水源地供水風險辨識與綜合評估研究

李婷婷，聶俊坤，霍毅鵬，王一凡

(1.北京市城市規劃設計研究院；2.北京市城規技術服務中心，北京 100045)

水源地供水安全評估作為城鎮用水安全的重要保障舉措，針對水源地供水風險進行辨識對保護水源地安全，提升水源地綜合管理水平具有重要實踐價值。近年來，相關學者針對水源地安全問題展開了一系列有益研究，周曄等探究估測了水源地突發水污染公共安全事件應急預留水量需求[1]。王長普評估了海河流域大型水庫飲用水水源地水環境安全[2]。俞建軍等基于全過程安全評估體系評估了水庫型水源地安全[3]，上述研究對水源地安全評估具有重要指導意義，而水源地供水風險辨識與綜合評估相關研究尚需深入。水質與水量作為水源地供水安全的主要風險防控對象，綜合考慮工程運行、水資源量、水質以及水位要素，通過實施水源地供水安全風險辨識與定量評估，以期為水源地供水風險應急處置方案及應對策略制定提供技術支撐。

1 水源地供水安全綜合評估

為科學開發利用與保護水源地水資源，針對水源地供水水質、水量以及環境風險源實施綜合評估，有助于強化現狀問題監管并提升供水管理水平。

1.1 周邊環境風險源評估

針對水源地周邊潛在風險源實施調研，明確污染物排放具體情況，對削減水源地污染風險概率，強化風險源監管具有重要作用。

1.1.1 污水處理廠及工礦企業風險源

通過調研污水處理廠及工礦企業排污量及排污口布置，分析其處理有害、有毒物質形式，評估企業危險物品監管水平與措施，揭示其污染物質潛在泄漏量，從而明確該類風險源危害水平[4]。

1.1.2 養殖場及居民生活風險源

養殖場及居民生活污水排放是水源地污染的重要風險源，通過對養殖場與居民區排污量、主要污染因子以及排污口的調研，可以揭示其污染風險程度。

1.1.3 歷史風險源

針對水源地周邊歷史污染事件產生的原因及危害程度實施調研，有助于辨識水源地主要污染風險源，強化對水源地區域風險認知程度。

1.1.4 其他風險源

船舶與機動車運輸危險品泄露事故將嚴重威脅水源地供水安全，針對水源地周邊河流航道及交通公路運輸物品類型與運輸量實施調研，從而評估其泄露對水源地造成的危害水平[5]。同時，針對水源地周邊植被覆蓋以及土地開發利用情況進行調查，可明晰周邊生態環境安全狀況。

1.2 水質安全評估

遵循GB3838-2002《地表水環境質量標準》以及《全國城市飲用水水源地安全評估技術準則》，可依據水源地供水安全評估要素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等安全級別，將水源地待評估因子分為5組等級[6]。采用單因子安全水平與綜合安全水平評估的方式實施水源地供水安全評估，各因子安全水平按下式推算：

(1)

式中，Ai—i待評估因子水質安全水平；Aiok—i待評估因子k等級水質安全水平；Bi—i待評估因子實際濃度；Biok—i待評估因子k等級濃度標準；Biok+1—i待評估因子k+1等級濃度標準。其中，若i待評估因子僅有一個濃度標準Bio表，則當Bi=0時，Ai=1；當0

針對水源地有毒污染物質采取最差因子法實施安全綜合水平評估，采用最差安全評估因子作為有毒污染物質安全綜合水平；針對水源地一般污染物質采取各待評估因子算數平均值作為其安全綜合水平[7]。將上述2類污染物質安全指數綜合，可推算出水源地供水水質安全綜合水平：

MQA=0.7×MQA1+0.3×MQA2

(2)

式中，WQA—水源地供水水質安全綜合水平；WQA1—有毒污染物水質安全綜合水平；WQA2—一般污染物水質安全綜合水平，若WQA<3，則水源地供水水質較安全；若WQA≥3，則水源地供水水質較差。

1.3 水量安全評估

為滿足城鎮生活供水、農業灌溉以及航運等方面的取水需求，針對水源地水資源量、水位以及工程供水保障能力實施評估，可判斷水源地供水水量安全水平。

1.3.1 水資源量評估

通過推求水源地不同水平年95%保證率下可供水資源量，在水量供需平衡分析基礎上，揭示各時段水源地缺水率，從而評估水源地水量是否滿足各用戶取水需求[8]，缺水率按下式計算：

(3)

式中，W缺—特枯年缺水率，%；C缺—水源地供水缺口水量，m3；C需—用戶需水量，m3。

1.3.2 水位評估

為科學評估水源地水位狀況，應在尚未取水時對水源地年最低水位實施長序列頻率計算，求得設計供水保障率下的枯水位，從而得出供水后水源地水位下降水平，評估供水后水源地水位是否滿足漁業、航運以及生態環境對水位的需求[9]，水位按下式計算：

E=Ed-Eu≥max(Ez，En，Ef，…)

(4)

式中，E—供水后水源地水位；Ed—設計供水保障率下的枯水位；Eu—供水造成的水位下降值；Ez—漁業所需最低水位；En—航運所需最低水位；Ef—生態環境所需最低水位。

1.3.3 工程供水保障能力評估

將水源地供水工程對生活需水的保障能力作為評估因子，綜合設計與現狀生活供水能力，評估水源地供水保障水平按下式計算：

(5)

式中，H—工程供水保障能力，%；Lc—現狀生活供水量，m3；Ld—設計生活供水量，m3。其中，若H≥95%，則工程運行安全為Ⅰ級(安全)；若90%≤H<95%，則工程運行安全為Ⅱ級(較安全)；若80%≤H<90%，則工程運行安全為Ⅲ級(一般安全)；若70%≤H<80%，則工程運行安全為Ⅳ級(不安全)；若H<70%，則工程運行安全為Ⅴ級(極不安全)。

綜上所述，水源地供水水質、水量及工程供水保障能力安全因子中任何一項未達到標準，即可視為水源地供水存在安全隱患。

2 水源地供水風險辨識

水源地供水風險主要涵蓋水質與水量2種類型。水質型供水風險主要受周邊污染源或突發污染事件影響，集中體現為水源地水體污染。水量型供水風險主要受制于區域氣候條件或上游來水量，集中體現為水源地水位或供水保障能力的不足[10]。通過調研分析水源地供水安全現狀，基于各因子發生風險的概率辨識水源地主要風險源，從而綜合評估水源地供水風險水平。

2.1 水質型風險辨識

依據風險特征與性質的不同，水源地水質型供水風險可分為常規風險與突發污染事件兩種，同時采取不同風險辨識與分析方法。

2.1.1 常規供水風險

通過統計水質監測數據中水質不達標頻次占總次數比例，按下式推求常規供水風險概率值：

(6)

式中，P1—常規供水風險概率值，%；g—水質不達標頻次；G—水質總測次。

2.1.2 突發污染事件供水風險

(1)危險品運輸泄露事件。為客觀評估船舶或車輛運輸泄露事件發生概率，可綜合船舶噸位、通航能力、船舶燃料、車流量、公路等級以及運輸物品等因素，定性分析事件風險程度。此外，可通過事故樹等統計方法歸納歷史風險事件，定量推求風險概率[11]。當水源地周邊道路資料充足時，定量推求交通事故誘發泄露事件風險概率值：

(7)

式中，P2—危險品運輸泄露事件風險概率值，%；R1—水源地周邊年車流量，萬輛/a；R2—危險品運輸車輛占總車流量比例；R3—重點風險路段長度，km；R4—重點路段重大交通事故概率值，次/萬輛·km；R5—高速公路事故風險降低比例，%。

(2)流域水質污染事件。擔負防洪、發電以及排澇等功能的水源地，其水質通常易遭受流域水質污染事件威脅。應結合流域多年水質監測資料，辨識各不利情況下流域水質污染風險，同時推求水源地水質遭受污染概率值。

(3)工礦企業異常排污事件。應根據水源地周邊工礦企業排污口設置情況、危險品儲存量、廢污水處理水平，定性分析水源地污染風險概率值。

2.2 水量型風險辨識

水源地水量型供水風險可分為工程供水保障能力、水資源量以及水位不足3種[12]，應綜合水源地多年實測數據及現狀評估，推求供水保障能力不足、水資源量短缺以及水位不足風險概率值。

2.2.1 供水保障能力不足風險

P3=1-H

(8)

式中，P3—水源地供水保障能力不足風險概率值，%；H—工程供水保障能力，%。其中，當受水區因節水而使得用水量未達到設計值，則工程供水保障能力不足風險相應減小。

2.2.2 水資源量短缺風險

依據水源地供水及用戶需水情況，未滿足設計保證率即為存在水資源量短缺風險，基于式(3)推求水源地水資源量短缺風險概率值P4。

2.2.3 水位不足風險

通過統計檢測時段內水源地水位不足時段評估結果，推求水位不足風險概率值:

(9)

式中，P5—水源地水位不足風險概率值，%；t—水位不足時長，d；N—評估時長，d。

2.3 供水總風險辨識

水源地供水安全遭受多重相互獨立風險因素威脅，即水源地供水總風險概率值：

(10)

式中，P—水源地供水總風險概率值，%；n—供水事故風險次數；pi—各種事故風險概率值，%。按照水源地供水特性，依據總風險概率值可將水源地供水風險劃分為高(P>5%)、較高(3%

3 應用實例

3.1 研究區概況

以我國北方某水源地為例實施應用研究，研究區屬于溫帶半干旱氣候區，地處平原河網區域。該水源地屬于河流型水源地，河道多年平均水位約5.93m，河道底寬約為58m，水源地供水設計保證率為95%，河道主要承擔泄洪、排澇等功能，取水用戶主要以農業灌溉為主，用水高峰期為每年5～10月。同時，該水源地保護區域主要遭受農業、養殖業以及生活污染源威脅。

3.2 水源地供水安全綜合評估

3.2.1 水質安全評估

選取現狀水平年(2015年)，基于式(1)、式(2)推求有毒污染物及一般污染物水質安全綜合水平均小于3，且水源地供水水質安全綜合水平為2.63<3，則水源地供水水質較安全，水質較為良好。同時，分析水源地最不利來水情況下近5a(2010～2014年)各斷面水質可知，受2012年8月排澇因素影響，水體氨氮、溶解氧含量超標，導致水源地曾連續16d水質不達標。

3.2.2 水量安全評估

基于式(4)推求水源地在供水設計保證率下取水造成的水位平均降幅為3cm，個別時間段水位變幅達15cm，但大變幅水位歷時較短且對航運與生態影響較小，因此供水后水源地水位較為安全，可滿足漁業、航運以及生態環境對水位的需求。同時，因用戶現狀取水量小于設計保證率可供水資源量，即水源地水資源量可滿足各用戶取水需求，且工程運行安全為Ⅰ級，工程供水保障能力較強。

通過統計2015年現狀水平年水源地來水量，推求可供水資源量，同時統計用戶現狀水平年取用水量，推求受水區現狀水平年需水量，分析現狀水平年水量供需平衡(見表1)，以評估水源地供水水量安全水平。

表1 水源地2015、2020及2030年95%保證率下5～10月供需分析 萬m3

由表1可知，水源地現狀水平年在95%設計保證率下8月存在缺水情形，缺水率為1.36%。

3.3 水源地供水風險辨識

3.3.1 水質型風險辨識

該水源地整體水質情況較為良好，可滿足供水水質需求。其中，2012年8月受排澇因素影響，水源地水質相對較差，由式(6)、式(7)推求可得排澇造成供水水質不達標風險概率值為1.28%。同時，進入該水源地航道船舶以礦石、煤炭運輸為主，且對毒化學物品攜帶實施嚴格管控，因航道水流流態平緩，故水源地基本無危險品泄漏事件，但船舶燃油泄漏事件風險仍舊存在。水源地保護區域內有一條公路穿過，公路車流量較大且交管部門對車載物品無特殊管限，故該水源地交通事故誘發泄露事件風險仍舊存在，且因車載物品無特殊管限，則交通事故誘發泄露事件風險危害程度及性質難以辨識。此外，該水源地周邊無污水處理廠及工礦企業等，即危險品泄漏即工礦企業異常排污事件風險較小。

3.3.2 水量型風險辨識

由式(8)、式(9)計算可知，該水源地在2015年現狀水平年取水條件下水位可滿足供水需求，同時因設計保證率可供水量大于用戶現狀需水量，則現狀水平年下水源地水位不足風險及供水保障能力不足風險較小。同時，基于式(3)對水源地2020及2030年規劃水平年實施供需平衡分析，由表1可知，水源地2020、2030年水資源量短缺風險概率值分別為1.41%、1.43%(取較大者)，則水資源量短缺風險概率值為1.43%。

3.3.3 供水總風險辨識

水源地現狀水平年供水水質及水量整體較為安全，工程供水保障能力較強，但仍存在排澇污染、季節型缺水、交通事故誘發危險品泄露事件以及船舶燃油泄漏等風險。鑒于交通事故風險難以預測及燃油泄漏風險較小，則僅對該類風險實施定性分析。由上述計算可知，水源地設計枯水年水資源量短缺風險概率值為1.43%，同時水源地因排澇造成供水水質不達標風險概率值為1.28%。由式(10)可知，水源地供水總風險概率值位2.71%，屬于一般風險等別，即水源地供水安全程度一般，水源地供水存在一定安全隱患。

4 水源地供水風險應對策略

實例水源地供水風險主要為季節型缺水風險、排澇污染風險、交通事故誘發危險品泄露事件以及船舶燃油泄漏等風險。為科學管控水源地供水風險，管理部門應強化對溶解氧、氨氮等檢測力度，以及時辨識污染事故風險，制定應急響應對策并完善水源地周邊生態環境及水土保持治理工作。同時，可在用戶取水口、水源地保護區陸域及水域邊界、公路兩側設置隔油柵、警示牌以及護欄等設施，強化水源地保護區內車船流量及公路交通運輸物品管制，以有效防控風險事件發生。此外，可通過水源聯合調度及增設備用水源地等措施，削弱排澇污染誘發水源地供水風險概率值。同時，可通過鼓勵公眾參與水源地生態環境建設教育活動，從而提升居民水源地保護意識與社會監管水平。