Оптимизация систем городского поливочного водоснабжения в регионах с жарким климатом тема диссертации по экономике, полный текст автореферата

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация систем городского поливочного водоснабжения в регионах с жарким климатом"

академия наук республики лшкистан

узбекское научно-производственное объединение "кибернетика"

На правах рукописи

буранов олмос

оптимизация систем городского поливочного еодоснаыения з регионах с жарким климатом

Специальность 08.00.13 - Экономико-ыагематические методы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени каццвдата экономических наук

Ташкеот - 1992

Работ е. выполнена в Киевском кнденэрно-етроительном институте и Самврквндскои архитектурно-строительном институте.

Научные руководители: кандидат технических !гаук, доцент М.Р.РАХМАНОВ •

кандидат экономических наук . Б.Й.ЯРКУЛОВ

Официальные оппоненты: доктор экономических наук,

профессор Т.Ш.ШДДИЕВ

кандидат экономических наук Ю.С.КЛИМЕНКО

Ведущая организация - Институт водных проблем АН Республики Узбекистан

Защита диссертации состоится " .^ггу-У 19% Г. в .¿Р — «асов ка заседании специализированного совета К 015.12.02 по присувдению ученой степей: кандидата наук в Узбекской научко-производственнои объединении "Кибернетика" АН Республики Узбекистан по адресу: 700125, г.Ташкент, ул. Ф.Ходжаева, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УэКПО "Кибернетика" АН Республики Узбекистан.

Автореферат разослан " Н1 " — 1992 г.

Ученый секретарь у?

сложная кэирозанкего совета

доктор экономических наук А. о. СЕРБУ ЛОЗ

^ оьцая характеристика работы

Актуальность темы. В условиях рыночной экономики эффективное использование природных, материальных и трудовых ресурсов имеет особое значение, так как дальнейший их перерасход не позволяет повысить благосостояние народа.

В городах жаркого климата важное место отводится системам водоснабжения, в особенности строительству и эксплуатации поливочного водоснабжения,которые являются одним из ключевых звеньев в системе обслуживания, оздоровления и благоустройства крупных городов и населенных пунктов.

. Эффективное функционирование сиютемы поливочного водоснабжения в значительной степени определяется рациональностью (качеством) их проектирования, а последнее, в свою очередь зависит от обоснованности проектных решений.

Отличительной чертой климата Средней Азия является его ярко выраженная континентальность, проявляющаяся в резких колебаниях метеорологических элементов, как в межсезонном, годовом, так и суточном временных интервалах. Рациональный полив зеленых насакдений в условиях города с жарким климатом возможно только при наличии научно-обоснованных норм поливочного расхода.

Однако существующие методы проектирования не позволяют учитывать всех параметров, влияющих на определение объема поливочной воды и путей ее транспортировки в связи с отсутствием система автоматизации. В действующих методах проектирования при определении объема поливочной воды не учитывались вида возделываемых деревьев и кустарников, уровень подземных вод, характеристики почвы к т.п., для учета которых необходимо проводить многочисленные натурные иселедоваг-ния и обработку статистических данных. Проведение натурных исследований в необходимом объеме для установления устойчивых закономерностей невозможно. Для этого целесообразно разработать методы проектирования системы Поливочного водоснабжения на базе средств вычислительной техники в применением математических методов. Это предопределило актуальность избранной теш исследования.

Цель и залечи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования системы поливочного водоснабжения в городах с жарким климатом.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- провести гналжз современного состояния проектирования и эксплуатация систем поливочного водоснабжения в регионах с жарким клшатом;

- обоснование и разработка математических методов расчета норм расхода поливочной воды на базе экспериментального

и статистического исследования;

- рачработке математической модели расчета расхода поливочной воды пс месяцем года;

- обоснованна и разработка методов проектирования сетей поливочного водоснабжения;

- экспериментальное внедрение разработанных моделей и программных средств в городах с жарким климатом для проектирования сетей поливочного водоснабжения.

Объект исследования - системы поливочного водоснабжения гг. Самарканда, Красногвардейски, Бухара»

Предметом исследования является процесс проектирования и эксплуатации систем поливочного водоснабжения в регионах жаркого климата.

Методология и методика исследований. Теоретической я методологической основой послужили работы по автоматизации проектирования инженерных сетей, работы по теории моделирования и оптимизации.' В качестве аппарата исследования использованы методы математического к статистического моделирования, факторного анализа.

Информационную основу диссертационной работы составили, фактические материалы института "У-'-чпрокоммунинжпроект" и поливочные сети гг. Талжеята я Самарканда.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель расчета расхода воды в сетях городского поливочного водоснабжения;

- методологические осноры математического, моделирования закономерности расхода воды;

- математическая .ко;;ель проектирования се гей пол га очно-

го водоснабжения.

Научная новизна работы состоит в разработке математической модели расчета норм расхода л олив очной воды на базе экспериментальных исследована и математических методов с позиций системного подхода, предложен метод оптимизации сетей поливочного водоснабжения, реализованный в виде задач линейного программирования. Разработан алгоритм расчета требуемого объема воды с определением закономерности ее потребления в зависимости от ряда влияющих факторов.

Практическая значимость. Внедрение разработанной методики определения требуемого объема пслизочной воды и транспортировки сетей поливочного водоснабжения позволяет существенно уменьшить проектно-сметные затраты за счет экономия ресурсов, предназначенных на проектные работы, а также строительных и эксплуатационных расходов.

Реализация работы. Основные результаты диссертационной работы использованы Самаркандским фи налом Узстройпроекта и проактно-экслеримектальной мастерской СамГАСИ при разработке проектных решений по критериям минимизации капитальных затрат на строительство и эксплуатацию развивающихся сетей поливочного водоснабжения города Самарканда.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на третьей Республиканской конференции "Методологические и прикладные аспекты систем автоматизированного проектирования" (г. Ташкент, 1987 г.), 48-й научно-практической конференции Киевского Ордена Красного Знамени инженерно-строительного института (г. Киев, 1987 г.), республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Архитектура и строительство - поиск и решения молодых" (г. Алма-Ата; 1989 г.), республиканской научно-технической конференции "Актуальные проблемы водоснабжения и канализации в условиях Таджик кстана'Ч г. .Душанбе, 1989 г.), У111 симпозиуме "По проблемам качества вода водоемов (г. Таллш, 1990 г.), УЖУ научно-практической ко!и$еренцин СамГАСИ (г. Самарканд, 1991 г.)

Публикации. Основное содержание результатов исследования опубликовано в б печатных работах, общим объемом 1,6 II. л.

! Объем к структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литература и приложений.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная новизна и кратко изложены основные положения работы.

В перзой главе "Анализ условий эксплуатации и проектирования в городах с иарким климатом поливочного водоснабжения" на основе анализа существующей системы проектирования и эксплуатации поливочного водоснабжения в городах с жарким климатом дано описание современного состояния и выявлены основные проблемы проектирования и эксплуатации систем поливочного водоснабжения.

Во второй главе "Исследование и обоснование норм и режимов поливочного водоснабжения в городах с ж ар к им климатом" исследуется степень обоснованности действующих норм по поливу различных зеленых насаждений и определяется основные параметры влиявшие не расходы поливочной воды. Формулируется математическая модель определения расхода воды.

В третьей главе "Математическая модель систем транспортировки поливочной воды" рассматривается постановка задачи и приводится описание математической модели транспортировки поливочной вода, а такле алгоритм ее реализации. - .

В четвертой главе "Рекомендации по организации проектирования системы поливочного водоснабжения дано описание объекта исследования и результатов моделирования, а также предложения по. практической реализации разработанных моделей, анализ полученных результатов и оценка экономической эффективности предлагаемых решений.

В ПРКДГЧ5НИИ сформулированы основные выводы и предложения, направленные на совершенствование проектирования и эксплуатации системы поливочного водоснабжения.

В приложении приведена исходные данные, необходимые для решения задач, результаты модельных эясперкмеюов.

ОСНОЕЮЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ историк рдзвитга системы водоснабжения а городах Туркестана показывает, что системы поливочного водоснабжения

имеот особое значение в оздоровлении климата и благоустройстве городов л населенных пунктов Среднеазиатского региона.

Проведённые анализы на сетях поливочного водоснабжения крупных городов таких.кек Ташкент, Самарканд,, Бухара и т.д. показывают,.что многие сети поливочного водоснабжения проложены' е грубыми нарушениями требований трассировки, по .уетаревазй технологии - из элементов непрогрэссявного профиля „ .

Строительство таких каналов не эффективно, так как наряду е переходом ресурсов имеют место случаи недоподнва зеле-нж насаждений,, находящихся вблизи систем оросения.

Исследование показывает, что построенные на основании таких проектов каналы ненадежна в эксплуатации, очень плохо транспортируют воду, часто происходит заиливание. На некоторых участках скорость больше чем критическая, а не некоторых - наоборот минимальная и иногда составляет 0,1-0,2 м/сек. При содержании в таких водах минералов, загрязнения, мутности в среднем 4500-5000 мг/л происходит заиливание систем толщиной 10-15 см. В.этих условиях после 4-5 поливов требуется очистка каналово

Проведенные исследования показывают, чю на предпроехт-ных этапах изыскательских работ необходимо определить основные параметры, влкящие на режим подачи вода, объем воды и трассировку сетей.

К таким параметрам можно отнести: природно-климатические условия; режим подачи потребления поливочной воды; вида культур; редьеф местности; характеристики почвы; уровень подземных вод на. поливных трассировках; объем атмосферных осадков во все времена года; качество-поливных вод; место нахождения источника забираемой воды.

Исследования показывают, что целесообразно при.проектировании учитывать реальную норму воды для полива садов, виноградников, зеленых насаждений и т.д. На основе проведенного рада натурных экспериментов для обоснования реальных норм воды для полива - садов, виноградников и городских культурных насаждений выявлена норма расхода воды для полива в сельской местности Туркестана, которая составляет 44-50 ^/га.

3 городах с яарким климатом число вегетационных поливов

больше V особенно ча глинистых и песчаных почвах легкого технического постава. При этом применяят малые поливные нормы 300-400 м3.

Экспериментальные исследования однако показывает, что определение нормк полива путей натурных измерений невсегда возможно, вследствие необходимости проведения многочисленных экспериментов лэ всем видам растений. Кроме того при определении расхода, вода необходимо учитывать все непосредственно и косвенно влияющие факторы.

Точность получаемых результатов с помощью математических моделей в основном зависит от адекватности выбранной модели, точносгн «сладьзуешх исходных данных и взаимозависимости выбранных факторов, Взаимозависимость параметров приводит к ыультиксллинеарности, что отрицательно вликзт ка результаты исследования,

Если обозначить через ЗГу, . -, вяюшдие фак-

торы, тогда их функция от режима расходована воды в общем виде описывается уравнением

У-5(х1,тг,х5,...,хг,)

Ниже рассмотрим общий алгоретм выбора модели определения потребности в поливочной воде.

1. Выбор параметров "Х{, Х^, , определяющих значение объема поливной води.

2. Определение коэффициента множественной корреляции, т.е. теснота связи по видом модели.

3. Выбор модели, по которой полученный коэффициент множественной корреляции имеет наибольшее значение.

4. Проверка значимости параметров по выбранной модели.

5. Проверка адекватности полученной модели.

6. Анализ полученных результатов.

Для определения зависимости использовались следующие вида уравнений, описывающих влияние факторов: прямолинейные, параболические, гиперболические, логарифмические, степенные, обратные прямолинейным, обратные к логарифмическим линейным, обратные к гиперболическим, обратные к параболическим.

Коэффициент множественной корреляции по видам уравнений определяется по Форцуле

2 {aj-sT

где С? ■ - расчетное значение параметров по уравнениям моделей,

</ - среднее значекке параметров, у-.. фактическое значение параметров. Знзскноеть выбранных параметров определяется по найденным коэффициентом а,,, <Хц, < • по -распределению Стьвдента, ?.е.

/ - OL"

где Sa„ - стандартное отклонение оценки параметров „

В целом адекватность полученного уравнения проверяется по формуле

Г_

\ %

где - факторная дисперсия, Ц - остаточная дисперсия. Но приведенному вьшз алгоритм/ определяется потребность в полшзачной воде и составляется гвдромодуль по декадам месяца. Чтобы определить водоиодачу для городских культурных иасалодениЯ и расход каналов в соответствии с принятым режимом орошения, необходимо построить граф® гидромодуля.

Составление схемы транспортировки городских поливочных сетей является сломим процессом, при котором следует учитывать ряд факторов, определяющих эконошниость выбрагаой структуры. Основными затратами, определЯЕЦКмя экономичность выбрашюЗ ехеьгы, могу.- быть затраты на строительство и эксп-дуатацию. Еыбраншй вариант схема должен бить экономичным с

точки зрения строительных и эксплуатационных затрат.

Однако, такой подход к решению задач обладает большой вычислительной трудоемкость», чего невозможно добиться ручным способом. Для этого применимся математические методы к средства вычислительной техники, которые позволяют находить оптимальный вариант из множества допустимых,.

Эта задача можея быть приведена к классической задаче оптимизации»

Пусть задан массив или определенная территория, яалязощая-ся частью города, где требуется проложить каналы ирригацио!*-ной сети.

Есть источники (места подачи) воды и точки потребления. Источник воды и точки потребления с&эдшештск промежуточными узлами. Направление воды через кавдый участок является известным» При этом система поливочной сети может быть представлена в ввде ориентированного графаа как

где

- множество источников, распределительных узлов и промежуточных узлов,соответственно, Л - множество участков. Требуется тан распределить воду по участкам сети, чтобы общие затраты на транспортировку воды были бы минимальными, т.е. минимизировать функционал

- 21 21 C¿j Хсу I)

при ограничениях:

^¿у ~ 2 Ху £ сиг, 6 е ///

; у

(2)

= К о)

> §с/ ¿С

0 ) ея

(4)

где С¿1 - стоимость транспортировки единицы воды с -го 1 пункта подачи в У -и точку потребления,,

- искомый объем воды,., транспортируемой га с -го пункта источника в J' -в точку потребления,

¿{у- пропускная способность участка» соединяющего С -Й пункт подачи воды с у -й точкой потребления,

- суммарный объем воды, имещийся в ¿ -м источнике,.

^ - объем воды, который необходимо "ранспортировать до точки потребления.

Неравенство (2) означает, что (X ¡Р воды доляно транспортироваться из .источника к распределительным узлам. Равенство (3) обеспечивает сохранение о(Ь>ема транспортируемой воды через каждый промежуточный узел. Неравенство (4) обеспечивает протекали воды к источникам потребления в объеме $ Ограничение (5) указывает процусккув способность участка.

Сформулирозаякая выше задача (1)-(5) относится к задачац .линейного программирования.

Для расчета-расхода зоды кспользсвалксь неделя регрес-1 кс иного анализа. Данные для этого пол учет экспериментальным путем (табл.1).

Таблица I

Наблпдения! У ! Я* птЛ м/сут. I г

I 3,4 . 10 0,16 6,0 27,0

2 3,65 12 0,18 6,2 27,5

3 3,46 II 0,16 ' 6,1 27,6

4 3,92 14 0,14 6,4 27,0

5 3,50 16 0,17 6,15 27,7

6 3,53 15 0,185 6,6 28,0

7 4,00 13 0,19 6,55 28,5

3 4,58 . 07 0,179 6,52 27,8

9 3,55 16 0,165 6,48 28,2

10 4,27 14 0,18 6,65 27,5

II 3,84 18 0,195 6,7 29,0

12 4,61 12 0,172 6,9 28,3

I г г ! 3 ! 4 \ 5 ! 6

13 4,36 20 0,20 6,75 27,8

14 3,52 17 0,193 .6,8 29,5

15 4,53 15 0,192 7,2 29,1

Полученные по стандартной программе результаты показывают, что коэффициент множественной регрессии составляет = 0,663 и уравнение регрессии икеет ввд

У = 1,787 - 0,049^ + II,225^ + Г,4682Г3 ~ 0,314

Сопоставление значений Р с табличными /V показывает что полученное уравнение является адекватниы. Это уравкзнш поручено по данным июня месяца, и проведи экспериментальна исследованы по каждому месяцу года, можно определить овъаж расхода воды по кенсцьм, на основании чего с троите г; ступенчатый график и гидромодуль (рис Л и 2).

Средне-суточщй объем воды в %

35

го-

1510 15

10 $

л

и ¿0X6 \lUC.16 | !

Риа.1

Бремена года

оч.

Как вадно по уравнению, рациональный объем воды определяется для хаздого определенного ишента времени (сутки, ив-■сяц). Это позволяет, получить ступенчатый график подачи воды г зависимости от момента времени.

Для интерпретации задачи (1)-(5) рассмотрим следующий объект. Предполагаем, что вода подается (50 л/с) из одного источника, а потребителями являются две о очки. Возможная структурная схема подачи воды представлена в авде графа (рис.З).

Рис.З. Примерная схема трассировки сети поливочного водоснабжения

Для этой системы сформулирована задача (1)-(5), которая реализована на ЭВМ ЕС-1033 по стандартной программе симплексным методой.

Результаты расчета сети с использованием симплексного метода г

Жл » 14 в - 5 Х^ч - 12

х<.ч - 8 ЗСцт " 8 Хп" - б Ха>, " 14 Я,,, »35 - 0 -6 '

- 14

ХА/5 - 8 - 20

При этом затраты составляют ¿Е в 610 руб. Эти результаты показывают, что предложенный метод пригоден для прач-тического примэнения.

Результаты диссертационной работы внедрены в Самаркандском филиале УзстроЯпроект и проечтко-йксиеримекгагьной мастерской СамГАСИ прл разработке проектных решений по критериям минимизации капитальных затрат на строитэльство поливочного водоснабжения. Излученная (годовая) экономическая эффективность от внедрения данной методики составляет 22,5 тыс.рублей.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Анализ действующих норм и режимов полива показывает, что эти нормы и режимы в достаточной степени необосновены, так как при определении их следует учитывать многочисленные факторы, которые экспериментальным путем установить практически невозможно.

2. При определении норш полива различных ввдов зеленых насаждений исследование следует проводить в два этапа.

На Первом зтопе проводятся натурные эксперименты в определенном количестве, которые гшшвтсл достаточными ддп проведения статистической кх обработки. ^Эксперименты должны проводиться по месяцам года э отдельности.

На втором отапе на основе экспериментальных данных, про-педя :гх статистическую обработку, .устанавливается закономерность между влиящими факторами и расходами поливочной воды. Закономерность зависимости медку миллцпми факторами я расходом яолл описывается в г?!!де уравнения регрессии. По ураспекта регрессии определяется объем расхода вода по месяцам или по декадам каждого месяца.

3. На основе расчета расхода води следует построить ступенчатый график расхода воды по месяцам года. По графику расхода воды устанавливается расход подачи воды из истопника подачи. Это з значительной мере позволяет рационально использовать поливную и исклсчить использование хозттгьевой веды.

16 ,

4. Анализ системы проектирования поливочного водоснабжения показывает, что при трассировке поливочной сети необходимо учитывать строительные и эксплуатационные затраты, так нак поливочная, сеть должна быть начерчена оптимальным путем.

Предлагаемая экономико-математическая модель оптимизации трассировки воды позволяет транспортировать псливочцуя веду от источника подачи до места потребления через саше кратчайшие пути.

5. Обоснованы методы и алгоритмы решении разработанных задач, включажцие определение объзма расхода поливочной воды на основе способа регрессионного анализа и транспортировки полиеочной ооды на базе оптимизационных методов,, Полученные результаты на основе реализации модели трассировки поливочной воды показывают, что с помощью этой модели возможно начертание различной конфигурации сети с установкой пропускной способности каждого участка, что позволяет выбрать из множества возможных вариантов самый оптимальный с минимальными оно-номическими затратами. Эта задача решена симплексным методом.

6. Дальнейшее совершенствование метода и средств проектирования и эксплуатация сиотеш поливочного водоснабжения требует определения-оптимальных периодов очистки каналов в зависимости от мутности, скорости течения воды, от уклона сети и'

т.д.

Основное содержание диссертации изложено в следующих опубликованных работах.

1. Рахманов И.Р., Буронов 0.Б„ Из опыта эксплуатации городских систем поливочного водоснабжения в условиях жаркого климата. Вопросы обработки воды: Сб. научн. тр. - Ташкент: изд-во ТадПИ, 1986. - С. 12-1?.

2. Буронов 0,Б. Математические методы в исследовании частей поливочного водоснабжения. Тез. докл. Республиканской научн.-техн. конф. - Ташкент, 1968. •-- С. 12-13.

3. Буронов С.Б., Яркулов Б.Я. Совершенствование проектирования арычных сготем водоснабжения. Водоснабжения и санитарная техника. £ 9. Москва, 1988. - С. 23-24.

4. Буронов О.Б., Рахманов М.Р. Оптимизация системы поливочного водоснабжения в городах. СССР с жарким клю-атои. Тез. докл. Республ. научн.-техн. конф. молодых ученых и специавис-

)з "Архитектура и строительство - поиск и решения молодых*'. Алма-Ата, 1989. - С. 24-25.

5. Рахманов М.Р., Буронов О.Б. Проектирование поливоч-зго водоснабжения на баае ЭШ // Тез. докл. Республ. научн.-;хн. конф. - Душанбе, 1989. - С. П-12,

6. Рахманов М.Р., Буронов 0.6. Охрана внутренних водое-)в о учетом реконструкции городских ирригационшх сетей в ушвиях яаркого климата // УШ симпозиум по проблемам ка-¡ства воды водоемов. - Таллин, 1990. - С. 75-77.