供水系统安全保障与韧性城市建设
导 读：城市发展的日益扩大为城市供水系统带来了新的需求和风险，为应对这些问题，供水系统应当具备较强的韧性以确保供水安全。
文中从城市供水系统常态下的抗性以及突发事故下的韧性两方面论述了目前研究的供水安全保障韧性化建设技术。并通过分析某城市供水安全保障建设实例，提出城市供水系统安全保障与韧性建设的重点在于供水韧性范围的确定和提升，以及供水系统高效协同管理的实现。
【关键词】智慧水务 分区压力控制 低负荷处理设计 多水源供水
一、城市供水系统常态下的抗性
1城市供水系统运行普通风险
城市供水系统运行普通风险指的是供水系统运行过程中普遍存在的，几乎无法避免的一些影响系统正常运行的因素。参考一些供水系统风险评估的文献，本文总结了供水系统各子系统最为常见、危害最大的普通风险因素，其主要风险因素和危害如表1所示。
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。
2城市供水系统抗性提升技术
城市供水系统运行普通风险产生的2个根本原因：供水系统设计不合理以及管理能力差。通过总结供水系统安全保障技术研究文献，表2中列举了一些印证有效的城市供水系统抗性提高技术。
城市供水系统抗性提高技术主要在提高水量韧性、水质韧性以及提升运行管理能力。水量韧性的提高主要通过输配水系统中的管网压力控制和二次供水系统中的设施安装改造等技术保障最不利点水量要求，其重点在于二次加压设备和调蓄水量的设置，目前，最常用的方法是叠压供水设备、低位贮水池供水以及高位水箱供水。具体调蓄水量大小应根据调蓄方法分别讨论：使用叠压供水设备时，优化设备运行即可以满足用水量的变化，而存在中转水箱时，中转水箱容量不小于服务区域最大时用水量的50%；使用低位贮水池时，水池调蓄水量不小于服务区域日供水量的8%～12%；使用高位水箱调蓄时，水箱调蓄水量不小于最高日用水量的5%，为充分保障水量韧性，供水系统调蓄水量应当大于供水系统的最高时用水量。而水质韧性的提高重点是原水水质的保障、制水水质安全余量的设计和管网水质稳定性的保证。原水水质安全需要通过多水源供水保障其稳定性，而由于二次污染问题的存在，水处理工艺需要提标优化使得出厂水质设计高于安全标准以保证管网末端水质达标。在输配水过程中管网更新、供水设施改造以及中途补氯等方法，可以减少致病微生物孳生、提高末端余氯、降低消毒副产物生成潜能，保证管网水质的生物稳定性和化学稳定性。运行管理能力的提高主要通过全系统监测和日常管理的强化来实现。全系统监测需要覆盖水源水质、水处理设施设备、制水全流程水质、泵站、管网水量水压水质、二次供水设备等方面，全面实时采集水量、水压、水质、设备运行参数、设施视频图片等数据，及时发现运行事故。日常管理的强化同样要涉及到供水系统运行的各个方面，水质检测应有检测制度和检测人员，进一步增加检测项目、提高检测频率、加强检测能力可以有效保证系统水质管理能力。水处理设施设备应有检查、清洗、检修制度和巡检人员，提高检修频率、完善修复流程、提升清洗效果可以有效保证运行安全。二次供水设施设备应有检查、清洗制度和维护人员，雇佣专业的清洗团体、提高检查频率和水平可以有效保证供水质量。管理企业应有调度部门，制定科学的调度策略和方法，合理组织和协调供水系统各组成部分之间的运行管理。
表2 城市供水系统抗性提高技术及其实际效果
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。
二、城市供水系统突发事故下的韧性
1城市供水系统运行突发事故
城市供水系统运行突发事故指的是突发公共事故，针对供水系统的主要是自然灾害、事故灾害、公共卫生事件和社会安全事件。其中，自然灾害主要有地震、干旱、台风、暴雨等，事故灾害是指供水设施设备事故、环境污染和生态破坏、供水企业的各类事故，公共卫生事件是指严重影响公众健康和生命安全的事件，社会安全事件是对社会秩序造成影响的群体性事件。城市供水系统安全保障主要遇到是前3种。
2城市供水系统韧性提升技术
应对突发事故采用的供水安全保障技术主要为应急管理，供水系统应急管理是指利用收集到的信息实现具备实时性、动态性、多维性和集成性的供水系统高效协同管理。应急管理包括预防、准备、响应和恢复这4个阶段。预防阶段是对灾害风险的识别和降低，准备阶段是对灾害的预警和全面准备，响应是灾害发生时的应急指挥和应对，而恢复主要是灾后的重建工作。这4个阶段虽然目标不同，但它们的本质是对于突发事故的吸收、恢复和适应。
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。
表3 城市供水系统韧性提高技术及其实际效果
三、城市供水管系统安全保障韧性建设分析
1某城市供水系统安全保障实例
南方某城市为保证供水安全、可靠，供水水量充裕，进行全面的供水系统安全保障建设。城市总供水能力为25万m3/d，原水主要为水库水，共有4个水厂生产供水。其供水系统韧性建设的主要技术方法如图1所示，分为供水韧性设计以及智慧水务建设两方面。在供水韧性设计方面：供水原水不仅仅依靠单一水库供给，在水库水受到污染或水量不足时，水厂可以从附近城市的水库取水或者利用取水泵站就近取水，实现多水源供水，同时，水库会对原水进行预氧化、预消毒处理，保证原水水质稳定；水厂设计了2条平行工艺运行，保证运行稳定，并考虑低负荷处理设计，使得出水水质高于设定的一级A标准，同时，设定应急预案应对运行过程发生的设备运行事故、水质污染事故、管网爆管事故、生产调度运行等情况，实现应急事故的响应和恢复；配水管网进行了分区压力控制，有效降低了漏损，管网上出现的运行事故会通过自来水公司的处理流程进行修复处理。在供水用户方面，自来水公司会进行供水设备的定期维护检修，并设立应急事故水池保证应急用水。且在供水韧性设计基础上进行了智慧水务建设，其主要内容是对整个供水系统水质、水量、水压变化进行了全面监测，在水厂和二次供水建立了智能控制系统以及构建配水管网水力模型与水质模型预测供水运行。
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。
2城市供水系统安全保障韧性建设核心内容
综合分析城市供水系统韧性提高技术以及建设实例可知，韧性建设的核心内容在于韧性范围的确定和提升以及高效协同管理的实现。韧性范围的确定和提升是指通过风险识别来指导系统运行的冗余设计，保证供水系统的高弹性工作，例如通过预测水质、水量、水压在供水系统中的变化来调整供水系统调蓄水量和水厂出水水质安全余量，通过对自然灾害下供水系统韧性进行评估进行应急准备的调整和优化。韧性范围的确定使得供水系统在面对风险时仍然可以正常运行并保证供水质量。高效协同管理的实现指的是供水管理需要通过制度、平台的建立联合各个供水子系统以及管理单位的政府、企业甚至是社会组织共同应对突发事故，并且利用信息化、智能化的决策支持全面提高响应、恢复能力。供水系统韧性范围的确定和扩大以及高效协同管理的实现可以使得系统具备极强的韧性以实现扰动的吸收、恢复以及适应。
结束语
城市供水系统安全保障韧性建设对于城市发展以及人民健康都非常重要，韧性建设的研究与应用是供水系统安全保障重要方向。供水系统韧性应同时具备常态下的抗性以及突发事故下的韧性。总结分析韧性提升的技术方法特点，韧性建设的核心内容在于韧性范围的确定设计以及协同管理的实现。
