城市供水系统风险评价与防范对策

蔡 倩，安 娜，王 锋，韩小波，潘博伦，涂倩倩

(深圳市水务<集团>有限公司，广东深圳 518031)

随着人民生活水平的提高和健康意识的提升，人民群众对饮用水的水质愈加关注，饮用水水质关系民生福祉，是供水行业提升人民群众安全感、获得感与幸福感的重要路径。根据城市发展战略规划，S市计划在“十四五”期间普遍实现自来水可直接饮用，基于这一目标编制了地方水质标准，并将可直饮的自来水定义为：经过深度处理工艺、达到地方水质标准要求、经城市公共供水管网稳定输送至用户、可以直接饮用的自来水，内涵体现在安全健康、品质优良和体验愉悦这3方面。因此，针对“直饮”，自来水水质的控制目标在满足国家水质标准的基础上，突出了对感官指标、微生物指标及毒理指标的更高要求，具体表现在浑浊度、色度、气味、嗅阈值、消毒剂最高限值、消毒副产物、菌落总数、农药、重金属等水质指标的提升或增加上。此外，自来水直饮不仅仅代表水质的提升，还要求供水企业在供水保障能力、风险管控水平甚至客户服务等方面实现全面提高，以满足用户对“直饮”更高的心理预期。

供水系统是开放的多元化系统，涉及取水、制水、输配水及二次供水等多个环节，具有流程长、时空范围广、结构复杂、影响因素众多等特点。同时，原水水质波动、供水设施的老化、突发污染事件以及极端天气等因素又使得供水系统存在一定的隐患和薄弱环节，这为S市全面执行地方水质标准、实现自来水直饮目标提出了很大的挑战。因此，需要系统梳理S市供水系统存在的风险并进行风险评价。付朝晖等[1]针对沿海城市供水系统易受咸潮、台风以及洪涝灾害影响等问题，以增强城市供水安全保障、提升抗风险能力为目标，采用矩阵分析法对城市供水系统风险进行综合评价。黄凯宁等[2]利用层次分析和风险矩阵法分析供水系统的风险，其目的也主要在于提升供水安全保障水平。

城市自来水直饮在我国尚属新鲜，针对更高的水质目标及风险管控要求，供水系统存在的风险因素及风险水平也不尽相同，因此，需要通过系统、科学的风险评估方法，识别与评估在实现自来水直饮的过程中存在的风险因素、找到系统短板。此项工作于2019年开展，系统梳理与评价了当时S市供水系统的现状与风险情况，并根据结果制定风险应对策略，期望可以为其他城市的水质提升工作提供参考。

1 城市供水系统风险评价方法及评价体系构建

1.1 城市供水系统风险评价方法

常见的风险评价方法有专家调查法、蒙特卡罗法、敏感性分析法、层次分析法、风险矩阵法、灰色理论评价法、模糊综合评价法、事故树分析法等[3]，各种方法都有其优缺点及适用范围，方法的选择应根据评价对象的特点及评价目标综合考量确定。

城市供水系统是指将原水经加工处理后，按需求把制成水供到各用户的一系列工程的组合[4]，分为取水、水处理、输配水和二次供水4个子系统。从水质保障角度而言，城市供水系统时空范围广、流程长、结构复杂，水质风险受到系统内外多种因素的影响及制约，且每部分还存在不同的风险源。根据城市供水系统结构复杂、风险源多、各风险因子对整体风险的贡献权重不尽相同等特点，决定选用层次分析和模糊综合评价相结合的方法，评价S市供水系统存在的风险及风险级别。

层次分析法是一种解决多目标复杂问题的定性与定量相结合的系统化、层次化决策分析方法。采用层次分析法进行评估的核心思想，是根据风险控制的总体目标及系统各部分的特点，将供水系统总体风险分解成不同子系统、不同层次的风险因素，构造出风险因素的判断矩阵，再通过数学计算得到各风险要素相对于系统总体风险的权重[5-7]。

模糊综合评价法依据模糊数学的隶属度理论，是一种可以把定性评价转化为定量评价的方法[3-5]。在供水系统风险评估中，通过模糊综合评价法量化各风险因素发生的可能性K1和严重性K2，以此衡量供水系统风险发生的频率和危害程度。再通过可能性与严重性的乘积，确定各风险因素所处的风险等级。

如前所述，供水系统属于复杂系统，通过层次分析法和模糊综合评价法的结合，可以将系统风险分析一一分解为对其贡献权重不一的众多风险因素，并以量化的方式衡量各风险因素、各子系统以及系统整体的风险水平，从而实现风险评价的目的。

1.2 城市供水系统风险评价体系构建

1.2.1 单因素风险的评价

根据模糊综合评价方法，将风险分为风险发生的概率(K1)与风险发生带来的影响(K2)两个维度，因此，单因素风险为自来水直饮带来的影响。将K1与K2分别按低、中、高排序，形成0～5的分值，由专家进行赋值，原则如表1～表2所示。

表1 风险可能性等级及赋值原则

表2 风险严重性等级及赋值原则

单因素风险的等级如式(1)。

单因素风险值K=K1×K2

(1)

K值的大小即为单因素风险值的评价依据，将风险等级划分为Ⅰ～Ⅳ 这4个等级，划分原则如表3所示。若风险值处于Ⅰ级风险(15，25]，应给予高关注，必须尽快且不计成本地阻止其发生；若风险值处于Ⅱ级风险(10，15]，应给予较高关注，合理分配资源以阻止其发生；若风险值处于Ⅲ级风险(5，10]，应保持关注并采取合理措施阻止其发生或尽可能降低其发生后造成的影响；若风险值处于Ⅳ级风险(0，5]，可以在风险发生后再采取措施。

表3 风险等级划分标准

1.2.2 风险权重的确定

风险权重值是指各风险因素在供水子系统以及供水子系统在整体供水系统中的相对重要程度，由此来综合衡量各风险因素对于供水子系统，以及供水子系统对于供水系统的风险比重。确定各个风险因素的权重是风险评价的关键，层次分析法是一种典型的确定各个风险因素权重的方法，以专家调查问卷或座谈的形式，通过构造比较判断矩阵、一致性检验、计算风险权重等过程，获得各个风险因素权重。本次研究利用迈实AHP层次分析法软件实现计算过程。

1.2.3 供水系统风险评价

供水系统的风险通过子系统的风险值和子系统的权重值来评价，子系统风险值则通过子系统内各单因素风险值和单因素权重值评价，如式(2)～式(3)。

供水系统风险值=∑子系统风险值×子系统权重

(2)

供水子系统风险值=∑子系统单因素风险值×

子系统单因素权重

(3)

由表3的风险等级划分标准，可评价出各供水子系统以及供水系统的风险等级。

2 S市供水系统风险评价结果与讨论

2.1 S市供水系统概况与风险识别

2.1.1 原水系统

S市的原水主要由两大境外水源工程供应，本地水源作为补充和调节。两大供水工程组成网络干线，网络支线连通本地调蓄水库形成如“长藤结瓜”的分配体系，使境外水源工程与本地水库相互连通，提高了原水调度的灵活性。但是从双水源保障角度，S市单一水源水厂的数量占总水厂数量的42.3%，存在一定的原水保障风险。

S市原水水质情况整体良好，4座主力水库中，3座水库水质达到地表Ⅱ类，1座水库达到地表Ⅲ类。但原水水质存在明显的季节性波动的情况，春夏高温季节，藻类繁殖会带来嗅味和pH短时间剧烈升高的问题，部分水库的铁、锰及有机物浓度出现异常，由此引发嗅味和黄水问题，并曾导致客户投诉。另外，原水水质风险预警系统尚未实现全市覆盖，部分区域响应水质季节性波动和突变水质污染事件的速度滞后。S市为沿海城市，应对台风等极端天气引起的原水水质水量保障风险给予充分重视。

2.1.2 制水系统

目前，S市共有水厂47座，供水能力为700.8万t/d，日均供水量约556万t。其中，常规工艺水厂42座，占总处理能力的86.1%，深度处理水厂5座，占总处理能力的13.9%。S市执行现行国家标准《生活饮用水卫生标准》，出厂水综合合格率可达到100%。

水厂的净水工艺和设施设备保障水平是影响出厂水水质的重要因素。目前，S市服役超20年的老旧水厂共计18座，单水冲虹吸滤池、双阀滤池等工艺较为落后的水厂13座，共占全市供水能力的22%。这些水厂设施设备保障率不足，应对原水水质变化的弹性较低，对标自来水直饮的水质目标具有一定风险。

S市水厂的总体产能可以满足用水需求，但由于地理条件、经济水平差异、历史遗留等因素导致局部地区供水紧张，加上区域供水环网度不够、片区间联络程度有限，部分水厂处于满负荷甚至供水高峰期超负荷运行，这为自来水直饮的高水平水质保障带来了挑战。

为了强化出厂水水质保障，依据上层次规划要求，在对低保障小水厂实行关停的基础上，在保留水厂进行深度处理工艺是提升水质安全保障程度的重要技术对策，可以为直饮水质提供充足的安全裕度。同时，深度处理可以去除S市水源中消毒副产物前体物、致色和致嗅物质、农药等目标污染物，弥补常规处理工艺的不足。S市5座水厂实现了深度处理，约占全市供水处理能力的13.9%，缺少深度处理工艺的水厂在水质保障程度方面具有一定风险。

此外，部分电源保障不足会带来生产隐患。S市9座水厂存在单电源或双电源有缺陷的情况，如遇到断电情况，水量和水质保障将受到严重影响。

2.1.3 输配系统

S市市政供水管网总长度约8 600 km，球墨铸铁管、钢管、高密度聚乙烯管等优质管材占比约为76.3%；灰口铸铁管、钢筋预应力管等不再推荐使用的管材约为14%；从建设年代来看，2000年以后铺设的管道长度占42.4%，1990年以前铺设的管道长度占10.6%。

在输配环节，应着重提升水质保持稳定的能力。需重点关注的风险因素主要为：(1)因管道工事的不规范操作(如爆管抢修、新旧管接驳等)引发的水质污染事件；(2)因老旧管道腐蚀、停水通水等水力条件改变导致的黄水；(3)仍存在部分灰口铸铁管等不推荐使用的管材并可能带来负面水质影响；(4)流速偏低、水龄偏长的管段可能会出现余氯降低、细菌总数超标的情况。

2.1.4 二次供水系统

据不完全统计，S市共有近7 000座二次供水加压泵房，纳入供水企业管理的泵房不到1/10。因部分加压泵房建设标准不高、“三孔”布设无法满足规范要求、部分生活与消防水池未分离，出现停留时间过长或短流等问题，可能会导致二供环节余氯降低、细菌总数超标的情况。此外，部分物业管理私自采取直抽或叠压方式对加压泵房进行节能改造，易对周边或市政管网带来冲击和不利影响等。

2.2 S市供水系统风险评价结果及讨论

2.2.1 单因素风险评价

以自来水直饮为目标，通过梳理S市供水系统从“源头到龙头”存在的风险，共识别出21项风险，基于此编制风险评价表，邀请供水行业专家进行打分。为充分体现客观性，共邀请了36位行业专家参加，包括设计院、高校及科研机构的行业专家、供水企业管理人员、专业技术人员以及运营管理人员，结果如表4所示。由表4可知，所有风险指标中Ⅱ级风险指标级别最高，共8项，占38%。将所有指标按风险值及风险权重大小排序，排在前10的风险指标情况分别如表5和表6所示。

表4 单因素风险及子系统风险评价结果

一个单因素风险对供水系统整体风险的贡献水平，由其风险值及权重共同决定。一方面，有些风险因素值较高，但权重不大，如排名前10的风险因素中，二次供水环节占据5项(表5)，说明S市的二次供水设计标准和管理水平对照自来水直饮的标准差距较大，供水企业应从降低水龄、最大程度减少二次污染发生等方向提升二次供水的水质保障水平。另一方面，有些风险因素值并不是最高的，但是权重较大，如排名前10的风险因素中，原水环节占据5项(表6)，这说明优质、稳定的原水是确保供水系统持续稳定生产优质自来水的最重要因素，原水水质一旦出现问题，将影响整个供水系统的生产运行，严重时甚至导致停水。

表5 单因素风险值TOP10

表6 单因素风险权重TOP10

2.2.2 供水系统风险评价

根据表4中各子系统风险值及风险权重，通过加权平均的方法，计算S市供水系统风险等级，结果如表7所示。针对自来水直饮需要达到的水质目标，S市供水系统的整体风险等级为Ⅱ级，属于必须采取控制措施的风险级别，应对存在的风险因素给予较高关注，安排合理的资金防止风险发生。其中，原水子系统和二次供水子系统风险较高，为Ⅱ级；制水子系统与输配水子系统的风险等级稍低，为Ⅲ级。根据对整个供水系统风险评价结果的权重贡献，原水系统是影响供水系统整体风险水平的最重要环节，其次是制水系统。

表7 S市供水系统风险等级

3 S市供水系统风险防范对策

依据风险评价结果，S市在风险防控的对策主要分为两大类：(1)针对硬件设施存在的短板，采取工程化措施增强供水系统的安全保障能力，从而保障水质达到直饮的要求；(2)针对管理不够完善，引入HACCP管理体系，以食品生产的标准实现供水全流程风险管控，从而保障水质持续、稳定地达到直饮要求。主要举措如下。

原水环节:(1)依据“水厂水源不少于2个，水厂原水输水管道不少于2条”的原则完善原水管的建设，强化原水的双水源保障；(2)建立动态的原水水质风险库，加强风险预判，完善原水水质预警系统，加强供水企业与水源管理单位有关原水水质信息的共享与联动，将风险防范工作前移；(3)针对污染事件、极端天气等突发事件，做好应急预案和物资储备，定期组织演练，不断提升供水企业应对突发事件的处理处置能力。

制水环节:(1)按照S市供水规划布局中“大水库、大水厂、大管网”原则，加快推进水厂的整合，逐步关停工艺落后的老旧小水厂、新建高质量的大水厂，以解决老旧水厂和超负荷运行水厂的水质风险问题；(2)加快推进规划保留水厂的工艺升级，增加深度处理工艺，增强水厂应对原水水质波动的韧性能力；(3)针对部分水厂电源保障不足的问题，加快建设双回路电源，对于不具备双回路条件的，以及即将关停的水厂，配置备用发电机。

输配水系统:(1)针对不合格管材、经常爆管、老旧锈蚀的管段进行更新改造，提升管网在输送过程中水质保持的能力;(2)改善管网系统的水力条件，尽量消除支状管网，加大对市政预留口和废弃管道的切除，对流速偏低的管道进行定期清洗;(3)有计划地推进区域间大管网的互联互通工程，未来实现“当某区域水厂或供水管网故障停水时，周边相邻区域可补给的供水量不少于本区域需水量的30%”;(4)提升施工管理的标准与水平，严格规范管道工事行为，杜绝因施工导致的水质二次污染事件。

二次供水环节:(1)有序推进二次加压泵房的标准化改造;(2)推动由供水企业代管的专业化管理模式，让专业的人做专业的事，形成“权责明晰、管理专业、监管到位”的二次供水管理新格局。

管理提升方面:以HACCP作为水质风险管控的指导思想，关注供水全过程、抓住影响水质安全的关键点，充分结合与利用信息化手段，全面提升饮用水“从源头到龙头”的安全管理水平。

4 结语

城市的供水系统存在多方面和多层次的目标，如保障用户端的水量、水压和水质，又如保障供水和生产的安全等。针对不同的目标，风险识别的内容和风险评价的结果不尽相同。本文主要针对城市自来水直饮，紧密围绕水质达到直饮要求这一目标，运用层次分析和模糊综合评价相结合的方法，对S市供水系统的风险进行了综合评价。本文结果为该城市未来供水系统的规划设计、更新改造以及工程建设时序的决策提供了支撑，也为供水全流程、管理全链条的风险管控提供了依据。

目前，在我国实现城市自来水直饮还需要供水企业不断地进行探索和尝试。因此，对供水系统风险进行全面评价，不仅是提升水质风险管理水平的基础，也是S市在自来水直饮实践过程中经验与教训的充分总结。目前，全国众多城市和地区的供水企业有全面提升自来水水质的愿望和需求，《上海市城市总体规划(2017—2035)》也提出“全市供水水质与同期欧美发达国家同级城市保持同等水平，满足直饮需求”的目标，希望通过本文，能够为国内其他城市的自来水水质提升提供借鉴。

需要说明的是，风险评价是一个动态的过程，随着客观条件的改变或者是目标的调整，应对风险识别、风险评估以及相应的风险控制措施保持定期更新和修订。通过这样如此往复的过程，不断迭代完善城市供水系统的风险评估体系，以适应城市的高质量发展需求。