在我国经济高速发展的40年间,城市人口急剧增加,用水需求持续增长。随着城市规模的扩大和功能的不断集聚,城市供水系统越来越复杂多样。水资源短缺、水质污染加剧、突发事件频出使供需矛盾日趋加剧,尤其是沿海城市近年连续遭受咸潮上溯、台风、洪涝及其次生灾害,城市供水系统的脆弱性更加突显。目前,我国已进入高质量发展阶段,作为市政基础设施之一的城市供水系统,必须与城市发展相适应,因此,需要对城市供水系统进行风险评估。根据评估结果针对性地制定应对措施,建立一个安全、高效、有一定韧性的供水系统^[1],以适应城市高质量发展,满足城市对用水量及用水品质的需求,就变得愈加迫切。

城市供水系统由水源取水、输水、水厂、调节及增压构筑物、城市供水管网组成。城市供水系统的安全供水目标是 “水量足、水质优、水压稳”,同时又具有一定适应灾害的能力即韧性。城市供水系统的风险来自于各子系统的不同生产环节,可分为原水子系统风险、水厂子系统风险、输配水子系统风险、二次供水子系统风险等4个环节,城市供水系统风险评估是通过风险源识别、风险特征分析,进而评价风险等级的过程。

根据城市供水系统的特点以及实际运行、管理状况,通过比较国内外供水行业风险评估方法,确定以风险矩阵法,建立定性与定量评价相结合的城市供水系统风险评估体系^[2],该体系分为3个步骤,首先对各子系统风险因素进行单因子分析,初步获得单因子风险值;再引入不同风险值范围的权重系数,获得子系统的风险值;最后衡量各子系统在供水系统中的相对重要程度,确定子系统权重,经综合评价得出城市供水系统风险级别^[3]。

调查研究供水系统发生过的事故影响范围及严重程度,辨析隐患及可能性,获得风险清单^[4],综合考虑风险概率和风险严重性两方面的因素,评判单因子风险等级,即风险值K=风险概率(K₁)×风险严重性(K₂)。风险事件按照可能性由小到大排序,赋值为K₁=(1～5),按照严重程度由低到高排序,赋值也为K₂=(1～5)。风险等级的划分主要根据同行业专家和运行管理人员经验确定,风险等级的划分标准见表1。风险类型分为预防型和反应型,若风险值(16～25)Ⅳ级风险,则应不惜成本避免风险发生;若风险值(11～15)Ⅲ级风险,则合理安排资金避免风险发生;若风险值(6～10)Ⅱ级风险,则应按照合理步骤避免其发生或尽可能减低发生后造成的影响,上述3类均为预防型,若风险值(1～5)Ⅰ级风险,影响较小,发生后再采取措施,为反应型。

按照风险因素风险值的范围,引入权重系数j,将各子系统的风险因素做加权处理,则子系统风险值=∑(风险值×权重j)/∑权重。权重系数见表2。

供水系统的风险通过子系统的风险值和子系统的权重值来评价,即供水系统风险值=∑(子系统风险值×子系统权重值),其中子系统的权重值指各子系统在整体供水系统中的相对重要程度,可以综合衡量各子系统对于供水系统的风险比重。为了较为客观地获得权重值,项目组编制了调查问卷,邀请珠三角各地行业专家5人以及市内水司运行管理专家6人,共11人,进行问卷调查及座谈,评判各子系统权重值为:原水子系统45%,水厂子系统35%,输配水子系统15%,二次供水子系统5%。

沿海某城市地处珠江口西岸,城市供水系统承担本市约189万人生活用水及工业用水,同时还承担对澳门原水供应。该城市利用西江客水资源作为城市供水水源,总量满足本市及澳门用水需求,丰水期主要取水口水质达标,但枯水期咸潮上溯,导致境内河道出现不同程度的咸度超标,属季节型缺水城市。目前已建成调咸水库13座,总库容约1.15亿m³;市内现有主力水厂9座,总供水能力 143万m³/d,主要采用常规处理工艺,出厂水质水量基本满足全市生产生活需要;全市管径DN200以上的供水管网总长1 289 km。管材有钢筋混凝土管、铸铁管及钢管等,其中管径小于DN600的以灰口铸铁管和球墨铸铁管为主,管径大于DN600的以钢筋混凝土管及钢管为主,管网漏损率15.5%。

以西江水系的客水资源作为本市及澳门供水水源,已建成磨刀门水系、黄杨河水系、虎跳门水系三大原水系统,形成“江水为主、库水为辅、江库联动、江水补库、库水调咸”的运行管理模式,建立了取水泵站-给水厂、取水泵站-调咸水库、调咸水库-给水厂的城市原水管道系统,以及取水泵站-调咸水库-澳门给水厂的对澳原水管道系统,已形成590万 m³/d的取水能力和9 405万m³的调蓄库容,保障了该市及澳门两地供水。然而该系统仍然存在调咸设施不匹配、各水厂调蓄库容不均衡,以及受西江水资源调配制约、水质污染突发的应急等问题。

全市主城区和西部城区共有9座主力水厂,其中主城区3座,西部城区6座。主城区的拱北水厂长期超负荷运行,水量已不能满足供水需求,急需扩容。西部城区大型主力水厂均布局在北部,而用水增长点在南部,管线输水距离长达45 km,能耗高且存在安全隐患。市内水厂主要为常规处理工艺,出厂水质合格,但部分水厂工艺陈旧、设备老化,未配备二氧化氯、高锰酸钾-粉末活性炭联用等应急投加设备,应对水质变化能力差。部分水厂在运行管理方面也存在一定风险,如滤池的在线监测、氯库管理、生产废水回收利用等。全市9座主力水厂中,仅有2座为多路进水,其他均为单一进厂管,抗风险能力不足。

全市已形成较为可靠的环状供水管网,保障城市供水,但部分水厂之间尚未连通,互为保障能力不足,出厂管单一,抗风险能力不足。整体系统缺乏高位水池、加压泵站等辅助调节设施,管网末梢和地势较高用户水压偏低。部分管段存在供水瓶颈,管材质量参差不齐,管网漏损率偏高。全市供水系统流量、压力监测点尚未全覆盖,运行维护信息化程度有待提高。

采用市政管网直供、屋顶水箱供水(无增压泵)、变频泵供水、叠压(无负压)供水等多种形式二次供水。由于二次供水建管分离,建设标准、管材及设备质量不统一,用户水存在水压不稳、杂质沉淀、爆管频发,以及老旧小区水池水质污染等问题。

通过分析城市供水系统中各子系统存在的问题,针对供水系统的源头到管网末梢,重点分析水源因素、设施能力、工艺适应性、运行可靠性、维护管理等方面的风险点,共筛选出26项风险源,编制风险评价表,邀请供水行业专家11名,分项评估打分,进行单因子分析及子系统风险评价(见表3)。

根据各子系统的风险评价结果,综合子系统在供水系统风险中的权重,供水系统风险等级见表4。供水系统总体风险等级为Ⅲ级,需要警惕。各子系统中,原水、水厂和输配水系统中部分风险等级已达到Ⅳ级,应尽快投入财力和物力来阻止其发生。主要风险因素见表5。

在粤港澳大湾区协同发展的背景下,积极推动“水源上移、互联互通、西水东调、互补互备”的珠中江供水一体化战略,以西江水源为核心,将三市主要取水口上移,实现中山、珠海两地水源的优化调配和江库联调,解决咸潮及局部水污染问题,利用江门优质水库资源作为珠海、澳门直供水,并承担部分应急备用水源。

市内建设白泥坑和飞沙涧水库,与龙井、缯坑和乾务水库联通,加高龙井、乾务水库坝高,增加西区水库群的调蓄库容,中部联通梅溪水库和大镜山水库,扩建广昌调节水塘、洪湾泵站调蓄前池,增强中部调蓄能力,扩建相应的原水泵站,增大取水及咸潮期抢淡能力。

使全市九大主力水厂的各输送环节,如原水取水到水厂、原水取水到转输泵站、转输泵站到水厂,均形成双管进站、进厂,提高原水供应保障率。

(1)加快中部地区梅溪水厂建设,解决拱北水厂长期超负荷运行的局面,西部地区通过水厂布局优化,增加西湖水厂,解决西部地区长期以来由北向南长距离供水的风险。

(2)增强水厂关联度,建设拱北水厂、香洲水厂与唐家水厂的连通管,增强中部地区南北两区域应急供水能力。

(3)升级改造水厂工艺,加强应对水质变化能力。随着原水水质的情况越来越复杂,加强对藻类、臭味、突发污染等特殊水质的应急处理能力,通过工艺升级改造及配备二氧化氯、高锰酸钾-粉末活性炭联用、气浮-粉末活性炭联用等应急投加设备等,适应水质变化,提高水质保障能力。

(4)增强电力系统故障风险的抵御能力,进行供水系统备用发电系统改造,完成自备电源快速接入装置及配套电缆等设施改造。

(1)增建出厂管,保证各主力水厂不少于2条出厂管,降低风险,保障供水安全;改建、扩建管网中部分管径偏小的供水瓶颈,保障供水能力。

(2)规范输配水管道管材选用以及内外防腐措施,减少漏损、爆管及次生灾害,针对目前严重老化的钢筋混凝土管、灰口铸铁管、镀锌钢管等逐步更换,并加大管网的维护管养力度。

(3)充分利用城市地形特点,利用地势在全市范围内建设10座高位水池,调节高峰用水,减轻水厂清水池的压力,同时也承担应急备用水源之需。

(4)加强管网信息化建设,完善管网GIS系统,实现SCADA系统流量、压力在线监测全覆盖,同时建立管网水质监测系统。

(1)实现二次供水设施统建统管,对新建住宅小区,交由市水控集团统建统管,建设资金由开发商承担。统一建设标准,制定二次供水设施设计标准和设备选型指南,完善二次供水设施施工图审查流程,实行二次供水单项验收,以加强二次供水设施质量监管。

(2)加强二次供水的水质监管,建立和完善设施和水质远程监控系统,按照市政管网的供水布局、住宅小区的分布,结合市政管网的水质监控及对二次供水水质污染用户反映较多或比较敏感的区域进行重点监控,确保二次供水水质安全。

城市供水系统风险来自于子系统的各个环节。通过分析城市供水系统面临的新问题,确立供水安全目标和准则,筛查与辨析风险源,并采用矩阵分析法进行定性定量综合评价,从而得出城市供水系统风险等级。评价结果显示,沿海某城市供水系统风险等级为Ⅲ级,需要警惕,尤其是该城市受咸潮、台风及洪涝等自然因素影响,又承担对澳原水供应,因此应根据上述对策,按风险等级逐步安排资金开展相应工程建设,以降低风险。本次评估建立的风险评估体系,具有较强的可操作性与实用性,可为该城市供水系统的规划、改造、更新,以及工程建设时序的决策提供技术支撑。