喀斯特山区人饮工程管材选择及应用评价

令志强，屈月雷，尹亚敏，宋国苍，袁 会，彭尔瑞

(1.云南农业大学水利学院，昆明 650201；2.云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201)

0 引 言

农村饮水困难和饮水安全是多年来农村群众面临的主要问题，也是制约农村生产力和农村经济发展的主要因素，尤其是地质地貌复杂，水土流失严重，石漠化现象突出的喀斯特山区，工程性缺水问题已成为一种普遍现象，严重制约了社会的可持续发展。高渐飞[1]等提出喀斯特山区岩溶地貌发育强烈，地形延绵起伏，山高陡坡，给管道布置带来了巨大的难题；喀斯特地区，地质情况复杂，输水管线可能会通过不同地质情况的地段，受各种管材安装要求的限制，输水管材选择时应充分考虑地质情况的影响[2]；张金承[3]等提出管材选择是供水工程设计的一项重要内容，管材选择是否合理不仅影响施工质量及供水区用水保证率，而且还会影响到工程运行、使用寿命及维修成本，特别是在特殊的地质地貌及水文地质环境情况下，做好供水管材的选择尤为重要；何晶晶[4]等提出，近年来，随着对水质要求的提高，钢丝网骨架塑料复合管在高原地区的供水工程中已广泛采用，使用效果良好；徐飞飞[5]等用多因素二级模糊评价法评价模型确定了各种管材的权重，为管材选择提供了依据；雷晓玲[6]等人结合云贵川丘陵地区低山、丘陵地貌等地形特点，对管线管材按口径大小进行分类选择和优化组合。管材的选用对于农村饮水工程的经济合理性、安全性和高效性有着很大的影响，在工程安全运行、保障供水、节省工程投资等方面都有着十分重要的意义。

1 工程概况

八道哨乡大布红村委会，其位于云南省文山州丘北县中部，据丘北县气象站历年实测资料统计，县内多年平均气温 16.3 ℃，最高气温35.7 ℃；极端最低气温-7.6 ℃；多年平均日照2 046 h，最热月为7月，平均气温达26.8 ℃，最冷月为1月，平均气温为3.2 ℃，年无霜期 275 d。年降水变化在670.9～1 467.5 mm 之间，多年平均降水量为 1 178.2 mm，平均海拔1 780 m。该研究区人饮工程涉及八道哨乡布红上寨、布红下寨、水头、鱼塘上寨、鱼塘下寨等5个村民小组，2017年末共有人口2 760 人，其中农村居民2 157 人，学校人数为603 人，大牲畜353 头，有效耕地面积2 538 hm2。该研究区地处喀斯特典型山区，岩溶地貌发育[5,6]，石多土少、土薄易旱，特殊的地质地貌给输水管材的选择带来了诸多困难。

2 管材选择

管材选择是山区输水工程中非常重要的部分，是人饮工程中面临的主要难题，特别是在岩溶地区管材选择时，首先要满足岩溶地区管道施工和运行安全的需要，提高管网安全性、延长使用寿命、提升输送能力，避免管道事故发生，其次要根据地形情况，进行充分的市场调查与经济技术比较，在保证质量和工程安全的前提下，做到经济合理、施工方便[7]。根据各种管材所具备的特点，该人饮工程可推荐选用的管材有：聚乙烯管(PE)、球墨铸铁管(DIP) 、硬聚氯乙烯管(UPVC)、预应力钢筋混凝土管(PCP)、钢管(SP)等五种管材，为了更合理的选取，基于价值工程原理对以上五种管材进行合理性分析，管材性能指标如表1所示[8-12]。

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

3 价值工程原理

所谓价值工程，主要是指通过集体智慧和有组织的活动对产品或服务进行功能分析，使寿命周期成本降到最低，以此实现产品或服务的必要因素，从而大大提高产品或服务的价值[13]。而价值工程的主要思想是通过对选定研究对象的功能及费用进行分析，提高对象的价值，因此将价值工程运用于山区人饮工程中管材选择具有重要的研究意义，一般用公式表示为：

V=F/C

(1)

式中：V为研究对象的价值；F为研究对象的功能；C为研究对象的成本。

从上述公式不难看出提升价值的方法有如下几种[14]：①功能不变，成本降低；②成本不变，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 功能权重的确定

利用层次分析法(AHP)对各指标赋予权重[15]，构造相应层次的判断矩阵，通过每一层次各因素之间两两比较，对其相对重要性做出判断，最后构建判断矩阵，计算得出各(级)指标的权重，并进行一致性检验，设某层指标为F=[f1，f2，f3，…]，两两比较fi与fj对上层某个指标的影响重要程度用fij=fi/fj表示，mij值用数字1～9及其倒数表示，即AHP标度含义[16]，标度含义见表2。

表2 AHP标度含义Tab.2 Scale meaning of AHP

3.1.1 计算权重向量

权重向量根据判断矩阵求出的最大特征根得到对应的单位特征向量，常用方根法计算[17]。其计算步骤如下：

构造判断矩阵C，令：

Cω=λω

(2)

(3)

表3 判断矩阵CTab.3 Target layer-criteria layer matrix norms

3.1.2 一致性检验

表4 平均随机一致性指标RI的数值Tab.4 Average random consistency index

由表4查的n=6所对应的RI=1.24；

因此，该判断矩阵C的功能权重:ω=(0.251，0.235，0.166，0.145，0.123，0.080)T。

3.2 功能评分与功能评价系数Fi的计算

对各种管材的功能进行评分，通过成立专家小组对各种管材功能采用直接打分的方法，功能评分采用10分制，满分按10分计算，某项功能最佳得10分(满分为10分)，其余管材相对该管材打分，评分如表5所示。

管材的功能得分为功能权重与管材功能评分的积，即：功能得分=功能权重×功能评分，功能得分累计Ti=∑ti，功能系数由公式Fi=Ti/∑Ti计算，各管材的功能系数计算结果如表6所示。

表5 各种管材功能评分 Tab.5 All kinds of pipe function score

表6 功能系数(Fi)Tab.6 Function coefficient

3.3 成本系数Ci的计算

通过对丘北县八道哨乡大布红村供水工程项目设计研究分析，推荐了五种适合该山区的输水管材：聚乙烯管(PE)、球墨铸铁管(DIP) 、硬聚氯乙烯管(UPVC)、预应力钢筋混凝土管(PCP)、钢管(SP)，上述5种管材的预算价格如表7所示。

成本系数Ci的计算式为：

Ci=Bi/∑Bi

(4)

式中：Bi为第i类管材的总造价；∑Bi为各种管材总造价之和。

计算如表7所示。

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

3.4 价值系数Vi的计算

由价值工程理论得，价值系数为功能系数与成本系数的比值即：

Vi=Fi/Ci

(5)

式中：Fi为管材的功能系数；Ci为管材的成本系数。

计算结果如表8所示。

表8 管材价值系数ViTab.8 Pipe value coefficient

3.5 结论及分析

根据价值工程原理，功能系数值越大，该管材性能越好；成本系数值越小，该管材使用成本越低；价值系数值越大，该管材性价越高，从表8得出：①各种管材功能系数从大到小排列为(Fi)：PE>DIP>SP>UPVC>PCP；②各种管材成本系数从小到大排列为(Ci)：UPVC>PCP>PE>SP>DIP；③各种管材价值系数从大到小排列为(Vi)：PE>UPVC>PCP>SP>DIP。

综上所述，该工程选择了管材价值系数较大的 PE管，由于该研究区位于地质地貌较为特殊的喀斯特山区，PE管具有对地形适应能力强，易安装，耐腐蚀性能好，运输方便，适用于有沟道冲刷和滑塌的部位，能够适应复杂的地段，因此，选择PE管是合理可行的。

4 结 语

从喀斯特山区供水现状入手，以山区人畜饮水工程中输水管材选择为切入点，结合管材的管道强度(F1)、耐腐蚀性(F2)、安全可靠性(F3)、地形的适应性(F4)、施工方便(F5)，使用寿命(F6)等6个方面出发，建立各指标之间的判断矩阵，利用层次分析法计算出各指标的权重并进行一致性检验，最后结合价值工程原理综合比选，结果表明，PE管在该研究区输水管材中的价值系数最大，则选择PE管作为该工程中的主要输水管材。该喀斯特山区饮水工程是关系到广大人民群众脱贫致富，改善农村生活条件和社会稳定的大事，工程建成以后解决了大布红村两千多人的饮水安全问题，改善了饮水条件，提高了饮水质量，为该村的整体脱贫奠定了基础。

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