城市应急供水工程设计的技术评估与标准化体系
应急供水是当城市发生突发事件时，现有给水系统无法满足城市正常用水需求，需要通过启用应急供水设施保障城市应急状况下用水需求的供水方式。
2004年—2010年，国内频频发生因突发水源污染影响城市供水的事件，严重影响了正常的社会生产与生活秩序。因此，2008年—2015年，国家“水体污染控制与治理”科技重大专项饮用水主题中开展了多项与应急供水技术相关的研究课题，形成了水厂应急净化技术等多项关键技术，开发了饮用水应急处理导试水厂和移动式应急处理药剂投加系统，并在城市供水系统应对多起突发性水源污染事故中得到广泛应用，取得了较好的效果；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、华东等8个区域建立国家供水应急救援中心，各配备1套应急供水规模为480 m³/d的应急供水装备，可满足灾区12万人的基本饮水需求，提高了国家应急供水救援水平，华中基地也于2020年7月圆满完成了湖北省恩施城区应急供水保障行动。然而，目前国内缺乏指导性、系统性的应急供水工程设计标准体系。
基于此背景，本文首先通过分析国内应急供水技术方面的研究和工程项目应用概况，梳理出包括应急水源设计技术和应急处理设计技术等关键技术在内的城市应急供水工程设计技术。在此基础上，结合建设和运行成本、副作用和风险、适用范围和关键设计参数、创新点和创新程度、先进程度和规范性文件、效益和可推广性，对技术的成熟性、先进性、应用效果和工艺设计参数进行评估，建立起关键技术的特性、质量和价值指标的三级评估指标体系，实现创新技术成果的标准化，构建城市应急供水工程设计标准体系。
1 应急供水技术应用现状
应急供水涵盖了供水系统从水源到水处理工艺、配水系统最终到饮用水的全过程，旨在通过建设和启用应急供水设施，有效应对突发性水源、水厂及管网问题，提高城市在应急状况下的供水安全保障能力，增强城市供水韧性。经过调研和梳理水专项关键技术、应急处理案例、应急供水工程应用、标准化文件和文献资料等，凝练形成城市应急供水工程设计技术，包括应急水源设计技术、应急处理设计技术和其他应急工程设计技术。
1.1 应急水源设计技术
2015年之前，应急水源和备用水源的定义较为模糊，一般统称为“应急备用水源”。2015年4月2日，国务院发布《水污染防治行动计划》，规定“单一水源供水的地级及以上城市应于2020年底前基本完成备用水源或应急水源建设”，此后“十三五”期间的应急水源工程案例在全国范围内逐步增多。在2016年8月发布的《城市给水工程规划规范》(GB 50282—2016)以及2018年12月发布的《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)中明确了应急水源的定义。基于应急水源的定位，统计国内已建的应急水源工程规模、建设内容、总投资等情况如表1所示。
表1 应急水源工程项目统计
应急水源设计技术成熟性较高，部分内容已纳入标准化文件，实际应用案例较多，可推广性较强，通过应急水源的及时启用进行水源快速切换，保证水厂的原水供应，适用于应对突发性水源问题。
1.2 应急处理设计技术
2006年以前，人们对自然灾害或人为事件可能导致水体突发污染进而产生供水危机的意识薄弱，对供水安全的认识不到位。“十一五”水专项实施前，水厂没有应急处理设施和有效的应急处理技术，在水源地发生污染事件时，现场开展试验确定应急处理参数，临时进行工艺改造，通过应急处理使水质达标后再恢复供水，往往造成停水的重大事故。
在“十一五”“十二五”水专项课题中，通过“自来水厂应急净化处理技术及工艺体系研究与示范(2008ZX07420-005)”的实施，对饮用水相关标准所涉及的全部100多项污染物逐项确定应急处理的技术、工艺参数和最大应对污染物超标倍数，首次建立了由6类关键技术组成的应对水源突发污染的城市供水应急处理技术体系，达到了国际先进水平，技术完备和规模化生产情况良好，研究成果已纳入《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)中，并在城市供水系统应对多起突发性水源污染事故中得到了广泛应用，取得了较好的效果。统计国内已建的应急处理工程建设地点、建设年份、设计规模、投加点和应急药剂如表2所示。
表2 应急处理工程项目统计
应急处理设计技术成熟性高，已经实现标准化，实际应用案例较多，社会效益明显，可推广性强。通过在水源或水厂投加应急处理药剂进行应急净水，降低污染物浓度、提高污染物去除率，使水厂出水水质达标，适用于应对突发性水源水质问题。
1.3 其他应急工程设计技术
“十一五”“十二五”期间，苏州、无锡和宁波3个城市通过建设应急配水连通管道实现了多水源多水厂的清水调配，应急供水量可达日常供水量的55.60%～75.80%[3-4]，应急供水水质满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的要求，切实保障了事故状态下的应急水量及水质，总体供水安全性较高。
通过调研国内外应急供水系统的案例，梳理出为了满足地震、极端气候、海啸、超级台风等自然灾害情况下供水需求的应急供水站和应急储水设施，通过储备的清水保证城市供水系统修复前应急状态下的居民生存用水，最大应急供水时间可达28 d。
将以上几项技术合并归纳为其他应急工程设计技术，包括应急配水连通管道设计技术、清水储备与应急救援设计技术等，整体成熟性一般，应用案例较少，可推广性一般。其中，应急配水连通管道设计是指通过多水厂供水区域间应急配水连通管道及配套设施进行清水调配，适用于应对多区域供水系统的突发性部分水厂水量或清水输水管道问题；清水储备与应急救援设计是指通过储备或制备的清水保证城市供水系统修复前应急状态下的居民生存用水。
2 技术评估指标体系
结合前文介绍的应急水源设计技术、应急处理设计技术及其他应急工程设计技术的发展和应用现状，参照《城镇供水工程设计技术评估指南》(T/CECA 20013—2021)确定的评估流程和评估方法，建立了一套合理且有效的评估指标体系评价技术的质量和价值，评价指标包括特性指标、质量指标和价值指标3类。
2.1 技术特性评价
一级指标包括经济效能、安全性和工艺设计参数，二级指标包括建设指标、运行成本指标、副作用和风险、关键设计参数，具体评价内容如表3所示。
表3 技术特性评价
（续表3）
2.2 技术质量评价
一级指标包括成熟性、创新性、先进性和规范性，二级指标包括就绪度、技术完备情况、创新目标、创新技术内容、创新点、创新程度、创新类型、先进程度、规范性文件，具体评价内容如表4所示。
表4 技术质量评价
2.3 技术价值评价
一级指标包括技术效益、社会效益、环境效益和可推广性，二级指标包括技术增量、受益人口数量和受益程度、水资源保护与利用的综合效益、技术应用适用性，具体评价内容如表5所示。
表5 技术价值评价
3 应急供水工程设计标准框架构建
通过上文介绍的技术指标评估体系，结合实际工程设计中的背景调研、风险分析、工程设计等步骤，建立设计标准框架，明确城市应急供水工程设计方案的组成和主要内容，提高城市应急供水设施设计和建设的标准化程度，推动城市应急供水能力建设。
其中，应急水源设计技术评估包括在突发状况下通过应急水源的快速启用能保证水厂的原水供应，用于应对突发性水源问题。应急水源工程设计标准和关键参数包括应急水源建设规模、水源类型及水质、系统构成、应急用水量指标和应急供水时间等；应急处理设计技术评估包括在突发状况下通过在水源或水厂投加应急处理药剂进行应急净水，降低污染物浓度、提高污染物去除率，使水厂出水水质达标，用于应对突发性水源水质问题。应急处理工程设计标准和关键参数包括应急净水技术选用、应急药剂种类、投加量、投加点、投加方式和储存量等。
3.1 总体思路
在梳理城市供水系统现状的基础上，分析可能存在的风险因素，针对性地提出应急工程设计方案，指导应急供水设施建设，保障城市在突发状况下的应急供水。
3.2 应急工程设计标准框架
构建的应急供水工程设计标准体系的构架、组成及主要内容如表6所示。
表6 体系框架及主要内容
3.3 案例介绍
通过建立的设计标准体系框架，选取大理应急供水工程作为应用案例，针对城市供水系统存在的风险，编制应急工程设计方案如下。
(1)供水系统现状：大理市辖下关、大理两个城区，喜洲、上关等9个镇及大理经济开发区，2025年规划人口约为100万人。城市生产、生活主要取用洱海水，境内有河流100余条，除西洱河外，其他主要溪河有25条，全部发源于大理盆地四周山麓并流入洱海。环洱海周边现有17座水厂，总规模为59.20万m³/d，各系统之间相互独立，基本没有实现联网。
(2)供水系统可能存在的风险分析：现阶段水源相对单一，一旦发生突发性水源污染事件，将面临无供水水源的问题，供水安全存在较大隐患；水厂数量多、规模小，沿洱海东西两侧分布，大多采用混凝沉淀、连续膜过滤制水工艺，原水水质出现恶化时，水厂产水量降低，出水水质也存在安全隐患；全市供水管网随着城市的发展逐步铺设延伸，已有管网布局凌乱、分散，水源也不尽相同，缺乏统一规划，老的管道已使用三十多年，多已腐蚀或严重结垢，管材选用及管径不合理，致使水压不合理、漏水损失多，供水普及率有限，甚至时有“爆管”发生，特别是至今仍在使用的混凝土管，管道漏损严重，供水安全性较差。
(3)应急供水工程设计方案：大理应急供水工程建设的主要工程内容有3部分，分别是各水厂的应急取水工程、应急净水工程、应急供水工程。应急取水部分主要是通过建设应急取水泵站、取水头部、应急取水调蓄池及输水管道等工程措施，为各水厂建立应急水源的取水、蓄水、输水系统。应急净水部分主要是通过增加前置粉末活性炭投加系统、前置粉末高锰酸钾投加系统，增强各水厂在洱海发生蓝藻暴发时的净水能力。应急供水部分主要是通过配水连通管网改造，增强片区调水能力；配备移动供水车，增加临时供水点；改造局部管网，增加供水量。以海西片区上关水厂及喜洲水厂为设计案例进行说明。
①应急水源：上关水厂(2.0万m³/d)离三库连通引水至洱海应急补水的补水口较近，选择“三库连通水源”作为应急水源，建设应急取水泵站(4.0 万m³/d，可同时供给上关水厂和喜洲水厂)及输水管道(DN700，8.2 km)，洱海水质恶化时，启动应急泵站，将“三库连通水源”输送至上关水厂。喜洲水厂(2.0万m³/d)离上关水厂洱海取水泵站输水管线较近，将喜洲水厂输水管线与上关水厂输水管线连通，可利用上关水厂的原水输水管获得“三库连通水源”作为应急水源。
②应急处理：上关水厂和喜洲水厂现状水源均为洱海水，上关水厂取水泵房已有粉末活性炭投加装置，新增一套高锰酸钾投加装置(投加量为0.65～13 kg/h)；喜洲水厂取水泵房新增一套高锰酸钾投加装置(投加量为0.65～13 kg/h)、一套粉末活性炭投加装置。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。
③应急调水：通过已连通的大凤路供水干管，可进行区域调水。
④典型事故下应急方案：当洱海发生藻类污染时，上关水厂和喜洲水厂启动应急处理系统；当污染程度超过应急处理系统处理能力时，启动应急水源，三库连通工程已通水的茈碧湖到洱海应急补水工程的补水量平均为17.6万m³/d，可满足上关水厂和喜洲水厂对急水源的要求。
(4)工程效果分析：在发生突发事件时，通过应急工程的建设实施可在一定程度上维持上关水厂、喜洲水厂、银桥水厂、新三水厂、新凤仪水厂等17座水厂的生产，基本满足大理古城、海西片区、下关城区、海东镇及海东中心城区应急供水要求。工程的社会效益十分显著，远大于其直接经济效益。
4 结论
本文综述了已有的应急供水技术应用现状，汇总了相应的技术评估指标体系，构建了应急供水工程设计标准框架。
城市应急供水工程设计标准体系根据城市现有供水系统特点及污染风险，因地制宜灵活选择应急水源、应急处理等应急技术的结合进行应急能力提升建设，辅以应急救援，可有效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。同时，依据建立的设计标准体系框架编制了大理应急供水工程设计方案，有效指导了大理市供水应急能力提升的建设。
城市供水系统应急工程设计技术涵盖了供水系统从水源到水厂至管网的整个全流程，就绪度高、应用广泛，具有显著的社会效益和实用价值。
