【摘要】城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)是城鎮(zhèn)體系的重要特征之一，對其的定量研究對城市規(guī)劃具有重要意義。針對截流合流制排水管網(wǎng)規(guī)劃指標體系的構(gòu)建問題，分別從排水管網(wǎng)的規(guī)模、結(jié)構(gòu)、服務(wù)質(zhì)量、經(jīng)濟效益等方面，構(gòu)建了反映排水管網(wǎng)規(guī)劃特征、涵蓋15個指標的評價體系框架，確定了各評價指標的定義和量化方法。評價指標定量計算所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，易于在排水管網(wǎng)規(guī)劃階段獲取，使評價具有較強的可操作性。在排水管網(wǎng)規(guī)劃評價指標體系中引入了新的評價指標――排水管網(wǎng)分形維數(shù)，用以描述管網(wǎng)的空間分布特征，并采用計盒法計算了排水管網(wǎng)分形維數(shù)，經(jīng)驗證，計算結(jié)果與實際情況較接近。

　　【關(guān)鍵詞】礦山機械雜志,分形,分形維數(shù),排水管網(wǎng)規(guī)劃,指標體系

　　前言

　　現(xiàn)實世界中交通網(wǎng)絡(luò)、通訊網(wǎng)絡(luò)、自來水管網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)和排水管網(wǎng)等均是空間網(wǎng)絡(luò)，一般而言，空間網(wǎng)絡(luò)在地理系統(tǒng)中是由若干線性實體互連而成的一個子系統(tǒng)，資源由網(wǎng)絡(luò)傳輸，實體間的聯(lián)絡(luò)也由網(wǎng)絡(luò)達成。城市排水系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，不但承擔著城市防洪、排澇和收集城市生活及工業(yè)生產(chǎn)等污水任務(wù)，而且關(guān)系到城市景觀、環(huán)境衛(wèi)生及水環(huán)境安全。城市排水體制的合理選擇，不僅關(guān)系到城市雨、污水的收集和排放，排水系統(tǒng)的適用性和經(jīng)濟效益，而且關(guān)系到城市水資源利用和水環(huán)境保護、城市點源和非點源污染總量控制有效性，影響到城市可持續(xù)發(fā)展。排水管網(wǎng)規(guī)劃是排水管網(wǎng)建設(shè)的一項重要內(nèi)容和環(huán)節(jié)，不僅影響排水系統(tǒng)的設(shè)計、施工、維護和管理，而且對城市規(guī)劃和環(huán)境保護也將產(chǎn)生深遠影響。因此，做好排水管網(wǎng)規(guī)劃評價的理論和方法研究，對于科學規(guī)劃和布局排水管網(wǎng)具有十分重要的意義。

　　1.分形分維用于排水管網(wǎng)的意義

　　用于管網(wǎng)評價的管網(wǎng)密度指標――管網(wǎng)密度，即單位服務(wù)面積的管線長度，反映了管網(wǎng)建設(shè)的總體規(guī)模與水平，易于進行不同地區(qū)或國家之間的橫向比較，非常適用于研究管網(wǎng)的宏觀規(guī)模，但對于網(wǎng)絡(luò)分布特征的描述則不合適。由于管網(wǎng)分布的均與程度在某種意義上具有重要的作用，例如通過管網(wǎng)的均勻分布衡量地區(qū)的均衡發(fā)展，而密度指標往往遺漏了重要的網(wǎng)絡(luò)特征信息。因此，我們引進了基于分形理論的網(wǎng)絡(luò)覆蓋評價指標即管網(wǎng)的分維數(shù)，在同樣的管網(wǎng)密度情況下管線分布的越均勻，管網(wǎng)分維數(shù)值越高。

　　分形分維用于管網(wǎng)評價，不僅能夠反映網(wǎng)絡(luò)密度指標所反映的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)總體規(guī)模與水平，而且用于分維研究管網(wǎng)形態(tài)，為描述網(wǎng)絡(luò)覆蓋的深入程度、網(wǎng)絡(luò)分布的均勻程度等提供了很好的工具。

　　2.合流制排水管網(wǎng)規(guī)劃評價指標體系的設(shè)計

　　2.1評價指標選取原則

　　評價指標選取主要取決于規(guī)劃目的，截流合流制排水管網(wǎng)規(guī)劃評價指標是用來評價研究區(qū)域排水管網(wǎng)特性和質(zhì)量的指標體系。由于目前國內(nèi)外尚未建立統(tǒng)一的、公認的排水管網(wǎng)規(guī)劃評價指標，而且選取不同指標對評價結(jié)果影響很大，為了使評價結(jié)論盡可能體現(xiàn)客觀性、全面性和科學性，評價指標選取必須遵循以下原則：重點反映規(guī)劃目標、具有系統(tǒng)性、具有可操作性、具有科學性、具有可比性和避免包容性、定量與定性指標相結(jié)合。

　　2.2評價指標體系的建立

　　排水管網(wǎng)規(guī)劃評價是對排水管網(wǎng)規(guī)劃方案進行全面、系統(tǒng)地定性與定量分析，以確定排水管網(wǎng)規(guī)劃與社會、經(jīng)濟發(fā)展要求的適應(yīng)情況及在等級、容量上與排水量的適應(yīng)情況，從而在整體上考察排水管網(wǎng)規(guī)劃合理性，為優(yōu)化排水管網(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)。排水管網(wǎng)規(guī)劃的總目標是利用有限的資金和資源，建設(shè)和優(yōu)化排水管網(wǎng)，為城鎮(zhèn)排水提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，發(fā)揮最大的環(huán)境效益和社會效益。排水管網(wǎng)規(guī)劃方案的綜合評價必須緊緊圍繞該目標進行。目前國內(nèi)對排水管網(wǎng)規(guī)模和經(jīng)濟效益指標的研究較多，而對排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和服務(wù)質(zhì)量等指標研究較少。根據(jù)排水管網(wǎng)的特點，采用層次分析法從排水管網(wǎng)規(guī)模、結(jié)構(gòu)、服務(wù)質(zhì)量和經(jīng)濟效益等方面建立評價體系。

　　3.排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和服務(wù)質(zhì)量指標的定量化

　　3.1排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)指標

　　排水管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)指標包括各級管網(wǎng)鋪設(shè)率、管網(wǎng)網(wǎng)化度、管網(wǎng)連通指數(shù)、管網(wǎng)覆蓋率和管網(wǎng)的分形維數(shù)，反映了排水管網(wǎng)空間分布的布局特征。

　　各級管網(wǎng)鋪設(shè)率：各級排水管網(wǎng)的鋪設(shè)程度與管網(wǎng)的收集污水能力和排水水平密切相關(guān)。從各級排水管網(wǎng)的功能來看，主干管網(wǎng)是為長距離輸水服務(wù)的管網(wǎng);支管管網(wǎng)是城市中主要的排水性管網(wǎng)，主要是把次級管網(wǎng)收集到的污水匯入主干管網(wǎng);次級管網(wǎng)是城市內(nèi)部各生活小區(qū)及排水分區(qū)內(nèi)的主要集散管道，次級管網(wǎng)在排水上起匯集作用。從主干管網(wǎng)到支管管網(wǎng)，從支管管網(wǎng)到次級管網(wǎng)，分布密度要求逐步提高。城市排水管網(wǎng)必須有合理的等級結(jié)構(gòu)，以保障城市排水水流從低一級管網(wǎng)向高一級管網(wǎng)有序匯集。

　　3.2管網(wǎng)的分形維數(shù)(F1)

　　城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)是幾何網(wǎng)絡(luò)，通常用于評價管網(wǎng)特征的指標――管網(wǎng)密度，能在宏觀上較好地反映管網(wǎng)建設(shè)的總體規(guī)模與水平，但不能有效描述排水管網(wǎng)空間分布均勻性的特征。 因此，筆者引入了基于現(xiàn)代分形幾何學的分形維數(shù)，對排水管網(wǎng)的空間幾何特征進行總體描述。

　　分形理論是20世紀70年代中期后發(fā)展起來的橫跨自然科學、社會科學和思維科學的新理論。它主要研究和揭示復(fù)雜的自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象中隱藏的規(guī)律性、層次性和標度不變性，目前已推廣到物理、化學、地學、材料工程、計算機科學、生物和醫(yī)學等領(lǐng)域。分形可分為有規(guī)分形和無規(guī)分形2種。有規(guī)分形計算以經(jīng)典的Koch曲線為代表，而無規(guī)分形(又稱統(tǒng)計分形)是指無規(guī)律但具有相似性的圖形。排水管網(wǎng)是一種統(tǒng)計分形，在同樣管網(wǎng)密度情況下，管線分布得越均勻，管網(wǎng)分形維數(shù)的值越高。計算分形維數(shù)的方法有多種，對于一些具有嚴格相似性的分形，其維數(shù)可由相似維數(shù)的定義方便求出。對于復(fù)雜的分形，計算其維數(shù)有標尺法、半方差法和計盒法等。

　　3.3排水管網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量指標

　　現(xiàn)行排水體制主要是截流式合流制和分流制2類。一般來講，合流制排水系統(tǒng)由于只需一套管溝系統(tǒng)，施工管理及管溝維護簡單、費用低;而截流式合流制排水系統(tǒng)可同時將匯集的生活污水、工業(yè)廢水和部分雨水送到污水處理廠，尤其是暴雨時通過截流井將部分生活污水、工業(yè)廢水排入水體，給水體造成一定程度的污染。該研究的排水管網(wǎng)為合流制排水管網(wǎng)，因此采用污水截流倍數(shù)、城市生活污水集中處理率、個指標評估排水管網(wǎng)能否充分、高效、協(xié)調(diào)地滿足城鎮(zhèn)排水的需求。

　　4.管網(wǎng)分形維數(shù)的實例計算

　　以東莞市橋頭鎮(zhèn)截污主干管網(wǎng)規(guī)劃圖中選取12個標度為例，介紹了計盒法計算排水管網(wǎng)的分形維數(shù)。假設(shè)城市排水管網(wǎng)的分形維數(shù)與水系分維數(shù)之間存在相關(guān)關(guān)系，在徑流模數(shù)確定的情況下，要在最大程度上實現(xiàn)同樣的功能，需要使排水管網(wǎng)的分形維數(shù)達到某一確定數(shù)值。由東莞市橋頭鎮(zhèn)截污主干管網(wǎng)的分形維數(shù)值來看，該鎮(zhèn)排水管網(wǎng)的分形維數(shù)較小，管線空間分布密度較小，管網(wǎng)稀疏。實際上，該鎮(zhèn)目前只進行排水管網(wǎng)中截污主干管網(wǎng)的建設(shè)，沒有進行支、次管網(wǎng)的建設(shè)。目前該鎮(zhèn)排水管網(wǎng)的實際污水收集效果不高，重要原因之一就是排水管網(wǎng)建設(shè)不完善，空間分布密度不高。

　　總結(jié)

　　城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)的半徑維數(shù)從管網(wǎng)的空間布局方面反映了管網(wǎng)的平面布置特點，但在對城市排水管網(wǎng)的建設(shè)程度評價時，還需要結(jié)合其他指標的測算結(jié)果綜合分析，達到最佳效果。

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