水位變幅區(qū)取水泵站方案優(yōu)化選擇

惠可文

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

1 研究項(xiàng)目背景

黃河古賢水利樞紐處于陜晉交界,距離壺口瀑布約10 km。陜西延安黃河引水工程取水口位于古賢水庫壩址上游,屆時(shí)水庫建設(shè)過程中蓄水位逐步抬高,水位淹沒范圍覆蓋陜西延安黃河引水工程取水口。

根據(jù)古賢水庫工程規(guī)模,洪水標(biāo)準(zhǔn)按1000 年一遇設(shè)計(jì)（P=1‰）,對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)水位為627.52 m,5000 年一遇校核（P=0.2‰）,對(duì)應(yīng)水位為 628.75 m?？紤]水庫死水位（550 m）時(shí)依舊能取水,取水水位變化范圍由最低550 m至最高627.05 m。

古賢水庫施工期進(jìn)入第8 年時(shí),自此大壩下閘蓄水,同時(shí)拆除施工圍堰,到第9 年時(shí),水庫水位達(dá)560 m,高出延安黃河引水工程取水口廠坪高程7 m,取水口大部分功能性建筑均被淹沒,無法運(yùn)行。隨著時(shí)間的推移,水庫庫區(qū)回水位繼續(xù)抬升,淹沒到引黃工程二級(jí)、三級(jí)泵站,整個(gè)工程停運(yùn)的同時(shí),原工程受水區(qū)用水無法保障,所以,重新修建適應(yīng)水庫水位變幅的取水泵站非常必要。

2 取水泵站型式介紹

按照泵站構(gòu)造形式,取水泵站可分為兩類：固定式、移動(dòng)式。兩種泵站型式,優(yōu)缺點(diǎn)不同,固定式泵站優(yōu)點(diǎn)在于取水保證率高,運(yùn)行維護(hù)便利；移動(dòng)式泵站優(yōu)點(diǎn)在于一次性投資成本小,土建工程量小。

1）固定式取水泵站分為兩類：岸邊式（臨水）、河岸式（岸上）

岸邊式取水泵站往往設(shè)置在江河、水庫的岸邊。以塔式取水泵站為例,當(dāng)水位達(dá)到設(shè)計(jì)水位時(shí),首先河水通過閘門攔污柵進(jìn)入進(jìn)水間,經(jīng)過過濾后進(jìn)入水泵進(jìn)水管,最終經(jīng)過水泵將其輸送至水廠或用水點(diǎn)。

河岸式取水泵站設(shè)在岸上,通常采用半地下式。岸邊式取水泵站是直接從江河岸邊抽水,河岸式取水泵站前有獨(dú)立的取水頭部,以及較長的引水管或引水渠。

2）移動(dòng)式取水泵站大致也分為兩類：浮船式（浮動(dòng)）、纜車式（滑動(dòng)）

浮船式取水泵站直接抽取河道、水庫淺層水,一般水質(zhì)較好。浮船可隨著水位的變化而上下移動(dòng),通過搖臂與岸邊支墩鉸接,有較強(qiáng)適應(yīng)河流水位變化的能力。

纜車式取水泵站也可適應(yīng)較大的水位變幅,泵站由水泵車、滑道和牽引設(shè)備等組成。因泵車需要沿坡道上的軌道上下移動(dòng),故該方案對(duì)岸邊坡度要求較高,適用于坡度較小、流速較低的河道或水庫。

3 優(yōu)化選擇方法

“決策樹”是一種科學(xué)的決策方法。它的原理就是將復(fù)雜問題簡單化、直觀化、數(shù)值化,將若干個(gè)平行對(duì)比方案通過一定的影響因素,按照相應(yīng)的方法構(gòu)造一個(gè)樹形圖，模擬大樹的生長形態(tài),通過樹的不斷分枝,可以把一個(gè)多因素的復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化成多個(gè)單一因素的簡單問題。

圖1 決策樹示意圖

決策樹的分解過程好比金字塔,從塔尖至塔底,從高高在上到觸手可及。首先,考慮某個(gè)需要決策的問題,針對(duì)問題的特點(diǎn),列舉出若干個(gè)可行的方案。其次,分析出影響方案決策的因素,每個(gè)因素對(duì)應(yīng)一個(gè)決策因子,對(duì)決策因子進(jìn)行等級(jí)劃分,并對(duì)其按數(shù)學(xué)期望進(jìn)行賦值,使其數(shù)值化。最后,按照因素的重要程度將決策因子的概率進(jìn)行賦值,使其直觀化。最后,計(jì)算出加權(quán)后的總期望值,其最大期望值對(duì)應(yīng)的方案就是最佳的決策方案。

用決策樹選擇最佳的方案,有以下要素：泵站的分類、評(píng)價(jià)因素及指標(biāo)值。根據(jù)上文論述,取水泵站主要分為：岸邊式、河岸式、浮船式、纜車式等若干種型式。評(píng)價(jià)因素就是在多種平行方案比選時(shí)考慮的內(nèi)容：建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行管理費(fèi)用、工作條件、施工難度、工程壽命和適應(yīng)泥沙能力等,見圖2。

圖2 決策樹結(jié)構(gòu)示意圖

我們需要對(duì)各個(gè)方案的評(píng)價(jià)因素進(jìn)行數(shù)值化處理,首先需要對(duì)它進(jìn)行等級(jí)劃分,為了讓結(jié)果更準(zhǔn)確,初步按五個(gè)等級(jí)區(qū)分,從不利到有利分別賦值0至1,如建設(shè)費(fèi)用“很大”,屬于不利因素,賦0分。見表1。

表1 評(píng)價(jià)因素等級(jí)劃分

用表1中的評(píng)價(jià)因素對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行衡量評(píng)估,各平行方案對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)因素見表2。

表2 各平行方案評(píng)價(jià)因素的評(píng)價(jià)值

所以,可得出幾個(gè)取水泵站的矩陣：

共有n個(gè)評(píng)價(jià)因素,每個(gè)因素從不同方面影響著決策方案,但不同的評(píng)價(jià)因素重要程度也不同。所以,為了使決策方案更具合理性、準(zhǔn)確性,在評(píng)價(jià)值的基礎(chǔ)上,按照評(píng)價(jià)因素的重要程度再規(guī)定一個(gè)加權(quán)系數(shù)。具體的取值見表3。

表3 評(píng)價(jià)因素的加權(quán)系數(shù)

決策方案的矩陣模型所需的決策系數(shù)向量A：

決策方案加權(quán)期望值 Yi= A·Xi。

4 取水泵站型式對(duì)比應(yīng)用

通過上述方案列舉,以及用“決策樹”數(shù)值化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合《黃河古賢水利樞紐工程建設(shè)征地移民安置規(guī)劃延安黃河引水工程淹沒區(qū)重建工程可行性研究報(bào)告》[1],以下簡稱《淹沒重建工程》,該可研報(bào)告中選取岸邊式和浮船式泵站進(jìn)行比選,本文針對(duì)這個(gè)實(shí)際案例進(jìn)行分析。

采用“決策樹”對(duì)比,針對(duì)每個(gè)平行方案,先確定每個(gè)方案的評(píng)價(jià)因素。根據(jù)《淹沒重建工程》的項(xiàng)目特點(diǎn),泵站在水位變幅較大區(qū)域取水,且黃河含沙量較大,擬定取水泵站對(duì)比選型的評(píng)價(jià)因素為：（1）建設(shè)費(fèi)用；（2）運(yùn)行管理費(fèi)用；（3）工作條件；（4）工程壽命；（5）施工難度；（6）適應(yīng)泥沙能力。取[0,1]作為評(píng)價(jià)因素的取值范圍,見表1。

①建設(shè)費(fèi)用：岸邊式泵站方案的一次性投資費(fèi)用較大,建設(shè)費(fèi)用的評(píng)價(jià)因素賦分為0.25；浮船式泵站一次性投資費(fèi)用較小,建設(shè)費(fèi)用的評(píng)價(jià)因素賦分為0.75。

②運(yùn)行管理費(fèi)用：兩個(gè)方案用電量相當(dāng),但岸邊式泵站維護(hù)管理較浮船式泵站更方便,管理費(fèi)用的評(píng)價(jià)因素賦分為0.75；浮船船體采用鋼材焊接,需要除銹防腐、破冰、保溫,年維護(hù)費(fèi)較高,管理費(fèi)用的評(píng)價(jià)因素賦分為0.50。

③工作條件：岸邊式泵站采用封閉式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),工作條件很好,工作條件的評(píng)價(jià)因素賦分為1；浮船泵站受庫水位漲落變幅影響,泵船位于河道、庫水位低時(shí),棧橋坡度較陡,人員行走不便,有一定危險(xiǎn),工作條件的評(píng)價(jià)因素賦分為0.50。

④工程壽命：岸邊式取水泵站一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),壽命很長,按建筑物使用年限劃分,壽命一般大于50年,工程壽命的評(píng)價(jià)因素賦分為1；浮船式取水泵站因船體為鋼材,整體為特種設(shè)備,工作壽命小于25年,壽命較短,工程壽命的的評(píng)價(jià)因素賦分為0.50。

⑤適應(yīng)泥沙能力：古賢水庫在建設(shè)期間,水庫水位不斷抬高,庫底部淤積面高程也不斷上升,岸邊式取水泵站的取水口一般設(shè)在泵站底部,容易淤積,需要抬高取水口分層取水,適應(yīng)泥沙能力的評(píng)價(jià)因素賦分為0.25；浮船式取水泵站取水庫表層水,水質(zhì)較好,含沙量低,適應(yīng)泥沙能力的評(píng)價(jià)因素賦分為0.75。

⑥施工難度：岸邊式泵站為了更好地適應(yīng)水位變幅,一般采用庫內(nèi)布置,土方工程量大,施工難度大,有時(shí)還需要修建大型圍堰,施工難度的評(píng)價(jià)因素賦分為0.25；浮船式方案為特種設(shè)備,利用水路運(yùn)輸,現(xiàn)場安裝；土建施工僅在庫水位以上的平臺(tái)澆筑,工程量較小,無需導(dǎo)流圍堰,施工難度的評(píng)價(jià)因素賦分為0.75。

由表4可得出兩種泵站的計(jì)算式：

表4 兩種泵站的評(píng)價(jià)因素賦分表

不同工程,同一評(píng)價(jià)因素重要性不一樣,同一工程,不同評(píng)價(jià)因素重要性也不一樣,為保證決策結(jié)果的科學(xué)性、合理性,應(yīng)使較為重要的因素占比分值較大,例如建設(shè)費(fèi)用、工作條件對(duì)于一個(gè)工程來說至關(guān)重要,應(yīng)給予較大的權(quán)重。這里引入加權(quán)系數(shù),見表5。

表5 評(píng)價(jià)因素的加權(quán)系數(shù)

由表5,得到評(píng)價(jià)因素的加權(quán)系數(shù)矩陣A=[1 1 1 0.9 0.7 0.5],所以評(píng)價(jià)取水泵站方案的總指標(biāo)期望值Yi= A·Xi（Y1代表岸邊式,Y2代表浮船式）。

因?yàn)榭傊笜?biāo)期望值Y1＞ Y2,所以《淹沒重建工程》取水泵站方案選擇岸邊式取水泵站,與項(xiàng)目可研報(bào)告結(jié)論一致。

5 結(jié)論

從《黃河古賢水利樞紐工程建設(shè)征地移民安置規(guī)劃延安黃河引水工程淹沒區(qū)重建工程》看,岸邊式泵站和浮船式泵站均可行,需要從建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行管理費(fèi)用、工作條件、工程壽命、施工難度、適應(yīng)泥沙能力等多方面比選,影響因素太多,設(shè)計(jì)師進(jìn)行方案選擇時(shí),會(huì)比較困難。本文提供了泵站型式選擇的新思路,使一個(gè)復(fù)雜問題簡單化、數(shù)值化,在選取評(píng)價(jià)因素時(shí),根據(jù)評(píng)價(jià)因素在同一工程中的重要性引入權(quán)值,使結(jié)論更加科學(xué)、準(zhǔn)確、實(shí)用。

綜上,在今后工程設(shè)計(jì)中,遇到多因素影響方案選擇時(shí),可采用決策樹的方法,快速幫助設(shè)計(jì)師做出決策判斷。