張繼成，邱曉鵬，鄭 楊，李顯鵬，鄭 興

(1.中國電力建設(shè)集團有限公司 西北勘測設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710065；2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048；3.西安理工大學(xué) 陜西省水資源與環(huán)境重點實驗室， 陜西 西安 710048)

近年來，我國夏季暴雨事件頻繁發(fā)生，特別是我國西北和東南地區(qū)夏季極端降雨事件顯著增多[1]。夏季暴雨發(fā)生頻率增加是自然和人為因素綜合作用的結(jié)果，其中全球變暖和大氣中氣溶膠的人為增加被認為是影響極端降水變化的主要因素[2]。暴雨事件引發(fā)洪水、滑坡、泥石流并污染飲用水水源，給社會帶來嚴重的經(jīng)濟和財產(chǎn)損失。隨著我國越來越多的地區(qū)將地下水源改為地表水源，暴雨引發(fā)的水源水質(zhì)污染和水廠出廠水質(zhì)惡化越來越受到人們的關(guān)注。

由于暴雨徑流有較強的沖刷作用，可攜帶流域內(nèi)大量污染物進入飲用水水源。這些污染物包括懸浮顆粒、溶解性有機物、微生物(如細菌、病毒和原生動物)等[3]。污染物的大量匯入會顯著惡化給水廠原水水質(zhì)，當大幅超出給水處理工藝設(shè)定范圍或應(yīng)對處置不當，會造成水廠出水水質(zhì)超標，從而可能引發(fā)公共衛(wèi)生事件。同時，夏季暴雨事件還可能造成城市內(nèi)澇，雨水積水會淹沒化糞池、下水道，所帶來的大量動植物尸體會發(fā)生腐敗，造成蚊蠅滋生，引起病菌大量繁殖，增加城市供水水質(zhì)的污染風(fēng)險。近年來，暴雨洪水引發(fā)的城市供水水質(zhì)污染事件頻現(xiàn)媒體，因此，有必要明確暴雨洪水引發(fā)的城市供水水質(zhì)污染風(fēng)險，并提出相應(yīng)的污染防治措施，以保障城市飲用水供水安全。

1 水質(zhì)污染風(fēng)險解析

1.1 濁度污染

夏季暴雨造成水源水濁度驟升，這是城市供水水質(zhì)惡化的重要原因。遼寧省撫順市大伙房水庫因2013年8月中旬的強降雨導(dǎo)致其原水濁度由4.87NTU急劇升高至984NTU[4]；我國東南沿海某水庫受臺風(fēng)暴雨影響，水庫沉積物上翻，導(dǎo)致原水濁度大于100NTU持續(xù)了半年之久[5]；重慶地區(qū)嘉陵江水在暴雨期原水濁度高達上千，濁度升高源于沖刷淤泥(粒徑較細且不易發(fā)生沉降)[6]。暴雨事件導(dǎo)致水源水濁度上升的原因主要包括：①由于土地管理不當，水源地上游流域水土保持不到位，地表土壤易被暴雨徑流嚴重侵蝕，使得入庫徑流濁度驟升；②山體滑坡造成大量泥沙進入地表水體，導(dǎo)致水源水含沙量增加；③暴雨徑流的沖刷作用會使得水庫庫底沉積物懸浮，從而使得水廠原水濁度增加[7]。

濁度作為《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749-2006)中感官性狀的核心指標之一，主要表征水中細微顆粒物的含量，可從側(cè)面反映其中的灰塵、微生物、膠體類物質(zhì)的綜合含量，水廠出水域值為1NTU。當原水濁度升高時，傳統(tǒng)的混凝-絮凝-沉淀工藝用藥量(如混凝劑、絮凝劑)會劇增；后續(xù)的濾池因超負荷過濾大幅增加的絮體，只能通過增加反沖洗頻率等手段保證出水水質(zhì)，這樣將導(dǎo)致水廠的運行費用增加，并消耗更多的自來水作為反沖洗廢水；此外，因為原水懸浮物的增多和用藥量的增加，給水廠將產(chǎn)生更多的污泥[3]，其處置費用會進一步抬高水廠運行成本。極端情況下，若原水濁度驟升，超過水廠工藝設(shè)計的處理能力，將導(dǎo)致水廠出水水質(zhì)濁度無法達標，造成水廠處理能力降低甚至停止供水。

1.2 有機物污染

夏季暴雨徑流會直接影響飲用水水源地上游流域內(nèi)的水文條件，劇烈增加陸生與水生系統(tǒng)間的物質(zhì)輸移，進而改變地表水體中溶解性天然有機物(NOM)的“量和質(zhì)”。這里，天然有機物指的是動植物本身的分解或代謝產(chǎn)物，主要包括腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)等有機分子。夏季暴雨事件一般會增加地表水體中天然有機物的含量：馬夢嬌等[8]研究發(fā)現(xiàn)，灃河受沖刷效應(yīng)影響，溶解性有機碳(DOC)含量隨著洪水流量的增加而增加；韓國漢江在夏季強降雨期間，DOC的濃度從1.4 mg/L上升至6 mg/L[9]；La Tordera河在干旱期和汛期的DOC分別為2.6 ± 1.7 mg/L和8.6 ± 2 mg/L[10]。

與美國、加拿大、韓國等地的報道情況類似，我國許多地表水體在夏季強降雨之后都會有明顯的陸源有機物匯入，從而改變水體有機物組成[8,9]。水源地上游流域的土地利用情況，是影響暴雨徑流有機物濃度和組成的重要因素。類腐殖質(zhì)物質(zhì)的比例與天然林地和農(nóng)業(yè)用地有關(guān)，而類蛋白質(zhì)類物質(zhì)的比例與種植林地有關(guān)[11]。Shin等[9]對比研究了韓國南部5大河流在夏季降雨后河流中有機物的組成變化，結(jié)果表明，受夏季強降雨的影響，地表水體中溶解性有機物(DOM)的陸源有機物的貢獻增加，五大河流在夏季強降雨期間，類腐殖質(zhì)和類富里酸物質(zhì)所占比例均有所增加；我國西安灃河在洪水期有機物類型也變?yōu)橐灶惛焕锼嵛镔|(zhì)為主[8]。此外，暴雨徑流還可能在短時間內(nèi)增加地表水體有機物的可生物降解性，因為暴雨徑流縮短了地表水體有機物與河床生物群的接觸時間[12]。

暴雨徑流導(dǎo)致的水廠原水有機物含量增加、組分改變以及可生物降解性的提高，都是影響供水安全不可忽視的問題。水源水中的有機物會影響飲用水的顏色和嗅味，增加混凝劑的投加量，增加水廠污泥體積，同時也是造成膜污染的主要因素[13]。值得注意的是，天然有機物是水廠消毒副產(chǎn)物(如三鹵甲烷、鹵乙酸等)的重要前驅(qū)物，有機物含量的增加會導(dǎo)致消毒工藝的需氯量增加，并且容易生成更多的消毒副產(chǎn)物(DBPs)，這些DBPs已被證明具有細胞毒性、基因毒性和致誘變屬性等[14]。暴雨徑流可能會使得原水中腐殖質(zhì)類物質(zhì)增多，該類物質(zhì)疏水性較強、分子量高，與氯有較強的反應(yīng)活性。已有研究表明，腐殖質(zhì)類物質(zhì)在消毒過程中可以生成有毒的芳香族DBPs，經(jīng)過長時間的氯化/氯胺處理后，可以分解為脂肪族DBPs[15]。有機物可生物降解性的提高，會促進水廠和輸配水管道中微生物的生長，誘發(fā)飲用水的微生物污染。

1.3 微生物污染

氣候變化導(dǎo)致的極端降雨事件可能會增加水源水和水廠中的微生物污染，增加水傳播疾病的發(fā)病率。由于水中的致病微生物(細菌、真菌、病毒、原生動物等)多種多樣，飲用水水質(zhì)標準一般采用總大腸菌群數(shù)、大腸埃希氏菌群數(shù)等作為微生物污染指標，因為它們通常大量存在于人類和其他動物的糞便中，并容易被檢測和量化。大量研究表明，暴雨徑流會增加水廠原水的微生物污染。如夏季臺風(fēng)暴雨導(dǎo)致寧波市某給水廠原水濁度由2 NTU左右上升至165 NTU，總大腸菌群數(shù)高達50 CFU/mL[16](國家標準為3 CFU/mL)；秦國帥等[17]研究表明，暴雨洪水造成碧流河水庫高錳酸鹽指數(shù)、大腸菌群數(shù)明顯上升；McKergow等[18]研究了新西蘭莫圖伊卡流域強降雨和大腸埃希氏菌群數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)大腸埃希氏菌群數(shù)在強降雨期間顯著提高，其峰值總是先于徑流和濁度峰值。此外，隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲(簡稱“兩蟲”)與氣候和強降雨也有密切聯(lián)系，Xiao等[19]研究發(fā)現(xiàn)，三峽水庫洪汛期的隱孢子蟲陽性率明顯高于蓄洪期。

水廠的傳統(tǒng)消毒工藝可以對絕大部分微生物進行有效滅活[20]，經(jīng)嚴格消毒處理后的出廠水能達到飲用水水質(zhì)標準，不會對人體健康造成危害。但是，暴雨期間城市居民飲水仍需注意衛(wèi)生安全，不喝生水。因為暴雨事件容易引發(fā)城市內(nèi)澇，受微生物污染的雨水有可能會進入配水管道，當管道末梢等位置余氯量不足時，用水終端的水質(zhì)就可能遭到微生物污染。

2 水質(zhì)污染防治對策

綜上可知，夏季暴雨事件可能會使城市水源水質(zhì)急劇惡化，對公眾的飲水安全和健康構(gòu)成嚴重威脅。采取相應(yīng)的水源地污染防治和水廠工藝改進措施，對于提高城市供水安全具有重大意義。

加強水源地管理，保證水廠原水水質(zhì)：①加強水源地上游流域的土地管理和水土保持工作，減少暴雨徑流對土地的侵蝕；②在水源地建立濁度實時監(jiān)測系統(tǒng)，建立水文-水質(zhì)耦合模型，預(yù)測地表水水源地濁度以及濁度流的時空分布，采取適當?shù)乃畮爝\行方案降低庫區(qū)濁度[21]；③根據(jù)暴雨期間水庫濁度流的空間位置，采取水庫分層取水等方式避開濁度流，控制水廠進水濁度。

改進水廠工藝，適應(yīng)暴雨引發(fā)的原水水質(zhì)突變：①結(jié)合歷史資料調(diào)研暴雨徑流造成的原水水質(zhì)污染的潛在風(fēng)險，確定需要控制的主要目標污染物；②針對主要目標污染物，建立給水廠水質(zhì)突變應(yīng)急預(yù)案，其中調(diào)整藥劑種類、投加量、投加位置是較為經(jīng)濟、可行的方式；③建立健全水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，包括原水和水廠出水的濁度、溶解性有機碳、消毒副產(chǎn)物、微生物指標等，并在暴雨期間加大監(jiān)測頻率；④針對暴雨期間原水水質(zhì)驟變的工況，進行相應(yīng)的水廠工藝改進。

2.1 濁度污染控制

在常規(guī)水處理中，濁度的去除是通過混凝-絮凝-沉淀-過濾來完成，其中氯化鐵和明礬(十二水合硫酸鋁鉀)是常用的混凝劑。傳統(tǒng)處理工藝對低濁度原水有很好的處理效果，但當水中濁度較高時，顆粒間的靜電排斥作用增強，混凝效率降低，導(dǎo)致水廠出水水質(zhì)惡化。

強化混凝是常用的可有效應(yīng)對高濁度原水工況的工程措施。Annadurai等[22]通過響應(yīng)曲面法對不同pH、濁度、堿度和腐殖質(zhì)條件下聚合氯化鋁的投加量進行了優(yōu)化，研究表明在中性條件下，聚合氯化鋁可同時高效去除濁度和腐殖質(zhì)。但是，當原水濁度超過160 NTU時，單獨采用提高聚合氯化鋁投加量的方式不能滿足出水水質(zhì)要求。此外，大量投加混凝劑還需要考慮化學(xué)藥劑對人體健康的危害風(fēng)險。撫順市某水廠在沉淀池后采用二次絮凝+超濾代替原有濾池，可將水廠出水濁度由165 NTU降至0.2 NTU以下，細菌總數(shù)由2 400 CFU/mL降至0 CFU/mL，估算運行成本增加0.51元/m3[4]。

由1.1節(jié)可知，暴雨徑流造成的濁度污染，在短期內(nèi)可達上千NTU。此時，水廠需要采取適當?shù)念A(yù)處理工藝和深度處理工藝來應(yīng)對高濁水。如采用卵石濾池作為預(yù)處理工藝，可以在不添加任何化學(xué)藥劑的情況下去除原水約50%的濁度(1 800 NTU)和35%～47%的TOC(5～14.5 mg/L)[3]；Lin等[23]采用混凝+納濾/反滲透工藝對臺灣南華水庫原水進行處理，研究表明，該工藝對濁度高達14 120 NTU的原水也有良好的處理效果。

此外，還可以考慮在水源水庫采用無毒的、可生物降解的混凝劑(如殼聚糖等)進行濁度原位去除。Wang等[24]以臺灣澄清湖水庫原水、高嶺土和渥太華標準砂為研究對象，發(fā)現(xiàn)0.2 mg/L殼聚糖混凝劑可以使水庫原水濁度從50 000 NTU降至25 NTU。

2.2 有機物污染控制

夏季暴雨徑流造成的有機物污染以腐殖質(zhì)類物質(zhì)為主。給水廠可通過混凝絮凝、膜過濾、高級氧化和吸附等工藝去除水中腐殖質(zhì)。其中，吸附法運行方便且對低濃度的腐殖質(zhì)有較好的去除效果[25]，是水廠去除有機質(zhì)的常用工藝。楊海燕等[26]對比了6種活性炭對東江水中有機物的去除能力，其對兩種類腐殖質(zhì)熒光組分的去除率分別為46.2%～88.9%和69.5%～89.1%；馮令艷等[27]考察了中試試驗條件下砂濾/活性炭濾池對腐殖質(zhì)的吸附效果，研究發(fā)現(xiàn)，活性炭濾池對分子量為1～3kDa的有機物去除率高達50%以上。然而，吸附法去除有機物也存在一定的缺陷，如活性炭的制造和處理成本較高、每隔一段時間需要再生等。

混凝是常規(guī)工藝中的一個必要環(huán)節(jié)，可采用強化混凝的方式提高腐殖質(zhì)類有機物的去除效率。Sudoh等[28]以聚合氯化鋁為混凝劑，碳酸鈣為助凝劑和堿性中和劑，可將Sebangau河原水中的有機物去除86.5%；Rezaee等[29]采用氯化鐵作為混凝劑，對薩南達季給水處理廠原水進行強化混凝，其溶解性有機碳、UV254、COD和濁度的去除率分別可達62%、70%、69%和93%。

2.3 微生物污染控制

在傳統(tǒng)給水處理工藝中，消毒工藝能有效滅活“兩蟲”、細菌、真菌、病毒等，保證飲用水的衛(wèi)生安全。受夏季暴雨徑流的影響，水廠原水的有機物和致病微生物含量可能會驟升，此時，可通過加大消毒劑投藥量的方式來控制微生物安全風(fēng)險。已有研究表明，氯消毒可有效滅活致病微生物，同時需保證水廠出水游離氯濃度，以控制管網(wǎng)微生物二次污染[30]。然而，過量投加氯消毒劑需要注意水廠消毒副產(chǎn)物及出水pH問題，后者可能會引發(fā)城市配水管網(wǎng)的“黃水”問題。

采用聯(lián)合消毒工藝可以在保證致病微生物滅活效果的前提下，降低氯消毒劑的投加量。黃慧婷等[31]采用流式細胞法評價了紫外/氯消毒工藝的滅菌效能，結(jié)果表明，紫外、氯消毒聯(lián)用可在少量余氯的條件下保證水中微生物的滅活效果。

采用膜處理工藝可以更好地改善水質(zhì)，特別是應(yīng)對微生物污染。微濾(MF)膜的孔徑尺寸為0.1～1.0 μm，超濾(UF)膜的孔徑尺寸為2～50 nm，而納濾(NF)膜為1～2 nm。超濾工藝作為我國給水廠第三代核心處理工藝，可以有效控制隱孢子蟲(4～6 μm)、賈第鞭毛蟲(>10 μm)和細菌(0.5 μm)污染，而納濾膜可以將病毒(1 nm)及其他致病微生物從水中完全去除。Braun等[32]研究表明，相較于傳統(tǒng)混凝、磁性離子交換混凝和顆?；钚蕴课?，微濾+納濾出水的DOC和細菌總數(shù)最低，但是運行費用是必須要考慮的問題。

3 結(jié) 語

夏季極端降雨事件可能造成水廠原水濁度驟升、溶解性有機物的濃度升高、有機物組成改變、致病微生物增多等。根據(jù)暴雨期間城市水源水質(zhì)污染源的解析，因地制宜地采取相應(yīng)的水源地管理措施；針對原水水質(zhì)污染風(fēng)險和特征，建立水廠應(yīng)急預(yù)案，必要時改進水廠處理工藝。通過采取上述措施，保障暴雨期間城市供水水質(zhì)安全。