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赵志伟:城乡统筹背景下农村供水面临的挑战与解决对策

  由于农村发展的历史特性,农村供水受自然地理、经济发展等多种因素影响,极大限制了农村生活生产与新农村建设。“十八大”以来,国家政策持续关注农村供水安全,财政支持力度持续增加,已建成大量集中供水工程,农村供水 实现了跨越式发展。
  根据水利部《2019 年农村水利水电工作年度报 告》、2021 年中央一号文件,截至 2019 年,全国整体完成农村饮水安全巩固提升工程,17 个省份完成农村饮水安全脱贫攻坚任务,农村集中供水率达到 87%,自来水普及率达到 82%,农村饮水工作进入实施农村供水保障工程阶段,有条件地区率先进入城 乡供水一体化建设阶段。现阶段,农村供水已形成城乡一体化供水、小型集中供水、分散供水并存的城乡统筹供水格局,是未来一定时期内农村供水面临的基本局面。
  在城乡统筹背景下,随着新时代农村生活水平的提高,广大农民群众在饮水方面提出了更高要求。在新时代政策背景和新的水质标准约束下,大量已有农村供水工程面临新的发展形势,在工程提标改造方面面临诸多新挑战。
  1 农村供水的政策形势
  1.1农村供水发展历程
  自新中国成立以来,国家对农村饮用水保障与饮水安全的相关工作和财政投入持续发力,经历了从解决农村饮水困难到关注农村饮水安全两个工作阶段。
  建国初期—20世纪80年代,主要通过灌溉工程等小型农田水利工程解决人畜饮水问题,以防病改水为主;20 世纪90年代—2005年,主要通过国家规划实施,解决农村饮水困难。自2005年开始,农村供水从解决饮水困难阶段进入农村饮水安全阶段,通过“十一五”“十二五” “十三五”这3个“五年计划”,分别投入400 多亿元、1600亿元、2000多亿元,着力解决了6.7亿农村人口饮用水保障与安全问题。从“十四五”开始,在我国脱贫攻坚战取得了全面胜利的大好形势下,农村供水进入了新阶段,工作重心将转为强化农村供水保障、助力全面推进乡村振兴战略。
  1.2农村供水的政策要求
  农村供水安全是广大农民群众生活和生产的最基本保障,是解决“三农”问题的重要工作之一,是乡村振兴战略的重要支撑。历年国家一号文件都对农村供水做出了重点要求和重要工作部署(表1) 。
  表 1 近 5 年中央一号文件对农村供水的相关要求与工作部署
  
  分析历年中央一号文件有关农村供水的要求可知,我国已整体完成农村饮水安全巩固提升工程,加强农村饮用水水源地建设与水质安全监测、推进城乡供水一体化、完善农村水价水费与工程长效运行机制已成为农村供水工作的重点。因此,工程持续长效运行和水质安全是未来农村供水工作的重中之重,是关乎乡村振兴的重要着力点。
  1.3农村供水的标准约束
  为保证农村居民生活饮用水水质安全卫生,逐步达到国家《生活饮用水卫生标准》 ( GB 5749— 2006)的要求,保护广大农村人民群众的身体健康,促进农村改水事业的发展,全国爱卫会、卫生部制定了《农村实施<生活饮用水卫生标准>准则》。该准则以《生活饮用水卫生标准》为基础依据,考虑了经济、地理等因素所致的水源选择和处理条件受到限制的情况,提出了生活饮用水水质分级要求,可对某些指标适当放宽要求。
  在《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 中,部分指标对农村供水做了放宽性要求。对于农村日供水在1000t以下(或供水人口在1万人以下)的集中式供水和分散式供水,在保证饮用水安全的基础上,对10项感官性状和一般理化指标、1项微生物指标及3项毒理学指标,提出了放宽限值,过渡性解决了我国地域广大、城乡发展不均衡等实际限制造成农村供水难以达到与城市饮用水相同水质要求的现实问题。
  近年来,随着农村基础设施建设与水源地保护工作的不断推进,农村供水条件得到了实质性改善,广大农民群众对饮水要求也不仅限于有水喝,逐步转向喝好水。在此背景下,2021年国家发布《生活饮用水卫生标准》征求意见稿,新的标准对涉及农村供水的小型集中式供水工程水质指标进行了修订,删除了2006年版标准中对小型集中式供水和分散式供水部分水质指标及限值的过渡性要求。同时,结合现阶段我国小型集中式供水和分散式供水的现状,因水源与净水技术限制,对菌落总数、氟化物、硝酸盐(以 N 计)和浑浊度这4项指标保留了过渡性要求。
  2 农村供水现状与面临的挑战
  现阶段,在国家政策持续关注、财政支持力度持续增加下,已建成大量农村供水工程,农村供水实现了跨越式发展。截至2019年,全国整体完成农村饮水安全巩固提升工程,17个省份完成农村饮水安全脱贫攻坚任务,农村集中供水率达到 87%、自来水普及率达到 82%。
  目前,农村供水主要存在3种供水模式:城乡统一供水、小型集中供水和分散供水。城乡统一供水模式下,水源与水处理工艺即为城市供水水源与净水工艺,而小型集中供水和分散供水的水源与水处理工艺则为独立水源、工艺独立运行。
  2.1水源
  根据中国环境监测总站2009年—2018年农村饮用水水源地水质监测数据,农村饮用水水源地的监测点位从124个增加到2249个,水质达标率从42.7%提高到72.9%。同期,地下饮用水水源地水质达标比例整体持续偏低,达标率一直处于 50.0% ~ 60.0%。2015年—2018年,农村地下饮用水水源地均为II、III、IV、V类水,II类和III类水质点位比例有所降低,而IV类水质点位比例明显增加,地下饮用水水源地水质略有变差趋势 (表 2 ~ 表 3)。
  表 2 农村地表饮用水水源地水质监测项目超标比例
  
  表 3 农村地下饮用水水源地水质监测指标超标比例
  
  南方地区小型集中供水水源多为水库、池塘和小型河溪等地表水,水源水量相对较稳定,水质多呈季节性和气候性变化。夏季多雨季节,水源水量充沛,水质相对较好,但仍然存在暴雨季节水质高浊的普遍现象;冬季枯水期,水源水质有机物、氨氮偏高问题突出,个别地区存在因枯水期水位低造成的短时性铁、锰超标等问题。
  对于北方地区的小型集中供水,除以地表水为水源外,地下水也是主要的供水水源。受地质与工农业生产等的影响,部分地下水水源存在铁、锰、砷、 氟、硝酸盐和农药超标的问题。此外,对于人口分布分散的偏远农村地区,供水模式多为分散供水,水源多为自备地下水井、水窖等,由于水源防护措施不到位,个别分散水源存在有机物、细菌学指标超标的问题。
  2.2水处理工艺
  以地表水为水源的小型集中供水工程水处理工艺多为“混凝-沉淀-过滤-消毒”常规工艺,运管模式多为固定非专业人员值守、专业人员定期巡检等。
  (1)混凝工艺多为穿孔旋流池或普通网格絮凝池,以计量泵加药、水力混合絮凝为主。由于原水水质波动,混凝加药工艺多采用定量投加系统,缺乏基于水质与混凝工艺特性的智能调节能力,经常导致絮体小、散、少,可沉降性差,甚至出现出水絮凝不完全等问题。此外,由于进水夹气、配水井进气等原因,部分网格存在絮体上浮等现象。
  (2)沉淀工艺多采用斜管沉淀池,人工控制排泥及冲洗。由于缺乏专业运维人员,多数滤池存在斜管堵塞、藻类滋生、排泥不彻底等问题,导致沉淀效率不高、甚至出水可见大量絮体等问题,极大增加滤池负荷。
  (3)过滤工艺多采用虹吸滤池或无阀滤池,滤料多为石英石或无烟煤,运行采用水力自动控制滤池反洗。多数农村供水工程中,由于前序工艺处理效果不佳,滤池普遍存在反洗效果不佳、滤料流失、 滤床板结等问题。
  (4)消毒工艺多以二氧化氯为主要消毒药剂,采用计量泵固定剂量投加,少数水厂仍采用投加消毒粉或消毒片剂的方式。二氧化氯采用双药现场制备,存在原药存储不规范、药剂活性不足、消毒效果欠佳的问题。此外,由于缺乏专业运维人员,消毒剂剂量控制不够精细,加之原水水质波动,部分水厂出厂水、管网末端水的细菌学指标和消毒副产物超标问题严重。
  以地下水为水源的农村供水工程,由于水质相对较好,多数无净化处理工程,直接供水,仅有小部分农村地下水供水工程进行了消毒药剂投加。对于特殊地质地区,地下水存在砷、氟、铁、锰超标等地域性污染,在这些地区的地下水供水通常采用设备式水处理设施对特定污染物进行一定去除,但由于管理不到位、技术力量不足等因素,设备式水处理设施多存在运行不稳定、维护不及时等问题。
  此外,现有农村小型集中供水工程普遍缺乏水质应急处理工艺单元,而小型集中供水工程水源水质波动性大,导致常规净水工艺运行稳定性欠佳、工艺运行难以适应水质波动、抗冲击负荷能力不足,在原水水质波动期难以实现出水水质稳定达标(图1)。因此,现有农村小型集中供水工程亟待加强应急能力建设。
  
  图 1 地表水源农村小型集中供水工程常规水处理工艺
  2.3供水管网
  在农村小型集中供水工程中,供水管网大多属于典型的枝状管网。一方面,农村用水存在典型的周期性变化、用水量分布不均,造成管网水龄差异较大、余氯分布不均、水质变化较大。另一方面,由于枝状管网的特殊布置形式,因管网爆管等因素造成的停水事件影响较为广泛。
  此外,农村地区施工水平较低、管网埋深较浅、管道材质多为塑料管或镀锌铁管、后期运维易受农村生活生产破坏、水量计量欠精细(图2),由此造成的管网漏损是目前多数农村供水工程中无效供水量最大、最难控制和最不易发现的问题。
  
  图2农村供水管网建设与运行现状
  因此,作为农村供水工程中保障供水效率和水质安全的重要环节,管网建设是当前农村供水面临的一项艰巨任务。
  2.4设计建设与运行管理
  目前,农村小型集中供水工程的设计建设大多依据已有农村供水工程或复制城市供水工程设计相关经验,无法全面满足新时代广大农民群众对饮水的要求。依据农民群众对饮水安全的新需求,农村供水工程设计建设应更加关注水源安全论证、水质水量水压协同保障,依据“建大、并中、减小” 的原则,突出集成化、高标准建设。在农村供水工艺选择与设施设备论证方面,应更加注重水质变化的应急能力建设、特殊水质净化技术集成应用、卫生消毒技术的安全性与实用性设计、智能化集成设备的开发与应用,确保新建农村供水工程适应农民群众生产生活对供水的新需求,能够长期服务农村生活生产,助力乡村振兴。
  从运行管理角度,目前大多农村小型集中供水工程采用“非专业人员驻厂+专业人员定期巡检”的运管模式。大量农村供水工程由村委会直接管理,一线人员多为村干部或临时雇佣的非专业人员,应对工艺运行状况改变能力明显不足。此外,生产设备自动化程度低、用水计量体系建设亟待完善、水价机制尚不成熟、信息化管理水平低、社会资本参与农村供水程度较低、“源头到龙头”水质监测体系尚未形成,也是新时代农村供水工程建设面临的重要任务。
  3 解决对策
  3.1推进城乡供水一体化
  自2020年开始,国家一号文件连续对农村供水提出了重要工作部署,指出有条件的地区将城市管网向农村延伸、推进城乡供水一体化。城乡供水一体化,旨在促进农村与城市饮水实现同水质、同标准、同服务,满足新时代广大农民群众对饮水的新要求,服务乡村振兴战略。
  城乡供水一体化面临的核心问题是管网建设与管网水质稳定,城市管网延伸是有效高质实现近郊农村城乡供水一体化的重要措施。与城市供水相比,管网延伸实现农村同质同源供水对供水水质有了更高的要求。延伸管网管径小、管网较长、多为树状管网,加之农村用水日变化规律强、水量变化大,造成管网水质和运行风险增加,多级加氯是保证管网水质的重要措施,精细计量是保障管网高效运行的重要手段。因此,城乡一体化供水模式下,供水管网设计建设与管材优选、管网运行风险与漏损控制、水质风险监控、水龄与消毒副产物控制、长距离输水龙头水质控制是亟待开展的重要研究工作。
  3.2现有小型集中供水工程升级改造
  城乡供水一体化可以有效实现近郊农村优质供水,然而,现有农村供水工程体量庞大,依然存在大量不具备纳入供水一体化基础的小型集中供水工程,是提标改造的重要工程基础。因此,现有小型集中供水工程升级改造是未来一段时期解决农村供水问题的重要解决对策之一,应遵循“立足现实-标准约束-关口前移-系统优化-应急保障-智能助力”的原则。
  3. 2. 1 原水水质控制
  关口前移至原水水质控制是农村供水水质保障的核心。农村小型集中供水工程多采用湖库、河流等地表水为水源,而地下水为水源的农村供水工程原水水质相对较好。因此,地表原水水质控制是实现农村供水安全保障的重要基础。
  首先,切实做好农村小型集中供水水源地保护与水质监测是稳定原水水质的重要措施之一。农村水源地保护较城市水源地保护尚有较远的路要走,应加大上至各级政府部门、下至村委会对水源地保护的工作力度,加强水源地保护工作宣传,提高广大农民群众的水源地保护意识。同时,应建设农村集中供水水源地水质监测体系与数据库,实现水源地水质实施动态监测。此外,应加强农村生活污水和垃圾处理、水源地农业生产污染管控等相关工作,从根本上强化水源地污染防治工作。
  其次,应当研发推广具有水源针对性的农村小型集中供水工程取水净水技术,保证原水水质稳定。根据水源地地质特性,针对近水源村镇开发应用河岸过滤取水、辐射井/渗渠取水技术,确保原水经地壳过滤,实现高浊水等特殊水源的原水水质稳定。针对枯水期铁、锰超标、季节性高藻等水质特性,开发应用分层取水技术,确保在合适位置取水,保证原水水质稳定,实现原水水质控制。
  3. 2. 2 工艺优化运行
  现阶段,已建成大量农村小型集中供水工程,数量庞大且多采用“混凝-沉淀-过滤-消毒”传统净水工艺,大多为混凝土浇筑构筑物。在如此现实条件下,将已有供水工程废弃,新建供水工程显然不是经济合理的解决办法。因此,在国家相关水质标准约束下,立足农村供水工程体量庞大的现实,对现有供水工程的工艺优化运行与改造是已有农村供水工程提质增效的重要解决途径。
  应在充分了解现有供水工程运行特性与原水水质变化特性的基础上,开发强化与优化混凝技术、优化沉淀池排泥与滤池排泥反洗自动控制技术、优化与强化消毒单元运行,研发高效优质的复配混凝剂与消毒药剂,实现系统优化,建立农村供水工程工艺多单元协同的水质控制多级屏障体系,是现阶段急需解决的技术问题。
  从运行管理角度,智能化技术是未来解决农村供水的重要手段。研发适合于农村显示运维条件的自动投药控制系统与各单元自动控制技术,实现各工艺单元优化运行。同时,应当开发适合于农村现有管理水平的单元耦合控制技术,实现原水水质变化下净水工艺的智能调控。此外,应加快建设县级以下农村供水工程管控平台,实现农村供水工程统一运维、集中管理。
  3. 2. 3 应急能力构建 
  大量现有农村小型集中供水工程采用“混凝- 沉淀-过滤-消毒”传统净水工艺,缺乏突发水质恶化的应急处理能力,对季节性高浊、高藻、有机物超标等水质变化,缺少应急处理单元。亟待开展季节性高浊、高藻、有机微污染、高氨氮等水质恶化的应急处理技术研究,构建应对季节性水源水质问题的应急技术体系。通过相关设施设备研发应用,实现应急处理技术和相关工艺单元与传统常规工艺的有效耦合,构建标准化农村供水工程应急保障技术体系,达到有效控制季节性水质突变问题的最终目标。
  3.3分散供水的水质提升
  受自然、地理、经济发展水平、水资源分布等因素影响,现阶段及未来一定时期内,分散供水工程是农村供水的一种重要模式。分散供水工程中,大部分采用水井/水窖等自备水源或小型塘溪水源,多采用小型净水设备,无设备直接饮用,供水保证率、水质合格率不达标问题极为突出,与乡村振兴战略发展极不协调,是农村供水工程推进过程中亟待解决的现实问题。
  4 结语
  现阶段,农村供水取得了跨越式发展,已形成城乡一体化供水、小型集中供水、分散供水并存的城乡统筹供水格局。在新时代广大农民群众更高的饮水要求背景下,在政策、标准和大量建成工程的多重约束下,农村供水在水源、工艺运行、管网建设、运维管理等多方面面临诸多新挑战。城乡供水一体化工程建设、小型集中供水工程升级改造、分散供水工程水质提升是新时代农村供水工作的重要内容。新时代,管网建设运维与管网水质稳定技术研发是城乡供水一体化工作面临的重要课题。小型集中供水工程升级改造,应遵循“立足现实-标准约束-关口前移-系统优化-应急保障-智能助力”的原则,构建农村供水水质安全保障多级屏障。水源保护与原水水质稳定、现有工艺优化运行、应急技术与水处理单元建设、智能化膜法水处理技术与设备开发将是现有小型集中供水工程升级改造的关键性环节,分散供水设备设施开发应用也是分散供水工程水质提升的重要方向。在此基础上,农村供水工程智能化改造、运行、维护与集中管控平台建设也将成为农村供水工程的最终出口。
来源: 净水技术