導 讀
技術評估和和驗證是科技成果應用與擴散的重要中間環(huán)節(jié)，可有效促進科技成果的推廣應用。通過對國家重大水專項中城市供水系統(tǒng)風險識別與應急能力關鍵技術的梳理，采用技術就緒度方法對其成熟度評價與分類，并對相關技術整合后進行技術驗證和實例分析，不僅能深入剖析供水系統(tǒng)的各單元環(huán)節(jié)的子系統(tǒng)，評估城市供水系統(tǒng)的應急能力與風險識別能力，而且還可為同類技術的評估和驗證提供借鑒。
0 引 言
當前針對城市供水系統(tǒng)綜合風險的分析評價方法缺乏，現(xiàn)有城市供水規(guī)劃對提升城市供水系統(tǒng)應急能力考慮不夠，急需提出供水系統(tǒng)高危因素識別與分類方法以及城市供水系統(tǒng)應急能力評估方法。通過對供水系統(tǒng)的解析，識別系統(tǒng)中的高危因素，量化分析風險因子，并提出規(guī)劃的調(diào)控技術措施——風險識別，是本技術的其中一個研究難點。本技術另外一個難點是如何評價城市供水系統(tǒng)應急水平，量化分析城市供水系統(tǒng)的應急能力。國內(nèi)在城市供水系統(tǒng)風險分析研究這一領域起步較晚，尚未形成完整的理論體系。吳小剛等采用最小割集理論建立了城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的故障風險評價模型，并通過自行編制的程序進行了相關的實例分析。李蝶娟等提出了太原市2000-2030年的高、中、低3種需水量預測方案，并進行了未來規(guī)劃期降水、徑流和地下水資源的人工系列生成，對上述規(guī)劃期內(nèi)的供水風險及其變化過程進行了定量分析。在供水應急能力方面，劉俊和俞國平探討了有效提高城市處置水源和供水突發(fā)事件的能力,建立城鎮(zhèn)供水的日常安全保障機制和發(fā)生緊急情況時迅速有效的應對機制,建設一整套城鎮(zhèn)供水安全保障與應急體系。張曉健提出了加強城市供水系統(tǒng)風險分析與供水應急規(guī)劃調(diào)度決策體系的必要性，以及建立水源突發(fā)污染事故風險評估方法，城市供水系統(tǒng)應對水源突發(fā)污染事故能力的評估方法的重要性。
城市供水系統(tǒng)風險識別與應急能力評估技術是指針對城市現(xiàn)狀供水系統(tǒng)，參考EPA標準識別規(guī)劃層面影響供水系統(tǒng)安全的高危要素，建立城市供水系統(tǒng)關聯(lián)高危要素的識別技術方法，針對識別出的高危要素，研究相對應的規(guī)劃控制方法，通過建立評價指標體系，評估城市供水系統(tǒng)對潛在風險的應急能力。本文采用技術就緒度評價方法對城市供水系統(tǒng)風險識別與應急能力評估技術進行了比較完善的技術評價，通過兩個具體案例全面的驗證了技術的可行性與實際效果。
01 技術評估
技術就緒度(Technology Readiness Level，TRL)是將單項技術或技術系統(tǒng)在研發(fā)過程中所達到的可用程度進行量化，是衡量技術成熟狀態(tài)的指標。通過對新技術進行TRL評價，可較為準確地確定技術的發(fā)展狀態(tài)，判定技術成熟度是否適合進行規(guī)模化應用，已經(jīng)在國內(nèi)外重大科研項目技術成熟度評價中廣泛采用。本文即采用該評價方法對城市供水系統(tǒng)風險識別與應急能力進行評價。
1.1 技術簡介
1.1.1 技術內(nèi)容
該研究以“供水系統(tǒng)風險識別與應急能力評估技術”為核心對城市供水系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析，對供水系統(tǒng)的各單元環(huán)節(jié)進行子系統(tǒng)的分析與構(gòu)建。參考EPA標準識別規(guī)劃層面影響供水系統(tǒng)安全的高危要素，建立城市供水系統(tǒng)關聯(lián)高危要素的識別技術。針對已識別出的高危要素，研究相對應的規(guī)劃控制技術，通過關聯(lián)評估指標，評估城市供水系統(tǒng)的應急能力。該技術的主要創(chuàng)新點包括：①對應供水系統(tǒng)各規(guī)劃層次、全流程識別高危要素；②基于高危要素的識別，提出關聯(lián)的應急能力評估的指標體系；③開展綜合評估，制定應急供水規(guī)劃，提高應急供水能力。
1.2 技術就緒度評價
1.2.1 評價方法
技術就緒度一般分為9級，等級高表明技術成熟，趨近應用。TRLl-TRL2為立項階段，以基礎性的概念研究、闡述和功能證明為特征；TRL3-TRL8為研發(fā)階段，以研究性的實驗、驗證、部件完善為特征；TRL9為推廣應用階段，以實際中的成功應用為特征（加參考文獻那個指南）。不同類型成果就緒度準則應分別制定，便于準確描述成果就緒度。城市供水系統(tǒng)風險識別與應急能力屬于管理類技術，此類技術的研發(fā)和應用過程為從純理論標準到可操作標準的演變過程，技術成熟的標志是推廣至示范地以外的地區(qū)或國家層面，形成政府文件或行業(yè)標準。根據(jù)上述研發(fā)過程特征，制定表1所示的就緒度評價準則。
1.2.2 評價結(jié)果
根據(jù)上述的技術就緒評價準則，根據(jù)各項技術成果的產(chǎn)出內(nèi)容和形式、成果應用及推廣情況等就緒度特征，對供水系統(tǒng)風險識別與應急能力技術的就緒度進行了評價（見表2），總體技術就緒度較高。
從技術就緒度評價結(jié)果可知，供水系統(tǒng)風險識別與應急能力評估技術的就緒度最高，已經(jīng)處于研發(fā)階段后期，即將進入推廣應用期，需要更加全面和完善的技術驗證和評估。管網(wǎng)健康狀態(tài)多維風險評價與更新改造優(yōu)化技術的就緒度最低需要繼續(xù)研究實驗，城市供水系統(tǒng)風險評估與安全管理研究、流域水環(huán)境突發(fā)型風險預警與控制技術、松花江流域風險評估技術的就緒度等級較高，技術成熟度較高，推廣應用前景較好但是仍需進一步深入和完善。
02 技術驗證與應用
技術驗證可以科學、公正、可靠地反映新技術的真實性能，提高了技術可信度，從而使驗證后的技術在項目立項、融資和市場競爭力方面得到廣泛的認可，有效地推動創(chuàng)新技術的市場化進程。現(xiàn)場實證可以解決制約環(huán)境技術驗證(ETV)和最佳可行技術(BAT)應用的數(shù)據(jù)缺失、信息失真的問題。供水系統(tǒng)風險識別與應急能力評估技術作為水專項“十一五”及“十二五”期間有關供水系統(tǒng)風險評價、控制及預警相關的研究取得的核心成果，本研究只對該技術進行技術驗證。根據(jù)實際應用，本文選擇了江蘇省常州市和山東省濟南市分別對風險識別技術和應急能力評估技術進行驗證。
2.1 驗證方法
2.1.1 供水系統(tǒng)風險要素識別驗證
供水系統(tǒng)風險要素識別按照風險識別一般步驟（邏輯維）。采用專家調(diào)查法（知識維）得到了供水系統(tǒng)在規(guī)劃、設計、施工及運營不同階段（時間維）的風險樹（見圖1），這種風險交叉識別是風險評估領域的常用方法，具有較好的完備性和適用性。識別得到供水系統(tǒng)面臨的技術風險和非技術風險（見表3），非技術風險包括臺風、洪澇、干旱、地質(zhì)災害對水質(zhì)水量的威脅，演變型水污染等等；技術風險包括主動攻擊供水設施、操作人員被動失誤、供水系統(tǒng)設備故障、對民眾心理恐嚇以及突發(fā)型水污染等等，并對風險采用馬爾科夫潛在影響模型(Markov Latent Effects model，MLE)進行定量計算，確定各因素的風險水平。這種采用交叉識別的風險識別方法是風險評估領域的常用方法，但是在實際使用的過程中，仍然需要按照環(huán)境技術驗證的原則，評價技術的實用性和可行性。
圖1 風險交叉識別思維導圖
表3 風險因素規(guī)劃調(diào)控
注：●——表示關聯(lián)度高，應在本層面實施；——表示關聯(lián)度較高，可在本層面實施；空白表示基本無關聯(lián)，不宜在本層面實施。
2.1.2 應急能力評估指標體系驗證
根據(jù)國家、地方及行業(yè)應急相關的政策及預案要求，結(jié)合環(huán)境技術驗證原則進行應急能力評估指標調(diào)整(見表4)。
隨著技術、經(jīng)濟、管理等條件的變化，對鄭州市2015-2018年60起供水系統(tǒng)風險統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，水污染54項，地質(zhì)災害2項，被動失誤4項，其中水污染54項包括突發(fā)型水污染44項，演變型水污染10項。上述數(shù)據(jù)說明水污染是導致供水系統(tǒng)風險的主要因素，因此原研究中交叉識別得到的自然災害導致的水源水量風險隨著近年來備用水源建設基本消失，規(guī)劃階段已有和潛在的水污染風險未能突出，實證評估表明應提高突發(fā)性水污染的權重和風險發(fā)生概率，增加地質(zhì)條件、二次供水等風險因素。
2.2 風險識別技術應用
常州的給水廠分布見圖2，由圖可知魏村水廠為唯一一個緊鄰長江且位于城市上游的水廠，當在長江魏村取水口附近發(fā)生特大污染事件時，魏村水廠及下游的西石橋水廠、禮河水廠被迫停止運行，此時整個市區(qū)的運河北片及金壇城區(qū)處于斷水狀態(tài)，受影響人口約160萬；當在滆湖發(fā)生大面積內(nèi)源污染事件時，禮河水廠、武進水廠仍可最大限度接受長江原水達46萬m3/d制水，對運河南片供水影響極小。因此，本研究報告以長江突發(fā)性污染事件的應急為例進行風險評估。
圖2 常州水廠分布
2.2.1 風險識別
通過調(diào)整后的風險指標體系對江蘇常州市的供水系統(tǒng)風險防控進行應用分析(見圖3)。常州位于長江沿岸，目前供水水源為長江及滆湖。根據(jù)市區(qū)的實情判斷，城市供水系統(tǒng)抵御和防范洪澇干旱、地震等自然災害的能力較強，對城市供水系統(tǒng)安全構(gòu)成較大威脅的突發(fā)性事件有四種情況。
圖3 長江常州段環(huán)境風險源識別
(1)城市水源地或主要供水設施遭受化學、生物、毒劑、病毒、油污、放射性物質(zhì)等污染導致供水中斷。
(2)水廠或區(qū)域性增壓站消毒、輸配電、凈化構(gòu)筑物等設施設備發(fā)生火災、爆炸、投毒、倒塌、嚴重泄漏事故。
(3)城市主要單根輸配水干管發(fā)生爆管不能短期修復導致區(qū)域性供水中斷。
(4)調(diào)度、自動控制、營業(yè)等計算機系統(tǒng)遭受入侵、失控、毀壞。
采用調(diào)整后的權重和風險指標體系，通過MLE定量風險計算可知，城市水源地遭受污染導致的供水中斷對供水安全產(chǎn)生災難性、全局性破壞，風險最大，應作為本次風險防控重點。其中以長江作為唯一水源地的常州運河北片區(qū)，在長江魏村取水口附近發(fā)生特大污染事件時，魏村水廠及下游的西石橋水廠、禮河水廠被迫停止運行，此時整個市區(qū)的運河北片及金壇城區(qū)處于斷水狀態(tài)，面臨極大的供水安全威脅，受影響人口約160萬。
2.2.2 識別結(jié)果
魏村水廠取水口上游2 000 m起至利港取水口下游1 000 m范圍內(nèi)，河段長度共計15 km，存在的突發(fā)型污染源有航運船只油污泄露、化工園區(qū)有毒物質(zhì)事故泄露及污水廠事故超標尾水排放。
采用平面二維水力模型及污染擴散模型預測事故對取水口水質(zhì)影響，計算結(jié)果（見表5）表明：雖然長江流量大、流速快，污染物稀釋和自凈能力強，但遇到船只油類泄露和濱江化工區(qū)事故風險時，影響時長達到60 h，遇到潮汐時，影響時長可達90 h。因此，需要加強水源保護區(qū)警戒，對來往船只充分預警提示，近期對濱江化工園區(qū)加強風險防控，遠期考慮搬遷。
影響較小60 h結(jié)果表明：由于長江流量大、流速快，水體納污能力較強、凈污速度較快，遇到風險時，其處理的速度也快，不足3 d即可。即使潮汐條件發(fā)生異常，其影響也可控制在4 d以內(nèi)。
2.3 應急能力評估技術應用
濟南市中心城規(guī)劃范圍東至東巨野河，西至南大沙河以東（歸德鎮(zhèn)界），南至南部雙尖山、興隆山一帶山體及規(guī)劃的濟萊高速公路，北至黃河及濟青高速公路，面積由上版的526 km2擴大到1 022 km2。城市面積的快速擴張，需要對城市供水系統(tǒng)的應急能力做出科學的評價。
2.3.1 突發(fā)事件匯總
原水水質(zhì)問題主要來源于水庫水量和輸水渠道防護不周。歷年水質(zhì)污染事件總結(jié)如表6所示，渠道遭受垃圾糞便污染及突發(fā)車輛漏油污染占水污染突發(fā)事件的很大比例，此外由于自備井眾多，管理不利，自備井的污染也是水源污染的重要類型。出廠水水質(zhì)受原水水質(zhì)影響嚴重，在高藻期為保證管網(wǎng)中的余氯量致使出廠水消毒副產(chǎn)物污染，每年高藻期，均出現(xiàn)不同程度地過消毒副產(chǎn)物超標現(xiàn)象。此外，出廠水受更換凈水劑的影響也比較大。
2.3.2 評估結(jié)果
根據(jù)上述城市供水系統(tǒng)應急能力評估指標體系、指標權重和評價標準，對濟南市城市供水系統(tǒng)應急能力進行綜合評價，為方便討論與閱讀我們僅僅選取評估得分表7中水源、取水、水廠3個因素進行示意，除此之外還有輸配水、住區(qū)供水、儲水、其他等因素不在贅述。評估中涉及到的現(xiàn)狀評價指標值來源于相關政府部門2009年的統(tǒng)計資料，其中水源地的植被覆蓋率通過采用RS和GIS技術得到的基礎數(shù)據(jù)。
根據(jù)上述評估指標的權重及其得分，計算出城市供水系統(tǒng)應急能力評價指數(shù)為5.41。綜合應急能力接近一般等級底限，水源結(jié)構(gòu)相對單一，應急水量供給維持在臨界點，存在水質(zhì)污染現(xiàn)象，水廠工藝陳舊但運行穩(wěn)定。
水源的應急能力評價指數(shù)為1.57。主要問題是水源類型多樣，但現(xiàn)狀供水單一；工業(yè)自備井地下水開采量大，再生水的利用量少；多水源間缺少互備互調(diào)保障。取水的應急能力評價指數(shù)為1.22。根據(jù)地質(zhì)條件和河道沖刷和淤積的特定選擇合理的取水點，完善取水設施突發(fā)事件應急預案，從而保證取水的可靠性。水廠的應急能力評價指數(shù)為0.36。濟南市水廠設施陳舊，處理工藝及配套的電力系統(tǒng)等都亟待升級改造。
03 結(jié) 論
城市供水系統(tǒng)風險識別與應急能力技術建立了風險識別及分類方法，識別規(guī)劃層面影響系統(tǒng)安全的高危風險要素，研究并建立了相應指標體系，實現(xiàn)城市供水應急能力的綜合評估。屬于集成創(chuàng)新和應用提升創(chuàng)新，一方面對供水系統(tǒng)各規(guī)劃層次、全流程進行高危要素的識別，對高危要素進行定量化計算，得到風險水平，以此為基礎對高危要素分類，從而構(gòu)建規(guī)劃調(diào)控矩陣模型；另一方面基于高危要素的識別，提出關聯(lián)的應急能力評估的指標體系，通過對城市應急能力的評估，優(yōu)化供水設施布局，制定應急供水規(guī)劃，提高城市供水安全保障水平。供水系統(tǒng)風險識別與應急能力評估技術位于技術就緒度的TRL8階段——技術研發(fā)的大后期階段，重要的研發(fā)性、探究性、證明性實驗基本完成，但大規(guī)模的工程應用實例相對不足，仍需在多個城市開展大量實驗，繼續(xù)提升技術就緒度才可可大規(guī)模推廣應用；其余四項技術作為供水系統(tǒng)風險識別與應急能力評估技術的補充和延伸，技術就緒度基本處于TRL6階段，仍舊要以不斷地研究實驗、改進實驗為主，進一步深入和完善，爭取技術早日成熟以走向工程應用階段。
通過兩個城市的技術驗證和評價，對常州市以長江為主要水源地的供水系統(tǒng)開展了風險識別應用實踐，風險識別結(jié)果清楚明晰符合實際情況。對濟南市供水系統(tǒng)的應急能力進行全面評估，評估結(jié)果準確的找出了當?shù)毓┧到y(tǒng)的短板與不足——水源較為單一，各個水源之間缺乏相互的保障和協(xié)調(diào)，工業(yè)用水大量依靠地下水的問題。以上兩個實例證明了該技術總體較為成熟，適當提升后可實現(xiàn)標準化。技術創(chuàng)新類型屬于優(yōu)化提升類，達到國內(nèi)先進水平；簡化技術操作、提高推廣的實用性。該技術適用于全國范圍的供水系統(tǒng)風險評價和應急能力評估；在關鍵技術指標和參數(shù)選擇上，結(jié)合國內(nèi)實際做了適當優(yōu)化調(diào)整，更能反映國內(nèi)供水系統(tǒng)風險識別和應急能力的實際。適用于分析不同地區(qū)影響城市供水安全的危險要素及其差異的識別，風險識別方法適用于城市級以及各種類型和規(guī)模的供水企業(yè)，可指導從源頭到龍頭的運行、設備、化學品的風險評估，包括了取水、制水、輸配水和二次供水4個子系統(tǒng)，企業(yè)以外的其他主體可參考執(zhí)行。城市供水系統(tǒng)應急能力評估方法針對識別出的風險，評估城市供水系統(tǒng)在應對風險中的能力和水平，并建立城市供水應急預案編制大綱。城市供水系統(tǒng)風險規(guī)劃調(diào)控措施主要應用于城市供水規(guī)劃（總體規(guī)劃、專項規(guī)劃）等頂層設計文件對城市供水風險的宏觀管控和應對，通過對城市應急能力的評估，優(yōu)化供水設施布局，制定應急供水規(guī)劃，提高城市供水安全保障水平。本關鍵技術適用于全國范圍的供水系統(tǒng)風險評價和應急能力評估，評價效果較好，適用性強。
作者：石煉、周飛祥；作者單位：中國城市規(guī)劃設計研究院。
來源：給水排水