面向保障未來穩(wěn)定的供水能力
——供水服務(wù)的經(jīng)驗與挑戰(zhàn)：東京都供水歷史和現(xiàn)狀

邵 宏，曹徐齊，，阮辰旼，

(1.上?！秲羲夹g(shù)》雜志社，上海 200082；2.上海市凈水技術(shù)學會，上海 200082)

1 概況介紹

自1898年建立現(xiàn)代供水系統(tǒng)以來，東京經(jīng)過100多年堅持不懈的運營服務(wù)，實現(xiàn)了世界級供水系統(tǒng)的建設(shè)目標。作為東京23區(qū)及多摩(Tama)地區(qū)26個城鎮(zhèn)主要的供水管理及服務(wù)機構(gòu)，東京都水道局(Bureau of Waterworks，Tokyo Metropolitan Government)采取了一系列措施，提高了居民的生活水平，為東京國際化大都市的建設(shè)做出了巨大貢獻。這些舉措包括解決城市擴張帶來的用水需求增長問題及飲用水傳染病風險問題、改進自來水處理工藝以應(yīng)對原水水質(zhì)劣化、提高自來水水質(zhì)標準、減少產(chǎn)銷差以及其他各類基于用戶需求的措施。

盡管如此，東京的供水系統(tǒng)目前仍面臨一些問題，包括大規(guī)模建于日本經(jīng)濟高速增長時期的供水設(shè)施正在老化，亟需更新；強地震、特大暴雨等大規(guī)模自然災(zāi)害的應(yīng)對需要改進加強等。除此以外，東京都水道局還需要適時應(yīng)對各種未來潛在的問題與風險，其中包括人口減少與氣候變化對水環(huán)境的影響等。

2 東京供水系統(tǒng)的發(fā)展歷史[1]

東京供水系統(tǒng)可以回溯至100多年前。當時面臨的主要問題是水源的污染以及木制水閘的腐爛，此外在1886年許多居民成為霍亂爆發(fā)的受害者，這促使東京在1888年開始了一項關(guān)于建造現(xiàn)代供水系統(tǒng)的詳細調(diào)研。該供水系統(tǒng)設(shè)計將多摩川(Tama River)河水通過43 km長、有著360年歷史的多摩川水渠(Tamagawa Channel)引入淀橋(Yodobashi)水廠，在水廠內(nèi)完成沉淀與過濾后，通過鐵管加壓輸配到東京市區(qū)。從1898年12月1日東京神田(Kanda)區(qū)與日本橋(Nihombashi)區(qū)通自來水開始，這一供水系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域不斷擴大，于1911年初具規(guī)模。該現(xiàn)代供水系統(tǒng)完工兩年之后，東京又開始了以建造水庫與水廠為重點的擴張工程。

1923年關(guān)東大地震之后，城市化浪潮擴張到東京郊區(qū)，供水需求也隨著城市面積的增大而提升，因此供水系統(tǒng)擴張工程得到進一步實施。在二戰(zhàn)重建期后的經(jīng)濟高速增長時期，城市化進程加速，城區(qū)工業(yè)與人口密度越來越高，小家庭數(shù)量持續(xù)增加，居民生活方式多樣化，大型建筑涌現(xiàn)，造成東京的供水局面愈發(fā)緊張。為應(yīng)對這一切，東京著手實施新的供水系統(tǒng)擴張工程，以利根川(Tone River)河水為水源，新建了一條用于原水輸配的總管。

近年來，為滿足人們對于安全、適口的自來水日益增長的使用需求，東京不僅為以利根川河水為原水的供水系統(tǒng)引入了深度處理工藝，還為自來水的穩(wěn)定供給改進了輸配方式。

3 東京供水服務(wù)現(xiàn)狀

東京都水道局現(xiàn)已成為世界上最大的水務(wù)運營商之一，為約1 239 km2服務(wù)區(qū)域內(nèi)的1 300多萬居民提供日常供水服務(wù)。2018年，東京都水道局總供水量約為15.4億m3，實際最大供水量約為457萬m3/d[2]。截至2018年3月，東京供水服務(wù)的總體情況如表1所示。

表1 東京供水服務(wù)現(xiàn)狀(截至2018年3月)[2]Tab.1 Current Status of Water Supply in Tokyo (as of March 2018)[2]

圖1 東京近20年的平均用水量及服務(wù)人口數(shù)量變化[2]Fig.1 Variation of Daily Average Water Consumption and Population Served in Tokyo in Recent 20 Years[2]

3.1 水源

東京幾乎所有自來水的原水都取自河流，其中78%取自利根川/荒川(Arakawa River)河系，19%取自多摩川河系[1]。20世紀60年代初期，東京仍以多摩川河系作為主要水源地。隨后，為應(yīng)對快速增長的用水需求，東京開始了對利根川河系的更多利用，開發(fā)建設(shè)利根川水源地。目前，東京都政府保有的原水水量為630萬m3/d。

3.2 用水需求

用水需求是決定供水系統(tǒng)服務(wù)能力的重要因素之一，它會隨著人口流動情況、生活方式、氣候條件以及社會經(jīng)濟狀況的變化而發(fā)生波動。東京曾經(jīng)歷過用水需求隨經(jīng)濟增長和人口數(shù)量上升而呈明顯增長態(tài)勢的時期，然而，不確定的社會經(jīng)濟發(fā)展趨勢、氣候變化、自然災(zāi)害等條件可能會對供水需求產(chǎn)生潛在影響，未來的用水需求可能會出現(xiàn)不可預(yù)料的變化。據(jù)估計，東京的用水需求與目前的日均用水量保持在同一水平，同時其將在2018年～2027年這10年達到峰值，如果考慮到包括管網(wǎng)漏損等在內(nèi)的波動因素，東京的日最大用水量峰值將達到600萬m3。東京近20年的平均用水量及服務(wù)人口數(shù)量變化如圖1所示[2]。

3.3 水廠

東京都水道局目前正在運行的主要自來水廠共有11座，日最大總制水能力約為686萬m3。各自來水具體情況如表2所示[3]。根據(jù)原水水質(zhì)狀況，這些自來水廠選用臭氧-生物活性炭深度處理系統(tǒng)、快速/慢速砂濾系統(tǒng)、膜處理或消毒處理等工藝對原水進行處理。所有待處理原水中，約17.2%的原水僅采用快速/慢速砂濾工藝進行處理，約79.9%的原水采用快速砂濾+臭氧-生物活性炭深度處理工藝進行處理，約2.7%的原水采用慢速砂濾+膜處理工藝進行處理，另有0.2%的原水為地下水，僅作消毒處理?？焖偕盀V工藝流程如圖2所示[3]，深度處理工藝如圖3所示[3]。

表2 東京自來水廠概要(截至2018年3月)[3]Tab.2 Outline of Water Purification Plants in Tokyo (as of March 2018)[3]

注：玉川水廠當前未運行，其處理量計入總量

圖2 快速砂濾工藝流程圖[3]Fig.2 Flow Chart of Rapid Sand Filtration Process[3]

圖3 臭氧-生物活性炭深度處理工藝(金町水廠)[3]Fig.3 Advanced Water Treatment Process by Ozonation-Biological Activated Carbon Adsorption (Kanamachi Water Purification Plant)[3]

圖4 東京供水輸配系統(tǒng)[1]Fig.4 Water Supply Transmission and Distribution System in Tokyo[1]

3.4 輸配水設(shè)施

東京自來水供水站由輸配調(diào)蓄水庫與泵機組成(圖4)[1]，它們在自來水輸配控制中起主要作用，可暫時貯存經(jīng)水廠處理后輸送過來的自來水，并將其分配給服務(wù)區(qū)域，可根據(jù)用戶即時的用水水量隨時調(diào)整配送水量和切換輸送系統(tǒng)。地震等災(zāi)害發(fā)生時，它們也能為周邊居民臨時供水。供水運行中心對所有泵機與輸配調(diào)蓄水庫實施遠程控制操作。

東京自來水總管(內(nèi)徑為400～2 700 mm)與支管(內(nèi)徑為50～350 mm)總長為27 126 km(截至2018年3月)[3]，相當于地球赤道長度的2/3。

3.5 水質(zhì)控制與管理

針對氯味物質(zhì)、致臭物質(zhì)等會直接影響自來水感官的8項指標，東京都水道局自行制定了“適口自來水水質(zhì)目標”[3]，如表3所示，這一標準的各項指標都比日本的國家水質(zhì)標準更為嚴格。

表3 適口自來水水質(zhì)目標[3]Tab.3 Water Quality Target for Better Tasting Water[3]

為了徹底實現(xiàn)水質(zhì)的強化控制，東京都水道局開發(fā)了基于世界衛(wèi)生組織的“水安全計劃”(從水源地到龍頭水的全過程水質(zhì)風險管理方法)和《檢測和校準實驗室能力的通用要求》(ISO/IEC 17025，用于確保水質(zhì)檢測結(jié)果的可靠性)的“東京高品質(zhì)水管理計劃”(圖5)[3]，包括“先進的質(zhì)量控制”與“高精確度的水質(zhì)檢驗”等方面。在此基礎(chǔ)上，針對那些可對用戶龍頭水水質(zhì)產(chǎn)生有害作用的安全隱患，東京都水道局建立了可快速對其做出響應(yīng)的風險管理系統(tǒng)，可提前采取控制措施對自來水水質(zhì)予以保護，并在所有過程實施徹底的水質(zhì)檢測。此外，東京都水道局與國際接軌，采用最新的技術(shù)手段與研究成果確保龍頭水的安全與高質(zhì)。

圖5 東京高品質(zhì)水管理計劃概要[3]Fig.5 Outline of High Quality Management Program in Tokyo[3]

圖6 供水運行系統(tǒng)[3]Fig.6 Water Supply Operation System[3]

3.6 供水運行

東京都水道局的供水設(shè)施包括取水設(shè)施、水廠、供水站與輸配管網(wǎng)等，它們共同組成了一個龐大的系統(tǒng)。目前，水廠和供水站的備用體系已全面加強，因此可以大范圍地共享輸配管網(wǎng)系統(tǒng)。供水運行中心采用一套供水運行系統(tǒng)來收集和處理供水設(shè)施的各類數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)由若干臺大型計算機和通訊設(shè)備構(gòu)成，供水運行中心對數(shù)據(jù)進行全程實時監(jiān)測，并根據(jù)實際用水需求的波動來及時有效地完成供水運行調(diào)度。供水運行中心也編制原水方案、干管運行方案、泵機運行方案以及輸配調(diào)蓄水庫運行方案等，為各類供水設(shè)施的運行提供操作手冊。此外，中心還開發(fā)和利用各類工程系統(tǒng)來實現(xiàn)輸配水水量預(yù)測、輸配調(diào)蓄水庫運行以及管網(wǎng)事故檢測等[3]。

通過融合了各種先進功能的供水運行系統(tǒng)(圖6)以及具備專業(yè)技能和豐富經(jīng)驗的員工，供水運行中心可以靈活應(yīng)對每日的供水量波動以及事故災(zāi)害等突發(fā)緊急狀況，合理操控龐大的供水系統(tǒng)。