山區供水管網離散優化布置研究

杜紅平

（濟源市王屋山供水站）

0 引言

供水管網是山區農村供水系統的主要組合內容，也是供水系統中投資最大、施工難度也最大的項目，投資成本占中投資金額的60%～80%。供水管網離散優化布置可有效降低投資成本，并合理縮短供水距離，減少無故能耗，提升山區供水管網運行管理水平。基于此，開展山區供水管網離散優化布置研究就顯得尤為重要。

1 案例分析

某山區地區，海拔比較高，一般在1 500～2 200 m之間，地勢起伏比較大，地形地貌崎嶇蜿蜒，有一座小型水庫工程，負責該區域農作物灌溉和人畜飲水。灌區覆蓋范圍包括34 個村寨，滿足0.48 hm2農作物灌溉需求、5.20 萬人和1.46 萬頭牲口的飲水需求。灌區耕地多分布在山間臺地、坡地，高程在1 250～1 700 m之間。

2 山區供水管網發現現狀分析

山區供水管網是山區農村社會經濟發展和居民生活生產的主要基礎設施，合理布置山區供水管網，對改善居民生活品質、提升農民經濟收入、促進農村經濟持續發展有重要的作用。據不完全統計，山區供水管網造價占山區農村供水系統總造價的60%～80%，科學合理地布置山區供水管網，有助于降低投資成本，滿足用水便捷性和安全性的要求。目前很多山區供水管網在布置優化過程中，多采用平面最小樹方法進行優化，但山區農村地形地貌起伏波動比較大，對平面最小樹優化結果運行的任何一個環節控制不當，都會發生惡劣的后果，主要原因是此種優化方法，會忽略復雜地形起伏變化特點。就案例山區而言，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，致使兩點間直線距離不是“最短”距離，如果在山區供水管網布置優化中，采用測地線方程求解來計算兩點之間的最短距離，會因為地面特性，難以用數學函數來表征，從而影響優化效果。此外，本山區部分陡峭的山坡為懸崖，再加上山區供水管網對水利條件有非常苛刻的要求，平面最小樹方法也已不再適用。

3 山區供水管網離散優化布置

3.1 需水量分析

需水量分析是山區供水管網離散優化布置的第一步，也是比較重要的環節，只有先明確掌握山區農作物灌溉、人畜飲水需水量情況，才能為山區供水管網離散優化布置提供真實有效的數據支持和理論指導。就案例山區地區而言，需水量情況如下：

農作物灌溉需水量：截止到2019 年末，總國土面積為346.68 km2，總人口為5.20 人，農作物種植面積為0.91 萬hm2，占總土地面積的21.64%，農作物種植地多分布在1 200～1 750 m高程上，耕地比較分散。水庫工程建設完成之后，主要依靠天然水條件蓄水量，為滿足農作物生長需求，需要供水量滿足0.48萬hm2耕地農作物灌溉的需求，其中水田0.08萬hm2，旱地0.40萬hm2。

人畜需水量：山區供水管網離散優化布置時需要滿足34個村寨人畜飲水需求，由于本山區地區無工業分布，因此，無工業用水，無需考慮工業用水需求。截止2019年底，該區域總人口為5.20萬人，1.46萬頭牲畜。經過對灌區人畜需水量進行復核，凈總需水量為181 萬m3/a，毛總蓄水量為191 萬m3/a，生活需水量為168.50萬m3/a，牲畜需水量為22.50萬m3/a。

3.2 合理確定供水管線地基走向

按照目前該山區對供水需求量的要求，在山區供水管網離散優化布置時，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。為更好的滿足農作物灌溉需求，總干管分兩個方向布置，其一向東北部灌區供水，其二向東南灌區供水，分級引管向南灌區和北灌區供水。北干管及其支管經過的區域沒有沖溝和高山，經過現場地質勘查，采用淺埋布線方法即可滿足要求。而東干管及其支管在布置時海拔比較高，最高海拔達到2 025 m，需要穿越4 座大山、3 條深溝谷，因此，很多大型機械設備無法順利到達指定位置，為適應此種復雜多變的地形地貌，在山區供水管網布置時采用了隧道布線法，盡量沿直線布置，縮短線長。支管部分地形地貌平緩，采用淺埋布線即可滿足要求。

3.3 數據預處理

當山區供水管網離散優化布置大致走向圖確定好之后，就可以通過勘察獲得布線區域的地形點坐標，并在建網之前進行預處理。山區地區供水管網離散優化布置經過的已知點坐標如表1所示。

表1 山區供水管網離散優化布置經過的已知點坐標表

數據預處理采用了濾波和壓縮兩種方法。其中濾波法為：在建網過程中，為避免錯誤點或者誤差較大點參與構網，需要合理設置點過濾器，也就是保證供水管線布置的高程在合理范圍中。壓縮法為：在繪制山區供水管網離散優化布置圖時，獲得的地形點非常密集，如果不經壓縮直接采用三角網離散法繪制供水管線布置圖，需要計算機進行長時間計算分析，將地形圖相關數據壓縮之后，再用計算機計算，可大幅度降低計算量，縮短計算時間。比如：總干管布置過程中，所處區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布置的允許范圍。需要先提出超過此高程范圍的數據，同時刪除坐標相近點和非特征點，再對地形數據進行壓縮處理。

3.4 復雜地形表面離散三角網顯示

第一步，選擇數據比較集中點和邊界點，將相鄰點相互連接，形成離散點包容盒，為下一步建網操作奠定技術，本山區供水管網離散點集包容盒如圖1所示。

圖1 山區供水管網離散點集包容盒示意圖

第二步，將生成的包容盒沿著對角線劃分為2個初始三角形，便于后期離散優化布置，提升山區供水管網布置效果，具體如圖2所示。

圖2 山區供水管網離散優化布置初始離散三角形圖

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

第四步，針對三角形邊界上的點，需要分別連接此邊界，作為兩個共享三角形的第三個頂點。然后重復上述步驟，直到所有點都形成三角形的頂點，最后剔除邊界冗余三角形。

第五步，所有數據按照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 離散三角形網絡（總干管段）圖

4 結語

綜上所述，文章結合實際案例，研究了山區供水管網離散優化布置。研究結果表明，平面最小樹優化布置法無法很好的適應山區復雜多變地質條件和地形條件。通過工程測量獲得復雜地形點坐標，進行數據預處理，然后再采用數字地面模型原理，對山區復雜地形進行離散化分析，可獲得山區復雜地形的三角網絡劃分模型，從而解決了山區復雜地形用數學方式無法表達和求解的問題，為山區供水管線布置提供更加有效的指導和參考，保證供水管線布置效果，解決山區村民飲水難、用水難的問題，值得大力推廣應用。