平原城市應急備用水源需求及工程規模確定研究

曹命凱　侍翰生　黃渝桂　喻桂成　王　凱

平原城市應急備用水源需求及工程規模確定研究

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我國大部分城市存在水資源短缺與水體污染的雙重問題，水體污染加劇了水資源短缺。各地在經濟發展過程中，存在不同程度的工業發展優先、環境治理滯后的問題，積累了較高的環境污染風險。與此同時，相當一部分化工石化類高污染企業分布在江河湖庫附近，對飲用水水源地保護形成重大威脅。此外，由于化學品運輸中的車輛超限超載現象嚴重，運輸事故時有發生，造成化學品泄漏而污染水源。近年來，城市供水水源突發性水污染事件呈上升趨勢，其中多數是由工業生產和交通事故等突發性事故而引發的。特別是2005年底的松花江水污染事故和2007年5月的無錫飲用水危機，給當地正常的生產生活造成了嚴重影響，引起了國內外的廣泛關注。

平原地區受地形限制，沒有條件建設飲用水水庫。城市周邊河網受水量、水質影響，供水水質和保障率很難保障。本文以江蘇省灌南縣碩項湖應急備用水源工程為例，分析常規引水水源風險，并進行備用水源需求分析，最終確定備用水源工程規模。

一、工程項目背景及建設的必要性

灌南縣位于江蘇省北部，地處沂沭泗河水系最下游。縣內水系發達，河網稠密，主要有灌河、新沂河、武障河、義澤河、南六塘河、北六塘河、鹽河、柴米河等干河。其中柴米河、南六塘河、鹽河等污染比較嚴重，新沂河南偏泓、北六塘河水質尚可，水量較為豐富。圖1為灌南周圍水環境污染示意圖。

灌南縣長期依靠地下水作為單一飲用水水源，多年來的地下水開采，使地下水水位逐年降低，特別在縣城及周邊區域形成面積約40km2的地下水降落漏斗。灌南縣面臨地表水污染，地下水不能繼續開發利用的尷尬局面。為此，灌南縣依照江蘇省有關規定，結合灌南水域特征，將污染比較輕、水量較為豐富的北六塘河確定為飲用水水源地。2010年建成以北六塘河為水源地，日取水規模為2.5萬m3/d的灌南地表水廠。

根據實際調查和分析，現狀水源地情況及供水設施存在以下幾點問題：

首先，現狀水源地存在常規水體污染的可能。（1）河源污染。主要是通過六塘河地涵匯入上游河道的污廢水或澇水；（2）面源污染。主要為農業面源污染，比如取水口河道上游沿線農業生產化肥、農藥所造成的污染，以及養殖污水和牲畜糞便未經處理就被帶入河道中所造成的污染；（3）存在下游鹽河倒灌的隱患。鹽河水質較差，存在向北六塘河倒流的污染隱患。

其次，灌南縣經濟發展及人口增加導致供水范圍和供水量也隨之增加，而現有供水能力偏小，跟不上發展需要，且無蓄存能力，一旦發生突發污染事故，將面臨無干凈水源可用的狀況。

再次，經過多年的努力，飲用水水源地的水質得到了明顯改善，但是管理保護仍需加強，尤其是在農業、畜牧業面源污染治理方面亟需加強。

最后，北六塘河上游及其匯流河道發生突發性水質污染事故的風險依然存在，難以根除。

灌南縣城供水保障安全度極低，潛伏巨大的安全隱患。為了保障城區供水安全，滿足供水水量和水質的需求，應付水源突發性水質污染事故的發生，以及適應當地經濟社會可持續發展的需要，建設備用水源地工程是十分必要的。

二、城區飲用水需水量預測

需水量預測是城市給水和節水發展規劃的基礎，需水量預測方法是預測需水量的重要手段。國內外已有的需水量預測方法較多，歸納起來大致可分為3大類，即時間序列法、結構分析法和系統分析法。本示例僅局限于飲用水備用水源，采取直觀、簡便易行的人均綜合用水量指標法。根據《城市居民生活用水量標準》（GB/T50331—2002）以及對居民家庭生活人均日用水量調查統計的結果，可將居民家庭日常生活用水主要分為以下幾類：飲用水、廚用水、沖廁水、淋浴水、洗衣用水、衛生用水、澆花用水等。

圖1　灌南城區周邊主要河道及水環境污染情況示意圖（粗黑實線表示重污染，虛線表示污染）

當北六塘河發生污染事故或水質不達標時，啟動碩項湖備用水源，最大程度保證居民基本生活用水。根據北六塘河污染程度來決定人均日生活用水量。常規污染時，按居民正常用水量（即一般型）壓縮后約為120L/（人·d）。若遇到極端情況，比如北六塘河水質不達標持續時間比較長，只保證居民基本生命用水，包括飲用水和廚用水，約為20～25L/（人·d）。

按照灌南縣中長期發展規劃，城區城市人口將達到40萬，因此確定灌南城區應急備用需水量為5萬m3/d。

三、碩項湖備用水源工程規模論證

1.北六塘河污染規律

根據近幾年水質監測資料，可知污染源來自上游來水、農業和生活面源污染。北六塘河水質情況具有以下特點：

（1）年內年際變化不大。北六塘河污染主要超標指標均為溶解氧和氨氮等（具體指標數據變化情況見圖2），水質類別年內年際變化不大，大部分時間水質基本維持在III～IV類水平，最差水質類別為V類。

（2）污染與降雨同期。結合流域內降雨資料分析，每次污染發生前都有中等強度的連續降雨過程，多發于每年的3月和7月，1月和5月偶有發生。

（3）水質受上游來水支配。北六塘河污染程度和時間長短視六塘河地涵和民便河蓄水閘來水遭遇情況及來水大小而定。

（4）污染持續時間長。北六塘河污染受上游來水和降雨造成面源污染的共同影響，污染持續時間比較長。據統計，北六塘河污染最短時間為10～15d左右；一般情況污染時間為20d左右；極端情況下，北六塘河飲用水源被污染時間最長可達30～33d。

2.北六塘河供水保障率分析

北六塘河地處平原地區，河道水量受人為調度控制影響較大。1985～2006年地表水水廠取水口上游楊口站（距取水口16km）和下游龍溝河閘站（距取水口5.5km）及取水口處各設計保證率下的水位見表1。

表1　各設計保證率下水位表　單位：m

由表2可知，在設計保證率下楊口站比龍溝河閘站水位高出5～14cm。經斷面輸水能力計算可知，當上游楊口站水位高于下游龍溝河閘站水位1cm時，流量約為7.65m3/s，由此可見在設計保證率下北六塘河的輸水流量大約在38～107 m3/s，上游楊口站向下游輸水能力較強且較穩定。

3.碩項湖工程規模

碩項湖屬于典型的半封閉人工湖泊，在充分利用水資源的情況下，要考慮碩項湖內生態基本需求，以保障湖內水體不變質，盡量做到水資源利用率的最大化，同時盡量減少棄水。圖2為碩項湖備用水源工程位置及引送水路線示意圖。

通常情況下，北六塘河污染時間在20d左右，因此碩項湖正常調蓄庫容供水時間按20d考慮，則正常調蓄庫容為100萬m3。

因受制于地形和周邊河網水位影響，湖區水深不宜過大，否則維持湖內III類水的時間比較短且不利于水體充分交換。另外，還要考慮碩項湖蒸發滲漏損失、應急庫容或死庫、淺水區凈水植物等需水要求，碩項湖的湖內水深要大于1.2m。淺水區凈水植物生長過渡帶和湖邊綠化隔離帶需按相關規定要求進行考慮，經初步計算正常調蓄庫容對應的水體面積約為1250畝。

經綜合考慮，碩項湖換水周期為60d，在一個換水周期內從北六塘河引水時間為40d左右，引水流量為1.0m3/s。碩項湖引水流量對北六塘河影響甚微。

圖2　碩項湖相對位置及引送水路線示意圖

四、結語

對于單一地表水源供給的平原城市，增大供水保障率，改善供水水質，增加供水安全，建設備用水源工程刻不容緩。本文以灌南縣備用水源工程——碩項湖為例，重點研究平原城市備用水源需求分析和規模論證，主要得到以下幾點結論和建議：

（1）根據調查和分析，灌南縣現狀水源地及供水設施存在的問題主要是灌南縣城區地表水源單一，北六塘河作為唯一飲用水源地存在常規污染和突發污染事故的風險較大，因而有必要建設碩項湖備用水源工程。

（2）采用人均綜合用水量指標法，并結合灌南縣中長期發展規劃，確定灌南城區飲用水源需水量為5萬m3/d。

（3）北六塘河水質污染的特點是降雨同期性、受上游來水支配性、持續時間長等，一般情況下，北六塘河水質污染時間在20d左右，極端情況可能持續1個月以上。

（4）分析北六塘河供水保障率并結合水質污染特點，確定碩項湖備用水源工程基本規模，認為這種規模下碩項湖備用水源工程引水對北六塘河影響甚微

（作者單位：1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司2250092.中水淮河規劃設計研究有限公司230601）