【摘要】城镇体系空间结构是城镇体系的重要特征之一，对其的定量研究对城市规划具有重要意义。针对截流合流制排水管网规划指标体系的构建问题，分别从排水管网的规模、结构、服务质量、经济效益等方面，构建了反映排水管网规划特征、涵盖15个指标的评价体系框架，确定了各评价指标的定义和量化方法。评价指标定量计算所需要的基础数据，易于在排水管网规划阶段获取，使评价具有较强的可操作性。在排水管网规划评价指标体系中引入了新的评价指标――排水管网分形维数，用以描述管网的空间分布特征，并采用计盒法计算了排水管网分形维数，经验证，计算结果与实际情况较接近。
【关键词】矿山机械杂志,分形,分形维数,排水管网规划,指标体系
前言
现实世界中交通网络、通讯网络、自来水管网、煤气管网和排水管网等均是空间网络，一般而言，空间网络在地理系统中是由若干线性实体互连而成的一个子系统，资源由网络传输，实体间的联络也由网络达成。城市排水系统是城市基础设施的重要组成部分，不但承担着城市防洪、排涝和收集城市生活及工业生产等污水任务，而且关系到城市景观、环境卫生及水环境安全。城市排水体制的合理选择，不仅关系到城市雨、污水的收集和排放，排水系统的适用性和经济效益，而且关系到城市水资源利用和水环境保护、城市点源和非点源污染总量控制有效性，影响到城市可持续发展。排水管网规划是排水管网建设的一项重要内容和环节，不仅影响排水系统的设计、施工、维护和管理，而且对城市规划和环境保护也将产生深远影响。因此，做好排水管网规划评价的理论和方法研究，对于科学规划和布局排水管网具有十分重要的意义。
1.分形分维用于排水管网的意义
用于管网评价的管网密度指标――管网密度，即单位服务面积的管线长度，反映了管网建设的总体规模与水平，易于进行不同地区或国家之间的横向比较，非常适用于研究管网的宏观规模，但对于网络分布特征的描述则不合适。由于管网分布的均与程度在某种意义上具有重要的作用，例如通过管网的均匀分布衡量地区的均衡发展，而密度指标往往遗漏了重要的网络特征信息。因此，我们引进了基于分形理论的网络覆盖评价指标即管网的分维数，在同样的管网密度情况下管线分布的越均匀，管网分维数值越高。
分形分维用于管网评价，不仅能够反映网络密度指标所反映的网络建设总体规模与水平，而且用于分维研究管网形态，为描述网络覆盖的深入程度、网络分布的均匀程度等提供了很好的工具。
2.合流制排水管网规划评价指标体系的设计
2.1评价指标选取原则
评价指标选取主要取决于规划目的，截流合流制排水管网规划评价指标是用来评价研究区域排水管网特性和质量的指标体系。由于目前国内外尚未建立统一的、公认的排水管网规划评价指标，而且选取不同指标对评价结果影响很大，为了使评价结论尽可能体现客观性、全面性和科学性，评价指标选取必须遵循以下原则：重点反映规划目标、具有系统性、具有可操作性、具有科学性、具有可比性和避免包容性、定量与定性指标相结合。
2.2评价指标体系的建立
排水管网规划评价是对排水管网规划方案进行全面、系统地定性与定量分析，以确定排水管网规划与社会、经济发展要求的适应情况及在等级、容量上与排水量的适应情况，从而在整体上考察排水管网规划合理性，为优化排水管网规划提供依据。排水管网规划的总目标是利用有限的资金和资源，建设和优化排水管网，为城镇排水提供优质服务，发挥最大的环境效益和社会效益。排水管网规划方案的综合评价必须紧紧围绕该目标进行。目前国内对排水管网规模和经济效益指标的研究较多，而对排水管网结构和服务质量等指标研究较少。根据排水管网的特点，采用层次分析法从排水管网规模、结构、服务质量和经济效益等方面建立评价体系。
3.排水管网结构和服务质量指标的定量化
3.1排水管网结构指标
排水管网的结构指标包括各级管网铺设率、管网网化度、管网连通指数、管网覆盖率和管网的分形维数，反映了排水管网空间分布的布局特征。
各级管网铺设率：各级排水管网的铺设程度与管网的收集污水能力和排水水平密切相关。从各级排水管网的功能来看，主干管网是为长距离输水服务的管网;支管管网是城市中主要的排水性管网，主要是把次级管网收集到的污水汇入主干管网;次级管网是城市内部各生活小区及排水分区内的主要集散管道，次级管网在排水上起汇集作用。从主干管网到支管管网，从支管管网到次级管网，分布密度要求逐步提高。城市排水管网必须有合理的等级结构，以保障城市排水水流从低一级管网向高一级管网有序汇集。
3.2管网的分形维数(F1)
城镇排水管网是几何网络，通常用于评价管网特征的指标――管网密度，能在宏观上较好地反映管网建设的总体规模与水平，但不能有效描述排水管网空间分布均匀性的特征。 因此，笔者引入了基于现代分形几何学的分形维数，对排水管网的空间几何特征进行总体描述。
分形理论是20世纪70年代中期后发展起来的横跨自然科学、社会科学和思维科学的新理论。它主要研究和揭示复杂的自然现象和社会现象中隐藏的规律性、层次性和标度不变性，目前已推广到物理、化学、地学、材料工程、计算机科学、生物和医学等领域。分形可分为有规分形和无规分形2种。有规分形计算以经典的Koch曲线为代表，而无规分形(又称统计分形)是指无规律但具有相似性的图形。排水管网是一种统计分形，在同样管网密度情况下，管线分布得越均匀，管网分形维数的值越高。计算分形维数的方法有多种，对于一些具有严格相似性的分形，其维数可由相似维数的定义方便求出。对于复杂的分形，计算其维数有标尺法、半方差法和计盒法等。
3.3排水管网服务质量指标
现行排水体制主要是截流式合流制和分流制2类。一般来讲，合流制排水系统由于只需一套管沟系统，施工管理及管沟维护简单、费用低;而截流式合流制排水系统可同时将汇集的生活污水、工业废水和部分雨水送到污水处理厂，尤其是暴雨时通过截流井将部分生活污水、工业废水排入水体，给水体造成一定程度的污染。该研究的排水管网为合流制排水管网，因此采用污水截流倍数、城市生活污水集中处理率、个指标评估排水管网能否充分、高效、协调地满足城镇排水的需求。
4.管网分形维数的实例计算
以东莞市桥头镇截污主干管网规划图中选取12个标度为例，介绍了计盒法计算排水管网的分形维数。假设城市排水管网的分形维数与水系分维数之间存在相关关系，在径流模数确定的情况下，要在最大程度上实现同样的功能，需要使排水管网的分形维数达到某一确定数值。由东莞市桥头镇截污主干管网的分形维数值来看，该镇排水管网的分形维数较小，管线空间分布密度较小，管网稀疏。实际上，该镇目前只进行排水管网中截污主干管网的建设，没有进行支、次管网的建设。目前该镇排水管网的实际污水收集效果不高，重要原因之一就是排水管网建设不完善，空间分布密度不高。
总结
城镇排水管网的半径维数从管网的空间布局方面反映了管网的平面布置特点，但在对城市排水管网的建设程度评价时，还需要结合其他指标的测算结果综合分析，达到最佳效果。
参考文献
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