城市水廠運行健康評估研究與應用

王亞楠WANG Ya-nan

（上海市供水調度監測中心，上海 200080）

0 引言

《上海市供水總體規劃》的總體目標是，至2035 年建成“節水優先、安全優質、智慧低碳、服務高效”的城市供水系統，城市自來水廠作為城市供水系統中的重要組成部分，亟須制定標準化的水廠評估方法，通過持續性的評估掌握水廠的運行狀況，以確保水廠基礎設施的可靠性和可持續性，提高水廠的運行效益和服務質量，指導水廠未來的維護更新、運行改造與投資管理方向。當前，現有的水廠評估研究一般是以效益為主要目標的績效評估，或者集中于工藝流程單元中水質指標是否達標的評估，很少有針對技術運行方面的綜合評估。技術運行角度的評估對于水廠監管、設計、運行，提高水廠生產運行的可靠性、安全性和高效性具有重要的作用。因此，制定水廠運行的技術評估標準以規范和提高水廠的運行管理水平是十分重要的。

1 評估指標體系的構建

1.1 綜述

國際水協（IWA）編制的《供水服務績效指標手冊》[1]系統性地建立了供水服務績效的評價指標體系，是許多國家開展供水服務績效評價的重要參考。Vieira 等人[2]提出了一種針對水廠生產技術指標的評估方法，界定了包含七個評估領域的八十個指標的績效指標體系，確定了量化衡量標準。Kue ra 等人[3]將水廠作為供水系統的獨立模塊進行單獨評估，建立了基于結構性能和技術運行兩個方面的評估指標集，提出了水廠狀況評估的FMEA（故障模式和影響分析）方法。Rahman 等人[4]開發水廠的狀態評估模型，覆蓋技術、物理、環境和運行方面的基本狀態參數，分別評估水廠各組件的技術狀況，評估結果表明，設計和建造參數是影響水池狀況的最重要參數，而對于水泵而言，運行參數則是最重要的參數。國內關于水廠的評估一般只針對特定生產工藝或者機泵健康方面的評估[5]，很少有針對水廠運行的系統性評估。

1.2 指標篩選

由于水廠的類型、規模和使用的技術要素多樣，水廠運行健康評估很難包含所有要素，因此制定具有代表性的指標評估體系尤其重要。指標的篩選標準要求科學合理，能夠適應水廠的實際情況。同時，為保證評估的平衡性和完整性，不同類別的指標應具有良好的分布和代表性。基于水廠運行健康狀況評估的目標，包括產品水的品質、運行穩定性、安全性等方面，本研究確定了包括出廠水質量、運行可靠性、抗風險能力、智能化水平、規范化管理五個維度的水廠健康評估的指標體系。

針對指標體系的五個維度，分別確定其對應的關鍵技術指標。指標初步選取階段通過查閱分析國內外相關標準、文獻等，并考慮水廠的運行特性，選取有代表性的要素，形成初選指標集。優化篩選階段則在初步篩選的基礎上，從相關性、合理性、可獲得性等方面，對指標數據進行分析、判斷。將指標體系整合成一份調查問卷分發給供水企業相關管理和技術人員、水廠運行方面的研究人員和設計人員等，對指標參數相關性、完整性和重要性作進一步評價。判斷指標數據的可獲得性，對于數據收集存在困難或不具成本效益的指標作排除處理。統計分析指標數據的可比性和獨立性，確定最終的選定指標集。

1.3 指標體系架構

本研究最終確定的水廠運行健康評估指標體系的架構如圖1 所示。基于多目標、多標準的綜合評估需求，評估體系架構確定為指標分層結構，共分為三個層次，第一層覆蓋了基于績效目標的水廠運行評估的維度，共包含5 個一級指標，第二層列出了水廠運行評估包含的參數類別，共包含15 個二級指標，第三層則詳細列出了每個類別下具體的參數，共包含50 個三級指標。

圖1 水廠運行健康評估指標體系架構

2 水廠運行健康評估方法

水廠運行健康評估最終得到的是綜合評價的指數，以構建便于量化衡量的標準，對于評估指標體系多層次多參數的特征，建議采用的方法以加權總和法[3]為基礎，將指標參數量化處理，并對每項指標參數分配具體的權重，從最底層開始逐步加權匯總。三級指標層是評估中輸入數據的唯一層次，更高層次的評估是由三級指標層輸入的數據計算得出。

評估結果標準化后的指標數值和權重進行加權求和，得到最終的綜合評分，計算公式見式（1）。通過分值統計對水廠水平進行打分及等級劃分，直觀展示水廠運行管理水平。

其中，S 為水廠運行健康評估綜合得分，Ci為第i 個指標參數的評分，Wi為第i 個指標參數的綜合權重。

評估人員首先確定各因素的離散值。然后將這些因素的分值匯總，再計算出單個指標的值，以顯示水處理廠的整體狀況。

本研究綜合分值的標準采用百分制，評估結果根據得分的高低歸入相關評估類別，由高到低的順序劃分為4級，I 級代表健康，Ⅱ級代表安全，Ⅲ級代表可控，Ⅳ級代表風險，符合表1 的規定。

表1 評估等級

3 評估指標權重的確定

權重反映了指標在評估體系中的相對重要性，鑒于本研究評價體系層級結構復雜，指標參數眾多，權重的獲取采用層次分析法（AHP 法），通過分析分層次結構簡化復雜問題，構建成對比較矩陣確定每個指標的相對權重值。

按照9 級標度法進行指標的兩兩比較打分，得出各因素的重要性，1-9 標度的含義如表2 所示。構造判斷矩陣A，檢驗判斷矩陣的一致性，進而計算判斷矩陣的最大特征值和特征向量。將判斷矩陣的特征向量進行歸一化處理后，得到權重。

表2 AHP 標度含義

判斷矩陣A 一致性檢驗的步驟如下，首先計算矩陣A的一致性指標CI，隨后計算出一致性比率CR，最后通過CR 判斷矩陣A 的一致性。當CR 值小于0.1 時，認為判斷矩陣的不一致程度在允許范圍內，通過一致性檢驗。

其中，λmax為矩陣A 的最大特征值，n 為矩陣的階數。

其中RI 為平均隨機一致性指標，它只與矩陣的階數有關，具體取值見表3。

表3 平均隨機一致性指標

以一級指標為例，如表4 所示，構造其判斷矩陣A=（aij）n*n，aij為第i 個指標相對第j 個指標的相對重要性。

表4 一級指標判斷矩陣

計算得到矩陣A 的最大特征值λmax=5.1070，一致性指標CI=0.027，一致性比率CR=0.024，經判斷CR<0.1，判斷矩陣A 通過一致性檢驗。

計算判斷矩陣 A 的特征向量為（0.726，0.507，0.354，0.247，0.172），經過歸一化處理后，得到一級指標的權重矩陣（A1，A2，A3，A4，A5）=（0.362，0.253，0.176，0.123，0.086）

分別計算得出二級和三級指標層的權重值，權重逐級相乘最終得到指標的綜合權重。每項指標的綜合權重反映出該項指標的相對重要程度，最終得到的三級指標的綜合權重如圖2 所示。從圖中可以看出，相對權重比較高的幾項指標分別為在線濁度控制紅線C5、在線余氯控制紅線C7 和在線壓力控制紅線C13，這幾個指標代表著出廠水的質量，這也與水廠的首要目標，生產出符合數量和質量要求的飲用水，向用戶提供優質、穩定的供水相契合。

圖2 三級指標綜合權重值

4 指標參數量化分析

綜合評估需要對指標參數進行量化分析，首先需要確定評估周期，指標數據的更新頻率根據指標特征，分為實時、日、月、年。與設施設備設計和結構相關的指標，如水庫水量、水庫庫容率等參數作為靜態指標，更新頻率以年計算，與運行管理相關的指標，如在線濁度合格率、在線壓力合格率等作為動態指標，數據可以做到實時更新。統計各指標的更新頻率，可以做到實時更新的指標有14 項，每日更新的指標8 項，每月更新的指標4 項，每年更新的指標24 項。評估周期則考慮到水廠運行健康評估的目標，若以水廠間對比排序為主要評估目的，設定以日或月為基礎的評估周期，若以動態運行監管為主要評估目的，則可將基礎的評估周期設定為實時滾動更新。

4.1 指標的計算方法

由于本評估體系中指標參數過多，故取有代表性的部分指標參數作舉例說明。以出廠水質量為例，如表5 所示，詳細描述指標參數的特征。對于水廠來說，監測成品水的水質參數作為主要的衡量標準，水質指標合格率參考以上海市地方標準《生活飲用水水質標準》（DB31/T 1091）[6]指標限制，人工檢測指標的更新頻率和在線指標的更新頻率不同。水壓的合格和穩定則反映了水廠成品水供應的穩定性。

表5 出廠水質量的指標參數

4.2 指標分值的確定

由于指標體系中各指標參數的數據獲取途徑、更新頻率和單位都不統一，且有些為定性指標，需要先行對其進行歸一化處理，建立評分標準，對指標的具體分值作出說明和建議。評分按照重要或危險程度做相對評價，分值之間宜拉開差距。選取部分有代表的指標作為指標評分的確定舉例。評分用C 表示，標準分用T 表示，標準分值本文采用百分制，具體指標評分說明如表6 所示。

表6 具體指標評分說明

5 案例應用分析

在已建立的水廠運行健康評估的方法上，評估一個實際水處理廠的技術狀況，對SH 市某水廠進行案例研究。該水廠建成于2020 年，水廠制水能力20 萬立方米/日，水廠的處理工藝為常規處理+深度處理的運行模式，具體水廠工藝流程見圖3。

圖3 水廠工藝流程圖

按照水廠健康評估方法的計算程序，最終得到該水廠的運行健康綜合評分為98.49 分，評估等級為健康。從圖4所示雷達圖中可以看出，扣分項主要集中在智能化水平和抗風險能力兩個維度。

圖4 水廠五個維度的評價結果

6 結論

①本研究開發了基于運行可靠性、安全性、穩定性和抗風險能力等的水處理廠運行健康評估綜合框架。提出了一套水廠健康評估指標體系，建立評估數據模型，量化水廠運行健康等級。采用加權綜合評價法對水廠的運行健康進行評估，為水廠監管、評價提供了量化依據和衡量標準，也可以為水廠的維護更新與升級改造提供技術依據，促進水廠運行可持續、高質量發展。

②評估體系可以反映出水廠整體運行的技術狀況，也可以將三級指標體系拆分，從五個不同維度分層次反映水廠運行健康水平，更具靈活性和實用性。

③本方法可在數據庫技術之上，建立計算規則，利用多種渠道來源的綜合監管數據動態計算各類考核指數。水廠運行管理中出現的問題和隱患可以在較短時間內被發現，并及時得到督促和糾正，有助于建立運行健康評價的長效機制。