岳亞軍 李 樂 徐萬里

(空軍第一建筑安裝工程總隊(duì)，北京 100076)

·水·暖·電·

基于AHP的玉樹機(jī)場排洪工程規(guī)劃

岳亞軍 李 樂 徐萬里

(空軍第一建筑安裝工程總隊(duì)，北京 100076)

將層次分析法(AHP)運(yùn)用于玉樹機(jī)場排洪工程方案規(guī)劃中，確定了準(zhǔn)則層元素，結(jié)合實(shí)例分析了方案層判斷矩陣的構(gòu)建方法，最后，研究得出了排洪方案規(guī)劃結(jié)果，實(shí)踐證明該方案運(yùn)用于玉樹機(jī)場防排洪工程，取得了良好的效果。

層次分析法，排洪，規(guī)劃

1 工程概況

玉樹民用機(jī)場位于青海省玉樹藏族自治州玉樹縣境內(nèi)，等級為4C，設(shè)計(jì)跑道長度3 800 m，為青海省重點(diǎn)工程。

機(jī)場海拔3 900 m左右，屬典型的高原機(jī)場，氣象、地形條件復(fù)雜，河流發(fā)達(dá)，山巒起伏。場址位于山前坡地上，機(jī)場北側(cè)和東側(cè)分別有巴曲河和扎曲河通過。機(jī)場以南為山脈，與機(jī)場的相對高差超過1 000 m。坡面上沖溝發(fā)育，有10條大小不同的沖溝穿越飛行場區(qū)，總匯水面積33 km2，在國內(nèi)機(jī)場非常罕見。因此機(jī)場防洪問題非常突出，排洪工程相當(dāng)復(fù)雜。

本文采用層次分析法(AHP)對該工程進(jìn)行了分析，制定了機(jī)場排洪方案。方案實(shí)施后，達(dá)到了設(shè)計(jì)排洪能力，取得了良好的效果。

2 排洪工程規(guī)劃原則

玉樹機(jī)場場區(qū)沖溝多，山坡洪水匯水面積大，地形條件復(fù)雜，排洪工程既要考慮安全和節(jié)省投資，又要與地勢設(shè)計(jì)方案和場內(nèi)排水協(xié)調(diào)，還要做好“三江源”地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)，方案制定難度大。結(jié)合玉樹機(jī)場的具體實(shí)際，擬定了防洪工程設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的幾條原則：

1)突出防洪安全。

玉樹機(jī)場山洪流量大，當(dāng)?shù)匦×饔蛩摹庀筚Y料缺乏，高原氣候變化復(fù)雜，當(dāng)?shù)亟?jīng)常出現(xiàn)小流域的山洪和泥石流，因此防洪方案布置要突出防洪安全，以降低突發(fā)情況下洪水對機(jī)場的威脅程度。

2)重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

玉樹機(jī)場位于“三江源”地區(qū)，草原生態(tài)比較脆弱，僅表層30 cm～50 cm為高原草甸，其余為砂礫石。因此，截、排洪溝的布置還要與草原環(huán)境相協(xié)調(diào)，避免截?cái)喾拍恋闹饕ǖ?，防止排洪溝出口水流在草原上漫流破壞植被；同時(shí)，盡量減少土面開挖，對開挖后的土面區(qū)要進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)。

3)節(jié)約工程投資、便于維護(hù)管理。

玉樹機(jī)場地處欠發(fā)達(dá)地區(qū)，經(jīng)濟(jì)條件較差，資金比較緊張。排洪工程在保證安全和環(huán)保的基礎(chǔ)上，盡量節(jié)約工程投資。同時(shí)，由于該地氣候條件惡劣，機(jī)場保障人員少，平時(shí)維護(hù)管理比較困難。尤其是排洪工程基本上都在場外，所以排洪工程設(shè)計(jì)首先保證結(jié)構(gòu)可靠性，盡量減少機(jī)場運(yùn)行過程中的養(yǎng)護(hù)和維修。

3 排洪方案規(guī)劃的AHP模型

根據(jù)AHP原則并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出影響排洪方案AHP模型的目標(biāo)層和準(zhǔn)則層因素，其中準(zhǔn)則層的主要因素有：構(gòu)筑物防洪的安全性、功能性、維護(hù)方便性、工程費(fèi)用和對環(huán)境的影響，如圖1所示。

按照防洪工程設(shè)計(jì)原則[1,2]，排洪方案AHP模型中所示的5個(gè)準(zhǔn)則對于目標(biāo)層的權(quán)重比大小順序應(yīng)為：安全性>功能性>對環(huán)境影響>工程費(fèi)用>維護(hù)方便性。按照AHP中元素間重要性評判指標(biāo)[3]，構(gòu)建的比較矩陣為：

(1)

該矩陣的最大特征值和相應(yīng)的最大特征向量分別為：λmax=4.812 2，V=[0.069 7 0.125 8 0.210 0 0.279 5 0.314 9]T。經(jīng)檢驗(yàn)，該矩陣的一致性可以接受[4]。

4 排洪方案的比選

根據(jù)場區(qū)地形特點(diǎn)及地勢設(shè)計(jì)方案，結(jié)合飛行區(qū)總平面規(guī)劃，布置飛行區(qū)防洪系統(tǒng)，并根據(jù)設(shè)計(jì)流量確定排洪構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)形式和斷面尺寸[5]。防洪方案比選的內(nèi)容主要包括截洪溝的平面位置確定、排洪線路布置和排洪出口選擇3個(gè)方面。

4.1 截洪溝的平面位置確定

截洪溝的平面位置需考慮與地勢設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，既要保證截洪效果，又要滿足經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等多方面的因素。根據(jù)場區(qū)的地形特點(diǎn)和民航機(jī)場飛行區(qū)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，排洪溝至少距離跑道中心線105 m。由于高原氣象條件復(fù)雜，機(jī)場凈空條件較差，而當(dāng)?shù)卮箫L(fēng)天氣較多，飛機(jī)下降過程中可能受側(cè)風(fēng)影響?？紤]飛行安全，截洪溝布置在距跑道中心線150 m以外。結(jié)合地勢設(shè)計(jì)，主要選擇兩種方案進(jìn)行了分析比較。

方案1：先以10‰向南降坡，在距跑道中心線80 m處向南升坡，150 m處與跑道同高，考慮圍界不超高和截洪溝的布置，平整至距跑道中心線180 m，其中圍界在距跑道中心線169 m處，截洪溝布置在圍界外，截洪溝南側(cè)進(jìn)行側(cè)凈空處理。

方案2：以10‰向南降坡，在距跑道中心線145 m處向下放坡，以滿足圍界不超高，圍界在距跑道中心線150 m處，截洪溝布置在圍界外側(cè)，截洪溝南側(cè)進(jìn)行側(cè)凈空處理。方案如圖2所示。

方案層中兩個(gè)因素對于準(zhǔn)則層5個(gè)因素的權(quán)重比矩陣分別為：

1)安全性指標(biāo)。

方案2截洪溝位置比跑道高程低，安全性較好，同時(shí)，方案2對降低場區(qū)的地下水位有利，減小地下水對道面結(jié)構(gòu)的危害，方案2的安全性量化指標(biāo)為1；方案1洪水對機(jī)場的威脅較大，將其安全性指標(biāo)定為4。

由此，構(gòu)建的安全性比較矩陣為：

(2)

該矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量分別為：λmax=2，V=[0.2 0.8]T。

2)功能性指標(biāo)。

從對場內(nèi)排水的影響來說，方案1雖然可以結(jié)合V形溝排水，但由于場地較長，V形溝排水出口受到制約，對場內(nèi)排水不利，而方案2可以將場內(nèi)徑流分段排入截洪溝。經(jīng)綜合分析，構(gòu)造的比較矩陣為：

(3)

該矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量分別為：λmax=2.002 5，V=[0.400 6 0.599 4]T。

3)對環(huán)境的影響。

方案1的征地范圍為190 m，方案2的征地范圍為170 m，由此，構(gòu)建的比較矩陣為：

(4)

該矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量分別為：λmax=2.006 2，V=[0.527 8 0.472 2]T。

4)工程費(fèi)用指標(biāo)。

方案1挖方447萬m3，填方419萬m3；方案2挖455萬m3，填419萬m3，由此構(gòu)建的比較矩陣為：

(5)

該矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量分別為：λmax=2，V=[0.449 7 0.502 3]T。

5)維護(hù)方便性指標(biāo)。

方案1坡面防護(hù)范圍小，其中坡度較陡的坡段，需用三維網(wǎng)草皮防護(hù)，坡頂需設(shè)截水溝；方案2坡面防護(hù)范圍中等，其中坡度較陡的坡段，需用三維網(wǎng)草皮防護(hù)，坡頂需設(shè)截水溝，均會給整體工程帶來一定隱患，增加后期維護(hù)費(fèi)用。經(jīng)綜合比較，得比較矩陣為：

(6)

該矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量分別為：λmax=2，V=[0.33 0.67]T。

根據(jù)以上分析，結(jié)合準(zhǔn)則層相對于目標(biāo)層的權(quán)向量，得出方案層對于準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的組合權(quán)向量計(jì)算表(見表1)。

表1 組合權(quán)向量計(jì)算表(一)

經(jīng)組合權(quán)重計(jì)算，得出方案1和方案2對于目標(biāo)層的決策權(quán)重向量為：V=[0.404 8 0.581 7]T，可以看出，方案2占58.17%的權(quán)重，為首選方案。

4.2 排洪路線規(guī)劃

根據(jù)地勢設(shè)計(jì)，跑道西端最高，從跑道西端向東全部為降坡，排洪溝主要徑流方向是自西向東。在跑道西端安全區(qū)，坡度向西降坡，這部分少量徑流向西繞過飛行區(qū)西端，接到天然沖溝。

由于向東的徑流匯集了山口1和山口2的洪水，因此流量很大，其排洪線路有兩個(gè)方案：

方案1：全部徑流通過排洪溝向東排入容泄區(qū)；

方案2：采用排洪涵洞分流，將山口1的主要徑流通過排洪涵洞穿越飛行場區(qū)后排入原主沖溝，其他徑流向東排入扎曲河，如圖3所示。

由于排洪溝下游地面反坡，開挖深度大，最大深度達(dá)到9.5 m左右，若采用梯形明溝，方案1上口最大寬度達(dá)到43.5 m，方案2上口最大寬度達(dá)到39 m，對草原生態(tài)破壞嚴(yán)重。同時(shí)排洪溝下游若采用明溝，影響附近居民的生產(chǎn)和生活，需要在該位置架設(shè)橋梁，造價(jià)也比較高。因此，考慮在下游開挖深度超過5 m的地段采用蓋板涵的形式，長度約400 m，涵頂覆土恢復(fù)生態(tài)，如圖4所示。

兩個(gè)方案的主要區(qū)別在截排洪溝的中下游，截排洪溝在排洪涵洞位置以后的長度約4 052 m，其中中游3 028 m溝底縱坡基本為5‰，下游1 024 m長度范圍內(nèi)由于地形反坡，溝底縱坡最大按3‰考慮，根據(jù)推求的扎曲河水位和排洪線路的縱斷面情況，若保證扎曲河水位不頂托排洪溝徑流，排洪溝下游溝深最大為2.5 m。方案層中兩個(gè)因素對于準(zhǔn)則層5個(gè)因素的權(quán)重比矩陣分別為：

1)安全性指標(biāo)。

方案1下游流量太大，主要徑流只有一個(gè)出口，一旦堵塞或結(jié)構(gòu)失效，洪水很快就會溢出排洪溝，導(dǎo)致場區(qū)被淹沒，將其安全性指標(biāo)定為4。方案2由于分流了山口1的大部分徑流，下游防洪負(fù)擔(dān)減輕，同時(shí)兩個(gè)主要出口增加防洪的安全系數(shù)，將其安全性指標(biāo)定為2。構(gòu)建比較矩陣為：

(7)

該矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量分別為：λmax=2，V=[0.33 0.67]T。

2)功能性指標(biāo)。

兩個(gè)方案均能完成預(yù)定排洪功能，且無附加功能，因此，構(gòu)建比較矩陣為：

(8)

該矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量分別為：λmax=2，V=[0.5 0.5]T。

3)對環(huán)境的影響。

減少明溝開挖斷面面積有利于保護(hù)草原生態(tài)，同時(shí)保持原主要沖溝長流水對保護(hù)草原生態(tài)也很有利。經(jīng)計(jì)算，方案1開挖面積為176 262 m2，方案2的開挖面積為158 028 m2，因此，構(gòu)建比較矩陣為：

(9)

該矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量分別為：λmax=2.000 1，V=[0.473 0.527]T。

4)工程費(fèi)用指標(biāo)。

方案1比方案2減少280 m長箱涵，箱涵每延米約15 000元，減少造價(jià)420萬元。截洪溝中游3 028 m范圍排洪溝斷面面積方案1比方案2增加約42%，每延米約增加造價(jià)630元，增加造價(jià)190.76萬元。排洪溝下游1 024 m范圍內(nèi)，其中624 m漿砌片石排洪溝斷面面積方案1比方案2增加約70%，每延米約增加造價(jià)1 050元，增加造價(jià)65.52萬元；400 m長蓋板涵把高度控制在2.5 m的情況下，方案1底寬需要8.5 m，設(shè)計(jì)為三孔箱涵，方案2底寬需要5.8 m，設(shè)計(jì)為兩孔箱涵，方案1比方案2每延米蓋板涵約增加造價(jià)4 200元，共增加造價(jià)168萬元?？傆?jì)方案1比方案2增加造價(jià)24.28萬元。由此，構(gòu)建比較矩陣為：

(10)

該矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量分別為：λmax=2.000 2，V=[0.494 0.506]T。

5)維護(hù)方便性指標(biāo)。

按照后期維護(hù)費(fèi)用來計(jì)算維護(hù)方便性指標(biāo)。據(jù)估算，方案1包括4 052 m的明溝和400 m的蓋板涵，使用維護(hù)費(fèi)用指標(biāo)為(4 052×1+400×2)/4 452=1.09；方案2包括4 052 m的明溝和680 m的涵洞，使用維護(hù)費(fèi)用指標(biāo)為(4 052×1+680×2)/4 732=1.14，由此，得比較矩陣為：

(11)

該矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量分別為：λmax=2.000 1，V=[0.528 0.472]T。

根據(jù)以上分析，結(jié)合準(zhǔn)則層相對于目標(biāo)層的權(quán)向量V=[0.069 7 0.125 8 0.210 0 0.279 5 0.314 9]T，得出方案層對于準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的組合權(quán)向量計(jì)算表(見表2)。

表2 組合權(quán)向量計(jì)算表(二)

經(jīng)過組合權(quán)重計(jì)算，得出方案1和方案2對于目標(biāo)層的決策權(quán)重向量為：V=[0.489 6 0.510 4]T，可以看出，方案2占有51.04%的權(quán)重，為首選方案。

4.3 排洪出口的選擇

排洪溝西端出口流量小，可以直接繞過飛行區(qū)西端接入原沖溝排入巴曲河；中部排洪涵洞出口流量較大，接入原山口1徑流形成的主沖溝，排水比較順暢；排洪溝東端的出口有兩種設(shè)計(jì)方案。

方案1：繞過飛行區(qū)東端排入巴曲河；

方案2：直接向東排入扎曲河。

方案1路線不順，若直接排入附近沖溝漫流，由于流量大，而附近的沖溝斷面很小，易形成沖刷，影響草原的使用，增加日后管理工作難度，征求當(dāng)?shù)毓芾聿块T的意見，也主張不直接排入附近沖溝，以避免機(jī)場運(yùn)行管理過程中與當(dāng)?shù)鼐用癜l(fā)生糾紛；若修建排洪溝到巴曲河，距離太長，不經(jīng)濟(jì)，而且對草原生態(tài)環(huán)境破壞較大。方案2直接排入扎曲河，距離短，排水線路順暢，日后維護(hù)管理較為方便。從保護(hù)生態(tài)環(huán)境和提高使用性能方面考慮，推薦方案2為排洪溝東端出口方案。

5 結(jié)語

本文將AHP運(yùn)用在大型機(jī)場的防排洪工程上，建立了方案優(yōu)選的AHP模型，分析確定了5個(gè)準(zhǔn)則層元素，并構(gòu)建了比較矩陣，計(jì)算得出了權(quán)重向量。隨后，分別運(yùn)用AHP對截洪溝的平面位置、排洪路線規(guī)劃方案進(jìn)行了優(yōu)選，最后分析了排洪出口方案。

本文的研究成果已運(yùn)用于玉樹機(jī)場防排洪工程中，保證了功能性和安全性，效果較為理想。

[1] Kibler DF.Urban stormwater hydrology,American Geophysical Union’s Water Resources Monograph 7,1982.

[2] 中國市政工程東北設(shè)計(jì)院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(第七冊)，城市防洪[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986.

[3] 王 薔.層次分析法在多目標(biāo)水利項(xiàng)目決策中的應(yīng)用[J].東北水利水電，2003(8)：68-69.

[4] 朱 茵,孟志勇,闞叔遇.用層次分析法計(jì)算權(quán)重[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999(5)：46-47.

[5] 岑國平，洪 剛.機(jī)場排水結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)[D].北京：空軍工程大學(xué)，2006.

The program planning of the Yushu airport drainage construction based on AHP

YUE Ya-jun LI Le XU Wan-li

(TheFirstBridgeofConstruction&InstallationoftheChineseAirForce，Beijing100076,China)

The Analytic Hierarchy Process(AHP) was used for the program planning of the Yushu airport drainage construction, the elements of criteria layer was chosen, the example was used for analysing the construction method of the project layer judgement matrix, finally, the drainage construction planning was obtained. The conclusion was used in the Yushu airport drainage construction, it has been suitable for use up to now.

AHP, drainage, planning

1009-6825(2014)13-0134-03

2014-02-28

岳亞軍(1974- )，男，工程師； 李 樂(1981- )，男，工程師； 徐萬里(1986- )，男，助理工程師

TU992

A