二次供水系統的技術驗證評價方法

王 郡，史 俊，鄧慧萍

(同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092)

1 國內外環境技術驗證評價體系

如今，城市化進展加速，居民小區以中高層建筑為主，居民的用水要求也隨著城市的生活品質提高，二次供水水質污染以及能耗問題在老舊小區內尤其突出[1]。目前，國內在二次供水技術的應用設計中，遵循安全、衛生、節能、環保的原則，整體技術科研水平不差，但由于技術應用上缺乏監管，在實際應用中不能很好地發揮[2]。這些存在的問題與我國環境技術體系的缺失密不可分。

目前，我國的專家評估體系很難客觀、科學地反映技術的真實性能，主要體現在以下兩方面：①缺乏具有權威性的評判標準和共同的評價依據；②專家具有主觀性，評審結果不一定具有客觀性。因此，評價結果難以定量且客觀公正地體現技術的真實水平，難以在社會上推廣。

20世紀90年代，繼美國與加拿大之后，韓國與日本也實施了環境技術驗證(environmental techology verification，ETV)體系，利用科學的評價體系和評價指標，對環境技術進行驗證與評價，最終篩選得到具有科學性和權威性的決策方案，給技術購買者提供他們在技術選擇時所需的權威且客觀的數據。目前，ETV的國際工作組成員包括美國、加拿大、日本、歐盟成員國、印度、菲律賓等眾多國家[3-5]。ETV是對生產性實際數據和相關技術的標準和規范，利用定性、定量與半定量相互結合的評價方法，對環境相關的具有市場化前景或已產業化的新工藝和新技術進行驗證，從而得出最終的評價結果及相關建議。在2009年，頒布了《國家環境保護技術評價與示范管理辦法》，明確規定了我國環境技術評價制度的基本框架、評價模式，而ETV在其辦法中，被明確表示為一種可以實行且具有參考意義的一套環境技術驗證評價體系[6]。黃海明等[7]開展了水污染防治處理技術驗證試點工作，并對某尼龍生產廢水的處理方法進行了技術驗證。傅金祥等[8]開展了小鎮污水處理技術ETV測試研究，劉平等[9]開展了水蚯蚓原位消解污泥技術的驗證評價體系相關研究。在近10年里，我國有許許多多的研究人員在ETV相關領域做了相關的研究與展望，但我國對ETV的研究仍處于摸著石頭過河的階段，尤其是在如今高速城市化的發展階段，亟需建立一套科學與權威的針對二次供水技術的驗證評價方法，對未來二次供水系統提供更權威的發展基礎。

2 評價體系

2.1 評價體系的構建

為科學評估二次供水技術，需合理客觀地構建評價體系，從而使評價結果能夠很好地體現各項二次供水技術水平，而不僅僅只是評價某個單一的二次供水技術。建立評價體系時，應考慮每一個評估階段都能緊緊相扣，相互補充。參考美國ETV相關規范文件[10-13]，建立符合我國國情的評價體系。

2.2 指標體系構建

在二次供水技術驗證評價體系中，指標的篩選和確定以及評價標準的建立是評價過程中最關鍵的環節，是評價技術的重要依據，直接影響整體評價結果。根據二次供水相關驗證關鍵參數，以國家制定的相關二次供水技術規范和技術規程為基準，以二次供水技術領域專家咨詢意見為依據，建立二次供水的評估指標以及評估標準。

2.2.1 指標篩選

在預評估過程中，為了評估二次供水關鍵技術，采用德爾菲專家咨詢法，邀請部分權威專家以會議的方式建立創新性、技術效能、安全及其他局限性、成熟穩定性、設計參數、單位投入產出、可推廣范圍等7類一級指標，使評價結果能夠給技術使用方、技術研究方以及技術購買方提供重要的參考依據。

該研究從這7類一級指標中，細分20個二級指標作為二次供水技術驗證評價指標體系，且細分為三大評價體系：

①創新性指標較為特殊，即使效果一直良好，但隨著社會的發展，評價創新的內容會不同，故將創新性指標作為獨立評價體系；

②技術效能指標、安全及其他局限性指標、成熟穩定性指標、設計參數指標、單位投入產出指標，構成技術指標體系，使用五邊形雷達圖表示各要素層評價結果，作為使用方及購買方的參考標準；

③二次供水綜合評價指標應考慮技術指標中要素層的綜合情況，與可推廣范圍指標和節能效果指標綜合，得出最終結果，作為研究技術方及相關技術推廣部門的主要參考依據。

2.2.2 指標權重

各評估部分中的指標權重采用層次分析法確定。在層次分析法中，通過構造評判矩陣，以兩兩比較的方式確定各層次中各個因素之間的相對重要性。首先，建立層次分析法的層次結構模型，設置目標層、準則層和因素層。之后，采用專家打分的模式對各個因素層的指標以及準則層指標的相對重要性一一進行評判比較，使用1～5標度法(表1)建立層次分析法的判斷矩陣，通過式(1)～式(4)計算權重。專家意見中，可能會出現主觀性太強或打分隨意的問題，故邀請的權威專家超過10位，專家來自科研、工程設計及實際運行管理層等領域。最后，采用加權平均計算方法得出每個專家的權重結果，求得最后的權重比。

表1 1～5標度法含義等級對應表Tab.1 1～5 Scale Meaning Correspondence Table

(1)

(2)

CI=(λmax-n)/(n-1),n=1,2,3…

(3)

CR=CI/RI

(4)

其中：Wi——第i個因素的權重；

aij——第i因素與第j因素比較所得的標度值；

A——向量，aij所組成的向量矩陣，i=1,2,…,n；j=1,2,…,n；

(AW)i——AW的第i個分量；

λmax——最大特征向量值；

CI——一致性指標；

RI——一致性比例；

CR——平均一致性指標。

通過收集專家們對于要素層和指標層評判比較的問卷后，按照標度值等級整理成判斷矩陣(由第i因素與第j因素比較所得的標度值所組成的向量矩陣)，通過層次分析模型計算各層測試指標的重要性權重。將判斷矩陣最大特征值對應的特征向量歸一化處理，即為各個測試指標的權重。通過MATLAB 軟件來實現上述計算過程，得出最后的權向量，權重結果如表2和表3所示。

表2 創新性指標權重Tab.2 Weights of Innovation Indexes

表3 二次供水技術綜合評價指標權重Tab.3 Weights of Evaluation Indexes for Secondary Water Supply Technology

3 評價方法

3.1 評價標準的建立

針對7類一級指標、20個二級指標，通過大量的實地調研及問卷調查，結合專家咨詢結果，參照已有的研究文獻及規范規程，制定評價標準。評價標準中共有8個定性指標(創新目標、創新技術內容、創新點、創新程度、適用指標、安全性指標、應用范圍指標、節能指標)、3個半定量指標(運行管理指標、設計效能指標、社會和其他自然資源單位消耗指標)和9個定量指標(水質指標、可靠性指標、穩定性指標、規范性指標、就緒度指標、關鍵設計參數、輔助設施設計參數、工程投資、單位運營費用)。二次供水技術評價水平分為第I級、第II級、第III級、第IV級、第V級等5個等級，依次表示技術優、良、中、合格和不合格。

3.2 模糊評價法

隸屬度是模糊評價中隸屬度函數的具體數值，按照隸屬度函數對模糊性進行定量描述，模糊性是事物客觀存在的一種屬性，力求通過隸屬度函數反映客觀事實。隸屬度描述在一個模糊集合中的每個元素對其所在集合的隸屬程度，隸屬度的值在[0,1]之間取值，越接近1表示這個元素的隸屬度越大，更符合所在評分等級。

對于定量指標和半定量指標而言，根據大量二次供水技術的數據、文獻調研、實地調研、國家規范查閱、專家意見咨詢，運用常用的三角型和梯形分布構造的隸屬度函數確定定量指標的隸屬度值。

當第i項指標的實際值Xi大于其對應“第I級”指標界限值Si1時，它對指標的“第I級”隸屬度為1，對其他指標等級隸屬度為0，即當Xi>Si1時，如式(5)。

ri1=1；ri2=ri3=ri4=ri5=0

(5)

當第i項指標的實際值Xi介于其對應的“第j級”與“第j+1級”的界限值Sij與Si,j+1之間時，即Si,j+1≤Xi≤Sij時，它對第i項指標的“第j級”、“第j+1級”隸屬度分別如式(6)。

(6)

當第i項指標的實際值Xi小于其對應“第V級”指標界限值Si5時，它對指標的“第V級”隸屬度為1，對其他指標等級隸屬度為0，即當Xi

ri5=1；ri1=ri2=ri3=ri4=0

(7)

隸屬度函數表達如式(8)～式(10)。

(8)

(9)

(10)

以水質指標中的出水達標率為例：定義第I級為達標率達到99%，第II級為達標率達到90%，第III級為達標率達到85%，第IV級為達標率達到80%，第V級是達標率小于75%，每級的隸屬度函數為所定義達標率值向相鄰兩級展開的一次線性函數，建立出水達標率隸屬度函數圖(圖1)。若出水達標率為94%，其隸屬度值落在第I級～第II級，運用式(8)～式(10)可得：第I級隸屬度函數對應的值為0.444，第II級隸屬度函數對應的值為0.556，第III級、第IV級、第V級的隸屬度函數均為0，其隸屬度矩陣為 [0.444,0.556,0,0,0]，其他定量及半定量指標的隸屬度函數值確定方法類似。

圖1 出水達標率隸屬度函數Fig.1 Membership Function of Qualification Rate

定性指標通過實地調研和調查問卷的形式，采用直接打分的方式確定隸屬度矩陣。例如：邀請10位專家對“節能指標”進行等級評價，有8位專家認為“優”，2位專家認為“良”，則第I級的隸屬度為0.8，第II級的隸屬度為0.2，第III級、第IV級和第V級的隸屬度為0，匯總得到隸屬度矩陣為[0.8,0.2,0,0,0]。其他定性指標隸屬度矩陣的方法類似。

通過分層模糊評價，由最低層次的各個因素進行隸屬度評價，然后通過加權平均逐一向更上一層次的各因素進行評價，得出最后的綜合結果。運用式(11)的運算模型進行計算，既考慮了所有因素的影響，又保留了單因素評價的信息。

(11)

其中：Vj——指標V在第j級隸屬度值；

ɑi——因素i的權重；

rij——因素i在第j級的隸屬度值。

通過最大隸屬度原則，將每一項指標隸屬度矩陣中最大隸屬度值所處的級別，確定為每項指標的評價等級，并將隸屬度函數所得的值轉化為百分制，第I級為100，第II級為90，第III級為80，第IV級為70，第V級為60。

4 案例分析

4.1 技術概況

4.1.1 疊壓供水的現狀及優缺點

在“十一五”、“十二五”較成熟的技術成果中，有許多二次供水相關的關鍵技術點，疊壓供水技術作為我國近10年來大力研究發展的二次供水技術，具有以下明顯的優點：①可充分利用管網余壓，節省電耗；②省卻儲水構筑物，節約用地，節約投資；③防止二次供水系統的二次污染可能，減少水的溢流損失；④便于水泵自動控制；⑤安裝簡便，維護方便。同時，也因為疊壓供水技術不設儲水構筑物，其缺點主要體現在以下兩個方面：①有可能因回流而污染市政供水管網；②可能造成市政管網水壓局部下降，影響鄰近地區用戶用水。疊壓供水優點突出，缺點也突出。因此，從2007年開始，頒布了一系列的行業標準及協會標準，得到了大家的重視及推廣。水專項中對疊壓技術的應用主要體現在高層建筑分區供水上，主要的工藝形式包括變頻泵直接疊壓供水和變頻疊壓+高位水箱二次供水2種，涉及到的設備形式較多，供應商較多。

4.1.2 技術驗證點的選擇

《江蘇太湖地區二次供水技術指南》中指出，二次供水系統宜采用管網疊壓供水、水箱供水或2種方式切換供水，可較好地滿足節省能耗和用水水壓水量的需求。同時也指出，疊壓技術的使用必須滿足相關規范和標準中規定的適用條件。國家“十二五”水專項課題《江蘇太湖水源飲用水水安全保障技術集成與綜合示范》對蘇州老舊小區以及宜興多個新小區采用疊壓技術進行二次供水改造工程。水質、水壓漏損率都有明顯改善。本次從宜興市106個采取疊壓技術的管網末梢處小區中，選取2個用戶數量較大的小區，各抽選5個泵房作為驗證點，進行評價分析，其疊壓技術運行時間長且相關運行資料完整，具有代表性與普遍性。驗證點信息如表4所示。

4.2 技術評價

測試周期計劃為6個月(180 d)，選取宜興市天氿御城及中星湖濱城DEF區的龍頭水為采樣點，采樣頻率為1個月1次，共計采樣6次(表5)。通過第三方分析檢測總大腸桿菌群、渾濁度、pH及游離氯，遵循《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)。疊壓設備運行情況則遵循水泵的每天每分鐘為1次檢測的運行歷史記錄，包括連續的進出水壓力及水量波動(表6)等進行描述，設計效能按照《二次供水工程技術規程》(CJJ 140—2010)、《管網疊壓供水技術規程》(CECS 221—2012)以及《江蘇太湖地區二次供水技術指南》等規范進行描述，經濟效益按照工程造價表和月平均電費表進行描述，如表7所示。

表4 驗證點泵房明細Tab.4 Verification Details of Pump Rooms

表5 水質檢測報告Tab.5 Detection Report of Water Quality

表6 泵連續進出水波動壓力(部分)Tab.6 Water Pressures of Continuous Inflow and Outflow of the Pump(Parts)

表7 1月電費Tab.7 Electricity Bills in January

4.3 評價結果

4.3.1 創新性指標

通過10位設計、科研、現場的專家咨詢，疊壓供水技術的創新性指標及其4個要素層隸屬度匯總如表8所示。

其中，權重向量(要素層中指標的權重)為(0.35,0.27,0.25,0.13)。

表8 創新性指標隸屬度與權重結果Tab.8 Results of Membership Degrees and Weights of Innovation Indexes

通過式(11)計算，最終創新性指標的隸屬度為(0.105,0.55,0.345,0,0)。

專家問卷調查認為，創新性指標處在II～III級，表示疊壓技術經過近10年的大力研究發展，已逐漸開始生產性應用，單論此項技術時，其創新熱度已逐漸減退。

4.3.2 技術指標

通過10位包括設計、科研、現場的專家咨詢，對《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)、《二次供水工程技術規程》(CJJ 140—2010)、《管網疊壓供水技術規程》(CECS 221—2007)、《江蘇太湖地區二次供水技術指南》等規范標準和相關文獻進行查閱，以及在天氿御城及中星湖濱城D區的調研。最終得出技術指標的隸屬度矩陣，結果如表9所示。

表9 技術指標隸屬度與權重結果Tab.9 Results of Membership Degrees and Weights of Technology Indexes

在技術效能指標中，天氿御城及中星湖濱城D區龍頭出水水質在測試周期中委托國家城市供水水質監測網無錫監測站作為第三方檢測。檢測項目：總大腸菌群、菌落總數、色度、渾濁度、臭和味、肉眼可見物、pH、CODMn、游離氯，檢測結果均達標。每個月的采樣水質數據包括：渾濁度、pH、CODMn、游離氯，也均達標，達標率為100%。測試周期內，無居民反映水壓水質等問題，超過五成的專家認為疊壓供水技術的適用情況合理，認為現有的管網余壓能夠滿足疊壓設備需求。

在安全與其他局限性指標中，疊壓供水設備不設置水箱，故無二次污染風險。部分水務總局及設計單位的人員，仍對疊壓設備的可靠性留有質疑，認為疊壓設備應更加注意其安裝使用規范，有可能造成回流，污染市政管網。若疊壓供水技術大面積應用，必然會大大增加市政管網的負荷，造成一定的安全與運行可靠性的風險問題。宜興示范小區，其疊壓設備在應用的2年內，日常巡查及維護并未記錄過設備故障的問題，且宜興市規劃上能夠支持106個小區使用疊壓供水技術，沒有造成可靠性問題，運行良好。疊壓設備運行簡便，由于無水箱的設置，無清洗問題，管理方便。

在成熟穩定性指標中，居民用水高峰與低峰時期，疊壓供水水壓會有小幅度波動，因此，疊壓供水設備應顯示壓力設定值與實際值、水泵運行狀態及設備故障等指示。調研結果顯示，疊壓的自動控制設備均能正常顯示這些指示，以在出水流量大于管網供給流量時，實現小流量供水或停機供水；就緒度指標按照技術成熟度等級(technology readiness level，TRL)進行評價，等級共分九等。專家認為，疊壓供水技術處在TRL6～TRL7，表示技術已有了示范工程驗證且得到部分第三方評估，正在發布一系列技術指南、政策、管理辦法已獲得技術的規范化操作，供水穩定評價較高。

設計參數指標代表了實際應用工程其設計效能以及關鍵設計參數是否符合現有的規范《二次供水工程技術規程》(CJJ 140—2010)及《疊壓供水技術規程》(CECS 221—2012)，反映工程設計的合理性以及規范中是否有缺漏的重要條例。在所選取的驗證點中，此項技術應用效果良好，但疊壓供水技術與設備的協會標準與地方標準規范條例有相當一部分未在建設部頒布的行業標準條例當中，如對引入管管徑的規定或對能夠接入疊壓系統的市政管網的壓力有具體規定等，以提供設計準則參考。

在單位投入產出指標中，根據總投資費用報告，共有示范小區16個，包括了所選擇驗證點的2個典型小區。根據情況選取管網疊壓或管網疊壓+水箱增壓的改造方式，總投資費低，綜合電耗相較于改造前減少0.8 kW·h/t，降低50%以上，設備智能化，無需人工操作或清洗水箱，人工費大大降低。驗證點小區月電費報表驗證了其電耗費用，發現戶均僅為3.4元/月，總體經濟效益較高。

綜上所述，結合技術指標隸屬度及權重，通過式(5)計算，可得圖2。由圖2可知：①疊壓供水技術的技術效能指標、安全及其他局限性指標、設計參數指標及單位投入產出指標均達到了第III級(80分)以上，表現出疊壓供水技術在供水規劃的允許下，是一項良好的二次供水技術；②技術效能指標及單位投入產出指標較為出眾，接近第II級(90)，表示疊壓供水技術具有經濟效益高且水質情況良好的優勢，對于管網余壓充足的老舊小區，是一個很好的改建方案；③在安全及其他局限性指標及設計參數指標中，根據驗證點的使用情況，疊壓供水技術可靠性高，且無水箱清洗問題，運行管理方便，設計參數符合現行規范標準，運行效能良好；④就技術的規范化和標準化上，此項技術缺乏相關的設計參數，仍有進一步的提升空間。

評價結果能夠一目了然地描述此項技術的優劣，給技術使用方、技術研究方以及技術購買方提供了重要的參考依據。

圖2 技術指標評價結果分析Fig.2 Evaluation Results of Technology Index

4.3.3 可推廣性指標

通過10位設計、科研、現場的專家咨詢，疊壓供水技術的可推廣性指標及其兩個要素層隸屬度匯總如表10所示。

通過問卷反饋，一半以上的專家認為疊壓供水其應用推廣范圍已能夠達到第Ⅰ級，節能指標上大部分也認為已有達到第Ⅰ級標準的能力。結合技術指標隸屬度與權重，通過式(11)，二次供水技術綜合評價指標結果為(0.578,0.356,0.066,0,0)。

表10 可推廣性指標隸屬度與權重結果Tab.10 Results of Membership Degrees and Weights of Popularization Indexes

綜合可得，疊壓供水技術綜合評價處在Ⅰ～Ⅱ級，表示疊壓技術近10年來的大力發展，已有了很大程度的進展，表明其極具可推廣性及技術應用前景。

5 結論

(1)該研究利用層析分析法，由三大指標體系， 20個二級指標，客觀科學地描述了二次供水技術并賦予相應指標權重。

(2)依據相關二次供水技術科研、設計、應用等相關領域專家的咨詢意見，制定了指標評價標準和方法；基于文獻調研及相關技術研究報告，結合專家意見，以水專項“十一五”、“十二五”的相關示范小區為研究對象，對評價結果從優秀至不合格分5個等級，按照隸屬度函數及最大隸屬度原則，對創新性指標、技術指標及可推廣性指標進行相關評價分析。

(3)案例結果顯示，該方法可有效評價二次供水技術的先進性、有效性及可推廣性，為技術使用、技術科研、技術規范等不同二次供水領域相關研究人員提供可靠的技術信息及分析，并為技術持有者提供完善的技術性能等相關建議。