農(nóng)村集中供水工程規(guī)模與結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)優(yōu)化研究

高 靜，陳新美

(1.邯鄲市復(fù)興區(qū)潤(rùn)灃水務(wù)有限公司，河北 邯鄲 056003；2.邯鄲市水資源管理中心，河北 邯鄲 056002)

1 農(nóng)村集中供水工程優(yōu)化模型

1.1 農(nóng)村集中供水工程規(guī)模優(yōu)化模型

研究項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)，目前農(nóng)村生活用水水源為自備井，水質(zhì)未經(jīng)安全處理，水質(zhì)、水量無(wú)保障；灌溉用水取自地表水和地下水；工礦企業(yè)用水水源包括地下水、河流匯集的礦排水及季節(jié)雨水。該區(qū)域?yàn)橘Y源性缺水地區(qū)，且水資源較為匱乏。復(fù)興經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)占地約2.3 hm2。本地區(qū)西部有煤田、鐵礦等礦產(chǎn)資源，可為本地區(qū)提供豐富的自然礦產(chǎn)資源、水資源及勞動(dòng)力資源。供水廠水源主要來(lái)源于兩個(gè)方面，一是市區(qū)原有供水廠，但由于本地區(qū)地勢(shì)較高，需加壓供水，成本較高。二是利用西部礦井疏干水，自西向東至受水區(qū)。村莊現(xiàn)多采用自備水源，自行打井。

研究規(guī)劃新建開(kāi)發(fā)區(qū)供水廠，規(guī)模為0.8萬(wàn)m3/d，占地2.3 hm2。水廠水源為南水北調(diào)和礦井疏干水，輸水管線分別沿道路敷設(shè)。為保障供水安全，開(kāi)發(fā)區(qū)規(guī)劃供水管網(wǎng)以環(huán)狀網(wǎng)為主，環(huán)狀與枝狀管網(wǎng)相結(jié)合，供水管道在街道一側(cè)布置。項(xiàng)目最大取水量為300萬(wàn)m3/a，全部取自中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r含水層地下水，水質(zhì)水量均能滿足礦區(qū)生活、生產(chǎn)用水需要，項(xiàng)目生活、生產(chǎn)用水水源均為帷幕內(nèi)礦坑疏排水。

為了在區(qū)域農(nóng)村供水工程建設(shè)中實(shí)現(xiàn)多水源多目標(biāo)綜合供水，需要確保系統(tǒng)上的供水工程規(guī)模合理和經(jīng)濟(jì)。與單一供水工程相比，這是一項(xiàng)具有很大不同的任務(wù)[1]。為了分析地區(qū)供水工程的合理規(guī)模，必須明確影響其規(guī)模的主要因素。農(nóng)村集中供水工程建設(shè)規(guī)模影響因素如圖1所示。

圖1 影響因素

研究在遺傳算法的基礎(chǔ)上構(gòu)建農(nóng)村集中供水工程的規(guī)模優(yōu)化模型。考慮到農(nóng)村供水的特點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)情況，需要確保建設(shè)片區(qū)內(nèi)所有水廠、輸水管網(wǎng)建設(shè)及運(yùn)行能經(jīng)濟(jì)合理，確定合適的供水規(guī)模。通過(guò)分析各類供水工程建設(shè)規(guī)模的影響因素，研究構(gòu)建了一個(gè)費(fèi)用模型，旨在將費(fèi)用之和控制到最低。因此，該模型主要考慮單位輸水成本、水源建設(shè)費(fèi)用和輸水管道管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用，以這三個(gè)變量為中心構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)[2-3]。針對(duì)改造后的水廠，將改造成本視為可變因素，將已建成水源與總投資按固定值處理。假設(shè)選取區(qū)域內(nèi)滿足要求的水廠m個(gè)，在這其中滿足要求的供水分區(qū)有n個(gè)。假設(shè)Wi為第i個(gè)水廠的最大可供水量，ai為選定的水廠在0到Wi的范圍內(nèi)能夠采用的集中制水規(guī)模集合；Qia為第i個(gè)水廠采用制水規(guī)模a時(shí)的最大可生產(chǎn)能力；Ria為水廠i在采用制水規(guī)模a的情況下設(shè)置的控制范圍，F(xiàn)ia為水廠i在采用制水規(guī)模a時(shí)所需的修建費(fèi)用，qija為水廠i在采用制水規(guī)模a時(shí)向j供水分區(qū)提供的水量；Dj為分區(qū)j需水量，Lij為第i個(gè)水廠與分區(qū)j的距離，Bij和Cij分別為兩者之間輸水管道的建設(shè)費(fèi)用和輸水成本。則目標(biāo)函數(shù)Z如式(1)所示。

(1)

式中：Yia為決策變量，代表第i個(gè)水廠被選中；Uij第i個(gè)水廠的第j個(gè)供水分區(qū)。為簡(jiǎn)化供水區(qū)域內(nèi)供水對(duì)象眾多的計(jì)算，本研究使用GIS技術(shù)進(jìn)行供水區(qū)域分區(qū)及管網(wǎng)規(guī)模計(jì)算。結(jié)合人口密度、人口分布及地理?xiàng)l件等因素，通過(guò)空間聚類分析等工具對(duì)供水建設(shè)區(qū)域的布局進(jìn)行劃分和分析，并計(jì)算各供水區(qū)域中心距離每個(gè)水廠的距離。通過(guò)建立各分區(qū)網(wǎng)格以及各水廠距離的矩陣，可以高效地計(jì)算管網(wǎng)規(guī)模，為供水工程規(guī)劃提供參考。研究采用遺傳算法對(duì)農(nóng)村供水工程規(guī)模優(yōu)化進(jìn)行求解，并且在實(shí)際算法應(yīng)用中進(jìn)行適當(dāng)算法優(yōu)化。應(yīng)用遺傳算法研究模型時(shí)，種群初始化時(shí)需要滿足約束條件，以確保搜索的有效性。如果種群狀況不符，那么種群需要再次生成直到達(dá)到規(guī)定的種群要求。一般情況下，適應(yīng)度函數(shù)能夠反映出種群中個(gè)體在環(huán)境中的生存能力以及優(yōu)劣素質(zhì)，針對(duì)研究提出的模型，對(duì)符合約束條件的個(gè)體進(jìn)行評(píng)估，構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)以測(cè)算其生存能力。約束條件匹配公式(1)。優(yōu)化后的遺傳算法染色體表示為{o11，o12，…omn；p11，p12，…p1a1；p21，…，p2a1，…，pma1}，其中o與p均為隨機(jī)數(shù)。在農(nóng)村供水工程的規(guī)模化過(guò)程中，首先要以水文特征為基礎(chǔ)，分析確定水廠的空間位置，并對(duì)已經(jīng)存在的其他水廠進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。然后對(duì)該區(qū)域內(nèi)供水用戶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用GIS工具處理對(duì)用水戶的位置進(jìn)行劃分，進(jìn)一步得到各分區(qū)到各水廠輸水管的建設(shè)距離，計(jì)算每個(gè)分區(qū)的供水需求量。對(duì)作為備選的水廠給定一個(gè)供水需求量的最大值，從而得到最終的供水規(guī)模，將備選方案分為不同規(guī)模水平。然后，采用相關(guān)分析方法，依據(jù)供水源，建立不同村莊農(nóng)村供水工程規(guī)模及費(fèi)用約束方案，建立區(qū)域內(nèi)的農(nóng)村供水工程建設(shè)規(guī)模化的系統(tǒng)優(yōu)化模型，以達(dá)到規(guī)模最優(yōu)化的目的。

1.2 農(nóng)村集中供水工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

為優(yōu)化研究區(qū)域農(nóng)村供水工程結(jié)構(gòu)，建立與管網(wǎng)實(shí)際情況相符的模型是關(guān)鍵。研究模擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建農(nóng)村集中供水結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。首先，針對(duì)農(nóng)村供水管網(wǎng)的dwg源文件進(jìn)行處理，并將其中的圖線按照不同的管徑進(jìn)行分層。隨后，將dwg文件通過(guò)CAD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為dxf格式，以便進(jìn)行下一步操作。之后使用Dxf2epa軟件將dxf文件轉(zhuǎn)換為inp格式，但在進(jìn)行轉(zhuǎn)換之前要確保dxf文件已關(guān)閉，以避免轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。對(duì)inp文件的基本屬性進(jìn)行檢查，保證其與源文件對(duì)應(yīng)屬性一致，否則對(duì)缺失或不相符的屬性進(jìn)行修改，使其滿足模型要求。使用EPANETH軟件導(dǎo)入inp數(shù)據(jù)，生成最終的供水管網(wǎng)net文件，以便進(jìn)行模型優(yōu)化設(shè)計(jì)。值得注意的是，在建模過(guò)程中，應(yīng)充分考慮本地區(qū)的特殊情況和實(shí)際需求，將環(huán)境、建設(shè)成本和社會(huì)效益等因素綜合考慮，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。而在建立模型后，需要進(jìn)行有效性和精度的檢驗(yàn)，以確保優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性和有效性。同時(shí)，針對(duì)不同情況進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)和評(píng)估，以便實(shí)施后達(dá)到預(yù)期效果。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含水泵、管道、節(jié)點(diǎn)等拓?fù)浣M件，各個(gè)組件的基本屬性有所區(qū)別。節(jié)點(diǎn)、管網(wǎng)和水泵數(shù)據(jù)等通過(guò)軟件生成。為了進(jìn)一步優(yōu)化，引入“彈性”概念。彈性可以被定義為系統(tǒng)抵抗、吸收和承受以及從異常情況快速恢復(fù)的能力。彈性系統(tǒng)包括多種屬性，如連接性、效率性、中心性、快速性、冗余性等。選取連接性、效率性、模塊性和中心性進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算并評(píng)價(jià)，形成的度量代表主要可分為四類，分別為連接密度、平均路徑長(zhǎng)度、直徑和中心點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。其中，連接性代表網(wǎng)絡(luò)的連接密度；效率性可以通過(guò)平均路徑長(zhǎng)度來(lái)評(píng)價(jià)，其指任意一對(duì)頂點(diǎn)之間的平均距離。該指標(biāo)與圖形的直徑和半徑相關(guān)，因此，只選用平均路徑長(zhǎng)度；模塊性代表網(wǎng)絡(luò)中的直徑，直徑是最大偏心率，只能通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)求解；中心性代表網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)最短路徑的一部分來(lái)進(jìn)行求解。中間性系數(shù)的取值范圍為[0，1]，具體計(jì)算方式如表1所示。

表1 指標(biāo)計(jì)算方式

2 農(nóng)村集中供水工程優(yōu)化分析

2.1 農(nóng)村集中供水工程規(guī)模優(yōu)化分析

進(jìn)行農(nóng)村集中供水工程規(guī)模優(yōu)化分析，模型計(jì)算得到的水廠規(guī)模與水廠投資金額之間的相關(guān)性曲線如圖3所示。

圖3 相關(guān)性曲線

從圖3可以看出，水廠建設(shè)規(guī)模與投資金額是呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系的，其中投資規(guī)模上升越到后期，投資金額的上升速度也就越快。

從表2中可以看出研究設(shè)計(jì)的模型可以有效規(guī)劃水廠的改建時(shí)間和改建規(guī)模。在建設(shè)年份上，考慮工程的建設(shè)年份可以保證建成后能夠滿足當(dāng)前和未來(lái)的供水需求?？梢钥闯瞿Ｐ透鶕?jù)供水工程規(guī)模，進(jìn)行了為期兩年的供水工程的規(guī)劃。在建設(shè)規(guī)模的確定中，工程性質(zhì)是一個(gè)重要的因素。列表中所有的工程都是改建性規(guī)劃，這意味著它們是在原有水廠的基礎(chǔ)上進(jìn)行舊廠改建或擴(kuò)建，而不是新建工程。此舉不僅可以節(jié)約建設(shè)成本，還能夠減少土地使用和環(huán)境影響等問(wèn)題。LSW水廠、KZL水廠和DSS水廠三個(gè)水廠在2021年規(guī)劃建設(shè)，工程規(guī)模都為5000 m3/d，這可能是因?yàn)檫@三個(gè)水廠所在區(qū)域的供水需求相似，同時(shí)考慮到未來(lái)的用水量也有一定的擴(kuò)展空間。另外，SC水廠、WTZ水廠、ZJL水廠、ZNZ水廠和BS水廠五個(gè)水廠在2022年規(guī)劃建設(shè)，工程規(guī)模較小，可能是因?yàn)檫@些區(qū)域的供水需求相對(duì)較低，同時(shí)考慮到未來(lái)的用水量增長(zhǎng)也不會(huì)太快。同時(shí)可以看出模型可以充分考慮建設(shè)成本，根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓┧枨髞?lái)最大限度地降低建設(shè)成本，形成梯度式的規(guī)模規(guī)劃。

表2 規(guī)模分析結(jié)果

2.2 農(nóng)村集中供水工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

在農(nóng)村集中供水工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析中，研究首先通過(guò)模擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)市場(chǎng)線路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征化分析。結(jié)構(gòu)化特征分析包含供水水流流經(jīng)的水庫(kù)與管線運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，其中泵站的輸送揚(yáng)程規(guī)模為10 m，輸送流量達(dá)到3.4 L/s，管線節(jié)點(diǎn)特征屬性如表3所示。

表3 管線節(jié)點(diǎn)特征屬性

由表3可知，節(jié)點(diǎn)集合包括水庫(kù)M1和N1到N20共計(jì)21個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中水庫(kù)節(jié)點(diǎn)蓄水量為6.87 L/s，節(jié)點(diǎn)N1不蓄水，而節(jié)點(diǎn)N2蓄水量同樣為6.87 L/s，如此延續(xù)至節(jié)點(diǎn)N20，這些節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)管道L1到L21進(jìn)行連接，總長(zhǎng)度為5446.29 m，管道直徑為90～280 mm，粗糙系數(shù)為140。節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高在11.2～27.5 m之間，標(biāo)高高低對(duì)于管道水力特性的影響非常大。節(jié)點(diǎn)N9的蓄水量達(dá)到了1.68 L/s，最高值是節(jié)點(diǎn)N2的6.87 L/s。管道長(zhǎng)度也各不相同，從103.00 m的L8到1600.00 m的L13。這些管道的直徑各異，但粗糙系數(shù)相同，這可能會(huì)對(duì)于管道的水力特性也產(chǎn)生一定的影響。選取節(jié)點(diǎn)中具有代表性的5個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們的彈性分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 彈性分析結(jié)果

圖4(a)為受供水不足影響節(jié)點(diǎn)數(shù)的平均百分比，給定兩個(gè)值作為節(jié)點(diǎn)的赤字閾值，其中較小的為20%，表示一小部分的用戶供水受到影響，但是水量可滿足要求；另一個(gè)是35%的嚴(yán)重赤字，這時(shí)大多數(shù)用戶的供水都依賴于管網(wǎng)的供應(yīng)，但是水量不足，一些用戶甚至沒(méi)有供水。圖4(a)表現(xiàn)了關(guān)閉不同連接所影響的交叉口百分比示例，算例結(jié)果為37.5%，即赤字嚴(yán)重。圖4(b)為關(guān)閉不同節(jié)點(diǎn)后水齡隨時(shí)間的變化曲線，平均化彈性值為1.95 h。平均化學(xué)污染恢復(fù)時(shí)間如圖5所示。

圖5 平均化學(xué)污染恢復(fù)時(shí)間

通過(guò)監(jiān)測(cè)連接處注入的化學(xué)品總量，可以了解管網(wǎng)中的化學(xué)物質(zhì)流動(dòng)情況。圖5中每條線表示在特定連接處隨著時(shí)間的推移注入的化學(xué)品總量。管網(wǎng)的彈性取值為4.10 h，說(shuō)明在管網(wǎng)中的化學(xué)物質(zhì)流動(dòng)速度相對(duì)緩慢，需要一定時(shí)間才能達(dá)到影響整個(gè)管網(wǎng)的程度。

3 結(jié) 論

研究運(yùn)用遺傳算法等方法建立了農(nóng)村供水工程規(guī)模優(yōu)化模型并模擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)供水水流流經(jīng)的水庫(kù)與管線運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化特征分析。研究表明，該模型能夠有效規(guī)劃供水工程的建設(shè)年份和規(guī)模，形成梯度式的規(guī)模規(guī)劃，并且最大限度地降低了建設(shè)成本。另外，研究的拓?fù)浞治鼋Y(jié)果顯示，管網(wǎng)彈性值為4.10 h，可以有效地指導(dǎo)維修工作，平均化彈性值為1.95 h。管網(wǎng)的彈性取值為4.10 h。說(shuō)明在管網(wǎng)中的化學(xué)物質(zhì)流動(dòng)速度相對(duì)緩慢，需要一定時(shí)間才能達(dá)到影響整個(gè)管網(wǎng)的程度。研究設(shè)計(jì)的方法為農(nóng)村供水工程的規(guī)模優(yōu)化和運(yùn)行維護(hù)提供了基礎(chǔ)性理論和實(shí)踐指南。