【摘要】城鎮體系空間結構是城鎮體系的重要特征之一，對其的定量研究對城市規劃具有重要意義。針對截流合流制排水管網規劃指標體系的構建問題，分別從排水管網的規模、結構、服務質量、經濟效益等方面，構建了反映排水管網規劃特征、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數據，易于在排水管網規劃階段獲取，使評價具有較強的可操作性。在排水管網規劃評價指標體系中引入了新的評價指標――排水管網分形維數，用以描述管網的空間分布特征，并采用計盒法計算了排水管網分形維數，經驗證，計算結果與實際情況較接近。

　　【關鍵詞】礦山機械雜志,分形,分形維數,排水管網規劃,指標體系

　　前言

　　現實世界中交通網絡、通訊網絡、自來水管網、煤氣管網和排水管網等均是空間網絡，一般而言，空間網絡在地理系統中是由若干線性實體互連而成的一個子系統，資源由網絡傳輸，實體間的聯絡也由網絡達成。城市排水系統是城市基礎設施的重要組成部分，不但承擔著城市防洪、排澇和收集城市生活及工業生產等污水任務，而且關系到城市景觀、環境衛生及水環境安全。城市排水體制的合理選擇，不僅關系到城市雨、污水的收集和排放，排水系統的適用性和經濟效益，而且關系到城市水資源利用和水環境保護、城市點源和非點源污染總量控制有效性，影響到城市可持續發展。排水管網規劃是排水管網建設的一項重要內容和環節，不僅影響排水系統的設計、施工、維護和管理，而且對城市規劃和環境保護也將產生深遠影響。因此，做好排水管網規劃評價的理論和方法研究，對于科學規劃和布局排水管網具有十分重要的意義。

　　1.分形分維用于排水管網的意義

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

　　分形分維用于管網評價，不僅能夠反映網絡密度指標所反映的網絡建設總體規模與水平，而且用于分維研究管網形態，為描述網絡覆蓋的深入程度、網絡分布的均勻程度等提供了很好的工具。

　　2.合流制排水管網規劃評價指標體系的設計

　　2.1評價指標選取原則

　　評價指標選取主要取決于規劃目的，截流合流制排水管網規劃評價指標是用來評價研究區域排水管網特性和質量的指標體系。由于目前國內外尚未建立統一的、公認的排水管網規劃評價指標，而且選取不同指標對評價結果影響很大，為了使評價結論盡可能體現客觀性、全面性和科學性，評價指標選取必須遵循以下原則：重點反映規劃目標、具有系統性、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合。

　　2.2評價指標體系的建立

　　排水管網規劃評價是對排水管網規劃方案進行全面、系統地定性與定量分析，以確定排水管網規劃與社會、經濟發展要求的適應情況及在等級、容量上與排水量的適應情況，從而在整體上考察排水管網規劃合理性，為優化排水管網規劃提供依據。排水管網規劃的總目標是利用有限的資金和資源，建設和優化排水管網，為城鎮排水提供優質服務，發揮最大的環境效益和社會效益。排水管網規劃方案的綜合評價必須緊緊圍繞該目標進行。目前國內對排水管網規模和經濟效益指標的研究較多，而對排水管網結構和服務質量等指標研究較少。根據排水管網的特點，采用層次分析法從排水管網規模、結構、服務質量和經濟效益等方面建立評價體系。

　　3.排水管網結構和服務質量指標的定量化

　　3.1排水管網結構指標

　　排水管網的結構指標包括各級管網鋪設率、管網網化度、管網連通指數、管網覆蓋率和管網的分形維數，反映了排水管網空間分布的布局特征。

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

　　3.2管網的分形維數(F1)

　　城鎮排水管網是幾何網絡，通常用于評價管網特征的指標――管網密度，能在宏觀上較好地反映管網建設的總體規模與水平，但不能有效描述排水管網空間分布均勻性的特征。 因此，筆者引入了基于現代分形幾何學的分形維數，對排水管網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雜的自然現象和社會現象中隱藏的規律性、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、生物和醫學等領域。分形可分為有規分形和無規分形2種。有規分形計算以經典的Koch曲線為代表，而無規分形(又稱統計分形)是指無規律但具有相似性的圖形。排水管網是一種統計分形，在同樣管網密度情況下，管線分布得越均勻，管網分形維數的值越高。計算分形維數的方法有多種，對于一些具有嚴格相似性的分形，其維數可由相似維數的定義方便求出。對于復雜的分形，計算其維數有標尺法、半方差法和計盒法等。

　　3.3排水管網服務質量指標

　　現行排水體制主要是截流式合流制和分流制2類。一般來講，合流制排水系統由于只需一套管溝系統，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可同時將匯集的生活污水、工業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。該研究的排水管網為合流制排水管網，因此采用污水截流倍數、城市生活污水集中處理率、個指標評估排水管網能否充分、高效、協調地滿足城鎮排水的需求。

　　4.管網分形維數的實例計算

　　以東莞市橋頭鎮截污主干管網規劃圖中選取12個標度為例，介紹了計盒法計算排水管網的分形維數。假設城市排水管網的分形維數與水系分維數之間存在相關關系，在徑流模數確定的情況下，要在最大程度上實現同樣的功能，需要使排水管網的分形維數達到某一確定數值。由東莞市橋頭鎮截污主干管網的分形維數值來看，該鎮排水管網的分形維數較小，管線空間分布密度較小，管網稀疏。實際上，該鎮目前只進行排水管網中截污主干管網的建設，沒有進行支、次管網的建設。目前該鎮排水管網的實際污水收集效果不高，重要原因之一就是排水管網建設不完善，空間分布密度不高。

　　總結

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

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