城鄉統籌背景下農村供水面臨的挑戰與解決對策
2021-12-22 16:48:29凈水技術
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趙志偉，重慶大學教授、博士生導師， “中國水業人物·教學與科研貢獻獎”獲得者，兼任中國城鎮供水排水協會青年工作者委員會副主任、《凈水技術》青年編委。主要從事飲用水安全保障與水環境保護方面的應用基礎研究與工程實踐工作。
由于農村發展的歷史特性，農村供水受自然地理、經濟發展等多種因素影響，極大限制了農村生活生產與新農村建設。“十八大”以來，國家政策持續關注農村供水安全，財政支持力度持續增加，已建成大量集中供水工程，農村供水 實現了跨越式發展。
根據水利部《2019 年農村水利水電工作年度報 告》、2021 年中央一號文件，截至 2019 年，全國整體完成農村飲水安全鞏固提升工程，17 個省份完成農村飲水安全脫貧攻堅任務，農村集中供水率達到 87%，自來水普及率達到 82%，農村飲水工作進入實施農村供水保障工程階段，有條件地區率先進入城 鄉供水一體化建設階段?，F階段，農村供水已形成城鄉一體化供水、小型集中供水、分散供水并存的城鄉統籌供水格局，是未來一定時期內農村供水面臨的基本局面。
在城鄉統籌背景下，隨著新時代農村生活水平的提高，廣大農民群眾在飲水方面提出了更高要求。在新時代政策背景和新的水質標準約束下，大量已有農村供水工程面臨新的發展形勢，在工程提標改造方面面臨諸多新挑戰。
1 農村供水的政策形勢
自新中國成立以來，國家對農村飲用水保障與飲水安全的相關工作和財政投入持續發力，經歷了從解決農村飲水困難到關注農村飲水安全兩個工作階段。
建國初期—20世紀80年代，主要通過灌溉工程等小型農田水利工程解決人畜飲水問題，以防病改水為主；20 世紀90年代—2005年，主要通過國家規劃實施，解決農村飲水困難。自2005年開始，農村供水從解決飲水困難階段進入農村飲水安全階段，通過“十一五”“十二五” “十三五”這3個“五年計劃”，分別投入400 多億元、1600億元、2000多億元，著力解決了6.7億農村人口飲用水保障與安全問題。從“十四五”開始,在我國脫貧攻堅戰取得了全面勝利的大好形勢下，農村供水進入了新階段，工作重心將轉為強化農村供水保障、助力全面推進鄉村振興戰略。
農村供水安全是廣大農民群眾生活和生產的最基本保障，是解決“三農”問題的重要工作之一，是鄉村振興戰略的重要支撐。歷年國家一號文件都對農村供水做出了重點要求和重要工作部署(表1) 。
分析歷年中央一號文件有關農村供水的要求可知，我國已整體完成農村飲水安全鞏固提升工程，加強農村飲用水水源地建設與水質安全監測、推進城鄉供水一體化、完善農村水價水費與工程長效運行機制已成為農村供水工作的重點。因此，工程持續長效運行和水質安全是未來農村供水工作的重中之重，是關乎鄉村振興的重要著力點。
為保證農村居民生活飲用水水質安全衛生，逐步達到國家《生活飲用水衛生標準》 ( GB 5749— 1985)的要求，保護廣大農村人民群眾的身體健康，促進農村改水事業的發展，全國愛衛會、衛生部制定了《農村實施<生活飲用水衛生標準>準則》。該準則以《生活飲用水衛生標準》為基礎依據，考慮了經濟、地理等因素所致的水源選擇和處理條件受到限制的情況，提出了生活飲用水水質分級要求，可對某些指標適當放寬要求。
在《生活飲用水衛生標準》 (GB 5749—2006) 中，部分指標對農村供水做了放寬性要求。對于農村日供水在1000t以下(或供水人口在1萬人以下)的集中式供水和分散式供水，在保證飲用水安全的基礎上，對10項感官性狀和一般理化指標、1項微生物指標及3項毒理學指標，提出了放寬限值，過渡性解決了我國地域廣大、城鄉發展不均衡等實際限制造成農村供水難以達到與城市飲用水相同水質要求的現實問題。
近年來，隨著農村基礎設施建設與水源地保護工作的不斷推進，農村供水條件得到了實質性改善，廣大農民群眾對飲水要求也不僅限于有水喝，逐步轉向喝好水。在此背景下，2021年國家發布《生活飲用水衛生標準》征求意見稿，新的標準對涉及農村供水的小型集中式供水工程水質指標進行了修訂，刪除了2006年版標準中對小型集中式供水和分散式供水部分水質指標及限值的過渡性要求。同時，結合現階段我國小型集中式供水和分散式供水的現狀，因水源與凈水技術限制，對菌落總數、氟化物、硝酸鹽(以 N 計)和渾濁度這4項指標保留了過渡性要求。
2 農村供水現狀與面臨的挑戰
現階段，在國家政策持續關注、財政支持力度持續增加下，已建成大量農村供水工程，農村供水實現了跨越式發展。截至2019年，全國整體完成農村飲水安全鞏固提升工程，17個省份完成農村飲水安全脫貧攻堅任務，農村集中供水率達到 87%、自來水普及率達到 82%。
目前，農村供水主要存在3種供水模式：城鄉統一供水、小型集中供水和分散供水。城鄉統一供水模式下，水源與水處理工藝即為城市供水水源與凈水工藝，而小型集中供水和分散供水的水源與水處理工藝則為獨立水源、工藝獨立運行。
根據中國環境監測總站2009年—2018年農村飲用水水源地水質監測數據，農村飲用水水源地的監測點位從124個增加到2249個，水質達標率從42.7%提高到72.9%。同期，地下飲用水水源地水質達標比例整體持續偏低，達標率一直處于 50.0% ~ 60.0%。2015年—2018年，農村地下飲用水水源地均為II、III、IV、V類水，II類和III類水質點位比例有所降低，而IV類水質點位比例明顯增加，地下飲用水水源地水質略有變差趨勢 (表 2 ~ 表 3)。
表 3 農村地下飲用水水源地水質監測指標超標比例
南方地區小型集中供水水源多為水庫、池塘和小型河溪等地表水，水源水量相對較穩定，水質多呈季節性和氣候性變化。夏季多雨季節，水源水量充沛，水質相對較好，但仍然存在暴雨季節水質高濁的普遍現象；冬季枯水期，水源水質有機物、氨氮偏高問題突出，個別地區存在因枯水期水位低造成的短時性鐵、錳超標等問題。
對于北方地區的小型集中供水，除以地表水為水源外，地下水也是主要的供水水源。受地質與工農業生產等的影響，部分地下水水源存在鐵、錳、砷、 氟、硝酸鹽和農藥超標的問題。此外，對于人口分布分散的偏遠農村地區，供水模式多為分散供水，水源多為自備地下水井、水窖等，由于水源防護措施不到位，個別分散水源存在有機物、細菌學指標超標的問題。
以地表水為水源的小型集中供水工程水處理工藝多為“混凝-沉淀-過濾-消毒”常規工藝，運管模式多為固定非專業人員值守、專業人員定期巡檢等。
(1)混凝工藝多為穿孔旋流池或普通網格絮凝池，以計量泵加藥、水力混合絮凝為主。由于原水水質波動，混凝加藥工藝多采用定量投加系統，缺乏基于水質與混凝工藝特性的智能調節能力，經常導致絮體小、散、少，可沉降性差，甚至出現出水絮凝不完全等問題。此外，由于進水夾氣、配水井進氣等原因，部分網格存在絮體上浮等現象。
(2)沉淀工藝多采用斜管沉淀池，人工控制排泥及沖洗。由于缺乏專業運維人員，多數濾池存在斜管堵塞、藻類滋生、排泥不徹底等問題，導致沉淀效率不高、甚至出水可見大量絮體等問題，極大增加濾池負荷。
(3)過濾工藝多采用虹吸濾池或無閥濾池，濾料多為石英石或無煙煤，運行采用水力自動控制濾池反洗。多數農村供水工程中，由于前序工藝處理效果不佳，濾池普遍存在反洗效果不佳、濾料流失、 濾床板結等問題。
(4)消毒工藝多以二氧化氯為主要消毒藥劑，采用計量泵固定劑量投加，少數水廠仍采用投加消毒粉或消毒片劑的方式。二氧化氯采用雙藥現場制備，存在原藥存儲不規范、藥劑活性不足、消毒效果欠佳的問題。此外，由于缺乏專業運維人員，消毒劑劑量控制不夠精細，加之原水水質波動，部分水廠出廠水、管網末端水的細菌學指標和消毒副產物超標問題嚴重。
以地下水為水源的農村供水工程，由于水質相對較好，多數無凈化處理工程，直接供水，僅有小部分農村地下水供水工程進行了消毒藥劑投加。對于特殊地質地區，地下水存在砷、氟、鐵、錳超標等地域性污染，在這些地區的地下水供水通常采用設備式水處理設施對特定污染物進行一定去除，但由于管理不到位、技術力量不足等因素，設備式水處理設施多存在運行不穩定、維護不及時等問題。
此外，現有農村小型集中供水工程普遍缺乏水質應急處理工藝單元，而小型集中供水工程水源水質波動性大，導致常規凈水工藝運行穩定性欠佳、工藝運行難以適應水質波動、抗沖擊負荷能力不足，在原水水質波動期難以實現出水水質穩定達標(圖1)。因此，現有農村小型集中供水工程亟待加強應急能力建設。
圖 1 地表水源農村小型集中供水工程常規水處理工藝
在農村小型集中供水工程中，供水管網大多屬于典型的枝狀管網。一方面，農村用水存在典型的周期性變化、用水量分布不均，造成管網水齡差異較大、余氯分布不均、水質變化較大。另一方面，由于枝狀管網的特殊布置形式，因管網爆管等因素造成的停水事件影響較為廣泛。
此外，農村地區施工水平較低、管網埋深較淺、管道材質多為塑料管或鍍鋅鐵管、后期運維易受農村生活生產破壞、水量計量欠精細(圖2)，由此造成的管網漏損是目前多數農村供水工程中無效供水量最大、最難控制和最不易發現的問題。
因此，作為農村供水工程中保障供水效率和水質安全的重要環節，管網建設是當前農村供水面臨的一項艱巨任務。
目前，農村小型集中供水工程的設計建設大多依據已有農村供水工程或復制城市供水工程設計相關經驗，無法全面滿足新時代廣大農民群眾對飲水的要求。依據農民群眾對飲水安全的新需求，農村供水工程設計建設應更加關注水源安全論證、水質水量水壓協同保障，依據“建大、并中、減小” 的原則，突出集成化、高標準建設。在農村供水工藝選擇與設施設備論證方面，應更加注重水質變化的應急能力建設、特殊水質凈化技術集成應用、衛生消毒技術的安全性與實用性設計、智能化集成設備的開發與應用，確保新建農村供水工程適應農民群眾生產生活對供水的新需求，能夠長期服務農村生活生產，助力鄉村振興。
從運行管理角度，目前大多農村小型集中供水工程采用“非專業人員駐廠+專業人員定期巡檢”的運管模式。大量農村供水工程由村委會直接管理，一線人員多為村干部或臨時雇傭的非專業人員，應對工藝運行狀況改變能力明顯不足。此外，生產設備自動化程度低、用水計量體系建設亟待完善、水價機制尚不成熟、信息化管理水平低、社會資本參與農村供水程度較低、“源頭到龍頭”水質監測體系尚未形成，也是新時代農村供水工程建設面臨的重要任務。
3 解決對策
自2020年開始，國家一號文件連續對農村供水提出了重要工作部署，指出有條件的地區將城市管網向農村延伸、推進城鄉供水一體化。城鄉供水一體化，旨在促進農村與城市飲水實現同水質、同標準、同服務，滿足新時代廣大農民群眾對飲水的新要求，服務鄉村振興戰略。
城鄉供水一體化面臨的核心問題是管網建設與管網水質穩定，城市管網延伸是有效高質實現近郊農村城鄉供水一體化的重要措施。與城市供水相比，管網延伸實現農村同質同源供水對供水水質有了更高的要求。延伸管網管徑小、管網較長、多為樹狀管網，加之農村用水日變化規律強、水量變化大，造成管網水質和運行風險增加，多級加氯是保證管網水質的重要措施，精細計量是保障管網高效運行的重要手段。因此，城鄉一體化供水模式下，供水管網設計建設與管材優選、管網運行風險與漏損控制、水質風險監控、水齡與消毒副產物控制、長距離輸水龍頭水質控制是亟待開展的重要研究工作。
城鄉供水一體化可以有效實現近郊農村優質供水，然而，現有農村供水工程體量龐大，依然存在大量不具備納入供水一體化基礎的小型集中供水工程，是提標改造的重要工程基礎。因此，現有小型集中供水工程升級改造是未來一段時期解決農村供水問題的重要解決對策之一，應遵循“立足現實-標準約束-關口前移-系統優化-應急保障-智能助力”的原則。
3. 2. 1 原水水質控制
關口前移至原水水質控制是農村供水水質保障的核心。農村小型集中供水工程多采用湖庫、河流等地表水為水源，而地下水為水源的農村供水工程原水水質相對較好。因此，地表原水水質控制是實現農村供水安全保障的重要基礎。
首先，切實做好農村小型集中供水水源地保護與水質監測是穩定原水水質的重要措施之一。農村水源地保護較城市水源地保護尚有較遠的路要走，應加大上至各級政府部門、下至村委會對水源地保護的工作力度，加強水源地保護工作宣傳，提高廣大農民群眾的水源地保護意識。同時，應建設農村集中供水水源地水質監測體系與數據庫，實現水源地水質實施動態監測。此外，應加強農村生活污水和垃圾處理、水源地農業生產污染管控等相關工作，從根本上強化水源地污染防治工作。
其次，應當研發推廣具有水源針對性的農村小型集中供水工程取水凈水技術，保證原水水質穩定。根據水源地地質特性，針對近水源村鎮開發應用河岸過濾取水、輻射井/滲渠取水技術，確保原水經地殼過濾，實現高濁水等特殊水源的原水水質穩定。針對枯水期鐵、錳超標、季節性高藻等水質特性，開發應用分層取水技術，確保在合適位置取水，保證原水水質穩定，實現原水水質控制。
3. 2. 2 工藝優化運行
現階段，已建成大量農村小型集中供水工程，數量龐大且多采用“混凝-沉淀-過濾-消毒”傳統凈水工藝，大多為混凝土澆筑構筑物。在如此現實條件下，將已有供水工程廢棄，新建供水工程顯然不是經濟合理的解決辦法。因此，在國家相關水質標準約束下，立足農村供水工程體量龐大的現實，對現有供水工程的工藝優化運行與改造是已有農村供水工程提質增效的重要解決途徑。
應在充分了解現有供水工程運行特性與原水水質變化特性的基礎上，開發強化與優化混凝技術、優化沉淀池排泥與濾池排泥反洗自動控制技術、優化與強化消毒單元運行，研發高效優質的復配混凝劑與消毒藥劑，實現系統優化，建立農村供水工程工藝多單元協同的水質控制多級屏障體系，是現階段急需解決的技術問題。
從運行管理角度，智能化技術是未來解決農村供水的重要手段。研發適合于農村顯示運維條件的自動投藥控制系統與各單元自動控制技術，實現各工藝單元優化運行。同時，應當開發適合于農村現有管理水平的單元耦合控制技術，實現原水水質變化下凈水工藝的智能調控。此外，應加快建設縣級以下農村供水工程管控平臺，實現農村供水工程統一運維、集中管理。
3. 2. 3 應急能力構建
大量現有農村小型集中供水工程采用“混凝- 沉淀-過濾-消毒”傳統凈水工藝，缺乏突發水質惡化的應急處理能力，對季節性高濁、高藻、有機物超標等水質變化，缺少應急處理單元。亟待開展季節性高濁、高藻、有機微污染、高氨氮等水質惡化的應急處理技術研究，構建應對季節性水源水質問題的應急技術體系。通過相關設施設備研發應用，實現應急處理技術和相關工藝單元與傳統常規工藝的有效耦合，構建標準化農村供水工程應急保障技術體系，達到有效控制季節性水質突變問題的最終目標。
受自然、地理、經濟發展水平、水資源分布等因素影響，現階段及未來一定時期內，分散供水工程是農村供水的一種重要模式。分散供水工程中，大部分采用水井/水窖等自備水源或小型塘溪水源，多采用小型凈水設備，無設備直接飲用，供水保證率、水質合格率不達標問題極為突出，與鄉村振興戰略發展極不協調，是農村供水工程推進過程中亟待解決的現實問題。
4 結語
現階段，農村供水取得了跨越式發展，已形成城鄉一體化供水、小型集中供水、分散供水并存的城鄉統籌供水格局。在新時代廣大農民群眾更高的飲水要求背景下，在政策、標準和大量建成工程的多重約束下，農村供水在水源、工藝運行、管網建設、運維管理等多方面面臨諸多新挑戰。城鄉供水一體化工程建設、小型集中供水工程升級改造、分散供水工程水質提升是新時代農村供水工作的重要內容。新時代，管網建設運維與管網水質穩定技術研發是城鄉供水一體化工作面臨的重要課題。小型集中供水工程升級改造，應遵循“立足現實-標準約束-關口前移-系統優化-應急保障-智能助力”的原則，構建農村供水水質安全保障多級屏障。水源保護與原水水質穩定、現有工藝優化運行、應急技術與水處理單元建設、智能化膜法水處理技術與設備開發將是現有小型集中供水工程升級改造的關鍵性環節，分散供水設備設施開發應用也是分散供水工程水質提升的重要方向。在此基礎上，農村供水工程智能化改造、運行、維護與集中管控平臺建設也將成為農村供水工程的最終出口。