跨流域引调水工程输水线路施工规划方案优选分析

李保虎

(华北电力大学，北京 100096)

1 项目概况

项目工程位于海淀区，属于暖温带半干旱季风气候，年平均气温在11～12 ℃，多年平均降水量在597 mm，降水量年际变化较大，最大年降水量为1050 mm，最小年降水量为347 mm。降水量年内分配不均，其中 6—9 月降水量占全年降水量的85%以上。工程区标准冻深为0.80 m。输水工程涉及海淀区青龙桥镇、西北旺镇的团城湖、红山口、龙背村一带。地貌单元属北京西山东侧的山前斜坡带，基岩埋深起伏变化大，局部残留孤山，东接广阔的冲洪积平原。西侧香山最高海拔571 m，红山口西三昭山最高海拔约110 m，南侧颐和园万寿山最高海拔100 m。因市政基础及城市各类建设，地貌多经人工改造，现状地势较为平坦，地面高程一般在49～52 m左右。项目沿线属于永定河流域与北运河流域交错地带，第四系松散覆盖层岩性变化多，大体以红山口桥为界，南部属永定河冲洪积平原，北部属北运河冲洪积平原。清河由西向东经红山口后拐向北，至龙背村东又拐向东流，清河河底低于现状地面约7～8 m。京密引水渠由北向南紧邻红山口西侧低山及万寿山东流入颐和园昆明湖，京密引水渠渠底低于现状地面约5～6 m。场区附近各类市政基础设施分布复杂，地上有五环路红山口桥、北安河桥等，地下有地铁四号线及其备用站台、市政电力隧道及给水管线、再生水管线、燃气管线等。旱河-清河从红山口桥南侧呈东西向以连通暗涵方式下穿京引渠后，改向为由南西至北东穿过该区。

2 评价方法

调水工程是一项复杂的综合工程[1]。因此，对调水工程输水线路施工规划方案进行评价，需从工程各方面进行综合考量。模糊综合评价法基于模糊数学，能够很好地对调水工程输水线路施工规划方案进行有效的评价。首先确定评价目标，评价目标对象的目标集合如式(1)所示。

I={I1，I2，…，Im}

(1)

式中：Ii为单个评价指标；m为存在m个评价指标。根据评价结果，得到评价等级集合，如式(2)所示。

U={U1，U2，…，Un}

(2)

式中：U为评价结果的集合；Ui为第i个评价结果；n为评价总数。从单一因素出发发起评价，得到评价等级集合U的隶属程度，求得每个评价对象相应评价结果的隶属度，得到模糊关系矩阵，如式(3)所示。

(3)

式中：aij为从指标Ii来看对Uj评价等级模糊集合的隶属度。确定关系矩阵后，还需确定评价指标的权向量，如式(4)所示。

W=(w1，w2，…，wm)

(4)

式中：wi为各影响因素的权重占比。将权向量集合与评价对象的模糊关系矩阵结合，得到最终的评价结果向量，如式(5)所示。

B=W·A=(b1，b2，…，bn)

(5)

式中：B为评价结果向量；W为评价指标的权向量；A为评价对象的模糊关系矩阵；bi为被评价对象对评价指标模糊子集的隶属程度。运用模糊综合评价能够对具体问题进行有效分析，利用精准化的数学方法将包含模糊信息的具体问题有效处理。

3 评价指标

指标体系的构建是将现实问题有效转换为数学模型的关键[2]。对调水工程的指标进行构建需要遵循一般指标体系的科学性与层次性原则。同时，从调水工程的工程特性出发，还需注重评价体系的综合性与区域性[3]。结合实际问题，调水工程指标主要从三方面考虑，分别是经济指标、管理指标与影响指标。

经济指标是项目的重要考察指标，任何项目的起止都离不开经济，经济指标既涵盖了费用的产生，也包含了效益的预估[4]。调水工程的费用主要来自工程本身，包括建设沿线的一系列工程所产生的费用。此外还有工程中可能会造成的影响问题，调水工程可能会带来移民征地、交通运输管制等实际影响，其产生的费用也需考虑。从经济效益考虑，调水工程带来的经济效益遵循一般水利经济效益，主要有防洪、治涝、灌溉、供水、发电以及其他六大类。结合实际项目考虑，灌溉与发电贡献较少，主要是解决供水问题。此外，项目对周边生态环境影响也应算作生态效益予以考虑。

从管理指标考虑，输水工程一般规模大、线路长，各输水段相互影响，必须保证全线安全运行[5]。同时，供水率的保障也十分重要，因此还需考虑枯水年的供应情况，考虑备用输水线的问题。此外，水污染风险也是重要指标，安全的水质是保障居民生活的必要条件。从工程管理考虑，主要考虑项目运行管理的难度、备用输水线路的可靠性与项目抢修的响应能力。

从影响指标考虑，调水工程会对输水干线及沿线城镇的防洪除涝、灌溉排水、航运、环境生态等方面产生影响。此外，调水工程实施对沿线居民的生活也会产生一定影响。因此，影响指标存在项目影响与社会影响。综合上述考量，结合工程评估建议，得出调水工程的评价指标体系如表1所示。

表1 调水工程评价指标体系

由表1可知，调水工程指标主要从经济、管理与影响三方面考虑，一级指标6个，2级指标21个。其中，有定量指标12个，分别是河道项目费用、建筑物项目费用、水质保障项目费用、工程影响项目费用、工程工资费用、消耗品费用、维护费用、其他费用、供水收益、防洪除涝收益、运输效益、枯年供水保障。定性指标9个，分别是生态效益、供水率保障、水质污染风险、备用输水线保障、抢修响应能力、工程实施影响、用户供水影响、排涝降渍影响、民众认可度。根据指标影响类型划分，其中有正向指标9个，分别是供水收益、防洪除涝收益、运输效益、生态效益、供水率保障、枯年供水保障、备用输水线保障、抢修响应能力、民众认可度。负向指标12个，分别是河道项目费用、建筑物项目费用、水质保障项目费用、工程影响项目费用、工程工资费用、消耗品费用、维护费用、其他费用、水质污染风险、工程实施影响、用户供水影响、排涝降渍影响。用专家调查法对指标权重进行计算。经过一轮基础意见评价问卷与一轮匿名反馈评价后，综合各专家意见，结合实际工程状况，按照统计学方法计算，得出的指标权重如表2所示。

表2 调水工程评价指标权重

4 对比分析

使用研究构建评价方法对施工规划方案进行比选。调水工程有3个关键施工点。方案一：在工程点1处构建盾构井，工程点2处构建二衬竖井，工程点3处构建盾构井。方案二：在工程点1处构建盾构井，工程点2处进行绕行工程，在工程点3处构建盾构井。方案三：在三处工程点均选择绕行工程。将三种工程方案定性指标部分制作调查问卷，按照相关专家取平均值进行统计。综合各方案预估定量指标，得出三个方案的评价结果。三个方案的项目投资费用指标与项目管理费用指标的评价结果如表3所示。

由表3可知，在项目投资费用指标中，方案一有三项指标评分最为优异。在建筑物项目费用评价指标上，方案一的评分不如方案三，原因是方案一构建了更多的盾构井，在建筑工程费用上相较于方案三有所增加。在项目管理费用指标中，方案一同样综合表现最为优秀。在维护评价指标中，方案一的表现不如方案二和方案三。因为方案一的工况更为复杂，从而后期维护费用相较于施工较为简单的方案三更高。尽管方案一存在部分指标不如方案三的情况，但是从整体工程费用看，方案一的表现仍然最为优异，具备更好的经济性。

三个方案的项目沿线收益指标与项目运营管理指标的评价结果如表4所示。从项目沿线收益指标看，在供水效益上三个方案没有差别，在防洪除涝收益上方案一略微领先，在运输效益上方案一的表现不如方案二和方案三，在生态效益上方案一的优势更大。结合评价权重，因为生态效益的权重占比远高于运输受益，因此整体上仍是方案一的项目沿线收益评分更高。从项目运营管理指标上看，方案一在各项指标上的评价皆高于其他方案，更高的供水率保障能够有效提升居民的用水体验，是调水工程解决的核心问题所在。因此，方案一的施工效果更加优异。

表4 三个方案项目沿线收益与运营管理评分 分

三个方案的项目工程管理指标与项目工程影响与认可指标的评价结果如表5所示。方案一在备用输水线保障的评价上远远高于方案二与方案三，因为方案一的施工层次更为复杂，预留的备用输水线路更加稳定和高效。与此同时，由于方案一的工况更为复杂，因此其抢修响应能力会受到一些影响。在工程影响与认可指标中，方案一与方案二都取得了较高的评分，因为盾构井施工对居民生活的各方面影响都很低，相较于地面施工更多的方案三，能够更好地减少因项目工程施工给附近居民带来的不良体验。综合上述评价结果，依据模糊综合评价法对三个方案进行综合评价，得到的结果如图2所示。

图2 三个方案综合评价对比

由图2可知，方案一的综合评分为89.3分，无论是整体评分还是单项评分皆为最高。方案二的综合评分为86.5分，处于中间水平。方案三评分为82.0分，处于最低水平。结合表三分析，由于方案一更多地采用下穿施工，不必绕行，在各项综合指标上均领先于采用绕行规划的方案三。从单项指标看，采用绕行规划更多的方案三仅在维护费用、运输效益及抢修响应能力拥有微弱优势，而这种优势是采用更高成本和更多施工时间带来的。从三个方案对比不难看出，随着施工技术和施工标准的不断的升级，采用盾构井施工更能节约成本，优化施工方案，保障供水并降低施工负面影响。

5 结 论

利用专家调查法结合调水工程实际情况构建工程评价指标体系，通过模糊综合评价法，对调水工程施工规划方案进行优选分析。结果表明，在工程点1处构建盾构井，工程点2处构建二衬竖井，工程点3处构建盾构井的方案一综合评分更高，比更多采用绕行施工的方案三高出7.3分，比在工程点2处绕行施工的方案二高出2.8分。该分析结果符合实际，能对调水工程施工方案规划进行准确分析，优化了施工规划方案对比方法，为工程方案探讨研究提供了数据参考。