基于決策模型的二次供水改造工程方案決策研究

摘 要：本研究以二次供水改造工程方案決策為研究對象，旨在為我國二次供水改造工程提供科學的決策依據。構建包括保障措施、性能指標、施工管控和運營階段4個一級指標的評價體系，采用熵權法和TOPSIS法對不同方案進行評價。結果顯示，現有泵房原位改造升級方案在各項評價指標上表現較好，這是本次改造工程的最佳選擇，本研究也為二次供水改造工程方案的決策提供了有力支持。

關鍵詞：二次供水改造工程；熵權法；TOPSIS法

中圖分類號：TU 99 文獻標志碼：A

二次供水作為城市供水的重要組成部分，其安全、穩定運行對居民生活和社會發展具有重要意義[1]。然而，因歷史原因和管理體制等因素影響，二次供水設施存在很多問題，例如設備老化、水質安全隱患、能耗高等[2]。這些問題嚴重影響了居民的飲水安全和生活質量，因此須對現有二次供水設施進行改造。在此行業背景下，二次供水改造工程方案決策研究具有現實意義和應用價值[3]。

學者們從不同角度對二次供水改造工程方案決策進行深入研究和探索。陳建勛[4]建立二次供水改造工程評價體系模型。利用定量和定性的方法對多方案價值系數進行比較，探究不同方案適用的改造初始投資籌集模式。魯淵[5]運用程序化扎根理論方法提出二次供水公眾情感傾向的影響因素假設，并運用Order Logit回歸模型進行實證分析。周道紅[6]基于二次供水利益相關者的分析研究，對上海市二次供水管理模式進行研究。

本研究旨在結合二次供水改造工程，運用系統工程、決策模型算法等理論方法，梳理二次供水改造工程的關鍵因素，為工程方案決策提供依據。

1 工程概況

1.1 原給水分區情況

該小區原給水分區共分為3個區域，每個區域設有獨立的二次供水泵房。其中，區域一為住宅區，共有10棟住宅樓，約為1500戶居民；區域二為商業區，包括5棟商業樓和2棟辦公樓；區域三為學校，包括1所小學和1所幼兒園。3個區域的用水需求存在一定差異，住宅區用水高峰時段較為集中，商業區和學校區用水則相對分散。

1.2 改造前現狀及原因

設施老化：該小區的二次供水設施始建時間較早，泵房內設備嚴重老化，水泵、管道、閥門等設施磨損嚴重，導致供水效率低，能耗較高。

水質安全隱患：由于設施老化，部分管道內壁出現銹蝕，因此水質已受到污染。此外，泵房內消毒設施不完善，無法有效保障水質安全。

管理不善：小區二次供水設施管理不善，導致泵房內環境臟亂差，設備維護不及時，影響供水系統的正常運行。

用水需求變化：隨著城市發展，小區內人口增加，用水需求不斷增加。原有供水設施已無法滿足當前的用水需求，尤其在用水高峰時段，供水壓力不足，影響居民生活。

1.3 現有改造方案

針對上述問題，有以下3種改造方案。

現有泵房原位改造升級：對現有泵房進行改造，更換老化設備，提高供水效率。具體措施包括更新水泵、管道、閥門等設施；完善消毒設施，保障水質安全；加強泵房內環境衛生管理，提高設施維護水平。

異地新建泵房：在小區附近，采用先進設備和工藝新建一座泵房，滿足小區日益增長的用水需求。新建泵房將配備節能高效的水泵、智能控制系統等，提高供水系統的運行效率。同時，新建泵房將遠離居民區，減少噪聲對居民的影響。

通過安裝水箱和變頻給水泵，改善二次供水系統的供水效率和質量。用水箱儲存定量的水，平衡高峰用水時段的水量需求；根據用水需求的變化自動調節泵的轉速，實現節能和恒壓供水。

2 二次供水改造工程方案決策評價體系構建

對不同地區的二次供水建設標準進行收集，包括但不限于《城市供水條例》《城鎮二次供水技術規程》等，初步篩選出可能影響二次供水改造工程效果的指標。為進一步精煉和優化評價指標，邀請水務行業從業人員、相關施工人員以及項目管理專家進行深入訪談，對初步評價指標進行討論和篩選，最終確定以下評價指標。

保障措施：包括供水系統選擇、泵房設計、水箱設置3個方面。供水系統選擇須考慮系統的適用性、經濟性和先進性；泵房設計要保證布局合理、操作便捷、安全防護到位；水箱設計則要滿足容量需求，同時考慮材質的衛生性和耐久性。

性能指標：包括安全性和可靠性。安全性指供水系統在運行過程中保證水質、水量、水壓穩定的能力；可靠性則是指系統在長期運行中的穩定性、故障率以及應對突發情況的能力。

施工管控：涉及質量控制和時間控制兩個關鍵點。質量控制包括對施工材料、施工工藝和施工驗收進行嚴格把控，保證工程質量；工期控制則要求合理規劃施工進度，減少對居民生活的影響，并保證工程按時完成。

運營階段：包括水質監測、運維管理和清洗消毒3個方面。水質監測要求建立長效的水質檢測機制，保證供水水質符合國家標準；運維管理涉及設備的日常維護、故障處理和人員培訓，保證系統的高效運行；清洗消毒則是對水箱、管道等設施定期進行清潔和消毒，防止水質二次污染。

3 模型配置

3.1 熵權法確定權重

采用熵權法確定評價指標的權重。熵權法是一種客觀賦權方法，它根據評價指標的變異程度來計算權重，避免主觀因素對評價結果的影響。具體計算步驟如下。

3.1.1 數據標準化

根據工程概況中提供的信息，收集關于設施老化、水質安全隱患、管理不善和用水需求變化的數據。將這些數據作為原始數據，并輸入模型中。使用公式（1）、公式（2）對原始數據進行標準化處理，保證數據的一致性和可比性。

（1）

（2）

式中：xij為原始數據；min（xij）和max（xij）分別為原始數據中的最小值和最大值。

3.1.2 計算第j個指標的熵值

根據二次供水改造工程方案決策評價體系構建中確定的評價指標，計算各指標的信息量，即熵值，基于標準化后的數據進行熵值計算，計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：ej為第j個指標的熵值；k為常數，且k = 1/ln（m），ej的值為0～1；m為評級方案的個數。

3.1.3 計算第j個指標的差異系數

用差異系數dj反映指標j的信息效用，利用公式（4）計算差異系數，反映各評價指標在供水改造工程中的信息效用。這個步驟將結合工程概況中描述的具體問題（例如設施老化、水質安全等）確定各指標的重要性。

dj=1-ej （4）

式中：dj為第j個指標的差異系數。

3.1.4 確定權重

權重wj表示指標j在評價體系中的重要性，利用公式（5）計算權重，這些權重可以直接反映工程概況中的問題在改造決策中的相對重要性。

（5）

式中：wj為第j個指標的權重；n為效用值個數，j為指標個數。

3.2 TOPSIS法確定決策方案得分

采用TOPSIS法對不同的改造方案進行打分。TOPSIS法是一種常用的多屬性決策方法，它通過計算各方案與理想解和負理想解的距離來確定各方案的相對優劣。計算步驟如下。

計算加權決策矩陣：根據公式（6）將二次供水改造工程方案決策評價體系構建中確定的評價指標權重應用到標準化后的數據上，形成加權決策矩陣。

vij=Xij×wj （6）

式中：Vij為加權決策矩陣的元素；Xij為標準化處理之后的數據矩陣，wj為熵權法確定的權重矩陣。

確定理想解和負理想解：根據工程概況中描述的現狀和改造目標，確定理想解A*和負理想解A-。理想解代表最優的改造方案，而負理想解則代表最不理想的方案，如公式（7）、公式（8）所示。

A*=（v1max，v2max，…，vnmax） （7）

A-=（v1min，v2min，…，vnmin） （8）

式中：A*為正理想解，由各指標的最小值組成；A-為負理想解，由各指標的最大值組成；v為加權決策矩陣，n為矩陣的行數，即方案的個數。

使用公式（9）、公式（10）計算每個改造方案到理想解和負理想解的距離。

（9）

（10）

式中：Di*為方案i到理想解的距離；D-i為方案i到負理想解的距離；vjmax加權決策矩陣中第j列的最大值；vjmin為加權決策矩陣中第j列的最小值。

根據公式（11）計算每個方案與理想解的相對接近度，從而確定最佳改造方案。這個步驟會綜合考慮工程概況中的現狀和二次供水改造工程方案決策評價體系構建中的評價指標。

（11）

式中：Ci為方案i與理想解的相對接近度；Di-為負理想解；Di*為正理想解距離。

4 數據分析

4.1 數據計算

利用公式確定方案的權重，計算步驟如下。

數據標準化：

。重復計算步驟可得出整體標準化數據，見表1。

熵值：ej=-kln（Xij）=1/ln（3）×（0.8ln（0.8）+0.7ln

（0.7）+0.65ln（0.65）=0.325。

權重值：，權重及得分結果見表2。

利用公式以及表2計算決策加權矩陣：vij=Xij×wj=[0.8×

0.200.9×0.150.8×0.120×0.160×0.120.7×0.140.9×0.130.7×

0.120.9×0.12]。

確定理想解：A*=[0.160.1350.0960.1120.09520.0870.1260.0840.0952]

A-=[0.1440.1080.0720.0880.0720.0630.0840.0630.072]。

計算最終評價得分，結果見表3。

本文以方案1為例：Di*==0.142，Di-=

。

4.2 結果分析

從權重結果分析發現，在保障措施這項評價指標中，供水系統選擇權重最高，達到0.2。說明在二次供水改造工程中，供水系統選擇具有舉足輕重的地位。它不僅直接影響二次供水的質量和效率，還影響水壓的穩定性、水質的安全性以及能耗和維護成本控制。因此，在決策過程中必須高度重視供水系統選擇，不僅要保證其符合《城市供水條例》《城鎮二次供水技術規程》等國家標準和規范，還要考慮其能否適應未來城市發展帶來的長期供水需求。供水系統選擇不僅是技術層面的決策，更是一項關乎民生福祉的戰略規劃。科學合理的供水系統能夠有效滿足居民的日常用水需求，提升居民的生活質量。選用優質供水系統有助于減少水資源浪費，促進水資源的可持續利用。

從表3可以看出，現有泵房原位改造升級的方案在各項評價指標上表現較為突出，得分為0.822，是本次改造工程的最佳選擇。對老化設備更換來說，在保障措施方面，應詳細評估現有設備的性能，選擇與原系統兼容性好的高效節能水泵。選用變頻調速泵來替代原有恒速泵，不僅能提高供水效率，還能根據實際用水需求自動調整泵的運行狀態，降低能耗。同時，應采用新型材料和技術對水箱、管道等附屬設施進行升級，保證整個系統的耐久性、保障安全性。在性能指標優化方面，系統設計時須考慮以下技術細節：對水泵選型進行詳細計算，保證在最大設計流量和揚程下，水泵能高效運行。優化泵房內的管道布局，減少阻力損失，提高系統的水力效率。此外，還須考慮系統的自動化控制，通過安裝壓力傳感器、流量計等設備，實現供水系統智能調控。在施工管控方面，為保證工程質量，施工前應制定詳盡的質量保證計劃，包括材料入場檢驗、施工過程監督、隱蔽工程驗收等環節。在施工過程中，要嚴格控制施工工藝，保證新舊設備銜接無誤，避免因施工不當造成系統運行隱患。同時，合理安排施工進度，盡量減少對居民正常用水的影響。在運營階段，水質監測是關鍵環節。應配備專業的在線水質監測設備，實時監控pH、濁度、余氯等關鍵水質指標。在運維管理方面，應建立完善的運維制度，定期對水泵、水箱、管道等設施進行檢查、保養和維修。在清洗消毒方面，制定定期清洗消毒計劃，保證水箱、管道等內部清潔，防止水質二次污染。

5 結論

本研究對二次供水改造工程方案的決策評價體系進行構建，運用熵權法和TOPSIS法進行模型計算，得出以下結論。1）通過收集不同地區的二次供水建設標準，結合專家訪談，構建包括保障措施、性能指標、施工管控和運營階段4個一級指標的評價體系。這些指標全面覆蓋了二次供水改造工程的關鍵方面，可以為決策提供科學的依據。2）熵權法作為一種客觀賦權方法，通過計算評價指標的變異程度確定權重，避免主觀因素對評價結果的影響。TOPSIS法通過計算各方案與理想解和負理想解的距離確定各方案的相對優劣，使評價結果更具合理性。3）基于熵權法和TOPSIS法的評價結果，將現有泵房原位改造升級方案確定為最佳選擇。這個結果與實際情況相符，表明該方案在保障措施、性能指標、施工管控和運營階段等方面都表現較好，具有較強的可行性。

參考文獻

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[3]林敏燕.基于G-COWA的二次供水工程績效評價研究[D].廣州：華南理工大學，2022.

[4]陳建勛.基于價值工程的老舊小區二次供水改造工程方案優選研究[D].杭州：浙江大學， 2022.

[5]魯淵.基于微博數據的二次供水公眾關注及情感傾向影響因素研究[D].西安：西安建筑科技大學， 2019.

[6]周道紅.上海市二次供水管理模式研究[D].上海：上海交通大學， 2016.