CC BY
55
5. De Larrard F. Ultrafine Particles for the Making of Very High Strength Concretes. Cem., Concr., andAggreg., 1990, vol. 12.2, pp. 61-69.
6. Lesovik V.S. Geonika (Geomimetika). Primery realizatsii v stroitel'nom materialove-denii [Examples of realization in the sphere of building materials]. Belgorod, Izd-vo BGTU Publ., 2014. 206 p.
7. Lesovik V.S., Zagorodnyuk L.Kh., Chulkova I.L. Zakon srodstva struktur v materia-lovedenii [Law affinity structures in materials science]. Fundamental'nye issledovaniya - Fundamental researches, 2014, no. 3-2, pp. 267-271 (in Russian).
8. Lesovik V.S., Zagorodnyuk L.Kh., Chulkova I.L., Tolstoy A.D., Volodchenko A.A. Srodstvo struktur kak teoreticheskaya osnova proektirovaniya kompozitov budushchego [Affinity of Structures as a Theoretical Basis for Designing Composites of the Future]. Stroitel'nye ma-terialy - Building materials, 2015, no. 9, pp. 18-22 (in Russian).
Информация об авторах
Толстой Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, профессор кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, е-mail: [email protected], Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, Россия, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46.
Лесовик Валерий Станиславович, доктор технических наук, профессор кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, е-mail: [email protected], Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, Россия, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46.
Новиков Константин Юрьевич, студент кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, е-mail: [email protected], Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, Россия, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46.
Information about the authors
Tolstoy A.D., candidate of technical sciences, professor of the Department of construction materials science, products and constructions, е-mail: [email protected], Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova St., Belgorod, 308012, Russia.
Lesovik V.S., doctor of technical sciences, professor of the Department of construction materials science, products and constructions, е-mail: [email protected], Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova St., Belgorod, 308012, Russia.
Novikov K.Y., student of the Department of construction materials science, products and constructions, е-mail: [email protected], Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova St., Belgorod, 308012, Russia.
УДК 628.218
DOI: 10.21285/2227-2917-2016-2-180-192
ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЕМ СИСТЕМ ВОДООТВЕДЕНИЯ
© В.Р. Чупин, И.В. Майзель
Вопросы повышения надежности и сейсмостойкости систем водоотведения является актуальными и должны рассматриваться при разработке перспективных схем развития
территорий и городов, а так же в инвестиционных программах предприятий коммунального комплекса. В работе предлагается методика управления развитием систем водоотве-дения. Она основана на формировании всевозможных вариантов развития, очередей и этапов строительства. При этом для каждого варианта развития решается задача обоснования параметров новых и реконструируемых участков и сооружений систем водоотведе-ния. Эта методика позволяет учитывать детерминированный вероятностный характер и интервальную неопределенность информации о поведении системы водоотведения в будущем и воплощает принцип «принимай решение с минимальной заблаговременностью».
Ключевые слова: системы водоотведения, методы оптимизации, избыточная схема, количественные показатели надежности, сейсмостойкость, сейсмическое воздействие, варианты развития системы водоотведения.
OPTIMAL MANAGEMENT OF THE DEVELOPMENT OF WATER DISPOSAL
SYSTEMS
© V.R. Chupin, I.V. Maizel
Questions of the increase of reliability and seismic capacity of water disposal systems are topical and should be considered during the development of perspective schemes of development of cities and territories, and also in the investment programs of the utilities companies. In this work we suggest methods to manage the development of water disposal systems. These methods are based on the formation of all the possible variants of development, queues and stages of construction. Tasks to prove the parameters of new and reconstructed areas and constructions of water disposal systems are solved for each variant of development. These methods allow to take into account determined, probable character and interval insignificance of information about the behavior of further water disposal system and they also embodies the principle «make decision with the minimal earliness».
Keywords: water disposal systems, methods of optimization, excessive scheme, quantity indexes, indexes of reliability, seismic capacity, seismic influence, variant of the water disposal system development
Современные системы водоотведения относятся к большим и сложным пространственно распределенным иерархическим и динамически развивающимся системам. Как следствие, они требуют постоянного внимания и анализа режимов функционирования, оценки пропускной способности, своевременной реконструкции и строительства новых сооружений и коллекторов. Несвоевременное решение этих вопросов может привести к негативным последствиям, в частности к переполнению сети и выходу стоков на поверхность земли или к заиливанию и засорению трубопроводов, к неэффективной работе перекачивающих насосных станций и др. Проблему оптимизации развивающихся систем во-доотведения в самом общем виде можно представить как последовательное и итеративное решение двух задач:
- интенсификации работы существующих сетей и сооружений;
- реконструкции, расширения существующих и строительства новых объектов во-доотведения.
При этом задача интенсификации заключается:
- в проведении профилактических мероприятий, направленных на увеличение пропускной способности сетей и сооружений;
- выявлении «узких» мест и их устранении путем замены (усиления) некоторых существующих элементов сети;
- выборе рациональных режимов работы канализационных насосных станций, шиберных устройств, регулирующих резервуаров, напорных и безнапорных коллекторов;
- оптимизации режимов и наладке сетей, зонировании и перераспределении потоков и т.д.
Следует отметить, что интенсификация систем водоотведения будет эффективной в том случае, если системы имеют внутренние резервы пропускной способности сети, производительности насосных станций и регулирующих резервуаров, напорных и безнапорных коллекторов. Однако эти резервы по мере роста нагрузок, появления новых потребителей уменьшаются, и может наступить такой момент, когда их будет недостаточно для сбора, транспортировки и отвода сточных вод. В этом случае потребуется реконструкция, расширение и развитие существующих сетей и сооружений.
Эта проблема является достаточно сложной и заключается:
- в определении структуры и параметров новых элементов систем водоотведения;
- выборе рациональных способов реконструкции напорных и безнапорных трубопроводов и сооружений и оптимизации их параметров;
- разработке мероприятий по обеспечению требуемой надежности водоотведения, режимной управляемости отдельных сооружений и систем водоотведения в целом.
Очевидно, при решении этих задач необходимо определять возможный резерв пропускной способности сетей и сооружений. Он может быть обеспечен за счет завышения расчетных нагрузок, параметров участков, насосных станций и т.д. либо за счет опережающих (по сравнению с вводом в строй объектов водоотведения) темпов строительства. Если резерв окажется небольшим, то весь процесс управления развитием систем водоот-ведения будет заключаться в постоянной реконструкции элементов сетей и сооружений. Если же он будет большим, то это может привести к значительному «омертвлению» капиталовложений, а главное, самотечные коллектора будут работать в режиме заиливающих скоростей и эксплуатационные затраты при этом будут большими. Следовательно, возникает проблема выбора оптимального резерва и рационального распределения капиталовложений в развитие новых и реконструкцию существующих элементов сети и сооружений по годам и периодам развития систем водоотведения. Эта проблема сложна, многогранна и включает:
- оценку экономической целесообразности очередей и этапов реконструкции и развития систем водоотведения;
- технико-экономическое обоснование параметров развивающихся систем водоот-ведения в условиях ограниченного финансирования;
- техническую реализуемость принимаемых к строительству вариантов развития систем водоотведения.
С целью минимизации ошибок и излишних реконструкций необходимо прогнозировать возможные нагрузки, стоимостные показатели, развитие научно-технического прогресса в данной области и анализировать состояние и поведение системы в будущем. Рассмотрение поведения системы во времени неизбежно приводит к проблеме неопределенности исходной информации, к сложности оценки вариантов развития и неоднозначности решений по структуре и параметрам систем водоотведения.
Полная формализация такой сложной проблемы и ее решение с помощью одного универсального метода в настоящее время не предоставляются возможными. Требуется разработка ряда моделей и методов, увязанных в едином итеративном, многошаговом процессе оптимизации систем водоотведения. Причем эти модели должны отличаться степенью учета тех или иных экономических или физико-технических аспектов проектируемых систем водоотведения [3-7]. Например, для анализа работы системы в отдаленной перспективе (15-20 лет) необходимы модели, которые используют агрегированную информацию и в этом смысле являются менее подробными, но позволяют учитывать неопределенность информации, многокритериальность и неоднозначность решений. При обосновании параметров систем водоотведения на ближайший период (1-5 лет) необходим подробный учет физико-технических особенностей проектируемой системы и анализ
возможных режимов ее функционирования. Очевидно, модели и методы должны соответствовать целям каждого уровня оптимизации систем водоотведения и степени достоверности информации, которая может быть для него получена.
При этом методика избыточных проектных схем является эффективным способом для того, чтобы избежать заведомо неоптимальных решений и обеспечить возможность генерировать множество допустимых вариантов структуры и параметров систем водоот-ведения, отличающихся друг от друга затратами трудовых и материальных ресурсов. Избыточная схема представляет всевозможные трассы трубопроводов между возможными узлами сброса стоков, узлами их соединения, ветвления и поступления стоков на канализационные очистные сооружения. Избыточная схема может формироваться путем наложения нескольких заранее проработанных проектных вариантов схем. Следовательно, модели и методы, которые участвуют в процессе обоснования параметров систем водоотве-дения, должны обеспечить отбраковку неэффективных (относительно выбранного критерия оптимизации) трубопроводных участков, диаметров, насосных станций, напорных и безнапорных коллекторов, очистных сооружений.
Критериями оптимизации могут быть:
- минимум затрат жизненного цикла системы;
- минимум расчетных (приведенных к году) затрат;
- минимум приведенных (с учетом разновременности капиталовложений) затрат на реконструкцию и развитие систем водоотведения;
- максимум чистого дисконтированного дохода;
- максимум и минимум экономических, технических, экологических, управленческих и др. индикаторов, характеризующих состояние систем водоотведения.
Очевидно, эти критерии должны применяться на разных временных уровнях оптимизации систем водоотведения и назначаться в зависимости от наличия и степени приближенности той или иной экономической или физико-технической информации. При этом, как уже отмечалось, на каждом этапе развития систем водоотведения любое принимаемое решение должно быть обеспеченно инвестициями.
Многоуровневый характер современных систем водоотведения может в ходе обоснования их параметров привести к значительной размерности задач, решение которых будет не всегда эффективным. Целесообразно в этом случае применение методики многоступенчатой оптимизации, с помощью которой можно организовать процесс обоснования параметров поэтапно, начиная с микрорайонных, районных и магистральных сетей систем водоотведения.
Таким образом, представляется необходимым разработать новые подходы, модели и методы оптимизации развивающихся систем водоотведения, которые бы позволяли в комплексе решать перечисленные проблемы и задачи.
Наиболее общим критерием оценки перспективных вариантов развития системы являются затраты ее жизненного цикла [7]:
C = (с№ + Cнс СЭКС ) + CНСС ) + СЭЛК ) + CD (1)
(1 + г ) J (1 + г У
Для сети водоотведения, состоящей из п участков, выражение (1) за исследуемый временной период Т примет вид:
п ( гр Л п ( гр , V Л п ( ^
С = х СГ +7-Т- • С^ +Х С Г +7-Т- .(с^ + С^, )|+]Т ^ , (2)
V
(1 +r) J ,-=i t (1 +r) J 1=1 Ц1 +r)
где СГ1Р, СНС - затраты, связанные с проектированием, приобретением оборудования (труб, механизмов, средств автоматизации и диспетчеризации), строительством и монтажом системы водоотведения (единовременные капиталовложения); СЭКС ,СНСС - эксплуатационные затраты, состоящие из затрат на оплату труда основных производственных рабочих, отчислений на социальное страхование, амортизационных отчислений на полное восста-
1=1
новление, ремонтного фонда, цеховых и общеэксплуатационных расходов (накладных), прочих прямых расходов (рассчитываются согласно документу «Методика планирования, учета и калькулирования себестоимости услуг жилищно-коммунального хозяйства», утвержденному постановлением Госстроя РФ № 9 от 23.02.99 г.); СЭЛК - годовые затраты
электроэнергии на перекачку сточной жидкости; С0 - затраты на разборку и утилизацию отслужившего свой срок оборудования; Т - время жизненного цикла (принимается временной интервал, соответствующий оборудованию с наибольшим сроком службы); г -норма дисконта (величина ставки рефинансирования Центрального банка РФ), играет роль базового уровня, в сравнении с которым оценивается экономическая эффективность варианта проекта. Следует отметить, что для оборудования с меньшим сроком службы единовременные капиталовложения СТ1Р, С^С увеличиваются на коэффициент кратности в отношении оборудования с наибольшим сроком службы.
В работе для конкретизации единовременных и эксплуатационных затрат использована информация, приведенная в укрупненных нормативах цен строительства, а именно в НЦС 81-02-14-2012 «Сети водоснабжения и канализации», а также в документе «Сметные нормы и расценки на новые технологии в строительстве», в прайс-листах различных производителей и строительных компаний.
Вопросы повышения надежности и сейсмостойкости систем водоотведения являются актуальными и должны рассматриваться при разработке перспективных схем развития территорий и городов, а также в инвестиционных программах предприятий коммунального комплекса. Предлагается надежность оценивать количественным показателем -объемом неочищенных стоков, которые образуются за время возникновения и устранения аварии:
Q =Ё Y ■t
i=1
где kQcбр - объем стоков, м3, поступающих на территорию и в водоемы без очистки за время ^ (например, за год); хг - расчетный расход стоков, м3/с, на участке сети г, 1=1, ...,п;
Л
п - количество расчетных участков системы водоотведения; у. =(при этом
г му
Лу = (17 • Я^ + Я. )• ^; мГ = 76 , где ^ - длина участка сети г, км; ЯЛ - интенсивность заявок на ремонт и обслуживание колодцев, 1/год; 17 - среднее количество колодцев на 1 км; Я. - интенсивность отказов трубопроводов, 1/год, которая зависит от диаметров трубопроводов); ^ - время эксплуатации системы водоотведения за год, с. Трудоемкость ремонтных работ на сети Тг, чел.-ч, также зависит от диаметров трубопроводов.
Зная расчетные расходы по участкам разветвленной схемы системы водоотведения х и диаметры трубопроводов d, несложно согласно (2) вычислить годовые объемы аварийных стоков.
В сейсмически опасных районах вопросам надежности трубопроводных систем жилищно-коммунального хозяйства должно уделяться особое внимание, поскольку при сильных землетрясениях в первую очередь разрушаются подземные коммуникации. В итоге территория города заливается стоками, водопроводы разрушаются, и тушить пожары становится невозможно.
Из теории сейсмостойкого строительства известно, что коллектора, расположенные параллельно сейсмическому воздействию, наиболее подвержены разрушению. Чем больше трубопровод заглублен, тем больше он подвержен сейсмическому воздействию. Чем больше сейсмическое воздействие, тем больше интенсивность отказов. Наиболее подверженные разрушению трубопроводы - из чугуна, самые сейсмостойкие - из полиэтилена. В работах А.С. Гехмана, Х.Х. Зайнетдинова на основе статистического материала получены зависимости увеличения интенсивности отказов от ориентации сейсмического воздейст-
вия и балльности Б по шкале MSK-64, которые аппроксимируются функцией следующего вида:
Kа = 0,08418• sin(74,709 + а)-Б2,6.
При балльности меньше 4 сейсмическим воздействиям трубопроводы не подвергаются.
Задача минимизации затрат за жизненный цикл системы водоотведения формулируется следующим образом: требуется найти такую структуру сети и потоков, которая бы обеспечивала минимум затрат на строительство системы, ее эксплуатацию и предотвращение попадания аварийных неочищенных стоков на поверхность территории и в водоемы за период жизненного цикла системы водоотведения.
Рассмотрим задачу оптимального управления развитием систем водоотведения. Пусть на планируемый период по этапам развития заданы: количество вводимых в строй абонентов; время их ввода; объемы сточных вод. Известными являются начальное техническое состояние системы и все ее технико-экономические характеристики, прогнозные значения единичных расценок на строительно-монтажные работы и выделяемые объемы капиталовложений на каждый из рассматриваемых периодов времени управления развитием системы водоотведения. Требуется, с учетом ресурсных ограничений, найти такую оптимальную траекторию развития систем водоотведения, чтобы затраты за весь период управления были минимальными.
Математическая постановка этой задачи может быть представлена следующим образом:
Зг =Ъ, =£ Ф, (xvP min
v=1 v=1 (3)
при выполнении на каждом шаге развития условий
А • > Qi, (4)
AT • P = К (S,xv) + Hv, (5)
0 < 3V < 3v, (6)
где x,Q - векторы расходов сточной жидкости по участкам сети и нагрузок у абонентов; А - матрица смежности узлов и участков избыточной схемы.
Выражение (4) определяет необходимость ввода в строй, по крайней мере, минимальных пропускных способностей системы к концу каждого из рассматриваемых интервалов времени. Это означает, что на каждом шаге v система водоотведения может быть рассчитана на нагрузки больше, чем формально требуется при вводе в строй соответствующей очереди систем водоотведения. Следовательно, выражению (4) на каждом шаге будет соответствовать одно из следующих уравнений:
А1 • x?)= QVl);
А2• xV2 }=QV1}+Qi2 ;
,(v) • x(v) = Q(1) + + QV)
(7)
• у=е)1+-+е
Исходя из выражения (7), решение соотношений (3)-(6) можно свести к многошаговому процессу оптимизации, на каждом этапе которого решается задача оптимизации структуры и параметров систем водоотведения с учетом существующего состояния.
Предлагаемый подход представляет собой сложный вычислительный процесс, на верхнем уровне которого реализуется схема динамического программирования для построения множества условно-оптимальных траекторий развития системы в течение всего времени ее строительства, а на последующем уровне решаются задачи синтеза
систем, которые обеспечивают оптимальную оценку всех «наращиваемых» траекторий развития.
Ограничения (6) означают, что оптимизация параметров системы водоотведения на каждом этапе строительства V осуществляется исходя из ограничений на выделяемые инвестиции.
Многие параметры проектируемых на отдаленную перспективу систем водоотведения определены не полностью или имеют вероятностный характер. Причем поток информации на каком-то ближайшем интервале времени можно рассматривать как детерминированный, на последующих - как условно-вероятностный и неопределенный (в смысле интервальной неопределенности). С течением времени происходит «снятие» информационной неопределенности, т.е. информация переходит из неопределенной в условно-вероятностную, а из условно-вероятностной - в детерминированную. Очевидно, при выборе оптимальных структур и параметров системы водоснабжения и водоотведения на первых этапах ее сооружения необходимо учитывать и последующие возможные ее состояния. С вычислительной точки зрения это приводит к увеличению анализируемых траекторий развития систем водоотведения на каждом временном этапе в N раз.
В случае интервальной неопределенности исходной информации значение функции затрат можно вычислять либо через экспертные оценки, либо через минимаксные критерии Вальда, платежные матрицы Лапласа, Сэвиджа, Гурвица, нечеткие множества и
др. [1].
Идея адаптации развития систем водоотведения к меняющимся внешним условиям легко реализуется в рамках предлагаемого подхода следующим образом:
а) выбирается оптимальная траектория развития систем водоотведения и осуществляется строительство первой очереди;
б) по мере изменения и накопления исходной информации производится корректировка этой траектории для более обоснованного решения вопроса о вводе в строй следующей очереди и т.д.
В качестве иллюстрации предлагаемой методики рассмотрим фрагмент проектируемой системы водоотведения одного из районов г. Иркутска. Согласно рис. 1 объектами водоотведения являются два существующих и шесть новых жилых микрорайонов, для которых показаны возможные прокладки систем водоотведения внутриквартальных и магистральных трубопроводов (двухуровневая система), строительство которых предлагается осуществлять в три очереди.
С учетом этих этапов строительства можно наметить четырнадцать вариантов развития системы водоотведения, траектории которых представлены на рис. 2. Здесь буквой I
обозначены временные интервалы каждой очереди строительства (5 лет), а римские цифры соответствуют нагрузкам по стокам каждой очереди развития, соответственно, I -первой очереди, II - первой и второй, III - первой, второй и третьей.
Рис. 2. Варианты развития системы водоотведения в три очереди строительства
Если при этом решается задача выбора количества очередей строительства системы водоотведения, то добавляются еще три варианта развития, представленные на рис. 3.
Рис. 3. Определение количества очередей строительства системы водоотведения
Перечислим эти варианты: 4-7-8-10 - за первый этап развития строится первая очередь системы водоотведения, за второй этап - вторая и третья очередь, при этом система водоотведения, относящаяся к третьей очереди, не функционирует временной интервал t3; 4-6-8-10 - за первый этап развития строится первая и вторая очереди системы водоотведе-ния, за второй этап - третья очередь, при этом система водоотведения, относящаяся к третьей очереди, также не функционируетвременной интервал t3; 4-5-8-10 - за первый этап развития строится первая и вторая очереди системы водоотведения, за второй этап -третья очередь, при этом система водоотведения, относящаяся к третьей очереди, не функционирует временной интервал t3; 4-5-10 - за первый этап развития строится вся система водоотведения, следовательно, ее часть, относящаяся ко второй и третьей очереди, не будет функционировать временные интервалы t2t t3.
Рассмотрим некоторые из возможных вариантов развития систем водоотведения. Вариант, который на рис. 2 обозначен цифрой 1 и имеет траекторию 0-4-7-9-10, представляет собой последовательный ввод системы в эксплуатацию. Вычислительный процесс для данной траектории осуществляется следующим образом: выбираются оптимальные параметры сети для первой очереди, рассчитанные на нагрузку первого
этапа. Существующая сеть при этом реконструируется на пропуск расходов первой очереди. Далее принимается, что данный вариант уже построен, и решается задача его реконструкции с учетом строительства новой сети для нагрузок второй очереди. Затем считается, что две очереди построены, проектируется и строится третья очередь с учетом реконструкции существующих сетей предыдущих очередей. Для такого варианта развития характерна непрерывная реконструкция сетей, что не всегда экономично и целесообразно, особенно в черте города. Однако для сетей большой размерности и сложности, когда выделяемых инвестиций недостаточно для строительства сетей, рассчитанных на полное развитие, такой вариант может быть вполне приемлем.
Рассмотрим возможную траекторию развития системы водоотведения 0-1-5-8-10 (рис. 2, вариант 2). В этом случае система водоотведения рассчитывается на полное развитие, т.е. сразу на все три очереди. Существующая сеть реконструируется для пропуска расходов всех трех очередей строительства. Затем осуществляется строительство первой, второй и далее третьей очередей. Такой вариант не требует реконструкций. Однако уже на первой очереди произойдет «омертвление» капиталовложений, поскольку система водо-отведения должна быть построена для пропуска расходов сточной жидкости второй и третьей очереди. С другой стороны, первые пять лет по трубам будут транспортироваться стоки лишь от объектов жилищного строительства первой очереди. Следовательно, скорость движения стоков будет меньше незаиливающих, что потребует значительных эксплуатационных затрат на прочистку трубопроводов. В прошлом веке такой вариант развития был основным на стадии технико-экономического обоснования проекта системы во-доотведения. Данный вариант имел место при отсутствии ограничений на выделяемые капиталовложения. В современных же условиях, когда инвестиции в развитие систем водо-отведения формируются за счет платы за подключения и надбавки в тарифе за коммунальные услуги, этот вариант не всегда может быть реализован.
Другие двенадцать вариантов представляют комбинацию этих двух.
Рассмотрим вариант развития № 1. В условиях городской территории реконструкцию систем водоотведения принимаем в виде бесканальной технологии расширения существующих коллекторов. Единовременные капиталовложения в формуле (2) будем рассчитывать с учетом индекс-дефляторов, соответственно, для первой очереди - 1,25, второй - 1,5, третьей - 1,75 по отношению к базовым ценам 2012 г. В итоге получаем вариант развития, который представлен на рис. 4, 5, 6. Оптимизация производилась по методике, изложенной в работе [2]. На рис. 4 синим цветом показаны участки, на которых необходимо провести реконструкцию с увеличением диаметров: для участка 16-23 - с d900 мм на d1000 мм, для участка 24-23 - с d400 мм на d560 мм, для участка 23-25 - с d1000 мм на d1200 мм. Стоимость первой очереди составляет 161 661,42 тыс. руб.
Рис. 4. Избыточная схема и оптимальный вариант первой очереди развития
системы водоотведения
На рис. 5 синим цветом показаны участки, на которых необходимо провести реконструкцию с увеличением диаметров: для участка 28-27 - с d450 мм на d560 мм, 27-26 - с d450 мм на d560 мм, 26-10 - с d450 мм на d560 мм, 11-16 - с d710 мм на d800 мм, 37-29 - с d560 мм на d630 мм, 41-24 - с d560 мм на d630 мм, 24-23 - с d560 мм на d630 мм. Стоимость второй очереди составляет 211 741,47 тыс. руб.
Рис. 5. Избыточная схема и оптимальный вариант второй очереди развития системы
водоотведения
На рис. 6 синим цветом показаны участки, на которых необходимо провести реконструкцию с увеличением диаметров: на участке 56-53 с d450 мм на d560 мм, 28-27 - с d560 мм на d630 мм, 27-26 - с d560 мм на d630 мм, 12-11 - с d710 мм на d900 мм, 37-29 - с d630 мм на d900 мм, 54-37 - с d630 мм на d900 мм, 63-54 - с d630 мм на d710 мм, 11-16 - с d800 мм на d900 мм, 16-23 - с d1000 мм на d1200 мм, 24-23 - с d630 мм на d900 мм, 6749 - с d800 мм на d900 мм, 69-67 - с d710 мм на d900 мм. Стоимость третьей очереди -314 796,97 тыс. руб. Общая стоимость варианта 1 составляет ^ С = 688199,86 тыс. руб.
Рис. 6. Избыточная схема и оптимальный вариант третьей очереди развития
системы водоотведения
На рис. 7 представлен вариант развития № 2, т.е. вариант полного развития системы водоотведения и поэтапной его реализации.
На рис. 8 красным цветом показан участок, на котором скорость движения стоков будет намного меньше незаиливающей скорости. Этот участок будет не загружен и подвержен заиливанию 10 лет. Стоимость данного варианта составляет: за первую очередь строительства - 212 679,5 тыс. руб., за вторую - 141 345,6 тыс. руб., за третью -123 347,8 тыс. руб. Общая стоимость - 477 372,9 тыс. руб.
Хотя второй вариант существенно дешевле первого, затраты на прочистку участка 30-24 могут оказаться значительными.
Рис. 7. Избыточная схема и оптимальный вариант полного развития системы
водоотведения
Рис. 8. Результаты гидравлического расчета первой и второй очереди развития
системы водоотведения
Рассмотрим третий возможный вариант развития системы водоотведения, обозначенный на рис. 2 траекторией 0-4-6-8-10. Согласно ему первая очередь строительства осуществляется с учетом пропуска стоков от объектов жилищного строительства первой и второй очереди. Вторая очередь рассчитывается и строится с учетом пропуска расходов второй и третьей очереди жилищного строительства. На рис. 9 представлен оптимальный вариант развития системы водоотведения на первом этапе.
Рис. 9. Избыточная схема и оптимальный вариант первого этапа развития системы водоотведения по траектории 0-4-6-8-10
Диаметры увеличены на следующих участках: 24-23 - с 560 мм на 630 мм; 26-28 - с 900 мм на 1000 мм. Стоимость строительства первого этапа составила 167 453,4 тыс. руб.
На рис. 10 представлен оптимальный вариант второго этапа развития системы во-доотведения.
водоотведения по траектории 0-4-6-8-10
Диаметры увеличены на следующих участках: 55-52 - с 200 на 280 мм; 52-41 - с 200 на 280 мм; 41-20 - с 200 на 280 мм; 20-19 - с 200 на 280 мм; 19-21 - с 200 на 280 мм; 62-53 - с 225 на 355 мм; 53-36 - с 225 на 355 мм; 36-22 - с 225 на 355 мм; 22-24 - с 250 на 355 мм; 68-66 - с 250 на 355 мм; 66-46 - с 250 на 355 мм; 48-27 - с 280 на 400 мм; 27-109 -с 400 на 560 мм; 28-30 - с 1000 на 1200 мм. Стоимость этого варианта составила 289 145,6 тыс. руб. Стоимость третьей очереди - 147 324,2 тыс. руб. Общая стоимость данного варианта - 603 923,2 тыс. руб.
В итоге, если нет ограничений на инвестиции в строительство, то оптимальным вариантом развития системы водоотведения всегда будет вариант № 2.
Таким образом, предлагается новая методика анализа вариантов развития и обоснования очередей и этапов строительства системы водоотведения. Эта методика позволяет учитывать детерминированный, вероятностный характер и интервальную неопределенность информации о поведении системы водоотведения в будущем и воплощает принцип «принимай решение с минимальной заблаговременностью».
Статья поступила 11.03.2016 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Обоснование развития электроэнергетических систем. Методология, модели, методы, их применение / Н.И. Воропай, С.П. Подковальников, В.П. Трубонов [и др.]. Новосибирск: Наука, 2015. 448 с.
2. Чупин Р.В., Нгуен Т.А. Оптимальная реконструкция канализационный сетей // Водоснабжение и санитарная техника. 2015. № 2. С. 58-66.
3. Development plan for water supply and sewerage infrastructure / Experts Group for Water Supply and Sewerage (GEUK). Peja, 2008. 40 p.
4. Holas J. Development Plan of Water Supply and Sewerage in the Hradec Kralove Region. The BEST, 2006. P. 38-40.
5. Muleta M.K., Boulos P.F. Multi-objective optimization for optimal design of urban drainage systems // World Environmental and Water Resources Congress. 2007. P. 1-10.
6. Muniyappa N.C. Improving the performance of Public Water Utilities - A case study of Bangalore. India. 14 p.
7. Shah N.K. City Development Plan, Karjat Water Supply and Sanitation: diss. for a B.Tech Degree in Civil Engineering. Indian Institute Of Technology Bombay, 2011. 102 p.
REFERENCES
1. Voropai N.I., Podkoval'nikov S.P., Trubonov V.P. Obosnovanie razvitiya elektroener-geticheskikh sistem. Metodologiya, modeli, metody, ikh primenenie [Proof of the development of electro-power systems. Methodology, models, methods, their use]. Novosibirsk, Nauka Publ., 2015. 448 p.
2. Chupin R.V., Nguen T.A. Optimal'naya rekonstruktsiya kanalizatsionnyi setei [Optimal upgrade of sewers]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika - Water supply and sanitary technique, 2015, no. 2, pp. 58-66.
3. Development plan for water supply and sewerage infrastructure. Peja, 2008. 40 p.
4. Holas J. Development Plan of Water Supply and Sewerage in the Hradec Kralove Region. The BEST, 2006. P. 38-40.
5. Muleta M.K., Boulos P.F. Multi-objective optimization for optimal design of urban drainage systems. World Environmental and Water Resources Congress, 2007, pp. 1-10.
6. Muniyappa N.C. Improving the performance of Public Water Utilities - A case study of Bangalore. India. 14 p.
7. Shah N.K. City Development Plan, Karjat Water Supply and Sanitation. Diss. for a B.Tech Degree in Civil Engineering. Indian Institute of Technology Bombay, 2011. 102 p.
Информация об авторах
Чупин Виктор Романович, доктор технических наук, профессор кафедры городского строительства и хозяйства, e-mail: [email protected]; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Майзель Ирина Витальевна, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, e-mail: [email protected]; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Chupin V.R., Doctor of Technical science, professor, Director of the Institute of Architecture and Construction, e-mail: [email protected]; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Mayzel I.V., Candidate of Technical Sciences, associate professor of Urban development and economy, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
