水库型水源地供水安全风险评价研究

2023-12-01崔振华

浙江水利科技 2023年6期

崔振华，舒静，王亮，张巍

（1.水利部农村电气化研究所，浙江杭州 310012；2.水利部农村水电工程研究中心，浙江杭州 310012；3.水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，江苏南京 210029）

0 引言

我国大多数城镇依水而建，民众临水而居，众多工业企业分布在江河湖库附近，排污口和取水口交错分布，城镇集中式饮用水水源地水质安全风险日渐凸显。全国4 748 个县级及以上城镇集中式饮用水水源地中，向城镇和农村生活供水总量达490.4 亿m3，供水人口共6.6 亿[1]。水库型水源地供水规模为189.6 亿m3，占38.7%；供水人口达2.5 亿人，占37.8%[1]。随着我国城镇化进程加快，供水人口逐年递增，供水安全保障要求越来越高。近年来，随着物联网、大数据、云计算等技术的快速发展，水利部深入践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，坚持科技引领和数字赋能，发布智慧水利建设相关指导意见与技术指南，为提升水库型水源地供水安全动态感知和预警能力指明了方向。

水源地保护利用事关社会生产生活和生态文明建设，关系群众身体健康，但当前水库型水源地供水安全仍存在较多风险隐患。一是从水量控制看，在汛期防洪和枯水保供背景下，通过人为经验粗略估算的传统方式难以实现水库库容精准调节，供水水量保障仍存风险。二是从水质监测看，传统水质监测手段检测周期长、检测时间离散，易导致水质波动监测不及时、蓝藻发现滞后等问题，不利于自来水厂及时调整净水措施，下游生产生活用水水质难以稳定保障。三是从水环境污染监管看，由于水源地覆盖范围大、地处偏僻，导致水源地周边安全监管存在覆盖面不够广、发现识别隐患不够及时等问题，水环境污染事件全流程处置机制不够健全。四是从供水设施安全运行看，水源地供水设施及水库安全运行与调度的设备设施安全仍存在动态监测水平较低、自动化程度不高等问题。五是从水源地标准化管理看，存在水资源配置不合理、用水调配不科学、应急预案可操作性差等问题，夏季在保障居民生活用水和农业灌溉用水之间易产生冲突。因此，研究建设水源地治理数字化应用，对于提升水源地保护利用智能化水平、强化水源地安全风险识别和管控能力、最大限度最高效率保障供水安全具有重要意义。

传统水源地供水安全评价通常受制于感知设备与信息技术发展的局限性，侧重于采用传统监测采样方法开展水量、水质安全评价，且侧重水质安全评价与预警。王晓红[1]认为城镇集中式水源地安全预警包括水质安全预警和水量安全预警，主要对水质和水量偏离目标状态进行预警。李中原等[2]聚焦水质风险评估，提出由基因毒物质和躯体毒物质产生的健康风险构成的水环境健康风险评估模型。随着在线监测技术的发展，李文攀等[3]建立了以常规理化-生物毒性在线监测相结合、遥感监测与人工巡查相统筹的一体化水源地水质预警指标体系，逐步引入在线监测、遥感等新型监测感知设备技术，提高水质风险识别的动态预警水平。易雯等[4]将计算机技术、通信技术、数字化技术和光学技术，联合交叉运用遥感、GPS、GIS 等技术，提出饮用水源水质安全预警监控体系框架。同时，李双双等[5]深入讨论水源地安全概念与内涵，将评价指标体系拓展为水量安全状况、水质达标、水质风险防控状况和水源地管理规范程度等4 类评价指标体系。

因此，在数字化技术快速发展的背景下，本文以水库型水源地为研究对象，通过供水安全风险因子识别与筛选，依托动态感知设备与数字化平台，提出水库型水源地供水安全风险评估方法，为开展供水安全风险评价提供一种动态评价与预警方法，并在浦江县通济桥水库水源地开展示范应用。

1 供水安全风险因子分析

水库型水源地是我国重要的水源地类型，建立水库型水源地安全风险识别与评价体系是保证饮用水安全、防患于未然的重要手段。水库型水源地安全风险主要包括水质安全和水量安全，一般是对水质和水量偏离目标状态进行风险识别与评价，即通过建立健全监测体系，对饮用水水源地的总体供水安全进行全面监测，进而实现水污染、旱涝风险的动态评价和预警预报。

水质安全指水源地水体质量各项指标都能够持续满足供水水质的要求，长期饮用不危害人体健康且水厂易于处理。水质安全预警指通过水质指标的监测数据分析城镇集中式饮用水水源地水质变化，识别主要污染源和污染物，预测各种安全指标是否偏离安全阈值，分析存在的风险并及时作出预警和应对的过程。不同类型的饮用水水源地，其水质安全预警的侧重点有所不同[1]。国内外研究实践了各类水质监测预警方法，主要有常规理化在线监测预警、生物毒性在线监测预警、遥感监测预警、人工巡视监测等。

水量安全综合反映城镇集中式饮用水水源地供水量保证程度，也间接反映水源地所在地区气候变化以及水资源开发利用活动对水源地安全的影响趋势。水量安全是指水源地具有一定的蓄水量，能满足不间断提供水资源的要求。国内外通过高精度水量预测与分布式水文模型，提高来水量预测精度。随着物联网技术的快速发展，实时监测来水及水库调度，为水源地水量、水质风险识别与预警提供技术支撑。

除了水量与水质安全，水源地供水安全还涉及到设施安全、行为安全和标化安全等方面。供水设施安全是保障水源地水量、水质目标的前提条件。对于水库型水源地来说，大坝安全、取水设施安全也是不容忽视的重要因素。水库的安全可靠运行对于科学调度水量，处置突发水质污染事件都具有重要意义。行为安全主要关注水源地范围内人类行为对水源地供水安全的影响。常见的行为安全风险主要包括周边村民或游客丢弃垃圾的风险、违规钓鱼的风险和危化品车辆等移动污染源污染水源地的风险。标化安全主要针对水源地管理单位自身的管理。规范可靠的标准化管理是保障水源地供水安全的重要条件，对持续稳定的供应水源，提供水库综合利用水平具有重要意义。

2 供水安全风险评价方法

近年来，随着物联网、互联网、大数据与数字孪生技术的快速发展，通过实时数据收集、传输和分析，可以有效监测水源地水量、水质、人类行为和设施状态，及时发出预警信息，以便应急处置。实时数据收集主要通过安装水质水量监测站、监控摄像头、设备状态监测设施等，实现供水安全风险因子的动态采集与分析，为识别供水安全风险、实现风险预警提供数据基础。

水源地水量保障风险通常可通过气象-水文模型，科学预测水库入库水量，结合需水预测，实现供水水量的风险识别。水质风险需要通过水库集雨区范围内的面源污染监测、入库河流水质监测和取水口水质监测等3 道防线体系，实时监测水质的时空分布规律，早期干预和处置水污染风险。人类行为风险主要包括丢弃垃圾、违规钓鱼、途经危化品车辆等，可以通过应用视频监控AI 识别、GPS 信息追踪等方式监测。供水设施安全风险主要通过物联网感知设备对供水设施运行安全情况进行实时监测，动态掌握供水设施和其他辅助设施状态。此外，水源地标准化管理风险可以通过供水运行与管理制度、应急预案等科学性、合理性、可操作性进行评价。

1）水量安全指数。水源地水量安全风险重点关注水库实际蓄水量、来水量预测和需水预测。实际蓄水量通过水库水位变化的实时监测换算，来水量预测通过降雨径流模型估算，需水预测则结合历史供水数据和动态需水要求计算。水量安全风险等级结合具体水库供用水情况、库容曲线特征，进行率定，确定等级划分标准，评定水量安全风险等级。

2）水质安全指数。水源地通常建有一定数量的水质监测站，通过监测地表水、饮用水水质指标，实现对水质安全风险的快速识别与预警。考虑到水源地水质的空间异质性和应急处置时机，水质安全风险重点结合水质监测站网布置、水质监测指标数量与灵敏度、关键水质监测指标等因素，设定水质安全评价指标体系和评判标准，给出水质安全风险等级。

3）行为安全指数。随着监控感知设备和AI 识别技术的快速发展，通过布设监控摄像头，实时监控水源地范围内的行为安全风险成为可能。行为安全风险主要关注违法垂钓，异常船只、遗弃垃圾行为识别报警次数及闭环处置情况进行评价并评定行为安全风险等级。

4）设施安全指数。大坝、供水设施和相关调度设施是保障供水安全的硬件保障。设施安全风险重点关注关键监测指标，如大坝变形、渗漏量、渗压、降雨量、水量等监测异常报警及闭环处置情况，实现动态评价设施安全风险等级。

5）标化安全指数。标准化管理是发现、化解及防范安全风险的重要方式。标化安全风险重点关注实现在线巡查数据动态更新的情况，对各类巡查发现异常情况和闭环处置情况进行风险等级评定。

此外，在上述5 项单项安全风险评价之外，还需考虑关键指标的“一票否决制”并结合具体水源地的历史数据和重点供水用途，确定水库型水源地供水安全的综合指数等级，提出优秀、良好、合格、基本合格、不合格的综合等级（见表1），便于决策者和水源地监管人员快速识别风险，发出动态预警并及时处置。图1 为水库型水源地供水安全风险评价方法示意图。

图1 水库型水源地供水安全风险评价方法示意图

表1 水库型水源地供水安全等级划分标准表

3 通济桥水库案例应用

3.1 研究区概况

通济桥水库是浦江县最大的水库，总库容8 158 万m3，是以防洪灌溉为主，结合供水、发电、生态补水等综合利用的中型水库，也是浦江县最大的饮用水源保护区，承担浦江和义乌2 地供水任务。针对水源地保护利用中水库水量调度不够精准、水环境污染处置滞后、涉水违规行为监管不力、用水调配不够科学等问题，通济桥水库通过数据感知监测、风险模型构建，开发了水库型水源地保护利用的全链条、全周期数字化管控平台——“水源安享”（见图2），为城乡居民“喝好水”提供安全保障。

图2 水库型水源地供水安全风险识别与管控平台“水源安享”驾驶舱示意图

3.2 数字化平台基础

“水源安享”平台通过归集水利、生态环境、气象、农业农村、综合执法、交通运输、公安、应急管理等多部门的气象预测、水文径流、农业灌溉、工业生产、生态保障、遥感监测等数据，构建智能化、协同化、规范化的饮用水水源地监管保障体系，主要建成4 个子场景。

1）源水智控。连通气象数值预报信息系统、水文-水动力模型信息系统，归集下垫面、蒸发量、植被覆盖、土壤性质、地下水资源等数据，构建高精度来水量预测模型，有效提升来水量预测精准度，为科学合理控制库容提供重要支撑。

2）净水智控。基于水源地上游的微型水质监测站、水库出水口和自来水厂取水口的水质监测设备，对上游来水、水库出水、水厂取水水质实现在线监测，相关监测数据接入预警系统。一旦水质波动超过预定阈值，即可自动报警、精准溯源。

3）安水智控。通过连通水库大坝、库区上游、输水干渠等重要场所的高空视频监控点、运用人工智能与“电子围栏”等技术，对水源地内非法垂钓、非法船只、危化品车辆驶入、违规人员闯入、垃圾漂浮物等涉水风险、违规情况进行全天候监测预警，预警信息实时推送至相关执法监管部门，构建“全程监控—智能预警—综合研判—联合处置”的监管工作体系，有效防范、化解水源污染风险。

4）活水智控。构建供水用水分析模型，实时汇集水库库容数据和居民生活、工业生产、农田灌溉、生态调度等用水数据，通过供需平衡演算、用水保证率分析，实现生活用水、生产用水、生态补水动态管理，合理高效配置水资源，提升水资源利用率。

3.3 应用示范案例

在“水源安享”平台的基础上，应用前文提出的水源地供水安全风险评价方法，开展数字化支撑的水库型水源地动态风险评价与预警示范应用，为水源地监管部门实现总体风险管控提供决策支持。计算案例选取某时间节点，评价结果随着监测指标变化动态变化。同时，实际评价根据运行情况进行率定和迭代升级，微调评价灵敏度和准确性，提高实际预警和风险管控效果。

1）水量评价结果。依据水位监测数据和水库库容曲线计算水库蓄水率，按照可供水30 d、50 d、70 d 设置预警级别和赋分标准，计算水量供水安全评价分值为92 分，说明计算时间节点水量风险为低风险。

2）水质评价结果。通过监测通济桥水库2 个主要入流断面的水质监测微站的溶解氧、化学需氧量、氨氮、浊度、pH 值指标的蓝色、橙色和红色预警标准，并对比取水口水质监测站相同指标的监测值，给出水质评价分值89 分，低于蓝色预警标准。

3）行为安全评价结果。设定初始基础分值，根据通济桥水库2 个高位监控和其他低位监控摄像头AI 报警及处置与否状态，进行扣分和加分。其中非法闯入、垃圾漂浮物、违规垂钓（次）、违规船只闯入扣2 分；四乱每次扣5 分；危化品车辆驶入每次扣5 分。闭环处置完毕恢复相应分数。计算评价时刻评价结果为84 分。

4）设施安全评价结果。设定初始基础分值，接入水库大坝安全监测系统数据，设定加减分评价规则。计算评价时刻评价结果为100 分。

5）标化安全评价结果。设定初始基础分值，通过接入水库标准化管理信息系统日常风险隐患巡查和闭环处置信息，设定加减分评价规则。计算评价时刻评价结果为92 分。

综合上述评价结果，水量、水质、行为、设施、标化5 个指标类别权重分别为0.3、0.3、0.1、0.1、0.2。经过计算，通济桥水库总体供水安全评分为91 分，供水安全等级为“优”，风险等级为“低风险”。需要指出的是，上述评价计算规则及权重根据数字化平台实际预警及结果运用情况进行动态调整和迭代升级。