居民小区二次供水设施防冻保温能力评价

张立尖，黄智峰，黄 鑫

(1.上海市供水管理处，上海 200081；2.上海大学环境科学与工程系，上海 200444；3.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

二次供水设施是城市供水的最后环节，与居民用水直接关联，是反映城市供水水平的要素之一[1]。2016年初，我国南方部分地区遭遇极端寒潮袭击，二次供水设施出现水箱冰冻、水管漏水、水表冻裂等情况，城市供水服务保障经受了严峻考验[2]。寒潮事故后，上海市制定了二次供水设施防冻保温的相关标准[3]。但是，对于二次供水设施的防冻能力，尚无评价体系。因此，调查上海市二次供水设施与冻损情况，建立防冻指标体系、评估防冻能力，具有实践指导意义。

本文结合上海地方实际，充分考虑寒潮中受损的薄弱环节，针对现有防冻标准结合2016年寒潮事故受损分析，确定二次供水设施防冻能力的主控因素，采用层次分析法量化指标权重，构建了防冻能力评价体系。应用该评价体系对上海市不同区域居民住宅内二次供水设施防冻能力现状进行调查与评估，指出现有措施的不足，提出相应建议，为二次供水设施防冻保温改造提供一定的技术支撑。

1 冻损初步分析

2016年初，上海-7.2 ℃的夜间气温创下30年来最低值。尽管-7.2 ℃在我国北方地区的冬天几乎是常态，但对于地处南方的上海市来讲极为罕见，且该温度已超出上海市二次供水设施防冻承受能力(原设计标准为-5.6 ℃)[4]。持续的极端低温天气下，上海市部分小区的水管、水表冰冻，甚至爆裂，导致停水事故发生[5]。寒潮过后，为提升二次供水设施防冻保温能力，上海市发布《上海市居民住宅二次供水设施改造工程技术标准防冻保温细则》(SSH/Z 10002—2016)，细则主要从保温层和保护层的选用、管道和阀门保温、水表和表箱保温、贮水池和屋顶水箱保温等环节提出了相应的要求。新标准按照上海历史极端最低气温-10.1 ℃设定。

据统计(表1)，2016年寒潮期间，全市供水行业更换水表约18万只(约占全市水表的2%)，抢修管网漏损约19 000起。寒潮期间管道损坏较轻，中心城区3 600余起，郊区县15 000余起。可能是因为中心城区市政供水管道一般安装在上海多年冻土线以下，而郊区管道多裸露在外，受损较多。中心城区和郊区县水表损坏数量均在90 000只左右。居民室外嵌墙水表的损坏数量最高(67.7%)，其次是室内龙头表(23.8%)，二者占比之和达到总换表数量的91.5%。建筑物内DN15嵌墙水表更换数量达到40 532个，占总数的54.2%。少数管道井中的水表也发生了冻裂(5.4%)。此外，屋顶水箱也遭受了一定程度的冻损，无任何保温措施。较普遍的共性问题是，水表采用湿式水表，部分安装在室外楼道内，无专用水表箱；室外水表为嵌墙安装，但因暴露在室外，受损数量仍然最高。

表1 2016年寒潮期间上海市供水设施受损情况Tab.1 Damage of Water Supply Facility in Shanghai during the Cold Wave of 2016

2 防冻保温能力评价体系构建

2.1 构建评价指标

评价指标的筛选原则有二：一是依据寒潮事故中的受损情况，现有设施比较薄弱的环节(如水表、水箱)；二是依据上海市发布的《上海市居民住宅二次供水设施改造工程技术标准防冻保温细则》(SSH/Z 10002—2016)。外层敷设保温材料是目前上海市二次供水设施采取的主要防冻保温措施。保温层材料的厚度、导热系数等理化性质是影响防冻保温性能的主要因素[4]。保温层的外设保护层对其进行保护，重要性也不容忽视。因此，保温层材料与保护层材料是二次供水设施防冻保温的两大主控因子。

同时，调研表明，水表是二次供水设施防冻保温的薄弱环节。水表的安装位置与朝向(室外表)也影响着水表的防冻性能。此外，屋顶水箱大多遭受一定程度的冻损。据此，水表、屋顶水箱、安装措施也列入主控因素之中。考虑施工的便利性，水表、水箱的防冻保温措施与材料宜与管道基本一致。每项主控因素都受一些条件因子的影响，因此，评价体系也对影响各主控因素的具体因子做了细分，如使用干式水表、表箱内填充保温材料、嵌墙安装等细节作为因子。

综上，防冻能力指标体系确定为3个层次，防冻能力评价为目标层A，5个主控因素保温层材料(B1)、保护层材料(B2)、安装措施(B3)、水表及表箱情况(B4)、屋顶水箱(B5)为准则层B，指标层是对各准则层的具体要求，即三级指标体系如图1所示。

2.2 确定指标权重

图1 二次供水设施防冻能力指标体系Fig.1 Indexes System of Anti-Freezing and Thermal Insulation Capability of Secondary Water Supply Facilities

利用层次分析法做出决策，首先要把问题分成3个层次，即目标层、准则层、指标层，构造出一个具有层次递进的模型。层次模型中的层次数与问题需要分析的具体程度有关，一般层次数不受限制。定量计算的基础是根据资料数据、实际经验，结合指标筛选原则，对同层各指标进行两两的重要度对比，形成各指标的判断矩阵[6]。表2为影响目标层A(二次供水设施防冻能力)的准则层5个主控因素(保温层材料B1、保护层材料B2、安装措施B3、水表及表箱情况B4、屋顶水箱B5)构成的判断矩阵。引用整数n=1～9及其倒数作为标度来定义判断矩阵A=(Bij)n×n。矩阵满足：Bij>0；Bii=1；Bij=1/Bji。其中，Bij的含义是对于A来说，Bi对于Bij的相对重要性。Bij=1，2个因素同等重要；Bij=3，2个因素相比前者稍重要；Bij=5，2个因素相比前者更重要；Bij=7，2个因素相比前者很重要；Bij=9(2个因素相比前者十分重要)。2、4、6、8表示插值于相邻的两个等级之间，且Bij=1/Bji。如在提升防冻能力这一目标下，保温层材料B1与保护层材料B2相比，B1比B2稍重要，则B12=2，B21=1/2。准则层B1～B5经两两比较后，即得出表2的判断矩阵。

表2 基于目标层A的判断矩阵Tab.2 Judgment Matrix Based on Target Layer A

在求出判断矩阵特征向量和最大特征值之后，需对权重合理性进行一致性检验。一致性检验采用的指标为C.R.=C.I./R.I.，其中，C.I.=(λmax-n) /(n-1)为一般一致性指标，R.I.为平均随机一致性指标，对于低阶判断矩阵，R.I.的取值可查表3。当C.R.=0时，矩阵A具有完全一致性；当C.R.<0.1时，即认为判断矩阵具有满意的一致性；当C.R.> 0.1时，应当重新审视矩阵A，并做适当修正。

为得出各准则层的权重，对判断矩阵A进行计

表3 平均随机一致性指标R.I值Tab.3 Mean Random Consistency Indexes R.I.

算，判断矩阵A的计算结果在通过一致性检验后(C.R.< 0.1)，即为5个主控因素B1～B5对目标层A的影响权重值(B1=0.40、B2=0.12、B3=0.09，B4=0.35、B5=0.04)。再次针对准则层构建判断矩阵，计算指标层各指标对准则层的影响权重值。如准则层B1(保温层材料)包含4个指标：燃烧性能、厚度、吸湿率、导热系数，对影响B1的这4个指标进行两两的重要性对比，形成判断矩阵，计算该判断矩阵并通过一致性检验后，可解构出指标层中影响B1的各指标权重值，分别为燃烧性能0.03、厚度0.22、吸湿率0.06、导热系数0.09。同理，对准则层B2～B5分别进行上述步骤可依次解构出各指标层的权重值，二次供水设施防冻能力评价体系及其权重如表4所示。总体而言，各指标权重系数与实际情况较契合。管道被动保温是目前防冻的主要措施。依据调研，水表是冻损的薄弱环节，因此保温层材料与水表情况所占权重较大。

2.3 调查结果

在明确二次供水设施各指标体系及其权重后，在2017年3月—6月对上海市中心城区内5个已完成二次供水设施改造的居民小区进行现场调研。主要是针对二次供水设施防冻能力评价体系中的各指标，根据各指标权重以百分制进行评分，其中，保温层与保护层材料的性能如厚度、密度、导热系数等参照《保温细则》中的要求，符合要求则计分。各小区二次供水设施主要存在的问题及防冻能力评分情况如表5所示。

表4 二次供水设施防冻能力评价体系及其权重Tab.4 Evaluation System and Weights of Anti-Freezing and Thermal Insulation Capability of Secondary Water Supply Facility

表5 小区二次供水设施现状调研表Tab.5 Investigation of Existing Secondary Water Supply Facility in the Communities

由表5可知，各小区二次供水设施防冻能力指标体系权重得分均在80分以上，其保温层与保护层材料的选用均符合要求。但存在的主要问题有：大部分小区的水表箱内均未填充保温材料；少许管道的保温层部位不连续；小区管道及水表箱未远离北外墙、外窗；所有小区的水表均为湿式水表。

3 结论与建议

二次供水设施防冻能力评价体系依据保温层材料、保护层材料、安装措施、水表箱情况和屋顶水箱5个准则层，划分了密度、厚度等16个指标层，应用层次分析法确定评价因子各自权重值，对各评价指标进行量化处理，建立了适合上海市二次供水设施防冻能力评价的体系模型。针对二次供水设施防冻保温中存在的问题，提出如下建议。

(1)水表箱内应填充保温材料。受损调研中可知，室外嵌墙水表易遭受冻损。建议在水表箱的型式和保温材料等方面开展相关研究，如填充适当的保温材料，对水表箱单独采用电伴热系统供热等措施。

(2)小区管道及水表箱靠近背北外墙、外窗。对于老旧小区移管存在难度，只能加强管理；但对于新建小区，建议防冻保温细则中加入相关的强制性设计规定。

(3)调研的小区全部使用的是湿式水表，建议有条件的更换更高抗冻性能的干式水表。相对于湿式水表，干式水表能更有效地抵御低温天气，避免水表冻裂[7]。如绍兴市在2016年寒潮后，全市更换为10万只抗冻干式水表，上海市《住宅设计标准》(DGJ 08-20—2013)中也建议使用干式水表[8]。