水危机下城市如何实现不停水达标供应?

   日期:2020-06-28     来源: 给水排水     浏览:2408     评论:0    
核心提示:  导读  针对城市供水突发事件中常见的风险源,从城市供水系统的各个环节出发,涵盖水源、水厂及管网等方面,形成了应急和备用水源、应急处理、应急清水储备、应急清水调度、...

  导读

  针对城市供水突发事件中常见的风险源,从城市供水系统的各个环节出发,涵盖水源、水厂及管网等方面,形成了应急和备用水源、应急处理、应急清水储备、应急清水调度、应急救援等设计技术,提出了关键技术指标和设计参数,并结合我国西南某市应急供水工程设计案例,制定了系统性的城市应急供水工程设计方案,为应急供水工程的建设提供技术支撑,提高城市在应急状况下的供水安全保障能力。

  0 前言

  应对城市供水突发事件,保障生活饮用水的水质和水量要求至关重要。近年来,“韧性城市”逐渐成为目前国际社会在防灾减灾领域的热点。在供水系统中,城市韧性指的是当城市供水系统受到扰动时维持或迅速恢复功能,并通过适应更好地应对不确定影响的能力。提高城市供水韧性,应当从取水、输水、净水、配水全过程建立应对多风险下的安全供水多级屏障,实现城市在水危机下的不停水达标供应。

  为了最大程度保障居民生活用水,《中华人民共和国水污染防治法》提出了应急工程建设和编制饮用水安全突发事件应急预案的相关条文,并且在新版《城市给水工程规划规范》(GB 50282-2016)以及《室外给水设计标准》(GB 50013-2018)中也增加了应急水源或备用水源和水厂应急净水设施建设的相关要求。

  为应对多种突发事件下的水源污染及供水不足的问题,实现城市在应急状况下的供水安全,增强城市供水韧性,本研究针对近年来发生的供水安全事件进行了风险源分析,并通过研究各种风险状况下的应对技术,结合典型案例,提出了多种突发状态下的应对方案和相应的应急供水设施设计参数,以全面提升城市供水系统应对突发事件的能力。

  1 城市供水风险源及供水现状分析

  1.1 供水风险源分析

  近年来,我国供水安全突发事件频发,严重影响人民正常生产生活。如表1所示,供水突发事件可分为自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件这4类,涉及城市供水系统的各个环节。

  表1 城市供水系统突发事件因素分析

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  我国地震、洪水等自然灾害发生的频率和产生的影响不断增加,2013年四川省雅安7.0级地震导致23.95万居民正常供水受影响,2019年6月受持续强降雨影响,盈江县自来水厂输水管网损毁严重,影响居民用水长达9 d,极大考验着在极端状况下城市的应急供水能力。2007年7月,安徽安庆水厂配电房突然爆炸起火,引发严重事故,导致城区30多万居民供水被迫中断4 h。根据张晓健等统计,全国突发环境污染事件由2005年的76起持续高发至2010年的156起,2015年11月甘肃陇星锑业尾矿泄漏导致甘肃、陕西、四川3省饮水安全受影响,2016年4月由于企业偷排含重金属废水造成江西新余市部分水厂停水;另外,太湖、滇池、洱海等水源均发生过较为严重的藻类暴发状况,引发多次公共卫生事件,对城市的正常供水产生了极大影响。2019年1月,贵州遵义市东联线片区供水管道遭蓄意破坏,导致管网水大量流失及大面积停水,4 000多户居民用水受到影响。

  可见,我国供水安全突发事件呈现高频次、多领域发生的态势,对城市安全供水提出了挑战,为了增强应对供水风险能力,应从不同风险源出发,在工程设计、运行管理及监管等方面统一考虑制定应对措施。

  1.2 风险影响与应对

  城市供水系统主要包括水源地、水厂及供水管网3个建设内容,风险影响也应当从这3个方面进行综合考虑。通过分析上述4类突发事件,对城市供水系统造成的影响主要包括水源水质变差或水量减少、水厂事故减产或停产以及输配水管网故障甚至整个系统瘫痪等方面。为了从系统上提高城市在应急状况下的供水安全保障能力,应对多种突发状况,应从多种风险源入手,合理配置冗余度于供水系统的各个单元,实现突发事件下的安全供水。

  由于突发事件具有突然性和偶然性,当事件发生后,应及时分析确定事件原因,启动应急处置措施,尽快恢复正常供水。为了保障应急处置期间居民的正常生活用水,增强城市供水韧性,应从供水系统取水、输水、净水、配水全流程考虑应对方案。

  (1)取水。为应对常用水源因重度污染或受到自然、事故等破坏而无法继续使用或水量不足,可采取原水调度、建设应急或备用水源等方式保障城市居民生活用水。

  (2)输水。为应对输水管线损毁或爆管情况,在前期结构设计时应考虑增加抗震防护等级,并在事件发生后尽快抢修恢复或切换备用输水管。

  (3)净水。为应对水厂原水受污染,应分析常见的污染物种类及超标倍数,增设应急处理设施及药剂。

  (4)配水。针对多水厂供水城市,为应对某一水厂发生事故导致减产或停产,可通过建设应急连通干管,调配其他水厂应急统一调配供水。

  (5)为应对整个供水系统瘫痪,可建设应急清水储备设施,通过配备的应急送水车优先保障居民生存用水;当城市无清水储备时,应立即启动应急救援程序,紧急配置应急净水车就近取水供应。

  2 应急供水工程设计技术

  根据城市供水风险及应对措施,本研究提出城市供水系统应急供水设施主要包括应急和备用水源、应急清水调度、应急处理、应急清水储备及应急救援5项内容。

  2.1 应急和备用水源

  通过建设应急或备用水源,应对一般供水危机时,水源水质变差或水量减少的突发状况,实现水源快速切换,保证原水供应,通常与应急处理相结合,适用于现有水源单一且有可开采第二水源的城市。

  备用水源主要针对水资源相对短缺,以提高城市供水保证率为目标而建设的,其水质和水量要求均应满足居民生活及工业生产要求,而在城市供水突发事件下,应以保障居民基本生存、生活用水为首要目标,因此本次研究主要针对应急水源建设。

  应急水源主要设计参数包括应急取水规模、应急水源水质及应急供水时间。根据《城市给水工程规划规范》(GB 50282-2016),城市应急供水期间,居民生活用水指标不宜低于80 L/(人·d),因此应急水源取水规模应按照应急供水量确定,并综合考虑水厂自用水量、城市性质、产业结构、居民生活水平、其他用水压缩比等内容,满足居民基本生活用水要求。针对应急水源水质,相关标准均提出不宜低于常用水源水质,但可适当放宽为采取应急处理后保证出厂水达标。为保证应急水源储水量及补水通畅及时,还需确定应急供水时间,郄燕秋等研究表明突发性水污染事件风险持续时间多为10 d内,因此将10 d作为应急水源设计时考虑的应急供水时间。当10 d内城市供水系统未恢复正常供水,应辅以其他应急供水措施,保证居民生活用水。因此,为了保证应急水源的及时启用,应考虑其储水量V(m³)至少满足一次应急供水需求,即:V≥应急供水人口×80×10/1 000 (m³)。

  2.2 应急清水调度

  通过建设多水厂供水区域间应急清水调度管道及配套设施实现水量调配,适用于多水厂供水且各水厂设计能力均在实际需水能力之上的区域。可用于应对一般供水危机时,供水干管水量减少的突发状况。应急清水调度形式分为跨区域管网连通和区域内水厂连通,后者又分为串联形式和环状形式。为保持管网应急连通管道的水质符合要求,需根据应急预案每年进行应急演练并对管道进行冲洗。

  2007年为了应对太湖蓝藻问题,苏州市采用跨区域管网连通技术保障城市居民生活用水,如图1所示通过新建10条总长28.55 km的供水互连互通管道和4座双向增加泵站,先后投资1.34亿元,形成了高新区、市区水司、吴中区、工业园区、吴江区之间的相互调配,并与昆山市和太仓市形成跨城市调水,并每年进行“北水南送、东水西调”综合应急演练,以减少应急调水设施故障率并保证应急供水水质。以苏州工业园区为例,区域水厂供水能力为45万m³/d,通过启用与市区、吴中区及昆山市的连通管道,可实现最大应急供水量25万m³/d,占日常供水量的55.6%,近年来多次启用互通管,有效解决了应急状态下供水问题。

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  图1 苏州市供水互连互通管道建设示意

  2013年,无锡市为实现长江和太湖为水源水厂的快速切换,投资8.3亿元,采用区域内水厂串联连通供水方式,建成了贯通南北供水干管的供水大动脉,总长约40 km。如图2所示,将使用长江水源的锡澄水厂和使用太湖水源的中桥水厂、雪浪、锡东水厂的干管相连,形成互联互备的清水输送“高速通道”,实现了多水源多水厂的相互调水。当太湖水质发生突发突然无法使用后,通过“高速通道”,可实现100万m³/d长江水的调度能力,切实保障应急水量及水质。2014年,市自来水公司开展了试验演练,完美实现了太湖水与长江水的双源切换,经检验,管网末梢水质均达标。

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  图2 无锡清水输送“高速通道”建设示意

  2006年,宁波市为解决供水供需矛盾,增加管网调配转输能力,采用区域内水厂环状连通供水方式,投资5.5亿元建设环状连通干管,总长46.7 km。如图3所示,城区外围建有桃源水厂、毛家坪水厂、东钱湖水厂、江东水厂、规划北部水厂,分别采用不同水库的原水,清水由多点输送至围绕市区的“清水高速公路”干管上,然后再向市区配水,当某个水厂发生故障时,可由另外水厂补充清水。经管网安全性验证,在保证控制点压力不变的情况下,发生事故时最低供水保障率可达到75.8%,说明总体供水安全性较高。

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  图3 宁波市“清水高速公路”建设示意

  2.3 应急处理

  在面对突发性水质污染事故时,通过在水源或水厂投加药剂进行应急净水,降低污染物浓度、提高污染物的去除率,使水厂出水水质达标。可用于应对一般供水危机时,水源水质变差或水厂事故减产或停产的突发状况。

  目前应急处理技术已经较为成熟,可根据水源污染物种类及超标倍数选择相应处理药剂,并通过现场试验确定投加量进行处理。常用的应急处理药剂有粉末活性炭、高锰酸钾、酸(盐酸或硫酸)、碱(液体NaOH)和液氯,其设计投加量可参考粉末活性炭40 mg/L,高锰酸钾、液氯5 mg/L,酸、碱20 mg/L。粉末活性炭和高锰酸钾的投加点首选在取水泵房,其次为水厂混凝剂投药点处;酸和碱的投加点分别位于水厂混凝前和滤池后;液氯投加点为水厂配水井处。针对小型水厂湿式或干式投加,配置成套投加系统;大中型水厂采用湿式投加,配置自动化程度高的成套投加系统。另外,为保证应急处理药剂的及时投加,根据应急物质的供应物流情况,一般储存可3~7 d用量。

  2.4 应急清水储备

  通过设置在水厂内的应急清水池或者管网内的高位水池中储备的清水为应急送水车提供清水。当发生严重供水危机时,供水系统中水源、水厂和管网设施均无法正常使用或供水干管水质变差的突发状况,及时关闭应急储水设施与常规供水管道的阀门,将清水保存在应急储水设施中,然后配置送水车向集中供水点输水,保证应急状态下居民生存用水,为城市正常供水设施的维修及恢复提供时间。

  应急清水储备设施设计参数主要为确定有效容积,在严重供水危机下保证市民生存用水量为首要目标。根据相关调查统计得出城市居民日饮用水量均小于3 L/(人·d),考虑应急送水车仅提供灾后维持生存的基本饮水量,以便可以服务更多灾民,故确定基本饮水量为4 L/(人·d)。应急清水储备设施可应急供水时间按照应急水源设计相同参数,采用10 d。因此,应急清水储备设施设计总有效容积V(m³)应满足保证生存饮水量4 L/(人·d)下使用10 d,即:V≥覆盖区域应急供水人口×4×10/1 000 (m³)。

  当城市现有管网系统建设有高位水池且储水量满足上述要求时,可利用现有高位水池作为临时应急蓄水池使用;若管网系统高位水池无法满足应急供水需求时,需另建设水厂应急清水池,其有效容积应为应急蓄水池设计有效容积减去高位水池需水量。为保持应急蓄水池内水质,在日常状态下应保证其正常使用。

  2.5 应急救援

  应急救援分为本地救援和区域救援,当区域内部分片区某水厂及管网无法正常供水时,可通过采用应急送水车从其他水厂或应急蓄水池向居民直接输送清水;当区域内应急清水储备不足或无法使用时,应启动本地供水应急救援中心,就近选取临时取水水源应急供水;当灾情严重,超出本地救援中心应对负荷后,应从国家供水应急救援层面上统一调配其他区域供水救援中心,进行区域救援。

  2016年,住房和城乡建设部启动实施“国家供水应急救援能力建设”项目,在我国华北、华东、华中、华南、东北、西南、西北、新疆等8个区域,依托当地供水公司等单位,建立国家供水应急救援中心。2019年11月14日,国家八大救援中心完成移交,可参与实际救援工作。

  通过建立国家供水应急救援中心,可实现区域内绝大部分地区在救援装备出发后12 h内到达应急地点,偏远地区18 h内到达,极端偏远地区24~30 h内到达。对于偏远地区,紧急情况时可利用国家救援体系,采用空运方式缩短响应时间至12 h内。单套应急装备可提供12万人基本生存饮水需求,为市政供水设施严重受损的地区提供应急供水,保障受灾地区居民基本饮水需求,提高突发性水源污染事故发生时水质检测能力,及时恢复城市正常供水功能,保障人民饮用水安全。可用于应对严重供水危机时,供水系统中水源、水厂和管网设施均无法正常使用或供水干管水质变差的突发状况。为保障应急救援装备的及时有效,应定期进行维护及演练。

  3 设计案例

  以我国西南某市应急供水工程设计为案例,通过分析供水突发事件的风险源,从总体上制定应对方案,建设供水全过程的应急供水设施,保障城市供水安全,全面提升应对供水风险能力。

  3.1 现状及存在问题

  某市环A湖而建,分为湖东片区和湖西片区,两区均主要以A湖作为饮用水源,少部分为山溪水和小型水库水。现阶段A湖水资源总量逐年减少,水资源开发利用率偏大,且每年6~10月A湖经常存在蓝藻暴发问题。因此,A湖作为该市90%的供水水源在水量和水质上均存在一定风险。

  该市现有水厂17座,总供水量为59.2万m³/d,其中湖西片区11座,供水量33.7万m³/d,占总供水量的57%;湖东片区6座,供水量25.5万m³/d,占总供水量的43%;绝大部分水厂以超滤膜处理工艺为主,部分老水厂采用絮凝沉淀+砂滤池工艺,无法有效应对A湖突发污染情况。

  该市湖西片区水厂已实现干管连通,该区应急供水能力将显著提升;而湖东片区尚未实现连网调水,当A湖出现高污染无法继续使用或某一水厂出现事故停产后,将严重影响该片区市民正常饮水。

  3.2 总体应急设计方案

  为应对该市供水风险,以保障A湖突发污染或某水厂停产情况下的居民生活供水,以及严重供水危机下绝大部分居民的基本生存用水为目标建设应急供水工程。

  该市应急供水设施建设内容主要包括应急水源、应急清水调度、应急处理、应急清水储备和应急救援。如图4所示,为应对该市供水以A湖为主的单一水源风险,拟在湖西和湖东片区建设应急水源;为应对公共卫生事件导致的A湖突发污染情况,拟在各水厂增设应急处理设施;为应对事故灾难导致的某水厂停产的状况,合理利用供水连通干管,实现水厂间的清水调度。另外,为了增强抗风险能力,保障自然灾害等极端情况下的居民生存用水,建议新建应急清水储备设施,并保障应急救援的时效性。同时加强维护管理,防止发生社会安全事件,影响供水安全。

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  图4 某市应急供水设施建设方案

  3.3 工艺设计

  (1)应急水源。A湖西北方向有2个水库,均为中型水库,水量充足且水质满足地表水Ⅱ类要求。目前拟将2个水库进行连通后修建输水管道,将优质原水注入A湖北部,作为附近湖西片区水厂的应急水源,取水点为应急补水管道末端。“水库连通”水平均每天向A湖输水17.6万m³,当A湖蓝藻暴发时,是“水库连通”水量充足的季节,辅以应急清水调度可基本满足湖西片区水厂的正常生产。湖东片区水厂位于A湖东岸,靠近“滇中引水”工程分水口,待建成后,平均每天可提供原水约8万m³,将“滇中引水”原水与A湖互为应急备用,也可满足该片区应急供水需求。

  (2)应急清水调度。湖西片区水厂11座,其中6座以A湖为水源,另外5座以山溪水或小型水库为水源,目前均建成应急连通干管,由于山溪水旱季期与A湖蓝藻季节性暴发期恰好错开,当山溪水量不足时,以A湖为水源的水厂可以正常生产,清水通过连通的供水干管往应急区域调水,能够保障应急用水需求;当A湖藻类污染程度超过投药系统的处理能力时,以A湖为水源的水厂停产或减产,清水通过连通的供水干管进行应急调水,能基本保障应急期间居民生活用水需求,应急调水规模需全部水厂统筹考虑。湖东片区水厂6座,均以A湖为水源,现阶段尚未连通。

  (3)应急处理。根据该市环境监测中心监测资料,A湖藻类平均数量总体呈夏、秋高,冬、春低的特点,全年10月藻类数量最高达1 688万个/L,全年各监测点最高值出现11月的红山湾,藻类数量高达2 680万个/L。按照现有水厂处理工艺,当A湖蓝藻暴发后将难以处理达标。

  为应对A湖蓝藻爆发,根据各水厂情况,增加前置高锰酸钾投加、前置粉末活性炭投加的应急处理工艺装置。高锰酸钾和粉末活性炭投加装置均采用一体化成品,用于粉末药剂射流投加,现场提供水源和气源。在原水高藻突发污染下,粉末活性炭投加与超滤膜系统组合的工艺,可应对A湖藻类暴发、保障出水水质全面达标。

  (4)应急清水储备。目前该市尚未建设应急清水储备设施,为了应对多种突发情况下的供水需求,在水厂用地、资金、政策等条件允许下,建议直接在水厂建设应急清水池。当发生突发事件后及时储存清水,优先保障居民生存用水,为供水设施恢复或其他应急供水措施开启提供时间。

  (5)应急救援。该市属于国家供水应急救援中心西南基地覆盖范围,基地保养中心位于四川省绵阳市,该市位于云南中南部地区,较为偏远,响应时间较长,约需18~30 h。为及时有效保障应急状态下的居民生活用水,该市配备了应急送水车,在管网调度无法实施时,直接将其他水厂清水输送至应急供水区域。另外,为了应对地震等自然灾害引起的供水危机,该市组建了备灾救灾中心供水应急救援队,配备应急净水车、桶装水等装备,每天可为灾区1.5万名群众提供安全、洁净的生活用水。

  3.4 应急预案

  当城市发生严重供水危机时,可采取应急救援装备保障居民生存用水,因此这里针对A湖突发污染及区域内某水厂无法使用的情况下,对应急供水设施的启动制定方案。

  (1)湖西片区。针对以A湖为水源的6座水厂,当A湖产生突发性污染情况,应优先采用应急处理方式,根据污染程度及现场情况投加高锰酸钾或粉末活性炭,保证出水达标;当污染物浓度超出应急处理能力,可将取水切换至“水库连通”水作为应急水源,同时根据应急水源水质合理投加处理药剂;当某水厂因故障暂时停产,应采用应急清水调度,根据需求水量合理统一调配其他水厂。

  针对以山溪及小型水库为水源的5座水厂,条件允许的可建设应急取水调蓄池储存一部分溪水,在上游沿岸污染时作为应急水源。对于无法建设应急水源的水厂,当污染物浓度超出应急投加药剂处理能力时,应采取应急清水调度连网进行区域调水保障应急用水量。

  (2)湖东片区。湖东片区6座水厂均以A湖作为取水水源,当A湖水源发生轻微污染事件时,启动应急处理可满足出水达标;当A湖发生严重污染时,应切换“滇中引水”作为应急水源;由于目前湖东片区水厂尚未连通,当某一水厂因故停产或A湖与应急水源均无法启用时,可采用应急供水车从就近水厂或湖西片区水厂调水供水,优先保障居民生活用水。

  3.5 预期成效

  启动应急供水工程建设前,该市水源较为单一且各水厂无法实现相互调配支援,一旦A湖发生严重污染或某水厂因故障停产,将对居民生活用水产生极大影响。通过建设“水库连通”和采用“滇中引水”作为应急水源,以及各水厂增加应急处理药剂投加装置,可以有效应对A湖发生突发污染的情况;通过建设应急连通干管及配备应急送水车,当某一水厂发生故障后能够实现快速清水调配;通过组建供水应急救援队,能够保障自然灾害情况下的居民生存用水。因此,在系统性的应急供水设施的建设下,该市能够有效应对多种情况下的供水突发事件,切实保障居民饮水健康和安全。

  4 结论

  根据水源突发性污染及供水系统故障等风险问题,提出了包括应急和备用水源、应急处理、应急清水储备、应急清水调度、应急救援装备在内的城市供水系统应急体系。

  针对各应急供水设施的应对状况及供水目标,提出了关键技术指标和设计参数,用于指导应急供水工程设计:

  (1)应急水源建设应满足最低取水规模为80 L/(人·d),储水量不低于10 d,水源水质经应急处理后可达标供应。

  (2)应急清水调度可根据情况建设应急连通干管,实现区域内水厂串联连通或环状连通、跨区域管网连通等形式,保障清水相互调配。

  (3)根据水源污染情况合理选择处理药剂及投加量,建议粉末活性炭和高锰酸钾投加在取水泵房或混凝剂投药点,酸、碱投加在水厂混凝前和滤池后,液氯投加在水厂配水井处。

  (4)应急清水储备可通过建设水厂应急清水池或高位水池保障生存用水,其有效容积应按最低储存规模为4 L/(人·d),储水量不低于10 d计算。

  (5)在极端供水情况下,应保证应急救援及时有效。

  应用于我国西南某市应急供水工程设计,通过合理调配城市应急供水设施,能够有效保障A湖突发污染或区域内某水厂无法使用情况下的正常供水,以及严重供水危机下绝大部分居民的基本生存用水,有效提升了该市应对供水突发事件的应急处置能力。

  原文标题:城市供水系统应急设计研究及案例应用;作者:鲍任兵、邹磊、张怀宇、余琴芳、宋子明、万年红、陈燕波、李树苑、贾旭超;作者单位:中国市政工程中南设计研究总院有限公司。刊登在《给水排水》2020年第5期城市供水系统规划设计技术评估及标准化专栏。

 
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