山区供水管网离散优化布置研究

杜红平

（济源市王屋山供水站）

0 引言

供水管网是山区农村供水系统的主要组合内容，也是供水系统中投资最大、施工难度也最大的项目，投资成本占中投资金额的60%～80%。供水管网离散优化布置可有效降低投资成本，并合理缩短供水距离，减少无故能耗，提升山区供水管网运行管理水平。基于此，开展山区供水管网离散优化布置研究就显得尤为重要。

1 案例分析

某山区地区，海拔比较高，一般在1 500～2 200 m之间，地势起伏比较大，地形地貌崎岖蜿蜒，有一座小型水库工程，负责该区域农作物灌溉和人畜饮水。灌区覆盖范围包括34 个村寨，满足0.48 hm2农作物灌溉需求、5.20 万人和1.46 万头牲口的饮水需求。灌区耕地多分布在山间台地、坡地，高程在1 250～1 700 m之间。

2 山区供水管网发现现状分析

山区供水管网是山区农村社会经济发展和居民生活生产的主要基础设施，合理布置山区供水管网，对改善居民生活品质、提升农民经济收入、促进农村经济持续发展有重要的作用。据不完全统计，山区供水管网造价占山区农村供水系统总造价的60%～80%，科学合理地布置山区供水管网，有助于降低投资成本，满足用水便捷性和安全性的要求。目前很多山区供水管网在布置优化过程中，多采用平面最小树方法进行优化，但山区农村地形地貌起伏波动比较大，对平面最小树优化结果运行的任何一个环节控制不当，都会发生恶劣的后果，主要原因是此种优化方法，会忽略复杂地形起伏变化特点。就案例山区而言，海拔高度在1 500～2 200 m 之间，最大高出为700 m，地面起伏比较大，致使两点间直线距离不是“最短”距离，如果在山区供水管网布置优化中，采用测地线方程求解来计算两点之间的最短距离，会因为地面特性，难以用数学函数来表征，从而影响优化效果。此外，本山区部分陡峭的山坡为悬崖，再加上山区供水管网对水利条件有非常苛刻的要求，平面最小树方法也已不再适用。

3 山区供水管网离散优化布置

3.1 需水量分析

需水量分析是山区供水管网离散优化布置的第一步，也是比较重要的环节，只有先明确掌握山区农作物灌溉、人畜饮水需水量情况，才能为山区供水管网离散优化布置提供真实有效的数据支持和理论指导。就案例山区地区而言，需水量情况如下：

农作物灌溉需水量：截止到2019 年末，总国土面积为346.68 km2，总人口为5.20 人，农作物种植面积为0.91 万hm2，占总土地面积的21.64%，农作物种植地多分布在1 200～1 750 m高程上，耕地比较分散。水库工程建设完成之后，主要依靠天然水条件蓄水量，为满足农作物生长需求，需要供水量满足0.48万hm2耕地农作物灌溉的需求，其中水田0.08万hm2，旱地0.40万hm2。

人畜需水量：山区供水管网离散优化布置时需要满足34个村寨人畜饮水需求，由于本山区地区无工业分布，因此，无工业用水，无需考虑工业用水需求。截止2019年底，该区域总人口为5.20万人，1.46万头牲畜。经过对灌区人畜需水量进行复核，净总需水量为181 万m3/a，毛总蓄水量为191 万m3/a，生活需水量为168.50万m3/a，牲畜需水量为22.50万m3/a。

3.2 合理确定供水管线地基走向

按照目前该山区对供水需求量的要求，在山区供水管网离散优化布置时，需要分为三大部分，包括总干管、北干管及其支管、东干管及其支管。其中总干管沿线地形地貌比较平缓，且地貌起伏变化幅度比较小，因此，可采用浅埋布置法，布置高程在1 761～1 745 m之间。为更好的满足农作物灌溉需求，总干管分两个方向布置，其一向东北部灌区供水，其二向东南灌区供水，分级引管向南灌区和北灌区供水。北干管及其支管经过的区域没有冲沟和高山，经过现场地质勘查，采用浅埋布线方法即可满足要求。而东干管及其支管在布置时海拔比较高，最高海拔达到2 025 m，需要穿越4 座大山、3 条深沟谷，因此，很多大型机械设备无法顺利到达指定位置，为适应此种复杂多变的地形地貌，在山区供水管网布置时采用了隧道布线法，尽量沿直线布置，缩短线长。支管部分地形地貌平缓，采用浅埋布线即可满足要求。

3.3 数据预处理

当山区供水管网离散优化布置大致走向图确定好之后，就可以通过勘察获得布线区域的地形点坐标，并在建网之前进行预处理。山区地区供水管网离散优化布置经过的已知点坐标如表1所示。

表1 山区供水管网离散优化布置经过的已知点坐标表

数据预处理采用了滤波和压缩两种方法。其中滤波法为：在建网过程中，为避免错误点或者误差较大点参与构网，需要合理设置点过滤器，也就是保证供水管线布置的高程在合理范围中。压缩法为：在绘制山区供水管网离散优化布置图时，获得的地形点非常密集，如果不经压缩直接采用三角网离散法绘制供水管线布置图，需要计算机进行长时间计算分析，将地形图相关数据压缩之后，再用计算机计算，可大幅度降低计算量，缩短计算时间。比如：总干管布置过程中，所处区域地形地貌比较平坦，高程在1 761～1 745 m 之间，这一高程也是供水管线布置的允许范围。需要先提出超过此高程范围的数据，同时删除坐标相近点和非特征点，再对地形数据进行压缩处理。

3.4 复杂地形表面离散三角网显示

第一步，选择数据比较集中点和边界点，将相邻点相互连接，形成离散点包容盒，为下一步建网操作奠定技术，本山区供水管网离散点集包容盒如图1所示。

图1 山区供水管网离散点集包容盒示意图

第二步，将生成的包容盒沿着对角线划分为2个初始三角形，便于后期离散优化布置，提升山区供水管网布置效果，具体如图2所示。

图2 山区供水管网离散优化布置初始离散三角形图

第三步，对点集内不在三角形边界上的任意点，要先找到所在包容盒中的三角形，然后分别连接该点和包容盒中三角形各点，从而获得全新的三角形划分。

第四步，针对三角形边界上的点，需要分别连接此边界，作为两个共享三角形的第三个顶点。然后重复上述步骤，直到所有点都形成三角形的顶点，最后剔除边界冗余三角形。

第五步，所有数据按照TXT 文本格式输出，然后按照上述步骤，即可以获得离散三角形图形，具体如图3所示。

图3 离散三角形网络（总干管段）图

4 结语

综上所述，文章结合实际案例，研究了山区供水管网离散优化布置。研究结果表明，平面最小树优化布置法无法很好的适应山区复杂多变地质条件和地形条件。通过工程测量获得复杂地形点坐标，进行数据预处理，然后再采用数字地面模型原理，对山区复杂地形进行离散化分析，可获得山区复杂地形的三角网络划分模型，从而解决了山区复杂地形用数学方式无法表达和求解的问题，为山区供水管线布置提供更加有效的指导和参考，保证供水管线布置效果，解决山区村民饮水难、用水难的问题，值得大力推广应用。