基于决策模型的二次供水改造工程方案决策研究

摘 要：本研究以二次供水改造工程方案决策为研究对象，旨在为我国二次供水改造工程提供科学的决策依据。构建包括保障措施、性能指标、施工管控和运营阶段4个一级指标的评价体系，采用熵权法和TOPSIS法对不同方案进行评价。结果显示，现有泵房原位改造升级方案在各项评价指标上表现较好，这是本次改造工程的最佳选择，本研究也为二次供水改造工程方案的决策提供了有力支持。

关键词：二次供水改造工程；熵权法；TOPSIS法

中图分类号：TU 99 文献标志码：A

二次供水作为城市供水的重要组成部分，其安全、稳定运行对居民生活和社会发展具有重要意义[1]。然而，因历史原因和管理体制等因素影响，二次供水设施存在很多问题，例如设备老化、水质安全隐患、能耗高等[2]。这些问题严重影响了居民的饮水安全和生活质量，因此须对现有二次供水设施进行改造。在此行业背景下，二次供水改造工程方案决策研究具有现实意义和应用价值[3]。

学者们从不同角度对二次供水改造工程方案决策进行深入研究和探索。陈建勋[4]建立二次供水改造工程评价体系模型。利用定量和定性的方法对多方案价值系数进行比较，探究不同方案适用的改造初始投资筹集模式。鲁渊[5]运用程序化扎根理论方法提出二次供水公众情感倾向的影响因素假设，并运用Order Logit回归模型进行实证分析。周道红[6]基于二次供水利益相关者的分析研究，对上海市二次供水管理模式进行研究。

本研究旨在结合二次供水改造工程，运用系统工程、决策模型算法等理论方法，梳理二次供水改造工程的关键因素，为工程方案决策提供依据。

1 工程概况

1.1 原给水分区情况

该小区原给水分区共分为3个区域，每个区域设有独立的二次供水泵房。其中，区域一为住宅区，共有10栋住宅楼，约为1500户居民；区域二为商业区，包括5栋商业楼和2栋办公楼；区域三为学校，包括1所小学和1所幼儿园。3个区域的用水需求存在一定差异，住宅区用水高峰时段较为集中，商业区和学校区用水则相对分散。

1.2 改造前现状及原因

设施老化：该小区的二次供水设施始建时间较早，泵房内设备严重老化，水泵、管道、阀门等设施磨损严重，导致供水效率低，能耗较高。

水质安全隐患：由于设施老化，部分管道内壁出现锈蚀，因此水质已受到污染。此外，泵房内消毒设施不完善，无法有效保障水质安全。

管理不善：小区二次供水设施管理不善，导致泵房内环境脏乱差，设备维护不及时，影响供水系统的正常运行。

用水需求变化：随着城市发展，小区内人口增加，用水需求不断增加。原有供水设施已无法满足当前的用水需求，尤其在用水高峰时段，供水压力不足，影响居民生活。

1.3 现有改造方案

针对上述问题，有以下3种改造方案。

现有泵房原位改造升级：对现有泵房进行改造，更换老化设备，提高供水效率。具体措施包括更新水泵、管道、阀门等设施；完善消毒设施，保障水质安全；加强泵房内环境卫生管理，提高设施维护水平。

异地新建泵房：在小区附近，采用先进设备和工艺新建一座泵房，满足小区日益增长的用水需求。新建泵房将配备节能高效的水泵、智能控制系统等，提高供水系统的运行效率。同时，新建泵房将远离居民区，减少噪声对居民的影响。

通过安装水箱和变频给水泵，改善二次供水系统的供水效率和质量。用水箱储存定量的水，平衡高峰用水时段的水量需求；根据用水需求的变化自动调节泵的转速，实现节能和恒压供水。

2 二次供水改造工程方案决策评价体系构建

对不同地区的二次供水建设标准进行收集，包括但不限于《城市供水条例》《城镇二次供水技术规程》等，初步筛选出可能影响二次供水改造工程效果的指标。为进一步精炼和优化评价指标，邀请水务行业从业人员、相关施工人员以及项目管理专家进行深入访谈，对初步评价指标进行讨论和筛选，最终确定以下评价指标。

保障措施：包括供水系统选择、泵房设计、水箱设置3个方面。供水系统选择须考虑系统的适用性、经济性和先进性；泵房设计要保证布局合理、操作便捷、安全防护到位；水箱设计则要满足容量需求，同时考虑材质的卫生性和耐久性。

性能指标：包括安全性和可靠性。安全性指供水系统在运行过程中保证水质、水量、水压稳定的能力；可靠性则是指系统在长期运行中的稳定性、故障率以及应对突发情况的能力。

施工管控：涉及质量控制和时间控制两个关键点。质量控制包括对施工材料、施工工艺和施工验收进行严格把控，保证工程质量；工期控制则要求合理规划施工进度，减少对居民生活的影响，并保证工程按时完成。

运营阶段：包括水质监测、运维管理和清洗消毒3个方面。水质监测要求建立长效的水质检测机制，保证供水水质符合国家标准；运维管理涉及设备的日常维护、故障处理和人员培训，保证系统的高效运行；清洗消毒则是对水箱、管道等设施定期进行清洁和消毒，防止水质二次污染。

3 模型配置

3.1 熵权法确定权重

采用熵权法确定评价指标的权重。熵权法是一种客观赋权方法，它根据评价指标的变异程度来计算权重，避免主观因素对评价结果的影响。具体计算步骤如下。

3.1.1 数据标准化

根据工程概况中提供的信息，收集关于设施老化、水质安全隐患、管理不善和用水需求变化的数据。将这些数据作为原始数据，并输入模型中。使用公式（1）、公式（2）对原始数据进行标准化处理，保证数据的一致性和可比性。

（1）

（2）

式中：xij为原始数据；min（xij）和max（xij）分别为原始数据中的最小值和最大值。

3.1.2 计算第j个指标的熵值

根据二次供水改造工程方案决策评价体系构建中确定的评价指标，计算各指标的信息量，即熵值，基于标准化后的数据进行熵值计算，计算过程如公式（3）所示。

（3）

式中：ej为第j个指标的熵值；k为常数，且k = 1/ln（m），ej的值为0～1；m为评级方案的个数。

3.1.3 计算第j个指标的差异系数

用差异系数dj反映指标j的信息效用，利用公式（4）计算差异系数，反映各评价指标在供水改造工程中的信息效用。这个步骤将结合工程概况中描述的具体问题（例如设施老化、水质安全等）确定各指标的重要性。

dj=1-ej （4）

式中：dj为第j个指标的差异系数。

3.1.4 确定权重

权重wj表示指标j在评价体系中的重要性，利用公式（5）计算权重，这些权重可以直接反映工程概况中的问题在改造决策中的相对重要性。

（5）

式中：wj为第j个指标的权重；n为效用值个数，j为指标个数。

3.2 TOPSIS法确定决策方案得分

采用TOPSIS法对不同的改造方案进行打分。TOPSIS法是一种常用的多属性决策方法，它通过计算各方案与理想解和负理想解的距离来确定各方案的相对优劣。计算步骤如下。

计算加权决策矩阵：根据公式（6）将二次供水改造工程方案决策评价体系构建中确定的评价指标权重应用到标准化后的数据上，形成加权决策矩阵。

vij=Xij×wj （6）

式中：Vij为加权决策矩阵的元素；Xij为标准化处理之后的数据矩阵，wj为熵权法确定的权重矩阵。

确定理想解和负理想解：根据工程概况中描述的现状和改造目标，确定理想解A*和负理想解A-。理想解代表最优的改造方案，而负理想解则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*为正理想解，由各指标的最小值组成；A-为负理想解，由各指标的最大值组成；v为加权决策矩阵，n为矩阵的行数，即方案的个数。

使用公式（9）、公式（10）计算每个改造方案到理想解和负理想解的距离。

（9）

（10）

式中：Di*为方案i到理想解的距离；D-i为方案i到负理想解的距离；vjmax加权决策矩阵中第j列的最大值；vjmin为加权决策矩阵中第j列的最小值。

根据公式（11）计算每个方案与理想解的相对接近度，从而确定最佳改造方案。这个步骤会综合考虑工程概况中的现状和二次供水改造工程方案决策评价体系构建中的评价指标。

（11）

式中：Ci为方案i与理想解的相对接近度；Di-为负理想解；Di*为正理想解距离。

4 数据分析

4.1 数据计算

利用公式确定方案的权重，计算步骤如下。

数据标准化：

。重复计算步骤可得出整体标准化数据，见表1。

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

（0.7）+0.65ln（0.65）=0.325。

权重值：，权重及得分结果见表2。

利用公式以及表2计算决策加权矩阵：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]。

确定理想解：A*=[0.160.1350.0960.1120.09520.0870.1260.0840.0952]

A-=[0.1440.1080.0720.0880.0720.0630.0840.0630.072]。

计算最终评价得分，结果见表3。

本文以方案1为例：Di*==0.142，Di-=

。

4.2 结果分析

从权重结果分析发现，在保障措施这项评价指标中，供水系统选择权重最高，达到0.2。说明在二次供水改造工程中，供水系统选择具有举足轻重的地位。它不仅直接影响二次供水的质量和效率，还影响水压的稳定性、水质的安全性以及能耗和维护成本控制。因此，在决策过程中必须高度重视供水系统选择，不仅要保证其符合《城市供水条例》《城镇二次供水技术规程》等国家标准和规范，还要考虑其能否适应未来城市发展带来的长期供水需求。供水系统选择不仅是技术层面的决策，更是一项关乎民生福祉的战略规划。科学合理的供水系统能够有效满足居民的日常用水需求，提升居民的生活质量。选用优质供水系统有助于减少水资源浪费，促进水资源的可持续利用。

从表3可以看出，现有泵房原位改造升级的方案在各项评价指标上表现较为突出，得分为0.822，是本次改造工程的最佳选择。对老化设备更换来说，在保障措施方面，应详细评估现有设备的性能，选择与原系统兼容性好的高效节能水泵。选用变频调速泵来替代原有恒速泵，不仅能提高供水效率，还能根据实际用水需求自动调整泵的运行状态，降低能耗。同时，应采用新型材料和技术对水箱、管道等附属设施进行升级，保证整个系统的耐久性、保障安全性。在性能指标优化方面，系统设计时须考虑以下技术细节：对水泵选型进行详细计算，保证在最大设计流量和扬程下，水泵能高效运行。优化泵房内的管道布局，减少阻力损失，提高系统的水力效率。此外，还须考虑系统的自动化控制，通过安装压力传感器、流量计等设备，实现供水系统智能调控。在施工管控方面，为保证工程质量，施工前应制定详尽的质量保证计划，包括材料入场检验、施工过程监督、隐蔽工程验收等环节。在施工过程中，要严格控制施工工艺，保证新旧设备衔接无误，避免因施工不当造成系统运行隐患。同时，合理安排施工进度，尽量减少对居民正常用水的影响。在运营阶段，水质监测是关键环节。应配备专业的在线水质监测设备，实时监控pH、浊度、余氯等关键水质指标。在运维管理方面，应建立完善的运维制度，定期对水泵、水箱、管道等设施进行检查、保养和维修。在清洗消毒方面，制定定期清洗消毒计划，保证水箱、管道等内部清洁，防止水质二次污染。

5 结论

本研究对二次供水改造工程方案的决策评价体系进行构建，运用熵权法和TOPSIS法进行模型计算，得出以下结论。1）通过收集不同地区的二次供水建设标准，结合专家访谈，构建包括保障措施、性能指标、施工管控和运营阶段4个一级指标的评价体系。这些指标全面覆盖了二次供水改造工程的关键方面，可以为决策提供科学的依据。2）熵权法作为一种客观赋权方法，通过计算评价指标的变异程度确定权重，避免主观因素对评价结果的影响。TOPSIS法通过计算各方案与理想解和负理想解的距离确定各方案的相对优劣，使评价结果更具合理性。3）基于熵权法和TOPSIS法的评价结果，将现有泵房原位改造升级方案确定为最佳选择。这个结果与实际情况相符，表明该方案在保障措施、性能指标、施工管控和运营阶段等方面都表现较好，具有较强的可行性。

参考文献

[1]沙乘风.工业互联技术在校园供水系统中的应用探讨—以南京中医药大学二次供水泵站智慧化改造项目为例 [J].建设科技， 2024（1）： 41-44.

[2]刘成.基于云模型的老旧小区二次供水改造项目风险评价研究[D].石家庄：河北经贸大学，2023.

[3]林敏燕.基于G-COWA的二次供水工程绩效评价研究[D].广州：华南理工大学，2022.

[4]陈建勋.基于价值工程的老旧小区二次供水改造工程方案优选研究[D].杭州：浙江大学， 2022.

[5]鲁渊.基于微博数据的二次供水公众关注及情感倾向影响因素研究[D].西安：西安建筑科技大学， 2019.

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