城市水厂运行健康评估研究与应用

王亚楠WANG Ya-nan

（上海市供水调度监测中心，上海 200080）

0 引言

《上海市供水总体规划》的总体目标是，至2035 年建成“节水优先、安全优质、智慧低碳、服务高效”的城市供水系统，城市自来水厂作为城市供水系统中的重要组成部分，亟须制定标准化的水厂评估方法，通过持续性的评估掌握水厂的运行状况，以确保水厂基础设施的可靠性和可持续性，提高水厂的运行效益和服务质量，指导水厂未来的维护更新、运行改造与投资管理方向。当前，现有的水厂评估研究一般是以效益为主要目标的绩效评估，或者集中于工艺流程单元中水质指标是否达标的评估，很少有针对技术运行方面的综合评估。技术运行角度的评估对于水厂监管、设计、运行，提高水厂生产运行的可靠性、安全性和高效性具有重要的作用。因此，制定水厂运行的技术评估标准以规范和提高水厂的运行管理水平是十分重要的。

1 评估指标体系的构建

1.1 综述

国际水协（IWA）编制的《供水服务绩效指标手册》[1]系统性地建立了供水服务绩效的评价指标体系，是许多国家开展供水服务绩效评价的重要参考。Vieira 等人[2]提出了一种针对水厂生产技术指标的评估方法，界定了包含七个评估领域的八十个指标的绩效指标体系，确定了量化衡量标准。Kue ra 等人[3]将水厂作为供水系统的独立模块进行单独评估，建立了基于结构性能和技术运行两个方面的评估指标集，提出了水厂状况评估的FMEA（故障模式和影响分析）方法。Rahman 等人[4]开发水厂的状态评估模型，覆盖技术、物理、环境和运行方面的基本状态参数，分别评估水厂各组件的技术状况，评估结果表明，设计和建造参数是影响水池状况的最重要参数，而对于水泵而言，运行参数则是最重要的参数。国内关于水厂的评估一般只针对特定生产工艺或者机泵健康方面的评估[5]，很少有针对水厂运行的系统性评估。

1.2 指标筛选

由于水厂的类型、规模和使用的技术要素多样，水厂运行健康评估很难包含所有要素，因此制定具有代表性的指标评估体系尤其重要。指标的筛选标准要求科学合理，能够适应水厂的实际情况。同时，为保证评估的平衡性和完整性，不同类别的指标应具有良好的分布和代表性。基于水厂运行健康状况评估的目标，包括产品水的品质、运行稳定性、安全性等方面，本研究确定了包括出厂水质量、运行可靠性、抗风险能力、智能化水平、规范化管理五个维度的水厂健康评估的指标体系。

针对指标体系的五个维度，分别确定其对应的关键技术指标。指标初步选取阶段通过查阅分析国内外相关标准、文献等，并考虑水厂的运行特性，选取有代表性的要素，形成初选指标集。优化筛选阶段则在初步筛选的基础上，从相关性、合理性、可获得性等方面，对指标数据进行分析、判断。将指标体系整合成一份调查问卷分发给供水企业相关管理和技术人员、水厂运行方面的研究人员和设计人员等，对指标参数相关性、完整性和重要性作进一步评价。判断指标数据的可获得性，对于数据收集存在困难或不具成本效益的指标作排除处理。统计分析指标数据的可比性和独立性，确定最终的选定指标集。

1.3 指标体系架构

本研究最终确定的水厂运行健康评估指标体系的架构如图1 所示。基于多目标、多标准的综合评估需求，评估体系架构确定为指标分层结构，共分为三个层次，第一层覆盖了基于绩效目标的水厂运行评估的维度，共包含5 个一级指标，第二层列出了水厂运行评估包含的参数类别，共包含15 个二级指标，第三层则详细列出了每个类别下具体的参数，共包含50 个三级指标。

图1 水厂运行健康评估指标体系架构

2 水厂运行健康评估方法

水厂运行健康评估最终得到的是综合评价的指数，以构建便于量化衡量的标准，对于评估指标体系多层次多参数的特征，建议采用的方法以加权总和法[3]为基础，将指标参数量化处理，并对每项指标参数分配具体的权重，从最底层开始逐步加权汇总。三级指标层是评估中输入数据的唯一层次，更高层次的评估是由三级指标层输入的数据计算得出。

评估结果标准化后的指标数值和权重进行加权求和，得到最终的综合评分，计算公式见式（1）。通过分值统计对水厂水平进行打分及等级划分，直观展示水厂运行管理水平。

其中，S 为水厂运行健康评估综合得分，Ci为第i 个指标参数的评分，Wi为第i 个指标参数的综合权重。

评估人员首先确定各因素的离散值。然后将这些因素的分值汇总，再计算出单个指标的值，以显示水处理厂的整体状况。

本研究综合分值的标准采用百分制，评估结果根据得分的高低归入相关评估类别，由高到低的顺序划分为4级，I 级代表健康，Ⅱ级代表安全，Ⅲ级代表可控，Ⅳ级代表风险，符合表1 的规定。

表1 评估等级

3 评估指标权重的确定

权重反映了指标在评估体系中的相对重要性，鉴于本研究评价体系层级结构复杂，指标参数众多，权重的获取采用层次分析法（AHP 法），通过分析分层次结构简化复杂问题，构建成对比较矩阵确定每个指标的相对权重值。

按照9 级标度法进行指标的两两比较打分，得出各因素的重要性，1-9 标度的含义如表2 所示。构造判断矩阵A，检验判断矩阵的一致性，进而计算判断矩阵的最大特征值和特征向量。将判断矩阵的特征向量进行归一化处理后，得到权重。

表2 AHP 标度含义

判断矩阵A 一致性检验的步骤如下，首先计算矩阵A的一致性指标CI，随后计算出一致性比率CR，最后通过CR 判断矩阵A 的一致性。当CR 值小于0.1 时，认为判断矩阵的不一致程度在允许范围内，通过一致性检验。

其中，λmax为矩阵A 的最大特征值，n 为矩阵的阶数。

其中RI 为平均随机一致性指标，它只与矩阵的阶数有关，具体取值见表3。

表3 平均随机一致性指标

以一级指标为例，如表4 所示，构造其判断矩阵A=（aij）n*n，aij为第i 个指标相对第j 个指标的相对重要性。

表4 一级指标判断矩阵

计算得到矩阵A 的最大特征值λmax=5.1070，一致性指标CI=0.027，一致性比率CR=0.024，经判断CR<0.1，判断矩阵A 通过一致性检验。

计算判断矩阵 A 的特征向量为（0.726，0.507，0.354，0.247，0.172），经过归一化处理后，得到一级指标的权重矩阵（A1，A2，A3，A4，A5）=（0.362，0.253，0.176，0.123，0.086）

分别计算得出二级和三级指标层的权重值，权重逐级相乘最终得到指标的综合权重。每项指标的综合权重反映出该项指标的相对重要程度，最终得到的三级指标的综合权重如图2 所示。从图中可以看出，相对权重比较高的几项指标分别为在线浊度控制红线C5、在线余氯控制红线C7 和在线压力控制红线C13，这几个指标代表着出厂水的质量，这也与水厂的首要目标，生产出符合数量和质量要求的饮用水，向用户提供优质、稳定的供水相契合。

图2 三级指标综合权重值

4 指标参数量化分析

综合评估需要对指标参数进行量化分析，首先需要确定评估周期，指标数据的更新频率根据指标特征，分为实时、日、月、年。与设施设备设计和结构相关的指标，如水库水量、水库库容率等参数作为静态指标，更新频率以年计算，与运行管理相关的指标，如在线浊度合格率、在线压力合格率等作为动态指标，数据可以做到实时更新。统计各指标的更新频率，可以做到实时更新的指标有14 项，每日更新的指标8 项，每月更新的指标4 项，每年更新的指标24 项。评估周期则考虑到水厂运行健康评估的目标，若以水厂间对比排序为主要评估目的，设定以日或月为基础的评估周期，若以动态运行监管为主要评估目的，则可将基础的评估周期设定为实时滚动更新。

4.1 指标的计算方法

由于本评估体系中指标参数过多，故取有代表性的部分指标参数作举例说明。以出厂水质量为例，如表5 所示，详细描述指标参数的特征。对于水厂来说，监测成品水的水质参数作为主要的衡量标准，水质指标合格率参考以上海市地方标准《生活饮用水水质标准》（DB31/T 1091）[6]指标限制，人工检测指标的更新频率和在线指标的更新频率不同。水压的合格和稳定则反映了水厂成品水供应的稳定性。

表5 出厂水质量的指标参数

4.2 指标分值的确定

由于指标体系中各指标参数的数据获取途径、更新频率和单位都不统一，且有些为定性指标，需要先行对其进行归一化处理，建立评分标准，对指标的具体分值作出说明和建议。评分按照重要或危险程度做相对评价，分值之间宜拉开差距。选取部分有代表的指标作为指标评分的确定举例。评分用C 表示，标准分用T 表示，标准分值本文采用百分制，具体指标评分说明如表6 所示。

表6 具体指标评分说明

5 案例应用分析

在已建立的水厂运行健康评估的方法上，评估一个实际水处理厂的技术状况，对SH 市某水厂进行案例研究。该水厂建成于2020 年，水厂制水能力20 万立方米/日，水厂的处理工艺为常规处理+深度处理的运行模式，具体水厂工艺流程见图3。

图3 水厂工艺流程图

按照水厂健康评估方法的计算程序，最终得到该水厂的运行健康综合评分为98.49 分，评估等级为健康。从图4所示雷达图中可以看出，扣分项主要集中在智能化水平和抗风险能力两个维度。

图4 水厂五个维度的评价结果

6 结论

①本研究开发了基于运行可靠性、安全性、稳定性和抗风险能力等的水处理厂运行健康评估综合框架。提出了一套水厂健康评估指标体系，建立评估数据模型，量化水厂运行健康等级。采用加权综合评价法对水厂的运行健康进行评估，为水厂监管、评价提供了量化依据和衡量标准，也可以为水厂的维护更新与升级改造提供技术依据，促进水厂运行可持续、高质量发展。

②评估体系可以反映出水厂整体运行的技术状况，也可以将三级指标体系拆分，从五个不同维度分层次反映水厂运行健康水平，更具灵活性和实用性。

③本方法可在数据库技术之上，建立计算规则，利用多种渠道来源的综合监管数据动态计算各类考核指数。水厂运行管理中出现的问题和隐患可以在较短时间内被发现，并及时得到督促和纠正，有助于建立运行健康评价的长效机制。