山區城市應急備用水源規模及選址研究

關 帥，劉樹鋒，張庭榮

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635)

1 研究背景

隨著城市化進程和社會經濟的迅速發展，水資源的需求日益增加；水污染的頻繁發生，嚴重影響城市供水安全，遇到突發事件時，水源單一的城市供水更難以保證[1]。積極開發和建設城市備用水源不僅是貫徹落實最嚴格水資源管理制度和重要飲用水水源地安全保障達標建設的要求，也是解決供水系統出現問題的重要措施，同時可以顯著提高應對水污染突發事件和應急供水保障的能力，促進人水和諧。水利部《關于印發加強城市應急備用水源建設的指導意見的通知》(水規計〔2017〕454號)中指出：隨著城市的快速發展，城市供水的風險和挑戰在不斷增大，為進一步完善城市水源安全保障體系，在繼續加強常規水源建設的同時，迫切需要統籌加快應急備用水源建設；文件同時指出，建設應急備用水源的目的為：在遭遇特大干旱或突發水安全事件時，城市居民基本生活和必須的生產、生態用水可得到保障。此外，《關于加強飲用水安全保障工作的通知》(國辦發〔2015〕45號)、《全國城市飲用水水源地安全保障規劃》及《國務院關于印發水污染防治行動計劃的通知》(國發〔2015〕17號)等文件中也明確要求供水單一的城市應建設備用水源[2]。可見，建設應急備用水源地刻不容緩。

自實施十三五規劃以來，國內正逐步開展應急備用水源建設工作，因各地自然、經濟等情況不同，所選擇的備用水源類型也各有差異。干旱地區，地表水較少，部分選取地下水為備用水源[3-5]；我國大部分地區備用水源一般選取水質較好的河流、水庫，通過新建、擴建水庫及水廠，或通過水源、水利工程功能轉換來達到供水要求[6-11]。結合當地實際條件，因地制宜的選擇應急備用水源，才能達到高效、安全、經濟、可行。

山區城市小水電以及水庫等水利工程較多，但由于其所在位置大部分離城區較遠，如何平衡水質、水量以及經濟之間的關系是一大難題。乳源縣是廣東省典型的山區丘陵城市，其供水水源為南水電站發電尾水，供水水源單一，供水系統容易受到破壞，不可預見的突發環境事件威脅著縣城人民飲水安全。針對上述情況，本文以乳源瑤族自治縣為研究對象，從應急備用水源規模計算、水質分析、輸水通道建設等方面開展論證，對該縣應急備用水源地選址進行探討。

2 供水現狀與可用水源

2.1 供水現狀

乳源縣的城區中心為乳城鎮，其位于廣東省北部、韶關市西部，距離韶關市區31 km，東臨武江區龍歸鎮、南接武江區江灣鎮，西連東坪鎮，北與游溪、一六鎮交界。乳源縣現有兩個供水水廠，分別為乳源縣自來水廠和桂頭水廠(見圖1)，其中桂頭水廠供水范圍為桂頭鎮，乳源縣城區供水任務主要由乳源縣自來水廠負責。乳源縣自來水廠位于乳源縣南水河上游，日供水能力為7萬m3，實際日供水量約4萬m3。乳源縣自來水廠取水口位于南水電站發電尾水處，南水電站從上游南水水庫取水，南水水庫位于縣城西南16 km處，是廣東省第二大人工湖，庫容量達12.5億m3，水量充足。

圖1 乳源縣水廠位置分布示意

乳源縣屬于典型的山區城市，由于地形、距離等原因，供水管道鋪設難度大，導致乳城鎮現狀供水水源單一，水廠取水口上游河道為南水河泄洪道，泄洪道兩岸有坪乳公路、京港澳高速，不可預見的突發水污染風險難以消除，一旦發生大范圍突發污染事件，將難以保障城區內的供水需求。

2.2 可用水源

根據乳源縣的城市發展規劃，當地有3個可用水源可供選擇，一是位于嶺溪河上游的明珠水電站尾水處(以下簡稱“嶺溪河水源地”)，二是位于大坑尾水上的雙峰一級水電站尾水處(以下簡稱“大坑尾水水源地”)，三是選用桂頭鎮自來水廠作為備用水源，水源地取水口為銀溪水電站尾水，水源引自橫溪水庫。

備選方案一中明珠水電站位于乳源縣乳城鎮境內，距離乳源縣城約為6.0 km，電站所引用河流為嶺溪河，屬北江水系，嶺溪河位于乳城鎮嶺溪村和大聯村，起源于田丘段，于乳城沿江路旅游服務部流入南水河；電站壩址以上控制集水面積為7.5 km2，壩址以上河流長度約為2.8 km。備選方案二中雙峰一級水電站位于南水河支流大坑尾水上，電站座落在乳源縣東坪鎮境內，大壩控制集雨面積為3.22 km2，干流長為 2.95 km。備選方案三中桂頭水廠位于桂頭鎮楊溪水七星墩電站附近，桂頭水廠取水口位于銀溪電站尾水處，銀溪電站取水水源來自上游橫溪水庫，庫容量達1億m3，水量充足。桂頭自來水廠的設計日供水量為2萬m3，目前的日最大供水能力為1萬m3，現實際平均供水約為3 661m3/d，最大月供水量為7 492 m3/d。

3 選址原則及應急需水規模

3.1 選址原則

應急備用水源在城市應急供水系統中起著關鍵作用，在選址是應考慮多方面的因素，因此，本文確定以下選址原則：① 應急備用水源需要與城市常規供水水源相對獨立，沒有相關性，必須是獨立于現狀城市各水源之外的專門水體，即水量和水質不受同一風險源影響，常規水源受缺水或污染影響情況下應急備用水源可啟用；② 應急備用水源的類型盡可能與現有水源地類型不同；③ 應急備用水源建設規模和標準應結合常規供水水源的供水范圍、供水人口、供水規模、聯網調配情況等綜合考慮確定；④ 便于鋪設管道，輸水距離盡量短，減少經濟投資；⑤ 水源水質滿足生活基本要求，水量保證要求；⑥ 條件允許的情況下，盡可能與現有水源地屬于不同水系。

3.2 應急需水規模

根據水利部《關于印發加強城市應急備用水源建設的指導意見的通知》，應根據自身水源結構、供用水特點等，確定當地應急備用水源的標準和規模。楊聰輝[12]在分析廣州四大供水源突發事件的基礎上，確定中心城區西北片及東部水源地的應急時間為20 d；程建民等[13]確定金昌市的城市供水備用水源的應急時間為30 d；王秀麗[14]偏于安全考慮，將肇慶市的應急供水時間確定為15 d；周燕[15]統計了1985—2005年20 a間全國發生的102起城市水源地突發污染事件，發現停水時間從3 h至26 d不等，而目前國內的應急備用水源工程的供水天數一般為5～12 d。綜合考慮我國相關學者提出的城市備用水源應急時間、乳源縣近年來所發生的飲用水源污染事件、供水中斷時間等，本文確定7 d、11 d、15 d 3種應急天數；供水規模取正常供水情況下的20%、30%、40%。

3.3 應急需水量

城市應急需水規模的預測方法主要有分類預測法及整體壓縮法，其中分類預測法則考慮用水分類，將用水分為工業用水和生活用水，并不斷細化后預測所需的水量；整體壓縮法以正常需水量為基準，以一定的壓縮系數來求得應急需水量。本研究分別采用分類預測法與整體壓縮法兩種方法對乳源縣備用水源地的應急需水量進行計算。

3.3.1分類預測法

1) 生活用水

本次應急備用水源地供水范圍為乳城鎮，為乳源縣的城區，供水主要考慮居民生活用水、工業用水、公共用水、管網漏失水量等。2020年乳城鎮常住人口為10.5萬人，最高日居民用水定額根據《村鎮供水工程設計規范》確定，取100 L/(人·d)。得出居民生活用水量為10 500 m3/d。

2) 工業用水

根據《乳源瑤族自治縣城市總體規劃(2015—2035)》《乳源瑤族自治縣國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》以及《乳源縣節水型社會建設規劃》，乳源縣工業需水量為2 309.61萬m3/a。當發生突發狀況時，工業供水主要是與民生密切相關的重點工業，主要有電力、熱力、燃氣、水的生產供應業和食品制造業等。重點工業用水量僅按工業總用水量的20%計，計算得工業需水量為12 655 m3/d。

3) 公共用水

根據《村鎮供水工程設計規范》，政府所在地、集鎮，公共建筑用水量可按居民生活用水量的10%～25%估算，其中集鎮和鄉政府所在地可為10%～15%，建制鎮可為15%～25%。本次公共用水量取居民生活用水量的15%，計算得公共用水量為1 575 m3/d。

4) 其他用水

根據《村鎮供水工程設計規范》，當村鎮附近有可靠的其他水源且取用方便可作為消防水源時，可不單列消防用水量，乳城鎮內河流眾多，能滿足消防用水，因此本次不考慮消防用水。管網漏失水量和未預見水量之和按生活用水量和工業用水量的15%計，計算得管網漏失水量和未預見水量為3 473 m3/d。

綜上可得乳城鎮總需水量為2.82萬m3/d，根據不同的取水規模和天數，可得出乳城鎮應急備用水源地的需水量(見表1)。

表1 不同工況下應急需水量(分類預測法)

3.3.2整體壓縮法

本研究收集了2015年至2019年乳源縣自來水廠月供水數據，分別以實測的月平均供水量(66.6萬m3/月)、年最大供水量(1 285.02萬m3/a)、月最大供水量(132.24萬m3/月)為計算基準，分別求得乳源縣自來水廠的日供水量，進而計算得到不同工況的下應急備用水源地需水情況(見表2)。

表2 不同工況下應急需水量(整體壓縮法)

由表2可知，在工況1時，以乳源縣自來水廠多月平均供水量為基準，即人均需水量為120.5 m3/(人·a)，按20%的供水規模，應急供水天數為7 d進行計算，求得應急需水量為3.2萬m3，應急日供水量為0.46萬m3。工況2時，以乳源縣自來水廠年最大供水量為基準，即人均需水量為191.2 m3/(人·a)，按30%的供水規模，應急供水天數為11 d進行計算，求得應急需水量為11.98萬m3，應急日供水量為1.09萬m3。工況3，以乳源縣自來水廠最大月供水量為基準，即人均需水量為236.1 m3/(人·a)，按40%的供水規模，應急供水天數為15 d進行計算，求得應急需水量為26.90萬m3，應急日供水量為1.79萬m3。

通過對比表1與表2，發現分類預測法中的3種工況中，有兩種需水量均小于整體壓縮法中的工況，同時分類預測法中的各用水量主要根據定額進行估算，存在的誤差較大，因此本研究選取以乳源縣自來水廠實際用水量為基礎開展的整體壓縮法計算得到的應急需水量開展備用水源地的比選與分析。

4 應急備用水源地方案比選

4.1 備用水源規模

乳源縣屬于我國南方多雨地區，水資源主要來源于降雨，嶺溪河和大坑尾水在南水流域內，地形、地貌、植被覆蓋情況均相似，因此可移用南水水庫雨量站的徑流深來推求嶺溪河和大坑尾水的徑流量，本次收集了南水水庫雨量站1973—2018年的月降雨系列資料。

對于嶺溪河水源地與大坑尾水水源地，本文采用適線法來推求發生特大干旱時(95%)的降雨量，采用徑流系數法，根據壩址以上集雨面積推求出徑流量，即為天然來水量。依據南水水庫雨量站1973—2018年的實測逐月降雨量系列，選取與該頻率下降水量相近且年內分配不利的年份，采用同倍比縮放的方法，得到明珠水電站與雙峰一級水電站的月降雨量分配過程，求得壩址處的逐月天然來水量。明珠水電站和雙峰一級水電站均屬于日調節引水式電站，工程庫容小，對水量的調節性能較小。在引水過程中，考慮水量沿途損失情況，同時考慮水庫蒸發滲漏損失以及下游生態需水，本次水量損失參照一般山區小水電水量損失情況，兩者的水量損失按天然來水量的10%計，可供水量計算見表3。

表3 明珠水電站與雙峰一級水電站壩址處月可供水量計算

工況1中每天至少取水0.46萬m3，當應急天數為7 d時，所需總水量為3.20萬m3。從表3可知，在P=95%的枯水年，壩址以上控制集雨面積內的月平均天然來水量可滿足取水要求，但根據典型年的日均供水量，在考慮水量損失后，嶺溪河水源地在10—12月期間的日均水量小于0.46萬m3，而大坑尾水水源地有5個月的日均可供水量達不到要求。可得，嶺溪河與大坑尾水上電站的調節庫容較小，調節性能較差，存在枯水月不能滿足供水的情況。工況2每天至少要取1.09萬m3，工況3時，每天至少取水1.79萬m3，在這兩種工況下，應急供水量的缺口更大。

對于桂頭水廠，由于其最初的水源地為橫溪水庫，其庫容大、調節能力強，來水量可滿足應急供水的需求，本研究對其自來水處理能力來進行分析。根據收集到的2015—2019年桂頭水廠的實際供水量，其最大月供水量為7 492 m3/d，在應急情況下，不同處理能力下，可得出水廠可供水量(見表4)。

表4 桂頭水廠可供水量 萬m3/d

從表4可知，在工況1時，桂頭水廠扣除原本供水范圍內的用水量后，在現狀處理能力下，即1萬m3/d時，可供給城區的應急備用水量為0.85萬m3/d，可滿足乳城鎮應急水量的需求。工況2和工況3時，水廠現狀處理能力不足以支撐備用水源的需水，但當桂頭水廠的處理能力達到設計規模即2萬m3/d時，可用于供給城區的日應急備用水量在1.70萬m3以上，可滿足應急要求。

4.2 備用水源水質

嶺溪河和大坑尾水為南水支流，取水點設置在電站尾水口以下，水電站主要利用水能發電，不會影響水質，并且在取水點以上河段，河岸兩邊均為山地樹林，遠離人口密集度高的城區，人為因素污染較少，水質較好。

桂頭水廠取水來源為橫溪水庫，橫溪水庫現劃分有橫溪水庫開發利用區、橫溪水庫飲用農業用水區，現狀水質為Ⅱ類水，水質相對較好。根據近3 a桂頭河實測的水質監測數據，桂頭河段各水質指標值基本不超過Ⅱ類水限值，大部分指標符合Ⅰ類水指標，但總氮、大腸桿菌個別月份偶有超出Ⅲ類水限值的情況。由于桂頭水廠目前正在運行，其水質總體上符合水源地的要求。

4.3 輸水通道建設

本研究中備選的應急水源地取水點分別為嶺溪河雙峰電站尾水出口、大坑尾水明珠電站尾水出口以及桂頭水廠。輸水管道走向分別如下：① 明珠電站尾水出口—山間河岸—887鄉道—G323—濱江西路—南水路—乳源縣自來水廠，全長約9 km；② 雙峰一級水電站尾水出口—山間河岸—坪乳公路—乳源縣自來水廠，全長約5 km；③ 在乳源縣村村通供水工程中，乳源縣與桂頭鎮之間已鋪設管道供水，現有管網主要沿S250省道鋪設，經一六鎮、游溪鎮與桂頭鎮相連接。

根據《村鎮供水工程計算規范》，根據各工況下的日取水量確定相應條件下的取水流量，進而確定相應的經濟流速與管道內徑，計算公式如下：

(1)

式中:

d——管道內徑，m；

v——管內流速，m/s；

Q——引水流量，m3/s。

根據公式1，推求得到工況1下輸水管道宜采用DN300 mm，工況2下輸水管道宜采用DN400 mm，工況3下輸水管道宜采用DN500 mm。

各備選方案管道的建設成本分析如下：選用嶺溪河為備用水源地時，取水口至乳源縣自來水廠，輸水管長度約為9 km，工況1時采用DN300 mm螺旋縫埋弧焊鋼管，造價約為2 905萬元；工況2時采用DN400 mm時，造價約為3 013萬元；工況3時采用DN500 mm管道時，造價約為3 121萬元。選用大坑尾水為備用水源地時，取水口至乳源縣自來水廠，輸水管長度約為5 km，工況1時采用DN300 mm螺旋縫埋弧焊鋼管，造價約1 566萬元；工況2和工況3時水量缺口過大，不滿足供水要求，因此不再進行分析。選用桂頭水廠為備用水源地時，桂頭水廠至乳源縣自來水廠，輸水管長度約為25 km，其在村村通供水工程中已鋪設管道，工況1時，經復核，有兩處兩段埋設管道為DN200 mm塑料管PVC-U，管道長度分別為2.2 km與2.4 km，將其擴大成DN300 mm螺旋縫埋弧焊鋼管后方能滿足要求，造價約546萬元。工況2和工況3的取水流量較大，考慮用泵站加壓的方式，此時工況2和工況3的造價分別為3 715萬元與4 207萬元。

4.4 應急備用水源地優選

3個備選的應急水源地各特征情況見表5，從表5可知，在水源獨立性方面，嶺溪河水源地和大坑尾水水源地與常規水源的取水口均屬于南水水系，桂頭水廠水源地屬于武江水系，只有桂頭水廠水源地與常規水源地的水系是獨立的，兩者受同一風險源的影響小，具有良好的抗風險能力。在水量方面，嶺溪河水源地和大坑尾水水源地控制流域范圍內的月均天然來水量滿足水量需求，但在枯水月份仍存在缺水風險，桂頭水廠取水水源為橫溪水庫，水庫庫容較大，水量滿足應急備用水源地要求。水質方面，嶺溪河水源地和大坑尾水水源地屬于山區性小河流，水質本底較好，桂頭水廠水源地目前已經在供給桂頭鎮范圍內的生活用水，水質達到飲用水水源地標準。水源保護方面，嶺溪河水源地和大坑尾水水源地目前尚未開發，水源保護需從頭做起，桂頭水廠水源地目前已經劃分好功能區，且已實施監管，另外桂頭水廠的取水水源為橫溪水庫，水庫水體流動性小，存在一定富營養化的風險。輸水距離方面，嶺溪河水源地取水口至常規水源地約9 km，大坑尾水水源地取水口至常規水源地約5 km，而桂頭水廠至常規水源地距離約25 km。輸水工程建設投資方面，嶺溪河水源地取水口至常規水源地之間的管道建設投資約為3 000萬元，大坑尾水水源地取水口至常規水源地之間的管道建設投資約為1 500萬元，桂頭水廠至常規水源地之間目前部分管道大小不滿足應急供水需求，在工況1時，需對4.6 km的管道進行更換，費用約為550萬元；在工況2與工況3時，需建設泵站對沿途管道進行加壓，建設費用約為4 000萬元。管道鋪設與管養方面，嶺溪河水源地和大坑尾水水源地與常規水源地之間的管道均需要全部重新鋪設，且其管道僅在應急供水時使用，平時處于閑置狀態，而桂頭水廠至常規水源地之間雖然距離較遠，但目前已有現成的管道，在應急供水之外，中間的管道用于供給沿途鄉鎮的用水，不會產生額外的管養任務。

表5 3個可用水源的基本特征對比

乳源縣作為水資源豐富的山區城市，結合其城市供水特點，從供水可行性及安全性、工程經濟性、平時維護管養等方面綜合考慮，桂頭水廠水源地與常規水源地獨立性強，水量充足，水源地保護條件最為成熟，且可利用已有的村村通管道，即使在工況2與工況3時初始投資略高，但建成后可節約大量的運行維護成本與資金，因此本研究推薦采用桂頭水廠作為乳源縣應急備用水源地。當南水水庫發生水污染突發事故時，可關閉原取自南水電廠尾水的輸水管網，通過桂頭水廠輸水到乳源縣自來水廠，經處理后可向乳源縣城區供水。

5 結語

本文結合乳源縣水資源實際情況及供水現狀，在推求應急備用水源水量需求規模的基礎上，從水量、水質、輸水通道建設等方面進行論證，提出了乳源縣應急備用水源地的最優方案，同時為國內相關城市的水資源配置及應急備用水源地的建設提供了借鑒，主要結論如下：

1) 本文選取月平均供水量、年最大供水量與月最大供水量3種統計口徑下的實際用水量作為計算基準，根據整體壓縮法提出了正常供水情況下的20%、30%、40%作為應急供水規模與7 d、11 d、15 d 3種應急備用天數，推求得到乳源縣城區最小應急需水量為3.2萬m3，最大應急需水量為26.90萬m3。

2) 在發生特大干旱時(95%)，嶺溪河水源地和大坑尾水水源地的月平均天然來水量可滿足應急取水要求，但存在較多月份的日均來水量小于應急備用水源日均需水量的風險。

3) 3個備選水源地的水質均較好，但桂頭水廠以其水系獨立、水量充足、水源地保護條件成熟、管道運維方便的特點最合適作為應急備用水源地。