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        基于供排水工程系統(tǒng)優(yōu)化的鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中居住區(qū)規(guī)模分析

        2022-06-08 02:50:56莊玉澤辛乾龍張禮華
        西北水電 2022年2期
        關(guān)鍵詞:居民區(qū)居民點水流量

        莊玉澤,辛乾龍,張禮華

        (1.南京信息工程大學(xué),南京 210000;2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065;3.揚州大學(xué),江蘇 揚州 225000)

        0 前 言

        中國傳統(tǒng)的農(nóng)村居民居住區(qū)布局一般以耕作半徑為依據(jù),導(dǎo)致現(xiàn)有村鎮(zhèn)居住區(qū)規(guī)模小,較為分散凌亂,農(nóng)田集中程度不高,基礎(chǔ)設(shè)施相對落后,進行基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施的規(guī)模建設(shè)面臨較大困難。近年來,在我國新農(nóng)村建設(shè)中,通過有序推進拆村并點工作,相應(yīng)建設(shè)農(nóng)村集中居住區(qū),將原先分散居住的農(nóng)村居民集中居住,以期合理利用土地,優(yōu)化資源配置,節(jié)約基礎(chǔ)設(shè)施和公共設(shè)施投資,提高土地的利用效率,提高民眾生活水平[1-2]。

        近年來,眾多學(xué)者對我國拆村并點后集中居住區(qū)工作中的相關(guān)問題進行了大量研究,取得了豐碩的成果,其研究主要內(nèi)容一般關(guān)注于集中居住區(qū)居民規(guī)模確定情況下,進行農(nóng)民集中居住區(qū)居民滿意度調(diào)查分析、景觀設(shè)計、空間規(guī)劃等[3-6]。同時,對于集中居住區(qū)、市政給排水工程問題,眾多學(xué)者也提出了不少見解,一般聚焦于集中居住區(qū)居民規(guī)模確定情況下集中居住區(qū)給、排水管網(wǎng)線路布置、管徑選擇、管網(wǎng)漏損計算等[7-9]。但目前較少見到相關(guān)文獻對農(nóng)村拆村并點的農(nóng)民集中居住區(qū)規(guī)模進行研究,也未見到在集中居住區(qū)位置確定條件下,尋求不同居住區(qū)合理規(guī)模,以此確定最小的給、排水管路管徑,從而降低工程投資。因此,本文針對農(nóng)村拆村并點工作中,不同居住區(qū)位置及總體拆遷居民數(shù)量確定條件下,以給、排水工程建設(shè)投資最少為目標函數(shù),以各居住區(qū)居民數(shù)量為決策變量,一定給、排水標準下的給水流量、排水水量為約束條件,建立集中居住區(qū)適宜規(guī)模優(yōu)化模型,并采用動態(tài)規(guī)劃方法[10]進行求解,從而減少居民點給、排水管網(wǎng)工程投資,為新農(nóng)村建設(shè)中拆村并點居住區(qū)工程建設(shè)提供參考。

        1 居民區(qū)人口規(guī)劃模型與求解方法

        1.1 模 型

        一定的居民區(qū)數(shù)量及規(guī)劃總?cè)丝诖_定條件下,以滿足該居民區(qū)給水和排水工程投資費用最少為目標函數(shù),以給水站日可供水流量、單個居民點可居住人口、給排水管徑選用規(guī)格為約束條件,建立數(shù)學(xué)模型如下:

        (1) 目標函數(shù):

        (1)

        (2) 總?cè)丝诩s束:

        (2)

        其中單個居民點居民人口約束:

        [Pi,min]≤Pi≤[Pi,max]

        (3) 總流量約束:

        (3)

        (4) 流速約束:一般給水管管道流速介于0.6 ~1.5 m/s之間,即0.6 m/s≤v≤1.5 m/s。

        (5) 管徑約束:Dmin≤D≤Dmax,其中,Dmin、Dmax分別為最小管內(nèi)徑、最大管內(nèi)徑,m。

        公式(1)中:F為給水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)工程總投資,萬元,這里僅考慮不同管徑對投資的影響,不考慮由于施工、管理等造成的投資變化;Di,給水管為第i號居民區(qū)的給水管管徑,m,根據(jù)給水流量確定;Di,排水管為第i號居民區(qū)的排水管管徑,m,根據(jù)規(guī)劃排水流量確定;f(Di,給水管)為第i號居民區(qū)給水管管徑為Di(標準管徑)時相應(yīng)工程投資,萬元,由給水管管徑-投資及給水管長度綜合確定;f(Di,排水管)為第i號居民區(qū)排水管管徑為Di(標準管徑)時相應(yīng)工程投資,萬元,由排水管管徑-投資及排水管長度綜合確定;Pi、[Pi,max]、[Pi,min]、P分別為第i號居民區(qū)規(guī)劃居住人口、第i號居民區(qū)最大允許居住人口、最小居住人口;規(guī)劃總?cè)丝?,人?為第i號集中居住區(qū)實際給水流量,由該居民區(qū)實際居住人口及最高時用水流量確定,m3/s;Q為總給水流量,m3/s。

        1.2 方 法

        上述模型為在一定的總給水流量約束條件下,尋求不同居民區(qū)適宜居住人口,確定最小給、排水工程投資,可采用動態(tài)規(guī)劃進行求解。

        (1) 變量確定

        將每一居民區(qū)人口作為一個決策階段,按順序編號,可采用逆向推行法計算。階段變量由動態(tài)規(guī)劃對變量的要求,確定居民區(qū)編號為i,i=1,2,…,k;決策變量根據(jù)各居民區(qū)規(guī)劃人口Pi為決策變量,并進行離散,離散時,根據(jù)人口數(shù)量實際,可采用總?cè)丝跀?shù)量的相應(yīng)比例進行離散,如0、5%P、10%P、15%P,…,P;狀態(tài)變量根據(jù)狀態(tài)變量所具有的特性,選擇按照居民區(qū)累加的人口λi為狀態(tài)變量。

        (2) 根據(jù)給水流量的不同,給水管、排水管管徑采用下式進行計算:

        (4)

        公式(4)中:D為給水管道內(nèi)徑,m;Q為設(shè)計流量,m3/h;v為管內(nèi)流速,m/s。

        根據(jù)計算出的管徑,并轉(zhuǎn)換成標準管徑,通過管徑(內(nèi)徑)—單位長度投資(元)之間的關(guān)系,確定管道工程投資。排水管流量可采用給水管流量的相應(yīng)比例進行估算,排水管采用無壓流,其充盈度以0.8估算。

        (3) 動態(tài)規(guī)劃的求解

        由動態(tài)最優(yōu)化原理,將總?cè)丝?在各居民區(qū)間進行分配,以此尋求該階段最小給水流量及相應(yīng)給排水投資費用[6]。

        1)N=1(第一階段,即第1居民區(qū)):

        λ1=0,P1,P2,…,Pi。式中:P1,P2等為離散的階段居民人口,Pi為第i時段總?cè)丝?;狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程如下:

        f1(λ1)=f1(D1,給水管)+f1(D1,排水管)

        (5)

        公式(5)中:f1(D1,給水管)指給水管管徑為D1,給水管時,給水管工程投資,元;其值的計算過程,首先根據(jù)居民用水定額q用水定額,與居民人數(shù)離散值,確定該階段給水流量,即Q1=λ1q用水定額離散值,再根據(jù)公式(4)計算相應(yīng)管徑,并轉(zhuǎn)換成標準管徑,最后根據(jù)管徑(內(nèi)徑)—單位長度投資(元)之間的關(guān)系,確定相應(yīng)給水管工程投資。

        f1(D1,排水管)指排水管管徑為D1,排水管時,排水管工程投資,元;其值的計算過程,首先根據(jù)給水流量,以相應(yīng)比例,確定排水流量,再根據(jù)公式(4)計算相應(yīng)管徑,并轉(zhuǎn)換成標準管徑,最后根據(jù)管內(nèi)徑—單位長度投資(元)之間的關(guān)系,確定相應(yīng)給水管工程投資。

        2)N=j(j=2~(k-1)階段,k為居民點數(shù)):

        λj=0,P1,P2,…,Pi。式中:P1,P2等為離散的階段居民人口(人),Pi為第i時段總?cè)丝?人),且Pi≤P;則:

        fj(λj)=min{fj(Dj,給水管)+fj(Dj,排水管)

        +fj-1(λj-1)}

        (6)

        狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程:

        λj=λj-1+Pj

        (7)

        3)N=k(最后一個階段,即最后1個居民區(qū)):

        fN(λN)=min{fN(DN,給水管)+fN(DN,排水管)

        +fN-1(λN-1)}

        (8)

        λN=0,P1,P2,…,Pi。式中:Pi為第i時段居民區(qū)總?cè)丝?人);B為離散步長。

        狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程:

        λN=λN-1+PN

        (9)

        則:

        Fi=fN(λN)

        (10)

        2 模型應(yīng)用

        (1) 基本狀況

        以江蘇某拆村并點區(qū)域為例,項目區(qū)遷居總?cè)丝跒? 000人,按照常規(guī)居民點人口分布方法,規(guī)劃將該9 000人平均安置于相隔10 km左右的3個集中居住點,每居民點3 000人。該3個集中居住區(qū)由一條主干給水管網(wǎng)集中供水,由于距離供水廠較遠,中途通過增壓站提升水壓,該增壓站最大供水水量130 m3/h,建設(shè)時考慮給水最大日時變化系數(shù)采用1.5。規(guī)劃鋪設(shè)給水管徑分別為DN280、DN250、DN160;排水管網(wǎng)距污水處理廠距離約10 km,排水流量以給水流量的75%進行估算,排水管徑規(guī)劃分別采用DN110、DN160、DN200,管網(wǎng)工程投資(不考慮施工、管理等其它費用)按照“江蘇工程造價網(wǎng)”(2021年5月)進行計算,整個給、排水管網(wǎng)總投資1 017萬元。

        該3個居民區(qū)建設(shè)時,考慮到未來的發(fā)展,同時考慮到居民意愿和分布需求,每集中居住點均留有一定的擴展余量和最低居住人口要求,可居住人口上限為最大不超過5 000人,最小不低于1 000人。項目區(qū)示意見圖1。

        (2) 根據(jù)“江蘇工程造價網(wǎng)”(2021年5月),供排水管(PVC-U管,江特牌)不同規(guī)格時單價見表1。

        表1 管材單價

        (3) 根據(jù)上述基本條件,為減少管網(wǎng)工程投資,合理分布每個居民點人口數(shù)量,建立數(shù)學(xué)模型如下:

        1) 目標函數(shù):

        (11)

        2) 總?cè)丝诩s束:

        (12)

        3) 單個居民點人口約束:

        1000≤Pi≤5000 (i=1、2、3)

        (13)

        4) 總流量約束:

        (14)

        5) 流速約束:一般給水管管道流速介于0.6~1.5 m/s之間,即0.6 m/s≤v≤1.5 m/s。

        6) 管徑約束:Dmin≤D≤Dmax,其中Dmin、Dmax分別為最小管內(nèi)徑、最大管內(nèi)徑,m;一般集中居住區(qū)供排水管路管徑為90~500 mm之間。

        式中各參數(shù)的意義參見1.1部分。

        (4) 結(jié)論與分析

        采用前述動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化方法對集中居住區(qū)規(guī)模進行優(yōu)化,離散步長1000人,并以此確定相應(yīng)最優(yōu)的給排水管道工程投資,結(jié)果見表2前3行。

        表2 集中居住區(qū)供排水方案結(jié)果

        將上述優(yōu)化結(jié)果與該3個集中居住區(qū)原規(guī)劃方案(每居民區(qū)3 000人)進行比對,結(jié)果見表2。可見當集中居住區(qū)位置、給水、排水距離均已確定情況下,優(yōu)化方案相較于規(guī)劃方案,管道工程投資節(jié)約211萬元,節(jié)省比例達20.7%,說明本方法應(yīng)用于農(nóng)村集中居住區(qū)規(guī)模優(yōu)化,可有效減少給排水管網(wǎng)投資,取得較好的經(jīng)濟效益。

        3 結(jié) 論

        (1) 本文針對現(xiàn)行江蘇撤鄉(xiāng)并鎮(zhèn)工作中居民點的規(guī)模問題,建立了一定的居民區(qū)數(shù)量及規(guī)劃總?cè)丝诖_定條件下,以滿足該集中居住點給、排水工程投資費用最少為目標函數(shù),給水站日可供水流量、單個居民點可居住人口、給排水管徑選用規(guī)格為約束條件的數(shù)學(xué)模型,并采用動態(tài)規(guī)劃方法進行求解,從而確定適宜的農(nóng)村居住區(qū)規(guī)模;通過實例分析可知,優(yōu)化方案相較于原規(guī)劃方案,給排水管網(wǎng)工程投資節(jié)省20.7%,說明該方法可有效減少工程投資費用,可為其它不同類型的集中居住區(qū)工程規(guī)模的確定提供借鑒。

        (2) 居民集中居住區(qū)規(guī)模優(yōu)化結(jié)果受離散步長影響較大,本文實例采用1 000人作為離散步長,如需取得更精確的優(yōu)化結(jié)果,可進一步減小離散步長。

        (3) 本文污水處理量采用按最大給水流量的相應(yīng)比例進行計算,優(yōu)化結(jié)果顯示,越靠近給水點,居民集中居住區(qū)規(guī)模在允許范圍內(nèi)可適當增大,其后其他居民集中居住點規(guī)模相應(yīng)減小。

        (4) 集中居住區(qū)規(guī)模確定影響因素較多,如拆村并點后群眾耕作半徑、居住意愿等,均會對不同集中居住區(qū)規(guī)模產(chǎn)生較大影響。本文在不考慮其他影響因素的前提下,由于3個集中居住區(qū)給排水間距相同,但其它類似工程中,由于集中居住區(qū)位置不同,給排水工程路線、距離變化較多,其優(yōu)化結(jié)果也會產(chǎn)生相應(yīng)變化。

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