城市水資源安全評估及保障措施研究

謝志高，習(xí)樹峰，徐建軍，葛 萌

(1.深圳市大鵬半島水源工程管理處，廣東 深圳518000;2.中山大學(xué)水資源與環(huán)境系，廣東 廣州 510275;3.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院，廣東 深圳518000;4.河北省桃林口水庫管理局，河北 秦皇島066000)

水資源安全(Water Security)問題是國家戰(zhàn)略資源安全［1］的一個方面，受到國內(nèi)外專家學(xué)者普遍關(guān)注。目前研究者對水資源安全還沒有統(tǒng)一的定義，通過比較分析相關(guān)研究［2－6］，在城市供水領(lǐng)域筆者比較贊同的定義為代穩(wěn)［6］提出的:水資源安全是指國家或區(qū)域利益不因供水災(zāi)害，干旱缺水，水質(zhì)污染，水環(huán)境破壞等造成嚴重損失，水資源的自然循環(huán)過程和系統(tǒng)不受破壞或嚴重威脅，在某一具體歷史發(fā)展階段下，水資源能夠滿足區(qū)域國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的需要。水資源安全是城市水資源管理的核心內(nèi)容與終極目標(biāo)，直接關(guān)系到群眾生活和經(jīng)濟社會發(fā)展的需要。為保障城市供水系統(tǒng)正常運行，從水資源的自身屬性考慮，水資源安全的內(nèi)涵應(yīng)包括水量安全、水質(zhì)安全和供水系統(tǒng)應(yīng)急保障能力三個方面。

本研究以深圳市寶安區(qū)為研究對象。深圳是全國邁向現(xiàn)代化國際化的先進城市，其中寶安區(qū)為深圳市的工業(yè)基地和西部中心。寶安區(qū)人口密度大，經(jīng)濟發(fā)達，城市化發(fā)展迅速，其水資源供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、供需矛盾突出、供水保證率要求較高。截至2012年，寶安區(qū)共有蓄水水庫13座，其中供水水庫工程8座(中型水庫3座，小(1)型水庫5座)，合計正常庫容1.49億 m3。寶安區(qū)現(xiàn)狀水廠以東部水源工程、北線引水工程，以及少量本地自產(chǎn)水為供水水源。

1 水資源安全影響因素分析

城市水資源系統(tǒng)的取水、輸水和凈水等子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，且其運行管理都處于一個開放的環(huán)境中，因此，受城市供水系統(tǒng)的復(fù)雜性、開放性制約，很容易受到外界不利事件的影響。另外，系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)由于管材老化、腐蝕、工程管理不當(dāng)?shù)仍蛞鸨堋⑺|(zhì)污染、水量不足等安全事故，從而導(dǎo)致城市供水系統(tǒng)不能正常供水。本研究通過對水資源安全定義及內(nèi)涵的分析，可得出影響水資源安全大小的主要因素，大致可以分為以下幾方面。

1.1 水資源系統(tǒng)特性影響

水資源系統(tǒng)是水資源安全的主體。水資源的數(shù)量、質(zhì)量和調(diào)度運行情況直接影響水資源安全。而且由于自然條件的差異使得水資源存在時空分布不均勻，水質(zhì)條件不一致等特點。

1.2 工程建設(shè)狀況影響

資源的存儲、輸配和凈化均通過工程系統(tǒng)實現(xiàn)，通過源水系統(tǒng)、取水系統(tǒng)、輸配水系統(tǒng)和凈水系統(tǒng)的工程建設(shè)相互配合，從而實現(xiàn)水資源供水系統(tǒng)的正常運行。區(qū)域內(nèi)工程的建設(shè)、改造除了要與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟社會發(fā)展?fàn)顩r相適應(yīng)之外，系統(tǒng)內(nèi)部工程的協(xié)調(diào)、配合程度對于各子系統(tǒng)的功能能否實現(xiàn)有重要作用。

1.3 自然災(zāi)害影響［7］

由自然變異為主要原因引起的城市水資源供水系統(tǒng)破壞、水質(zhì)變差、水量減少、甚至是供水中斷的事件均稱為自然災(zāi)害影響。洪澇、暴雨、地震、臺風(fēng)、雪災(zāi)、泥石流、滑坡、蟲害被列為當(dāng)今全球面臨的八大自然威脅，根據(jù)寶安區(qū)供水突發(fā)事件調(diào)查結(jié)果，結(jié)合所處的流域自然地理條件，對寶安區(qū)城市水資源系統(tǒng)構(gòu)成較大影響的主要威脅有暴雨、雷電、干旱。

1.4 人類活動影響

水資源安全的主體是人，人口的增加和經(jīng)濟的發(fā)展一方面增加水資源供水壓力;但是另一方面人的創(chuàng)造力是無限的，人類通過科技的方式也可以降低水資源供水危機;而且隨著管理能力的逐步完善，水資源供水系統(tǒng)在政策、規(guī)范方面的管理也會更加正規(guī)化;但同時恐怖活動也對水資源供水系統(tǒng)存在一定的影響。

2 水資源安全評估指標(biāo)體系

2.1 體系概述

指標(biāo)是復(fù)雜事件或系統(tǒng)的信號，是一組反映系統(tǒng)特性或顯示發(fā)生何種事情的信息，是從數(shù)量方面說明一定社會總體現(xiàn)象的某種屬性或特征，它可以是數(shù)量概念，也可以是具體數(shù)值，既有定性的指標(biāo)又有定量的指標(biāo)，既有動態(tài)的指標(biāo)又有靜態(tài)的指標(biāo)。篩選出具有代表性的指標(biāo)，并按其特征進行組合，就構(gòu)成水資源安全的評價指標(biāo)體系，從而能夠從整體上反映區(qū)域水資源安全的基本狀況。

對于建立水資源安全評估指標(biāo)體系要堅持科學(xué)性、信息完備性、定性與定量相結(jié)合、可操作性等原則［3］。

根據(jù)水資源安全的概念、內(nèi)涵及其影響因素，本研究將水資源安全按照水量、水質(zhì)、應(yīng)急能力三個方面分別分析其指標(biāo)組成，建立指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 水資源安全評估指標(biāo)體系

2.2 綜合缺水率

綜合缺水率采用下式確定:

式中:需水量為研究區(qū)域現(xiàn)狀或規(guī)劃城市需水總量;供水量指區(qū)域范圍內(nèi)水源工程的實際供水能力和境外水源能分配給本研究區(qū)域的水量之和。

2.3 輸配水工程配套程度

通過比較水廠供水規(guī)模和輸配水工程規(guī)模，用輸配水工程配套程度進行評價，分別分析輸配水總管和輸配水支線的工程的實際情況。

2.4 水源水質(zhì)狀況指數(shù)

基于各水源水質(zhì)實際情況和水源地供水量，用水源地水質(zhì)狀況指數(shù)對區(qū)域內(nèi)水源水質(zhì)狀況進行綜合評價。

式中:Q為水源水質(zhì)狀況指數(shù);n為供水水源總數(shù);Qi為第i個水源水質(zhì)分類，對各水源的 pH、鐵、錳、氨氮、硝氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)進行監(jiān)測，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)確定水源的水質(zhì)等級;Vi為第i個水源供水量;V為供水水源供水總量。

由于集中飲用水水源地水質(zhì)要求達到Ⅲ類水水質(zhì)要求，因此以3作為Q的分級標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Q≤3代表區(qū)域供水水源可滿足水質(zhì)要求。

2.5 供水水源保護和管理

供水水源保護和管理程度主要分析地方法規(guī)體系、制度、監(jiān)測、管理能力建設(shè)等現(xiàn)狀情況，采用定性判斷法確定。

2.6 水質(zhì)污染風(fēng)險

水質(zhì)污染風(fēng)險評價利用風(fēng)險矩陣評價法，從污染可能性和污染后果兩個方面用風(fēng)險矩陣評價法定性評估原水、管網(wǎng)水和水廠水的安全狀況，水質(zhì)污染風(fēng)險評價等級和標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

原水水質(zhì)污染的原因主要有:大雨將化學(xué)物質(zhì)沖刷入庫，致使水庫水質(zhì)改變、原水濁度飆升;供水水源地受上游或周邊排污以及突發(fā)性水污染事故影響;人為投毒;微生物大量繁殖。

管網(wǎng)水水質(zhì)污染引發(fā)的原因主要有:管網(wǎng)陳舊老化，影響供水水質(zhì);新建管網(wǎng)材質(zhì)差，造成水質(zhì)二次污染;輸配水管網(wǎng)因季節(jié)氣候變化出現(xiàn)紅蟲、微生物等，影響自來水水質(zhì);二次供水設(shè)施建設(shè)、管理不完善、材質(zhì)差等原因。

表1 水質(zhì)污染風(fēng)險評價等級和標(biāo)準(zhǔn)

水廠水存在水質(zhì)風(fēng)險的原因主要有水廠處理設(shè)備落后，導(dǎo)致成本高，后續(xù)反應(yīng)與沉淀效果差，生產(chǎn)過程穩(wěn)定性不高，不能實時監(jiān)視原水、過程水和出廠水的水質(zhì)指標(biāo)，出廠水水質(zhì)不達標(biāo)。

2.7 應(yīng)急備用水源及應(yīng)急供水能力

應(yīng)急備用水源及應(yīng)急供水能力主要根據(jù)供水片區(qū)的應(yīng)急備用水源的水量，應(yīng)急輸配水工程的應(yīng)急速度等情況綜合定性分析。

2.8 應(yīng)急監(jiān)測及管理能力

應(yīng)急監(jiān)測及管理能力主要根據(jù)對應(yīng)急狀況的預(yù)警、監(jiān)測，以及對水源地的管理情況綜合定性分析。

2.9 應(yīng)急預(yù)案及實施保障

根據(jù)各個應(yīng)急備用水源是否編制應(yīng)急供水預(yù)案，預(yù)案的完善程度和可操作性如何等定性分析。

2.10 評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)各指標(biāo)的意義和內(nèi)容，結(jié)合寶安區(qū)的實際情況，根將各指標(biāo)分為五級，其中水質(zhì)污染風(fēng)險由于受污染可能性和污染強度共同控制需要單獨考慮外，其余指標(biāo)各個級別對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3 水資源安全模糊可變評價

3.1 水資源系統(tǒng)安全分級

根據(jù)選定的指標(biāo)特征，將水資源系統(tǒng)安全級別相應(yīng)分為Ⅰ－Ⅴ級，分級標(biāo)準(zhǔn)如表3所示，分別代表的安全狀況為Ⅰ級(非常安全)、Ⅱ級(安全)、Ⅲ級(基本安全)、Ⅳ級(不安全)、Ⅴ級(極不安全)，其中達到Ⅲ級時就認為是安全的。

3.2 水資源安全模糊可變評價

對深圳市寶安區(qū)水資源安全評估指標(biāo)進行分析計算［8］，各指標(biāo)取值如表4所示。

利用陳守煜教授的模糊可變集合評價方法［9］和二元比較模糊決策分析法進行指標(biāo)評價和隸屬度分析計算。取模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)α=1，距離參數(shù)p=1，解得綜合相對隸屬度為:

歸一化后得:u=(0 0.161 0.373 0.329 0.138)

應(yīng)用級別特征值公式

得到寶安區(qū)水資源安全評價的級別特征值為:

H=(1 2 3 4 5)× (0 0.161 0.373 0.329 0.138)T=3.44

根據(jù)模糊可變評價計算結(jié)果寶安區(qū)水資源供水系統(tǒng)現(xiàn)狀級別特征值為3.44，介于Ⅲ級(基本安全)、Ⅳ級(不安全)之間，可認為寶安區(qū)水資源供水系統(tǒng)現(xiàn)狀安全水平較低，存在一定的安全隱患。

表2 評價項目指標(biāo)、等級和標(biāo)準(zhǔn)

4 水資源安全存在的問題及其安全對策

4.1 供水水量方面存在的問題

供水需求增加，供水總量存在缺口。根據(jù)《深圳市供水水源與供水布局優(yōu)化研究》報告［10］，2020年寶安區(qū)供水需求約為5.86億 m3其中寶安區(qū)本地水源97%可供水量約為0.64億 m3(未考慮水源地截污工程對自產(chǎn)水量影響)，深圳市東江境外水按照現(xiàn)狀取水指標(biāo)16.08億 m3可分配寶安區(qū)的水量約為4.16億 m3，寶安區(qū)總可供水量約為4.8億 m3，存在約1.06億 m3供水缺口。

境外輸水末端，供水保證率低。寶安區(qū)區(qū)域外引水線路有兩條，一條是東部供水網(wǎng)絡(luò)干線，另一條是北線供水干線。兩條境外水輸水線路中，寶安區(qū)的鐵崗和石巖水庫均位于輸水線路末端，在輸水過程中受線路中其它用水部門的用水量影響較大。根據(jù)深圳市規(guī)劃2020年東部及網(wǎng)絡(luò)干線、北線供水干線的分水情況，在正常供水條件下，東部水在進入鐵崗水庫時約有140萬 m3/d的水量供給寶安區(qū)各水廠，而北線水在供給上游供水線路上其他單位用水后只剩余9萬m3/d的水量進入石巖水庫供給寶安區(qū)各水廠。而且若兩條輸水線路中某一線路用水量增加，則直接影響寶安區(qū)的原水供應(yīng)。由此可見，由于寶安區(qū)位于深圳市境外水供水分配系統(tǒng)的末端，其原水供應(yīng)存在較大的風(fēng)險。

原水輸配水工程建設(shè)規(guī)模不足，工程超負荷運行。石松支線工程建成于2002年10月，從石巖水庫取水，分別向公明、福永、沙井、松崗等四個街道的水廠提供原水，全線長約26 km，供水規(guī)模為82.7萬 m3/d。2012年石松支線實際最高日輸水規(guī)模約為100萬m3/d，現(xiàn)狀已超負荷運行。按照相關(guān)規(guī)劃，未來空港新城供水推薦由鳳凰水廠承擔(dān)，松崗、福永、公明等片區(qū)遠期供水需求進一步加大，2020年石松支線將承擔(dān)約130萬 m3/d的輸水任務(wù)，石松輸水規(guī)模缺口將進一步擴大。

表4 指標(biāo)分析計算結(jié)果

4.2 供水水質(zhì)方面存在的問題

城市建成區(qū)與水庫毗鄰，威脅水源水質(zhì)。大規(guī)?？焖俪鞘谢瘜?dǎo)致城市建成區(qū)與水庫毗鄰，流域內(nèi)居民生活區(qū)密布，工業(yè)和商業(yè)區(qū)林立，果園和菜地連片，交通道路四通八達，甚至有些城市道路沿庫而建或穿越水庫水面，使水庫流域聚集了大量的生活與工業(yè)點源、農(nóng)業(yè)和城市面源，以及道路、交通、供電、燃氣等線源，對水庫水質(zhì)安全構(gòu)成了潛在重大安全隱患。寶安區(qū)供水水源水庫中有6個水庫水源保護范圍有道路通過，鐵崗水庫、石巖水庫均同時有四條道路通過庫周水源保護范圍，這些交通道路，車流量均較大，嚴重威脅到水庫水源地保護。

小水庫水質(zhì)較差，影響供水安全。寶安區(qū)內(nèi)的立新、屋山等小水庫受周邊污染影響，水庫水質(zhì)較差，特別是在春夏季，原水藻類含量較高，致使出廠水色度、濁度、耗氧量等指標(biāo)有時偏高，水庫水源存在不同程度的總氮、溶解氧、氨氮、六價鉻、汞等水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)及鐵、錳季節(jié)性超標(biāo)等問題。

4.3 供水應(yīng)急能力方面存在的問題

儲備庫容無法正常利用，工程應(yīng)急能力受限。鐵崗水庫為深圳市西部片區(qū)最大的水庫，興利庫容9 340萬 m3。塘頭臨時泵站運行水位低于鐵崗水庫正常蓄水位5.2 m，當(dāng)水庫庫容超過4 620萬 m3，塘頭臨時泵站停止運行，屆時可能影響石巖水庫向福永、沙井、松崗和石巖街道的正常供水。為保證塘頭臨時泵站正常運行，鐵崗水庫需要長期低水位運行，水庫部分儲備庫容無法利用，工程應(yīng)急能力受限。

單水源單管輸水，供水保障體系極其脆弱。石松供水工程為單管輸水工程，一旦工程發(fā)生險情時，石巖水庫無法正常向上述街道供水，各街道的水庫庫容有限，未與東深和東部原水網(wǎng)絡(luò)相連，補充能力不足，備用水源僅能滿足2～3 d供水要求，根本無法應(yīng)對突發(fā)供水事件需要，區(qū)域供水安全保障體系極其脆弱。鑒于石松線現(xiàn)狀在寶安區(qū)供水網(wǎng)絡(luò)中的重要地位，又是西部供水單一水源，停水檢修將給西部片區(qū)供水帶來較大影響，需要協(xié)調(diào)各水廠臨時使用本地水源。同時由于本地小水庫的水質(zhì)問題，各水廠對使用本地水源持強烈的保守態(tài)度。使得石松供水工程自2002年8月竣工通水至今，未進行過系統(tǒng)的停水檢修，工程安全隱患日益凸顯。

4.4 問題解決保障措施

4.4.1 加大境外引水，解決供水缺口

深圳市本地水資源緊缺，供水主要依靠境外水。同時受自然地理條件限制，境外引水工程成為解決資源性缺水地區(qū)用水矛盾的長久性措施，是實現(xiàn)水資源在更大空間上優(yōu)化配置的工程調(diào)控措施。境外水源主要為西江和東江，具體境外引水方案主要有“西水東調(diào)”方案、東深、東部引水工程挖潛和東江洪水資源利用方案。

4.4.2 建設(shè)石甲支線，加固石松支線

提高原水輸配能力。石松支線工程現(xiàn)狀設(shè)計輸水規(guī)模為82.7萬 m3/d?，F(xiàn)狀承擔(dān)松崗、沙井、福永、公明等四片區(qū)輸配水任務(wù)，目前正在建設(shè)的石甲支線(石巖水庫至甲子塘支線)，建成后可承擔(dān)現(xiàn)石松支線向甲子塘水廠輸水任務(wù)，釋放石松支線輸水壓力。

4.4.3 加強飲用水源保護，確保水源水質(zhì)安全

為了保證水源水質(zhì)安全，必須構(gòu)筑嚴格的水源地保護體系，根據(jù)水庫水源地生態(tài)破壞情況，結(jié)合水庫水源地的自然、社會特點，從管理、工程建設(shè)等方面提出全面的水生態(tài)修復(fù)措施，改善和保證庫區(qū)水體水質(zhì)。

4.4.4 消除鐵崗水庫正常蓄水影響因素，發(fā)揮儲備和調(diào)蓄水庫功能

鐵崗水庫設(shè)計正常蓄水位28.7 m，受庫尾鐵石臨時泵站運行要求鐵崗水庫水位不能超過23.5 m，其儲備水源功能不能發(fā)揮。消除鐵崗水庫正常蓄水影響因素的對策為在加快推進鐵長支線工程的前提下，適時對鐵石臨時泵站進行報廢處理，消除水庫蓄水限制因素。

4.4.5 定位小水庫應(yīng)急備用功能，提高供水應(yīng)急保障能力

開展應(yīng)急備用水源建設(shè)，提高片區(qū)水源應(yīng)急能力是應(yīng)對寶安區(qū)突發(fā)性水危機事件的重要手段。立新、屋山、長流陂、五指耙水庫為寶安區(qū)的四座小(1)型水庫，其中立新水庫興利庫容692萬 m3，屋山水庫興利庫容192萬 m3，長流陂水庫興利庫容499萬 m3，五指耙水庫興利庫容125萬 m3，在應(yīng)急條件下，利用水庫現(xiàn)有的供水管道可向?qū)?yīng)水廠進行應(yīng)急供水天數(shù)最少為8 d(五指耙水廠)，最多為40 d(立新水廠)，可為供水應(yīng)急事故的搶修爭取寶貴的時間來保障供水片區(qū)的用水需求。

5 結(jié)語

通過分析水資源安全的影響因素，本研究將城市供水片區(qū)水資源安全按照水量、水質(zhì)、應(yīng)急能力三個方面分別分析其指標(biāo)組成;采用模糊可變評價方法計算得到寶安區(qū)水資源供水系統(tǒng)現(xiàn)狀級別介于Ⅲ級(基本安全)、Ⅳ級(不安全)之間，可認為寶安區(qū)水資源供水系統(tǒng)現(xiàn)狀安全水平較低，存在一定安全隱患;詳細分析寶安區(qū)水資源供水系統(tǒng)在水量、水質(zhì)和應(yīng)急能力方面存在的問題，并通過采取相關(guān)的工程與非工程對策措施有針對性的對相關(guān)問題進行處理。本研究對于分析寶安區(qū)水資源供水狀況，評價水資源可持續(xù)利用程度，保證城市經(jīng)濟有質(zhì)量的穩(wěn)定增長有重要意義。

［1］謝高地，成升魁，于貴瑞，等.中國自然資源消耗與國家資源安全變化趨勢［J］.中國人口.資源與環(huán)境.2002，12(3):22 －26.

［2］鄭芳.水資源安全理論和保障機制研究［D］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué).2007.

［3］暢明琦.水資源安全理論與方法研究［D］.西安理工大學(xué).2006.

［4］鄭通漢.論水資源安全與水資源安全預(yù)警［J］.中國水利.2003，(6):19－22.

［5］賈紹鳳，王國，夏軍，等.社會經(jīng)濟系統(tǒng)水循環(huán)研究進展［J］.地理學(xué)報.2003，58(2):255 －262.

［6］代穩(wěn)，諶洪星，仝雙梅.水資源安全評價指標(biāo)體系研究［J］.節(jié)水灌溉.2012，(03):40 －43.

［7］陸仁強.城市供水系統(tǒng)脆弱性分析及風(fēng)險評價系統(tǒng)方法研究［D］.天津大學(xué).2010.

［8］深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院.寶安區(qū)水資源安全評估及對策措施研究［R］.深圳:深圳市寶安區(qū)環(huán)境保護和水務(wù)局.2013.

［9］陳守煜.水資源與防洪系統(tǒng)可變模糊集理論與方法［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社.2005.

［10］深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院.深圳市供水水源與供水布局優(yōu)化研究［R］.深圳:深圳市水務(wù)局.2012.