引調(diào)水工程中渠線的選擇

0工程段水質(zhì)、水量及方案比選漢江濟漢工程是嶺南中軸線工程的組成部分。這是一個大型引水工程。引水線路從長江龍州出發(fā)，至漢江高碑。供水流量為3503ms，年平均供水量為22.8億hm。工程區(qū)位于漢江平原腹地,跨荊州市、荊門市及潛江市三個行政區(qū)。本工程共規(guī)劃了9條比選線路,進水口有三個:枝江大埠街、荊州龍洲垸、沙市鹽卡;出水口有兩個:潛江高石碑、紅旗碼頭。在淘汰了劣勢比較明顯的5條渠線方案之后,選取優(yōu)劣不明顯的4條渠線方案進行進一步比選。即:龍高Ⅰ線、龍高Ⅱ線、高Ⅱ線、鹽高線。1遞階層次結(jié)構(gòu)層次分析法(Theanalytichierarchyprocess)簡稱AHP法,在20世紀70年代中期由美國運籌學家托馬斯·塞蒂(T.L.Saaty)正式提出。它是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。層次分析法的基本思想是:根據(jù)多目標決策問題的性質(zhì)和總目標,把問題本身按層次進行分解,構(gòu)成多目標決策問題的性質(zhì)和總目標,構(gòu)造一個由下而上的遞階層次結(jié)構(gòu)。最高層為解決問題的總目標,稱為目標層;若干中間層為實現(xiàn)總目標所涉及的中間措施、準則,稱為準則層(若有多個中間層,則準則層之下為子準則層,或稱為指標層);最底層為解決問題所選用的各種方案,稱為方案層。相鄰上下層元素之間存在著特定的邏輯關(guān)系,將上層次的每一個元素同它有著邏輯關(guān)系的下層元素用直線連接起來,就構(gòu)成了遞階層次結(jié)構(gòu)模型。對于一個決策問題,分成有序的層次結(jié)構(gòu)以后,對每一個上層元素,考慮與其有邏輯關(guān)系的下層元素,并在它們之間進行兩兩比較判斷,判斷的結(jié)果用定量數(shù)字給出,并表示在一個矩陣中,這樣的矩陣稱為“判斷矩陣”。從判斷矩陣的最大特征值及其特征向量,確定每一層次中各元素的相對重要性排序的權(quán)值。通過對各層次的綜合,進而給出對目標層而言方案的總排序權(quán)重,并依此來確定最優(yōu)方案。2每個接收線的主要特點和優(yōu)缺點2.1潛江市高碑段4條比選渠線主要特征見表1、表2。龍高Ⅰ線:進口為荊州龍洲垸,出口為潛江高石碑,渠首位于荊州市李埠鎮(zhèn)龍洲垸長江左岸,干渠渠線沿北東向穿荊江大堤、318國道、宜黃高速公路后,以近東西向穿過廟湖、荊沙鐵路、襄荊高速、海子湖后,折向北東向穿拾橋河、穿長湖、殷家河、西荊河后,在潛江市高石碑鎮(zhèn)北穿過漢江干堤入漢江。龍高Ⅱ線:進口為龍洲垸,出口為高石碑,龍洲垸—海子湖段、彭冢湖—高石碑段與龍高Ⅰ線重合,中段利用長湖作為調(diào)節(jié)水庫,長湖—高石碑段的進水口位于毛李鎮(zhèn)李家灣長湖邊。龍洲垸—海子湖段渠道長21.65km,長湖—高石碑段渠道長21.85km,加固長湖圍堤長47.27km。高Ⅱ線:進口位于枝江市七星臺鎮(zhèn)大埠街,干渠向東穿過下百里洲、沮漳河、荊江大堤,從荊州城北邊穿過滬渝高速公路,然后向東偏北穿過廟湖、荊沙鐵路、襄荊高速、海子湖及拾橋河后,經(jīng)過蛟尾鎮(zhèn)北,穿長湖、殷家河、西荊河,在潛江市高石碑鎮(zhèn)北穿過漢江干堤入漢江。鹽高線:進口為沙市鹽卡,出口為高石碑。渠首穿荊江大堤后,渠線沿東北向穿西干渠、滬渝高速公路,在文崗入長湖、穿西荊河,于高石碑鎮(zhèn)北穿漢江干堤入漢江。2.2減少拆遷及地基處理量選線原則:①進出口位置條件優(yōu)越;②盡量減少開挖工程量,減少棄渣占壓土地;③盡可能避開密集居民點,減少拆遷量;④盡可能避開江漢油田及其它工礦企業(yè);⑤盡可能繞過國家重點文物保護單位紀南城與楚漢墓葬群等;⑥盡量避開現(xiàn)有公路、高壓線等;⑦盡量做到渠道不淤或有利于建設(shè)沖沙、沉沙設(shè)施;⑧渠深合適,有利于渠道縱坡及不同地質(zhì)條件的邊坡設(shè)計;⑨盡量避開不利地質(zhì)條件,減少地基處理工程量。各比選渠線優(yōu)缺點見表3。3采用層次分析法對候選人方案進行比較3.1遞階層次結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建方案渠線比選涉及到的因素眾多,且相互關(guān)聯(lián),是一個復雜的系統(tǒng)工程。針對這類復雜的決策問題,首先對問題所涉及的因素進行分類,然后構(gòu)造一個各因素之間相互聯(lián)結(jié)的層次結(jié)構(gòu)模型。因素分類如下:(1)目標類,渠線比選的目的是從4條渠線中選擇一條綜合效益最佳的線路,即為目標層(A)。(2)措施類,4條備選方案構(gòu)成了遞階層次結(jié)構(gòu)模型的最底層,即方案層(D)。4個方案依次為龍高Ⅰ線(D1方案),龍高Ⅱ線(D2方案),高Ⅱ線(D3方案),鹽高線(D4方案)。(3)準則類(或制約因素類),對于這種大型的引調(diào)水工程來說,決策問題比較復雜,準則類可分解為若干層次,或稱之為中間層。本層次結(jié)構(gòu)模型的中間層由準則層和指標層構(gòu)成。根據(jù)設(shè)計目的,遵循選線原則,確定將自然條件、經(jīng)濟指標、綜合利用、環(huán)境影響、社會效益五個要素作為層次結(jié)構(gòu)模型的準則層(B)。將上述五個要素展開,自然條件細分為進口水位與河勢、工程地質(zhì)條件、自流條件;經(jīng)濟指標展開為工程投資、技術(shù)經(jīng)濟指標、年運行費用三個方面;防洪灌溉、發(fā)電、通航、旅游構(gòu)成評價綜合利用的要素;環(huán)境影響從泥沙沉積與生態(tài)改善兩方面著眼;社會效益體現(xiàn)在地方經(jīng)濟與移民安置兩處。展開后的十四個因子構(gòu)成層次結(jié)構(gòu)模型的子準則層,即指標層(C)。根據(jù)上述因素分類,建立層次結(jié)構(gòu)模型。本工程層次結(jié)構(gòu)模型分為4個層次(見圖1)。3.2判斷矩陣的建立判斷矩陣是AHP工作的出發(fā)點,AHP的信息基礎(chǔ)是人們對每一層次各因素的相對重要性給出的判斷,這些判斷用數(shù)值表示出來,寫成矩陣形式就是判斷矩陣。判斷矩陣的量化由各因素之間進行兩兩比較確定,根據(jù)專家打分法,采取1～9標度給出。假定A層中元素Ak與下一層B1、B2、……、Bn有聯(lián)系,則構(gòu)造的判斷矩陣見表4所示。其中,bij表示對于Ak而言,Bi對Bj的相對重要性的數(shù)值表現(xiàn),通常bij可取1、2、……、9及它們的倒數(shù),其取值可通過專家咨詢法來確定。顯然,對于判斷矩陣中的元素應滿足:bii=1、bij=1/bji(i、j=1,2,……,n)。當判斷矩陣中元素滿足bij=bik/bjk(i、j、k=1,2,……,n)時,則稱判斷具有一致性。目標層A與準則層B的判斷矩陣見表5。準則層B與指標層C的判斷矩陣見表6～7。指標層C與方案層D的判斷矩陣見表8～12。3.3致性檢驗依據(jù)層次分析法計算原理,需對各判斷矩陣進行層次單排序及一致性檢驗。層次單排序是指根據(jù)判斷矩陣計算對于上一層某元素而言,本層次與之有聯(lián)系的元素相對重要性次序的權(quán)值。層次單排序要計算判斷矩陣的最大特征值及其特征向量。記判斷矩陣的最大特征根為λmax,與最大特征根相對應的特征向量記為W(向量W要作歸一化處理),那么向量W的分量wi則為相應元素排序的權(quán)值。一致性檢驗的目的是為了檢驗判斷矩陣的構(gòu)造是否合理,其檢驗指標CI計算公式為:CI=(λmax-n)/(n-1)式中:λmax——判斷矩陣的最大特征值;n——判斷矩陣的階數(shù)。判斷矩陣是否具有滿意的一致性,還需要利用判斷矩陣的平均隨機一致性指標。RI的取值可通過查表給出。對于1～9階判斷矩陣,其取值見表13。當判斷矩陣的隨機一致性比率CR=CI/RI<0.1時,則認為判斷矩陣具有滿意的一致性,否則需要調(diào)整判斷矩陣。通過計算,各判斷矩陣的最大特征值及其特征向量如下:(1)A-B判斷矩陣λmax=5.2276WBA=[0.11740.45500.30190.08510.0406]該判斷矩陣的一致性指標CI=0.0569,CR=0.0508<0.1,判斷矩陣具有滿意的一致性。(2)B-C判斷矩陣計算結(jié)果見表14。判斷矩陣中,CRk(k=1,2,3,4,5)均<0.1,判斷矩陣具有滿意的一致性。(3)C-D判斷矩陣計算結(jié)果見表15。判斷矩陣中,CRk(k=1,2,3,……,14)均<0.1,判斷矩陣具有滿意的一致性。3.4層次總排序的一致性檢驗層次總排序?qū)嶋H上就是計算方案層中的各個方案對于目標層的權(quán)向量。利用同一層次中所有層次單排序的結(jié)果,就可以計算針對上一層次而言,本層次所有元素的相對重要性的權(quán)值,即層次總排序。層次總排序是從上到下逐層順序進行,逐層合成的。準則層(B)相對于目標層(A)的排序向量為WBA=[0.11740.45500.30190.08510.0406],表示準則層相對于目標層的權(quán)重。指標層(C)相對于目標層(A)的組合權(quán)向量計算為:WCA=WBA×WCB=|0.22970.17210.57500.16670.25000.12200.72580.12010.83330.75000.64830.10200.242700000.062100|×|0.11740.45500.30190.08510.0406|=[0.0270,0.0143,0.0761,0.0783,0.3303,0.0464,0.1736,0.0363,0.0733,0.0187,0.0142,0.0709,0.0102,0.0305]∣∣∣∣∣∣0.22970.12200.648300.17210.72580.102000.57500.12010.24270.06210.16670.8333000.25000.750000∣∣∣∣∣∣×∣∣∣∣∣∣∣0.11740.45500.30190.08510.0406∣∣∣∣∣∣∣=[0.0270,0.0143,0.0761,0.0783,0.3303,0.0464,0.1736,0.0363,0.0733,0.0187,0.0142,0.0709,0.0102,0.0305]同樣的,方案層(D)相對于目標層(A)的組合權(quán)重向量計算結(jié)果如下:WDA=WCA×WDC=|0.34390.14390.22720.2850|WDA=WCA×WDC=∣∣∣∣∣∣0.34390.14390.22720.2850∣∣∣∣∣∣為評價層次總排序計算結(jié)果的一致性,也需要進行一致性檢驗。該檢驗計算自上而下逐層進行,其檢驗公式如下:CR=CΙ/RΙ=(m∑jwjCΙj)/(m∑jwjRΙj)根據(jù)計算結(jié)果,層次總排序一致性檢驗指標CR<0.1,滿足一致性檢驗。說明層次總排序的權(quán)向量是合理的。根據(jù)層次分析結(jié)果,4條比較渠線相對于最優(yōu)方案的權(quán)重系數(shù)分別為:龍高Ⅰ線(D1方案)為0.3439,龍高Ⅱ線(D2方案)為0.1439,高Ⅱ線(D3方案)為0.2272,鹽高線(D4方案)為0.2850。其總排序為:龍高Ⅰ線,鹽高線,高Ⅱ線,龍高Ⅱ線,亦即龍高Ⅰ