山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置研究

杜紅平

（濟(jì)源市王屋山供水站）

0 引言

供水管網(wǎng)是山區(qū)農(nóng)村供水系統(tǒng)的主要組合內(nèi)容，也是供水系統(tǒng)中投資最大、施工難度也最大的項(xiàng)目，投資成本占中投資金額的60%～80%。供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置可有效降低投資成本，并合理縮短供水距離，減少無(wú)故能耗，提升山區(qū)供水管網(wǎng)運(yùn)行管理水平?；诖?，開(kāi)展山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置研究就顯得尤為重要。

1 案例分析

某山區(qū)地區(qū)，海拔比較高，一般在1 500～2 200 m之間，地勢(shì)起伏比較大，地形地貌崎嶇蜿蜒，有一座小型水庫(kù)工程，負(fù)責(zé)該區(qū)域農(nóng)作物灌溉和人畜飲水。灌區(qū)覆蓋范圍包括34 個(gè)村寨，滿(mǎn)足0.48 hm2農(nóng)作物灌溉需求、5.20 萬(wàn)人和1.46 萬(wàn)頭牲口的飲水需求。灌區(qū)耕地多分布在山間臺(tái)地、坡地，高程在1 250～1 700 m之間。

2 山區(qū)供水管網(wǎng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀分析

山區(qū)供水管網(wǎng)是山區(qū)農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活生產(chǎn)的主要基礎(chǔ)設(shè)施，合理布置山區(qū)供水管網(wǎng)，對(duì)改善居民生活品質(zhì)、提升農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入、促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展有重要的作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，山區(qū)供水管網(wǎng)造價(jià)占山區(qū)農(nóng)村供水系統(tǒng)總造價(jià)的60%～80%，科學(xué)合理地布置山區(qū)供水管網(wǎng)，有助于降低投資成本，滿(mǎn)足用水便捷性和安全性的要求。目前很多山區(qū)供水管網(wǎng)在布置優(yōu)化過(guò)程中，多采用平面最小樹(shù)方法進(jìn)行優(yōu)化，但山區(qū)農(nóng)村地形地貌起伏波動(dòng)比較大，對(duì)平面最小樹(shù)優(yōu)化結(jié)果運(yùn)行的任何一個(gè)環(huán)節(jié)控制不當(dāng)，都會(huì)發(fā)生惡劣的后果，主要原因是此種優(yōu)化方法，會(huì)忽略復(fù)雜地形起伏變化特點(diǎn)。就案例山區(qū)而言，海拔高度在1 500～2 200 m 之間，最大高出為700 m，地面起伏比較大，致使兩點(diǎn)間直線(xiàn)距離不是“最短”距離，如果在山區(qū)供水管網(wǎng)布置優(yōu)化中，采用測(cè)地線(xiàn)方程求解來(lái)計(jì)算兩點(diǎn)之間的最短距離，會(huì)因?yàn)榈孛嫣匦?，難以用數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)表征，從而影響優(yōu)化效果。此外，本山區(qū)部分陡峭的山坡為懸崖，再加上山區(qū)供水管網(wǎng)對(duì)水利條件有非常苛刻的要求，平面最小樹(shù)方法也已不再適用。

3 山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置

3.1 需水量分析

需水量分析是山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置的第一步，也是比較重要的環(huán)節(jié)，只有先明確掌握山區(qū)農(nóng)作物灌溉、人畜飲水需水量情況，才能為山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。就案例山區(qū)地區(qū)而言，需水量情況如下：

農(nóng)作物灌溉需水量：截止到2019 年末，總國(guó)土面積為346.68 km2，總?cè)丝跒?.20 人，農(nóng)作物種植面積為0.91 萬(wàn)hm2，占總土地面積的21.64%，農(nóng)作物種植地多分布在1 200～1 750 m高程上，耕地比較分散。水庫(kù)工程建設(shè)完成之后，主要依靠天然水條件蓄水量，為滿(mǎn)足農(nóng)作物生長(zhǎng)需求，需要供水量滿(mǎn)足0.48萬(wàn)hm2耕地農(nóng)作物灌溉的需求，其中水田0.08萬(wàn)hm2，旱地0.40萬(wàn)hm2。

人畜需水量：山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置時(shí)需要滿(mǎn)足34個(gè)村寨人畜飲水需求，由于本山區(qū)地區(qū)無(wú)工業(yè)分布，因此，無(wú)工業(yè)用水，無(wú)需考慮工業(yè)用水需求。截止2019年底，該區(qū)域總?cè)丝跒?.20萬(wàn)人，1.46萬(wàn)頭牲畜。經(jīng)過(guò)對(duì)灌區(qū)人畜需水量進(jìn)行復(fù)核，凈總需水量為181 萬(wàn)m3/a，毛總蓄水量為191 萬(wàn)m3/a，生活需水量為168.50萬(wàn)m3/a，牲畜需水量為22.50萬(wàn)m3/a。

3.2 合理確定供水管線(xiàn)地基走向

按照目前該山區(qū)對(duì)供水需求量的要求，在山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置時(shí)，需要分為三大部分，包括總干管、北干管及其支管、東干管及其支管。其中總干管沿線(xiàn)地形地貌比較平緩，且地貌起伏變化幅度比較小，因此，可采用淺埋布置法，布置高程在1 761～1 745 m之間。為更好的滿(mǎn)足農(nóng)作物灌溉需求，總干管分兩個(gè)方向布置，其一向東北部灌區(qū)供水，其二向東南灌區(qū)供水，分級(jí)引管向南灌區(qū)和北灌區(qū)供水。北干管及其支管經(jīng)過(guò)的區(qū)域沒(méi)有沖溝和高山，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查，采用淺埋布線(xiàn)方法即可滿(mǎn)足要求。而東干管及其支管在布置時(shí)海拔比較高，最高海拔達(dá)到2 025 m，需要穿越4 座大山、3 條深溝谷，因此，很多大型機(jī)械設(shè)備無(wú)法順利到達(dá)指定位置，為適應(yīng)此種復(fù)雜多變的地形地貌，在山區(qū)供水管網(wǎng)布置時(shí)采用了隧道布線(xiàn)法，盡量沿直線(xiàn)布置，縮短線(xiàn)長(zhǎng)。支管部分地形地貌平緩，采用淺埋布線(xiàn)即可滿(mǎn)足要求。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

當(dāng)山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置大致走向圖確定好之后，就可以通過(guò)勘察獲得布線(xiàn)區(qū)域的地形點(diǎn)坐標(biāo)，并在建網(wǎng)之前進(jìn)行預(yù)處理。山區(qū)地區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置經(jīng)過(guò)的已知點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

表1 山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置經(jīng)過(guò)的已知點(diǎn)坐標(biāo)表

數(shù)據(jù)預(yù)處理采用了濾波和壓縮兩種方法。其中濾波法為：在建網(wǎng)過(guò)程中，為避免錯(cuò)誤點(diǎn)或者誤差較大點(diǎn)參與構(gòu)網(wǎng)，需要合理設(shè)置點(diǎn)過(guò)濾器，也就是保證供水管線(xiàn)布置的高程在合理范圍中。壓縮法為：在繪制山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置圖時(shí)，獲得的地形點(diǎn)非常密集，如果不經(jīng)壓縮直接采用三角網(wǎng)離散法繪制供水管線(xiàn)布置圖，需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算分析，將地形圖相關(guān)數(shù)據(jù)壓縮之后，再用計(jì)算機(jī)計(jì)算，可大幅度降低計(jì)算量，縮短計(jì)算時(shí)間。比如：總干管布置過(guò)程中，所處區(qū)域地形地貌比較平坦，高程在1 761～1 745 m 之間，這一高程也是供水管線(xiàn)布置的允許范圍。需要先提出超過(guò)此高程范圍的數(shù)據(jù)，同時(shí)刪除坐標(biāo)相近點(diǎn)和非特征點(diǎn)，再對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。

3.4 復(fù)雜地形表面離散三角網(wǎng)顯示

第一步，選擇數(shù)據(jù)比較集中點(diǎn)和邊界點(diǎn)，將相鄰點(diǎn)相互連接，形成離散點(diǎn)包容盒，為下一步建網(wǎng)操作奠定技術(shù)，本山區(qū)供水管網(wǎng)離散點(diǎn)集包容盒如圖1所示。

圖1 山區(qū)供水管網(wǎng)離散點(diǎn)集包容盒示意圖

第二步，將生成的包容盒沿著對(duì)角線(xiàn)劃分為2個(gè)初始三角形，便于后期離散優(yōu)化布置，提升山區(qū)供水管網(wǎng)布置效果，具體如圖2所示。

圖2 山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置初始離散三角形圖

第三步，對(duì)點(diǎn)集內(nèi)不在三角形邊界上的任意點(diǎn)，要先找到所在包容盒中的三角形，然后分別連接該點(diǎn)和包容盒中三角形各點(diǎn)，從而獲得全新的三角形劃分。

第四步，針對(duì)三角形邊界上的點(diǎn)，需要分別連接此邊界，作為兩個(gè)共享三角形的第三個(gè)頂點(diǎn)。然后重復(fù)上述步驟，直到所有點(diǎn)都形成三角形的頂點(diǎn)，最后剔除邊界冗余三角形。

第五步，所有數(shù)據(jù)按照TXT 文本格式輸出，然后按照上述步驟，即可以獲得離散三角形圖形，具體如圖3所示。

圖3 離散三角形網(wǎng)絡(luò)（總干管段）圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章結(jié)合實(shí)際案例，研究了山區(qū)供水管網(wǎng)離散優(yōu)化布置。研究結(jié)果表明，平面最小樹(shù)優(yōu)化布置法無(wú)法很好的適應(yīng)山區(qū)復(fù)雜多變地質(zhì)條件和地形條件。通過(guò)工程測(cè)量獲得復(fù)雜地形點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后再采用數(shù)字地面模型原理，對(duì)山區(qū)復(fù)雜地形進(jìn)行離散化分析，可獲得山區(qū)復(fù)雜地形的三角網(wǎng)絡(luò)劃分模型，從而解決了山區(qū)復(fù)雜地形用數(shù)學(xué)方式無(wú)法表達(dá)和求解的問(wèn)題，為山區(qū)供水管線(xiàn)布置提供更加有效的指導(dǎo)和參考，保證供水管線(xiàn)布置效果，解決山區(qū)村民飲水難、用水難的問(wèn)題，值得大力推廣應(yīng)用。