二次供水系统的技术验证评价方法

王 郡，史 俊，邓慧萍

(同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

1 国内外环境技术验证评价体系

如今，城市化进展加速，居民小区以中高层建筑为主，居民的用水要求也随着城市的生活品质提高，二次供水水质污染以及能耗问题在老旧小区内尤其突出[1]。目前，国内在二次供水技术的应用设计中，遵循安全、卫生、节能、环保的原则，整体技术科研水平不差，但由于技术应用上缺乏监管，在实际应用中不能很好地发挥[2]。这些存在的问题与我国环境技术体系的缺失密不可分。

目前，我国的专家评估体系很难客观、科学地反映技术的真实性能，主要体现在以下两方面：①缺乏具有权威性的评判标准和共同的评价依据；②专家具有主观性，评审结果不一定具有客观性。因此，评价结果难以定量且客观公正地体现技术的真实水平，难以在社会上推广。

20世纪90年代，继美国与加拿大之后，韩国与日本也实施了环境技术验证(environmental techology verification，ETV)体系，利用科学的评价体系和评价指标，对环境技术进行验证与评价，最终筛选得到具有科学性和权威性的决策方案，给技术购买者提供他们在技术选择时所需的权威且客观的数据。目前，ETV的国际工作组成员包括美国、加拿大、日本、欧盟成员国、印度、菲律宾等众多国家[3-5]。ETV是对生产性实际数据和相关技术的标准和规范，利用定性、定量与半定量相互结合的评价方法，对环境相关的具有市场化前景或已产业化的新工艺和新技术进行验证，从而得出最终的评价结果及相关建议。在2009年，颁布了《国家环境保护技术评价与示范管理办法》，明确规定了我国环境技术评价制度的基本框架、评价模式，而ETV在其办法中，被明确表示为一种可以实行且具有参考意义的一套环境技术验证评价体系[6]。黄海明等[7]开展了水污染防治处理技术验证试点工作，并对某尼龙生产废水的处理方法进行了技术验证。傅金祥等[8]开展了小镇污水处理技术ETV测试研究，刘平等[9]开展了水蚯蚓原位消解污泥技术的验证评价体系相关研究。在近10年里，我国有许许多多的研究人员在ETV相关领域做了相关的研究与展望，但我国对ETV的研究仍处于摸着石头过河的阶段，尤其是在如今高速城市化的发展阶段，亟需建立一套科学与权威的针对二次供水技术的验证评价方法，对未来二次供水系统提供更权威的发展基础。

2 评价体系

2.1 评价体系的构建

为科学评估二次供水技术，需合理客观地构建评价体系，从而使评价结果能够很好地体现各项二次供水技术水平，而不仅仅只是评价某个单一的二次供水技术。建立评价体系时，应考虑每一个评估阶段都能紧紧相扣，相互补充。参考美国ETV相关规范文件[10-13]，建立符合我国国情的评价体系。

2.2 指标体系构建

在二次供水技术验证评价体系中，指标的筛选和确定以及评价标准的建立是评价过程中最关键的环节，是评价技术的重要依据，直接影响整体评价结果。根据二次供水相关验证关键参数，以国家制定的相关二次供水技术规范和技术规程为基准，以二次供水技术领域专家咨询意见为依据，建立二次供水的评估指标以及评估标准。

2.2.1 指标筛选

在预评估过程中，为了评估二次供水关键技术，采用德尔菲专家咨询法，邀请部分权威专家以会议的方式建立创新性、技术效能、安全及其他局限性、成熟稳定性、设计参数、单位投入产出、可推广范围等7类一级指标，使评价结果能够给技术使用方、技术研究方以及技术购买方提供重要的参考依据。

该研究从这7类一级指标中，细分20个二级指标作为二次供水技术验证评价指标体系，且细分为三大评价体系：

①创新性指标较为特殊，即使效果一直良好，但随着社会的发展，评价创新的内容会不同，故将创新性指标作为独立评价体系；

②技术效能指标、安全及其他局限性指标、成熟稳定性指标、设计参数指标、单位投入产出指标，构成技术指标体系，使用五边形雷达图表示各要素层评价结果，作为使用方及购买方的参考标准；

③二次供水综合评价指标应考虑技术指标中要素层的综合情况，与可推广范围指标和节能效果指标综合，得出最终结果，作为研究技术方及相关技术推广部门的主要参考依据。

2.2.2 指标权重

各评估部分中的指标权重采用层次分析法确定。在层次分析法中，通过构造评判矩阵，以两两比较的方式确定各层次中各个因素之间的相对重要性。首先，建立层次分析法的层次结构模型，设置目标层、准则层和因素层。之后，采用专家打分的模式对各个因素层的指标以及准则层指标的相对重要性一一进行评判比较，使用1～5标度法(表1)建立层次分析法的判断矩阵，通过式(1)～式(4)计算权重。专家意见中，可能会出现主观性太强或打分随意的问题，故邀请的权威专家超过10位，专家来自科研、工程设计及实际运行管理层等领域。最后，采用加权平均计算方法得出每个专家的权重结果，求得最后的权重比。

表1 1～5标度法含义等级对应表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个因素的权重；

aij——第i因素与第j因素比较所得的标度值；

A——向量，aij所组成的向量矩阵，i=1,2,…,n；j=1,2,…,n；

(AW)i——AW的第i个分量；

λmax——最大特征向量值；

CI——一致性指标；

RI——一致性比例；

CR——平均一致性指标。

通过收集专家们对于要素层和指标层评判比较的问卷后，按照标度值等级整理成判断矩阵(由第i因素与第j因素比较所得的标度值所组成的向量矩阵)，通过层次分析模型计算各层测试指标的重要性权重。将判断矩阵最大特征值对应的特征向量归一化处理，即为各个测试指标的权重。通过MATLAB 软件来实现上述计算过程，得出最后的权向量，权重结果如表2和表3所示。

表2 创新性指标权重Tab.2 Weights of Innovation Indexes

表3 二次供水技术综合评价指标权重Tab.3 Weights of Evaluation Indexes for Secondary Water Supply Technology

3 评价方法

3.1 评价标准的建立

针对7类一级指标、20个二级指标，通过大量的实地调研及问卷调查，结合专家咨询结果，参照已有的研究文献及规范规程，制定评价标准。评价标准中共有8个定性指标(创新目标、创新技术内容、创新点、创新程度、适用指标、安全性指标、应用范围指标、节能指标)、3个半定量指标(运行管理指标、设计效能指标、社会和其他自然资源单位消耗指标)和9个定量指标(水质指标、可靠性指标、稳定性指标、规范性指标、就绪度指标、关键设计参数、辅助设施设计参数、工程投资、单位运营费用)。二次供水技术评价水平分为第I级、第II级、第III级、第IV级、第V级等5个等级，依次表示技术优、良、中、合格和不合格。

3.2 模糊评价法

隶属度是模糊评价中隶属度函数的具体数值，按照隶属度函数对模糊性进行定量描述，模糊性是事物客观存在的一种属性，力求通过隶属度函数反映客观事实。隶属度描述在一个模糊集合中的每个元素对其所在集合的隶属程度，隶属度的值在[0,1]之间取值，越接近1表示这个元素的隶属度越大，更符合所在评分等级。

对于定量指标和半定量指标而言，根据大量二次供水技术的数据、文献调研、实地调研、国家规范查阅、专家意见咨询，运用常用的三角型和梯形分布构造的隶属度函数确定定量指标的隶属度值。

当第i项指标的实际值Xi大于其对应“第I级”指标界限值Si1时，它对指标的“第I级”隶属度为1，对其他指标等级隶属度为0，即当Xi>Si1时，如式(5)。

ri1=1；ri2=ri3=ri4=ri5=0

(5)

当第i项指标的实际值Xi介于其对应的“第j级”与“第j+1级”的界限值Sij与Si,j+1之间时，即Si,j+1≤Xi≤Sij时，它对第i项指标的“第j级”、“第j+1级”隶属度分别如式(6)。

(6)

当第i项指标的实际值Xi小于其对应“第V级”指标界限值Si5时，它对指标的“第V级”隶属度为1，对其他指标等级隶属度为0，即当Xi

ri5=1；ri1=ri2=ri3=ri4=0

(7)

隶属度函数表达如式(8)～式(10)。

(8)

(9)

(10)

以水质指标中的出水达标率为例：定义第I级为达标率达到99%，第II级为达标率达到90%，第III级为达标率达到85%，第IV级为达标率达到80%，第V级是达标率小于75%，每级的隶属度函数为所定义达标率值向相邻两级展开的一次线性函数，建立出水达标率隶属度函数图(图1)。若出水达标率为94%，其隶属度值落在第I级～第II级，运用式(8)～式(10)可得：第I级隶属度函数对应的值为0.444，第II级隶属度函数对应的值为0.556，第III级、第IV级、第V级的隶属度函数均为0，其隶属度矩阵为 [0.444,0.556,0,0,0]，其他定量及半定量指标的隶属度函数值确定方法类似。

图1 出水达标率隶属度函数Fig.1 Membership Function of Qualification Rate

定性指标通过实地调研和调查问卷的形式，采用直接打分的方式确定隶属度矩阵。例如：邀请10位专家对“节能指标”进行等级评价，有8位专家认为“优”，2位专家认为“良”，则第I级的隶属度为0.8，第II级的隶属度为0.2，第III级、第IV级和第V级的隶属度为0，汇总得到隶属度矩阵为[0.8,0.2,0,0,0]。其他定性指标隶属度矩阵的方法类似。

通过分层模糊评价，由最低层次的各个因素进行隶属度评价，然后通过加权平均逐一向更上一层次的各因素进行评价，得出最后的综合结果。运用式(11)的运算模型进行计算，既考虑了所有因素的影响，又保留了单因素评价的信息。

(11)

其中：Vj——指标V在第j级隶属度值；

ɑi——因素i的权重；

rij——因素i在第j级的隶属度值。

通过最大隶属度原则，将每一项指标隶属度矩阵中最大隶属度值所处的级别，确定为每项指标的评价等级，并将隶属度函数所得的值转化为百分制，第I级为100，第II级为90，第III级为80，第IV级为70，第V级为60。

4 案例分析

4.1 技术概况

4.1.1 叠压供水的现状及优缺点

在“十一五”、“十二五”较成熟的技术成果中，有许多二次供水相关的关键技术点，叠压供水技术作为我国近10年来大力研究发展的二次供水技术，具有以下明显的优点：①可充分利用管网余压，节省电耗；②省却储水构筑物，节约用地，节约投资；③防止二次供水系统的二次污染可能，减少水的溢流损失；④便于水泵自动控制；⑤安装简便，维护方便。同时，也因为叠压供水技术不设储水构筑物，其缺点主要体现在以下两个方面：①有可能因回流而污染市政供水管网；②可能造成市政管网水压局部下降，影响邻近地区用户用水。叠压供水优点突出，缺点也突出。因此，从2007年开始，颁布了一系列的行业标准及协会标准，得到了大家的重视及推广。水专项中对叠压技术的应用主要体现在高层建筑分区供水上，主要的工艺形式包括变频泵直接叠压供水和变频叠压+高位水箱二次供水2种，涉及到的设备形式较多，供应商较多。

4.1.2 技术验证点的选择

《江苏太湖地区二次供水技术指南》中指出，二次供水系统宜采用管网叠压供水、水箱供水或2种方式切换供水，可较好地满足节省能耗和用水水压水量的需求。同时也指出，叠压技术的使用必须满足相关规范和标准中规定的适用条件。国家“十二五”水专项课题《江苏太湖水源饮用水水安全保障技术集成与综合示范》对苏州老旧小区以及宜兴多个新小区采用叠压技术进行二次供水改造工程。水质、水压漏损率都有明显改善。本次从宜兴市106个采取叠压技术的管网末梢处小区中，选取2个用户数量较大的小区，各抽选5个泵房作为验证点，进行评价分析，其叠压技术运行时间长且相关运行资料完整，具有代表性与普遍性。验证点信息如表4所示。

4.2 技术评价

测试周期计划为6个月(180 d)，选取宜兴市天氿御城及中星湖滨城DEF区的龙头水为采样点，采样频率为1个月1次，共计采样6次(表5)。通过第三方分析检测总大肠杆菌群、浑浊度、pH及游离氯，遵循《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)。叠压设备运行情况则遵循水泵的每天每分钟为1次检测的运行历史记录，包括连续的进出水压力及水量波动(表6)等进行描述，设计效能按照《二次供水工程技术规程》(CJJ 140—2010)、《管网叠压供水技术规程》(CECS 221—2012)以及《江苏太湖地区二次供水技术指南》等规范进行描述，经济效益按照工程造价表和月平均电费表进行描述，如表7所示。

表4 验证点泵房明细Tab.4 Verification Details of Pump Rooms

表5 水质检测报告Tab.5 Detection Report of Water Quality

表6 泵连续进出水波动压力(部分)Tab.6 Water Pressures of Continuous Inflow and Outflow of the Pump(Parts)

表7 1月电费Tab.7 Electricity Bills in January

4.3 评价结果

4.3.1 创新性指标

通过10位设计、科研、现场的专家咨询，叠压供水技术的创新性指标及其4个要素层隶属度汇总如表8所示。

其中，权重向量(要素层中指标的权重)为(0.35,0.27,0.25,0.13)。

表8 创新性指标隶属度与权重结果Tab.8 Results of Membership Degrees and Weights of Innovation Indexes

通过式(11)计算，最终创新性指标的隶属度为(0.105,0.55,0.345,0,0)。

专家问卷调查认为，创新性指标处在II～III级，表示叠压技术经过近10年的大力研究发展，已逐渐开始生产性应用，单论此项技术时，其创新热度已逐渐减退。

4.3.2 技术指标

通过10位包括设计、科研、现场的专家咨询，对《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)、《二次供水工程技术规程》(CJJ 140—2010)、《管网叠压供水技术规程》(CECS 221—2007)、《江苏太湖地区二次供水技术指南》等规范标准和相关文献进行查阅，以及在天氿御城及中星湖滨城D区的调研。最终得出技术指标的隶属度矩阵，结果如表9所示。

表9 技术指标隶属度与权重结果Tab.9 Results of Membership Degrees and Weights of Technology Indexes

在技术效能指标中，天氿御城及中星湖滨城D区龙头出水水质在测试周期中委托国家城市供水水质监测网无锡监测站作为第三方检测。检测项目：总大肠菌群、菌落总数、色度、浑浊度、臭和味、肉眼可见物、pH、CODMn、游离氯，检测结果均达标。每个月的采样水质数据包括：浑浊度、pH、CODMn、游离氯，也均达标，达标率为100%。测试周期内，无居民反映水压水质等问题，超过五成的专家认为叠压供水技术的适用情况合理，认为现有的管网余压能够满足叠压设备需求。

在安全与其他局限性指标中，叠压供水设备不设置水箱，故无二次污染风险。部分水务总局及设计单位的人员，仍对叠压设备的可靠性留有质疑，认为叠压设备应更加注意其安装使用规范，有可能造成回流，污染市政管网。若叠压供水技术大面积应用，必然会大大增加市政管网的负荷，造成一定的安全与运行可靠性的风险问题。宜兴示范小区，其叠压设备在应用的2年内，日常巡查及维护并未记录过设备故障的问题，且宜兴市规划上能够支持106个小区使用叠压供水技术，没有造成可靠性问题，运行良好。叠压设备运行简便，由于无水箱的设置，无清洗问题，管理方便。

在成熟稳定性指标中，居民用水高峰与低峰时期，叠压供水水压会有小幅度波动，因此，叠压供水设备应显示压力设定值与实际值、水泵运行状态及设备故障等指示。调研结果显示，叠压的自动控制设备均能正常显示这些指示，以在出水流量大于管网供给流量时，实现小流量供水或停机供水；就绪度指标按照技术成熟度等级(technology readiness level，TRL)进行评价，等级共分九等。专家认为，叠压供水技术处在TRL6～TRL7，表示技术已有了示范工程验证且得到部分第三方评估，正在发布一系列技术指南、政策、管理办法已获得技术的规范化操作，供水稳定评价较高。

设计参数指标代表了实际应用工程其设计效能以及关键设计参数是否符合现有的规范《二次供水工程技术规程》(CJJ 140—2010)及《叠压供水技术规程》(CECS 221—2012)，反映工程设计的合理性以及规范中是否有缺漏的重要条例。在所选取的验证点中，此项技术应用效果良好，但叠压供水技术与设备的协会标准与地方标准规范条例有相当一部分未在建设部颁布的行业标准条例当中，如对引入管管径的规定或对能够接入叠压系统的市政管网的压力有具体规定等，以提供设计准则参考。

在单位投入产出指标中，根据总投资费用报告，共有示范小区16个，包括了所选择验证点的2个典型小区。根据情况选取管网叠压或管网叠压+水箱增压的改造方式，总投资费低，综合电耗相较于改造前减少0.8 kW·h/t，降低50%以上，设备智能化，无需人工操作或清洗水箱，人工费大大降低。验证点小区月电费报表验证了其电耗费用，发现户均仅为3.4元/月，总体经济效益较高。

综上所述，结合技术指标隶属度及权重，通过式(5)计算，可得图2。由图2可知：①叠压供水技术的技术效能指标、安全及其他局限性指标、设计参数指标及单位投入产出指标均达到了第III级(80分)以上，表现出叠压供水技术在供水规划的允许下，是一项良好的二次供水技术；②技术效能指标及单位投入产出指标较为出众，接近第II级(90)，表示叠压供水技术具有经济效益高且水质情况良好的优势，对于管网余压充足的老旧小区，是一个很好的改建方案；③在安全及其他局限性指标及设计参数指标中，根据验证点的使用情况，叠压供水技术可靠性高，且无水箱清洗问题，运行管理方便，设计参数符合现行规范标准，运行效能良好；④就技术的规范化和标准化上，此项技术缺乏相关的设计参数，仍有进一步的提升空间。

评价结果能够一目了然地描述此项技术的优劣，给技术使用方、技术研究方以及技术购买方提供了重要的参考依据。

图2 技术指标评价结果分析Fig.2 Evaluation Results of Technology Index

4.3.3 可推广性指标

通过10位设计、科研、现场的专家咨询，叠压供水技术的可推广性指标及其两个要素层隶属度汇总如表10所示。

通过问卷反馈，一半以上的专家认为叠压供水其应用推广范围已能够达到第Ⅰ级，节能指标上大部分也认为已有达到第Ⅰ级标准的能力。结合技术指标隶属度与权重，通过式(11)，二次供水技术综合评价指标结果为(0.578,0.356,0.066,0,0)。

表10 可推广性指标隶属度与权重结果Tab.10 Results of Membership Degrees and Weights of Popularization Indexes

综合可得，叠压供水技术综合评价处在Ⅰ～Ⅱ级，表示叠压技术近10年来的大力发展，已有了很大程度的进展，表明其极具可推广性及技术应用前景。

5 结论

(1)该研究利用层析分析法，由三大指标体系， 20个二级指标，客观科学地描述了二次供水技术并赋予相应指标权重。

(2)依据相关二次供水技术科研、设计、应用等相关领域专家的咨询意见，制定了指标评价标准和方法；基于文献调研及相关技术研究报告，结合专家意见，以水专项“十一五”、“十二五”的相关示范小区为研究对象，对评价结果从优秀至不合格分5个等级，按照隶属度函数及最大隶属度原则，对创新性指标、技术指标及可推广性指标进行相关评价分析。

(3)案例结果显示，该方法可有效评价二次供水技术的先进性、有效性及可推广性，为技术使用、技术科研、技术规范等不同二次供水领域相关研究人员提供可靠的技术信息及分析，并为技术持有者提供完善的技术性能等相关建议。