面向保障未來穩(wěn)定的供水能力
——供水服務(wù)的經(jīng)驗(yàn)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(xué)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(yùn)營服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了世界級供水系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)。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(jī)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(xiàn)。這些舉措包括解決城市擴(kuò)張帶來的用水需求增長問題及飲用水傳染病風(fēng)險問題、改進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)、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(jì)高速增長時期的供水設(shè)施正在老化，亟需更新；強(qiáng)地震、特大暴雨等大規(guī)模自然災(zāi)害的應(yīng)對需要改進(jìn)加強(qiáng)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(fēng)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(dāng)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(xì)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(kuò)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(diǎn)的擴(kuò)張工程。

1923年關(guān)東大地震之后，城市化浪潮擴(kuò)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(kuò)張工程得到進(jìn)一步實(shí)施。在二戰(zhàn)重建期后的經(jīng)濟(jì)高速增長時期，城市化進(jìn)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(shí)施新的供水系統(tǒng)擴(kuò)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(jìn)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(yùn)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(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(dá)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(dá)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(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行處理，約2.7%的原水采用慢速砂濾+膜處理工藝進(jìn)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(dāng)前未運(yùn)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(jī)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(yùn)行中心對所有泵機(jī)與輸配調(diào)蓄水庫實(shí)施遠(yuǎn)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(dāng)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(biāo)，東京都水道局自行制定了“適口自來水水質(zhì)目標(biāo)”[3]，如表3所示，這一標(biāo)準(zhǔn)的各項指標(biāo)都比日本的國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。

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

為了徹底實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的強(qiáng)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(fēng)險管理方法)和《檢測和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)的質(zhì)量控制”與“高精確度的水質(zhì)檢驗(yàn)”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(fēng)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(hù)，并在所有過程實(shí)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(yùn)行系統(tǒng)[3]Fig.6 Water Supply Operation System[3]

3.6 供水運(yùn)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(qiáng)，因此可以大范圍地共享輸配管網(wǎng)系統(tǒng)。供水運(yùn)行中心采用一套供水運(yùn)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(jī)和通訊設(shè)備構(gòu)成，供水運(yùn)行中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行全程實(shí)時監(jiān)測，并根據(jù)實(shí)際用水需求的波動來及時有效地完成供水運(yùn)行調(diào)度。供水運(yùn)行中心也編制原水方案、干管運(yùn)行方案、泵機(jī)運(yùn)行方案以及輸配調(diào)蓄水庫運(yùn)行方案等，為各類供水設(shè)施的運(yùn)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(shí)現(xiàn)輸配水水量預(yù)測、輸配調(diào)蓄水庫運(yùn)行以及管網(wǎng)事故檢測等[3]。

通過融合了各種先進(jìn)功能的供水運(yùn)行系統(tǒng)(圖6)以及具備專業(yè)技能和豐富經(jīng)驗(yàn)的員工，供水運(yùn)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)。