CC BY
83
6. Осокин А.П. Энтин З.Б., Семиндейкин В.Н., Бахарев М.В., Сиденко И.Л., Нефедова Л.С. Цемент. Патент на изобретение № 2116984. 1998.
7. ГСО 10171-2012 Утвержденные типы средств измерений.
8. Горбунова Е.С., Захаров В.И., Федоров С. Г., Алишкин А. Р., Матвеев В. А., Майоров Д. В. Способ переработки нефелин - полевошпатового сырья. Патент на изобретение № 2372290. 2009.
9. ГОСТ 310.1-310.4 Цементы. Методы испытаний. Общие положения. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии.
10. Еремин Н.И. Неметаллические полезные ископаемые // Двухсотпятидесятиле-тию Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова посвящается: 2-е изд., испр. и доп. Изд-во МГУ, 2004. 24-27 с.
Информация об авторе
Николаенко Елена Аркадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции», тел.: 89041177325, e-mail: nikolaeva2550@mail.ru, Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the author
Nikolaenko E.A., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Building Constructions Department, tel.: 89041177325, e-mail: nikolaeva2550@mail.ru, Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
УДК 628.218
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ЛИВНЕВОЙ КАНАЛИЗАЦИИ В.Р. Чупин, Е.С. Мелехов, Т.А. Нгуен
В статье излагается методика комплексной оптимизации системы ливневой канализации. Рассмотрены вопросы математического моделирования и оптимизации развивающихся систем ливневой канализации, предложены новые подходы и методы к решению задач анализа режимов функционирования, обоснования структуры и параметров трубопроводов и трубопроводных сооружений с учетом существующего состояния, надежности систем ливневой канализации. Также синтезированы аналитические обзоры литературы по системам ливневой канализации, которые помогают нам в исследовании моделирования и оптимизации систем ливневой канализации.
Ключевые слова: ливневая канализации; система водоотведения (СВО); движение стоков; трубопроводы; каналы.
OPTIMIZATION OF PARAMETERS OF STORM SEWAGE SYSTEM V.R. Chupin, E.S. Melekhov, T.A. Nguen
In this article we present the methodology of complex optimization of the storm sewage system. We considered the questions of mathematical modeling and optimization of developing storm sewage system, offered new approaches and methods to the task solution of the analyses of functioning modes, explanation of structure and parameters of pipe systems and constructions
taking into account the real condition, reliability of storm sewage system. We also gathered analytical surveys of literature in storm sewage system, which help us in the modeling research and optimization of storm sewage system.
Key words: storm sewage system, water disposal system, discharge, pipe systems, ductings.
Назначение ливневой канализации (ЛК) заключается в предотвращении подтопления и затопления селитебных территорий, их загрязнения и загрязнения прилегающих водоемов. Проще говоря, дождевые и талые воды отводятся по сетям ливневой канализации с выпусками в коллектор, водоемы или придорожные кюветы. Дренажную канализацию разрабатывают для сбора и отвода грунтовых вод. Обычно дренажную и ливневую канализации прокладывают параллельно и под одним углом. ЛК является одной из важнейших составляющих систем жизнеобеспечения современных городов, населенных пунктов и промышленных предприятий. Это сложная инженерная система, предназначенная для организации отвода дождевых и талых вод за пределы городских территорий или участков [9].
Следует отметить, что в последние годы этим системам не уделялось должного внимания. В итоге многие коллекторы просто заилены, другие - разрушены или пришли в негодность. Например, в Иркутске из 61 км коллекторов ЛК 31 км находится в аварийном состоянии (разрушены, либо не удовлетворяют по пропускной способности).
Как следствие, происходит разрушение дорожного полотна, вымывание грунта, загрязнение водоемов. Из-за существенного увеличения количества транспортных единиц загрязнения стали более насыщенны тяжелыми металлами и другими опасными элементами. Перечисленные обстоятельства делают задачу реконструкции и развития ЛК актуальной.
С учетом сложившейся ситуации задачи оптимизации параметров развивающихся систем ЛК можно сформулировать следующим образом: учесть площади поверхностного водостока; определить диаметры новых и реконструируемых коллекторов;
- определить места установки насосных станций и напорных трубопроводов;
- определить объемы регулирующих резервуаров и очистных сооружений, которые были бы минимальны по затратам и соответствовали техническим, гидравлическим, экологическим требованиям.
При этом в качестве критерия оптимизации следует принять минимум приведенных расчетных затрат, либо в качестве сопутствующих можно принять минимум объемов земляных работ, минимальное или максимальное время добегания и др.
Согласно СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения» [1] и рекомендаций по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока [2], расходы дождевых вод в коллекторах ливневой канализации qr (л/с), определяются методом предельных интенсивностей. Расчетный расход сточной жидкости вычисляется по формуле:
zmidAl,2F
4г = Л2Л - 0,1 , (1)
гу
где zmid - среднее значение коэффициента, характеризующего поверхность бассейна стока (для Иркутска этот коэффициент принимает значения от 0,12 до 0,18).
F - расчетная площадь стока, га;
Ъ - расчетная продолжительность дождя, равная продолжительности протекания поверхностных вод по поверхности и трубам до расчетного участка, мин.
Параметры А и п надлежит определять по результатам обработки многолетних записей самопишущих дождемеров, зарегистрированных в данном конкретном пункте. При отсутствии обработанных данных допускается параметр А, который определятся по формуле:
( V
A = q20 20
1 + Р
lg m r у
где q20 - интенсивность дождя, л/с на 1 га, продолжительностью 20 мин при периоде однократного превышения расчетной интенсивности дождя, равного 1 году;
n , у - показатели степени;
mr - среднее количество дождей за год.
Для Иркутска q20=65-70л/с*га, n =0,6, m =90, Р=1год, у= 1,5, следовательно, параметр А=392,22.
Расчетную продолжительность протекания дождевых вод по поверхности и трубам tr (мин) следует вычислять по формуле:
tr = t con +t can + t p,
где tcon - продолжительность протекания дождевых вод до уличного лотка, а при наличии дождеприемников в пределах квартала до уличного коллектора (время поверхностной концентрации), мин; определяется по расчету или принимается в населенных пунктах при отсутствии внутриквартальных закрытых дождевых сетей равной 5-10 мин. При их наличии принимается равной 3-5 мин;
tcan - то же, по уличным лоткам до дождеприемников (при отсутствии их в пределах квартала), определяется по формуле:
tcan = 0,021^1, vcan
где lcan - длина участков лотков, м;
vcan - расчетная скорость течения на участке, м/с;
tp - то же, по трубам до рассчитываемого сечения, определяется по формуле:
t = 0,017V lp v
У p
где lp - длина расчетных участков коллектора, м;
vp - расчетная скорость течения на участке, м/с.
Расчетный расход по участкам ЛК для гидравлического расчета (определение диаметров, уклонов и т.д.) следует определять с учетом коэффициента в, учитывающего заполнение свободной емкости сети в момент возникновения напорного режима:
q = Р- qr.
cal
Гидравлический расчет начинается с самого длинного коллектора и с самого удаленного участка, расположенного на самых низких отметках в направлении к узлу сброса или к очистным сооружениям. При этом расход на участках вычисляется на основе нарастающих площадей (собственных и общих) и времени движения стоков по лоткам и трубам.
Время движения стока по лоткам и трубам определяется следующим образом. Сначала задаются некоторыми скоростями, затем определяется диаметр трубопровода и находится «истинное» значение скорости, на основе которого корректируется расход в сечении. Далее снова определяется диаметр, уклон и скорость. Такие вычисления повторяются (по схеме простых итераций) до тех пор, пока точность вычислительного процесса будет в пределах 10%. При определении диаметров учитываются незаили-
n
вающие и неразрушающие скорости. Расход и, соответственно, диаметр на последующих участках принимается равным или большим, чем на предыдущих. Уклон, соответственно, должен быть больше значения аМ (а = 1^1,3). Соединение труб - «шелыга в шелыгу». Заглубление дна лотка для диаметров до 500 мм должно быть не меньше глубины промерзания минус 0,3; для диаметров от 500 мм и выше - не менее глубины промерзания минус 0,5. Для больших диаметров и в особых случаях верх трубы должен быть заглублен не менее 0,7 м. Максимальная глубина залегания лотков коллекторов не более 6 м. Для местности с большими уклонами устраиваются перепады и трубчатые быстротоки с водобойными колодцами-гасителями скорости. Скорость на быстротоках из металлических труб должна быть не более 10 м/с, для неметаллических - 7 м/с. В случае превышения этой скорости, участок разбивается на подучастки, т.е. устраивается каскад быстротоков или перепадов.
Расчет канализационных сетей производится при условии равномерного движения воды в них и, следовательно, по двум основным формулам:
q = (й- V,
(2)
V
= с-л/я-! '
где q - расход воды в м3/с; ю - площадь живого сечения, м2;
V - скорость движения воды в единицу времени в м/с; С - коэффициент Шези; R - гидравлический радиус, м; i - уклон трубопровода.
Если учесть то, что для дождевой сети расчет производится из условия работы полным сечением, формулу (2) нетрудно привести к следующему виду:
, « 0,375 0,375
d =155' д_'п , (3)
.0,1875 ' v '
г '
где d - диаметр коллектора, м; п - коэффициент шероховатости. Скорость стоков ограничена снизу и сверху:
V < V < Гл , (4)
мин доп
V ^7 - д
где V = --—
d 2
Для полного сечения Ущщ определяется:
V . = 11,02-d0,2, Ш1п 0
где W0 - гидравлическая крупность частиц = 0,0944 м/с, что соответствует частицам песка размером 1,04 мм).
При выборе оптимального варианта развития оценить значения капиталовложений можно только за весь период развития, поскольку так или иначе будет наблюдаться эффект их омертвления или нерациональное вложение по этапам развития и реконструкции. Следовательно, приведенные затраты можно представить в виде суммы двух слагаемых:
3 = 2 kt - Ек + 2 иt - Еп , t = 1 t = 2
где Т - период развития системы, год;
t - этап развития, год;
- капиталовложения на этапе развития, млн руб.;
Е^ - коэффициент приведения разновременности капиталовложений;
и - издержки, которые появляются после ввода объекта в эксплуатацию (например, со 2 этапа);
Еп - коэффициент разновременности издержек.
В общем виде приведенные расчетные затраты можно представить как функцию векторов расхода транспортируемой сточной воды, диаметров и уклонов трубопроводов, напоров насосных станций и перепадных сооружений, величины заглубления лотка и верха трубопроводов:
З = F ( q , d , i, Н , Р ) . (5)
В связи с этим задачу оптимизации развития системы дождевой канализации можно в общем виде сформулировать как минимизацию функции (4) при выполнении следующих ограничений:
Б6™ < d. е Б. < Бдоп , (6)
—i 111 у '
1доп < < гдоп , (7)
р} < Р] < ^, (8)
& > d.. (9)
1 +1 1
Ограничения (6) обозначают с одной стороны то, что диаметры имеют дискретные значения & е , с другой стороны - их величина будет зависеть от минимально и максимально допустимых скоростей (4).Условия (7), (8) - ограничения по величине уклона и заглублению лотка коллекторов. Условие (9) отражает то, что последующий по потоку диаметр коллектора должен быть не меньше предыдущего.
Среди оптимизируемых величин в (5) можно выделить две группы: первая -вектор расходов транспортируемого стока q определяет структурные особенности системы (связи между узлами, их число, места расположения регулирующих емкостей, очистных сооружений и др.); вторая - векторы, d, ^ Н, Р характеризуют отдельные элементы системы (диаметры коллекторов, параметры насосных станций и перепадных сооружений). Естественно, одновременная оптимизация по этим группам переменных приведет к чрезмерному усложнению задачи и трудностям в формализации ее решения.
Общую проблему оптимизации системы ливневой канализации можно разбить на несколько подзадач меньшей размерности, с возможностью поочередной фиксации тех или иных переменных, относительно которых ставится и решается соответствующая задача с многократной (при необходимости) увязкой решений этих задач в едином итеративном процессе. Такой подход во многом соответствует сложившейся технологии проектирования этих систем, когда в первую очередь осуществляется обоснование схемы (структуры и трассы), а затем производится обоснование параметров новых и реконструируемых сооружений.
Оптимизацию параметров реконструируемых систем ЛК предлагается осуществлять по схеме динамического программирования. Начиная от «висячих» узлов схемы организуется наращивание условно-оптимальных решений в направлении к корню дерева. Здесь выбирается наилучший вариант из числа условно-оптимальных решений и
восстанавливается оптимальная траектория управления по уклонам и напорам, и соответствующие ей оптимальные параметры систем ЛК.
Анализ существующих систем водоотведения, в том числе анализ систем ливневой канализации, показал, что основными причинами их неудовлетворительной надежности являются недостаточно обоснованные решения при выборе структуры и параметров сетей. Это, в свою очередь, связано с отсутствием эффективных методов расчета с учетом требований сейсмостойкости.
В этой связи возникает необходимость в дальнейшем развитии методов расчета систем водоснабжения и водоотведения с учетом требований надежности, особенно в сейсмически опасных районах.
В настоящее время имеется богатый опыт решения задач оптимизации структуры и параметров систем ливневой канализации. Вместе с тем, как показал проведенный анализ, существующие подходы в основном сводятся к поиску наилучшего решения по конфигурации трассы и параметрам транспортирующих сооружений. Кроме того, в этих подходах не учитываются влияние качества воды на структуру и параметры систем ливневой канализации, должным образом не рассматриваются эксплуатационные затраты сетевых сооружений. А вместе с тем от качества исходной воды в источниках зависит состав сооружений водоподготовки, а, следовательно, и стоимость варианта проекта систем ливневой канализации в целом.
В работе Р.В. Чупина и Е.С. Мелехова [3] обобщен многолетний опыт работы в области моделирования и оптимизации трубопроводных систем коммунального хозяйства. Система ливневой канализации рассмотрена с позиции общих принципов их проектирования, математического моделирования и оптимизации.
Такой подход позволил разработать единую систему математических моделей, методов и программ для решения общих и специфических задач анализа и синтеза развивающихся систем ливневой канализации.
В работе основное внимание уделено решению системных задач, поэтому вопросы моделирования и оптимизации таких отдельных объектов, как насосные станции, регулирующие резервуары и очистные сооружения не рассмотрены подробно, хотя предлагаемые подходы и методы применимы в отдельности для каждого из перечисленных сооружений.
На кафедре «Городское строительство и хозяйство» НИ Иркутского государственного технического университета уже многие годы ведутся исследования в этом направлении и получены результаты в связи с оптимизацией параметров систем ЛК:
1. Проведен анализ развития методологии моделирования и оптимизации систем водоотведения; дана оценка состоянию систем водоотведения; выделены основные свойства, характеризующие современные системы водоотведении; доказана необходимость учета в задачах моделирования и оптимизации систем водоотведения неравномерности поступления стоков и времени их транспортирования [5];
2. Произведена структуризация задач моделирования и оптимизации систем во-доотведения; дана содержательная постановка комплексной оптимизации развивающих систем водоотведения; предложена общая схема оптимизации многоуровневых развивающихся систем водоотведения;
3. Представлено математическое описание систем водоотведения; изложены методические основы моделирования режимов работы систем водоотведения; дана математическая постановка, приведены методика и методы систем водоотведения [4];
4. Изложена методика оптимизации реконструируемых систем водоотведения
[7];
5. Приведен алгоритм оптимизации трассы и параметров магистрального трубопровода систем водоотведения [8];
6. Реализованы модели оптимизации многоуровневых развивающихся систем водоотведения, включая методику агрегирования избыточных схем и многоступенча-
той оптимизации систем водоотведения разветвленной и многоконтурной структуры; предложен один из возможных подходов к учету динамики развития систем водоотведения [6].
Для оптимизации структуры и трассы коллекторов ЛК предложена методика по-контурной минимизации, которая сводится к ограниченному и целенаправленному перебору вариантов деревьев избыточной схемы (графа). При этом каждый вариант оценивается по приведенным затратам.
Схема централизованной системы отведения поверхностных вод г. Иркутска
Таким образом, при обосновании схемы (см. рис.) предполагаемая методика реализована в программном продукте ПК TRACE-K, она будет способствовать успешному решению задач развития системы ливневой канализации г. Иркутска.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения.
2. Рекомендации по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты. М.: ФГУП «НИИВОДГЕО», 2006.
3. Чупин Р.В., Мелехов Е.С. Развитие теории и практики моделирования и оптимизации систем водоснабжения и водоотведения. Иркутск: Изд-во Ир! ТУ, 2011. 323 с.
4. Чупин В.Р. Оптимизация развивающихся систем подачи и распределения воды: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Иркутск, 1991. 41 с.
5. Чупин В.Р., Малевская М.Б. Сокращение последствий от аварий на водопроводных сетях // Водоснабжение и санитарная техника. 1994. № 4. С. 8-9.
6. Чупин В.Р., Малышевский К.А. Комплексная оценка сейсмостойкости трубопроводных систем жизнеобеспечения города // Материалы науч. практич. конф. «Экология и городское хозяйство». Иркутск, 1997. С. 71-72.
7. Чупин В.Р. Методы схемно-структурной оптимизации систем многопрофильных каналов // Численные методы оптимизации и их приложения. Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1981. С. 160-174.
В. Малевская М.Б. Развитие методики поверочных гидравлических расчетов. М.: Стройиздат, 1985. 278с.
9. Бородин В.И. Оптимизация параметров новых и реконструируемых систем во-доотведения // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2007. № 2. С. 27-35.
Информация об авторах
Чупин Виктор Романович, доктор технических наук, профессор, директор Института архитектуры и строительства, тел.: (3952) 40-51-45, e-mail: Chupinvr@istu.edu; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Мелехов Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: (3952) 40-57-49, e-mail: melechov@istu.edu; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Нгуен Туан Ань, аспирант кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: 89246366868, e-mail: ntarussia20587@gmail.com; Иркутский государственный технический университет, 664074, 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, tel.: (3952) 40-51-45, e-mail: Chupinvr@istu.edu; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Melekhov E.S., candidate of technical sciences, associate professor of the department of urban construction and management, tel.: (3952) 40-57-49, e-mail: melechov@istu.edu Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Nguyen Tuan Anh, Postgraduate of the department urban construction and management, tel.: +79246366868, e-mail: ntarussia20587@gmail.com; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
