供水系统安全保障与韧性城市建设

表1 城市供水系统常态下的主要风险及其危害

 

供水系统运行普通风险在于供水质量的稳定性，主要是 水质达标问题 、 水量充足问题 以及 系统运行稳定问题 。原水系统中原水的浑浊度、藻密度、碱度、硬度等指标受季节变化影响很大，而水源地污染会导致重金属、总氮、总磷、粪大肠菌群超标，取水设备、泵站、输水管道会因老化腐蚀等被破坏，从而导致原水供应的停止，单一水源取水和单一水管输水在运行出现问题时管道无法检修，影响供水稳定性。制水系统中水处理工艺差就无法适应原水水质的变化，出厂水水质直接影响到供水质量，水厂的制水设备、监测设备、控制设备出现故障，都会导致供水水质、水量、水压的不稳定，水厂运行管理的日常巡检维护以及应急安全预案是保障供水安全性的重要一环。输配水系统中管网的老化腐蚀会导致饮用水污染，管网爆管、漏损问题严重影响供水的质量和效率，泵站布置的不合理使得供水出现低压区、死水区，会导致水质不达标、压力偏低，水质保障的缺失会引起管网水质污染、末端水质不达标问题，管网维护维修不到位使得运行安全不稳定。二次供水系统中设施建设不标准会导致水质污染、水压不稳，管理维护不到位会导致运行不安全、水质不达标，水箱的布置直接影响供水水质、水量、水压稳定性。

进一步分析这些风险因素可以发现， 城市供水系统常态下抗风险能力较差的原因在于系统设计无法满足新的用水需求以及系统管理能力较弱 。随着城市发展和运行时间推移，出现了严重且复杂的水源污染、用水量多且变化系数大的用户、日益提高的水质标准，原有的水处理工艺、输配水管网设计以及旧的供水设施已经无法保障供水安全。而更为严重的是原有的供水系统管理无法提供快速的响应和高效的修复能力，这使得城市供水系统更加脆弱。因此， 亟需有效的供水保障技术来提高城市供水系统常态下的抗性以应对这些风险 。

总结分析这些技术可以发现，优化生产运行的本质在于为供水系统设计冗余，保证在出现风险时，供水水量、水压、水质仍然可以满足要求，即提高系统吸收扰动的能力。 而提高管理能力的目标在于实现系统的协同管理，加快系统处理风险，并建立应对机制，提高的是系统恢复和适应能力。 因此，可以说城市供水系统常态下抗性的核心内容在于韧性范围和协同管理的设计和实现。

通过整理分析相关文献，表3中总结了应对不同突发事故所采用的主要技术方法及其实际效果。应对自然灾害的技术主要在于预防和准备阶段，一般的做法是进行风险识别和应急准备，在这一方面最受关注的是干旱下的水量保证和地震下的供水管网的稳定性。节水措施、废水回用以及联合调度策略可以有效地保证供水量以应对干旱。通过供水管网地震韧性评估，可以发现 在地震灾害发生时，供水管网需要极强的物理性能，才能够应对地震带来的高压和变形，主要影响管网抗震能力的物理属性包括管径、管材和接口类型等 。研究表明：管径小的管道更容易在地震中失效；而管道材料很大程度上影响管道抗高压能力，常用的材料中球墨铸铁管抗压能力较好，塑料管次之，混凝土管最差；接口类型中柔性接口明显强于刚性接口，在承接式接口发生局部拔出现象的柔性接口管道仍然可以保证连通性。对于事故灾害的应对更加关注响应和恢复，其目标是快速发现事故并通过高效的协同管理进行修复，供水系统面对的事故灾害主要是突发环境污染事故和供水设施破坏。应急净水技术是应对突发环境事故的有效技术，主要有粉末活性炭吸附技术、化学沉淀技术、化学氧化技术、强化消毒技术、曝气吹脱技术和藻类综合处理技术等，可以高效应对突发污染引起有机污染物、重金属、氮磷、致病微生物、藻类等超标问题，保证水厂出水水质达标、稳定。而供水设施破坏事故可以通过系统的全覆盖监测和智慧决策系统及时发现并修复。对于公共卫生事件的应对最为重要的是响应阶段，在应对重大传染病传播事故时，通过建立公共卫生智慧应急体系协同多方面全系统共同保障供水安全。因此， 城市供水系统突发事故下韧性提高的关键在于通过确定韧性范围和系统协同管理实现高效的应急管理。

图1 某城市供水系统安全保障与韧性化建设

通过智慧水务的建设模拟了城市某分区1 d的供水运行情况，分区开放管道流量变化以及该分区的压力监测点监测数据如图2所示。 可以发现该分区的流量变化较大，日间用水量大，最大流入流量可达到28 L/s，而夜间用水量非常小，甚至发生倒流的情况。 监测点压力显示其最小压力水头超过15 m，而标准规定管网末梢水压不小于0.14 MPa，完全满足供水要求。 因此，城市供水系统常态下的抗性有充分的保障。

图2 水力模拟下某分区开放管道流量及其相应监测点压力变化

在应对突发事故方面，水库水厂均建立了完备的应急预案，并设立了应急抢修中心负责供水管网事故灾害以及供水管网需开挖性的应急抢修工作。 通过智慧水务系统实现平台一张图及时发现供水问题 ，实现平台及时发布通水、抢修通知，并实现维修维护现场全程跟进，第一时间获取现场进度。因此，城市公司系统突发事故下可以 快速响应高效修复，有较强的韧性 。

该城市采用的韧性提高技术普适性强，可以适用于大部分的供水系统，同时，对于供水风险有很强的抵御能力。另外，智慧水务建设逐渐普及，通过韧性设计和智慧水务来加强供水韧性具有相当高的可行性和代表性。 韧性设计可以有效地为系统设置运行弹性，提高系统水质、水量韧性，保证供水质量 ，而 智慧水务建设可以极大程度地协同各供水相关单位，提高系统的应急管理能力。