水位变幅区取水泵站方案优化选择

惠可文

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001）

1 研究项目背景

黄河古贤水利枢纽处于陕晋交界,距离壶口瀑布约10 km。陕西延安黄河引水工程取水口位于古贤水库坝址上游,届时水库建设过程中蓄水位逐步抬高,水位淹没范围覆盖陕西延安黄河引水工程取水口。

根据古贤水库工程规模,洪水标准按1000 年一遇设计（P=1‰）,对应设计水位为627.52 m,5000 年一遇校核（P=0.2‰）,对应水位为 628.75 m。考虑水库死水位（550 m）时依旧能取水,取水水位变化范围由最低550 m至最高627.05 m。

古贤水库施工期进入第8 年时,自此大坝下闸蓄水,同时拆除施工围堰,到第9 年时,水库水位达560 m,高出延安黄河引水工程取水口厂坪高程7 m,取水口大部分功能性建筑均被淹没,无法运行。随着时间的推移,水库库区回水位继续抬升,淹没到引黄工程二级、三级泵站,整个工程停运的同时,原工程受水区用水无法保障,所以,重新修建适应水库水位变幅的取水泵站非常必要。

2 取水泵站型式介绍

按照泵站构造形式,取水泵站可分为两类：固定式、移动式。两种泵站型式,优缺点不同,固定式泵站优点在于取水保证率高,运行维护便利；移动式泵站优点在于一次性投资成本小,土建工程量小。

1）固定式取水泵站分为两类：岸边式（临水）、河岸式（岸上）

岸边式取水泵站往往设置在江河、水库的岸边。以塔式取水泵站为例,当水位达到设计水位时,首先河水通过闸门拦污栅进入进水间,经过过滤后进入水泵进水管,最终经过水泵将其输送至水厂或用水点。

河岸式取水泵站设在岸上,通常采用半地下式。岸边式取水泵站是直接从江河岸边抽水,河岸式取水泵站前有独立的取水头部,以及较长的引水管或引水渠。

2）移动式取水泵站大致也分为两类：浮船式（浮动）、缆车式（滑动）

浮船式取水泵站直接抽取河道、水库浅层水,一般水质较好。浮船可随着水位的变化而上下移动,通过摇臂与岸边支墩铰接,有较强适应河流水位变化的能力。

缆车式取水泵站也可适应较大的水位变幅,泵站由水泵车、滑道和牵引设备等组成。因泵车需要沿坡道上的轨道上下移动,故该方案对岸边坡度要求较高,适用于坡度较小、流速较低的河道或水库。

3 优化选择方法

“决策树”是一种科学的决策方法。它的原理就是将复杂问题简单化、直观化、数值化,将若干个平行对比方案通过一定的影响因素,按照相应的方法构造一个树形图，模拟大树的生长形态,通过树的不断分枝,可以把一个多因素的复杂问题转化成多个单一因素的简单问题。

图1 决策树示意图

决策树的分解过程好比金字塔,从塔尖至塔底,从高高在上到触手可及。首先,考虑某个需要决策的问题,针对问题的特点,列举出若干个可行的方案。其次,分析出影响方案决策的因素,每个因素对应一个决策因子,对决策因子进行等级划分,并对其按数学期望进行赋值,使其数值化。最后,按照因素的重要程度将决策因子的概率进行赋值,使其直观化。最后,计算出加权后的总期望值,其最大期望值对应的方案就是最佳的决策方案。

用决策树选择最佳的方案,有以下要素：泵站的分类、评价因素及指标值。根据上文论述,取水泵站主要分为：岸边式、河岸式、浮船式、缆车式等若干种型式。评价因素就是在多种平行方案比选时考虑的内容：建设费用、运行管理费用、工作条件、施工难度、工程寿命和适应泥沙能力等,见图2。

图2 决策树结构示意图

我们需要对各个方案的评价因素进行数值化处理,首先需要对它进行等级划分,为了让结果更准确,初步按五个等级区分,从不利到有利分别赋值0至1,如建设费用“很大”,属于不利因素,赋0分。见表1。

表1 评价因素等级划分

用表1中的评价因素对每个方案进行衡量评估,各平行方案对应评价因素见表2。

表2 各平行方案评价因素的评价值

所以,可得出几个取水泵站的矩阵：

共有n个评价因素,每个因素从不同方面影响着决策方案,但不同的评价因素重要程度也不同。所以,为了使决策方案更具合理性、准确性,在评价值的基础上,按照评价因素的重要程度再规定一个加权系数。具体的取值见表3。

表3 评价因素的加权系数

决策方案的矩阵模型所需的决策系数向量A：

决策方案加权期望值 Yi= A·Xi。

4 取水泵站型式对比应用

通过上述方案列举,以及用“决策树”数值化评价标准。结合《黄河古贤水利枢纽工程建设征地移民安置规划延安黄河引水工程淹没区重建工程可行性研究报告》[1],以下简称《淹没重建工程》,该可研报告中选取岸边式和浮船式泵站进行比选,本文针对这个实际案例进行分析。

采用“决策树”对比,针对每个平行方案,先确定每个方案的评价因素。根据《淹没重建工程》的项目特点,泵站在水位变幅较大区域取水,且黄河含沙量较大,拟定取水泵站对比选型的评价因素为：（1）建设费用；（2）运行管理费用；（3）工作条件；（4）工程寿命；（5）施工难度；（6）适应泥沙能力。取[0,1]作为评价因素的取值范围,见表1。

①建设费用：岸边式泵站方案的一次性投资费用较大,建设费用的评价因素赋分为0.25；浮船式泵站一次性投资费用较小,建设费用的评价因素赋分为0.75。

②运行管理费用：两个方案用电量相当,但岸边式泵站维护管理较浮船式泵站更方便,管理费用的评价因素赋分为0.75；浮船船体采用钢材焊接,需要除锈防腐、破冰、保温,年维护费较高,管理费用的评价因素赋分为0.50。

③工作条件：岸边式泵站采用封闭式钢筋混凝土结构,工作条件很好,工作条件的评价因素赋分为1；浮船泵站受库水位涨落变幅影响,泵船位于河道、库水位低时,栈桥坡度较陡,人员行走不便,有一定危险,工作条件的评价因素赋分为0.50。

④工程寿命：岸边式取水泵站一般为钢筋混凝土结构,寿命很长,按建筑物使用年限划分,寿命一般大于50年,工程寿命的评价因素赋分为1；浮船式取水泵站因船体为钢材,整体为特种设备,工作寿命小于25年,寿命较短,工程寿命的的评价因素赋分为0.50。

⑤适应泥沙能力：古贤水库在建设期间,水库水位不断抬高,库底部淤积面高程也不断上升,岸边式取水泵站的取水口一般设在泵站底部,容易淤积,需要抬高取水口分层取水,适应泥沙能力的评价因素赋分为0.25；浮船式取水泵站取水库表层水,水质较好,含沙量低,适应泥沙能力的评价因素赋分为0.75。

⑥施工难度：岸边式泵站为了更好地适应水位变幅,一般采用库内布置,土方工程量大,施工难度大,有时还需要修建大型围堰,施工难度的评价因素赋分为0.25；浮船式方案为特种设备,利用水路运输,现场安装；土建施工仅在库水位以上的平台浇筑,工程量较小,无需导流围堰,施工难度的评价因素赋分为0.75。

由表4可得出两种泵站的计算式：

表4 两种泵站的评价因素赋分表

不同工程,同一评价因素重要性不一样,同一工程,不同评价因素重要性也不一样,为保证决策结果的科学性、合理性,应使较为重要的因素占比分值较大,例如建设费用、工作条件对于一个工程来说至关重要,应给予较大的权重。这里引入加权系数,见表5。

表5 评价因素的加权系数

由表5,得到评价因素的加权系数矩阵A=[1 1 1 0.9 0.7 0.5],所以评价取水泵站方案的总指标期望值Yi= A·Xi（Y1代表岸边式,Y2代表浮船式）。

因为总指标期望值Y1＞ Y2,所以《淹没重建工程》取水泵站方案选择岸边式取水泵站,与项目可研报告结论一致。

5 结论

从《黄河古贤水利枢纽工程建设征地移民安置规划延安黄河引水工程淹没区重建工程》看,岸边式泵站和浮船式泵站均可行,需要从建设费用、运行管理费用、工作条件、工程寿命、施工难度、适应泥沙能力等多方面比选,影响因素太多,设计师进行方案选择时,会比较困难。本文提供了泵站型式选择的新思路,使一个复杂问题简单化、数值化,在选取评价因素时,根据评价因素在同一工程中的重要性引入权值,使结论更加科学、准确、实用。

综上,在今后工程设计中,遇到多因素影响方案选择时,可采用决策树的方法,快速帮助设计师做出决策判断。