水源地供水風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與綜合評(píng)估研究

李婷婷，聶俊坤，霍毅鵬，王一凡

(1.北京市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院；2.北京市城規(guī)技術(shù)服務(wù)中心，北京 100045)

水源地供水安全評(píng)估作為城鎮(zhèn)用水安全的重要保障舉措，針對(duì)水源地供水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)對(duì)保護(hù)水源地安全，提升水源地綜合管理水平具有重要實(shí)踐價(jià)值。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者針對(duì)水源地安全問(wèn)題展開(kāi)了一系列有益研究，周曄等探究估測(cè)了水源地突發(fā)水污染公共安全事件應(yīng)急預(yù)留水量需求[1]。王長(zhǎng)普評(píng)估了海河流域大型水庫(kù)飲用水水源地水環(huán)境安全[2]。俞建軍等基于全過(guò)程安全評(píng)估體系評(píng)估了水庫(kù)型水源地安全[3]，上述研究對(duì)水源地安全評(píng)估具有重要指導(dǎo)意義，而水源地供水風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與綜合評(píng)估相關(guān)研究尚需深入。水質(zhì)與水量作為水源地供水安全的主要風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)象，綜合考慮工程運(yùn)行、水資源量、水質(zhì)以及水位要素，通過(guò)實(shí)施水源地供水安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與定量評(píng)估，以期為水源地供水風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處置方案及應(yīng)對(duì)策略制定提供技術(shù)支撐。

1 水源地供水安全綜合評(píng)估

為科學(xué)開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)水源地水資源，針對(duì)水源地供水水質(zhì)、水量以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源實(shí)施綜合評(píng)估，有助于強(qiáng)化現(xiàn)狀問(wèn)題監(jiān)管并提升供水管理水平。

1.1 周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)估

針對(duì)水源地周邊潛在風(fēng)險(xiǎn)源實(shí)施調(diào)研，明確污染物排放具體情況，對(duì)削減水源地污染風(fēng)險(xiǎn)概率，強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)管具有重要作用。

1.1.1 污水處理廠及工礦企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)源

通過(guò)調(diào)研污水處理廠及工礦企業(yè)排污量及排污口布置，分析其處理有害、有毒物質(zhì)形式，評(píng)估企業(yè)危險(xiǎn)物品監(jiān)管水平與措施，揭示其污染物質(zhì)潛在泄漏量，從而明確該類風(fēng)險(xiǎn)源危害水平[4]。

1.1.2 養(yǎng)殖場(chǎng)及居民生活風(fēng)險(xiǎn)源

養(yǎng)殖場(chǎng)及居民生活污水排放是水源地污染的重要風(fēng)險(xiǎn)源，通過(guò)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)與居民區(qū)排污量、主要污染因子以及排污口的調(diào)研，可以揭示其污染風(fēng)險(xiǎn)程度。

1.1.3 歷史風(fēng)險(xiǎn)源

針對(duì)水源地周邊歷史污染事件產(chǎn)生的原因及危害程度實(shí)施調(diào)研，有助于辨識(shí)水源地主要污染風(fēng)險(xiǎn)源，強(qiáng)化對(duì)水源地區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知程度。

1.1.4 其他風(fēng)險(xiǎn)源

船舶與機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)輸危險(xiǎn)品泄露事故將嚴(yán)重威脅水源地供水安全，針對(duì)水源地周邊河流航道及交通公路運(yùn)輸物品類型與運(yùn)輸量實(shí)施調(diào)研，從而評(píng)估其泄露對(duì)水源地造成的危害水平[5]。同時(shí)，針對(duì)水源地周邊植被覆蓋以及土地開(kāi)發(fā)利用情況進(jìn)行調(diào)查，可明晰周邊生態(tài)環(huán)境安全狀況。

1.2 水質(zhì)安全評(píng)估

遵循GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》以及《全國(guó)城市飲用水水源地安全評(píng)估技術(shù)準(zhǔn)則》，可依據(jù)水源地供水安全評(píng)估要素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等安全級(jí)別，將水源地待評(píng)估因子分為5組等級(jí)[6]。采用單因子安全水平與綜合安全水平評(píng)估的方式實(shí)施水源地供水安全評(píng)估，各因子安全水平按下式推算：

(1)

式中，Ai—i待評(píng)估因子水質(zhì)安全水平；Aiok—i待評(píng)估因子k等級(jí)水質(zhì)安全水平；Bi—i待評(píng)估因子實(shí)際濃度；Biok—i待評(píng)估因子k等級(jí)濃度標(biāo)準(zhǔn)；Biok+1—i待評(píng)估因子k+1等級(jí)濃度標(biāo)準(zhǔn)。其中，若i待評(píng)估因子僅有一個(gè)濃度標(biāo)準(zhǔn)Bio表，則當(dāng)Bi=0時(shí)，Ai=1；當(dāng)0

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

MQA=0.7×MQA1+0.3×MQA2

(2)

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

1.3 水量安全評(píng)估

為滿足城鎮(zhèn)生活供水、農(nóng)業(yè)灌溉以及航運(yùn)等方面的取水需求，針對(duì)水源地水資源量、水位以及工程供水保障能力實(shí)施評(píng)估，可判斷水源地供水水量安全水平。

1.3.1 水資源量評(píng)估

通過(guò)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(chǔ)上，揭示各時(shí)段水源地缺水率，從而評(píng)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(jì)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(píng)估

為科學(xué)評(píng)估水源地水位狀況，應(yīng)在尚未取水時(shí)對(duì)水源地年最低水位實(shí)施長(zhǎng)序列頻率計(jì)算，求得設(shè)計(jì)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(píng)估供水后水源地水位是否滿足漁業(yè)、航運(yùn)以及生態(tài)環(huán)境對(duì)水位的需求[9]，水位按下式計(jì)算：

E=Ed-Eu≥max(Ez，En，Ef，…)

(4)

式中，E—供水后水源地水位；Ed—設(shè)計(jì)供水保障率下的枯水位；Eu—供水造成的水位下降值；Ez—漁業(yè)所需最低水位；En—航運(yùn)所需最低水位；Ef—生態(tài)環(huán)境所需最低水位。

1.3.3 工程供水保障能力評(píng)估

將水源地供水工程對(duì)生活需水的保障能力作為評(píng)估因子，綜合設(shè)計(jì)與現(xiàn)狀生活供水能力，評(píng)估水源地供水保障水平按下式計(jì)算：

(5)

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

綜上所述，水源地供水水質(zhì)、水量及工程供水保障能力安全因子中任何一項(xiàng)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，即可視為水源地供水存在安全隱患。

2 水源地供水風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

水源地供水風(fēng)險(xiǎn)主要涵蓋水質(zhì)與水量2種類型。水質(zhì)型供水風(fēng)險(xiǎn)主要受周邊污染源或突發(fā)污染事件影響，集中體現(xiàn)為水源地水體污染。水量型供水風(fēng)險(xiǎn)主要受制于區(qū)域氣候條件或上游來(lái)水量，集中體現(xiàn)為水源地水位或供水保障能力的不足[10]。通過(guò)調(diào)研分析水源地供水安全現(xiàn)狀，基于各因子發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率辨識(shí)水源地主要風(fēng)險(xiǎn)源，從而綜合評(píng)估水源地供水風(fēng)險(xiǎn)水平。

2.1 水質(zhì)型風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)特征與性質(zhì)的不同，水源地水質(zhì)型供水風(fēng)險(xiǎn)可分為常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)與突發(fā)污染事件兩種，同時(shí)采取不同風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與分析方法。

2.1.1 常規(guī)供水風(fēng)險(xiǎn)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中水質(zhì)不達(dá)標(biāo)頻次占總次數(shù)比例，按下式推求常規(guī)供水風(fēng)險(xiǎn)概率值：

(6)

式中，P1—常規(guī)供水風(fēng)險(xiǎn)概率值，%；g—水質(zhì)不達(dá)標(biāo)頻次；G—水質(zhì)總測(cè)次。

2.1.2 突發(fā)污染事件供水風(fēng)險(xiǎn)

(1)危險(xiǎn)品運(yùn)輸泄露事件。為客觀評(píng)估船舶或車(chē)輛運(yùn)輸泄露事件發(fā)生概率，可綜合船舶噸位、通航能力、船舶燃料、車(chē)流量、公路等級(jí)以及運(yùn)輸物品等因素，定性分析事件風(fēng)險(xiǎn)程度。此外，可通過(guò)事故樹(shù)等統(tǒng)計(jì)方法歸納歷史風(fēng)險(xiǎn)事件，定量推求風(fēng)險(xiǎn)概率[11]。當(dāng)水源地周邊道路資料充足時(shí)，定量推求交通事故誘發(fā)泄露事件風(fēng)險(xiǎn)概率值：

(7)

式中，P2—危險(xiǎn)品運(yùn)輸泄露事件風(fēng)險(xiǎn)概率值，%；R1—水源地周邊年車(chē)流量，萬(wàn)輛/a；R2—危險(xiǎn)品運(yùn)輸車(chē)輛占總車(chē)流量比例；R3—重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)路段長(zhǎng)度，km；R4—重點(diǎn)路段重大交通事故概率值，次/萬(wàn)輛·km；R5—高速公路事故風(fēng)險(xiǎn)降低比例，%。

(2)流域水質(zhì)污染事件。擔(dān)負(fù)防洪、發(fā)電以及排澇等功能的水源地，其水質(zhì)通常易遭受流域水質(zhì)污染事件威脅。應(yīng)結(jié)合流域多年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，辨識(shí)各不利情況下流域水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)推求水源地水質(zhì)遭受污染概率值。

(3)工礦企業(yè)異常排污事件。應(yīng)根據(jù)水源地周邊工礦企業(yè)排污口設(shè)置情況、危險(xiǎn)品儲(chǔ)存量、廢污水處理水平，定性分析水源地污染風(fēng)險(xiǎn)概率值。

2.2 水量型風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

水源地水量型供水風(fēng)險(xiǎn)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(yīng)綜合水源地多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)狀評(píng)估，推求供水保障能力不足、水資源量短缺以及水位不足風(fēng)險(xiǎn)概率值。

2.2.1 供水保障能力不足風(fēng)險(xiǎn)

P3=1-H

(8)

式中，P3—水源地供水保障能力不足風(fēng)險(xiǎn)概率值，%；H—工程供水保障能力，%。其中，當(dāng)受水區(qū)因節(jié)水而使得用水量未達(dá)到設(shè)計(jì)值，則工程供水保障能力不足風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)減小。

2.2.2 水資源量短缺風(fēng)險(xiǎn)

依據(jù)水源地供水及用戶需水情況，未滿足設(shè)計(jì)保證率即為存在水資源量短缺風(fēng)險(xiǎn)，基于式(3)推求水源地水資源量短缺風(fēng)險(xiǎn)概率值P4。

2.2.3 水位不足風(fēng)險(xiǎn)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)時(shí)段內(nèi)水源地水位不足時(shí)段評(píng)估結(jié)果，推求水位不足風(fēng)險(xiǎn)概率值:

(9)

式中，P5—水源地水位不足風(fēng)險(xiǎn)概率值，%；t—水位不足時(shí)長(zhǎng)，d；N—評(píng)估時(shí)長(zhǎng)，d。

2.3 供水總風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

水源地供水安全遭受多重相互獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)因素威脅，即水源地供水總風(fēng)險(xiǎn)概率值：

(10)

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

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

以我國(guó)北方某水源地為例實(shí)施應(yīng)用研究，研究區(qū)屬于溫帶半干旱氣候區(qū)，地處平原河網(wǎng)區(qū)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(shè)計(jì)保證率為95%，河道主要承擔(dān)泄洪、排澇等功能，取水用戶主要以農(nóng)業(yè)灌溉為主，用水高峰期為每年5～10月。同時(shí)，該水源地保護(hù)區(qū)域主要遭受農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)以及生活污染源威脅。

3.2 水源地供水安全綜合評(píng)估

3.2.1 水質(zhì)安全評(píng)估

選取現(xiàn)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(zhì)安全綜合水平均小于3，且水源地供水水質(zhì)安全綜合水平為2.63<3，則水源地供水水質(zhì)較安全，水質(zhì)較為良好。同時(shí)，分析水源地最不利來(lái)水情況下近5a(2010～2014年)各斷面水質(zhì)可知，受2012年8月排澇因素影響，水體氨氮、溶解氧含量超標(biāo)，導(dǎo)致水源地曾連續(xù)16d水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。

3.2.2 水量安全評(píng)估

基于式(4)推求水源地在供水設(shè)計(jì)保證率下取水造成的水位平均降幅為3cm，個(gè)別時(shí)間段水位變幅達(dá)15cm，但大變幅水位歷時(shí)較短且對(duì)航運(yùn)與生態(tài)影響較小，因此供水后水源地水位較為安全，可滿足漁業(yè)、航運(yùn)以及生態(tài)環(huán)境對(duì)水位的需求。同時(shí)，因用戶現(xiàn)狀取水量小于設(shè)計(jì)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(yùn)行安全為Ⅰ級(jí)，工程供水保障能力較強(qiáng)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)2015年現(xiàn)狀水平年水源地來(lái)水量，推求可供水資源量，同時(shí)統(tǒng)計(jì)用戶現(xiàn)狀水平年取用水量，推求受水區(qū)現(xiàn)狀水平年需水量，分析現(xiàn)狀水平年水量供需平衡(見(jiàn)表1)，以評(píng)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(wàn)m3

由表1可知，水源地現(xiàn)狀水平年在95%設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

3.3.1 水質(zhì)型風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

該水源地整體水質(zhì)情況較為良好，可滿足供水水質(zhì)需求。其中，2012年8月受排澇因素影響，水源地水質(zhì)相對(duì)較差，由式(6)、式(7)推求可得排澇造成供水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)概率值為1.28%。同時(shí)，進(jìn)入該水源地航道船舶以礦石、煤炭運(yùn)輸為主，且對(duì)毒化學(xué)物品攜帶實(shí)施嚴(yán)格管控，因航道水流流態(tài)平緩，故水源地基本無(wú)危險(xiǎn)品泄漏事件，但船舶燃油泄漏事件風(fēng)險(xiǎn)仍舊存在。水源地保護(hù)區(qū)域內(nèi)有一條公路穿過(guò)，公路車(chē)流量較大且交管部門(mén)對(duì)車(chē)載物品無(wú)特殊管限，故該水源地交通事故誘發(fā)泄露事件風(fēng)險(xiǎn)仍舊存在，且因車(chē)載物品無(wú)特殊管限，則交通事故誘發(fā)泄露事件風(fēng)險(xiǎn)危害程度及性質(zhì)難以辨識(shí)。此外，該水源地周邊無(wú)污水處理廠及工礦企業(yè)等，即危險(xiǎn)品泄漏即工礦企業(yè)異常排污事件風(fēng)險(xiǎn)較小。

3.3.2 水量型風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

由式(8)、式(9)計(jì)算可知，該水源地在2015年現(xiàn)狀水平年取水條件下水位可滿足供水需求，同時(shí)因設(shè)計(jì)保證率可供水量大于用戶現(xiàn)狀需水量，則現(xiàn)狀水平年下水源地水位不足風(fēng)險(xiǎn)及供水保障能力不足風(fēng)險(xiǎn)較小。同時(shí)，基于式(3)對(duì)水源地2020及2030年規(guī)劃水平年實(shí)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(fēng)險(xiǎn)概率值分別為1.41%、1.43%(取較大者)，則水資源量短缺風(fēng)險(xiǎn)概率值為1.43%。

3.3.3 供水總風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

水源地現(xiàn)狀水平年供水水質(zhì)及水量整體較為安全，工程供水保障能力較強(qiáng)，但仍存在排澇污染、季節(jié)型缺水、交通事故誘發(fā)危險(xiǎn)品泄露事件以及船舶燃油泄漏等風(fēng)險(xiǎn)。鑒于交通事故風(fēng)險(xiǎn)難以預(yù)測(cè)及燃油泄漏風(fēng)險(xiǎn)較小，則僅對(duì)該類風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施定性分析。由上述計(jì)算可知，水源地設(shè)計(jì)枯水年水資源量短缺風(fēng)險(xiǎn)概率值為1.43%，同時(shí)水源地因排澇造成供水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)概率值為1.28%。由式(10)可知，水源地供水總風(fēng)險(xiǎn)概率值位2.71%，屬于一般風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略

實(shí)例水源地供水風(fēng)險(xiǎn)主要為季節(jié)型缺水風(fēng)險(xiǎn)、排澇污染風(fēng)險(xiǎn)、交通事故誘發(fā)危險(xiǎn)品泄露事件以及船舶燃油泄漏等風(fēng)險(xiǎn)。為科學(xué)管控水源地供水風(fēng)險(xiǎn)，管理部門(mén)應(yīng)強(qiáng)化對(duì)溶解氧、氨氮等檢測(cè)力度，以及時(shí)辨識(shí)污染事故風(fēng)險(xiǎn)，制定應(yīng)急響應(yīng)對(duì)策并完善水源地周邊生態(tài)環(huán)境及水土保持治理工作。同時(shí)，可在用戶取水口、水源地保護(hù)區(qū)陸域及水域邊界、公路兩側(cè)設(shè)置隔油柵、警示牌以及護(hù)欄等設(shè)施，強(qiáng)化水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)車(chē)船流量及公路交通運(yùn)輸物品管制，以有效防控風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生。此外，可通過(guò)水源聯(lián)合調(diào)度及增設(shè)備用水源地等措施，削弱排澇污染誘發(fā)水源地供水風(fēng)險(xiǎn)概率值。同時(shí)，可通過(guò)鼓勵(lì)公眾參與水源地生態(tài)環(huán)境建設(shè)教育活動(dòng)，從而提升居民水源地保護(hù)意識(shí)與社會(huì)監(jiān)管水平。