居民小區(qū)二次供水設(shè)施防凍保溫能力評(píng)價(jià)

張立尖，黃智峰，黃 鑫

(1.上海市供水管理處，上海 200081；2.上海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200444；3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

二次供水設(shè)施是城市供水的最后環(huán)節(jié)，與居民用水直接關(guān)聯(lián)，是反映城市供水水平的要素之一[1]。2016年初，我國南方部分地區(qū)遭遇極端寒潮襲擊，二次供水設(shè)施出現(xiàn)水箱冰凍、水管漏水、水表凍裂等情況，城市供水服務(wù)保障經(jīng)受了嚴(yán)峻考驗(yàn)[2]。寒潮事故后，上海市制定了二次供水設(shè)施防凍保溫的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]。但是，對(duì)于二次供水設(shè)施的防凍能力，尚無評(píng)價(jià)體系。因此，調(diào)查上海市二次供水設(shè)施與凍損情況，建立防凍指標(biāo)體系、評(píng)估防凍能力，具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。

本文結(jié)合上海地方實(shí)際，充分考慮寒潮中受損的薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)現(xiàn)有防凍標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合2016年寒潮事故受損分析，確定二次供水設(shè)施防凍能力的主控因素，采用層次分析法量化指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建了防凍能力評(píng)價(jià)體系。應(yīng)用該評(píng)價(jià)體系對(duì)上海市不同區(qū)域居民住宅內(nèi)二次供水設(shè)施防凍能力現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查與評(píng)估，指出現(xiàn)有措施的不足，提出相應(yīng)建議，為二次供水設(shè)施防凍保溫改造提供一定的技術(shù)支撐。

1 凍損初步分析

2016年初，上海-7.2 ℃的夜間氣溫創(chuàng)下30年來最低值。盡管-7.2 ℃在我國北方地區(qū)的冬天幾乎是常態(tài)，但對(duì)于地處南方的上海市來講極為罕見，且該溫度已超出上海市二次供水設(shè)施防凍承受能力(原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為-5.6 ℃)[4]。持續(xù)的極端低溫天氣下，上海市部分小區(qū)的水管、水表冰凍，甚至爆裂，導(dǎo)致停水事故發(fā)生[5]。寒潮過后，為提升二次供水設(shè)施防凍保溫能力，上海市發(fā)布《上海市居民住宅二次供水設(shè)施改造工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)防凍保溫細(xì)則》(SSH/Z 10002—2016)，細(xì)則主要從保溫層和保護(hù)層的選用、管道和閥門保溫、水表和表箱保溫、貯水池和屋頂水箱保溫等環(huán)節(jié)提出了相應(yīng)的要求。新標(biāo)準(zhǔn)按照上海歷史極端最低氣溫-10.1 ℃設(shè)定。

據(jù)統(tǒng)計(jì)(表1)，2016年寒潮期間，全市供水行業(yè)更換水表約18萬只(約占全市水表的2%)，搶修管網(wǎng)漏損約19 000起。寒潮期間管道損壞較輕，中心城區(qū)3 600余起，郊區(qū)縣15 000余起。可能是因?yàn)橹行某菂^(qū)市政供水管道一般安裝在上海多年凍土線以下，而郊區(qū)管道多裸露在外，受損較多。中心城區(qū)和郊區(qū)縣水表損壞數(shù)量均在90 000只左右。居民室外嵌墻水表的損壞數(shù)量最高(67.7%)，其次是室內(nèi)龍頭表(23.8%)，二者占比之和達(dá)到總換表數(shù)量的91.5%。建筑物內(nèi)DN15嵌墻水表更換數(shù)量達(dá)到40 532個(gè)，占總數(shù)的54.2%。少數(shù)管道井中的水表也發(fā)生了凍裂(5.4%)。此外，屋頂水箱也遭受了一定程度的凍損，無任何保溫措施。較普遍的共性問題是，水表采用濕式水表，部分安裝在室外樓道內(nèi)，無專用水表箱；室外水表為嵌墻安裝，但因暴露在室外，受損數(shù)量仍然最高。

表1 2016年寒潮期間上海市供水設(shè)施受損情況Tab.1 Damage of Water Supply Facility in Shanghai during the Cold Wave of 2016

2 防凍保溫能力評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選原則有二：一是依據(jù)寒潮事故中的受損情況，現(xiàn)有設(shè)施比較薄弱的環(huán)節(jié)(如水表、水箱)；二是依據(jù)上海市發(fā)布的《上海市居民住宅二次供水設(shè)施改造工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)防凍保溫細(xì)則》(SSH/Z 10002—2016)。外層敷設(shè)保溫材料是目前上海市二次供水設(shè)施采取的主要防凍保溫措施。保溫層材料的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)等理化性質(zhì)是影響防凍保溫性能的主要因素[4]。保溫層的外設(shè)保護(hù)層對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，重要性也不容忽視。因此，保溫層材料與保護(hù)層材料是二次供水設(shè)施防凍保溫的兩大主控因子。

同時(shí)，調(diào)研表明，水表是二次供水設(shè)施防凍保溫的薄弱環(huán)節(jié)。水表的安裝位置與朝向(室外表)也影響著水表的防凍性能。此外，屋頂水箱大多遭受一定程度的凍損。據(jù)此，水表、屋頂水箱、安裝措施也列入主控因素之中。考慮施工的便利性，水表、水箱的防凍保溫措施與材料宜與管道基本一致。每項(xiàng)主控因素都受一些條件因子的影響，因此，評(píng)價(jià)體系也對(duì)影響各主控因素的具體因子做了細(xì)分，如使用干式水表、表箱內(nèi)填充保溫材料、嵌墻安裝等細(xì)節(jié)作為因子。

綜上，防凍能力指標(biāo)體系確定為3個(gè)層次，防凍能力評(píng)價(jià)為目標(biāo)層A，5個(gè)主控因素保溫層材料(B1)、保護(hù)層材料(B2)、安裝措施(B3)、水表及表箱情況(B4)、屋頂水箱(B5)為準(zhǔn)則層B，指標(biāo)層是對(duì)各準(zhǔn)則層的具體要求，即三級(jí)指標(biāo)體系如圖1所示。

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

圖1 二次供水設(shè)施防凍能力指標(biāo)體系Fig.1 Indexes System of Anti-Freezing and Thermal Insulation Capability of Secondary Water Supply Facilities

利用層次分析法做出決策，首先要把問題分成3個(gè)層次，即目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層，構(gòu)造出一個(gè)具有層次遞進(jìn)的模型。層次模型中的層次數(shù)與問題需要分析的具體程度有關(guān)，一般層次數(shù)不受限制。定量計(jì)算的基礎(chǔ)是根據(jù)資料數(shù)據(jù)、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合指標(biāo)篩選原則，對(duì)同層各指標(biāo)進(jìn)行兩兩的重要度對(duì)比，形成各指標(biāo)的判斷矩陣[6]。表2為影響目標(biāo)層A(二次供水設(shè)施防凍能力)的準(zhǔn)則層5個(gè)主控因素(保溫層材料B1、保護(hù)層材料B2、安裝措施B3、水表及表箱情況B4、屋頂水箱B5)構(gòu)成的判斷矩陣。引用整數(shù)n=1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度來定義判斷矩陣A=(Bij)n×n。矩陣滿足：Bij>0；Bii=1；Bij=1/Bji。其中，Bij的含義是對(duì)于A來說，Bi對(duì)于Bij的相對(duì)重要性。Bij=1，2個(gè)因素同等重要；Bij=3，2個(gè)因素相比前者稍重要；Bij=5，2個(gè)因素相比前者更重要；Bij=7，2個(gè)因素相比前者很重要；Bij=9(2個(gè)因素相比前者十分重要)。2、4、6、8表示插值于相鄰的兩個(gè)等級(jí)之間，且Bij=1/Bji。如在提升防凍能力這一目標(biāo)下，保溫層材料B1與保護(hù)層材料B2相比，B1比B2稍重要，則B12=2，B21=1/2。準(zhǔn)則層B1～B5經(jīng)兩兩比較后，即得出表2的判斷矩陣。

表2 基于目標(biāo)層A的判斷矩陣Tab.2 Judgment Matrix Based on Target Layer A

在求出判斷矩陣特征向量和最大特征值之后，需對(duì)權(quán)重合理性進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。一致性檢驗(yàn)采用的指標(biāo)為C.R.=C.I./R.I.，其中，C.I.=(λmax-n) /(n-1)為一般一致性指標(biāo)，R.I.為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，對(duì)于低階判斷矩陣，R.I.的取值可查表3。當(dāng)C.R.=0時(shí)，矩陣A具有完全一致性；當(dāng)C.R.<0.1時(shí)，即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性；當(dāng)C.R.> 0.1時(shí)，應(yīng)當(dāng)重新審視矩陣A，并做適當(dāng)修正。

為得出各準(zhǔn)則層的權(quán)重，對(duì)判斷矩陣A進(jìn)行計(jì)

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I值Tab.3 Mean Random Consistency Indexes R.I.

算，判斷矩陣A的計(jì)算結(jié)果在通過一致性檢驗(yàn)后(C.R.< 0.1)，即為5個(gè)主控因素B1～B5對(duì)目標(biāo)層A的影響權(quán)重值(B1=0.40、B2=0.12、B3=0.09，B4=0.35、B5=0.04)。再次針對(duì)準(zhǔn)則層構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算指標(biāo)層各指標(biāo)對(duì)準(zhǔn)則層的影響權(quán)重值。如準(zhǔn)則層B1(保溫層材料)包含4個(gè)指標(biāo)：燃燒性能、厚度、吸濕率、導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)影響B(tài)1的這4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩的重要性對(duì)比，形成判斷矩陣，計(jì)算該判斷矩陣并通過一致性檢驗(yàn)后，可解構(gòu)出指標(biāo)層中影響B(tài)1的各指標(biāo)權(quán)重值，分別為燃燒性能0.03、厚度0.22、吸濕率0.06、導(dǎo)熱系數(shù)0.09。同理，對(duì)準(zhǔn)則層B2～B5分別進(jìn)行上述步驟可依次解構(gòu)出各指標(biāo)層的權(quán)重值，二次供水設(shè)施防凍能力評(píng)價(jià)體系及其權(quán)重如表4所示?？傮w而言，各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)與實(shí)際情況較契合。管道被動(dòng)保溫是目前防凍的主要措施。依據(jù)調(diào)研，水表是凍損的薄弱環(huán)節(jié)，因此保溫層材料與水表情況所占權(quán)重較大。

2.3 調(diào)查結(jié)果

在明確二次供水設(shè)施各指標(biāo)體系及其權(quán)重后，在2017年3月—6月對(duì)上海市中心城區(qū)內(nèi)5個(gè)已完成二次供水設(shè)施改造的居民小區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研。主要是針對(duì)二次供水設(shè)施防凍能力評(píng)價(jià)體系中的各指標(biāo)，根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重以百分制進(jìn)行評(píng)分，其中，保溫層與保護(hù)層材料的性能如厚度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等參照《保溫細(xì)則》中的要求，符合要求則計(jì)分。各小區(qū)二次供水設(shè)施主要存在的問題及防凍能力評(píng)分情況如表5所示。

表4 二次供水設(shè)施防凍能力評(píng)價(jià)體系及其權(quán)重Tab.4 Evaluation System and Weights of Anti-Freezing and Thermal Insulation Capability of Secondary Water Supply Facility

表5 小區(qū)二次供水設(shè)施現(xiàn)狀調(diào)研表Tab.5 Investigation of Existing Secondary Water Supply Facility in the Communities

由表5可知，各小區(qū)二次供水設(shè)施防凍能力指標(biāo)體系權(quán)重得分均在80分以上，其保溫層與保護(hù)層材料的選用均符合要求。但存在的主要問題有：大部分小區(qū)的水表箱內(nèi)均未填充保溫材料；少許管道的保溫層部位不連續(xù)；小區(qū)管道及水表箱未遠(yuǎn)離北外墻、外窗；所有小區(qū)的水表均為濕式水表。

3 結(jié)論與建議

二次供水設(shè)施防凍能力評(píng)價(jià)體系依據(jù)保溫層材料、保護(hù)層材料、安裝措施、水表箱情況和屋頂水箱5個(gè)準(zhǔn)則層，劃分了密度、厚度等16個(gè)指標(biāo)層，應(yīng)用層次分析法確定評(píng)價(jià)因子各自權(quán)重值，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化處理，建立了適合上海市二次供水設(shè)施防凍能力評(píng)價(jià)的體系模型。針對(duì)二次供水設(shè)施防凍保溫中存在的問題，提出如下建議。

(1)水表箱內(nèi)應(yīng)填充保溫材料。受損調(diào)研中可知，室外嵌墻水表易遭受凍損。建議在水表箱的型式和保溫材料等方面開展相關(guān)研究，如填充適當(dāng)?shù)谋夭牧?，?duì)水表箱單獨(dú)采用電伴熱系統(tǒng)供熱等措施。

(2)小區(qū)管道及水表箱靠近背北外墻、外窗。對(duì)于老舊小區(qū)移管存在難度，只能加強(qiáng)管理；但對(duì)于新建小區(qū)，建議防凍保溫細(xì)則中加入相關(guān)的強(qiáng)制性設(shè)計(jì)規(guī)定。

(3)調(diào)研的小區(qū)全部使用的是濕式水表，建議有條件的更換更高抗凍性能的干式水表。相對(duì)于濕式水表，干式水表能更有效地抵御低溫天氣，避免水表凍裂[7]。如紹興市在2016年寒潮后，全市更換為10萬只抗凍干式水表，上海市《住宅設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DGJ 08-20—2013)中也建議使用干式水表[8]。