顾晨：超大城市供水系统韧性评估与应用实践——以上海受咸潮入侵影响为例

“供水韧性”通常是指供水系统在面对冲击或压力时能够保持原状或迅速恢复到期望的能力,包括系统预测、吸收、干扰事件适应或快速恢复等。这种韧性涉及工程韧性、经济韧性、社会韧性等多个维度。供水系统的韧性包含以下特征:多样性、冗余性、稳健性、适应性、恢复力、学习转化能力。也有学者提出,系统的韧性也就是系统的可靠度,是指在一定时间内、一定的运行条件下系统完成设定功能的能力;对于城市供水系统来说,就是保障满足用户所需的水量、水压和水质的能力。这包括在事件发生前的预防措施、事件发生中的响应能力以及事件发生后的恢复能力。供水系统韧性的重要性主要体现在保障公共安全与健康、增强城市抗灾能力、促进可持续发展等方面。

1.1.2 韧性与供水系统安全的关系

韧性与供水系统安全之间存在着密不可分的关系。首先,供水系统安全与韧性,在目标上存在一致性,都是为了保障系统在各种常规和紧急情况下持续提供较高质量的水,满足用水需求。其次,供水系统的安全是一种状态,而韧性是保持安全状态的一种能力。系统韧性越强,在非常规状态下就能保持系统的安全,即系统在面对各种内外部压力、冲击或突发事件等不利情况的预防能力、应对能力、恢复能力和学习能力越强,就越能保障系统安全的持续性。再次,供水系统的韧性与安全是互相促进的关系。一个韧性强的供水系统可以有效减少灾害和故障对供水连续性的影响,从而保障城市供水的安全性和稳定性。最后,持续追求供水系统的安全也驱动了对系统韧性能力的持续提升,包括技术、管理和策略方面的创新和改进。

在实践中,增强供水系统的韧性包括对现有系统安全性不断评估并根据评估结果优化系统,以及在设计新系统时考虑到未来的挑战。因此,供水系统的安全评估可以作为韧性评估的一个组成部分。

1.2.1 评估方法和工具概览

供水系统是一个多元复杂综合的系统,包含原水、水厂、管网输配等多个环节,涉及的影响因素众多,因此,供水系统韧性相应的重要性也在多个维度下体现。供水系统韧性的测度包括定性和定量两种方式。定性测度通过调研与访谈探索韧性构成要素,定量测度对韧性要素进行数值分析。目前,对供水系统韧性的定量测度方法主要包括指标评价与模型模拟两种,其中对于韧性的指标评价还可以按照指标数量、评价尺度和评价要素分成不同子类别,具体如表1 所示。

表1 供水系统韧性测度方法

注:ABM 为多主体模型,SDM 为系统动力学模型。

供水韧性常用的评价方法主要有综合指标评价法、函数模型法、情景分析法、图层叠置法等。不同的评价方法在评估分析供水韧性上各有利弊,本文首先根据不同的具体情况分析了不同方法的特点以及其在使用过程中的优缺点,具体如表2 所示。

表2 城市供水韧性评价方法优劣分析

1.2.2 供水韧性评估实践现状及存在的问题

近年来,供水系统韧性已成为本领域的热点前沿,一些相关的基础研究也取得了一定进展,但在分析评价的过程和结果应用中,也存在一些不足,主要体现在以下几个方面。

(1)过于强调评估结果量化。 目前对于供水系统韧性的分析研究,往往得出的是一个量化的评估结果,最大的优势是具备可比性与客观性。但并非所有韧性的相关因素都适合用数学方式来衡量。某些因素的价值和意义更多地体现在其定性的内涵上,而非简单的数字。过于追求公式化描述系统性工程,不仅可能导致韧性评估失去原有的意义,还会降低评估的准确度,甚至误导决策。

(2)评估过程涵盖要素过少。 在供水系统韧性评估的指标选取时,一般会采用几个或者十几个重要指标,共同构建成指标层。比较常见的如水源结构、水厂集约性、水厂联通性、备用水源、水厂工艺、管网漏损率等。但在实际上影响韧性的相关因素非常多,虽然有些指标的重要度不明显,但有时各种小因素叠加风险也可能会对系统韧性产生较大影响。因此,更科学的评估方式是应该尽量对供水系统全范围、全过程、全要素进行分析与评估,防止评估结果的片面性和局限性。

(3)评估结果运用存在滞后性。 目前开展的评估实践多为事后的静态评估,而非实时评估。这种事后评估的方式,虽然能够为供水系统韧性增强提供一定的参考和借鉴,但无法及时反映情况的动态变化。因此,它不能根据评估结果采取干预措施,并及时评判这些措施的有效性,在应对突发事件处置过程中,这种评估方法的作用并不明显。

1.3.1 供水系统安全评估实践

近几年来,上海市根据供水系统的特点和运行数据,针对原水、水厂和管网输配三大环节,分别从不同维度梳理全范围、全过程的影响因素,建立了一个详尽的运行安全指标体系。该体系采用综合指标评价法中的AHP,并结合专家评分法来优化各指标权重,确保评价结果的客观性和明确性。

其中原水系统运行安全评估指标体系包括原水水质、原水调配、设施设备、应急处置、运行管控五大维度,44 个评价指标;水厂运行安全评估指标体系包括出厂水质量、运行可靠性、抗风险能力、智能化水平、精细化管理五大维度,50 个评价指标;供水输配系统运行安全评估包括管网水质、输配布局、调度运行、应急处置、运维管控五大维度,46 个评价指标。本文以原水系统运行安全评估指标为例,具体如图1 所示。

图1 上海市原水系统运行安全评估指标

注:GIS 为地理信息系统,SCADA 为数据采集与监视控制系统。

在构建上述指标体系的基础上,通过搭建在线评估模型,研发智能平台,已实现了原水系统、水厂、输配系统持续实时动态评估和系统展示。根据持续评估与监控,全市总的原水系统和水厂运行评估结果主要集中在“安全”与“健康”之间,全市总的输配系统运行评估结果多为“安全”。

对供水系统的韧性评估是一个复杂广域的过程,其评估需要从多个维度、多个阶段进行深入剖析。为了确保评估的及时性、全面性、准确性和有效性,考虑从事前、事中和事后的不同阶段,以定性和定量相结合的方式开展综合分析,得出评估结论为健康、安全、可控、风险4 个层次。具体设计方案如图2 所示。

图2 上海市供水系统韧性评估设计

(1)事前评估

主要包括供水系统的监测与预警能力、综合预案与灾备演练两个方面。

监测与预警包括两种类型:一种是基于空间概念的提前预警,一种是基于时间概念的提前预警。前者包括周边以及各种外部信息源触发的预警信号;后者则是基于现有监测数据,加上预测模型推演,产生的对于未来风险的及时预警。一个高效的监测与预警系统能够及时发现潜在的风险和隐患,为后续的应急响应提供有力的支持。

供水作为传统行业,已经具备了一套较为全面的预案体系,也有定期的业内灾备演练。目前还需要重点关注的是:跨行业、跨部门针对复杂情况的全市范围内应急预案与灾备演练。预案的制定是否科学、合理、完备,灾备演练是否全面覆盖、真实有效,都是需要进行评估的关键。

(2)事中评估

主要针对供水系统在实际运行过程中的安全性开展评估。从原水系统到水厂,再到管网输配系统,如果需要,可以根据每个城市供水环节的不同,酌情考虑二次供水环节。根据本文前述的技术路线,建立这些环节的安全评估在线模型,分别形成各自的运行安全指数,并建立评价标准。评价标准分为健康、安全、可控、风险4 个层次:总分≥95 分为健康;95>总分≥90 为安全;90>总分≥80 为可控;总分在80 分以下为风险。事中评估侧重可量化的实时动态评估,可以实时掌握供水系统各个环节的运行状态,及时发现潜在危险,采取干预措施。同时,可以对措施实施后的状态变化进行再评估。

(3)事后评估

主要针对事件发生后的恢复能力和自我学习能力进行综合评估。恢复能力主要指事件后迅速恢复正常运作的能力,包括恢复基础设施、重建生产流程、安置受影响人员等方面。评估恢复能力的强弱,能够反映出组织在应对突发事件时的韧性和适应能力,进而为提升整体应急能力提供指导。自我学习能力是指通过分析组织在应对过程中的得失,识别存在的问题和不足,并探讨如何改进和提升。这种自我反思和自我完善的能力,是应对未来挑战时不可或缺的素质。

经过多年规划建设,长江口陈行、青草沙、东风西沙和黄浦江上游金泽4 座水库全部建成投运,上海市以长江、黄浦江为双水源,已基本形成“两江并举、集中取水、水库供水、一网调度”的原水供水格局。具体如图3 所示。截至2023 年年底,全市原水供应能力为1 334.5 万m3/d,清水供应能力为1 248.5 万m3/d。

图3 上海市供水布局

2.2.1 2022 年咸潮基本情况

通常上海长江口的水源地每年冬春季会受到2～3 次咸潮影响,单次持续时间为5～6 d,咸潮期水库停止取水,利用蓄水量满足供水需求。2022 年9月起,受长江流域持续干旱和台风带来的东海咸潮叠加影响,上海市长江口陈行、青草沙、东风西沙水库遭遇历史上最早最严重的咸潮入侵,给上海市城市供水安全保障带来极大的挑战。对近10 年上海市的咸潮入侵情况进行统计,具体如图4 所示。

图4 近10 年上海市咸潮入侵情况统计

2022 年长江口咸潮有较为罕见的几个特征如下。

(1)影响时间早。东风西沙水库在9 月1 日起即开始遭受北支咸潮倒灌影响,陈行水库也于9 月8 日前后受到影响,青草沙水库于9 月5 日咸潮起汛。如此早的咸潮入侵是三大水库建库以来遇到的第一次。

(2)持续时间长。2022 年咸潮入侵期间,东风西沙、陈行、青草沙水库最长影响时长分别为28、27、98 d。3 个水库不可正常取水时长均突破建库以来最长时间。

(3)氯化物浓度高。2022 年咸潮导致的水源地氯化物质量浓度远超250 mg/L,如青草沙水库氯化物质量浓度最高达2 980 mg/L。

(4)入侵范围广。以往影响东风西沙、陈行水库的咸潮来源主要为北支倒灌。但本次咸潮入侵期间,北港正面咸潮上溯直接影响到陈行,叠加北支倒灌,使得咸水长期覆盖徐六泾以下绝大部分区域。

为应对此次咸潮,上海市政府在水利部的领导下,得到流域机构的大力支持,发挥上海两江并举、多源互补的优势,多措并举、高效处置,保障咸潮期间上海市安全供水,具体的措施如下。

(1)运行调度

流域调度。三峡水库于2022 年10 月2 日起连续10 d 加大出库流量,为长江口水源地补水入库创造了有利条件。通过加大引江济太力度,使太浦河下泄流量不低于100 m3/s,保障金泽水库和黄浦江上游松浦大桥水源地水量水质。同时,优化嘉宝北片河网调度方案,保障陈行供水通道水量水质。

水源切换。咸潮发生后,第一时间采取了水源切换,由黄浦江上游系统支援青草沙系统,将黄浦江原水供应比例由25%左右提高至80%,减轻长江原水系统压力。

应急取水。上海水厂在建设过程中,基本保留了符合条件的原有就地取水头部。在咸潮期间,先启动水厂保留的应急取水口。同时,新建了部分临时应急取水工程,保证了长江口三大水库供补基本平衡。

清水调度。通过区域间供水连通管一网调度三大原水系统供水的水厂供水量增减及相关泵站的运行,充分发挥水厂、泵站的清水库蓄水调节功能,压缩受咸潮影响供水区域,弥补了区域供水量缺口。

(2)水质保障

加强水质监测。在水源地方面,每日开展一次18 项水质指标监测,每月开展一次29 项水质指标监测。一旦遇到异常情况,增加监测频次。应急取水口同步开展应急取水的相关水质监测工作,与水文、环保等部门实现数据共享。

制水工艺提升。2022 年年底上海水厂的深度处理率已经达到了77%。咸潮期间,针对原水水质变化,及时采取头部粉末活性炭投加等措施,动态调整水厂制水工艺,确保出厂水质达标。

(3)数字化保障

增强智慧感知。加强大通站流量、长江口盐度、水库水位等监测和预警。在长江口水源地沿线布设的26 个氯化物在线监测点、水库内的11 个监测点和13 个相关内河的氯化物在线监测点,共同形成了覆盖长江口的咸潮实时感知网络。

实现数据联动。与长江委水文局、太湖流域管理局、市气象局沟通合作,共享长江流域中下游水文水情、气象气候等联动数据;与环保、海洋、水利、供水、排水等行业间实现一体化联勤联动。

深化模型应用。建立咸潮预测模型,实现咸潮入侵预测7～15 d 的自动滚动预报;建立供水量预测模型,实现短期需水量预测的实时在线滚动更新,科学制定流域水量调度方案。

形成数字资料库。在咸潮处置应对一体化平台中,将每个咸潮入侵周期,涉及咸潮应急处置流程中的预测预报、信息发布、处置决策和90多次运行工况的调整等,都进行数字化的记录,形成资料库。

(4)配套保障

建立应急会商机制。在市政府主导下,成立了市原水保障指挥部,建立应急会商机制。定期召开专题会议研究部署应对方案,根据咸潮的趋势变化、环境现状及应对措施的不同,制定不同时期不同阶段的应对预案。从组织体系、监测预警、应对措施、保障机制等方面明确咸潮应对工作任务。

形成配套预案体系。组织编制各项配套预案,并开展应急演练。

根据韧性评估方案设计,结合上述采取的应对措施,对2022 年特大咸潮背景下的上海供水系统韧性进行评估,具体如表3、图5、图6 所示。

通过上述分析与评估可以得出上海市供水系统在2022 年特大咸潮期间的整体韧性在“可控”与“健康”之间。其中事前与事中阶段,在监测与预警、水厂与输配系统方面的韧性能力,均属于“安全”范围,可进一步优化提升;在预案与演练、原水系统等方面,处于“可控”范围,应重点改进增强。事后阶段呈现出的恢复能力与自我学习能力较强,应予以巩固。

(1)超大城市供水系统的韧性评估是科学提升超大城市供水系统的韧性的重要依据,可根据评估结果,确定提升系统韧性的具体方面,并根据评估结果与实际情况做出最佳决策。

(2)超大城市供水系统的韧性评估,要注重观念的提升、方法的改进以及应对能力的增强。在观念的提升方面,应从被动应对到主动适应的转变、以底线极限思维为核心进行要素重构、以多方协作为保障进行环境塑造;在方法的改进方面,应从事前、事中、事后三阶段开展,兼顾定性与定量,尽量全面涵盖相关要素;在应对能力的增强方面,要加强在线实时动态评估的能力,有助于主动发现供水系统韧性的薄弱点,并及时采取应对措施,从而有效增强供水系统的稳定性和可靠性。

(3)超大城市供水系统的韧性评估的结果是动态的而非固化的。评估仅是为决策提供依据的工具,更关键的是如何合理运用评估结论,以提升供水系统在应对多样挑战时的设施韧性与管理韧性。这也是未来需要研究的重点。

作者简介

顾晨,技术经济管理硕士,高级工程师,上海市供水调度监测中心主任。主要从事上海供水运行调度、水质与水表管理工作,推进水厂的深度处理工程建设、处置影响上海市供水安全的突发事件,组织实施跨区域应急供水调度工作。近年主持或为主编制上海地方标准3 项,分别为《净水厂煤质颗粒活性炭选择、使用及更换技术规范》《城市供水管网运行安全风险监控技术规范》《城市供水管网安全风险评估规范》,获得2022 年上海市水务海洋科学技术奖二等奖1 项、三等奖2 项。

 

 

 

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本文来源于《净水技术》2024年第5期“大家之言”，原标题为《超大城市供水系统韧性评估与应用实践——以上海受咸潮入侵影响为例》，作者顾晨∗(上海市供水调度监测中心,上海 200080)，引用格式如下：

顾晨. 超大城市供水系统韧性评估与应用实践——以上海受咸潮入侵影响为例[J]. 净水技术, 2024, 43(5):1-9.

GU C. Resilience assessment and application for megacity water supply system: Case of Shanghai salt-tide intrusion[J]. Water Purification Technology, 2024, 43(5):1-9.