西安市城市应急水源规模探讨

(西安市水资源利用技术服务中心，陕西 西安 710018)

城市供水系统经常面临来自自然、社会和经济发展的各种风险。按风险产生的来源，可分为自然风险、社会风险、经济风险等；按风险发生的频率，可分为极少风险、稀少风险、偶然风险和经常风险等[1]。近些年来，西安市城市供水系统风险日益凸显，如2012年10月-2013年4月，西安市遭遇冬春连旱，降水量仅为56.6 mm[2]，与常年同期相比偏小6成以上，为1961年以来同期第一偏少年，水库水量骤减，接近警戒水位，全市供水形势非常严峻；2016年8月31日，阎良区城市供水管网发生漏水故障，停水2 d，影响到阎良城区4.6万户12万人的正常用水。加强西安市城市应急水源的建设迫在眉睫。

本文以主城区为研究对象，其应急水源规模由应急需水量和遭遇风险时的常规水源可供水量决定。为合理确定遭遇风险时的可供水量，在对城区供水系统风险分析的基础上设定了6种风险模式，逐一量化各种风险模式下2020年、2025年和2030年的可供水量，最终分析确定出各水平年的应急水源规模。

1 城市供水状况

西安主城区的集中供水是从1952年建成的第一水厂开始的，当时仅有深水井3眼，日供水能力0.5万 m3。到1990年，主城区共建8座水厂，日供水能力达到73万 m3。2003年底，以黑河金盆水库为主水源的黑河供水系统的建成使用，标志着西安城市供水模式发生了根本性的变化，从原来基本以地下水为主的供水模式转变为以地表水为主、地下水为辅的供水模式，供水水质得到了很大的改善和提高。随着“引乾济石”、“引湑济黑”工程的成功建设和2015年李家河水库的投入运行，主城区供水结构得到了更加明显的改善。

目前，主城区的常规供水水源主要有黑河供水系统、李家河供水系统、大峪供水系统、5处地下水源地和再生水，2020年后将新增引汉济渭调水工程。应急供水水源主要有城区自备井和石砭峪水库。2015年主城区各常规水源供水能力达到75 381.5万 m3(206.6万 m3/d，不含城区自备井)，详见表1。

另据2015年9月《引汉济渭输配水干线工程总体规划》[3]，2025年和2030年引汉济渭调水工程可向西安主城区分别配置水量98.6万 m3/d(36 000万 m3)和106.4万 m3/d(38 832万 m3)，届时石头河水库将不再向西安供水。

2 城市供水系统风险分析

2.1 风险识别

采用《中国城市饮用水安全保障方略》[4]中的应急能力评估方法对主城区供水系统进行评价和风险识别。

水量方面：主城区供水水源目前以黑河供水系统为主，受水文气象因素影响很大，丰枯年份可供水量差别较大，特别如田峪、就峪、沣峪3处自流引水工程，无径流调蓄能力，可引水量近年来有所减少；5处地下水源地部分水源井受局部地下水位下降、井泵设施老化等影响，供水能力有所下降；2020年后的引汉济渭调水工程，水源是汉江子午河，根据相关资料，汉江子午河流域和黑河流域仅相邻秦岭山脉，径流主要由降雨形成，水情随降雨的变化而变化，两流域除个别旬的径流丰枯不同步外，其余绝大部分径流丰枯基本同步。

水质方面：黑河金盆水库每年周期性污染特征为夏秋高温季节出现藻类高发和有机污染，冬春季节易发高氮磷、高色度与有机污染，周期性的负荷污染可能会对曲江水厂和南郊水厂的安全运行带来一定的水质风险。

输水管网方面：黑河输水渠道工程自黑峪口蔺家湾汇流池起，向东沿秦岭北坡脚，经周至县、鄠邑区、长安区甫店至西安市南郊曲江水厂，管线长85.963 km，全程重力自流单管供水，存在着供水渠道安全隐患。一旦供水渠道遭受极端天气影响或人为破坏，出现渗漏、破损等时，将会直接影响到西安市的城市供水安全。

水厂处理系统方面：黑河供水系统水源供水能力为128.3万 m3/d，而曲江水厂和南郊水厂设计净水能力为仅110万 m3/d，两水厂处理能力与黑河供水系统设计供水能力存在差距，使实际供水量受到影响；目前地表水处理系统以传统的混凝-沉淀-过滤-氯化消毒工艺为主，缺少相应的深度处理工艺，应对高负荷、突发性或周期性污染能力相对较差；地下水厂处理系统以通常的氯化消毒为主，难以适应日益复杂的地下水水质。

应急能力方面：根据西安市封井工作领导小组办公室调查资料分析，主城区现有Ⅰ级应急水井139眼，日供水能力约11.7万 m3/d。另外，石砭峪水库还预留了600万 m3的应急供水量。 这2处应急水源调蓄能力有限，应急处理能力较低。

经识别，主城区供水系统可能遭遇的风险有遭受连年干旱、水库水质出现污染、输水渠道出现故障等。

表1 主城区现有供水水源及供水能力一览表

2.2 风险模式设定

在供水系统风险识别的基础上，为合理确定主城区应急水源规模，本节设定了6种可能遭遇的风险模式(见表2)，其中模式一至模式三是由单一风险因素组成，模式四至模式六是由两种风险因素组合而成。

3 各种风险模式下对可供水量的影响评估

3.1 遭遇特大干旱(模式一)

据《2013年陕西省水资源公报》[2]，西安遭遇渭河流域2012年10月—2013年4月干旱情景时，黑河金盆水库库存水量4 275万 m3，可用水量3 275万 m3，入库水量3.5 m3/s(30.2万 m3/d)；石头河水库库存水量2 600万 m3，可用水量2 100万 m3，供给黑河引水系统1.1 m3/s(9.5万 m3/d)；石砭峪水库库存水量740万 m3，可用水量670万 m3，入库水量约1 m3/s(8.6万 m3/d，含引乾济石水量)；田峪、就峪和沣峪均为自流引水，来水量没有保证，可忽略不计；甘峪水库库存量57.8万 m3，可用水量45.8万 m3，入库水量0.1 m3/s(0.86万 m3/d)。

以上7处地表水来水量5.7 m3/s(49.2万 m3/d)，即黑河供水系统遭遇模式一时可供水量为49.2万 m3/d。2025年、2030年引汉济渭工程建成通水后，根据陕西省水资源规划总体布局，石头河水库不再向西安供水，届时黑河供水系统遭遇模式一时可供水量均为39.7万 m3/d。

通过1956—2000年李家河流域和黑河流域地表径流相似性分析，相关系数为0.8，因此采用面积比拟法，预测当西安遭遇2012年10月至2013年4月的气象条件时，李家河水库流域入库水量约为0.86 m3/s，可向主城区供水约7.4万 m3/d。同理，大峪供水系统合计入库水量约为0.34 m3/s，可向主城区供水约2.9万 m3/d。

据《陕西省地表水资源调查评价分析》，汉江子午河流域和黑河流域仅相邻秦岭山脉，岭南、岭北同丰概率22.5%，同枯概率27.5%，同平概率30%。当西安遭遇上述干旱情景时，引汉济渭调水量将减少2/3以上，由此估算2025年引汉济渭调水工程可供水量32.9万 m3/d，2030年可供水量35.5万 m3/d。

5处地下水源地和再生水受气象因素影响较小，可供水量按现状供水能力。

综上，模式一情景下，主城区各水源2020年、2025年和2030年可供水量分别为123.2万 m3/d、149.1万 m3/d和154.2万 m3/d。

3.2 遭遇水库水质出现污染(模式二)

黑河金盆水库水质受到污染，不能满足居民生活用水标准时，其可供水量为0。主城区其他水源和黑河引水系统中的其他供水水源均不受影响。

经计算，模式二情景下，主城区各水源2020年、2025年和2030年可供水量分别为136.2万 m3/d、211.3万 m3/d和221.6万 m3/d。

3.3 遭遇输水渠道出现故障(模式三)

黑河供水系统输水渠道(见图1)发生故障主要包括三种情景：(1)黑峪口汇流池至沣峪输水工程出现故障的情况；(2)莆店汇流池至曲江水厂和南郊水厂输水管道出现故障的情况；(3)石砭峪供水管道出现故障，其中当黑峪口汇流池至沣峪输水工程出现故障最为严重，黑河供水系统中仅石砭峪水库可正常供水。

图1 西安市黑河供水系统工程平面布置示意图

经计算，模式三情景下，主城区各水源可供水量2020年、2025年和2030年可供水量分别为102.0万 m3/d、203.1万 m3/d和213.4万 m3/d。

表2 主城区供水系统可能遭遇的风险模式设定

3.4 模式四-模式六

模式四至模式六是单一风险因素的互相组合，计算这些风险组合下的可供水量时，均以组合风险因素中最不利的风险因素为控制。由此，确定出主城区遭遇各种风险模式时的可供水量，见表3。

其中模式五，即同时遭遇特大干旱和输水渠道出现故障时，风险最重，可供水量最小；模式二，即遭遇黑河水库水质出现污染时，风险最轻，可供水量最大。

表3 主城区遭遇各种风险时可供水量 万m3/d

4 应急水源规模的确定

4.1 主城区应急需水量预测

应急情况下，可供水量迅速减少，而需水量难以削减，原有供需平衡被打破，因此必须确定应急供水时的用水对象和用水次序，遵循“先生活、后生产，先节水、后调水，先地表水、后地下水”的用水原则，对居民生活用水、生产用水采用降低标准供应，同时限制或暂停用水大户或高耗水行业的用水，最大限度压缩或停止使用道路浇洒和绿地用水。

本文预测主城区应急需水量的思路：首先，根据《室外给水设计规范》(GB50013-2006)[5]，确定用水对象为居民综合生活用水、工业企业用水、管网漏损水量和未预见用水；其次，参考《西安市水中长期供求规划》[6]，估算规划年各用水对象的正常需水量(计算过程见表4)；最后，确定出城市应急需水量压缩系数，计算各规划年应急需水量。

参考国内外对应急需水量的研究[7-15]，本文城市应急需水量压缩系数取值为70%，同时考虑城市供水日变化系数1.15[5]，得出2020年、2025年、2030年主城区应急需水量分别为148.6万 m3/d、156.8万 m3/d和165.2万 m3/d。

4.2 主城区合理应急水源规模的确定

主城区应急水源规模根据式(1)计算确定：

R=D-S

式中：R为应急水源规模，万m3/d；D为应急需水量，万m3/d；S为遭遇风险时可供水量，万m3/d。

由表5分析可知，遭遇单一风险时，以模式一(遭遇特大干旱)所需的应急水源规模最大，风险最为严重，各规划年应急水源规模分别为25.4万 m3/d、7.7万 m3/d和11.0万 m3/d；模式二(黑河水库水质出现污染)和模式三(黑河输水渠道出现故障)时，除2020年，其他规划年已有水源可供水量均可满足应急状态下的需水要求。

遭遇组合风险时，以模式五(同时遭遇特大干旱和输水渠道出现故障)所需的应急水源规模最大，风险最为严重，各规划年应急水源规模分别为66.0万 m3/d、38.8万 m3/d和42.1万 m3/d。

3个规划年中，无论遭遇何种风险模式，均以2020年应急水源规模最大，即引汉济渭调水工程建成通水前，主城区供水风险最为突出。

表4 主城区规划年正常需水量预测

备注：管网漏损量按居民生活、工业企业需水量之和的10%计算，未预见水量按居民生活、工业企业及管网漏损量之和的10%计算。

表5 主城区各规划年应急水源规模计算成果表 万m3/d

5 结语

西安市城市供水系统风险逐步凸显，主城区已建应急水源规模较小。本文通过分析不同风险模式下的可供水量和应急需水量，确定出应急水源规模。主要结论和建议如下：

(1)经识别，西安市主城区目前供水风险主要有遭遇特大干旱、水库出现水质污染事故、地表水源主要输水渠道出现故障。为合理确定主城区应急水源规模，本文设定了6种可能遭遇的风险模式，并定量评价了各种风险模式下规划年的可供水量。

(2)经计算，主城区在同时遭遇特大干旱和输水渠道出现故障(模式五)时所需的应急水源规模最大，风险最为严重。为保障城市供水安全，本文推荐模式五作为主城区应急水源规模建设的参考，即主城区2020年、2025年和2030年应急水源规模分别为66.0万 m3/d、38.8万 m3/d和42.1万 m3/d。

(3)建议加快应急水源工程的建设步伐，尤其应加大引汉济渭调水工程通水前主城区应急水源的储备。加快调蓄工程建设，在利用好秦岭主水源，确保已有工程供水能力的基础上，继续加大境外调引量，尤其是要加快引汉济渭输配水工程建设；加大力度恢复地下水产能以及城市应急地下水水源的建设，如涝渭、东北郊应急水源地的建设；同时制定城区已关停自备井的管理机制和启用体制；加快城市污水处理厂和再生水厂工程建设，通过加大再生水利用规模提高城区应急供水能力；采取有效措施，切实抓好节水工作，通过节水提高应急供水能力；加快饮用水水源监管能力、应急处置能力建设及自动监测预警、视频监控系统工程建设等，保证应急水源的水质、水量，确保供水安全。