典型山区供水管网离散优化布置分析——以贵州纳雍金蟾供水工程为例

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1、·三峡大学全日制专业学位硕士学位论文1绪论1.1研究背景与意义按照水质、水量、用水方便程度等指标衡量，目前全国尚有3亿多山区农村人口（中西部地区占80%）饮水未达到安全标准[1]。长久以来，由于山区地形条件复杂，交通不便，经济不发达等原因，导致我国大部分山区农村饮水安全问题特别突出。贵州省毕节市纳雍县水资源总量8.1亿m3，由于受地形地质条件影响，水资源开发利用率很低。农村的用水都是靠山体内蓄存流放出来的地下水，农村缺水面大、难度高。其中纳雍县羊场乡、姑开乡、锅圈岩乡和维新镇都是以农业为主的乡镇，在灌区范围内有耕地137872亩，人口109442人，大牲畜22915头。受地形地

2、势和水文地质条件限制，水低田高，取水十分困难。四乡镇蓄水、引水、提水工程比较少，农田灌溉困难。部分耕地靠山塘供水，用水时段受到很大的限制。靠近河流的耕地由于距河高差较大，依靠电力提灌，成本非常高。耕地由于受用水影响，农作物产量非常低，农业经济发展慢，当地人民生活水平低，每逢大旱年，致使河流断流，大量农作物干死，粮食颗粒无收。四乡镇的居民主要分布在河流分水岭地带、切割较深的台地上，无饮水水源保证和存在饮水水质安全隐患，急需新建灌溉引水水源。输配水管网是山区农村饮水安全工程中供水系统的重要组成部分，在整个供水系统中管网部分的投资最高，一般要占到工程总投资的60%～80%[2]。供水

3、管网的优化布置能减少埋管工程的总投资，也能缩短输水距离、降低输水能耗和减少输水成本。然而，山区供水工程设计中管网布置一直根据经验确定，缺乏科学的理论与方法。供水管网优化布置的首要工作就是求出控制点间的最短曲线线程，即该曲面地形的测地线。由于山区地形复杂而难以用数学函数来表征，导致测地线方程不能得到解析解，管网优化便陷入困境。因此，复杂地形条件下的最短线路问题一直没有得到很好的解决。另外，山区供水管网工程一般布置成树状结构，然而，最小树方法虽然能对平面管网进行最优化处理，但在山区极其复杂的情况下，需考虑过陡的山头或悬崖等地形构造特征，平面最小树方法不再适合这种复杂地形的管网优化布

4、置。本课题将以贵州省毕节市纳雍县灌溉区管网布置为研究对象，采用离散化地形表征技术，生成山区复杂地形条件下的两点最短线程模型，开发复杂地形中的最小树形图生成方法，构建管网优化的Steiner最小树形图模型，以解决复杂地形的部分···1万方数据···三峡大学全日制专业学位硕士学位论文输配水节点已确定需增设节点的管线优化问题，完成整个管网布置工程设计工作。本课题为典型山区供水管网浅埋管优化布置提供理论技术依据，有重要的工程意义和科学价值。1.1国内外研究现状管网优化发展至今，已经成为一个比较成熟的理论。各种优化设计理论方法层出不穷。国外从60年代就开始研究线性规划、非线性规划、动态规

5、划等管网优化设计的方法，在这一领域取得了一些成果[3]。随着计算机技术的进步，我国从20世纪80年代开始研究供水管网的系统优化设计问题，供水管网优化研究得到进一步的发展。管网优化的主要内容分为管径优化、工作方式优化和管网布置优化三方面。本文主要研究管网布置的优化方法。布置优化是管网优化的重要内容，对减少运行费和节省管网投资具有十分重要的作用。但由于管网优化布置需要综合考虑地形、作物种植等多方面因素，同时还需要借助设计人员经验，难度大，为此需要从数字地面模型、最短路径以及最小树等方面进行研究。1.2.1数字地面模型研究现状数字地面模型的概念是在1958年由美国麻省里工学院的Mil

6、ier教授提出，并成功地运用到公路的勘测设计中[4]。在近60年的发展中，DTMs的理论和应用不断地得到发展与完善。特别是在现今的信息社会中，DTMs对社会各行业如城市规划、农业、水利等的重要性日益明显，同时DTMs也是数字地球海量数据库的主要组成部分，是数字地球的数学基础，是三维虚拟现实的基本框架。数字地面模型属于计算机图形学的一个分支，是以数字的形式按一定的结构组织在一起、从离散数据结构出发构造相互连接的网络结构，表示实际地形特征的空间分布，从而建立起相关区域内平面坐标与高程间的映射关系。它是对地形表面在地形采样数据基础上的表面重构。如果采样数据为高程，则为数字高程模型(D

7、igitalElevationModle，DEM)[5]。在数字地面模型的研究早期，由于不规则三角网数据结构复杂，计算机自动生成算法不成熟，数字地面模型多采用规则格网。近年来经过众多学者的不断研究，不规则三角网逐渐成熟，尤其是顾及地物限制的边界一致的三角网格理论和算法有所突破，加上计算机软硬件对三角片的显示支持，三角网数字地面模型的显示速度得到大幅度提高。不规则三角网格模型正在成为数字地面模型的主流。在目前所有的三角化算法中，由于Delaunay三角网具有空外接圆和最小角最大性质，决定了De