山区城市应急备用水源规模及选址研究

关 帅，刘树锋，张庭荣

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635)

1 研究背景

随着城市化进程和社会经济的迅速发展，水资源的需求日益增加；水污染的频繁发生，严重影响城市供水安全，遇到突发事件时，水源单一的城市供水更难以保证[1]。积极开发和建设城市备用水源不仅是贯彻落实最严格水资源管理制度和重要饮用水水源地安全保障达标建设的要求，也是解决供水系统出现问题的重要措施，同时可以显著提高应对水污染突发事件和应急供水保障的能力，促进人水和谐。水利部《关于印发加强城市应急备用水源建设的指导意见的通知》(水规计〔2017〕454号)中指出：随着城市的快速发展，城市供水的风险和挑战在不断增大，为进一步完善城市水源安全保障体系，在继续加强常规水源建设的同时，迫切需要统筹加快应急备用水源建设；文件同时指出，建设应急备用水源的目的为：在遭遇特大干旱或突发水安全事件时，城市居民基本生活和必须的生产、生态用水可得到保障。此外，《关于加强饮用水安全保障工作的通知》(国办发〔2015〕45号)、《全国城市饮用水水源地安全保障规划》及《国务院关于印发水污染防治行动计划的通知》(国发〔2015〕17号)等文件中也明确要求供水单一的城市应建设备用水源[2]。可见，建设应急备用水源地刻不容缓。

自实施十三五规划以来，国内正逐步开展应急备用水源建设工作，因各地自然、经济等情况不同，所选择的备用水源类型也各有差异。干旱地区，地表水较少，部分选取地下水为备用水源[3-5]；我国大部分地区备用水源一般选取水质较好的河流、水库，通过新建、扩建水库及水厂，或通过水源、水利工程功能转换来达到供水要求[6-11]。结合当地实际条件，因地制宜的选择应急备用水源，才能达到高效、安全、经济、可行。

山区城市小水电以及水库等水利工程较多，但由于其所在位置大部分离城区较远，如何平衡水质、水量以及经济之间的关系是一大难题。乳源县是广东省典型的山区丘陵城市，其供水水源为南水电站发电尾水，供水水源单一，供水系统容易受到破坏，不可预见的突发环境事件威胁着县城人民饮水安全。针对上述情况，本文以乳源瑶族自治县为研究对象，从应急备用水源规模计算、水质分析、输水通道建设等方面开展论证，对该县应急备用水源地选址进行探讨。

2 供水现状与可用水源

2.1 供水现状

乳源县的城区中心为乳城镇，其位于广东省北部、韶关市西部，距离韶关市区31 km，东临武江区龙归镇、南接武江区江湾镇，西连东坪镇，北与游溪、一六镇交界。乳源县现有两个供水水厂，分别为乳源县自来水厂和桂头水厂(见图1)，其中桂头水厂供水范围为桂头镇，乳源县城区供水任务主要由乳源县自来水厂负责。乳源县自来水厂位于乳源县南水河上游，日供水能力为7万m3，实际日供水量约4万m3。乳源县自来水厂取水口位于南水电站发电尾水处，南水电站从上游南水水库取水，南水水库位于县城西南16 km处，是广东省第二大人工湖，库容量达12.5亿m3，水量充足。

图1 乳源县水厂位置分布示意

乳源县属于典型的山区城市，由于地形、距离等原因，供水管道铺设难度大，导致乳城镇现状供水水源单一，水厂取水口上游河道为南水河泄洪道，泄洪道两岸有坪乳公路、京港澳高速，不可预见的突发水污染风险难以消除，一旦发生大范围突发污染事件，将难以保障城区内的供水需求。

2.2 可用水源

根据乳源县的城市发展规划，当地有3个可用水源可供选择，一是位于岭溪河上游的明珠水电站尾水处(以下简称“岭溪河水源地”)，二是位于大坑尾水上的双峰一级水电站尾水处(以下简称“大坑尾水水源地”)，三是选用桂头镇自来水厂作为备用水源，水源地取水口为银溪水电站尾水，水源引自横溪水库。

备选方案一中明珠水电站位于乳源县乳城镇境内，距离乳源县城约为6.0 km，电站所引用河流为岭溪河，属北江水系，岭溪河位于乳城镇岭溪村和大联村，起源于田丘段，于乳城沿江路旅游服务部流入南水河；电站坝址以上控制集水面积为7.5 km2，坝址以上河流长度约为2.8 km。备选方案二中双峰一级水电站位于南水河支流大坑尾水上，电站座落在乳源县东坪镇境内，大坝控制集雨面积为3.22 km2，干流长为 2.95 km。备选方案三中桂头水厂位于桂头镇杨溪水七星墩电站附近，桂头水厂取水口位于银溪电站尾水处，银溪电站取水水源来自上游横溪水库，库容量达1亿m3，水量充足。桂头自来水厂的设计日供水量为2万m3，目前的日最大供水能力为1万m3，现实际平均供水约为3 661m3/d，最大月供水量为7 492 m3/d。

3 选址原则及应急需水规模

3.1 选址原则

应急备用水源在城市应急供水系统中起着关键作用，在选址是应考虑多方面的因素，因此，本文确定以下选址原则：① 应急备用水源需要与城市常规供水水源相对独立，没有相关性，必须是独立于现状城市各水源之外的专门水体，即水量和水质不受同一风险源影响，常规水源受缺水或污染影响情况下应急备用水源可启用；② 应急备用水源的类型尽可能与现有水源地类型不同；③ 应急备用水源建设规模和标准应结合常规供水水源的供水范围、供水人口、供水规模、联网调配情况等综合考虑确定；④ 便于铺设管道，输水距离尽量短，减少经济投资；⑤ 水源水质满足生活基本要求，水量保证要求；⑥ 条件允许的情况下，尽可能与现有水源地属于不同水系。

3.2 应急需水规模

根据水利部《关于印发加强城市应急备用水源建设的指导意见的通知》，应根据自身水源结构、供用水特点等，确定当地应急备用水源的标准和规模。杨聪辉[12]在分析广州四大供水源突发事件的基础上，确定中心城区西北片及东部水源地的应急时间为20 d；程建民等[13]确定金昌市的城市供水备用水源的应急时间为30 d；王秀丽[14]偏于安全考虑，将肇庆市的应急供水时间确定为15 d；周燕[15]统计了1985—2005年20 a间全国发生的102起城市水源地突发污染事件，发现停水时间从3 h至26 d不等，而目前国内的应急备用水源工程的供水天数一般为5～12 d。综合考虑我国相关学者提出的城市备用水源应急时间、乳源县近年来所发生的饮用水源污染事件、供水中断时间等，本文确定7 d、11 d、15 d 3种应急天数；供水规模取正常供水情况下的20%、30%、40%。

3.3 应急需水量

城市应急需水规模的预测方法主要有分类预测法及整体压缩法，其中分类预测法则考虑用水分类，将用水分为工业用水和生活用水，并不断细化后预测所需的水量；整体压缩法以正常需水量为基准，以一定的压缩系数来求得应急需水量。本研究分别采用分类预测法与整体压缩法两种方法对乳源县备用水源地的应急需水量进行计算。

3.3.1分类预测法

1) 生活用水

本次应急备用水源地供水范围为乳城镇，为乳源县的城区，供水主要考虑居民生活用水、工业用水、公共用水、管网漏失水量等。2020年乳城镇常住人口为10.5万人，最高日居民用水定额根据《村镇供水工程设计规范》确定，取100 L/(人·d)。得出居民生活用水量为10 500 m3/d。

2) 工业用水

根据《乳源瑶族自治县城市总体规划(2015—2035)》《乳源瑶族自治县国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》以及《乳源县节水型社会建设规划》，乳源县工业需水量为2 309.61万m3/a。当发生突发状况时，工业供水主要是与民生密切相关的重点工业，主要有电力、热力、燃气、水的生产供应业和食品制造业等。重点工业用水量仅按工业总用水量的20%计，计算得工业需水量为12 655 m3/d。

3) 公共用水

根据《村镇供水工程设计规范》，政府所在地、集镇，公共建筑用水量可按居民生活用水量的10%～25%估算，其中集镇和乡政府所在地可为10%～15%，建制镇可为15%～25%。本次公共用水量取居民生活用水量的15%，计算得公共用水量为1 575 m3/d。

4) 其他用水

根据《村镇供水工程设计规范》，当村镇附近有可靠的其他水源且取用方便可作为消防水源时，可不单列消防用水量，乳城镇内河流众多，能满足消防用水，因此本次不考虑消防用水。管网漏失水量和未预见水量之和按生活用水量和工业用水量的15%计，计算得管网漏失水量和未预见水量为3 473 m3/d。

综上可得乳城镇总需水量为2.82万m3/d，根据不同的取水规模和天数，可得出乳城镇应急备用水源地的需水量(见表1)。

表1 不同工况下应急需水量(分类预测法)

3.3.2整体压缩法

本研究收集了2015年至2019年乳源县自来水厂月供水数据，分别以实测的月平均供水量(66.6万m3/月)、年最大供水量(1 285.02万m3/a)、月最大供水量(132.24万m3/月)为计算基准，分别求得乳源县自来水厂的日供水量，进而计算得到不同工况的下应急备用水源地需水情况(见表2)。

表2 不同工况下应急需水量(整体压缩法)

由表2可知，在工况1时，以乳源县自来水厂多月平均供水量为基准，即人均需水量为120.5 m3/(人·a)，按20%的供水规模，应急供水天数为7 d进行计算，求得应急需水量为3.2万m3，应急日供水量为0.46万m3。工况2时，以乳源县自来水厂年最大供水量为基准，即人均需水量为191.2 m3/(人·a)，按30%的供水规模，应急供水天数为11 d进行计算，求得应急需水量为11.98万m3，应急日供水量为1.09万m3。工况3，以乳源县自来水厂最大月供水量为基准，即人均需水量为236.1 m3/(人·a)，按40%的供水规模，应急供水天数为15 d进行计算，求得应急需水量为26.90万m3，应急日供水量为1.79万m3。

通过对比表1与表2，发现分类预测法中的3种工况中，有两种需水量均小于整体压缩法中的工况，同时分类预测法中的各用水量主要根据定额进行估算，存在的误差较大，因此本研究选取以乳源县自来水厂实际用水量为基础开展的整体压缩法计算得到的应急需水量开展备用水源地的比选与分析。

4 应急备用水源地方案比选

4.1 备用水源规模

乳源县属于我国南方多雨地区，水资源主要来源于降雨，岭溪河和大坑尾水在南水流域内，地形、地貌、植被覆盖情况均相似，因此可移用南水水库雨量站的径流深来推求岭溪河和大坑尾水的径流量，本次收集了南水水库雨量站1973—2018年的月降雨系列资料。

对于岭溪河水源地与大坑尾水水源地，本文采用适线法来推求发生特大干旱时(95%)的降雨量，采用径流系数法，根据坝址以上集雨面积推求出径流量，即为天然来水量。依据南水水库雨量站1973—2018年的实测逐月降雨量系列，选取与该频率下降水量相近且年内分配不利的年份，采用同倍比缩放的方法，得到明珠水电站与双峰一级水电站的月降雨量分配过程，求得坝址处的逐月天然来水量。明珠水电站和双峰一级水电站均属于日调节引水式电站，工程库容小，对水量的调节性能较小。在引水过程中，考虑水量沿途损失情况，同时考虑水库蒸发渗漏损失以及下游生态需水，本次水量损失参照一般山区小水电水量损失情况，两者的水量损失按天然来水量的10%计，可供水量计算见表3。

表3 明珠水电站与双峰一级水电站坝址处月可供水量计算

工况1中每天至少取水0.46万m3，当应急天数为7 d时，所需总水量为3.20万m3。从表3可知，在P=95%的枯水年，坝址以上控制集雨面积内的月平均天然来水量可满足取水要求，但根据典型年的日均供水量，在考虑水量损失后，岭溪河水源地在10—12月期间的日均水量小于0.46万m3，而大坑尾水水源地有5个月的日均可供水量达不到要求。可得，岭溪河与大坑尾水上电站的调节库容较小，调节性能较差，存在枯水月不能满足供水的情况。工况2每天至少要取1.09万m3，工况3时，每天至少取水1.79万m3，在这两种工况下，应急供水量的缺口更大。

对于桂头水厂，由于其最初的水源地为横溪水库，其库容大、调节能力强，来水量可满足应急供水的需求，本研究对其自来水处理能力来进行分析。根据收集到的2015—2019年桂头水厂的实际供水量，其最大月供水量为7 492 m3/d，在应急情况下，不同处理能力下，可得出水厂可供水量(见表4)。

表4 桂头水厂可供水量 万m3/d

从表4可知，在工况1时，桂头水厂扣除原本供水范围内的用水量后，在现状处理能力下，即1万m3/d时，可供给城区的应急备用水量为0.85万m3/d，可满足乳城镇应急水量的需求。工况2和工况3时，水厂现状处理能力不足以支撑备用水源的需水，但当桂头水厂的处理能力达到设计规模即2万m3/d时，可用于供给城区的日应急备用水量在1.70万m3以上，可满足应急要求。

4.2 备用水源水质

岭溪河和大坑尾水为南水支流，取水点设置在电站尾水口以下，水电站主要利用水能发电，不会影响水质，并且在取水点以上河段，河岸两边均为山地树林，远离人口密集度高的城区，人为因素污染较少，水质较好。

桂头水厂取水来源为横溪水库，横溪水库现划分有横溪水库开发利用区、横溪水库饮用农业用水区，现状水质为Ⅱ类水，水质相对较好。根据近3 a桂头河实测的水质监测数据，桂头河段各水质指标值基本不超过Ⅱ类水限值，大部分指标符合Ⅰ类水指标，但总氮、大肠杆菌个别月份偶有超出Ⅲ类水限值的情况。由于桂头水厂目前正在运行，其水质总体上符合水源地的要求。

4.3 输水通道建设

本研究中备选的应急水源地取水点分别为岭溪河双峰电站尾水出口、大坑尾水明珠电站尾水出口以及桂头水厂。输水管道走向分别如下：① 明珠电站尾水出口—山间河岸—887乡道—G323—滨江西路—南水路—乳源县自来水厂，全长约9 km；② 双峰一级水电站尾水出口—山间河岸—坪乳公路—乳源县自来水厂，全长约5 km；③ 在乳源县村村通供水工程中，乳源县与桂头镇之间已铺设管道供水，现有管网主要沿S250省道铺设，经一六镇、游溪镇与桂头镇相连接。

根据《村镇供水工程计算规范》，根据各工况下的日取水量确定相应条件下的取水流量，进而确定相应的经济流速与管道内径，计算公式如下：

(1)

式中:

d——管道内径，m；

v——管内流速，m/s；

Q——引水流量，m3/s。

根据公式1，推求得到工况1下输水管道宜采用DN300 mm，工况2下输水管道宜采用DN400 mm，工况3下输水管道宜采用DN500 mm。

各备选方案管道的建设成本分析如下：选用岭溪河为备用水源地时，取水口至乳源县自来水厂，输水管长度约为9 km，工况1时采用DN300 mm螺旋缝埋弧焊钢管，造价约为2 905万元；工况2时采用DN400 mm时，造价约为3 013万元；工况3时采用DN500 mm管道时，造价约为3 121万元。选用大坑尾水为备用水源地时，取水口至乳源县自来水厂，输水管长度约为5 km，工况1时采用DN300 mm螺旋缝埋弧焊钢管，造价约1 566万元；工况2和工况3时水量缺口过大，不满足供水要求，因此不再进行分析。选用桂头水厂为备用水源地时，桂头水厂至乳源县自来水厂，输水管长度约为25 km，其在村村通供水工程中已铺设管道，工况1时，经复核，有两处两段埋设管道为DN200 mm塑料管PVC-U，管道长度分别为2.2 km与2.4 km，将其扩大成DN300 mm螺旋缝埋弧焊钢管后方能满足要求，造价约546万元。工况2和工况3的取水流量较大，考虑用泵站加压的方式，此时工况2和工况3的造价分别为3 715万元与4 207万元。

4.4 应急备用水源地优选

3个备选的应急水源地各特征情况见表5，从表5可知，在水源独立性方面，岭溪河水源地和大坑尾水水源地与常规水源的取水口均属于南水水系，桂头水厂水源地属于武江水系，只有桂头水厂水源地与常规水源地的水系是独立的，两者受同一风险源的影响小，具有良好的抗风险能力。在水量方面，岭溪河水源地和大坑尾水水源地控制流域范围内的月均天然来水量满足水量需求，但在枯水月份仍存在缺水风险，桂头水厂取水水源为横溪水库，水库库容较大，水量满足应急备用水源地要求。水质方面，岭溪河水源地和大坑尾水水源地属于山区性小河流，水质本底较好，桂头水厂水源地目前已经在供给桂头镇范围内的生活用水，水质达到饮用水水源地标准。水源保护方面，岭溪河水源地和大坑尾水水源地目前尚未开发，水源保护需从头做起，桂头水厂水源地目前已经划分好功能区，且已实施监管，另外桂头水厂的取水水源为横溪水库，水库水体流动性小，存在一定富营养化的风险。输水距离方面，岭溪河水源地取水口至常规水源地约9 km，大坑尾水水源地取水口至常规水源地约5 km，而桂头水厂至常规水源地距离约25 km。输水工程建设投资方面，岭溪河水源地取水口至常规水源地之间的管道建设投资约为3 000万元，大坑尾水水源地取水口至常规水源地之间的管道建设投资约为1 500万元，桂头水厂至常规水源地之间目前部分管道大小不满足应急供水需求，在工况1时，需对4.6 km的管道进行更换，费用约为550万元；在工况2与工况3时，需建设泵站对沿途管道进行加压，建设费用约为4 000万元。管道铺设与管养方面，岭溪河水源地和大坑尾水水源地与常规水源地之间的管道均需要全部重新铺设，且其管道仅在应急供水时使用，平时处于闲置状态，而桂头水厂至常规水源地之间虽然距离较远，但目前已有现成的管道，在应急供水之外，中间的管道用于供给沿途乡镇的用水，不会产生额外的管养任务。

表5 3个可用水源的基本特征对比

乳源县作为水资源丰富的山区城市，结合其城市供水特点，从供水可行性及安全性、工程经济性、平时维护管养等方面综合考虑，桂头水厂水源地与常规水源地独立性强，水量充足，水源地保护条件最为成熟，且可利用已有的村村通管道，即使在工况2与工况3时初始投资略高，但建成后可节约大量的运行维护成本与资金，因此本研究推荐采用桂头水厂作为乳源县应急备用水源地。当南水水库发生水污染突发事故时，可关闭原取自南水电厂尾水的输水管网，通过桂头水厂输水到乳源县自来水厂，经处理后可向乳源县城区供水。

5 结语

本文结合乳源县水资源实际情况及供水现状，在推求应急备用水源水量需求规模的基础上，从水量、水质、输水通道建设等方面进行论证，提出了乳源县应急备用水源地的最优方案，同时为国内相关城市的水资源配置及应急备用水源地的建设提供了借鉴，主要结论如下：

1) 本文选取月平均供水量、年最大供水量与月最大供水量3种统计口径下的实际用水量作为计算基准，根据整体压缩法提出了正常供水情况下的20%、30%、40%作为应急供水规模与7 d、11 d、15 d 3种应急备用天数，推求得到乳源县城区最小应急需水量为3.2万m3，最大应急需水量为26.90万m3。

2) 在发生特大干旱时(95%)，岭溪河水源地和大坑尾水水源地的月平均天然来水量可满足应急取水要求，但存在较多月份的日均来水量小于应急备用水源日均需水量的风险。

3) 3个备选水源地的水质均较好，但桂头水厂以其水系独立、水量充足、水源地保护条件成熟、管道运维方便的特点最合适作为应急备用水源地。