Схемно-структурная оптимизация систем водоотведения поверхностного водостока и ливневой канализации

УДК 628.218

СХЕМНО-СТРУКТУРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ВОДООТВЕДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ВОДОСТОКА И ЛИВНЕВОЙ КАНАЛИЗАЦИИ

В.Р. Чупин, И.В. Майзель, Р.В. Чупин, А.В. Житов

Выбор оптимальных структур и параметров ливневой канализации предлагается осуществлять одновременно с оптимизацией системы водоотведения поверхностного водостока. Эту задачу предлагается решать на предварительно построенной избыточной схеме, которая включает все возможные трассы ливневой канализации и возможные варианты разбивки площадей водосбора. Методика основывается на целенаправленном переборе вариантов деревьев избыточной схемы с оптимизацией площадей водосбора для каждого из анализируемых трасс. В работе предлагается методика стоимостной оценки каждого варианта анализируемых трасс.

Ключевые слова: системы водоотведения поверхностного водостока; избыточная схема проектных решений; метод поконтурной минимизации.

SCHEME AND STRUCTURAL OPTIMIZATION OF WATER DISCHARGE SYSTEMS OF THE SURFACE WATERCOURCE AND STORM-SEWAGE SYSTEM

V.R. Chupin, I.V. Maizel, R.V. Chupin, A.V. Zhitov

It is offered to make the choice of effective structures and data of storm-sewage system together with the optimization of water discharge system of surface watercource. It is offered to solve this problem on the basis of preliminary scheme which includes all the possible lines of a storm-sewage system and all possible variants of layout of water collection areas. The methodics is based on the goal-seeking search of variants of trees of the extra scheme with optimization of water collection areas for each of analysed lines. We also offer the methods of the price evaluation of each variant of analysed lines.

Key words: water discharge systems of the surface watercource; extra scheme of project decisions; method of contour minimization.

Известно, что оптимальный результат при проектировании достигается на уровне выбора трасс систем водоотведения. К сожалению, в проектной практике принято рассматривать 2-3 варианта трасс из-за отсутствия работоспособных методик и программ. При этом город разбивается на систему бассейнов водосбора, в каждом из которых намечается главный коллектор с выпуском воды в водоем или на локальные очистные сооружения. Границы бассейнов устанавливаются по рельефу местности. В каждом бассейне различают общий и частные бассейны. Общий - формирует главный коллектор, частные -определяют поверхностный сток по расчетным участкам сети. Рекомендуется принимать площадь общего коллектора не более 75-200 га, при этом диаметр главного коллектора составит 1000-1200 мм. Главный коллектор обычно проектируют по тальвегам и по наикратчайшему расстоянию и водоему по магистральным улицам городов. Хотя многие города имеют плавный рельеф местности и планировка их может не способствовать вышеизложенным рекомендациям. Возникает многовариантность проектных решений не только в выборе магистральных и второстепенных коллекторов, но и в формировании бассейнов водосбора. Так, например, даже для одного квартала могут быть несколько десятков вариантов разбивки общего бассейна на частные (см. рис. 3) и, следовательно, будет столько же вариантов трассировки ливневой канализации данного квартала. Общее коли-

чество вариантов деревьев для графа из пяти вершин будет следующим: 55 2 = 125 деревьев, а для сети из 20 участков уже 2018 = 262144 1018 вариантов.

Очевидно, даже самая быстродействующая вычислительная машина для сетей из десятков и сотен тысяч участков не в состоянии построить и проанализировать все варианты трасс.

В работе предлагается приближенная методика решения данной задачи. Она основывается на целенаправленном переборе вариантов деревьев избыточной схемы. Перебор деревьев осуществляется по методике поконтурной минимизации, изложенной в работе Р.В. Чупина и Е.С. Мелехова «Развитие теории и практики моделирования и оптимизации систем водоснабжения и водоотведения» [1].

Задача сводится к безусловной минимизации функции вида:

n ( c m-1 ^

mm(x)+ XФ 2в* • - 2aij  Qj

i=1 i=c+l у r =1 j=l J

Согласно выражению (1), с изменением хордовой переменной Хх в контуре г меняется величины хё1 только на ветвях дерева, принадлежащих данному контуру, а нагрузки остальных участков остаются неизменными. Следовательно, можно организовать процесс поконтурной (покоординатной относительно контурных расходов) минимизации критериальной функции, 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 (т.е. формируется процедура типа метода Зейделя).

Для каждого анализируемого контура решается задача распределения площадей общего бассейна между отдельными коллекторами, входящими в анализируемый контур. Задача сама по себе носит оптимизационный характер и должна решаться в комплексе с выбором оптимальной трассы самотечных коллекторов. На рис. 3 для анализируемого варианта трассы сети водоотведения проиллюстрированы варианты разбивки общего бассейна водосбора между коллекторами. Для вариантов представленных на рис. 2, а, б, в -весь бассейн водосбора последовательно подключается к каждому из коллекторов в отдельности. Для вариантов, представленных на рис. 2, г, д, е, с разбивкой двумя коллекторами. Для вариантов, представленных на рис. 2, ж - с равномерной разбивкой между тремя коллекторами. Для вариантов, представленных на рис. 2, з, и, к - с неравномерной разбивкой между коллекторами.

При рассмотрении каждого из вариантов привязки площадей общего бассейна к коллекторам производится расчет нагрузок по всем участкам выбранного варианта трассы, определяются диаметры, уклоны и оценивается данный вариант строительства.

Согласно СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения» [2] и рекомендаций по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока [3], расходы дождевых вод в коллекторах ливневой канализации ц , л / с, определяются методом

предельных интенсивностей. Расчетный расход сточной жидкости вычисляется по формуле:

>1,2

7 v, A F

„ _ ^ mid /I_

qr = i,2n-0,i '

tr

где 7mid - среднее значение коэффициента, характеризующего поверхность бассейна стока, для г. Иркутска этот коэффициент принимает значения 0,12-0,18;

Как рекомендует СНиП параметры A и n 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:

А = д20 • 20" • (1 + ) Щ тг

где q20 - интенсивность дождя, л/с на 1 га, продолжительностью 20 мин при периоде однократного превышения расчетной интенсивности дождя, при Р = 1 год; п, у - показатели степени; тг - средние количество дождей за год.

Для г. Иркутска q20 = 65-70 л/с на 1 га, п= 0,6, тг = 90, у= 1,5, следовательно, А =

392,22.

Р - расчетная площадь стока, га;

- расчетная продолжительность дождя, равная продолжительности протекания

поверхностных вод по поверхности и трубам до расчетного сечения трубопровода.

Учитывая, что ливневая канализация проектируется из условия работы коллекторов полным сечением можно поле преобразований получить следующие формулы зависимости диаметра коллектора от транспортируемого расхода:

7 АР

q = -- /

Чг ПППП «1,2п-0,1 71,2п-0,1 0,9п-0,075 '

0,3п-0,025 -0,45п-0,0375

q • I

Принимая определенные численные значения, например для г. Иркутска: А = 392, 22; =0,15; Р = 1 га; I =1 км.

17

Принимая ^ = — , с получим:

V

0,194235 • I °<45п-0<0375

q = 1,025-0,3«1-——- м3/с

1 0 000531'2"-0'1 • ю3'6"-0'3 • п°'9"-0,075 '14

1,025-0,3п п со1,2п-0,1 0,9п-0,075

ш • 0,53 • п

I = 0,45п-0,0375 ^_I__

0,194235

Диаметр коллектора а , м:

, 1,55 • q0375 • п0375

а =-или

^ 0,1875

1 ^ л 0,375

й =--1,55 •п ---q0 375

I-0.1875 " ^ '

0,45п-0,0375,

0,1875

^1,025-0,Зп 0 531,2п-0,1 п0,9п-0,075

0,194235

Определение стоимости единицы потока. Воспользуемся информацией, приведенной в укрупненных нормативах цен строительства: НЦС 81-02-14-2012 «Сети водоснабжения и канализации». Для прокладки коллектора открытым способом на глубине 3 м получены зависимости, которые представлены на рис 1.

С учетом формулы (5), принимая наполнение (1), преобразуем зависимости стоимости прокладки трубопроводов от их диаметра в функции стоимости от расхода транспортируемой сточной жидкости (см. рис. 2).

Эти зависимости используются при оценке вариантов анализируемых трасс системы ливневой канализации.

В качестве примера для иллюстрации применения предлагаемой методики была рассчитана система ливневой канализации для нового района г. Ангарска.

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

ш

о. <_] л 1- 4 ,1,1376

Е ^ с= т—1 -й О}-] 16209  У' 1

<_| О Е и о н а = 981 5968

Си =5 826^ ¿0,5952

1 3989,6 +^3773

д <1аметр, м

0 0,05 01 015 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

* АсЁЕСТаЦЕМЕНТНЫЕ трубы

• Палаэти л е на вые тру Е ы

• ЧугунныЕ труйы

* КЕраМИЧЕСКИЕТруЁЫ

Рис. 1. График зависимости стоимости строительства коллектора от диаметра полиэтиленовых труб

ю

0,0

0,5 1,0

• А сбе сто цементные трубы

• Поли этиленовые трубы

1,5 2,0 2,5 3,0

• чугунные трубы

Керамические трубы

Расход, м3 /с 3,5 4,0

Рис. 2. График зависимости стоимости строительства от расхода

На рис. 5 представлен проектный вариант трассировки коллекторов и разбивки бассейнов водосбора. С учетом особенностей рельефа местности и возможности прохождения трасс ливневой канализации построена избыточная схема, представленная на рис. 6. Проектный вариант трассы принят за начальное приближение вычислительного процесса. В избыточной схеме каждый возможный коллектор представлен тремя участками, что позволяет моделировать его в трех состояниях. Данный коллектор имеет место быть в анализируемом варианте трассы и движение потока может быть организовано в прямом и обратном направлениях (при удалении участков с малой протяженностью). Он может быть исключен из анализируемого варианта, если удаляется основной, самый протяженный участок схемы. Таким образом, в каждом контуре последовательно рассматриваются 12

участков и для каждого варианта трассы производится анализ 12 вариантов разбивки массивов сбора воды с территории.

В результате вычислительного процесса был определен оптимальный вариант, который представленный на рис. 7. Если стоимость проектного варианта составляет 496 млн руб., то расчетный вариант оценивается в 387 млн руб. При этом конфигурация оптимального варианта отличается от проектного и основные магистрали не совпадают с кратчайшими расстояниями.

Таким образом, выбор основных коллекторов по наикратчайшему расстоянию до узлов сброса стоков не всегда будет оптимальным с экономической точки зрения. Только расчеты, выполненные по предлагаемой методике, могут позволить оптимально обосновать трассу коллекторов и разбивку общих массивов водосброса.

Ж

а)

) V /

**

1 <р л

Л 52-1 —' 4—' 52-4 -

б)

О

1

I

51-3 $2-4_

"Ш -

в)

е)

I

_

«-

г *-

I

ж)

Рис. 3. Варианты трассировки коллекторов и разбивки бассейнов водосбора

Рис. 4. Варианты формирования бассейнов водосбора

Рис. 5. Проектный вариант трассы коллекторов и разбивки бассейнов водосбора

Рис. 6. Избыточная схема для оптимизации системы ливневой канализации нового микрорайона,

г. Ангарск

Рис. 7. Оптимальный вариант трассы коллекторов и разбивки бассейнов водосбора

Предлагаемая методика и ее программная реализация могут применяться при обосновании новых и реконструкции, развитии существующих систем ливневой канализации [4, 5].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Чупин Р.В., Мелехов Е.С. Развитие теории и практики моделирования и оптимизации систем водоснабжения и водоотведения. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 323 с.

2. СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения».

3. 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.

4. Чупин В.Р., Майзель И.В., Чупин Р.В. Инвестиция в развитие систем водоснабжения и водоотведения // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2013. № 1.С. 126-133.

5. Чупин Р.В., Бобер А.А. Повышение надежности проектируемых и реконструируемых систем водоотведения // Вестник ИрГТУ. 2012. № 9. С. 113-119.

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.

Майзель Ирина Витальевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Городское строительство и хозяйство», тел.: 89086624237; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Чупин Роман Викторович, кандидат технических наук, докторант кафедры «Городское строительство и хозяйство», тел.: (3952) 40-51-45, e-mail: chupinvr@istu.edu; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Житов Александр Владиленович, аспирант кафедры «Городское строительство и хозяйство», тел.: (3952) 40-51-45, 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.

Mayzel I.V., Candidate of Technical Sciences, associate professor of Urban development and economy, tel.: 89086624237; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Chupin R.V., Candidate of Technical Sciences, doctoral candidate of Urban development and economy, tel.: (3952) 40-51-45, e-mail: chupinvr@istu.edu; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Zhitov A.V., Post-graduate, Department of urban development and economy, tel.: (3952) 40-51-45, e-mail: ntarussia20587@gmail.com; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.