自来水供应系统水质风险耦合致因分析

程 欣

(河海大学商学院，江苏 南京 211100)

近年来，在水质监测标准不断提高的情况下，城市供水和流域供水的水质状况都有显著改善，但仍有少量重大城市会发生自来水供水水质事故，对城市居民的正常生活造成了极其恶劣的影响，因此，分析供水水质风险的形成机理并进行有效防控，以降低供水水质事故发生的几率，已成为各级政府和自来水供水企业亟需考虑的重要问题。

目前，国内众多有关自来水水质的研究主要集中在水质的监测与评价、水质安全风险及评价、水质处理工艺研究、水质控制与管理、水质事故的分析与对策研究等方面。如王冬生等[1]提出借助PSO-RBF神经网络模型进行水质评价的方法，以解决自来水生产流程中的原水水质评价问题。晏晓红[2]分析诠释了水质检测的意义，并重点探讨了自来水水质检测的关键环节，为水质检测力度的提高提供了借鉴。王亚军等[3]基于对校园生活饮用水管网中水质指标状态的分析，对水质健康进行风险评价。吴玉超等[4]运用纳滤组合工艺，考察其对某微污染水源水厂出水段水质的处理效果。张伟等[5]认为可以从水质监控、工艺控制和运行管理等环节，进行水质管理和工艺优化，以确保水质安全。李小艳等[6]基于兰州供水突发事件的原因，分析了中国城市供水的主要问题，并提出了有效的解决策略。查阅相关文献，缺乏对自来水供水水质风险形成机理及供水水质风险因素间耦合关系的研究。本文借助于常被用于研究煤矿安全事故、交通安全事故等的N-K模型，探讨自来水水质风险影响因子间的耦合关系，为供水水质事故的策略研究提供借鉴。

1 自来水供水水质风险机理分析

1.1 水质风险因素的识别与分析

所谓自来水供水水质风险，即在自来水生产-供应过程中，由于某环节或某些因素的动态变化导致水质污染的可能性。在城市自来水供应系统(指由自来水水厂生产-供销等复杂子系统组合而成的动态关联的社会系统)中，其复杂性、系统性和动态性决定了该系统的水质风险因素主要分为人员、设备、环境和管理4个方面。

a. 人员因素风险。任何一项生产活动中，人都是其他因素工作的承担者，是导致风险事故的直接来源。在自来水供应过程中，人员因素风险不仅包括内部员工的熟练程度不够、技术水平及知识理解掌握欠缺、服从性纪律性较差、责任心缺失、风险认知不足、身体健康程度欠佳等[7]造成的水质风险，还包括外部人员的生产生活活动、恶意投毒等带来的水质风险。

b. 设备因素风险。设备因素风险指在自来水生产过程中，由生产机械设备的完好程度、先进程度等设备状态，以及设备的安全防护装置等造成的水质风险[8]。如泵站、供水管道等设备故障或损坏可能直接导致水体的二次污染，沉淀池中的斜板损坏，会导致附着在沉淀斜板上的絮凝体减少，沉淀不完全，从而影响供水的水质。

c. 环境因素风险。供水的环境因素风险主要是指生产人员的内部工作环境、气温等自然环境和水源周边居民生产生活及海上活动等社会环境引起的水质风险。如员工工作区粉尘飘絮较多、受工业区噪音影响较大等，可能会造成水处理任务加重，或通过影响员工的精神状态、身体状态，最终造成水质污染。气温升高时会造成水体中氨氮和有机物等水质指标的升高，未合理处理可能对水质造成一定的影响。

d. 管理因素风险。在自来水供应过程中，管理工作主要包括组织管理、安全管理、运行管理三部分。组织管理包括组织机构、规章制度、综合管理、年度自检和考核、问题整改等方面；安全管理包括安全生产、突发事件应急管理、物料和设施管理、水质检测等方面；运行管理包括输水管网末梢水质测试、二次污染监测等。这些管理因素的匮乏或不完善，可能会导致员工违章操作、决策失误、水质检测不到位、安全检查不过关等，最终可能影响供水水质。

1.2 水质风险耦合机理

所谓风险耦合，即指某复杂系统中各类风险因素间相互依赖与影响的程度[9]。传统的水质风险致因研究，主要针对某一方面影响因素单独作用时的事故链进行分析，或只简单粗略地叠加几方面因素的共同作用效果，未考虑影响水质的单一因素内部或因素与因素间的风险耦合程度。在自来水生产过程中，由于影响水质的4个风险因素相互依赖、相互作用，导致系统中某些风险因素发生的概率有所改变，最终形成水质风险耦合的过程。

2 供水水质风险因素耦合分析

2.1 单因素耦合

供水水质风险单因素耦合是指水质风险的各类影响因素，其自身多种风险因素间相互依赖、相互影响的过程[9]，包括人员-人员耦合T11(a)、设备-设备耦合T12(b)、环境-环境耦合T13(c)和管理-管理耦合T14(d)。如员工上岗时未按取药要求添加化学药剂，致其中毒且短时间内无人发现，此期间该岗位缺乏加药操作，导致水质不达标，即为人员-人员耦合风险的一种类型。

2.2 双因素耦合

2.2.1 人员-设备风险耦合

供水系统中操作人员的操作行为和供水设备的安全状态可能会互相影响。如对沉淀池的斜板进行定期清洗时，可能致其大面积破损，影响供水水质。而设备的损坏，会影响操作人员的操作情绪，可能会实施不安全行为造成水质事故。该耦合风险记为T21(a，b)。

2.2.2 人员-环境风险耦合

在供水系统中主要考虑人的活动对自然环境的影响。如外部人员在取水口恶意投毒、水源区周边居民的生产生活活动等，可能会导致取水的水质突然变化较大，经净水工艺后水质仍然不佳。该耦合风险记为T22(a，c)。

2.2.3 人员-管理风险耦合

供水系统中人员的生产与管理活动相互影响。如当管理制度出现漏洞时，若生产人员偷懒不在岗位，对水源区突发的水质问题未能做好应急处理，会导致输出口水质风险。若管理人员能力欠佳，面对水质突发事件无法统筹管理调配，也会引起水质问题。该耦合风险记为T23(a，d)。

2.2.4 设备-环境风险耦合

在自来水生产过程中，若水源区的水体环境污染严重，其富含的物质可能会腐蚀净水设备及输水管网，导致管网末梢的水质出现问题。而设备腐蚀老化时的脱落物又会影响生产作业环境，从而影响水质。该耦合风险记为T24(b，c)。

2.2.5 设备-管理风险耦合

设备-管理的风险耦合主要考虑对供水设备的管理。当水厂对供水机械设备的购置、使用、维修养护等疏于管理时，可能对设备造成损伤等而无法正常工作，对水质产生一定的影响。该耦合风险记为T25(b，d)。

2.2.6 环境-管理风险耦合

环境-管理风险耦合主要考虑在自来水生产过程中环境因素的变化对管理的影响。若取水口水体环境变差，将导致净水管理工作增多，如在过滤时可能多投放活性炭等。该耦合风险记为T26(c，d)。

2.3 多因素耦合分析

2.3.1 人员-设备-环境风险耦合

该耦合过程的起源因素可以是人，也可以是环境。以环境因素风险为耦合起源分析，如水源地取水环境的恶化，可能会腐蚀设备，从而影响生产人员的情绪，导致其不安全行为而影响水质。该耦合风险记为T31(a，b，c)。

2.3.2 人员-设备-管理风险耦合

在自来水生产过程中，对设备缺乏管理或管理不当，可能会导致生产设备损坏或老化，影响操作人员的情绪，导致其实施不安全行为引起供水水质事故。若对生产人员疏于管理或管理不善时，有关人员可能实施不安全行为，导致设备损坏。该耦合风险记为T32(a，b，d)。

2.3.3 人员-环境-管理风险耦合

在人员-环境-管理风险耦合过程中，水源区周边居民的生产生活活动及外部人员恶意投毒等，会造成水源区的环境污染，从而增加净水管理工作，管理不慎可能会造成供水水质事故。而对人员疏于管理时，其不安全行为可能会导致内部作业环境污染，从而影响供水水质。该耦合风险记为T33(a，c，d)。

2.3.4 设备-环境-管理风险耦合

设备-环境-管理风险耦合过程的起源可以是设备，也可以是管理。如以管理因素风险为起源，会产生对设备管理不当和环境监测欠缺的耦合，而环境与设备也会发生耦合，三大要素共同作用引发供水水质风险。以设备因素风险为起源，设备与环境间的耦合会加大管理工作的复杂性，可能会导致水质事故。该耦合风险记为T34(b，c，d)。

2.3.5 人员-设备-环境-管理风险耦合

人员-设备-环境-管理风险耦合情况出现的概率较小，但一旦发生影响较严重。以管理因素风险为核心，对其他三因素风险中任一因素管理不善，可能会导致供水水质风险。如对人员管理不到位时，人员、设备和环境的耦合加大了供水水质事故的概率。该耦合风险记为T4(a，b，c，d)。

3 基于N-K模型的供水水质风险耦合作用度量

3.1 N-K模型及其构建

N-K模型通常用来解决复杂动态系统的问题，参数N表示所研究动态系统中风险因素的个数；K表示风险因素间相互耦合关系的个数。若动态系统中有N个因素，每个因素有n种不同状态，则系统因素耦合方式有nN种，其中K的取值介于0～N-I之间[10-12]。

由于自来水供应系统中，因素的耦合值随其耦合次数的增加而增大，而耦合值越大意味着该因素的风险越大，其引起的事故率越高。耦合因素交互的计算公式为

log2(Ph，i，j，m/(PhPiPjPm))

(1)

式中：Ph，i，j，k为人在第h种状态、设备在第i种状态、环境在第j种状态、管理在第k种状态下，供水水质风险发生的概率。T值越高说明水质风险越大。双因素和多因素风险耦合计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

表1 自来水供应事故风险耦合次数及频率

3.2 实证分析

对以湖泊、流域为取水源的自来水公司的水质事故(凡涉及的水质事故风险发生并影响居民的正常生活)情况进行调查统计。据不完全统计结果，2008—2017年间共发生362起供水水质事故，将各水质事故按人为、设备、环境和风险因素归类，列出单因素耦合、双因素耦合和多因素耦合下水质事故发生的次数，0表示风险因素未发生，1表示风险因素发生，统计结果如表1所示。表1中4位数字分别代表人为、设备、环境和管理风险因素是否发生的风险耦合状态。如1000表示人为因素发生，设备、环境和管理风险因素都未发生的风险耦合状态。

根据表1，计算各风险因素耦合情况的概率值，最后根据式(1)～(11)计算各因素风险耦合T值。

a. 单因素风险耦合概率计算。环境因素风险未发生时的水质事故概率为

P..0.=P1000+P0100+P0001+P1100+P1001+P0101+P1101+P0000=0.404

依此方法分别计算出P0...=0.362，P.0..=0.566，P...0=0.438，P1...=0.638，P.1..=0.434，P..1.=0.596，P...1=0.562。

b. 双因素风险耦合概率计算。环境因素风险与管理因素风险都未发生时的水质事故概率为

P..00=P0000+P1000+P0100+P1100=0.113

依次可计算出P00..=0.169，P0.0.=0.136，P0..0=0.082，P.00.=0.163，P.0.0=0.226，P11..=0.241，P1.1.=0.370，P1..1=0.282，P.11.=0.193，P.1.1=0.222，P..11=0.271，P01..=0.193，P0.1.=0.226，P0..1=0.28，P10..=0.397，P.01.=0.403，P.0.1=0.34，P1.0.=0.268，P.10.=0.241，P..01=0.291，P1..0=0.356，P.1.0=0.212，P..10=0.325。

c. 多因素风险耦合概率计算。设备、环境、管理因素风险都未发生时的水质事故概率为

P.000=P0000+P1000=0.022

依次可计算出P000.=0.028，P00.0=0.033，P0.00=0.008，P111.=0.108，P11.1=0.078，P1.11=0.119，P.111=0.072，P011.=0.085，P01.1=0.144，P0.11=0.152，P101.=0.262，P10.1=0.204，P.011=0.199，P110.=0.133，P1.01=0.163，P.101=0.15，P11.0=0.163，P1.10=0.251，P.110=0.121，P100.=0.135，P10.0=0.193，P1.00=0.105，P010.=0.108，P01.0=0.049，P.100=0.091，P001.=0.141，P0.10=0.074，P.010=0.204，P00.1=0.136，P0.01=0.128，P.001=0.141。

d.T值计算。交叉风险耦合T值为：T21=0.016 34，T22=0.001 37，T23=0.077 66，T24=0.052 86，T25=0.005 72，T26=0.050 98，T31=0.082 80，T32=0.111 39，T33=0.146 03，T34=0.131 33，T4=0.324 32。

由计算结果可知，T22

3.3 结果分析

a. 城市自来水供应系统中，水质风险随着耦合因素参与数量的增加而增大，即人员、设备、环境和管理4个因素同时参与耦合时的风险要大于其中任意3个因素同时参与耦合的风险，3个因素耦合风险又大于双因素耦合风险，这与供水水质事故实际发生情况相一致。

b. 风险耦合T值越大，则耦合风险就越大。根据3个因素交叉风险耦合T值的比较结果可知：人员-环境-管理的耦合风险最大，人员-设备-环境的耦合风险最小，设备-环境-管理的耦合风险大于人员-设备-管理的耦合风险。通过比较可知，3个因素风险耦合中有管理因素参与耦合时比无管理因素参与时的耦合风险更大，表明若管理出现漏洞，将增大水质事故发生的可能性。且由管理因素和环境因素的完全耦合增大水质事故的发生概率可知，环境因素在某种情况下可能是水质风险的推动力。

c. 通过对双因素风险耦合T值的比较可知：人员-管理耦合风险最高，其次是设备-环境、环境-管理、人员-设备、设备-管理耦合，人员-环境耦合风险最低，说明管理问题是水质风险发生的关键，而环境因素风险既可以在管理出现问题时成为水质风险的推动力，又可以通过对设备的损坏，与设备因素耦合推动水质风险的发生。

4 结 论

基于对自来水供应动态系统中水质风险因素的识别，分析了水质风险因素的耦合作用，并结合部分区域自来水公司的水质事故情况数据，借助N-K模型计算出不同因素风险的耦合值，为自来水公司水质管理工作提供了理论借鉴。研究结果表明：参与风险耦合的因素越多，水质风险越高。在人员、设备、环境和管理4个风险因素中，管理因素风险占主导地位，是影响水质事故率的关键因素，环境因素风险能借助管理因素风险等对水质事故的发生起到一定的推动作用。

通过对水质风险因素耦合的研究，对自来水供应公司的水质保障工作提出以下建议：

a. 提升对自来水公司的管理强度和管理水平，如严格考察岗位人员的胜任力程度，强化绩效考核工作等，以减少管理因素风险发生的概率。

b. 做好应对突发环境因素风险的紧急处理预案，根据环境因素风险参与耦合时的风险大小进行不同强度的处理。同时，当水源区水环境污染时，政府应规制周边居民的生产生活活动，且合理补偿其经济损失。如周边居民的养殖活动，使水体富营养化等，影响了取水水质，政府在要求减弱养殖活动时，应给予其相应的补偿。