水源地供水风险辨识与综合评估研究

李婷婷，聂俊坤，霍毅鹏，王一凡

(1.北京市城市规划设计研究院；2.北京市城规技术服务中心，北京 100045)

水源地供水安全评估作为城镇用水安全的重要保障举措，针对水源地供水风险进行辨识对保护水源地安全，提升水源地综合管理水平具有重要实践价值。近年来，相关学者针对水源地安全问题展开了一系列有益研究，周晔等探究估测了水源地突发水污染公共安全事件应急预留水量需求[1]。王长普评估了海河流域大型水库饮用水水源地水环境安全[2]。俞建军等基于全过程安全评估体系评估了水库型水源地安全[3]，上述研究对水源地安全评估具有重要指导意义，而水源地供水风险辨识与综合评估相关研究尚需深入。水质与水量作为水源地供水安全的主要风险防控对象，综合考虑工程运行、水资源量、水质以及水位要素，通过实施水源地供水安全风险辨识与定量评估，以期为水源地供水风险应急处置方案及应对策略制定提供技术支撑。

1 水源地供水安全综合评估

为科学开发利用与保护水源地水资源，针对水源地供水水质、水量以及环境风险源实施综合评估，有助于强化现状问题监管并提升供水管理水平。

1.1 周边环境风险源评估

针对水源地周边潜在风险源实施调研，明确污染物排放具体情况，对削减水源地污染风险概率，强化风险源监管具有重要作用。

1.1.1 污水处理厂及工矿企业风险源

通过调研污水处理厂及工矿企业排污量及排污口布置，分析其处理有害、有毒物质形式，评估企业危险物品监管水平与措施，揭示其污染物质潜在泄漏量，从而明确该类风险源危害水平[4]。

1.1.2 养殖场及居民生活风险源

养殖场及居民生活污水排放是水源地污染的重要风险源，通过对养殖场与居民区排污量、主要污染因子以及排污口的调研，可以揭示其污染风险程度。

1.1.3 历史风险源

针对水源地周边历史污染事件产生的原因及危害程度实施调研，有助于辨识水源地主要污染风险源，强化对水源地区域风险认知程度。

1.1.4 其他风险源

船舶与机动车运输危险品泄露事故将严重威胁水源地供水安全，针对水源地周边河流航道及交通公路运输物品类型与运输量实施调研，从而评估其泄露对水源地造成的危害水平[5]。同时，针对水源地周边植被覆盖以及土地开发利用情况进行调查，可明晰周边生态环境安全状况。

1.2 水质安全评估

遵循GB3838-2002《地表水环境质量标准》以及《全国城市饮用水水源地安全评估技术准则》，可依据水源地供水安全评估要素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等安全级别，将水源地待评估因子分为5组等级[6]。采用单因子安全水平与综合安全水平评估的方式实施水源地供水安全评估，各因子安全水平按下式推算：

(1)

式中，Ai—i待评估因子水质安全水平；Aiok—i待评估因子k等级水质安全水平；Bi—i待评估因子实际浓度；Biok—i待评估因子k等级浓度标准；Biok+1—i待评估因子k+1等级浓度标准。其中，若i待评估因子仅有一个浓度标准Bio表，则当Bi=0时，Ai=1；当0

针对水源地有毒污染物质采取最差因子法实施安全综合水平评估，采用最差安全评估因子作为有毒污染物质安全综合水平；针对水源地一般污染物质采取各待评估因子算数平均值作为其安全综合水平[7]。将上述2类污染物质安全指数综合，可推算出水源地供水水质安全综合水平：

MQA=0.7×MQA1+0.3×MQA2

(2)

式中，WQA—水源地供水水质安全综合水平；WQA1—有毒污染物水质安全综合水平；WQA2—一般污染物水质安全综合水平，若WQA<3，则水源地供水水质较安全；若WQA≥3，则水源地供水水质较差。

1.3 水量安全评估

为满足城镇生活供水、农业灌溉以及航运等方面的取水需求，针对水源地水资源量、水位以及工程供水保障能力实施评估，可判断水源地供水水量安全水平。

1.3.1 水资源量评估

通过推求水源地不同水平年95%保证率下可供水资源量，在水量供需平衡分析基础上，揭示各时段水源地缺水率，从而评估水源地水量是否满足各用户取水需求[8]，缺水率按下式计算：

(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—用户需水量，m3。

1.3.2 水位评估

为科学评估水源地水位状况，应在尚未取水时对水源地年最低水位实施长序列频率计算，求得设计供水保障率下的枯水位，从而得出供水后水源地水位下降水平，评估供水后水源地水位是否满足渔业、航运以及生态环境对水位的需求[9]，水位按下式计算：

E=Ed-Eu≥max(Ez，En，Ef，…)

(4)

式中，E—供水后水源地水位；Ed—设计供水保障率下的枯水位；Eu—供水造成的水位下降值；Ez—渔业所需最低水位；En—航运所需最低水位；Ef—生态环境所需最低水位。

1.3.3 工程供水保障能力评估

将水源地供水工程对生活需水的保障能力作为评估因子，综合设计与现状生活供水能力，评估水源地供水保障水平按下式计算：

(5)

式中，H—工程供水保障能力，%；Lc—现状生活供水量，m3；Ld—设计生活供水量，m3。其中，若H≥95%，则工程运行安全为Ⅰ级(安全)；若90%≤H<95%，则工程运行安全为Ⅱ级(较安全)；若80%≤H<90%，则工程运行安全为Ⅲ级(一般安全)；若70%≤H<80%，则工程运行安全为Ⅳ级(不安全)；若H<70%，则工程运行安全为Ⅴ级(极不安全)。

综上所述，水源地供水水质、水量及工程供水保障能力安全因子中任何一项未达到标准，即可视为水源地供水存在安全隐患。

2 水源地供水风险辨识

水源地供水风险主要涵盖水质与水量2种类型。水质型供水风险主要受周边污染源或突发污染事件影响，集中体现为水源地水体污染。水量型供水风险主要受制于区域气候条件或上游来水量，集中体现为水源地水位或供水保障能力的不足[10]。通过调研分析水源地供水安全现状，基于各因子发生风险的概率辨识水源地主要风险源，从而综合评估水源地供水风险水平。

2.1 水质型风险辨识

依据风险特征与性质的不同，水源地水质型供水风险可分为常规风险与突发污染事件两种，同时采取不同风险辨识与分析方法。

2.1.1 常规供水风险

通过统计水质监测数据中水质不达标频次占总次数比例，按下式推求常规供水风险概率值：

(6)

式中，P1—常规供水风险概率值，%；g—水质不达标频次；G—水质总测次。

2.1.2 突发污染事件供水风险

(1)危险品运输泄露事件。为客观评估船舶或车辆运输泄露事件发生概率，可综合船舶吨位、通航能力、船舶燃料、车流量、公路等级以及运输物品等因素，定性分析事件风险程度。此外，可通过事故树等统计方法归纳历史风险事件，定量推求风险概率[11]。当水源地周边道路资料充足时，定量推求交通事故诱发泄露事件风险概率值：

(7)

式中，P2—危险品运输泄露事件风险概率值，%；R1—水源地周边年车流量，万辆/a；R2—危险品运输车辆占总车流量比例；R3—重点风险路段长度，km；R4—重点路段重大交通事故概率值，次/万辆·km；R5—高速公路事故风险降低比例，%。

(2)流域水质污染事件。担负防洪、发电以及排涝等功能的水源地，其水质通常易遭受流域水质污染事件威胁。应结合流域多年水质监测资料，辨识各不利情况下流域水质污染风险，同时推求水源地水质遭受污染概率值。

(3)工矿企业异常排污事件。应根据水源地周边工矿企业排污口设置情况、危险品储存量、废污水处理水平，定性分析水源地污染风险概率值。

2.2 水量型风险辨识

水源地水量型供水风险可分为工程供水保障能力、水资源量以及水位不足3种[12]，应综合水源地多年实测数据及现状评估，推求供水保障能力不足、水资源量短缺以及水位不足风险概率值。

2.2.1 供水保障能力不足风险

P3=1-H

(8)

式中，P3—水源地供水保障能力不足风险概率值，%；H—工程供水保障能力，%。其中，当受水区因节水而使得用水量未达到设计值，则工程供水保障能力不足风险相应减小。

2.2.2 水资源量短缺风险

依据水源地供水及用户需水情况，未满足设计保证率即为存在水资源量短缺风险，基于式(3)推求水源地水资源量短缺风险概率值P4。

2.2.3 水位不足风险

通过统计检测时段内水源地水位不足时段评估结果，推求水位不足风险概率值:

(9)

式中，P5—水源地水位不足风险概率值，%；t—水位不足时长，d；N—评估时长，d。

2.3 供水总风险辨识

水源地供水安全遭受多重相互独立风险因素威胁，即水源地供水总风险概率值：

(10)

式中，P—水源地供水总风险概率值，%；n—供水事故风险次数；pi—各种事故风险概率值，%。按照水源地供水特性，依据总风险概率值可将水源地供水风险划分为高(P>5%)、较高(3%

3 应用实例

3.1 研究区概况

以我国北方某水源地为例实施应用研究，研究区属于温带半干旱气候区，地处平原河网区域。该水源地属于河流型水源地，河道多年平均水位约5.93m，河道底宽约为58m，水源地供水设计保证率为95%，河道主要承担泄洪、排涝等功能，取水用户主要以农业灌溉为主，用水高峰期为每年5～10月。同时，该水源地保护区域主要遭受农业、养殖业以及生活污染源威胁。

3.2 水源地供水安全综合评估

3.2.1 水质安全评估

选取现状水平年(2015年)，基于式(1)、式(2)推求有毒污染物及一般污染物水质安全综合水平均小于3，且水源地供水水质安全综合水平为2.63<3，则水源地供水水质较安全，水质较为良好。同时，分析水源地最不利来水情况下近5a(2010～2014年)各断面水质可知，受2012年8月排涝因素影响，水体氨氮、溶解氧含量超标，导致水源地曾连续16d水质不达标。

3.2.2 水量安全评估

基于式(4)推求水源地在供水设计保证率下取水造成的水位平均降幅为3cm，个别时间段水位变幅达15cm，但大变幅水位历时较短且对航运与生态影响较小，因此供水后水源地水位较为安全，可满足渔业、航运以及生态环境对水位的需求。同时，因用户现状取水量小于设计保证率可供水资源量，即水源地水资源量可满足各用户取水需求，且工程运行安全为Ⅰ级，工程供水保障能力较强。

通过统计2015年现状水平年水源地来水量，推求可供水资源量，同时统计用户现状水平年取用水量，推求受水区现状水平年需水量，分析现状水平年水量供需平衡(见表1)，以评估水源地供水水量安全水平。

表1 水源地2015、2020及2030年95%保证率下5～10月供需分析 万m3

由表1可知，水源地现状水平年在95%设计保证率下8月存在缺水情形，缺水率为1.36%。

3.3 水源地供水风险辨识

3.3.1 水质型风险辨识

该水源地整体水质情况较为良好，可满足供水水质需求。其中，2012年8月受排涝因素影响，水源地水质相对较差，由式(6)、式(7)推求可得排涝造成供水水质不达标风险概率值为1.28%。同时，进入该水源地航道船舶以矿石、煤炭运输为主，且对毒化学物品携带实施严格管控，因航道水流流态平缓，故水源地基本无危险品泄漏事件，但船舶燃油泄漏事件风险仍旧存在。水源地保护区域内有一条公路穿过，公路车流量较大且交管部门对车载物品无特殊管限，故该水源地交通事故诱发泄露事件风险仍旧存在，且因车载物品无特殊管限，则交通事故诱发泄露事件风险危害程度及性质难以辨识。此外，该水源地周边无污水处理厂及工矿企业等，即危险品泄漏即工矿企业异常排污事件风险较小。

3.3.2 水量型风险辨识

由式(8)、式(9)计算可知，该水源地在2015年现状水平年取水条件下水位可满足供水需求，同时因设计保证率可供水量大于用户现状需水量，则现状水平年下水源地水位不足风险及供水保障能力不足风险较小。同时，基于式(3)对水源地2020及2030年规划水平年实施供需平衡分析，由表1可知，水源地2020、2030年水资源量短缺风险概率值分别为1.41%、1.43%(取较大者)，则水资源量短缺风险概率值为1.43%。

3.3.3 供水总风险辨识

水源地现状水平年供水水质及水量整体较为安全，工程供水保障能力较强，但仍存在排涝污染、季节型缺水、交通事故诱发危险品泄露事件以及船舶燃油泄漏等风险。鉴于交通事故风险难以预测及燃油泄漏风险较小，则仅对该类风险实施定性分析。由上述计算可知，水源地设计枯水年水资源量短缺风险概率值为1.43%，同时水源地因排涝造成供水水质不达标风险概率值为1.28%。由式(10)可知，水源地供水总风险概率值位2.71%，属于一般风险等别，即水源地供水安全程度一般，水源地供水存在一定安全隐患。

4 水源地供水风险应对策略

实例水源地供水风险主要为季节型缺水风险、排涝污染风险、交通事故诱发危险品泄露事件以及船舶燃油泄漏等风险。为科学管控水源地供水风险，管理部门应强化对溶解氧、氨氮等检测力度，以及时辨识污染事故风险，制定应急响应对策并完善水源地周边生态环境及水土保持治理工作。同时，可在用户取水口、水源地保护区陆域及水域边界、公路两侧设置隔油栅、警示牌以及护栏等设施，强化水源地保护区内车船流量及公路交通运输物品管制，以有效防控风险事件发生。此外，可通过水源联合调度及增设备用水源地等措施，削弱排涝污染诱发水源地供水风险概率值。同时，可通过鼓励公众参与水源地生态环境建设教育活动，从而提升居民水源地保护意识与社会监管水平。