喀斯特山區人飲工程管材選擇及應用評價

令志強，屈月雷，尹亞敏，宋國蒼，袁 會，彭爾瑞

(1.云南農業大學水利學院，昆明 650201；2.云南農業大學資源與環境學院，昆明 650201)

0 引 言

農村飲水困難和飲水安全是多年來農村群眾面臨的主要問題，也是制約農村生產力和農村經濟發展的主要因素，尤其是地質地貌復雜，水土流失嚴重，石漠化現象突出的喀斯特山區，工程性缺水問題已成為一種普遍現象，嚴重制約了社會的可持續發展。高漸飛[1]等提出喀斯特山區巖溶地貌發育強烈，地形延綿起伏，山高陡坡，給管道布置帶來了巨大的難題；喀斯特地區，地質情況復雜，輸水管線可能會通過不同地質情況的地段，受各種管材安裝要求的限制，輸水管材選擇時應充分考慮地質情況的影響[2]；張金承[3]等提出管材選擇是供水工程設計的一項重要內容，管材選擇是否合理不僅影響施工質量及供水區用水保證率，而且還會影響到工程運行、使用壽命及維修成本，特別是在特殊的地質地貌及水文地質環境情況下，做好供水管材的選擇尤為重要；何晶晶[4]等提出，近年來，隨著對水質要求的提高，鋼絲網骨架塑料復合管在高原地區的供水工程中已廣泛采用，使用效果良好；徐飛飛[5]等用多因素二級模糊評價法評價模型確定了各種管材的權重，為管材選擇提供了依據；雷曉玲[6]等人結合云貴川丘陵地區低山、丘陵地貌等地形特點，對管線管材按口徑大小進行分類選擇和優化組合。管材的選用對于農村飲水工程的經濟合理性、安全性和高效性有著很大的影響，在工程安全運行、保障供水、節省工程投資等方面都有著十分重要的意義。

1 工程概況

八道哨鄉大布紅村委會，其位于云南省文山州丘北縣中部，據丘北縣氣象站歷年實測資料統計，縣內多年平均氣溫 16.3 ℃，最高氣溫35.7 ℃；極端最低氣溫-7.6 ℃；多年平均日照2 046 h，最熱月為7月，平均氣溫達26.8 ℃，最冷月為1月，平均氣溫為3.2 ℃，年無霜期 275 d。年降水變化在670.9～1 467.5 mm 之間，多年平均降水量為 1 178.2 mm，平均海拔1 780 m。該研究區人飲工程涉及八道哨鄉布紅上寨、布紅下寨、水頭、魚塘上寨、魚塘下寨等5個村民小組，2017年末共有人口2 760 人，其中農村居民2 157 人，學校人數為603 人，大牲畜353 頭，有效耕地面積2 538 hm2。該研究區地處喀斯特典型山區，巖溶地貌發育[5,6]，石多土少、土薄易旱，特殊的地質地貌給輸水管材的選擇帶來了諸多困難。

2 管材選擇

管材選擇是山區輸水工程中非常重要的部分，是人飲工程中面臨的主要難題，特別是在巖溶地區管材選擇時，首先要滿足巖溶地區管道施工和運行安全的需要，提高管網安全性、延長使用壽命、提升輸送能力，避免管道事故發生，其次要根據地形情況，進行充分的市場調查與經濟技術比較，在保證質量和工程安全的前提下，做到經濟合理、施工方便[7]。根據各種管材所具備的特點，該人飲工程可推薦選用的管材有：聚乙烯管(PE)、球墨鑄鐵管(DIP) 、硬聚氯乙烯管(UPVC)、預應力鋼筋混凝土管(PCP)、鋼管(SP)等五種管材，為了更合理的選取，基于價值工程原理對以上五種管材進行合理性分析，管材性能指標如表1所示[8-12]。

表1 管材性能指標Tab.1 Pipe performance indicators

3 價值工程原理

所謂價值工程，主要是指通過集體智慧和有組織的活動對產品或服務進行功能分析，使壽命周期成本降到最低，以此實現產品或服務的必要因素，從而大大提高產品或服務的價值[13]。而價值工程的主要思想是通過對選定研究對象的功能及費用進行分析，提高對象的價值，因此將價值工程運用于山區人飲工程中管材選擇具有重要的研究意義，一般用公式表示為：

V=F/C

(1)

式中：V為研究對象的價值；F為研究對象的功能；C為研究對象的成本。

從上述公式不難看出提升價值的方法有如下幾種[14]：①功能不變，成本降低；②成本不變，功能提高；③功能大幅度提高，成本小幅度提高；④功能小幅度下降，成本大幅度下降；⑤功能提高，成本降低。

3.1 功能權重的確定

利用層次分析法(AHP)對各指標賦予權重[15]，構造相應層次的判斷矩陣，通過每一層次各因素之間兩兩比較，對其相對重要性做出判斷，最后構建判斷矩陣，計算得出各(級)指標的權重，并進行一致性檢驗，設某層指標為F=[f1，f2，f3，…]，兩兩比較fi與fj對上層某個指標的影響重要程度用fij=fi/fj表示，mij值用數字1～9及其倒數表示，即AHP標度含義[16]，標度含義見表2。

表2 AHP標度含義Tab.2 Scale meaning of AHP

3.1.1 計算權重向量

權重向量根據判斷矩陣求出的最大特征根得到對應的單位特征向量，常用方根法計算[17]。其計算步驟如下：

構造判斷矩陣C，令：

Cω=λω

(2)

(3)

表3 判斷矩陣CTab.3 Target layer-criteria layer matrix norms

3.1.2 一致性檢驗

表4 平均隨機一致性指標RI的數值Tab.4 Average random consistency index

由表4查的n=6所對應的RI=1.24；

因此，該判斷矩陣C的功能權重:ω=(0.251，0.235，0.166，0.145，0.123，0.080)T。

3.2 功能評分與功能評價系數Fi的計算

對各種管材的功能進行評分，通過成立專家小組對各種管材功能采用直接打分的方法，功能評分采用10分制，滿分按10分計算，某項功能最佳得10分(滿分為10分)，其余管材相對該管材打分，評分如表5所示。

管材的功能得分為功能權重與管材功能評分的積，即：功能得分=功能權重×功能評分，功能得分累計Ti=∑ti，功能系數由公式Fi=Ti/∑Ti計算，各管材的功能系數計算結果如表6所示。

表5 各種管材功能評分 Tab.5 All kinds of pipe function score

表6 功能系數(Fi)Tab.6 Function coefficient

3.3 成本系數Ci的計算

通過對丘北縣八道哨鄉大布紅村供水工程項目設計研究分析，推薦了五種適合該山區的輸水管材：聚乙烯管(PE)、球墨鑄鐵管(DIP) 、硬聚氯乙烯管(UPVC)、預應力鋼筋混凝土管(PCP)、鋼管(SP)，上述5種管材的預算價格如表7所示。

成本系數Ci的計算式為：

Ci=Bi/∑Bi

(4)

式中：Bi為第i類管材的總造價；∑Bi為各種管材總造價之和。

計算如表7所示。

表7 管材成本系數CiTab.7 Pipe cost coefficient

3.4 價值系數Vi的計算

由價值工程理論得，價值系數為功能系數與成本系數的比值即：

Vi=Fi/Ci

(5)

式中：Fi為管材的功能系數；Ci為管材的成本系數。

計算結果如表8所示。

表8 管材價值系數ViTab.8 Pipe value coefficient

3.5 結論及分析

根據價值工程原理，功能系數值越大，該管材性能越好；成本系數值越小，該管材使用成本越低；價值系數值越大，該管材性價越高，從表8得出：①各種管材功能系數從大到小排列為(Fi)：PE>DIP>SP>UPVC>PCP；②各種管材成本系數從小到大排列為(Ci)：UPVC>PCP>PE>SP>DIP；③各種管材價值系數從大到小排列為(Vi)：PE>UPVC>PCP>SP>DIP。

綜上所述，該工程選擇了管材價值系數較大的 PE管，由于該研究區位于地質地貌較為特殊的喀斯特山區，PE管具有對地形適應能力強，易安裝，耐腐蝕性能好，運輸方便，適用于有溝道沖刷和滑塌的部位，能夠適應復雜的地段，因此，選擇PE管是合理可行的。

4 結 語

從喀斯特山區供水現狀入手，以山區人畜飲水工程中輸水管材選擇為切入點，結合管材的管道強度(F1)、耐腐蝕性(F2)、安全可靠性(F3)、地形的適應性(F4)、施工方便(F5)，使用壽命(F6)等6個方面出發，建立各指標之間的判斷矩陣，利用層次分析法計算出各指標的權重并進行一致性檢驗，最后結合價值工程原理綜合比選，結果表明，PE管在該研究區輸水管材中的價值系數最大，則選擇PE管作為該工程中的主要輸水管材。該喀斯特山區飲水工程是關系到廣大人民群眾脫貧致富，改善農村生活條件和社會穩定的大事，工程建成以后解決了大布紅村兩千多人的飲水安全問題，改善了飲水條件，提高了飲水質量，為該村的整體脫貧奠定了基礎。

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