張國晟，劉洪波,*，張顯忠

(1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院<集團>有限公司，上海 200125)

城市的發(fā)展離不開供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，保障城市供水安全是城市迅速發(fā)展的基本要求。但是隨著城市人口和規(guī)模的擴大，需水量不斷上升、環(huán)境污染嚴(yán)重且復(fù)雜、自然災(zāi)害和供水事故頻發(fā)，供水系統(tǒng)具有較強的韌性才不會制約城市的發(fā)展。韌性是指系統(tǒng)在受到擾動時恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的能力[1]，而進一步的城市系統(tǒng)韌性相關(guān)研究[2]認(rèn)為，韌性應(yīng)當(dāng)分為吸收擾動時的負面影響以保障核心功能不被完全破壞的吸收階段、擾動發(fā)生后可迅速恢復(fù)受損部分至所期望狀態(tài)的恢復(fù)階段，以及系統(tǒng)通過主動或被動學(xué)習(xí)來改變其結(jié)構(gòu)以應(yīng)對未來不確定性的適應(yīng)階段。供水系統(tǒng)作為城市系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，其韌性概念可以參考城市系統(tǒng)韌性，因此，城市供水系統(tǒng)安全保障韌性化建設(shè)也應(yīng)當(dāng)做到以上3個階段，即可以實現(xiàn)擾動的吸收、恢復(fù)以及適應(yīng)。目前，城市供水系統(tǒng)安全保障技術(shù)研究非常多，然而這些技術(shù)在提高供水系統(tǒng)韌性中的應(yīng)用缺少系統(tǒng)性的總結(jié)。因此，從干擾強度角度將城市供水系統(tǒng)韌性分為常態(tài)下的抗性和突發(fā)事故下的韌性，進一步論述供水系統(tǒng)受到的干擾以及應(yīng)對這些干擾時供水安全保障技術(shù)在韌性建設(shè)中的應(yīng)用情況，并以某城市的供水系統(tǒng)安全保障建設(shè)為例，總結(jié)提出城市供水系統(tǒng)韌性提高的關(guān)鍵在于韌性范圍的確定和擴大，以及供水系統(tǒng)高效協(xié)同管理的實現(xiàn)。

1 城市供水系統(tǒng)常態(tài)下的抗性

1.1 城市供水系統(tǒng)運行普通風(fēng)險

城市供水系統(tǒng)運行普通風(fēng)險指的是供水系統(tǒng)運行過程中普遍存在的，幾乎無法避免的一些影響系統(tǒng)正常運行的因素。參考一些供水系統(tǒng)風(fēng)險評估的文獻[3-6]，本文總結(jié)了供水系統(tǒng)各子系統(tǒng)最為常見、危害最大的普通風(fēng)險因素，其主要風(fēng)險因素和危害如表1所示。

表1 城市供水系統(tǒng)常態(tài)下的主要風(fēng)險及其危害Tab.1 Main Risks and Hazards of Urban Water Supply System in Normal Conditions

供水系統(tǒng)運行普通風(fēng)險在于供水質(zhì)量的穩(wěn)定性，主要是水質(zhì)達標(biāo)問題、水量充足問題以及系統(tǒng)運行穩(wěn)定問題。原水系統(tǒng)中原水的渾濁度、藻密度、堿度、硬度等指標(biāo)受季節(jié)變化影響很大，而水源地污染會導(dǎo)致重金屬、總氮、總磷、糞大腸菌群超標(biāo)，取水設(shè)備、泵站、輸水管道會因老化腐蝕等被破壞，從而導(dǎo)致原水供應(yīng)的停止，單一水源取水和單一水管輸水在運行出現(xiàn)問題時管道無法檢修，影響供水穩(wěn)定性。制水系統(tǒng)中水處理工藝差就無法適應(yīng)原水水質(zhì)的變化，出廠水水質(zhì)直接影響到供水質(zhì)量，水廠的制水設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備、控制設(shè)備出現(xiàn)故障，都會導(dǎo)致供水水質(zhì)、水量、水壓的不穩(wěn)定，水廠運行管理的日常巡檢維護以及應(yīng)急安全預(yù)案是保障供水安全性的重要一環(huán)。輸配水系統(tǒng)中管網(wǎng)的老化腐蝕會導(dǎo)致飲用水污染，管網(wǎng)爆管、漏損問題嚴(yán)重影響供水的質(zhì)量和效率，泵站布置的不合理使得供水出現(xiàn)低壓區(qū)、死水區(qū)，會導(dǎo)致水質(zhì)不達標(biāo)、壓力偏低，水質(zhì)保障的缺失會引起管網(wǎng)水質(zhì)污染、末端水質(zhì)不達標(biāo)問題，管網(wǎng)維護維修不到位使得運行安全不穩(wěn)定。二次供水系統(tǒng)中設(shè)施建設(shè)不標(biāo)準(zhǔn)會導(dǎo)致水質(zhì)污染、水壓不穩(wěn)，管理維護不到位會導(dǎo)致運行不安全、水質(zhì)不達標(biāo)，水箱的布置直接影響供水水質(zhì)、水量、水壓穩(wěn)定性。

進一步分析這些風(fēng)險因素可以發(fā)現(xiàn)，城市供水系統(tǒng)常態(tài)下抗風(fēng)險能力較差的原因在于系統(tǒng)設(shè)計無法滿足新的用水需求以及系統(tǒng)管理能力較弱。隨著城市發(fā)展和運行時間推移，出現(xiàn)了嚴(yán)重且復(fù)雜的水源污染、用水量多且變化系數(shù)大的用戶、日益提高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，原有的水處理工藝、輸配水管網(wǎng)設(shè)計以及舊的供水設(shè)施已經(jīng)無法保障供水安全。而更為嚴(yán)重的是原有的供水系統(tǒng)管理無法提供快速的響應(yīng)和高效的修復(fù)能力，這使得城市供水系統(tǒng)更加脆弱。因此，亟需有效的供水保障技術(shù)來提高城市供水系統(tǒng)常態(tài)下的抗性以應(yīng)對這些風(fēng)險。

1.2 城市供水系統(tǒng)抗性提升技術(shù)

城市供水系統(tǒng)運行普通風(fēng)險產(chǎn)生的2個根本原因：供水系統(tǒng)設(shè)計不合理以及管理能力差。通過總結(jié)供水系統(tǒng)安全保障技術(shù)研究文獻[7-17]，表2中列舉了一些印證有效的城市供水系統(tǒng)抗性提高技術(shù)。

城市供水系統(tǒng)抗性提高技術(shù)主要在提高水量韌性、水質(zhì)韌性以及提升運行管理能力。水量韌性的提高主要通過輸配水系統(tǒng)中的管網(wǎng)壓力控制和二次供水系統(tǒng)中的設(shè)施安裝改造等技術(shù)保障最不利點水量要求，其重點在于二次加壓設(shè)備和調(diào)蓄水量的設(shè)置，目前，最常用的方法是疊壓供水設(shè)備、低位貯水池供水以及高位水箱供水。具體調(diào)蓄水量大小應(yīng)根據(jù)調(diào)蓄方法分別討論：使用疊壓供水設(shè)備時，優(yōu)化設(shè)備運行即可以滿足用水量的變化，而存在中轉(zhuǎn)水箱時，中轉(zhuǎn)水箱容量不小于服務(wù)區(qū)域最大時用水量的50%；使用低位貯水池時，水池調(diào)蓄水量不小于服務(wù)區(qū)域日供水量的8%～12%；使用高位水箱調(diào)蓄時，水箱調(diào)蓄水量不小于最高日用水量的5%[18]，為充分保障水量韌性，供水系統(tǒng)調(diào)蓄水量應(yīng)當(dāng)大于供水系統(tǒng)的最高時用水量。而水質(zhì)韌性的提高重點是原水水質(zhì)的保障、制水水質(zhì)安全余量的設(shè)計和管網(wǎng)水質(zhì)穩(wěn)定性的保證。原水水質(zhì)安全需要通過多水源供水保障其穩(wěn)定性，而由于二次污染問題的存在，水處理工藝需要提標(biāo)優(yōu)化使得出廠水質(zhì)設(shè)計高于安全標(biāo)準(zhǔn)以保證管網(wǎng)末端水質(zhì)達標(biāo)。在輸配水過程中管網(wǎng)更新、供水設(shè)施改造以及中途補氯等方法，可以減少致病微生物孳生、提高末端余氯、降低消毒副產(chǎn)物生成潛能，保證管網(wǎng)水質(zhì)的生物穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。運行管理能力的提高主要通過全系統(tǒng)監(jiān)測和日常管理的強化來實現(xiàn)。全系統(tǒng)監(jiān)測需要覆蓋水源水質(zhì)、水處理設(shè)施設(shè)備、制水全流程水質(zhì)、泵站、管網(wǎng)水量水壓水質(zhì)、二次供水設(shè)備等方面，全面實時采集水量、水壓、水質(zhì)、設(shè)備運行參數(shù)、設(shè)施視頻圖片等數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)運行事故。日常管理的強化同樣要涉及到供水系統(tǒng)運行的各個方面，水質(zhì)檢測應(yīng)有檢測制度和檢測人員，進一步增加檢測項目、提高檢測頻率、加強檢測能力可以有效保證系統(tǒng)水質(zhì)管理能力[19]。水處理設(shè)施設(shè)備應(yīng)有檢查、清洗、檢修制度和巡檢人員，提高檢修頻率、完善修復(fù)流程、提升清洗效果可以有效保證運行安全。二次供水設(shè)施設(shè)備應(yīng)有檢查、清洗制度和維護人員，雇傭?qū)I(yè)的清洗團體、提高檢查頻率和水平可以有效保證供水質(zhì)量[20]。管理企業(yè)應(yīng)有調(diào)度部門，制定科學(xué)的調(diào)度策略和方法，合理組織和協(xié)調(diào)供水系統(tǒng)各組成部分之間的運行管理。

表2 城市供水系統(tǒng)抗性提高技術(shù)及其實際效果Tab.2 Improvement Technology and Actual Effect of Urban Water Supply System Resistance

總結(jié)分析這些技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化生產(chǎn)運行的本質(zhì)在于為供水系統(tǒng)設(shè)計冗余，保證在出現(xiàn)風(fēng)險時，供水水量、水壓、水質(zhì)仍然可以滿足要求，即提高系統(tǒng)吸收擾動的能力。而提高管理能力的目標(biāo)在于實現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同管理，加快系統(tǒng)處理風(fēng)險，并建立應(yīng)對機制，提高的是系統(tǒng)恢復(fù)和適應(yīng)能力。因此，可以說城市供水系統(tǒng)常態(tài)下抗性的核心內(nèi)容在于韌性范圍和協(xié)同管理的設(shè)計和實現(xiàn)。

2 城市供水系統(tǒng)突發(fā)事故下的韌性

2.1 城市供水系統(tǒng)運行突發(fā)事故

城市供水系統(tǒng)運行突發(fā)事故指的是突發(fā)公共事故，針對供水系統(tǒng)的主要是自然災(zāi)害、事故災(zāi)害、公共衛(wèi)生事件和社會安全事件[21]。其中，自然災(zāi)害主要有地震、干旱、臺風(fēng)、暴雨等，事故災(zāi)害是指供水設(shè)施設(shè)備事故、環(huán)境污染和生態(tài)破壞、供水企業(yè)的各類事故，公共衛(wèi)生事件是指嚴(yán)重影響公眾健康和生命安全的事件，社會安全事件是對社會秩序造成影響的群體性事件。城市供水系統(tǒng)安全保障主要遇到是前3種[22]。

2.2 城市供水系統(tǒng)韌性提升技術(shù)

應(yīng)對突發(fā)事故采用的供水安全保障技術(shù)主要為應(yīng)急管理，供水系統(tǒng)應(yīng)急管理是指利用收集到的信息實現(xiàn)具備實時性、動態(tài)性、多維性和集成性的供水系統(tǒng)高效協(xié)同管理[19]。應(yīng)急管理包括預(yù)防、準(zhǔn)備、響應(yīng)和恢復(fù)這4個階段。預(yù)防階段是對災(zāi)害風(fēng)險的識別和降低，準(zhǔn)備階段是對災(zāi)害的預(yù)警和全面準(zhǔn)備，響應(yīng)是災(zāi)害發(fā)生時的應(yīng)急指揮和應(yīng)對，而恢復(fù)主要是災(zāi)后的重建工作。這4個階段雖然目標(biāo)不同，但它們的本質(zhì)是對于突發(fā)事故的吸收、恢復(fù)和適應(yīng)。

通過整理分析相關(guān)文獻[23-30]，表3中總結(jié)了應(yīng)對不同突發(fā)事故所采用的主要技術(shù)方法及其實際效果。應(yīng)對自然災(zāi)害的技術(shù)主要在于預(yù)防和準(zhǔn)備階段，一般的做法是進行風(fēng)險識別和應(yīng)急準(zhǔn)備，在這一方面最受關(guān)注的是干旱下的水量保證和地震下的供水管網(wǎng)的穩(wěn)定性。節(jié)水措施、廢水回用以及聯(lián)合調(diào)度策略可以有效地保證供水量以應(yīng)對干旱。通過供水管網(wǎng)地震韌性評估，可以發(fā)現(xiàn)在地震災(zāi)害發(fā)生時，供水管網(wǎng)需要極強的物理性能，才能夠應(yīng)對地震帶來的高壓和變形，主要影響管網(wǎng)抗震能力的物理屬性包括管徑、管材和接口類型等。研究表明：管徑小的管道更容易在地震中失效[31]；而管道材料很大程度上影響管道抗高壓能力，常用的材料中球墨鑄鐵管抗壓能力較好，塑料管次之，混凝土管最差[32]；接口類型中柔性接口明顯強于剛性接口，在承接式接口發(fā)生局部拔出現(xiàn)象的柔性接口管道仍然可以保證連通性[33]。對于事故災(zāi)害的應(yīng)對更加關(guān)注響應(yīng)和恢復(fù)，其目標(biāo)是快速發(fā)現(xiàn)事故并通過高效的協(xié)同管理進行修復(fù)，供水系統(tǒng)面對的事故災(zāi)害主要是突發(fā)環(huán)境污染事故和供水設(shè)施破壞。應(yīng)急凈水技術(shù)是應(yīng)對突發(fā)環(huán)境事故的有效技術(shù)，主要有粉末活性炭吸附技術(shù)、化學(xué)沉淀技術(shù)、化學(xué)氧化技術(shù)、強化消毒技術(shù)、曝氣吹脫技術(shù)和藻類綜合處理技術(shù)等，可以高效應(yīng)對突發(fā)污染引起有機污染物、重金屬、氮磷、致病微生物、藻類等超標(biāo)問題，保證水廠出水水質(zhì)達標(biāo)、穩(wěn)定[34]。而供水設(shè)施破壞事故可以通過系統(tǒng)的全覆蓋監(jiān)測和智慧決策系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)。對于公共衛(wèi)生事件的應(yīng)對最為重要的是響應(yīng)階段，在應(yīng)對重大傳染病傳播事故時，通過建立公共衛(wèi)生智慧應(yīng)急體系協(xié)同多方面全系統(tǒng)共同保障供水安全。因此，城市供水系統(tǒng)突發(fā)事故下韌性提高的關(guān)鍵在于通過確定韌性范圍和系統(tǒng)協(xié)同管理實現(xiàn)高效的應(yīng)急管理。

表3 城市供水系統(tǒng)韌性提高技術(shù)及其實際效果Tab.3 Improvement Technology and Actual Effect of Urban Water Supply System Resilience

3 城市供水系統(tǒng)安全保障韌性建設(shè)分析

3.1 某城市供水系統(tǒng)安全保障實例

南方某城市為保證供水安全、可靠，供水水量充裕，進行全面的供水系統(tǒng)安全保障建設(shè)。城市總供水能力為25萬m3/d，原水主要為水庫水，共有4個水廠生產(chǎn)供水。其供水系統(tǒng)韌性建設(shè)的主要技術(shù)方法如圖1所示，分為供水韌性設(shè)計以及智慧水務(wù)建設(shè)兩方面。在供水韌性設(shè)計方面：供水原水不僅僅依靠單一水庫供給，在水庫水受到污染或水量不足時，水廠可以從附近城市的水庫取水或者利用取水泵站就近取水，實現(xiàn)多水源供水，同時，水庫會對原水進行預(yù)氧化、預(yù)消毒處理，保證原水水質(zhì)穩(wěn)定；水廠設(shè)計了2條平行工藝運行，保證運行穩(wěn)定，并考慮低負荷處理設(shè)計，使得出水水質(zhì)高于設(shè)定的一級A標(biāo)準(zhǔn)，同時，設(shè)定應(yīng)急預(yù)案應(yīng)對運行過程發(fā)生的設(shè)備運行事故、水質(zhì)污染事故、管網(wǎng)爆管事故、生產(chǎn)調(diào)度運行等情況，實現(xiàn)應(yīng)急事故的響應(yīng)和恢復(fù)；配水管網(wǎng)進行了分區(qū)壓力控制，有效降低了漏損，管網(wǎng)上出現(xiàn)的運行事故會通過自來水公司的處理流程進行修復(fù)處理。在供水用戶方面，自來水公司會進行供水設(shè)備的定期維護檢修，并設(shè)立應(yīng)急事故水池保證應(yīng)急用水。且在供水韌性設(shè)計基礎(chǔ)上進行了智慧水務(wù)建設(shè)，其主要內(nèi)容是對整個供水系統(tǒng)水質(zhì)、水量、水壓變化進行了全面監(jiān)測，在水廠和二次供水建立了智能控制系統(tǒng)以及構(gòu)建配水管網(wǎng)水力模型與水質(zhì)模型預(yù)測供水運行。

圖1 某城市供水系統(tǒng)安全保障與韌性化建設(shè)Fig.1 Safety Assurance and Resilience Urban Construction on Water Supply System in a City

通過智慧水務(wù)的建設(shè)模擬了城市某分區(qū)1 d的供水運行情況，分區(qū)開放管道流量變化以及該分區(qū)的壓力監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)該分區(qū)的流量變化較大，日間用水量大，最大流入流量可達到28 L/s，而夜間用水量非常小，甚至發(fā)生倒流的情況。監(jiān)測點壓力顯示其最小壓力水頭超過15 m，而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定管網(wǎng)末梢水壓不小于0.14 MPa[35]，完全滿足供水要求。因此，城市供水系統(tǒng)常態(tài)下的抗性有充分的保障。

圖2 水力模擬下某分區(qū)開放管道流量及其相應(yīng)監(jiān)測點壓力變化Fig.2 Flow and Pressure Changes of a Water Supply System Subregion under Hydraulic Simulation

在應(yīng)對突發(fā)事故方面，水庫水廠均建立了完備的應(yīng)急預(yù)案，并設(shè)立了應(yīng)急搶修中心負責(zé)供水管網(wǎng)事故災(zāi)害以及供水管網(wǎng)需開挖性的應(yīng)急搶修工作。通過智慧水務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)平臺一張圖及時發(fā)現(xiàn)供水問題，實現(xiàn)平臺及時發(fā)布通水、搶修通知，并實現(xiàn)維修維護現(xiàn)場全程跟進，第一時間獲取現(xiàn)場進度。因此，城市公司系統(tǒng)突發(fā)事故下可以快速響應(yīng)高效修復(fù)，有較強的韌性。

該城市采用的韌性提高技術(shù)普適性強，可以適用于大部分的供水系統(tǒng)，同時，對于供水風(fēng)險有很強的抵御能力。另外，智慧水務(wù)建設(shè)逐漸普及，通過韌性設(shè)計和智慧水務(wù)來加強供水韌性具有相當(dāng)高的可行性和代表性。韌性設(shè)計可以有效地為系統(tǒng)設(shè)置運行彈性，提高系統(tǒng)水質(zhì)、水量韌性，保證供水質(zhì)量，而智慧水務(wù)建設(shè)可以極大程度地協(xié)同各供水相關(guān)單位，提高系統(tǒng)的應(yīng)急管理能力。

3.2 城市供水系統(tǒng)安全保障韌性建設(shè)核心內(nèi)容

綜合分析城市供水系統(tǒng)韌性提高技術(shù)以及建設(shè)實例可知，韌性建設(shè)的核心內(nèi)容在于韌性范圍的確定和提升以及高效協(xié)同管理的實現(xiàn)。韌性范圍的確定和提升是指通過風(fēng)險識別來指導(dǎo)系統(tǒng)運行的冗余設(shè)計，保證供水系統(tǒng)的高彈性工作，例如通過預(yù)測水質(zhì)、水量、水壓在供水系統(tǒng)中的變化來調(diào)整供水系統(tǒng)調(diào)蓄水量和水廠出水水質(zhì)安全余量，通過對自然災(zāi)害下供水系統(tǒng)韌性進行評估進行應(yīng)急準(zhǔn)備的調(diào)整和優(yōu)化。韌性范圍的確定使得供水系統(tǒng)在面對風(fēng)險時仍然可以正常運行并保證供水質(zhì)量。高效協(xié)同管理的實現(xiàn)指的是供水管理需要通過制度、平臺的建立聯(lián)合各個供水子系統(tǒng)以及管理單位的政府、企業(yè)甚至是社會組織共同應(yīng)對突發(fā)事故，并且利用信息化、智能化的決策支持全面提高響應(yīng)、恢復(fù)能力。供水系統(tǒng)韌性范圍的確定和擴大以及高效協(xié)同管理的實現(xiàn)可以使得系統(tǒng)具備極強的韌性以實現(xiàn)擾動的吸收、恢復(fù)以及適應(yīng)。

4 結(jié)語

城市供水系統(tǒng)安全保障韌性建設(shè)對于城市發(fā)展以及人民健康都非常重要，韌性建設(shè)的研究與應(yīng)用是供水系統(tǒng)安全保障重要方向。供水系統(tǒng)韌性應(yīng)同時具備常態(tài)下的抗性以及突發(fā)事故下的韌性?？偨Y(jié)分析韌性提升的技術(shù)方法特點，韌性建設(shè)的核心內(nèi)容在于韌性范圍的確定設(shè)計以及協(xié)同管理的實現(xiàn)。