Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ развития методологии проектирования и реконструкции СВО . 9
1.1 Оценка технологии проектирования развивающихся СВО. 9
1.2 Оценка существующих методик анализа гидравлических режимов и обоснование структуры и параметров СВО . 20
1.3 Пути совершенствования и развития методики оптимизации параметров развивающихся СВО. 30
2. Математическое моделирование развивающихся СВО . 33
2.1 Математическое описание СВО с позиции теории гидравлических цепей. 33
2.2 Математическая модель неравномерного установившегося движения стоков в СВО .
2.3 Оптимизация параметров новых и реконструируемых СВО. 56
2.4 Оптимизация трассы и структуры СВО. 74
3. Алгоритмизация и программная реализация методики оптимизации развивающихся СВО .
3.1 Алгоритмизация методов дискретной оптимизации параметров новых и реконструируемых СВО. 86
3.2 Алгоритм комплексной оптимизации трассы и структуры развивающихся СВО . 90
3.3 Программная реализация методики комплексной оптимизации СВО. 96
4. Практическое применение методики оптимизации развивающихся СВО . 107
4.1 Исследование влияния гидравлических и технологических особенностей СВО на их структуру и параметры. 107
4.2 Комплексная оптимизация реконструируемых СВО крупных городов .
4.3 Рекомендации по использованию предлагаемой методики для практики проектирования и эксплуатации СВО. 123
Заключение. 125
Список литературы. 128
Приложение. 138
- Оценка существующих методик анализа гидравлических режимов и обоснование структуры и параметров СВО
- Математическая модель неравномерного установившегося движения стоков в СВО
- Алгоритм комплексной оптимизации трассы и структуры развивающихся СВО
- Комплексная оптимизация реконструируемых СВО крупных городов
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Системы водоотведения (СВО) являются одним из важнейших видов инженерного оборудования, обеспечивающих необходимые санитарно-гигиенические условия для жизни населения и безопасной работы промышленных предприятий.
Современные СВО - это сложный комплекс инженерных сооружений и устройств, включающий: внутридомовую систему канализации; дворовую канализацию; уличные коллекторы, насосные станции перекачки сточных вод и канализационные очистные сооружения. Для большинства городов и населенных мест физический износ перечисленных объектов близок к 80-100%. Вследствие подвижки грунтов или других внешних динамических и статических нагрузок большинство трубопроводов пришли в негодность и не имеют должной пропускной способности. Перегруженность СВО приводит к подтоплению городской территории. С другой стороны по мере развития города и жилищного строительства, нагрузки на систему водоотведения существенно увеличились и, в большинстве случаев, не соответствуют проектным. В результате таких изменений одни коллекторы стали недогруженными, а другие перегруженными и даже работают в напорном режиме, что приводит к попаданию стоков в грунт и далее в водоемы. В связи с этим возникает задача интенсификации работы СВО, которая заключается в рациональном перераспределении потоков сточной жидкости с целью максимального использования пропускной способности всех сооружений и трубопроводов. С другой стороны в связи с ростом нагрузок и появлением новых абонентов требуется строительство новых объектов СВО, реконструкция и развитие существующих. Очевидно, что эти задачи должны решаться комплексно. В практике проектирования существующие подходы и методы не позволяют в полной мере решать
перечисленные задачи, и поэтому предпочтение отдается новому строительству, что не всегда является экономически обоснованным.
Следует также отметить, что при проектировании СВО рассматривается лишь равномерный установившийся режим движения сточной жидкости. Хотя при эксплуатации такой режим наблюдаются крайне редко. С другой стороны, проведенные исследования показали, что проектирование на режим равномерного установившегося движения стоков приводит к существенному завышению диаметров самотечных коллекторов [10]. Очевидно, при решении задач интенсификации и реконструкции СВО необходимо рассматривать не только установившееся равномерное, но и не равномерное движение стоков, а также необходимо учитывать различное время добегания стоков от различных объектов и зданий.
Именно эти вопросы, а также вопросы построения математических моделей СВО, разработка оптимизационных подходов и методов, позволяющих комплексно решать задачи реконструкции и развития СВО, и являются предметом настоящей диссертационной работы.
Цели и задачи работы.
Цель работы заключается в разработке методики и соответствующего программного обеспечения для решения комплексной задачи оптимального развития и реконструкции СВО.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие подзадачи:
разработка методики и программного комплекса для моделирования гидравлических режимов в существующих СВО, состоящих из напорных и безнапорных трубопроводов и коллекторов;
исследование гидравлических режимов в эксплуатируемых СВО;
разработка методики интенсификации работы существующих СВО на основе перераспределения стоков с целью максимального использования пропускной способности коллекторов и сооружений;
разработка программного комплекса для оптимизации структуры и параметров развивающихся СВО;
проведение исследований влияния изменяющихся экономических показателей, учета времени добегания, неравномерного установившегося режима течения стоков на получаемые решения по структуре и параметрам развивающихся СВО.
Настоящая диссертационная работа выполнялась на кафедре «Городское строительство и хозяйство» в рамках научного направления: «Развитие теории гидравлических цепей» и госбюджетной темы: «Развитие методических основ для комплексного решения задач управления функционированием коммунальных систем тепло-, водоснабжения и водоотведения»
Научная новизна.
Впервые поставлена и решена задача комплексной оптимизации структуры и параметров развивающихся СВО с учетом неравномерного установившегося режима движения сточных вод. При этом:
показано, что учет неравномерного установившегося движения стоков в задачах обоснования структуры и параметров развивающихся СВО позволяет максимально точно определить действительный уровень сточных вод в проектируемых и реконструируемых коллекторах, что, в свою очередь, выводит процесс принятия инженерных решений на качественно новый уровень;
показано, что учет времени добегания сточной жидкости при обосновании диаметров коллекторов также дает более обоснованное решение и влияет на структуру и параметры реконструируемых СВО.
Методы исследования.
Математическое моделирование (проверка адекватности модели реальному режиму течения сточной жидкости), гидравлические расчеты, методы оптимизации.
Практическая ценность.
На основе предложенной методики разработан программный вычислительный комплекс ТгасеК, который позволяет рассчитывать СВО различной сложности и протяженности. С помощью этого комплекса решены задачи интенсификации работы СВО г.г. Иркутска, Ангарска, объектов Ангарской нефтехимической компании. На основе данного комплекса разработана программа развития инженерной инфраструктуры указанных городов до 2030г. Следует также отметить, что комплекс в настоящее время используется в администрациях городов и водоканалах при обосновании подключений новых объектов, и выдаче технических условий.
Разработки автора (в творческом коллективе соавторов) по созданию и внедрению конкурентно способной компьютерной технологии интенсификации работы систем водоотведения городов, населенных мест и промышленных предприятий отмечены премией Губернатора Иркутской области за 2006 г. в области науки и технике.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на всероссийской научно-практической конференции «Инженерное оборудование населенных мест и зданий» в 2006 и 2007 гг.; на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы в инвестиционно-строительной сфере, недвижимости и жилищно-коммунальном комплексе» в 2007 г; на научно-практических конференциях факультета Строительства и городского хозяйства Иркутского государственного технического университета в 2005-2007.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе одна в журнале из перечня изданий, определенных Высшей аттестационной комиссией.
Структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (114 наименований), общим объемом 142 страницы, из них: 127 страниц основного текста, 32 рисунка, 21 таблица, приложения, включающие акты о внедрении.
Оценка существующих методик анализа гидравлических режимов и обоснование структуры и параметров СВО
Наиболее сложными являются задачи системного характера, которые необходимо решать на всех стадиях проектирования СВО. Это задачи связаны с обоснованием структуры и параметров системы. Каждая из этих двух задач хотя и решается отдельно, но в определенной последовательности: сначала - осуществляется выбор структуры СВО (структурный синтез); затем - производится обоснование параметров участков сети и сооружений (параметрический синтез) [35].
Проблема обоснования структуры СВО заключается в обосновании принципов построения системы и рациональных взаимосвязей между отдельными подсистемами и элементами [61]. Структурный синтез включаем ряд подзадач: - выбор трассы (конфигурации в плане) сети магистральных и внут-риквартальных коллекторов, привязка их к условиям рельефа местности с учетом наличия инженерных коммуникаций и транспортных путей; - выбор мест размещения перекачивающих насосных станций, перепадов и сопрягающих сооружений; - выбор варианта структуры СВО с учетом существующих участков и сооружений. Трассировка - это один из самых ответственных этапов при составлении схемы, так как от принятых принципов трассировки зависит стоимость всей системы водоотведения.
В проектной практике трассировку начинают с проектирования главного и отводящего (загородного) коллекторов, которые обычно трассируют по тальвегам, по набережным рек и ручьев. При этом учитывается возможность присоединения коллекторов бассейна водоотведения без излишнего заглубления главного коллектора. Избегают прокладки длинных коллекторов с малыми расходами стоков.
В пределах застройки все коллекторы трассируют по городским проездам в зеленых или технических зонах. При этом необходимо максимально использовать естественный уклон местности и учитывать наиболее благоприятные геологические и гидрологические условия прокладки.
Уличную сеть трассируют по проездам и внутри кварталов по наикратчайшему направлению от водоразделов к тальвегам с уклоном, по возможности равным уклону поверхности. В этом случае глубина заложения сети существенно уменьшается.
Имеются три метода трассировки уличной водоотводящей сети [112]: 1. По объемлющей схеме, при которой сеть трассируют по проездам, опоясывающим квартал со всех сторон. Этот метод применяют при плоском рельефе местности (уклон земли - до 0,007) и больших размерах кварталов. 2. По пониженной грани, при этом сеть прокладывают только по наиболее низким граням кварталов. Этот метод применяют при выраженном рельефе, с падением поверхности земли к одной или двум граням квартала (уклон более 0,008 - 0,01). 3. Квартальная трассировка предполагает укладку труб по середине квартала. Этот метод применяется, если имеется возможность прокладки водоотводящей сети внутри квартала. При этом получается более экономичное сочетание дворовой сети с уличной, длина ее сокращается на 30 - 40%, стоимость строительства снижается на 10 - 20%. Прокладка СВО требует строгой привязки трассы к местности и связана с учетом целого ряда естественных ограничений, таких как: реки, овраги, автомобильные и железные дороги, линий электропередач и др. Решение задач трассировки с учетом препятствий вносящих корректировку в конфигурацию сети необходимо решать как единое целое с задачами оптимизации.
Общеизвестно, что при трассировании водоотводящих сетей следует избегать пересечений с водными потоками, железнодорожными путями и другими подземными сооружениями, так как устройство этих пересечений сложны и вызывают затруднения в эксплуатации сетей и сооружений.
При небольших расходах и малых диаметрах сеть трассируется небольшими участками. Коллекторы большого сечения прокладывают с малыми уклонами и большой протяженности.
При проектировании СВО разрабатываются несколько возможных вариантов схем трассировки коллекторов с последующим выбором наиболее выгодного по технико-экономическим показателям. Как отмечалось выше, проектировщики рассматривают лишь один или два варианта трассировки, которые могут быть далеки от оптимальных.
Построение избыточной схемы СВО. Если эти варианты наложить друг на друга, то получим граф; состоящий из 12 ребер и 9 вершин (см. рис1.2в). Для этого графа уже количество остовных деревьев с корневой вершиной в узле (1) будет 196, т.е. 196 вариантов трассировки СВО. С ростом такого графа - избыточной схемы количество вариантов вырастает до астрономических цифр.
Очевидно, без применения ЭВМ невозможно рассмотреть все возможные варианты. Необходимо иметь такую методику расчета, которая позволяет выделять из избыточной схемы оптимальный вариант, и учитывать при этом наибольшее количество факторов, таких как, искусственные и естественные препятствия, гидрогеологические условия, рельеф и др. Все эти факторы можно учесть на уровне составления избыточной схемы, т.е. в графе должны присутствовать лишь те ребра-участки, по которым возможна трассировка. Поэтому избыточная схема СВО будет отображать все принципиально возможные (с учетом естественных и искусственных препятствий) связи между узлами сброса и приема. В такой постановке задача трассировки будет заключаться в отбраковке «лишних» связей в избыточном графе, который предварительно задает инженер-проектировщик с тем, чтобы получить оптимальную подсеть в виде дерева, соответствующую наивыгоднейшей трассе коллекторов и трубопроводов системы [61].
Математическая модель неравномерного установившегося движения стоков в СВО
Как уже отмечалось, в силу неравномерности притока сточной жидкости, различного времени добегания в СВО наблюдается режим установившегося неравномерного течения стоков. В связи с этим при оптимизации и обосновании параметров развивающихся систем необходимо учитывать этот фактор.
График зависимости относительного модуля расхода К от наполнения в трубопроводе Разбивая заданный поток по длине на ряд участков (см. рис. 2.4.) и определяя средние значения К и w3/B в пределах рассматриваемого участка, можно вычислить по формулам (2.15}-(2.17) расстояние / между сечениями 1-1 и 2-2, глубины в которых соответственно равны hi и / 2, и таким образом построить кривую свободной поверхности потока.
Последовательность построения кривой свободной поверхности. Расчет неравномерного безнапорного движения в трубах значительно упрощается с помощью аппроксимирующих функций.
Поскольку мы имеем дело с трансцендентными уравнениями (2.20, 2.21, 2.22), то решение осуществляем методом дихотомии [44]. Деления отрезка hf пополам происходит до тех пор, пока одна из границ диапазона деления не приблизится к решению с точность h 2 до 1 мм.
Рассматриваемые типы линий свободной поверхности: а) кривая спада при положительном уклоне; б) кривая подпора при положительном уклоне; в) кривая спада при обратном уклоне; г) кривая подпора при обратном уклоне; д) кривая спада при нулевом уклоне; е) кривая подпора при нулевом уклоне; ж) переход от напорного в безнапорное состояние при обратном уклоне; з) переход от напорного в безнапорное состояние при положительном уклоне; и) переход от напорного в безнапорное состояние при нулевом уклоне. 2.3. Оптимизация параметров новых и реконструируемых СВО.
Проблема оптимизации параметров СВО заключается в обосновании диаметров и уклонов как новых, так и реконструируемых самотечных коллекторов, напоров перекачивающих станций, перепадных колодцев и других сооружений. При этом топология сети рассматривается либо как некоторое промежуточное решение в итеративном процессе оптимизации систем водоотведения, либо как некоторый локально-оптимальный вариант трассы, полученный с помощью методики целенаправленного перебора вариантов деревьев избыточной схемы СВО [63,101].
Содержательная постановка этой задачи будет заключаться в следующем. Вся трасса проектируемой или реконструируемой системы водоотведения представляется в виде дерева, корень которого будет соответствовать очистным канализационным сооружениям. Висячие вершины дерева - это здания, районы, микрорайоны, от которых сточные воды попадают в систему водоотведения. Другие вершины, степень которых больше или равна двум будут соответствовать местам слияния потоков, смотровым, поворотным колодцам, колодцам сопряжения, местам изменения рельефа местности и т.д. Ветви дерева (дуги) будут представлять самотечные коллекторы или напорные трубопроводы. При этом условие материального баланса представляется в следующем виде: Ax = Q + kQ +AQ", (2.23) Уклоны и потери напора трубопроводов также обозначим векторами: Y = (y],...,yn)Tnh = (h],...,hn)T Условие энергетического баланса: Z PJQJ = I PJQJ I ntxt - X h,xt, {2 24).
Алгоритм комплексной оптимизации трассы и структуры развивающихся СВО
Методика оптимизации структуры и топологии СВО, как уже отмечалось, сводится к ограниченному и целенаправленному перебору вариантов деревьев избыточной схемы. Поэтому, в принципе, возможно для каждого из получаемых деревьев производить оптимизацию параметров, как описано в параграфе 2.3 предыдущей главы. Однако, число анализируемых деревьев достаточно велико и такая вычислительная схема потребует больших затрат машинного времени. Вместе с тем, если провести анализ работы метода поконтурной оптимизации, то можно заметить, что порождаемые деревья (варианты схем) отличаются друг от друга лишь ветвями, принадлежащими рассматриваемому контуру. А так как вычислительный процесс оптимизации параметров организуется в направлении от вершин дерева к его корню, то условно-оптимальные решения по участкам будут изменяться лишь для ветвей анализируемого контура и пути, соединяющего данный контур с корневой вершиной ("головной" части). Рассмотрим несколько подробнее алгоритм выделения ветвей анализируемого контура и "головной" части.
Известно, что для остовного дерева из любого узла может выходить не более, чем один поток. Следовательно, при добавлении к ветвям дерева хорды г образуется контур, состоящий из двух путей, выходящих из узла - "источник" и входящих в узел - "сток". Выделение этих путей предлагается по следующей схеме. 1. Формируется массив информации об участках дерева (например дерева начального приближения). 2. Для конечного узла jk анализируемой хорды г на соответствующей ему позиции в W определяется начальный узел ветви выстраимого контура (с), T.e.jn=WJii. При этом узлыД иу я помечаются. 3. Далее узел/и, принимается в качестве конечного и осуществляется переход к п.2. Операции 2 и 3 повторяются до тех пор, пока/и не станет равным jo - корню дерева. На этом заканчивается построение первого пути. 4. Для выделения второго пути в качестве конечного узла jk принимается начальный узел хорды г и на соответствующей позиции W определяется у и. 5. Узел jn принимается в качестве конечного и осуществляется переход к п.4. Операции 4 и 5 повторяются до тех пор, пока не встретится узел jn уже помеченный.
Данный узел j одновременно принадлежит первому и второму пути и является "источником" для выстраиваемого контура. Ветви первого пути до узла/ и ветви второго пути образуют анализируемый контур с. Оставшиеся же ветви первого пути от j до jo составят "головную" часть.
В конце данной вычислительной процедуры производится корректировка массивов степеней вершин и информации о сети. 3. В качестве следующей хорды принимается очередная ветвь первого пути и этап 2 повторяется. 4. После таких операций с ветвями первого пути, осуществляется замена ветвей контура второго пути, начиная с предпоследнего участка. 5. Рассмотрев все ветви анализируемого контура в качестве хорд, переходим к построению нового контура и операции 1-4 повторяются. Процесс завершается, когда будет просмотрен весь список хорд.
С учетом изложенных процедур выделения контуров и "головного" пути, а также организации последовательной замены ветвей дерева хордами, предлагаемый алгоритм решения задачи комплексной оптимизации СВО древовидной структуры сводится к выполнению следующих этапов:
1. На заданной избыточной схеме строится дерево начального приближения и по всем его ветвям определяются расходы транспортируемых стоков.
2. В соответствии с функциональными уравнениями (2.36)-(2.3 8) и алгоритмом, изложенным в предыдущем параграфе, организуется наращивание условно-оптимальных решений начиная от вершин дерева к его корню. При этом обратный ход не выполняется, а лишь для узла - корня дерева среди полученных условно-оптимальных решений выбираются наилучшие и соответствующие ему расчетные затраты принимаются в качестве оценки данного варианта.
3. Формируется контур и осуществляется замена ветви дерева хордой. Для вновь полученного дерева корректируются расходы стоков на ветвях рассматриваемого контура.
4. Узлы и участки, вошедшие в состав путей образующих этот контур и "головной" части помечаются. Для нового дерева корректируются массивы степеней вершин и информации о сети.
5. Начиная от вершин дерева производится анализ инцидентных им ветвей следующим образом:
- если начальный и конечный узлы не помечены, то корректировки условно-оптимальных решений не требуется; - если начальный узел помечен, а конечный нет, то выполняются лишь условия перехода (2.41);
- если начальный и конечный узлы помечены, то осуществляется наращивание условно-оптимальных решений в соответствии с (2.36)-(2.38), т.е. коррекция условно-оптимальных решений осуществляется лишь для ветвей рассматриваемого контура и "головного" пути.
6. Для узла-корня дерева вновь определяется наилучшее условно-оптимальное решение и соответствующие затраты сопоставляются с затратами предыдущего варианта. Лучший из них запоминается.
7. Хордой становится следующая ветвь контура и операции 4-6 повторяются и т.д. Проведенные вычислительные эксперименты показали, что предлагаемый алгоритм совместной оптимизации параметров и топологии СВО и соответствующая программная реализация позволяют найти лучшие (по расчетным затратам) варианты, чем при двухэтапном решении этой задачи.
Если решается вопрос о развитии и реконструкции СВО или ставится задача о разгрузки загруженных коллекторов, то можно также воспользоваться вышеизложенной методикой. При этом существующие участки либо отключаются, либо реконструируются путем увеличения диаметра без изменения уклона. На рис.3.2 проиллюстрирована работа предлагаемой методики для этого случая. В итоге оптимизации на уровне с реконструируемыми старыми коллекторами появились новые разгрузочные коллекторы.
Комплексная оптимизация реконструируемых СВО крупных городов
В качестве объектов для апробации программного комплекса были выбраны СВО городов Ангарска и Иркутска. На рис.4.6 и 4.7 представлены расчетные схемы СВО этих городов. В отношении города Иркутска на рис.4.7 показаны только магистральные трубопроводы и коллекторы. В табл.4.6 и 4.7. дана общая характеристика расчетных схем СВО городов Ангарска и Иркутска. Проведенные расчеты по методике неустановившегося равномерного движения стоков показали, что 90% самотечных участков недогружены, 5% самотечных участков перегружены (работают в напорном режиме), 5% самотечных участков работают в допустимых режимах, 90% самотечных участков имеют скорости меньше незаиливающих и 5% самотечных участков имеют скорости большие неразмывающих (см. рис. 4.8 и 4.9).
Рекомендации по использованию предлагаемой методики для практики проектирования и эксплуатации СВО.
Предлагаемая методика и программный комплекс ТгасеК уже нашли применение в водоканалах и администрациях гг. Иркутска и Ангарска. С помощью ТгасеК разработана схема развития СВО г.Иркутска до 2010, 2015, 2020 гг. На основании уже имеющегося опыта эксплуатации ТгасеК можно рекомендовать использование его в практике эксплуатации СВО в следующих направлениях: - для анализа загруженности трубопроводов и коллекторов; - для выявления участков со скоростями, меньшими незаиливающих, с последующим осмотром этих участков и формированием плана промывки и прочистки соответствующих коллекторов; - для оценки эффективности работы КНС; - для разработки мероприятий по предотвращению попадания стоков в грунт от перегруженных и напорных участков; - для определения и формирования плана замены коллекторов на новые с большими или меньшими диаметрами путем бесканальной прокладки. Для администраций городов и структур, которые занимаются развитием генплана города данная методика ТгасеК была бы полезна при: - составлении производственной программы по водоотведению города; - формировании программ развития инженерной инфраструктуры городов; - составлении инвестиционной программы; - формировании тарифов на подключение новых абонентов и тарифов по развитию сетей. В настоящее время ТгасеК используется в градостроительном комитете г. Иркутска. На основании разработанной информационной и практической базы СВО решаются вопросы подключения и канализования новых жилых комплексов.
Применение предлагаемой методики и программного комплекса ТгасеК в практике проектирования СВО можно рекомендовать для решения следующих задач: - обоснование параметров (трассы, диаметров, уклонов коллекторов, напоров насосных станций и т.д.) новых СВО; - обоснование параметров разгрузочных коллекторов; - для решения вопросов канализования крупных районов и агломераций городов.
Как для эксплуатации, проектирования и администраций применение ТгасеК требует значительной работы по созданию информационной системы модели реальной СВО. Параметры системы и модель СВО должны быть тщательно выверены путем натурных обследований и сопоставления фактических режимов с результатами расчета. Информационная база должна постоянно пополняться новыми объектами и элементами.
Похожие диссертации на Совершенствование методики оптимизации развивающихся систем водоотведения
