城乡一体化供水是在城乡区域范围内, 将供水由城市延伸至乡镇, 形成城镇乡村互联的供水模式。城乡一体化供水消除了传统城市供水系统与乡镇供水之间的差别, 使整个区域内享受相同的供水服务, 有利于促进城乡社会经济可持续协调发展^[1]。

城乡一体化供水建设往往需要很大的初始资金投入, 具有协调原有小型水厂的归属权变更、从业人员从新安置等问题, 通常应由当地政府作为主导, 从改善民生和促进当地经济发展为出发点, 提出相应政策, 完善规划方案, 逐步推进, 充分保证城镇和农村居民享受同等用水服务待遇。例如《江苏省城乡供水条例》中规定:“城乡供水应当推进农村与城市同水源、同管网、同水质、同水价, 实现城乡一体化供水”^[2]。《福建省城乡供水条例》中规定:“鼓励有条件的城镇向周边农村延伸供水管网, 推动农村与城镇同水源、同管网、同水质”^[3]。江西省城乡一体化供水目标为:“让用户享受‘同质、同价、同网、同服务’的供水设施”^[4]。

城乡一体化供水通常是在城镇乡村的原有供水基础上改造而成, 建设可分为调整服务范围和运行规模、优化性能与长效管理3个阶段。

调整服务范围和运行规模阶段的建设内容通常包括:①关停一些原水水质较差或制水工艺落后的乡镇水厂, 通常将其改造为中途加压泵站, 解决因供水管道较长、沿程水头损失较大, 致使管网供水压力不足的问题;在泵站的集水井或清水池进水管上二次加氯, 起到保证下游供水水质目的;②扩大主要水源取水和输水设施规模;③新建或扩建水厂, 扩大供水规模并提高供水水质;④合理布置相邻供水片区间的联络干管和增压站。

供水规模扩大后, 为保证用户需求, 水厂、泵站、管网等设施将根据实际情况有一段适应期, 需要对制水工艺、泵站和管网设施的性能进行优化。该阶段的主要内容包括:根据管网末梢水应满足饮用水质标准的要求, 优化水厂工艺;根据用户水量和水压要求, 优化泵站性能和调度方法;根据水量漏损控制要求, 需进行管网合理分区、改造管网、加强水表计量等。

最后将落实城乡一体化供水长效管理机制, 包括供水系统资料的实时调查和更新;供水系统运行的实时调度;制定严格的管理措施, 强化卫生监督, 水质检测;培训相关技术人员等。

城乡一体化供水可以解决城乡水资源不平衡问题。一个县内或市内在空间上存在水资源分配不均情况, 往往山区水资源丰富而人口稀少, 平原地区人口较密集但可用优质水资源较少。同时也存在季节性水资源分配不均问题, 通常在雨季水资源量较高, 旱季水资源量较低。水资源的时空分配不均不利于小范围内的水量调节和调度。此外, 农村多采用地下水为水源, 随着工农业生产需水量的增长, 地下水位明显下降, 原有水源井出水量大幅减少甚至干枯, 造成一些区域因水源保证率不高而饮水困难^[5,6]。

于是, 城乡一体化供水可以通过大型给水工程设施, 合理调配水资源, 增加地下水涵养, 满足居民用水需求。

实施城乡一体化供水, 以优质水取代河塘井水, 以现代化水厂取代简陋的小水厂, 从定时供水到一天24 h连续供水, 将显著改善村镇居民的生活质量, 保障了群众的身体健康。例如, 江苏省常熟市在实施城乡一体化供水之前的五年中, 每10万人中肠道传染病的平均发病人数为162人;实施城乡一体化供水后的5年中, 每10万人中肠道传染病的平均发病人数为27人, 下降了近84%^[7]。

城乡一体化供水系统常形成由多水源、多水厂面向同一区域管网供水的布局, 城镇之间、村镇之间联网形成环形输水网络, 城镇乡村内部管网同样形成环形配水网络。当有一条供水路径出现故障时, 可通过另外路径供水到用户, 提高了供水可靠性^[8]。

城乡一体化供水实施前, 通常要面临乡镇水厂数量众多、分散经营、规模小、设备简陋、管理水平、技术力量薄弱等问题。当水厂规模较小, 尤其在2万m³/d以下时, 单位工程造价指标会迅速增加。城乡一体化供水实施后, 通过关闭小型水厂、建设 (扩建) 大型水厂, 处理设施大型化集中化, 可以发挥规模效益。通常小范围供水时, 水量波动较大, 而在大范围供水下, 由于用户较多, 各种用水模式的高峰和低峰减缓, 使水厂处理水量变化幅度较小, 有助于运行管理。此外大型水厂在规范化管理情况下, 也使出水水质更为稳定^[9]。

宜兴市位于江苏省南部, 太湖西岸, 地势南高北低, 南部为丘陵山区, 北部为平原区。2008年以前, 全市有20余座乡镇水厂, 这些水厂规模小, 制水工艺落后, 大部分原水水质较差, 出厂水质得不到保障, 且管网质量差, 漏损高, 因此群众要求喝上合格自来水的呼声较高。从2009年开始, 按照宜兴市委市政府“统一规划、统一运行、统一建设、统一监管、统一服务”的要求, 由宜兴水务集团逐步收购乡镇水厂, 实施“同城、同网、同质、同价、同服务”的城乡一体化供水。到2015年完成了全市的所有水厂收购整合任务。目前全市有3座中心水厂 (氿滨水厂、大贤岭水厂和湖父水厂) , 制水设计总规模37万m³/d, 供水主干输水环网DN300以上管道总长330 km (不包括乡镇内部配水管网) 。城乡一体化供水环网见图1。

参照城乡一体化供水建设的调整服务范围和运行规模、优化性能与长效管理3个阶段的划分, 目前宜兴市已进入优化性能的攻坚阶段。该阶段中的首要任务是降低管网中加压站的能耗。宜兴市城乡一体化供水区域内共有13座中途加压站, 其中6座是利用乡镇水厂原有构筑物改造而成。考虑到各乡镇用水量变化, 以及原有加压站设计规模、水泵选型与当前需求不适应问题, 于2016～2017年对一些泵站采取了优化调度和技术改造措施, 取得降低泵站能耗的效果。在充分调查现状基础上, 3种典型泵站改造情况如下。

2005年建造的万石加压站, 安装有3台单级单吸卧式离心泵 (2用1备) , 单泵参数Q=100 m³/h, H=50 m, n=2 960 r/min, N=22 kW;城乡一体化供水模式改造之前, 一直处于停用状态, 该加压站服务区域由和桥加压站直接供水。近几年万石镇用水量逐渐增加, 需启用加压站。2016年加压站经设备维修保养后投入使用, 发现实际工作扬程只需30 m, 原水泵出水流量120 m³/h, 长期处于低效运行。2017年6月更换成3台新水泵 (2用1备) , 单泵参数Q=160 m³/h, H=32 m, n=1 450 r/min, N=22 kW。在增加供水流量情况下, 水泵运行功率不变, 节约电耗33.3%[ (22/120-22/160) / (22/120) ]。

都山加压站设有2台单级双吸离心泵 (1用1备) , 单台水泵额定功率N=30 kW。原来工作状态为全天24 h内运转。在城乡一体化供水后, 经压力数据分析, 认为在23:00～次日4:00这5 h内可关闭水泵, 由管网直接供水至当地配水管网。从2017年5月起调整了这种运行方式, 于是每天可节约泵站能耗约30 kW×5 h=150 kW·h, 占原来能耗的5/24=20.8%。

屺亭加压站原来一天中18 h由功率45 kW的单级双吸离心泵从清水池抽水加压后, 向当地配水管网供水;另外6 h自流。经分析计算后, 在站内进水管上安装功率为30 kW的立式管道泵直接增压供水, 全天仍采用18 h加压, 其他时段自流, 运行后并不影响主干管网向其他地区的正常供水。改造后可节约能耗 (45-30) kW×18 h=270 kW·h, 占原来能耗的 (45-30) /45=33.3%。屺亭增压站改造后现场见图2。

下一步重点任务将加大力度推进供水管网漏损控制工作, 即建立健全漏损管理制度。对压力控制管理、漏损分析、管道检漏、计量管理等方面进行分析;强化管网巡查力度, 提高漏点修复效率, 确保爆管抢修及时率, 拓展阀门设施巡查, 强化日常停水等日常管理;加快老旧管网等基础改造;加强管道设备和二次供水等设施的维护与保养, 确保供水管网处于良好的工作状态等。

城乡一体化供水是社会发展到一定程度的重要供水模式, 建设中可分为调整服务范围和运行规模、优化性能与长效管理三个阶段。它的实施有助于合理利用水资源、解决村镇居民饮用水安全问题、提高供水可靠性和充分发挥大型水厂的运行管理能力等。

任何一种供水模式都是与政治、经济、社会和环境分不开的, 城乡一体化供水作为一种模式, 也具有一定的限制条件。例如在地域广阔、人烟稀少、地形复杂、地质条件较差地区, 或者当地具有充沛优质水源时, 不需要采用远距离输水的一体化供水模式。其次, 城乡一体化供水工程设施规模较大, 如果资金不到位, 将造成运行管理困难, 一旦系统运行管理不当, 则正常供水将受到严重影响。