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(xué)的決策依據(jù)。構(gòu)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(quán)法和TOPSIS法對不同方案進行評價。結(jié)果顯示，現(xiàn)有泵房原位改造升級方案在各項評價指標上表現(xiàn)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(guān)鍵詞：二次供水改造工程；熵權(quán)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(wěn)定運行對居民生活和社會發(fā)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(shè)施存在很多問題，例如設(shè)備老化、水質(zhì)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(zhì)量，因此須對現(xiàn)有二次供水設(shè)施進行改造。在此行業(yè)背景下，二次供水改造工程方案決策研究具有現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值[3]。

學(xué)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(shù)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(shè)，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(guān)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(jié)合二次供水改造工程，運用系統(tǒng)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(guān)鍵因素，為工程方案決策提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 原給水分區(qū)情況

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

1.2 改造前現(xiàn)狀及原因

設(shè)施老化：該小區(qū)的二次供水設(shè)施始建時間較早，泵房內(nèi)設(shè)備嚴重老化，水泵、管道、閥門等設(shè)施磨損嚴重，導(dǎo)致供水效率低，能耗較高。

水質(zhì)安全隱患：由于設(shè)施老化，部分管道內(nèi)壁出現(xiàn)銹蝕，因此水質(zhì)已受到污染。此外，泵房內(nèi)消毒設(shè)施不完善，無法有效保障水質(zhì)安全。

管理不善：小區(qū)二次供水設(shè)施管理不善，導(dǎo)致泵房內(nèi)環(huán)境臟亂差，設(shè)備維護不及時，影響供水系統(tǒng)的正常運行。

用水需求變化：隨著城市發(fā)展，小區(qū)內(nèi)人口增加，用水需求不斷增加。原有供水設(shè)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(xiàn)有改造方案

針對上述問題，有以下3種改造方案。

現(xiàn)有泵房原位改造升級：對現(xiàn)有泵房進行改造，更換老化設(shè)備，提高供水效率。具體措施包括更新水泵、管道、閥門等設(shè)施；完善消毒設(shè)施，保障水質(zhì)安全；加強泵房內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生管理，提高設(shè)施維護水平。

異地新建泵房：在小區(qū)附近，采用先進設(shè)備和工藝新建一座泵房，滿足小區(qū)日益增長的用水需求。新建泵房將配備節(jié)能高效的水泵、智能控制系統(tǒng)等，提高供水系統(tǒng)的運行效率。同時，新建泵房將遠離居民區(qū)，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(tǒng)的供水效率和質(zhì)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(jù)用水需求的變化自動調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)節(jié)能和恒壓供水。

2 二次供水改造工程方案決策評價體系構(gòu)建

對不同地區(qū)的二次供水建設(shè)標準進行收集，包括但不限于《城市供水條例》《城鎮(zhèn)二次供水技術(shù)規(guī)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(yōu)化評價指標，邀請水務(wù)行業(yè)從業(yè)人員、相關(guān)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(tǒng)選擇、泵房設(shè)計、水箱設(shè)置3個方面。供水系統(tǒng)選擇須考慮系統(tǒng)的適用性、經(jīng)濟性和先進性；泵房設(shè)計要保證布局合理、操作便捷、安全防護到位；水箱設(shè)計則要滿足容量需求，同時考慮材質(zhì)的衛(wèi)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(tǒng)在運行過程中保證水質(zhì)、水量、水壓穩(wěn)定的能力；可靠性則是指系統(tǒng)在長期運行中的穩(wěn)定性、故障率以及應(yīng)對突發(fā)情況的能力。

施工管控：涉及質(zhì)量控制和時間控制兩個關(guān)鍵點。質(zhì)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(zhì)量；工期控制則要求合理規(guī)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(zhì)監(jiān)測、運維管理和清洗消毒3個方面。水質(zhì)監(jiān)測要求建立長效的水質(zhì)檢測機制，保證供水水質(zhì)符合國家標準；運維管理涉及設(shè)備的日常維護、故障處理和人員培訓(xùn)，保證系統(tǒng)的高效運行；清洗消毒則是對水箱、管道等設(shè)施定期進行清潔和消毒，防止水質(zhì)二次污染。

3 模型配置

3.1 熵權(quán)法確定權(quán)重

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

3.1.1 數(shù)據(jù)標準化

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

（1）

（2）

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

3.1.2 計算第j個指標的熵值

根據(jù)二次供水改造工程方案決策評價體系構(gòu)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(shù)據(jù)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(shù)，且k = 1/ln（m），ej的值為0～1；m為評級方案的個數(shù)。

3.1.3 計算第j個指標的差異系數(shù)

用差異系數(shù)dj反映指標j的信息效用，利用公式（4）計算差異系數(shù)，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(jié)合工程概況中描述的具體問題（例如設(shè)施老化、水質(zhì)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(shù)。

3.1.4 確定權(quán)重

權(quán)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(quán)重，這些權(quán)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(quán)重；n為效用值個數(shù)，j為指標個數(shù)。

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(yōu)劣。計算步驟如下。

計算加權(quán)決策矩陣：根據(jù)公式（6）將二次供水改造工程方案決策評價體系構(gòu)建中確定的評價指標權(quán)重應(yīng)用到標準化后的數(shù)據(jù)上，形成加權(quán)決策矩陣。

vij=Xij×wj （6）

式中：Vij為加權(quán)決策矩陣的元素；Xij為標準化處理之后的數(shù)據(jù)矩陣，wj為熵權(quán)法確定的權(quán)重矩陣。

確定理想解和負理想解：根據(jù)工程概況中描述的現(xiàn)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(yōu)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(quán)決策矩陣，n為矩陣的行數(shù)，即方案的個數(shù)。

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(quán)決策矩陣中第j列的最大值；vjmin為加權(quán)決策矩陣中第j列的最小值。

根據(jù)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(xiàn)狀和二次供水改造工程方案決策評價體系構(gòu)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(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)計算

利用公式確定方案的權(quán)重，計算步驟如下。

數(shù)據(jù)標準化：

。重復(fù)計算步驟可得出整體標準化數(shù)據(jù)，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(quán)重值：，權(quán)重及得分結(jié)果見表2。

利用公式以及表2計算決策加權(quán)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(jié)果見表3。

本文以方案1為例：Di*==0.142，Di-=

。

4.2 結(jié)果分析

從權(quán)重結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在保障措施這項評價指標中，供水系統(tǒng)選擇權(quán)重最高，達到0.2。說明在二次供水改造工程中，供水系統(tǒng)選擇具有舉足輕重的地位。它不僅直接影響二次供水的質(zhì)量和效率，還影響水壓的穩(wěn)定性、水質(zhì)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(tǒng)選擇，不僅要保證其符合《城市供水條例》《城鎮(zhèn)二次供水技術(shù)規(guī)程》等國家標準和規(guī)范，還要考慮其能否適應(yīng)未來城市發(fā)展帶來的長期供水需求。供水系統(tǒng)選擇不僅是技術(shù)層面的決策，更是一項關(guān)乎民生福祉的戰(zhàn)略規(guī)劃?？茖W(xué)合理的供水系統(tǒng)能夠有效滿足居民的日常用水需求，提升居民的生活質(zhì)量。選用優(yōu)質(zhì)供水系統(tǒng)有助于減少水資源浪費，促進水資源的可持續(xù)利用。

從表3可以看出，現(xiàn)有泵房原位改造升級的方案在各項評價指標上表現(xiàn)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(shè)備更換來說，在保障措施方面，應(yīng)詳細評估現(xiàn)有設(shè)備的性能，選擇與原系統(tǒng)兼容性好的高效節(jié)能水泵。選用變頻調(diào)速泵來替代原有恒速泵，不僅能提高供水效率，還能根據(jù)實際用水需求自動調(diào)整泵的運行狀態(tài)，降低能耗。同時，應(yīng)采用新型材料和技術(shù)對水箱、管道等附屬設(shè)施進行升級，保證整個系統(tǒng)的耐久性、保障安全性。在性能指標優(yōu)化方面，系統(tǒng)設(shè)計時須考慮以下技術(shù)細節(jié)：對水泵選型進行詳細計算，保證在最大設(shè)計流量和揚程下，水泵能高效運行。優(yōu)化泵房內(nèi)的管道布局，減少阻力損失，提高系統(tǒng)的水力效率。此外，還須考慮系統(tǒng)的自動化控制，通過安裝壓力傳感器、流量計等設(shè)備，實現(xiàn)供水系統(tǒng)智能調(diào)控。在施工管控方面，為保證工程質(zhì)量，施工前應(yīng)制定詳盡的質(zhì)量保證計劃，包括材料入場檢驗、施工過程監(jiān)督、隱蔽工程驗收等環(huán)節(jié)。在施工過程中，要嚴格控制施工工藝，保證新舊設(shè)備銜接無誤，避免因施工不當造成系統(tǒng)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(zhì)監(jiān)測是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)配備專業(yè)的在線水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)控pH、濁度、余氯等關(guān)鍵水質(zhì)指標。在運維管理方面，應(yīng)建立完善的運維制度，定期對水泵、水箱、管道等設(shè)施進行檢查、保養(yǎng)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(nèi)部清潔，防止水質(zhì)二次污染。

5 結(jié)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(gòu)建，運用熵權(quán)法和TOPSIS法進行模型計算，得出以下結(jié)論。1）通過收集不同地區(qū)的二次供水建設(shè)標準，結(jié)合專家訪談，構(gòu)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(guān)鍵方面，可以為決策提供科學(xué)的依據(jù)。2）熵權(quán)法作為一種客觀賦權(quán)方法，通過計算評價指標的變異程度確定權(quán)重，避免主觀因素對評價結(jié)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(yōu)劣，使評價結(jié)果更具合理性。3）基于熵權(quán)法和TOPSIS法的評價結(jié)果，將現(xiàn)有泵房原位改造升級方案確定為最佳選擇。這個結(jié)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(xiàn)較好，具有較強的可行性。

參考文獻

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