城市應急供水工程設計的技術評估與標準化體系

鄒 磊

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

應急供水是當城市發生突發事件時，現有給水系統無法滿足城市正常用水需求，需要通過啟用應急供水設施保障城市應急狀況下用水需求的供水方式。

2004年—2010年，國內頻頻發生因突發水源污染影響城市供水的事件，嚴重影響了正常的社會生產與生活秩序[1]。因此，2008年—2015年，國家“水體污染控制與治理”科技重大專項飲用水主題中開展了多項與應急供水技術相關的研究課題，形成了水廠應急凈化技術等多項關鍵技術，開發了飲用水應急處理導試水廠和移動式應急處理藥劑投加系統，并在城市供水系統應對多起突發性水源污染事故中得到廣泛應用，取得了較好的效果；2016年，住房和城鄉建設部啟動實施“國家供水應急救援能力建設”項目，在我國華北、華東等8個區域建立國家供水應急救援中心，各配備1套應急供水規模為480 m3/d的應急供水裝備，可滿足災區12萬人的基本飲水需求，提高了國家應急供水救援水平，華中基地也于2020年7月圓滿完成了湖北省恩施城區應急供水保障行動。然而，目前國內缺乏指導性、系統性的應急供水工程設計標準體系。

基于此背景，本文首先通過分析國內應急供水技術方面的研究和工程項目應用概況，梳理出包括應急水源設計技術和應急處理設計技術等關鍵技術在內的城市應急供水工程設計技術。在此基礎上，結合建設和運行成本、副作用和風險、適用范圍和關鍵設計參數、創新點和創新程度、先進程度和規范性文件、效益和可推廣性，對技術的成熟性、先進性、應用效果和工藝設計參數進行評估，建立起關鍵技術的特性、質量和價值指標的三級評估指標體系，實現創新技術成果的標準化，構建城市應急供水工程設計標準體系。

1 應急供水技術應用現狀

應急供水涵蓋了供水系統從水源到水處理工藝、配水系統最終到飲用水的全過程[2]，旨在通過建設和啟用應急供水設施，有效應對突發性水源、水廠及管網問題，提高城市在應急狀況下的供水安全保障能力，增強城市供水韌性。經過調研和梳理水專項關鍵技術、應急處理案例、應急供水工程應用、標準化文件和文獻資料等，凝練形成城市應急供水工程設計技術，包括應急水源設計技術、應急處理設計技術和其他應急工程設計技術。

1.1 應急水源設計技術

2015年之前，應急水源和備用水源的定義較為模糊，一般統稱為“應急備用水源”。2015年4月2日，國務院發布《水污染防治行動計劃》，規定“單一水源供水的地級及以上城市應于2020年底前基本完成備用水源或應急水源建設”，此后“十三五”期間的應急水源工程案例在全國范圍內逐步增多。在2016年8月發布的《城市給水工程規劃規范》(GB 50282—2016)以及2018年12月發布的《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)中明確了應急水源的定義。基于應急水源的定位，統計國內已建的應急水源工程規模、建設內容、總投資等情況如表1所示。

表1 應急水源工程項目統計Tab.1 Statistics of Emergency Water Source Projects

應急水源設計技術成熟性較高，部分內容已納入標準化文件，實際應用案例較多，可推廣性較強，通過應急水源的及時啟用進行水源快速切換，保證水廠的原水供應，適用于應對突發性水源問題。

1.2 應急處理設計技術

2006年以前，人們對自然災害或人為事件可能導致水體突發污染進而產生供水危機的意識薄弱，對供水安全的認識不到位。“十一五”水專項實施前，水廠沒有應急處理設施和有效的應急處理技術，在水源地發生污染事件時，現場開展試驗確定應急處理參數，臨時進行工藝改造，通過應急處理使水質達標后再恢復供水，往往造成停水的重大事故。

在“十一五”“十二五”水專項課題中，通過“自來水廠應急凈化處理技術及工藝體系研究與示范(2008ZX07420-005)”的實施，對飲用水相關標準所涉及的全部100多項污染物逐項確定應急處理的技術、工藝參數和最大應對污染物超標倍數，首次建立了由6類關鍵技術組成的應對水源突發污染的城市供水應急處理技術體系，達到了國際先進水平，技術完備和規模化生產情況良好，研究成果已納入《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)中，并在城市供水系統應對多起突發性水源污染事故中得到了廣泛應用，取得了較好的效果。統計國內已建的應急處理工程建設地點、建設年份、設計規模、投加點和應急藥劑如表2所示。

表2 應急處理工程項目統計Tab.2 Statistics of Emergency Treatment Projects

應急處理設計技術成熟性高，已經實現標準化，實際應用案例較多，社會效益明顯，可推廣性強。通過在水源或水廠投加應急處理藥劑進行應急凈水，降低污染物濃度、提高污染物去除率，使水廠出水水質達標，適用于應對突發性水源水質問題。

1.3 其他應急工程設計技術

“十一五”“十二五”期間，蘇州、無錫和寧波3個城市通過建設應急配水連通管道實現了多水源多水廠的清水調配，應急供水量可達日常供水量的55.60%～75.80%[3-4]，應急供水水質滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的要求，切實保障了事故狀態下的應急水量及水質，總體供水安全性較高。

通過調研國內外應急供水系統的案例，梳理出為了滿足地震、極端氣候、海嘯、超級臺風等自然災害情況下供水需求的應急供水站和應急儲水設施，通過儲備的清水保證城市供水系統修復前應急狀態下的居民生存用水，最大應急供水時間可達28 d。

將以上幾項技術合并歸納為其他應急工程設計技術，包括應急配水連通管道設計技術、清水儲備與應急救援設計技術等，整體成熟性一般，應用案例較少，可推廣性一般。其中，應急配水連通管道設計是指通過多水廠供水區域間應急配水連通管道及配套設施進行清水調配，適用于應對多區域供水系統的突發性部分水廠水量或清水輸水管道問題；清水儲備與應急救援設計是指通過儲備或制備的清水保證城市供水系統修復前應急狀態下的居民生存用水。

2 技術評估指標體系

結合前文介紹的應急水源設計技術、應急處理設計技術及其他應急工程設計技術的發展和應用現狀，參照《城鎮供水工程設計技術評估指南》(T/CECA 20013—2021)確定的評估流程和評估方法，建立了一套合理且有效的評估指標體系評價技術的質量和價值，評價指標包括特性指標、質量指標和價值指標3類。

2.1 技術特性評價

一級指標包括經濟效能、安全性和工藝設計參數，二級指標包括建設指標、運行成本指標、副作用和風險、關鍵設計參數，具體評價內容如表3所示。

表3 技術特性評價Tab.3 Technical Characteristic Evaluation

2.2 技術質量評價

一級指標包括成熟性、創新性、先進性和規范性，二級指標包括就緒度[6]、技術完備情況、創新目標、創新技術內容、創新點、創新程度、創新類型、先進程度、規范性文件，具體評價內容如表4所示。

表4 技術質量評價Tab.4 Technical Quality Evaluation

2.3 技術價值評價

一級指標包括技術效益、社會效益、環境效益和可推廣性，二級指標包括技術增量、受益人口數量和受益程度、水資源保護與利用的綜合效益、技術應用適用性，具體評價內容如表5所示。

表5 技術價值評價Tab.5 Technical Value Evaluation

3 應急供水工程設計標準框架構建

通過上文介紹的技術指標評估體系，結合實際工程設計中的背景調研、風險分析、工程設計等步驟，建立設計標準框架，明確城市應急供水工程設計方案的組成和主要內容，提高城市應急供水設施設計和建設的標準化程度，推動城市應急供水能力建設。

其中，應急水源設計技術評估包括在突發狀況下通過應急水源的快速啟用能保證水廠的原水供應，用于應對突發性水源問題。應急水源工程設計標準和關鍵參數包括應急水源建設規模、水源類型及水質、系統構成、應急用水量指標和應急供水時間等；應急處理設計技術評估包括在突發狀況下通過在水源或水廠投加應急處理藥劑進行應急凈水，降低污染物濃度、提高污染物去除率，使水廠出水水質達標，用于應對突發性水源水質問題。應急處理工程設計標準和關鍵參數包括應急凈水技術選用、應急藥劑種類、投加量、投加點、投加方式和儲存量等。

3.1 總體思路

在梳理城市供水系統現狀的基礎上，分析可能存在的風險因素，針對性地提出應急工程設計方案，指導應急供水設施建設，保障城市在突發狀況下的應急供水。

3.2 應急工程設計標準框架

構建的應急供水工程設計標準體系的構架、組成及主要內容如表6所示。

表6 體系框架及主要內容Tab.6 System Framework and Main Content

3.3 案例介紹

通過建立的設計標準體系框架，選取大理應急供水工程作為應用案例，針對城市供水系統存在的風險，編制應急工程設計方案如下。

(1)供水系統現狀：大理市轄下關、大理兩個城區，喜洲、上關等9個鎮及大理經濟開發區，2025年規劃人口約為100萬人。城市生產、生活主要取用洱海水，境內有河流100余條，除西洱河外，其他主要溪河有25條，全部發源于大理盆地四周山麓并流入洱海。環洱海周邊現有17座水廠，總規模為59.20萬m3/d，各系統之間相互獨立，基本沒有實現聯網。

(2)供水系統可能存在的風險分析：現階段水源相對單一，一旦發生突發性水源污染事件，將面臨無供水水源的問題，供水安全存在較大隱患；水廠數量多、規模小，沿洱海東西兩側分布，大多采用混凝沉淀、連續膜過濾制水工藝，原水水質出現惡化時，水廠產水量降低，出水水質也存在安全隱患；全市供水管網隨著城市的發展逐步鋪設延伸，已有管網布局凌亂、分散，水源也不盡相同，缺乏統一規劃，老的管道已使用三十多年，多已腐蝕或嚴重結垢，管材選用及管徑不合理，致使水壓不合理、漏水損失多，供水普及率有限，甚至時有“爆管”發生，特別是至今仍在使用的混凝土管，管道漏損嚴重，供水安全性較差。

(3)應急供水工程設計方案：大理應急供水工程建設的主要工程內容有3部分，分別是各水廠的應急取水工程、應急凈水工程、應急供水工程。應急取水部分主要是通過建設應急取水泵站、取水頭部、應急取水調蓄池及輸水管道等工程措施，為各水廠建立應急水源的取水、蓄水、輸水系統。應急凈水部分主要是通過增加前置粉末活性炭投加系統、前置粉末高錳酸鉀投加系統，增強各水廠在洱海發生藍藻暴發時的凈水能力。應急供水部分主要是通過配水連通管網改造，增強片區調水能力；配備移動供水車，增加臨時供水點；改造局部管網，增加供水量。以海西片區上關水廠及喜洲水廠為設計案例進行說明。

①應急水源：上關水廠(2.0萬m3/d)離三庫連通引水至洱海應急補水的補水口較近，選擇“三庫連通水源”作為應急水源，建設應急取水泵站(4.0 萬m3/d，可同時供給上關水廠和喜洲水廠)及輸水管道(DN700，8.2 km)，洱海水質惡化時，啟動應急泵站，將“三庫連通水源”輸送至上關水廠。喜洲水廠(2.0萬m3/d)離上關水廠洱海取水泵站輸水管線較近，將喜洲水廠輸水管線與上關水廠輸水管線連通，可利用上關水廠的原水輸水管獲得“三庫連通水源”作為應急水源。

②應急處理：上關水廠和喜洲水廠現狀水源均為洱海水，上關水廠取水泵房已有粉末活性炭投加裝置，新增一套高錳酸鉀投加裝置(投加量為0.65～13 kg/h)；喜洲水廠取水泵房新增一套高錳酸鉀投加裝置(投加量為0.65～13 kg/h)、一套粉末活性炭投加裝置。高錳酸鉀和粉末活性炭投加裝置均采用一體化成品，用于粉末藥劑射流投加，現場提供水源和氣源。

③應急調水：通過已連通的大鳳路供水干管，可進行區域調水。

④典型事故下應急方案：當洱海發生藻類污染時，上關水廠和喜洲水廠啟動應急處理系統；當污染程度超過應急處理系統處理能力時，啟動應急水源，三庫連通工程已通水的茈碧湖到洱海應急補水工程的補水量平均為17.6萬m3/d，可滿足上關水廠和喜洲水廠對急水源的要求。

(4)工程效果分析：在發生突發事件時，通過應急工程的建設實施可在一定程度上維持上關水廠、喜洲水廠、銀橋水廠、新三水廠、新鳳儀水廠等17座水廠的生產，基本滿足大理古城、海西片區、下關城區、海東鎮及海東中心城區應急供水要求。工程的社會效益十分顯著，遠大于其直接經濟效益。

4 結論

本文綜述了已有的應急供水技術應用現狀，匯總了相應的技術評估指標體系，構建了應急供水工程設計標準框架。

城市應急供水工程設計標準體系根據城市現有供水系統特點及污染風險，因地制宜靈活選擇應急水源、應急處理等應急技術的結合進行應急能力提升建設，輔以應急救援，可有效保障應急處置期間居民的正常生活用水，增強城市供水韌性。同時，依據建立的設計標準體系框架編制了大理應急供水工程設計方案，有效指導了大理市供水應急能力提升的建設。

城市供水系統應急工程設計技術涵蓋了供水系統從水源到水廠至管網的整個全流程，就緒度高、應用廣泛，具有顯著的社會效益和實用價值。