CC BY
39
Оригинальная статья / Original article УДК 628.218
DOI: http://dx.d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2018-4-114-127
РАЗВИТИЕ И РЕКОНСТРУКЦИЯ РАЙОННЫХ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ © Е.С. Мелехов3, О.К. Шлепнёвь
Иркутский национальный исследовательский технический университет 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
РЕЗЮМЕ: Цель данного исследования заключается в разработке методического, алгоритмического и программного обеспечения для оптимизации проектных решений по выбору параметров развивающихся районных систем водоснабжения. На безводных территориях нашей страны широкое распространение получили системы группового водоснабжения, многие из которых являются мощными и капиталоемкими сооружениями. При проектировании и развитии таких сооружений важнейшими являются задачи обоснования их структуры и параметров. Предлагается комплекс математических моделей, основанный на теории гидравлических цепей и методов линейного программирования. Разработанный и предлагаемый для практики проектирования систем водоснабжения программный комплекс позволяет: оптимизировать места расположения и производительности водозаборных сооружений из поверхностных и подземных источников воды; оптимизировать места установки, производительность и состав водопроводных очистных сооружений; выбирать трассу групповых трубопроводов; определять оптимальные диаметры и параметры транспортирующих сооружений; при ограниченных инвестициях оптимально распределять их в строительство новых и реконструкцию существующих участков сети и сооружений. На основе предложенной методики и разработанного программного комплекса проведено обоснование структуры и параметров систем группового водоснабжения Черем-ховского района Иркутской области. Полученный вариант на 21% экономичнее (по приведенным затратам), чем полученный традиционным методом проектирования. Кроме этого численные эксперименты показали, что оптимальная структура систем водоснабжения существенно зависит от стоимости электроэнергии и стоимости очистки воды. Разработанная методика и программный комплекс является эффективным инструментом при обосновании перспективных схем развития районных систем водоснабжения и могут быть полезны как проектировщикам, так и лицам, принимающим решения по развитию урбанизированных территорий.
Ключевые слова: групповые системы водоснабжения, избыточная и транспортная схема, методы оптимизации структуры и параметров групповых водопроводов
Информация о статье: Дата поступления 17 сентября 2018 г.; дата принятия к печати 18 октября 2018 г.; дата онлайн-размещения 21 декабря 2018 г.
Для цитирования: Мелехов Е.С., Шлепнёв О.К. Развитие и реконструкция районных систем водоснабжения. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018;8(4):114—127. DOI: 10.21285/2227-2917-2018-4-114-127
DEVELOPMENT AND RECONSTRUCTION OF DISTRICT WATER SUPPLY SYSTEMS
Evgeniy S. Melekhov, Oleg K. Shlepnev
Irkutsk National Research Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation
аМелехов Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, e-mail: melechov@istu.irk.ru
Evgeniy S. Melekhov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Urban Construction and Economy, e-mail: melechov@istu.irk.ru
ьШлепнёв Олег Константинович, аспирант кафедры городского строительства и хозяйства, e-mail: shlepnev38@mail.ru
Oleg K. Shlepnev, Postgraduate student of the Department of Urban Construction and Economy, e-mail: shlepnev38@mail.ru
ABSTRACT: The aim of this study consists of development of software and methodological and algorithmic systems in order to optimise design decisions based on the choice of parameters for developing district water supply systems. In the drier areas of Russia, the majority is supplied by group water supply systems, many of which consist of powerful and capital-intensive structures. In the design and development of such structures, the most important task is the substantiation of their structure and parameters. A complex of mathematical models based on the theory of hydraulic circuits along with linear programming methods is proposed. The software complex developed and proposed for designing water supply systems allows the locations and performance of water intake facilities from surface and underground water sources and installation sites, as well as performance and composition of water treatment plants to be optimised. In addition, the routes of group pipelines, optimal dimensions and parameters of transporting facilities can be determined. Moreover, in the event of limited investments, water supply systems are proposed to be optimally distributed in the construction of new and reconstruction of existing sections of the network and facilities. On the basis of the proposed methodology and developed software complex, the structure and parameters of group water supply systems in the Cheremkhovsky raion of the Irkutsk Oblast is substantiated. The resulting option is 21% more economical (at reduced costs) in comparison with results obtained by the traditional design method. In addition, numerous experiments have demonstrated that the optimal structure of water supply systems depends greatly on the cost of electricity and water treatment. The developed methodology and software complex comprises an effective tool for justifying promising schemes for the development of district water supply systems and can be useful both to designers and decision makers in the development of urban areas.
Ключевые слова: group water supply systems, redundant and transport scheme, methods to optimize the structure and parameters of group water supply systems
Information about the article: Received September 17, 2018; accepted for publication October 18, 2018; available online December 21, 2018.
For citation: Melekhov E.S., Shlepnev O.K. Development and reconstruction of district water supply systems. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2018;8(4):114-127. (In Russ.) DOI: 10.21285/2227-2917-2018-4-114-127.
Введение
Российская Федерация обладает огромными водными ресурсами. Однако из-за их неравномерного распределения по территории во многих регионах наблюдается острый дефицит воды, а там, где она имеется, ее качество не всегда удовлетворяет требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 и ГОСТ «Вода питьевая»1. Вследствие техногенных воздействий с каждым годом ухудшается гидрологическая обстановка, загрязняются источники воды неочищенными сточными водами, и из-за значительных колебаний уровня поверхностных и подземных вод, многие водозаборы работают на гране срыва или оголяются полностью. Одним из путей решения данной проблемы является строительство и развитие систем группового водоснабжения (СГВ). Таких систем в южной и центральной зонах нашей страны уже построено достаточно большое количество. Многие из них представляют сложные, капиталоемкие водохозяйственные комплексы предназначенные для транспортировки и подачи воды на большие расстояния неоднородным и рассредоточенным на обширной территории потребителям. При проектировании и развитии таких сооружений важнейшими являются задачи:
- обоснования мест расположения и производительностей водозаборных и очистных сооружений, параметров насосных станций и регулирующих емкостей;
- выбора оптимальной трассы и диаметров трубопроводной системы с учетом повышения надежности, управляемости и сейсмостойкости отдельных сооружений и СГВ в целом.
- оптимального распределения капиталовложений в реконструкцию сущест-
1СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода от 26.09.2001 г. № 24. Утв. 26.09.2001 / SanPiN Water Drinking 2.1.4.1074-01 from 26 September 2001.;
ГОСТ Р 51232-98 Вода питьевая. Введ. 01.07.1999. М.: Стандартинформ, 2010. / GOST R 51232-98 Drinking Water. Moscow: Standartinform Publ., 2010.
вующих и строительство новых объектов группового водоснабжения.
К настоящему времени накоплен богатый опыт проектирования и строительства СГВ, разработаны различные методы обоснования их структуры, параметров и режимов функционирования. Однако все они не позволяют в полной мере комплексно решать перечисленные задачи и поэтому требуют дальнейшего развития и разработки новых подходов.
Существующая методология оптимального проектирования основывается на сопоставлении стоимостных, технических, надежностных, экологических характеристик анализируемых вариантов строительства и эксплуатации СГВ. Основные технологические параметры проектируемых систем водоснабжения учитываются через их стоимость в критерии оптимизации, на основе которого и выбирается лучший вариант для последующего строительства и эксплуатации СГВ. Надежность, управляемость и сейсмостойкость учитываются в виде ограничений определенного вида, как на технические параметры, так и на инвестиции в строительство и эксплуатацию СГВ.
Методы
Общепринятым критерием оптимизации и сравнения вариантов являются приведенные (к одному году) затраты на строительство и эксплуатацию СГВ, которые определяются следующим образом2:
Зпр = К • Е + Э3 (1)
где Зпр - приведенные затраты; К - капиталовложения в сеть; Е - коэффициент эффективности капиталовложений, который в условиях рыночной экономики отождествляется с банковскими процентами; ЭЗ - годовые эксплуатационные затраты (тыс. руб./год), определяются следующим образом3 [1, 2]:
ЭЗ = Сам + Ск.р + Ст.р + Сэлк + Сфзп + Ссв + Сн.в + Спр. , (2)
где Сам - амортизационные отчисления (принимается: 0,05*K - по трубопроводам; 0,09*K - по насосным станциям и поверхностному водозабору; 0,14*K - по скважинам и подземным водозаборам); Ск.р - затраты на капитальный ремонт (0,046*К), руб./г.; Ст.р - затраты на текущий ремонт (0,01*К), руб./г.; Сэлк - стоимость электроэнергии, тыс. руб./г.:
Сэлк = 108 • 2Э • H • X, (3)
где - единичная стоимость электроэнергии (руб. за кВтч); х - расход транспортируемой воды(м3/с); Н - напор насосной станции (м в. ст.);
Фонд заработной платы обслуживающего персонала в расчете на 1 км длины водопровода расчитывается по формуле:
Сфзп = 0,75 • ЗПср • х0,3, (4)
где ЗПср - средняя прогнозируемая заработная плата по предприятию, тыс. руб./мес.; х - производительность системы, м3/с.
Ссв - состоит из страховых взносов в пенсионный фонд (0,22*СфЗП), фонда социального страхования (0,029*СфЗП) и фонда медицинского страхования (0,051*СфЗП); Снв - налог на воду (тыс. руб./г.) определяется:
Сн в = 31536 • Снст • х ,
где Сн.ст - налоговая ставка в рублях за 1 м3 воды, забираемой из поверхностных и
водоснабжение и водоотведение. Наружные сети и сооружения: справочник / Под ред. Б.Н. Репина. М.: Высшая школа, 1995. 431 с. / Water supply and sanitation. External networks and structures: Handbook / ed. by B.N. Repin. Moscow: High school Publ., 1995. 431 p.
3Экономика водопроводно-канализационного хозяйства: учебник для вузов / Под ред. С.М. Шифрина. Л.: Стройиздат, 1982. 319 с. / Economics of water supply and sanitation: textbook for universities / ed. by S.M. Shifrin. Leningrad: Stroyizdat Publ., 1982. 319 p.
подземных источников (в г. Иркутске в 2018 г. эта ставка составляет 0,122 руб. за 1 м3); Спр - прочие расходы, тыс. руб. /г., принимаются в размере 20% от суммы амортизационных отчислений (Сам) и затрат на заработную плату обслуживающего персонала (Сфзп),
Спр = 0,2 • (Сам + Сфзп ),или СПр = 0,01 • К + 0,15 • ЗПср • х0,3
С учетом (2) эксплуатационные расходы будут следующими:
Эз = 0,116• К + Сэлк +1,125• ЗПСр • х0,3 + 31536• Сн,ст • х. (5)
Для конкретизации единовременных (капитальных) затрат воспользуемся информацией, приведенной в укрупненных нормативах цен строительства [3, 4]. Для наружных сетей водопровода длиной в 1 км из полиэтиленовых труб, при разработке сухого грунта на глубину 3 м (что характерно для Иркутской области) не сложно получить следующую зависимость капиталовложений от диаметра трубопровода:
К = (27329 • d2 + 7399,5 • d + 2537,9) • L, (6)
К-капиталовложения, в тыс. руб.^- диаметр, в м.
4— 3
С учетом d = J— ;v- скорость в м/с;х - расход в м3/с. (7)
V nv
K = 34796,4xv1 + 8346,6x05 • v-°5 + 2537,9. (8)
Расчет затрат электроэнергии требует отдельного рассмотрения. В теории гидравлических цепей [5] закон сохранения энергии для произвольной гидравлической цепи формулируется следующим образом: «Вся привносимая энергия, за вычетом энергии на излив воды, тратится на преодоления сил трения»:
ILQ • Hj -£QJ • Pj =ih • -, (9)
j=1 j=1 i=1
где J1 - множество узлов насосных станций; J2 - множество узлов потребления во-ды;Н - пьезометрические напоры насосных станций; Pj - пьезометрические напоры воды у потребителей, в м; hi - потери напора по участкам водопроводной сети;— -расход транспортируемой воды по участкам сети; Qj - расход воды у потребителя J, м3/с.
Следовательно, годовые затраты электроэнергии по системе водоснабжения можно представить как сумму затрат электроэнергии по каждому участку сети:
С = 108 • Z • Э Э = h • X
wэлк '*~элк - "l Л1 '
3
для х в м3/сек.
Для простоты изложения и вычисления потерь напора по длине трубопровода воспользуемся формулой Ф.А. Шевелева для пластмассовых труб [8]:
X 1 774
hi = 1,1 • У, • Li , У, = 0,001052 • -
1 1 1 1 di
Где У,- гидравлический уклон;^ - длина участка сети, в м.
X 2J74
h: • - = 0,0011572 • L '
4,774
. 4,774 d
или с учетом (7):
hi • x, = 0,000642 • Li • x°'378 • v¡2'387
Оэлк = 108 ■ Zэлк ■ (0,000642 ■ х°'387 ■ V 2,387 ■ Ц ■ 1000 ),Lв км. Приведенные расчетные затраты по участку сети i в тыс. руб.:
Зпр = 0,236 ■ К + СэлК +1125 ■ ЗПср ■ х0,3. (10)
Как показали проведенные исследования, критерий оптимизации в виде приведенных расчетных затрат, в основном направлен на минимизацию единовременных капиталовложений. Хотя известно, что эксплуатационные затраты за жизненный цикл систем водоотведения превышают единовременные капиталовложения в 10-20 раз. Очевидно, при обосновании проекта реконструкции и развития СГВ следует учитывать затраты всего жизненного цикла системы (ЗЖЦ). Для СГВ, состоящей из п участков, эти затраты за время службы системы можно представить в виде следующих слагаемых [9-11 ]:
n ( T ^ n ( T i n
C=5 Г + FT ■(СЭс'+С°ч;J Г + WT' [сЭКСс1+СэлК1') % II+r)T
(11)
где С[Р,СНС - затраты, связанные с проектированием, приобретением оборудования, строительством и монтажом системы водоснабжения; СЭррС,СНСС - эксплуатационные
затраты по трубопроводам, насосным станциям и др. сооружениям. Эти затраты рассчитываются согласно методическим указаниям4. Соч - годовые затраты по восстановлению аварийного сооружения или участка сети, включая расходы по доставке воды потребителям за время ликвидации аварийной ситуации; СЭЛК - годовые затраты электроэнергии на перекачку воды; CD - 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 ЦБ РФ, которая в 2018 г. составляет 7,25%), играет роль базового уровня, в сравнении с которым оценивается экономическая эффективность варианта проекта. Следует отметить, для оборудования с меньшим сроком службы единовременные капиталовложения С^С^ увеличиваются на коэффициент кратности в отношении к оборудованию с наибольшим сроком службы. При постоянных эксплуатационных расходах затраты жизненного цикла можно представить следующим образом:
ЗЖЦ = К + Т ■ ЭЗ , (12)
гдеТ - срок службы системы водоснабжения в годах, принимается равным сроку службы самого долговечного из элементов системы водоснабжения; К - капиталовложения, равные единовременным затратам, плюс затраты на восстановления отдельных элементов системы, чей срок жизни меньше расчетного (кратные затраты).
С учетом значений эксплуатационных затрат (4) затраты жизненного цикла (в тыс. руб.) можно представить:
ЗЖЦ = К + Т ■ (0,116 ■ К + Сэлк +1,125 ■ ЗПср ■ х03), (13)
или с учетом (8):
ЗЖЦ= (347964■ х(. ■ V:1 +83466■ х°5 ■ Vг0,5 + 2537,9)■ Ц +Т■ [0,116(347964■ ж, ■ V:1 +834666■ х°'5 ■ V;0,5 + 2537,9)■ Ц + Сзлк +1,125■ ЗПср ■ х0,3]
В итоге получены приведенные затраты и затраты жизненного цикла как функции расхода и скорости транспортируемой воды, длины трубопровода и удельных затрат электроэнергии. СП 31.13330.2012 и ряд методических указаний рекомендуют скорость движения воды принимать в диапазоне 1,5-3 м/с. Однако в каждом конкретном случае оптимальную скорость можно определять расчетным путем.
4Составление технико-экономической части проектов внеплощадочных систем водоснабжения и канализации: справочное пособие к СНиП. Союзводоканалпроект. М.: Стройиздат, 1991. 80 с. / Prepara-
tion of technical and economic part of off-site water supply and Sewerage system projects (manual reference to SNiP). Soyuzvodokanalproekt. Moscow: Stroyizdat Publ., 1991. 80 p.
Для этого необходимо взять частную производную приведенных затрат и затрат жизненного цикла по скорости и приравнять нулю. Далее полученное уравнение разрешить относительно скорости. Для выбора оптимальных скоростей проведем численные эксперименты в отношении приведенных затрат и затрат жизненного цикла, варьируя единичным и значениями затрат электроэнергии и длинами трубопроводов. Единичную стоимость электроэнергии будет изменять от наименьшей для Иркутской области - 1,06, до максимальной для Чукотки - 8,2 руб. за кВтч. Результаты численных экспериментов представлены в табл. 1, из которой следует, что тариф на электроэнергию оказывает существенное влияние на оптимальные значения скоростей. Протяженность сетей практически не влияет на скорость движения воды. Критерий затрат жизненного цикла снижает оптимальную скорость но 30%.
Таблица 1
Оценка оптимальных скоростей движения воды по напорным трубопроводам
Table 1
_Estimation of optimal water velocity through pressure pipelines_
Стоимость электроэнергии, руб. за Квтч ^элк Оптимальная скорость движения воды (м/с) для расхода в 1 м3/с
Для критерия приведенных затрат Для затрат жизненного цикла (Т=50лет)
L=1km L=50km L=100km L=1km L=50km L=100km
1 3,40 3,35 3,30 2,85 2,80 2,80
2 2,78 2,74 2,72 2,31 2,30 2,30
3 2,40 2,40 2,37 2,08 2,07 2,07
4 2,23 2,20 2,20 1,89 1,89 1,89
5 2,10 2,07 2,04 1,78 1,79 1,79
6 2,00 2,00 1,98 1,70 1,68 1,68
7 1,90 1,88 1,88 1,60 1,58 1,58
8 1,80 1,80 1,78 1,54 1,50 1,50
9 1,78 1,77 1,77 1,49 1,49 1,48
Следовательно, оптимальные скорости можно принимать в диапазоне 1-3 м/с в зависимости от стоимости электроэнергии того региона, для которого проектируется система водоснабжения. Рассмотрим регион строительства Иркутскую область. Протяженность водопроводной сети 1 км из полиэтиленовых труб. Построим функции приведенных затрат, как функции расхода воды, варьируя при этом скорости от 0,5 до 3,5 м/с. Эти функции и их линейные аппроксимации представленными на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость приведенных затрат от расхода и скорости движения воды по трубопроводам и их линейные аппроксимации Fig. 1. Dependence of reduced costs on consumption and speed water movement through pipelines and their linear approximations
Для затрат жизненного цикла эти зависимости представлены и на рис. 2.
Подобные вычисления и преобразования можно сделать применительно к подземным водозаборам с устройством очистных сооружений. В последние годы с появлением новых технологий по водоподготовке, по насосному оборудованию, блочной комплектации очистных сооружений и насосных станций, существенно изменилась их ценовая политика и эффективность работы, уже не требуются дорогостоящие вспомогательные помещения и ограждающие конструкции, за счет автоматизации существенно сократился обслуживающий персонал и эксплуатационные расходы. В тоже время комплектация и стоимость очистных сооружений существенно зависят от качества исходной воды и, следовательно, должны определяться для каждого конкретного случая.
Рис. 2. Зависимость затрат жизненного цикла от расхода и скорости движения воды по трубопроводам и их линейная аппроксимация Fig. 2. Dependence of life cycle costs on the flow rate and speed of water movement through
pipelines and their linear approximation
Определим удельную стоимость для подземного водозабора из артезианской скважины глубиной 100 м с максимальным расходом 40 м3/ч. В итоге получим функцию следующего вида: К = 315000 х.
При этом эксплуатационные затраты: Э3 = 0,2 • К + Сэлк +15 • ЗПср • х0,3. Затраты электроэнергии будут следующими: С,пк = 108 • zэ 100 • х = 10800 • zэ • х .
элк э э
Приведенные расчетные затраты по участку сети /, в тыс. руб.:
Зпр = 51840 • X, + Сэлк +15 • ЗПср • х
0,3
Затраты жизненно цикла:
ЗЖЦ = 162000■ х! + Т (32400■ х! + Сэлк +15■ ЗПср ■ х°'3).
Рассмотрим очистные сооружения по обезжелезиванию и умягчению
(удалению солей кальция и магния) производителей ЗАО «Роса» - типовые станции водоподготовки на основе напорных фильтров обезжелезивания и умягчения. Принцип обезжелезивания-умягчения основан на каталитическом окислении и фильтрации примесей в слое загрузки: К = 178085■ х
Эксплуатационные затраты: Э = 0,2 • К + Сэлк +15 • ЗПср • х0,3.
При этом затраты электроэнергии будут следующими: Сэлк = 108 • z3 • 50 • x = 5400 • гэ • x.
Приведенные расчетные затраты по участку сети i, в тыс. руб.: З = 56987 • x + С +15 • ЗП • х0,3
пр i wэлк ср i
Затраты жизненно цикла:
ЗЖЦ= 178085 х- + Т • (35617 x, + Сэлк + 15 • ЗПср • х°'3).
Для подземного водозабора с водопроводными очистными сооружениями:
К = 209585,0 ■ х. Эксплуатационные затраты: Э = 0,2 • К + С + 30 • ЗП • х03
При этом затраты электроэнергии будут следующими: Сэлк = 108 • z3150 • x = 16200 • z3 • x.
Приведенные расчетные затраты по участку сети i, в тыс. руб.: З = 67067 • x + С + 30 • ЗП • х0,3
пр i элк ср i
Затраты жизненно цикла:
ЗЖЦ = 209585• xi + Т ^41917^ xi + Сэлк + 30 • ЗПср • х,0'3).
Насосная станция. Капиталовложения: К = 48053. х.
Эксплуатационные затраты:
Эз = 0,2 • К +15 • ЗПср • х0,3. Приведенные расчетные затраты по участку сети i, в тыс. руб.:
Зпр = 15377 • +15 • ЗПср • х03 Затраты жизненно цикла:
ЗЖЦ = 48053 +Т \9610• +15 • ЗПср • х°0,3).
Подобные вычисления и преобразования можно сделать применительно к подземным водозаборам с устройством очистных сооружений и без них и выразить их функциями вида:
Зпр = С. Х и ЗЖЦ = С. х, Для трубопроводов и сооружений на них значения С представлены в табл. 2. С учетом полученных зависимостей, можно сформулировать математическую постановку задачи оптимизации структуры и параметров групповых водопроводов как задачу поиска максимального потока минимальной стоимости [12, 14, 15]:
п =
• Кобщ , • x ^ min ,при в < xi < в,, A • x = q ^ , (14)
i=1 =i где n - количество участков сети; С, - стоимость единицы потока.
Например, при скорости в 3 м/с для критерия приведенных затрат удельные стоимости потока будут следующими: для новых трубопроводных участков сети -4381,0 тыс. руб. за 1 м3/с на 1 км длины; для существующих трубопроводных участков сети (эксплуатационные затраты) 2463,0 тыс. руб. за 1 м3/с на 1 км длины; для устройства скважин 212240,0 тыс.руб. за 1 м3/с; для подземных водозаборов с системой водоподготовки - 1165500.0 тыс. руб. за 1 м3/с. Кобщ ^ - общий коэффициент
неравномерности на участке сети i, полученный на основании фактических или про-
гнозных графиков потребления воды; xi - искомый поток на ветви избыточной или
транспортной сети; в., вi - нижние и верхние ограничения на поток х; A - матрица
соединений узлов и ветвей сети; qcp - вектор средних расходов потребления воды, м3/с.
Таблица 2
Удельные стоимости потока величиной 1м3/с
Table 2
Unit flow costs of 1m /s
Для критерия приведенных затрат, тыс. руб.
V (м/с) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
С, для трубопроводов, на 1 км 18592,0 9870,0 6961,0 5558,0 4795,0 4381,0 4194,0
С, эксплуатационные затраты на 1 км 9155,0 4886,0 3491,0 2858,0 2562,0 2463,0 2503,0
Сскв 21224,0
Сочис.сооруж. 62731
Сскв+ Сочис.сооруж. 83954
Сн.с. 15721
Для затрат жизненного цикла
V (м/с) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
С, для трубопроводов, на 1 км 536405, 0 285829, 0 20347 2,0 165403, 0 14671 4,0 13915 0,0 13923 9,0
Сскв 903675,0
Сочис.сооруж. 2246100
Сскв+ Сочис.сооруж. 3149800
Сн.с. 545728
Для решения этой задачи в настоящей работе предлагается следующая методика [13, 14, 16]. Строится избыточная схема, которая формируется на основе наложения нескольких предварительно проработанных вариантов строительства СГВ. Избыточная схема может представлять: всевозможные места устройства водозаборов (из открытых и подземных источников) с локальными и централизованными водопроводными очистными сооружениями, и без них (если в источниках вода питьевого качества); всевозможные трассы прохождения и подачи воды потребителям напорными трубопроводными участками.
На основе полученной избыточной схемы строится транспортная сеть. Для ее построения все узлы-потребители воды замыкаются с помощью фиктивных ветвей на общий узел t - выхода потока, а узлы-источники воды замыкаются на общий фиктивный узел входа потоков S. При этом для каждого участка транспортной сети назначаются ограничения на их пропускные способности (верхние и нижние). Для фиктивных ветвей входа потоков верхние ограничения соответствуют максимально возможным заборам воды из источников водоснабжения, а для фиктивных ветвей выхода потоков верхние ограничения соответствуют потребностям населенных пунктов или абонентов в воде. Ограничения на потоки проектируемых трубопроводных участков не назначаются. Для существующих участков сети верхнее ограничение на потоки определяется исходя из оптимальных значений скоростей движения воды:
= I/ ж' д2 /И(-\
б = ^пт ■—■ (15)
По каждому участку сети определяется и назначается стоимость единицы потока. Для фиктивных ветвей входа потоков - это стоимости забора и водоподготовки одного м3 воды, для реальных трубопроводных участков сети - это стоимость транспортировки одного м3 воды на 1 км трубопровода. Для фиктивных участков выхода потока стоимости не назначаются, либо принимаются в виде затрат на дальнейшую
транспортировку одного м3 воды до конкретных абонентов. Для существующих участков сети стоимости единицы потока соответствуют эксплуатационным затратам.
С учетом построенной таким образом транспортной сети решается задача поиска максимального потока минимальной стоимости.
Результаты и их обсуждение
В результате оптимизации определяются места положения и производительности водозаборов и очистных сооружений, оптимальная трасса трубопроводной системы и ее параметры. При этом возможны варианты полностью централизованной или децентрализованной системы водоснабжения.
На основе предлагаемой методики проведены оптимизационные расчеты и выполнены исследование на примере Черемховского группового водопровода Иркутской области. В качестве возможных источников водоснабжения рассматриваются: новый поверхностный водозабор из р. Белая (пос. Бельск), вода в котором требует установки станции обезжелезивания, осветления, обесцвечивания и обеззараживания; существующий Черемховский водозабор руслового типа из р. Ангара с водопроводными очистными сооружениями, производительностью 85 тыс. м3/сут. (г. Свирск); новый подземный водозабор в пос. Рысево, где вода по химическому составу в основном соответствует требованиям ГОСТ Р 54316-20115, но дебит скважин незначительный (порядка 2,52 м3/ч). В каждом населенном пункте на глубине 80-100 м имеется вода и можно организовать подземный водозабор, но с установкой станций умягчения и обезжелезивания воды. С учетом возможных водозаборов (практически в каждом населенном пункте), возможных трубопроводных участков, проходящих вдоль существующих дорог, была намечена избыточная схема, представленная на рис. 3 (количество потребителей - 33, общий расход на сети - 0,2 м3/с). С учетом избыточной схемы, составлена транспортная схема (см. рис. 4) и произведены оптимизационные расчеты. Получен оптимальный вариант, который представлен на рис. 5.
€ia ры й Кугугун
Рис. 3. Избыточная схема Черемховского группового водопровода Fig. 3. Redundant scheme of Cheremkhovo group water supply
5ГОСТ Р 54316-2011 Воды минеральные природные питьевые. Общие технические условия (с изм. N 1-5). Введ. 01.07.2012. М.: Стандартинформ, 2011. / GOST R 54316-2011 Mineral water natural waters. General technical conditions (Amended N 1-5). 01.07.2012. Moscow: Standartinform Publ., 2011.
Рис.4. Транспортная схема Черемховского группового водопровода Fig. 4. Transport scheme of Cheremkhovo group water supply
Согласно рис. 5, к существующей системе водоснабжения от Черемховского водозабора подключаются дополнительно два населенных пункта: д. Чемодариха и д. Ходорожная; он нового водозабора в п. Бельск подключаются три населенных пункта: д. Елань, Средний Булай, Ключи; от нового водозабора в п. Рысево подключаются 8 населенных пунктов. Все другие населенные пункты должны иметь локальные водозаборы с водопроводными очистными сооружениями. На рис. 6 представлен вариант, который выбрали проектировщики на основе водозабора из р. Ангара с устройством водопроводных очистных сооружений (уже построенных на производительность 80 тыс. м3/сут.). По приведенным затратам вариант, представленный на рис. 5, на 21% оказался экономичнее предложенного проектировщиками.
Рис. 5. Оптимальная схема Черемховского группового водопровода Fig. 5. Optimal scheme of Cheremkhovo group water supply
Рис. 6. Проектный вариант Черемховского группового водопровода Fig. 6. Project variant of Cheremkhovo group water supply
Выводы
Предлагается новая методика оптимизации групповых водопроводов, которая позволяет в комплексе решать следующие задачи:
- оптимизировать места расположения и производительности водозаборных сооружений из поверхностных и подземных источников воды;
- оптимизировать места установки, производительность и состав водопроводных очистных сооружений;
- выбирать трассу групповых трубопроводов и их оптимальные диаметры. Разработанная методика и программный комплекс6 являются эффективным
инструментом при обосновании перспективных схем развития районных систем водоснабжения и могут быть полезны как проектировщикам, так и лицам, принимающим решения по развитию урбанизированных территорий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Симонова А.А. Экономика систем инженерного оборудования. М.: Стройиздат, 1990. 344 с.
2. Богуславский Л.Д., Симонова А.А. Технико-экономические основы проектирования систем водоснабжения и канализации. М.: МИСИ, 1984. 325 с.
3. Сердюк Е.И., Кузнецов В.И., Артемонова Л.Г. Мелиорация и водное хозяйство. Экономика. М.: Ко-лос,1984. 255 с.
4. Саломеев В.П. Реконструкция инженерных систем и сооружений водоотведения: монография. М.: Изд-во АСВ, 2009. 192 с.
5. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985. 278 с.
6. Шевелев Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб. Изд. 5-е, доп. М.: Стройиздат, 1973.
7. Баженов В.И., Пупырев Е.И., Самбурский Г.А., Березин С.Е. Разработка методики расчета стоимости жизненного цикла оборудования систем и сооружений для водоснабжения и водоотведения // Водоснабжение и санитарная техника. 2018. №2. С. 10-19.
8. Стоимость жизненного цикла насоса/ под ред. Л. Френнинга и др. Брюссель: Изд-во Гидравлическо-
6Мелехов Е.С., Чупин В.Р., Чупин Р.В. Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ № 2016615463 TRACE-VR от 25 мая 2016 г. / Melekhov E.S., Chupin V.R., Chupin R.V. Certificate of state registration of the computer program № 2016615463 TRACE-VR from 25 May 2016.
го института, 2001. 222с.
9. Гогина Е.С., Гуринович А.Д. Применение методики LCC для оценки эффективности проектов сооружений очистки сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2016. № 9. С. 36-41.
10. Чупин Р.В., Фам Н.М. Оптимизация вариантов развития систем водоотведения // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость.2016. № 3 (18). С. 101-113.
11.Чупин Р.В., Мелехов Е.С. Развитие теории и практики моделирования и оптимизации систем водоснабжения и водоотведения: монография. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 323 с.
12. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978. 432 с.
13. Чупин Р.В. Оптимизация развивающихся систем водоотведения: монография. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2015. 418 с.
14. Чупин Р.В., Фам Н.М., Горьков Е.А., Мороз М.В. Индикативное и адаптивное управление развитием системы водоотведения // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018. Т. 15/8. № 2 (25). С. 94-107.
15. Чупин Р.В., Майзель И.В. Инвестиции в развитие систем водоснабжения и водоотведения // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость.2013. № 1 (4). С. 126-133.
16. Мушик Э., Мюллер П. Методы принятия технических решений. М.: Мир, 1990. 208 с.
REFERENCES
1. Simonova A.A. Ekonomika system inzhenernogo oborudovaniya [Economics engineering systems]. Moscow: StroiizdatPubl., 1990. 344 p.
2. Boguslavskii L.D., Simonova A.A. Tekhniko-ekonomicheskie osnovy proektirovaniya system vodo-snabzheniya i kanalizatsii [Technical and economic bases of design of systems of water supply and Sewerage]. Moscow: MISI Publ., 1984. 325 p.
3. Serdyuk E.I., Kuznetsov V.I., Artemonova L.G. Reclamation and water management. Economy [Meliorat-siya I vodnoe khozyaistvo. Ekonomika].Moscow: Kolos Publ., 1984. 255 p.
4. Salomeev V.P. Rekonstruktsiya inzhenernykh system i sooruzhenii vodootvedeniya [Reconstruction of engineering systems and wastewater disposal facilities]. Moscow: ASV Publ., 2009. 192 p.
5. Merenkov A.P., KhasilevV.Ya. Teoriya gidravlicheskikh tsepei [Theory of hydraulic circuits]. Moscow: Nauka Publ., 1985. 278 p.
6. Shevelev F.A. Tablitsy dlya gidravlicheskogo rascheta stal'nykh, chugunnykh, asbestotsementnykh, plastmassovykh I steklyannykh vodoprovodnykh trub [Tables for hydraulic calculation of steel, cast iron, and glass water pipes]. Moscow: Stroiizdat Publ., 1973.
7. Bazhenov V.I., Pupyrev E.I., Samburskii G.A., Berezin S.E. Development of methodology for calculation of life cycle cost of equipment, systems and constructions for water supply and sanitation. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water supply and sanitary technique]. 2018, no. 2, pp. 10-19.
8. Frenning L. Life cycle cost of the pump. Bryussel': Gidravlicheskiy institute Publ., 2001. 222 p.
9. Gogina E.S., Gurinovich A.D. The use of LCC methods for assessing the effectiveness of projects of wastewater treatment. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Supply and sanitary engineering]. 2016, no. 9, pp. 36-41.
10. Chupin R.V., Fam N.M. Optimization options of wastewater system development. Izvestiya vuzov. Inves-titsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate] 2016, no. 3 (18),pp. 101-113. https: //doi.org/10.21285/2227-2917-2016-3-101-103
11. Chupin R.V., Melekhov E.S. Development of theory and practice of modeling and optimization of water supply and sanitation systems. Irkutsk: Irkutsk state technical University Publ., 2011. 323 p.
12. Kristofides N. Teoriya grafov. Algoritmicheskii podkhod [Graph theory. Algorithmic approach]. Moscow: Mir Publ., 1978. 432 p.
13. Chupin R.V. Optimizatsiya razvivayushchikhsya system vodootvedeniya [Optimization of developing water disposal systems]. Irkutsk: Irkutsk State Technical University Publ., 2015. 418 p.
14. Chupin R.V., Fam N.M., Gor'kov E.A., Moroz M.V. Indicative and adaptive management of wastewater system improvement. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate]. 2018. T. 15/8. № 2 (25). pp. 94-107. https: //doi.org/10.21285/2227-2917-2018-2-94-107
15. Chupin R.V., Maizel' I.V. Investitsii v razvitie system vodosnabzheniya i vodootvedeniya. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate]. 2013, no. 1 (4), pp. 126-133.
16. Mushik E., Myuller P. Metody prinyatiya tekhnicheskikh reshenii [Methods of technical decision-making]. Moscow: MirPubl, 1990. 208 p.
Критерии авторства
Мелехов Е.С., Шлепнёв О.К. имеют равные авторские права. Мелехов Е.С. несет ответственность за плагиат.
Contribution
Melekhov E.S., Shlepnev O.K. have equal author's rights. Melekhov E.S. bears the responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
