Научная статья на тему 'Оптимизация вертикальной планировки ливневой канализации'

Оптимизация вертикальной планировки ливневой канализации Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
414
63
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
iPolytech Journal
ВАК
Ключевые слова
ВЕРТИКАЛЬНАЯ ПЛАНИРОВКА СИСТЕМЫ ЛИВНЕВОЙ КАНАЛИЗАЦИИ / МЕТОД МНОГОШАГОВОЙ ОПТИМИЗАЦИИ / ЗАТРАТЫ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА СИСТЕМЫ ВОДООТВЕДЕНИЯ / STORM WATER DRAINAGE SYSTEM LEVELING / MULTI-STEP OPTIMIZATION METHOD / LIFE-CYCLE COSTS OF THE WASTEWATER DISPOSAL SYSTEM

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Чупин Виктор Романович, Майзель Ирина Витальевна, Беликова Надежда Борисовна

Предлагается методика оптимизации вертикальной планировки системы ливневой канализации. В качестве критерия оптимизации приняты затраты жизненного цикла системы водоотведения. Методика оптимизации основана на многошаговом процессе наращивания условно-оптимальных решений по схеме динамического программирования. В качестве оптимизируемых параметров приняты уклоны самотечных коллекторов, напоры насосных станций и перепадных сооружений. Проведенные вычислительные эксперименты показали, что оптимизация систем водоотведения по критерию затрат жизненного цикла позволяет найти вариант с наименьшими эксплуатационными затратами, включая затраты электроэнергии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STORM DRAINAGE LEVELING OPTIMIZATION

The paper proposes an optimization procedure of storm water drainage system leveling. The life-cycle costs of a wastewater disposal system are taken as optimization criteria. The optimization procedure is based on a multi-step incrementation of conditionally optimal solutions by the dynamic programming scheme. The parameters to be optimized are the slopes of gravity sewers, heads of pumping stations and drop structures. Conducted computing experiments have shown that wastewater disposal system optimization by the life-cycle cost criterion allows to find the option with the lowest operating costs including the costs of electrical power.

Текст научной работы на тему «Оптимизация вертикальной планировки ливневой канализации»

обеспечения населения России чистой водой // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 5. С. 15-22.

10. Черносвитов М.Д. Энергетическая эффективность интегрального регулирования работы повысительных насосов // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2013. № 4. С. 96-99.

11. Шевцов Е.Н., Николенко И.В. Применение бироторных насосов в системах перекачки воды в шахтах: сб. по техн. и естеств. наукам. Одесса: Изд-во ОГПУ, 2002. С. 67-68.

12. Шмиголь В.В., Черносвитов М.Д., Атанов Н.А. Интегральное регулирование работы повысительных насосов // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 8. С. 23-27.

13. Бойко В.С., Сотник М.1., Хованський С.О. Пщвищення енергетичноТ ефективност водопостачання локального об'е-кту // Промислова гщравлка i пневматика. 2008. № 1(19). С. 100-103.

14. Декларацшний Патент УкраТни № 45701. Спойб регулю-вання подачi вщцентрового насоса в гiдравлiчному контург

Нколенко 1.В., Карпачова К.Г., Кухтш Ю.О. Опубл. 25.11.09. Бюл. № 22.

15. Декларацшний Патент УкраТни № 91462. Cnoci6 регулю-вання подачi вщцентрового насоса в гiдравлiчному контурк Нiколенко 1.В., Пастушенко А.В., Рахманова Г.1., Копачевсь-кий А.М. Опубл. 10.07.14. Бюл. № 13.

16. Hydraulics. Hydraulic machines / E. Krasowski, I. Nikolenko, A. Dashchenko, J Glinski, S. Sosnowski. Lublin: PAN OL, 2011. 355 p.

17. Noll P. Determining the real cost of powering a pump // World Pumps. 2008. Iss. 496. Р. 32-34.

18. Stryczek J. Gerotor und Orbitmaschinen Projektirungsgrund-lagen // Olhydraulik und Pneumatik. 2003. № 10. С. 26-32.

19. Wharton S.T., Martin P., Watson T.J. Pumping stations: design for improved buildability and maintenance. London: Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report № l82, 1998. 99 p.

УДК 628.218

ОПТИМИЗАЦИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛАНИРОВКИ ЛИВНЕВОЙ КАНАЛИЗАЦИИ

© В.Р. Чупин1, И.В. Майзель2, Н.Б. Беликова3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Предлагается методика оптимизации вертикальной планировки системы ливневой канализации. В качестве критерия оптимизации приняты затраты жизненного цикла системы водоотведения. Методика оптимизации основана на многошаговом процессе наращивания условно-оптимальных решений по схеме динамического программирования. В качестве оптимизируемых параметров приняты уклоны самотечных коллекторов, напоры насосных станций и перепадных сооружений. Проведенные вычислительные эксперименты показали, что оптимизация систем водоотведения по критерию затрат жизненного цикла позволяет найти вариант с наименьшими эксплуатационными затратами, включая затраты электроэнергии.

Ключевые слова: вертикальная планировка системы ливневой канализации; метод многошаговой оптимизации; затраты жизненного цикла системы водоотведения.

STORM DRAINAGE LEVELING OPTIMIZATION V.R. Chupin, I.V. Meisel, N.B. Belikova

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The paper proposes an optimization procedure of storm water drainage system leveling. The life-cycle costs of a wastewater disposal system are taken as optimization criteria. The optimization procedure is based on a multi-step incrementation of conditionally optimal solutions by the dynamic programming scheme. The parameters to be optimized are the slopes of gravity sewers, heads of pumping stations and drop structures. Conducted computing experiments have shown that wastewater disposal system optimization by the life-cycle cost criterion allows to find the option with the lowest operating costs including the costs of electrical power.

Keywords: storm water drainage system leveling; multi-step optimization method; life-cycle costs of the wastewater disposal system.

1 Чупин Виктор Романович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой городского строительства и хозяйства, директор Института архитектуры и строительства, тел.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu

Chupin Viktor, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Urban Construction and Economy, Director of the Institute of Architecture and Construction, tel.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu

2Майзель Ирина Витальевна, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: (3952) 405267, e-mail: chupinvr@istu.edu

Maizel Irina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Urban Construction and Economy, tel.: (3952) 405267, e-mail: chupinvr@istu.edu

3Беликова Надежда Борисовна, магистрант Института архитектуры и строительства, тел.: (3952) 40 5145, e-mail: chupinvr@istu.edu

Belikova Nadezhda, Master's degree student of the Institute of Architecture and Construction, tel.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu

Проблема возникает при детальном рассмотрении и проектировании систем водоотведения, когда решаются вопросы их развития и реконструкции, и заключается в оптимизации диаметров коллекторов и уклонов трубопроводов, параметров перепадных колодцев и быстротоков, насосных станций и напорных трубопроводов. При этом топология сети рассматривается либо как некоторое промежуточное решение в итеративном процессе оптимизации систем водоотведения, либо как локально-оптимальный вариант трассы.

Следует констатировать, что коммунальные системы имеют значительной износ, высокую аварийность, большие затраты на содержание и ремонт и характеризуются отсутствием автоматизации и диспетчеризации. В проектной практике принято обосновывать параметры систем водоотведения по критерию минимума приведенных к расчетному году затрат. Однако этот критерий в основном направлен на минимизацию единовременных капиталовложений и лишь косвенно учитывает эксплуатационные затраты. Хотя известно, что эксплуатационные затраты за жизненный цикл трубопроводных систем коммунального хозяйства, в том числе систем ливневой канализации, превышают единовременные капиталовложения в 10-20 раз. Очевидно, при обосновании проекта реконструкции и развития систем водоотведения следует учитывать затраты их всего жизненного цикла:

с=(cf + Cf

t=1

СЭКС (t) + СЭКС (t) + СЭЛК (t)

(1 + r )

C

D

(1 + r У

(1)

где С]Р,СНС - затраты, связанные с проектированием, приобретением оборудования (труб, механизмов, средств автоматизации и диспетчеризации), со строительством и монтажом системы водоотведения; СэКС,СэкС- эксплуатационные затраты по трубопроводам и насосным станциям, состоящие из затрат на оплату труда основных производственных рабочих, отчислений на социальное страхование, амортизационных отчислений на полное восстановление, включая ремонтный фонд, цеховые и общие эксплуатационные расходы (накладные), прочие прямые расходы (рассчитываются согласно документу «Методика планирования, учета и калькулирования себестоимости услуг жилищно-коммунального хозяйства», утвержденной постановлением Госстроя РФ № 9 от 23.02.99 г.); СЭЛК- годовые затраты электроэнергии на перекачку сточной жидкости; Сп -затраты на разборку и утилизацию отслужившего свой срок оборудования; Т - время жизненного цикла (принимается временной интервал, соответствующий сроку морального износа оборудования); г - норма дисконта (величина ставки рефинансирования ЦБ РФ), играет роль базового уровня, в сравнении с которым оценивается экономическая эффективность варианта проекта.

Для ливневой сети водоотведения, состоящей из п участков, затраты жизненного цикла можно представить в следующем виде:

(

n

с = n i=1

сТР +-

(1 + r У

ТР

сэка

\ ( n

+ Z i=1

/

сНС +-

T

v

(1 + r )T

•(сэка + сэлт

\ ( n

+ Z

г=1

/

с

Л

Di

(1 + r )T

(2)

Для конкретизации составляющих затрат жизненного цикла в работе использована информация, приведенная: в укрупненных нормативах цен строительства НЦС 81-02-14-2012 «Сети водоснабжения и канализации»; в документе «Сметные нормы и расценки на новые технологии в строительстве»; в прайс-листах различных производителей и строительных компаний. После обработки информации, представленной в этих документах, для разных материалов труб, разных видов работ, в пересчете на один км длины трубопровода, с величиной достоверности аппроксимации Р2 = 0,9, получены функции вида: для траншейной прокладки

С]* ={а■ Га-di + Ь■ Г^Ц, тыс. руб.; (3)

для бестраншейной прокладки (методом бурения и продавливания)

С]Р = а ■ ёа ■ Ц + Ь ■ Г &, тыс. руб., (4)

где Г - глубина заложения трубопровода, м; б/ - диаметр трубопровода, м; а, Ь, а, ¡3 - коэффициенты, которые

зависят от материала труб, от состояния грунтов и способов строительства, Ц - длина участка, км.

Поскольку системы ливневой канализации проектируются из условия их работы полным сечением, можно построить функцию стоимости прокладки самотечных коллекторов в зависимости от расхода транспортируемой сточной жидкости и уклона трубопровода.

Из гидравлики самотечных трубопроводов известно, что диаметр трубопровода вычисляется при работе трубопровода полным сечением:

г0,375

,0,375

di =

N0

0,6477 • 10

0,1875 • qi

Подставляя выражение (5) в (3), получим:

С

а ■ Га

V

с ТР =

N

0,375

0,6477 • 1

0,1875 ^

i

0375 + b • Г Р

Li.

(5)

(6)

Для бестраншейной прокладки (методом бурения и продавливания)

С1 = а •

N

0,375

, 0,6477 • 10

V i

0,1875 ^ q

,0,375

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

• Li+ b • Г

Р

(7)

Годовые эксплуатационные затраты трубопровода можно представить в виде функции

с¥ка = а ■ 1? + Ь ■ Ц ■

(8)

или

с

ТР

ЭКС

= а • La + b • Ц-

N

0,375

0,6477 • 1

0,1875 ^ q

i

0,375

Р

(9)

Стоимость проектирования и строительства канализационных насосных станций (КНС), с величиной досто-

верности аппроксимации Р = 0,9, можно представить в виде функций следующего вида:

СН!, = ( а ■ Г + *)■ ^Г; годовые эксплуатационные затраты по КНС

(10)

пне ~ппл гл 0,1352 , ¡ъ r,nn J-, , 0,4948-0,011Г

Сэкс = 2794, 54 • q' + (3, 277 • Г + 562, q' ' ;

(11)

стоимость годовых затрат электроэнергии насосных установок

СЭЛК = 2э ■ H q , или СЭЛК = 30 • ^ •H • 4i,, 367,2 •ц

(12)

где 2Э - стоимость электроэнергии, руб. за кВт-ч; пэ - число часов использования нагрузки, максимум пэ = 8768 час; г - коэффициент полезного действия насосных агрегатов, в среднем г = 0,8; н - действующий напор (напор насосной станции, в м); q¡- расход сточной жидкости, в м /час.

Согласно [1, 2], расходы стоков в коллекторах ливневой канализации дг, л!с определяются методом предельных интенсивностей и вычисляется по формуле

zmidAl'2 F

4r Л,2л-0,1 1

(13)

где - среднее значение коэффициента, характеризующего поверхность бассейна стока (для г. Иркутска этот коэффициент принимает значения от 0,12-0,18); F - расчетная площадь стока, в Га; ^ - расчетная продол-

жительность дождя, равная продолжительности протекания поверхностных вод по поверхности и трубам до расчетного участка, мин.

Как рекомендует [1], параметры А и п необходимо определять по результатам обработки многолетних записей самопишущих дождемеров, зарегистрированных в данном конкретном пункте. При отсутствии таких данных допускается этот параметр определять по следующей формуле:

(

A = q2o • 20й

1 +

lgP

Igt,

\

(14)

r у

где q20 - интенсивность дождя, л/с на 1 га, продолжительностью 20 мин при периоде однократного превышения расчетной интенсивности дождя, равного P = 1 год; n - показатели степени; tr - средние количество дождей за год.

Для г. Иркутска q20 = 65 - 70л/с на 1 Га, n= 0.6, tr = 90, /= 1.5, следовательно, А = 392,22.

Расчетную продолжительность протекания дождевых вод по поверхности и трубам tr, мин следует вычислять по формуле

tr = tcon + tcan + tp,

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 510 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

toan = 0,0212

lo

voan

где Сап - длина участков лотков, м; чоа„ - расчетная скорость течения на участке, м/с; 1Р - то же, по трубам до рассчитываемого сечения определяется по формуле

m L

t = t = 0,017 • 2 —

Р 1=1 v,

(15)

где I - длина расчетных участков коллектора, м; V - расчетная скорость течения на участке, м/с.

Гидравлический расчет начинается с самого длинного коллектора и с самого удаленного участка, расположенного на самых низких отметках, и производится в направлении к узлу сброса стоков в водоемы. 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 определяются диаметр, уклон и скорость. Такие вычисления повторяются (по схеме простых итераций) до тех пор, пока точность вычислительного процесса будет в пределах 10%. Алгоритм расчета представлен на рис.1.

Учитывая только время протекания по коллекторам, расход стоков в расчетном сечении можно определять по следующей формуле:

. (16)

7 , • A1-

7mid A

• F

1.2n-0.1

m ( L

0,017 • E I L

¿=ll V

Подставляя выражение (16) в (6), (7), (9), (10), (11) и (12), получим: для траншейной прокладки

ГТР _ m CI = 2

a • Г,a

N 0

0,6477 • I,0'1875

1 "> m у Л.2 v г?

7mid •A • 2 Fi

m ( L-0,017• m I L

«1 V

\ \

-b • Г f

(17)

i=1

с - У с*

Рис. 1. Алгоритм вычисления диаметров и стоимости системы трубопроводов ливневой канализации

для бестраншейной прокладки (методом бурения и продавливания)

/ I ) 0.375 ) a )

ГТР m i-1 a • N 0375 1 2 m Zmid •A' •S Fi i-1 • Li+ b • rf

0,6477 • 101875 , , 4 \1.2n—0.1 К-Кt)) ,

Годовые эксплуатационные затраты трубопровода можно представить в виде функции

( / ч 0.375 А Р

C3KCi - a • Lt + b • Li •

(

N

0,375

0,6477 • I'

0,1875

7 A1'2 f? Zmid •A • Fi

m I Г.

0,017• m I L i-11 V

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1'2n—0.1

/ /

(18)

(19)

Стоимость КНС:

СГп =(« • Г + b )•

- m/d '

m | L 0,017 • Е I L

i=ll V

(20)

Годовые эксплуатационные затраты по КНС:

СНСс = 2794,54 •

Л 0,1352

Zmid • Л'2' Fi

0,017 • е

¿=1

1'2и-0'1

+ (3,277 • Г + 562,5)'

\ 0,4948-0,011Г

Zmid • A1'2 • Fi

0,017 • Е

¿=1

1'2n-0.1

(21)

Стоимость годовых затрат электроэнергии насосных установок:

C-,

m I L 0,017• Е I L

/=1l V'

(22)

= 30 • z3 • H

На рис. 2 дана иллюстрация вычисления глубины (Г) залегания самотечного коллектора при возможных уклонах его прокладки.

Рис. 2. Определение уклонов заглубления коллекторов

При этом величина уклона и глубина залегания коллектора вычисляются следующим образом:

рС _ рК

1С = рН-^ ; С = 1 ,...,С; 5 = 1 ,...,Б;

С Ц

Г = _ рС _ р; Рн * Р^ * РН ; Рк * Рк * РК,

С К

где Рн, рК - пьезометрические отметки уровня дна коллектора в начале и в конце расчетного участка I;

. и V —Н —К

2 1_1, 2 - отметки земли в начале и в конце расчетного участка I;рн ;РК ;Р ;Р - нижние и верхние

ограничения по прокладке самотечного коллектора в начале и в конце расчетного участка. Напор насосной станции можно вычислить следующим образом (см. рис. 3):

H = нг + h = ZK - ZH + h i

(23)

где Ь, - потери напора в напорном трубопроводе, которые можно определить, например, по формуле Шевелева Ф.А. (для неновых металлических труб):

Н 1 = 0,001735-12 • х/с15,3 . Следовательно, стоимость годовых затрат электроэнергии насосных установок:

г \

СЭЛК = 30• z3 •(ZK -ZH + 0,001735-12 • x/d5,3

3 )■

7 /|1'2 JJ Zmid - A -

' m ( Ь,ЛЛ

0,017 • x I — i=ll V

(24)

В целом, расчетные затраты (2) можно представить в виде:

(( / \ 0,375 > ^

a • ГT

N

Zmid - A' - x Fi

X (a • Г + b)-

/ 4 \1'2n-0'

( m L 1 1

I 0,017• X L 1 1

1 ,=1 l V J J

( Zmid A1'2 • F

( m I 0,017 • X L11

i i=1 V, J)

t-b • Г f

n0'375 V

T m _

• X a • LT + b • Li ■

(1 + r)T i=1

0,1875 / - > Л1'2и-0'1

: ( 0,017-m( L

T m -- • X 2794,54 •

Zmjj • A ' • Fi-

rn ( L

0,017 • x I L

i=1l V

^ Vi

T m

-¥' X

(1+ r У i=1

\ 0,4948-0,011Г Л

(3,277 • Г + 562,5)

Zmid •A''2 • Fi

m ( L

0,017 • x I L

i=1l V

T m

(1 + r ) i=1

30 •

•(Zk -

ZH + 0,001735 • l2 • x/d53 )

Zmid •A ' • Fi

m ( L-

0,017• z I —

i=1l V,

(25)

Для определения оптимального диаметра трубопровода необходимо взять частную производную — = 0 и

да

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

разрешить это уравнение относительно диаметра трубопровода.

Рис. 3. Иллюстрация к определению оптимального диаметра напорного трубопровода

с = X

i=1

+

Задача оптимизации вертикальной планировки ливневой канализации сводится к минимизации функции затрат (25) на множестве допустимых значений уклонов (/), напоров насосных станций и перепадных устройств (Н). Решение этой задачи, или поиск оптимальной пьезометрической поверхности систем водоотведения, осуществляется как многошаговый процесс управления по соответствующим переменным (методом динамического программирования).

Функциональное уравнение для вычисления условно-оптимальных решений относительно уклонов (или 11у = Ц * 1У) на шаге / принимает следующий вид:

(РСМ) = ктт[т* (р(к)) + Ъ Р(к})} . (26)

Функциональные уравнения для насосных станций и перепадных сооружений:

т( i > (Р• >) = ^ j^ (Р • ))+,/i i > (Н. >J, (27)

Ti ' )=яmin^ jT, (py;>\ + /„J (28)

ц=с-\„. „1

где Fi,fj - функции перехода из начального состояние в конечное, вычисляются согласно (25).

Максимальный выигрыш на i-м шаге определяется минимизацией всех условно-оптимальных решений:

T, (Р(к> > = min jT,(pc^)>J (29)

Переход к следующему шагу оптимизации осуществляется путем присвоения значений фазовых переменных участка / участку /+1:

T

i+1

( Pi">) =

T, (рМ>, при 2 abs(aji> < 2;

' ' iGl

X Wjk (рСК>>, при 2 abs(aji> > 2,

(30)

jk=ik

p«=<

Zi+1

P«, при 2 abs (aji> > 2;

iel

max | pjj* pj* ^ |, при T, abs (aji) > 2.

(31)

Согласно выражению (31), для каждого интервала конечных фазовых переменных участка / + 1, Рс(к) принимаются наибольшими из всех Р}н) участков, выходящих из узла] (здесь с соответствует г-количеству интервалов области допустимых решений).

В результате оптимизации определяются следующие параметры: диаметры новых трубопроводов и их уклоны; участки, на которых необходимо сооружение или модернизация насосных станций и перепадных колодцев; участки, на которых необходима перекладка или параллельная прокладка новых трубопроводов.

Процесс наращивания условно-оптимальных решений организуется, начиная от висячих узлов сброса стоков, в направлении к корневой вершине дерева (КОС). Обратным ходом восстанавливается оптимальное решение. Например, для системы водоотведения из пяти последовательных участков процесс наращивания условно-оптимальных решений относительно только уклонов самотечных коллекторов показан на рис. 4, где насыщенным цветом обозначена оптимальная траектория данного процесса. Этой траектории будет соответствовать оптимальный профиль, представленный на рис. 5.

На рис. 6 дана иллюстрация наращивания условно-оптимальных траекторий относительно уклонов самотечных коллекторов, напоров КНС и напорных трубопроводов. На рис. 7 представлен оптимальный профиль, согласно которому на первых трех участках движение стоков осуществляется в самотечном режиме, затем устраивается насосная станция и стоки перекачиваются по напорному трубопроводу, далее они перемещаются в самотечном режиме._

Рис. 4. Наращивание условно-оптимальных решений для системы водоотведения из пяти последовательных участков

Рис. 5. Оптимальный профиль коллектора для самотечной системы

водоотведения

Ф----к?)—Хб)

Рис. 6. Наращивание условно-оптимальных решений

Рис. 7. Оптимальный профиль коллектора самотечно-напорной системы водоотведения

На рис. 8 представлена иллюстрация оптимизации параметров для разветвленной системы ливневой канализации, состоящей из 8 участков и девяти узлов. В этом случае наращивание условно-оптимальных решений организуется, начиная от вершин 1, 2, 3, в направлении к узлу схода потоков 9. В узле 9 из всех условно-оптимальных решений выбирается лучшее и обратным ходом восстанавливается оптимальный профиль. На рис. 8, б отдельной линией показана оптимальная траектория, которой будут соответствовать оптимальные параметры системы водоотведения.

а) б)

Рис. 8. Иллюстрация к алгоритму оптимизации параметров систем водоотведения

Для оптимизации трассы и структуры систем водоотведения разветвленной структуры предлагается метод поконтурной минимизации, основанный на поиске оптимальной структуры в виде деревьев на предварительно построенной избыточной проектной схеме в виде кольцевой сети. Избыточная схема представляет всевозможные связи между существующими и новыми местами сброса стоков, канализационными очистными сооружениями, насосными станциями, регулирующими резервуарами и может быть построена путем наложения нескольких, хорошо проработанных проектных вариантов. При оптимизации мест расположения КОС и их производительно-стей в избыточную схему вводятся фиктивные ветви, связывающие возможные места их расположения с общим узлом (фиктивным узлом сброса стоков).

Метод основывается на целенаправленном и ограниченном переборе остовых деревьев графа избыточной схемы и сводится к безусловной минимизации функции вида

Ш1П <

,=i

I c n c m—1

H2ф(q->+2Ф 2^■ qr—2atJ■ q

ЛI

вör q хг 2 ~ij i=c+1 V j=1

(32)

Согласно выражению (32), с изменением хордовой переменной qx (расхода стоков х на ветви не вошедшей в дерево), в контуре r меняются величины q, только на ветвях дерева, принадлежащих данному контуру, а нагрузки остальных участков остаются неизменными. Таким образом, организуется процесс поконтурной (покоординатной относительно контурных расходов) минимизации критериальной функции (32), фиксируя на каждом шаге значения остальных независимых переменных. При этом минимизация по каждой очередной контурной переменной осуществляется для оптимальных значений контурных расходов, полученных на предыдущих шагах. При этом каждый из анализируемых вариантов оценивается по приведенным расчетным затратам.

Разработанные математические модели для оптимизации структуры и трассы, профиля и параметров систем водоотведения и реализующие их алгоритмы позволили перейти к качественно новому этапу - комплексной оптимизации. Сущность данного подхода заключается в следующем. В методике схемно-структурной оптимизации при переходе от одного варианта дерева к другому производится наращивание условно-оптимальных решений лишь для ветвей, входящих в анализируемый контур, и участков сети, соединяющих анализируемый контур и корневую вершину. После окончания целенаправленного перебора вариантов деревьев избыточной схемы осуществляется обратный ход и восстанавливается оптимальная трасса и оптимальный ее профиль.

Проведенные вычислительные эксперименты показали, что предлагаемый подход совместной оптимизации параметров и топологии систем системы ливневой канализации и соответствующие программные реализации позволяют найти лучшие (по расчетным затратам) варианты, чем при двухэтапном решении этой задачи.

Таким образом, комплексная методика является самым эффективным методом оптимизации новых и реконструируемых систем водоотведения. Вместе с тем, она требует большого количества точной информации о рельефе местности, геологии, экологии, стоимости сооружений, которая на стадии предпроектных работ не всегда известна.

Статья поступила 16.09.2015 г.

Библиографический список

1. СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения». М.: Изд-во стандартов, 1985. 87 с.

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. 132 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.