安全评价指标体系的构建

3.1 PSR模型的引入

应用PSR模型对城市水安全进行评价的研究取得了一定成果，该文通过PSR模型创建指标体系进行引水明渠安全评价，在国内外尚属首创。

P（pressure）为压力，指由于“条件限制”引起的引水工程病害问题或人类活动引起的引水明渠安全问题的压力因素。如明渠设计缺陷、施工质量缺陷、季节性供水、干旱或洪涝威胁、水资源量有限而人均需水量增加（水资源供需比降低）可能导致明渠的超负荷运行等。

S（state）为状态，指与引水明渠病害相关的环境、经济等要素当前所处的状态或表征指标，描述明渠的使用过程和环境因素的指标因素。如地质地形条件、材料本身状态或环境气候引起材料劣化状态、自然灾害等。

R（response）为响应，指人类在社会经济活动和政策实施中对引水明渠病害问题的能动反映，属于明渠病因中的管理因素。如对工程薄弱建筑物的修复、加固或是对病害的及时维修，节水政策，冬季供水等[7]。

3.2 基于PSR的引水明渠安全评价指标选择

根据引大入秦工程明渠维修施工现场及引大入秦管理局的调研结果，结合多名专家意见，从众多影响引水明渠安全运行的指标当中进行排序筛选，最终研究确定了PSR指标，共选取了10个要素29个指标，具体要素层和指标层的构建见表1。

3.3 基于AHP的指标权重确定

采用层次分析法（AHP）确定引水明渠安全综合评价指标的权值。AHP法是安全评价指标权重确定的有效方法，它可以将相互关联的要素按隶属关系分为若干层次，建立层次清晰的指标结构体系，利用数学分析方法结合专家调查访问所得的意见，给出各层次要素的相对重要性权重值。根据13位专家的问卷调查结果，建立准则层╞要素层、要素层╞指标层判断矩阵，将数据导入DPS数据处理软件中进行层次单排序计算，经计算判断矩阵的随机一致性符合要求，最后得出引水明渠安全评价指标权重见表1中的计算结果，29个指标权重值满分为100分。

表1 基于PSR模型的引水明渠安全评价指标体系及权重

4 综合评价指标的确定

将引水明渠各项安全评价指标量化分级，参考国内外近期研究成果，结合目前引水工程建设现状和社会经济发展水平，评价体系选取了29个指标来评判引水明渠的安全状态，划分为如下5个等级。

（1）非常安全。引水明渠供水均衡、稳定，与社会经济协调发展，明渠病害发育迟缓，对供水效率没有直接影响。

（2）安全。引水明渠供水比较均衡，能够满足社会经济发展需求，明渠病害有所发育，但是经过必要的维护保养对供水效率不构成严重影响。

（3）基本安全。引水明渠供水受季节性需求影响较大，基本满足社会经济发展需求，明渠病害发育明显，需要断水进行维修和改造方能满足供水需要。

（4）不安全。引水明渠供水受各方压力较大，受结冰期长等季节性影响严重，需要严密调度管理才能基本满足社会经济发展需求，明渠病害发育快速，跑冒滴漏现象较严重，需要断水进行大面积的维修和改造方能继续投入使用。

（5）极不安全。引水明渠供水受各方压力影响非常大，受结冰期长等季节性影响极为严重，已经不能满足社会经济发展需求，明渠病害发育恶化，跑冒滴漏现象非常严重，需要长时间断水进行大面积的维修和改造方能继续投入使用。

引水明渠安全评价综合指数由各个子指标加权求和获得，即

式中xi表示各指标的权重值，yi表示具体项目指标标准化后的数值，i表示选取的29个指标。将数据标准化出来后S≥85时引水明渠安全级别为“非常安全”，75≤S﹤85时引水明渠安全级别为“安全”，65≤S﹤75时引水明渠安全级别为“基本安全”，55≤S﹤65时引水明渠安全级别为“不安全”，S﹤55时引水明渠安全级别为“极不安全”。

5 应用PSR指标对引大入秦工程引水明渠进行安全评价

5.1 工程概况

引大入秦工程是我国二十世纪规模最大的跨双流域调水自流灌溉工程，被称为“中国的地下运河”。工程于1976年开始开工建设，1981年停缓建，直至1987年复工，主体工程于2001年底全面建成并通水运行，工程引水能力达到设计年引水量4.43亿m3。随着兰州新区的发展建设被正式提上日程，引大入秦工程被赋予了新的使命——为兰州新区供水。2013年11月中旬，引大入秦工程全面停水进行加固改造，以满足提升供水能力的要求。课题组以此次停水为契机，下到引水明渠实地考察病害情况，主要存在的问题包括渠道干裂渗漏、基础不均匀沉陷、冻融破坏、衬砌脱落滑塌、水流冲蚀磨损等。该工程近二十年的实践证明，工程的建设和运行取得了显著成效，历史性的改变了灌区农民的生产条件，改善了区域生态环境，提高了灌区农民的生活水平，水资源供给有了基本保障，为秦王川地区的经济社会可持续发展奠定了良好基础。

5.2 引大入秦工程引水明渠安全综合评价

针对引大入秦工程运营20年的实际情况，考虑引水明渠的P-S-R各方面指标，选择引大入秦工程管理局的总工、维修设计及施工管理人员5名进行项目打分，针对专家的职称和工作经验取权重，高级职称取0.5，中级职称取0.3，初级职称取0.2，将5位专家打分结果进行综合后得出引大入秦工程引水明渠安全评价指标见表2。

将打分结果代入公式，计算得出引大入秦工程引水明渠安全评价综合指数S，由于yi中的每一项都是以100分为满分进行打分，所以最终S值应除以100。

由于75≤S﹤85，说明引大入秦工程引水明渠的状态为“基本安全”，引水明渠供水受季节性需求影响较大，基本满足社会经济发展需求，明渠病害发育明显，尤其是增加了为兰州新区供水的需求之后，加大了明渠的供水压力，需要断水进行维修和改造方能满足供水需要。

6 结语

引水工程建设是我国西部地区用以缓和或解决经济发展的重要措施，引水明渠是西部地区引水工程的一个典型建筑物类型，针对引水明渠安全问题的研究具有很高的应用价值。本文首次应用PSR模型对引水明渠的安全运营情况进行综合评价研究，将引水明渠的安全状态划分为五个等级，得出了影响明渠安全运营的关键因素，在对引水明渠安全维护工作中可以对这些关键因素重点监控，提前采用应对措施。例如加强冬期供水管理，在结冰期前采取措施错峰供水直至停水维修，将明渠侧壁裂缝、混凝土剥落、滑坡、塌陷等部位进行集中修复，提高供水效率，同时也为今后类似气候环境区域规划、设计、施工引水明渠提供有效的借鉴。

表2 引大入秦工程引水明渠安全评价指标专家打分结果yi及各指标权重xi值

[1]靳春玲，贡力.引洮工程中明渠常见病害分析[J].人民黄河，2012，34（10）：108-110.

[2]司春棣.引水工程安全保障体系研究[D].天津：天津大学，2007.

[3]顾靖超，陆立国，孙淑华.宁夏灌区衬砌渠道安全评价研究[J].水利水电技术，2013，44（1）：117-120.

[4]夏富洲,钱丽云,张军.大型渡槽结构安全性及评价指标体系的研究[J].中国农村水利水电，2011(8)：121-123.

[5]唐纯喜.长距离输水工程的关键结构体系可靠度研究[D].杭州：浙江大学，2007.

[6]王克忠,李仲奎.深埋长大引水明渠三维物理模型渗透性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(4)：725-731.

[7]靳春玲，贡力.基于PSR模型的城市水安全评价研究[J].安全与环境学报，2009，9（5）：104-108.