居民小區二次供水設施防凍保溫能力評價

張立尖，黃智峰，黃 鑫

(1.上海市供水管理處，上海 200081；2.上海大學環境科學與工程系，上海 200444；3.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092)

二次供水設施是城市供水的最后環節，與居民用水直接關聯，是反映城市供水水平的要素之一[1]。2016年初，我國南方部分地區遭遇極端寒潮襲擊，二次供水設施出現水箱冰凍、水管漏水、水表凍裂等情況，城市供水服務保障經受了嚴峻考驗[2]。寒潮事故后，上海市制定了二次供水設施防凍保溫的相關標準[3]。但是，對于二次供水設施的防凍能力，尚無評價體系。因此，調查上海市二次供水設施與凍損情況，建立防凍指標體系、評估防凍能力，具有實踐指導意義。

本文結合上海地方實際，充分考慮寒潮中受損的薄弱環節，針對現有防凍標準結合2016年寒潮事故受損分析，確定二次供水設施防凍能力的主控因素，采用層次分析法量化指標權重，構建了防凍能力評價體系。應用該評價體系對上海市不同區域居民住宅內二次供水設施防凍能力現狀進行調查與評估，指出現有措施的不足，提出相應建議，為二次供水設施防凍保溫改造提供一定的技術支撐。

1 凍損初步分析

2016年初，上海-7.2 ℃的夜間氣溫創下30年來最低值。盡管-7.2 ℃在我國北方地區的冬天幾乎是常態，但對于地處南方的上海市來講極為罕見，且該溫度已超出上海市二次供水設施防凍承受能力(原設計標準為-5.6 ℃)[4]。持續的極端低溫天氣下，上海市部分小區的水管、水表冰凍，甚至爆裂，導致停水事故發生[5]。寒潮過后，為提升二次供水設施防凍保溫能力，上海市發布《上海市居民住宅二次供水設施改造工程技術標準防凍保溫細則》(SSH/Z 10002—2016)，細則主要從保溫層和保護層的選用、管道和閥門保溫、水表和表箱保溫、貯水池和屋頂水箱保溫等環節提出了相應的要求。新標準按照上海歷史極端最低氣溫-10.1 ℃設定。

據統計(表1)，2016年寒潮期間，全市供水行業更換水表約18萬只(約占全市水表的2%)，搶修管網漏損約19 000起。寒潮期間管道損壞較輕，中心城區3 600余起，郊區縣15 000余起。可能是因為中心城區市政供水管道一般安裝在上海多年凍土線以下，而郊區管道多裸露在外，受損較多。中心城區和郊區縣水表損壞數量均在90 000只左右。居民室外嵌墻水表的損壞數量最高(67.7%)，其次是室內龍頭表(23.8%)，二者占比之和達到總換表數量的91.5%。建筑物內DN15嵌墻水表更換數量達到40 532個，占總數的54.2%。少數管道井中的水表也發生了凍裂(5.4%)。此外，屋頂水箱也遭受了一定程度的凍損，無任何保溫措施。較普遍的共性問題是，水表采用濕式水表，部分安裝在室外樓道內，無專用水表箱；室外水表為嵌墻安裝，但因暴露在室外，受損數量仍然最高。

表1 2016年寒潮期間上海市供水設施受損情況Tab.1 Damage of Water Supply Facility in Shanghai during the Cold Wave of 2016

2 防凍保溫能力評價體系構建

2.1 構建評價指標

評價指標的篩選原則有二：一是依據寒潮事故中的受損情況，現有設施比較薄弱的環節(如水表、水箱)；二是依據上海市發布的《上海市居民住宅二次供水設施改造工程技術標準防凍保溫細則》(SSH/Z 10002—2016)。外層敷設保溫材料是目前上海市二次供水設施采取的主要防凍保溫措施。保溫層材料的厚度、導熱系數等理化性質是影響防凍保溫性能的主要因素[4]。保溫層的外設保護層對其進行保護，重要性也不容忽視。因此，保溫層材料與保護層材料是二次供水設施防凍保溫的兩大主控因子。

同時，調研表明，水表是二次供水設施防凍保溫的薄弱環節。水表的安裝位置與朝向(室外表)也影響著水表的防凍性能。此外，屋頂水箱大多遭受一定程度的凍損。據此，水表、屋頂水箱、安裝措施也列入主控因素之中。考慮施工的便利性，水表、水箱的防凍保溫措施與材料宜與管道基本一致。每項主控因素都受一些條件因子的影響，因此，評價體系也對影響各主控因素的具體因子做了細分，如使用干式水表、表箱內填充保溫材料、嵌墻安裝等細節作為因子。

綜上，防凍能力指標體系確定為3個層次，防凍能力評價為目標層A，5個主控因素保溫層材料(B1)、保護層材料(B2)、安裝措施(B3)、水表及表箱情況(B4)、屋頂水箱(B5)為準則層B，指標層是對各準則層的具體要求，即三級指標體系如圖1所示。

2.2 確定指標權重

圖1 二次供水設施防凍能力指標體系Fig.1 Indexes System of Anti-Freezing and Thermal Insulation Capability of Secondary Water Supply Facilities

利用層次分析法做出決策，首先要把問題分成3個層次，即目標層、準則層、指標層，構造出一個具有層次遞進的模型。層次模型中的層次數與問題需要分析的具體程度有關，一般層次數不受限制。定量計算的基礎是根據資料數據、實際經驗，結合指標篩選原則，對同層各指標進行兩兩的重要度對比，形成各指標的判斷矩陣[6]。表2為影響目標層A(二次供水設施防凍能力)的準則層5個主控因素(保溫層材料B1、保護層材料B2、安裝措施B3、水表及表箱情況B4、屋頂水箱B5)構成的判斷矩陣。引用整數n=1～9及其倒數作為標度來定義判斷矩陣A=(Bij)n×n。矩陣滿足：Bij>0；Bii=1；Bij=1/Bji。其中，Bij的含義是對于A來說，Bi對于Bij的相對重要性。Bij=1，2個因素同等重要；Bij=3，2個因素相比前者稍重要；Bij=5，2個因素相比前者更重要；Bij=7，2個因素相比前者很重要；Bij=9(2個因素相比前者十分重要)。2、4、6、8表示插值于相鄰的兩個等級之間，且Bij=1/Bji。如在提升防凍能力這一目標下，保溫層材料B1與保護層材料B2相比，B1比B2稍重要，則B12=2，B21=1/2。準則層B1～B5經兩兩比較后，即得出表2的判斷矩陣。

表2 基于目標層A的判斷矩陣Tab.2 Judgment Matrix Based on Target Layer A

在求出判斷矩陣特征向量和最大特征值之后，需對權重合理性進行一致性檢驗。一致性檢驗采用的指標為C.R.=C.I./R.I.，其中，C.I.=(λmax-n) /(n-1)為一般一致性指標，R.I.為平均隨機一致性指標，對于低階判斷矩陣，R.I.的取值可查表3。當C.R.=0時，矩陣A具有完全一致性；當C.R.<0.1時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性；當C.R.> 0.1時，應當重新審視矩陣A，并做適當修正。

為得出各準則層的權重，對判斷矩陣A進行計

表3 平均隨機一致性指標R.I值Tab.3 Mean Random Consistency Indexes R.I.

算，判斷矩陣A的計算結果在通過一致性檢驗后(C.R.< 0.1)，即為5個主控因素B1～B5對目標層A的影響權重值(B1=0.40、B2=0.12、B3=0.09，B4=0.35、B5=0.04)。再次針對準則層構建判斷矩陣，計算指標層各指標對準則層的影響權重值。如準則層B1(保溫層材料)包含4個指標：燃燒性能、厚度、吸濕率、導熱系數，對影響B1的這4個指標進行兩兩的重要性對比，形成判斷矩陣，計算該判斷矩陣并通過一致性檢驗后，可解構出指標層中影響B1的各指標權重值，分別為燃燒性能0.03、厚度0.22、吸濕率0.06、導熱系數0.09。同理，對準則層B2～B5分別進行上述步驟可依次解構出各指標層的權重值，二次供水設施防凍能力評價體系及其權重如表4所示。總體而言，各指標權重系數與實際情況較契合。管道被動保溫是目前防凍的主要措施。依據調研，水表是凍損的薄弱環節，因此保溫層材料與水表情況所占權重較大。

2.3 調查結果

在明確二次供水設施各指標體系及其權重后，在2017年3月—6月對上海市中心城區內5個已完成二次供水設施改造的居民小區進行現場調研。主要是針對二次供水設施防凍能力評價體系中的各指標，根據各指標權重以百分制進行評分，其中，保溫層與保護層材料的性能如厚度、密度、導熱系數等參照《保溫細則》中的要求，符合要求則計分。各小區二次供水設施主要存在的問題及防凍能力評分情況如表5所示。

表4 二次供水設施防凍能力評價體系及其權重Tab.4 Evaluation System and Weights of Anti-Freezing and Thermal Insulation Capability of Secondary Water Supply Facility

表5 小區二次供水設施現狀調研表Tab.5 Investigation of Existing Secondary Water Supply Facility in the Communities

由表5可知，各小區二次供水設施防凍能力指標體系權重得分均在80分以上，其保溫層與保護層材料的選用均符合要求。但存在的主要問題有：大部分小區的水表箱內均未填充保溫材料；少許管道的保溫層部位不連續；小區管道及水表箱未遠離北外墻、外窗；所有小區的水表均為濕式水表。

3 結論與建議

二次供水設施防凍能力評價體系依據保溫層材料、保護層材料、安裝措施、水表箱情況和屋頂水箱5個準則層，劃分了密度、厚度等16個指標層，應用層次分析法確定評價因子各自權重值，對各評價指標進行量化處理，建立了適合上海市二次供水設施防凍能力評價的體系模型。針對二次供水設施防凍保溫中存在的問題，提出如下建議。

(1)水表箱內應填充保溫材料。受損調研中可知，室外嵌墻水表易遭受凍損。建議在水表箱的型式和保溫材料等方面開展相關研究，如填充適當的保溫材料，對水表箱單獨采用電伴熱系統供熱等措施。

(2)小區管道及水表箱靠近背北外墻、外窗。對于老舊小區移管存在難度，只能加強管理；但對于新建小區，建議防凍保溫細則中加入相關的強制性設計規定。

(3)調研的小區全部使用的是濕式水表，建議有條件的更換更高抗凍性能的干式水表。相對于濕式水表，干式水表能更有效地抵御低溫天氣，避免水表凍裂[7]。如紹興市在2016年寒潮后，全市更換為10萬只抗凍干式水表，上海市《住宅設計標準》(DGJ 08-20—2013)中也建議使用干式水表[8]。