小城镇安全供水实时监控模型建立及其应用

基金项目:天津市水务局科技项目“大港多水源调配”（津水资201245）

作者简介:马旭丽（1977），女，辽宁鞍山人，高级工程师，主要从事安全供水及环境管理方面研究。Email:magong1977@163.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.04.042

摘要：针对由多水源、多供水系统、多供水企业、多管理部门等造成的小城镇安全供水保障率低的现实问题，基于危害分析与关键控制点（HACCP）理念，建立了供水关键节点实时控制数学模型。该数学模型将供水系统关键部位的水量、水压、水质等实时数据作为输入数据，与供水系统设计值和国家标准确定的正常范围值进行比较和赋值。当模型中供水系统赋值求和为“0”时，表示关键部位正常，当赋值大于或等于“1”时，则相应关键部位报警。模型实例应用结果表明，该模型可以降低小城镇供水系统在供水生产、加工、输送过程中的风险，对提高小城镇安全供水保障率具有重要意义。

关键词：小城镇；安全供水； HACCP；实时控制； 关键点； 数学模型

中图分类号：TU991文献标志码：A文章编号：16721683（2014）04018905

Development and Application of Realtime Control Model of

Water Supply Safety Control System in Small Towns

MA Xuli1,2

（1.Water Conservation Office of Dagang,Binhai New Area of Tianjin,Tianjin 300270,China;

2.School of Environment Science and Engineering,Nankai University,Tianjin 300270,China）

Abstract:Low guarantee rate ofwater supply safety in small towns is caused by of the occurrence of too many water sources,water supply systems,water supply enterprises,and administrative departments. Based on the concept of Hazard Analysis Critical Control Point (HACCP),a realtime control mathematical model of key nodes of water supply was developed.The mathematical model adopted the water yield,water pressure,and water quality of key positions in the water supply system as input data,and compared them with the design values in the water supply system and those presented in the national standard and then assigned appropriate values to them.On one hand,when the sum of assigned values was ″0″,it indicated that the critical position is normal.On the other hand,when the sum of assigned values was greater than ″1″ or equal to ″1″,an alert can be reported for the corresponding position.Application of the model on the water supply safety in a small town was analyzed,which suggested that the mathematical model is of important significance to decrease the risks in the process of water production,process,and transfer in the water supply system,and therefore to improve the guarantee rate of water supply safety in small towns.

Key words:small town；water supply safety control；HACCP;realtime control；critical control point；mathematical model

1小城镇安全供水现状及存在问题

小城镇供水在管理、供水来源、供水方式等方面存在一些独特性，比如：多部门管理（由于行政分区或其他原因，可能同时受省部级、市水务局（或水务集团）、区县水务局或水务集团、各级自来水公司、大型驻区企业等多个部门管理），管理效率较低；供水存在多种来源（同时存在外调水、地表水、地下水、再生水、海水淡化水等），影响供水水质，给水源调配与管理均带来不便与困难；多个水厂和多个供水管网系统并存（同时存在市级、区级、大型企业自备水厂等多个供水公司），不同供水单位的取水水源地、处理工艺、供水规模、服务范围等各不相同，加上不同归属、不同时期建设的供水主干管网多为树状供水管网，之间互不相连，一旦局部管网出现问题，就会造成大面积停水。因此小城镇供水可靠性普遍较差。

目前，提高小城镇供水安全保障率的普遍措施有两种：一是安装一些在线监测设备，了解出水水质、水压、水量等数据；二是建设供水管理系统，对历史数据进行分析，对实时数据进行查看。这些措施主要针对的是已经生产出来的水，即对最终产品的质量检测，无法实现预控。本文拟借鉴危害分析与关键控制点（Hazard Analysis Critical Control Point，简称HACCP）原理，建立供水关键节点实时控制数学模型，为小城镇供水管网系统安全运营提供技术支持。拟研究的供水系统分属于省级、区级和企业等多级部门管理，主要由8个独立的供水管网系统构成，水源主要有2种地表水和地下水、中水、海水淡化水等5种，其水质特点和处理工艺各不相同，且由10个自来水厂及供水公司负责供水。

2小城镇安全供水实时监控模型理论基础

2.1HACCP基本原理

HACCP是基于在食品加工过程对消费者确保安全的预防管理体系，它是20世纪60年代由美国的Pillsbury 公司、Natick实验室以及国家航空和航天局（NASA）共同开发的，目前已被世界各国广泛应用。在国际贸易中，HACCP体系认证与ISO9000认证、环保认证已被公认为世界范围内生产安全食品的准则。

与传统的最终产品质量检测的思路不同的是，HACCP管理体系关注的是在整个生产过程中存在的潜在危害，旨在从生产的过程中对危害进行有效预防和控制。HACCP体系包含七个基本原理：危害分析、确定关键控制点（Critical Control Point，简称CCP）、确定关键限值、确定监控CCP的措施、确立纠偏措施、确立有效的记录保持、建立审核程序。

可见，CCP是HACCP系统的重要组成部分。通过对CCP的监控，可以有效确保产品在整个生产过程中的安全。CCP的数量取决于产品或生产工艺的复杂性、性质和研究的范围等。

2.2小城镇供水安全关键节点的HACCP计划

为了建立供水系统HACCP管理体系，首先应根据《中国生活饮用水标准》(GB 57492006)、《生活饮用水水源水质标准》、《城镇供水厂运行、维护及安全技术规范》等饮用水相关标准，通过对小城镇供水系统情况进行调查，充分了解其供水现状，绘制供水系统管网CAD图，明确责任区划；然后在此基础上，将饮用水视为一种特殊的食品，参考HACCP在食品领域中实施的过程，选择对水源、水厂、输配水管网、二次供水以及多水源统一调度等供水系统的重要环节设置供水安全关键点，进行危害分析和控制。

2.2.1水源HACCP计划

参考HACCP在食品行业的实际应用案例，水源的HACCP计划见表1，其中关键限值依据的是水源水质标准。表1水源HACCP计划实施

Table 1Implementation of HACCP plans for water source

CCP显著

危害关键

限值监控内容方法频率执行纠偏措施记录验证水质水质

污染生活饮用水水源水质标准检测CJ 302093所列出的相关水质项目，可参考本文生活饮用水水源水质表GB 5750生活饮用水标准检验法至少每季度采样一次作全分析检验。由城乡规划、设计和生活饮用水供水等有关单位负责执行。对于严重不合标准的水源，应切换水源，停止取水；对不严重的应增加处理工艺，保证处理效果。由执行者记录每次的检测数据并签名备案。生活饮用水供水单位主管部门、卫生部门负责监督和检查执行情况。2.2.2水厂HACCP计划

水厂是供水系统的重要组成部分，也是保证供水水质安全的核心处理部门，因此将其作为多水源供水HACCP管理体系的关键控制点。为保证HACCP计划的有效实施，各水厂需要根据自身具体实际，制定合理、严格的运行管理制度。在制定水厂HACCP管理计划时，应充分考虑制水工艺，加强处理主体构筑物的维护管理。水厂工艺过程危害分析及关键控制点见表2。例如，常见的水处理工艺过程HACCP计划见表3。表2水厂工艺过程危害分析及关键控制点

Table 2Hazard analysis and critical control points of the water plant process

（1）（2）（3）（4）过程确定在这一步骤中的潜在危害存在的危害是否显著用什么预防措施来防止危害预处理常规处理生物法短流及水流阻塞否严格操作规范，定期观测填料状态氧化剂氧化副产物是通过实验，准确判定氧化剂的投量。严格操作规范。沉淀法处理后没有达到预期浊度降低要求否增加停留时间中和法没能有效调节与原水pH否用过实时的在线监测，准确计算酸碱投量混凝难形成絮体是增加混凝剂，添加助凝剂沉淀对絮体的去除效果差是增加停留时间过滤滤池缺陷是增加对滤池反冲洗，排出初滤出水消毒病原体存活是优化消毒剂剂量和接触时间清水池二次污染是保持设施完整性、保持良好的卫生条件深度处理出水不达标污泥处理脱水率低，脱水液污染否严格按照相关操作规范表3水厂工艺过程HACCP计划编制

Table 3HACCP plan form of water plant process

CCP显著危害关键限值监控内容方法频率执行纠偏措施记录验证混凝难形成

絮体絮体大小观测形成絮

体是否正常观察法连续监测员增加混凝剂，添加助凝剂监测员将改变的药

剂投加量记录在案监督员每日核对记录的数据沉淀效果差浊度≤5NTU监测浊度在线监测连续监测员增加消毒步骤同上同上过滤滤池缺陷出水浊度≤

10NTU监测浊度在线监测连续监测员进行反冲洗，增加消毒步骤同上同上消毒不达标GB57492006标准列出的水

质检测项目在线监测连续监测员重新进入处理工艺，再处理同上同上出水不达标GB57492006同上在线监测连续监测员同上同上同上2.2.3输配水系统HACCP计划

原水在经过处理后，将通过水泵的提升，由输配水管网送往用户，选取的关键控制点主要包括：

（1）管网的最不利水头处，主要是各独立管网的末端节点。由于距离供水源头较远，为些节点处常常出现压力不足的现象。

（2）管网改造处连接的节点。这些节点关系着改造后的供水状况。输配水系统危害分析见表4。表4输配水系统危害分析

Table 4Hazards analysis of water distribution system

（1）（2）（3）（4）（5）过程确定在这一步骤中的潜在危害存在的危害是否显著用什么预防措施来防止危害是否为关键控制点水泵与泵站气蚀现象否严格操作规范，加强日常维护否配水二次污染否保持管网压力和良好的卫生条件否输水管网漏水、水头不足、爆管是进行管网改造，保证管网压力、加强日常维护是3小城镇安全供水实时监控模型的构建与运行3.1模型构建

建立小城镇安全供水各关键点HACCP计划以后，还需要构建一个易识别、可操作的数学模型，才能保证实时数据最高效的被系统统计分析。小城镇安全供水实时关键点控制数学模型原理见图1。将关键控制点进行编号，输入基准值，正常范围参数，以及权重，通过与正常范围的比对进行计算之后得出供水系统运行状况，并能够实时显示关键控制点水质水量参数。通过对某一区域所有关键控制点的输出值进行加和运算可以得出该区域的运行状况。

图1关键控制点数学模型原理

Fig.1Schematic diagram of the mathematical

model with control points

模型输入的基准值包括流量、水压和水质参数，而水质参数主要是表4.2列出的参数；模型需要输入各个参数的权重根据其对供水系统安全影响的程度进行确定，其中水量和压力以及感官性状指标所占比重应加大，而且随着供水安全要求的提高可以另行调整。

3.2计算方法

（1）水量（Q）和水压（P）计算。

目的是判断对应关键控制点水量和水压是否在正常范围内运行。一般规定其正常运行范围0.5Q标准≤Q≤15Q标准。

若满足正常范围，将其赋值为0，若不满足则赋值为1，再乘以对应权重，可以得出该关键控制点是否正常。

如某关键控制点为Si{Pi，Qi，浊度i，pHi，Fei……}，则：

输入基准值{Pi0，Qi0，浊度i0，pHi0，Fei0……}和实际运行参数{Pi，Qi，浊度i，pHi，Fei……}，以及正常范围的系数{［a1,b1］,［a2,b2］……}。

判定：

如果a1·Pi0≤Pi≤b1·Pi0，则Pi=xj=0。

如果not Pi=xj=1，于是便得以下函数：

sgn(xj)=1,xj=1

0,xj=0（1）

报警系统判定公式为：

y=f(∑mi=1wixi)=1,∑mi=1wixi>0

0,∑mi=1wixi≤0（2）

式中：θ为阈值。

当y=1时，表示异常运行，将报警；若y=0表示正常运行。

对于区域供水系统来说，设区域内的关键控制点为si，i∈{1,2,3,4……}，对应输出值为yi，判断区域正常运行的函数为g(s),则计算公式为：

g=g(∑mi=1yi)=1,∑mi=1yi>0

0,∑mi=1yi≤0（3）

当g为1时表示该区域运行异常；当g为0时，表示正常运行。

4小城镇安全供水实时监控模型实例

选取某小城镇供水系统中的一个关键点S5作为实例，进行分析。

4.1参数编号

选取关键节点S5的8个水质水量参数作为检测指标，包括压力、流量、pH、浊度、耗氧量、铁、氯化物、总硬度，分别用字母P5、Q5、pH5、Z5、COD5、Fe5、Cl5、C5表示。4.2数据获取

试验中连续监测了十天，测样频率为每天1次，均采用国家标准方法进行测定。表5是在线监测的数据。

4.3函数赋值

首先判断关键节点S5每天监测的各参数数值是否在正常运行范围内，判断依据见表6。表5关键控制点在水质水力特性检测

Table 5Test results of water quality and hydraulic characteristics at the critical control points

时间(d)参数压力(m)流量(LPS)pH浊度耗氧量/(mg·L1)铁/(mg·L1)氯化物/(mg·L1)总硬度/(mg·L1)120.049.27.10.72.40.20205390219.949.37.30.82.60.2120238931049.17.20.82.40.22211395420.148.87.40.92.40.18208394520.148.97.20.72.50.19208394620.248.97.20.72.60.19209390719.848.97.20.72.50.20210382819.8357.31.52.50.21211387919.949.17.30.82.60.192113891020.249.17.40.92.40.19207389表6关键控制点对应参数正常运行判断依据

Table 6Judgment criteria of normal operation for

corresponding parameters at critical control points

参数正常范围对应函数压力15

表7sgn（x）函数

Table 7sgn（x）function. 函数

时间(d)函数sgn

（x1）sgn

（x2）sgn

（x3）sgn

（x4）sgn

（x5）sgn

（x6）sgn

（x7）sgn

（x8）1000000002000000003100000004010100004.4函数计算

将表7中函数sgn（xj）进行加和。

y=f(∑81Xj)=1∑81Xj≥1

0∑81Xj=0（4）

当y=0时，表示正常运行；y≥1时，报警。

关键点S5的赋值函数计算结果见表8。可知，在第3天和第8天，会反馈报警信息，说明关键点S5点在第3天和第8天时水质水量出现异常，需要进行检测和维修。

表8计算实例

Table 8Calculation example

∑81XjY10020031140050060070082190010005结语

本文基于危害分析与关键控制点（HACCP）原理建立的关键控制点数学模型，能够实时掌握供水管网的运行状况，快速而准确地诊断故障，可以为供水管网改造工程提供技术支持。今后可进一步以该模型为基础，建立小城镇安全供水实时控制计算机系统，从而实现供水系统的信息化管理，提高管理效率。

参考文献（References）：

［1］杨吉龙,韩冬梅,肖国强.天津滨海新区供水安全分析［J］.中国农村水利水电,2011，(5):6467.（YANG Jilong,HAN Dongmei，XIAO Guomei.An Analysis of Water Supply Security in the Binhai New Area in Tianjin［J］.China Rural Water & Hydropower,2011，(5):6467.（in Chinese））

［2］储诚山,程道辉,苏小红.基于遗传算法和GIS的给水管网水力模拟［J］.中国农村水利水电,2006(2):7072.(CHU Chengshan,CHENG Daohui，SU Xiaohong.Hydraulic Calculation of WaterDistribution Network Based on Genetic Algorithm and GIS［J］.China Rural Water & Hydropower,2006(2):7072.（in Chinese））

［3］王郑,都伟杰,曹世玮.管网平差教学程序开发初探［J］.宁夏工程技术,2007,6(2):157159.(WANG Zheng,DU WeiJie，CAO Shiwei.Study on teaching program in pipe net works［J］.Ningxia Engineering Technology,2007,6(2):157159.（in Chinese））

［4］Chang NiBin,Pongsanone N P,Ernest A.Comparisons between a Rulebased Expert System and Optimization Models for Sensor Deployment in a Small Drinking Water Network［J］.Expert Systems with Applications,2011(38):1068510695.

［5］Chang NiBin,Pongsanone N P,Ernest A.A Rulebased Decision Support System for Sensor Deployment in Small Drinking Water Networks［J］.Journal of Cleaner Production 2012,2930:2837.

［6］Sedki A,Ouazar D.Hybrid Particle Swarm Optimization and Differential Evolution for Optimal Design of Water Distribution Systems［J］.Advanced Engineering Informatics,2012(26):582591.

［7］张馨予,李树平.基于EPANETMSX的多水源供水管网余氯模拟研究［J］.河南科学,2010,28(2):216219.(ZHANG Xunyu，LI Shuping.Study on Simulation of Residual Chlorine in MultiSource Water Distribution System with EPANETMSX［J］.Henan Science,2010,28(2):216219.（in Chinese））

［8］马洪涛,王军,张卫红.基于GIS与EPANET的昌平新城再生水管网规划［J］.中国给水排水,2008,24(24):3235.(MA Hongtao,WANG Jun，ZHANG Weihong.Recycled Water Network Planning for Changping New Town Based on GIS and EPANET［J］.China Water &Water Ater,2008,24(24):3235.（in Chinese））

［9］刘志扬.HACCP食品安全管理体系在我国的应用［J］.科技经济市场,2011(1):4850.(LIU Zhiyang.Application of HACCP Food Safety Management Systemin China［J］.Science&Technology ecnony Market,2011(1):4850.（in Chinese））

［10］Hulebak,K L，W Schlosser,Hazard Analysis and Critical Control Point (HACCP) History and Conceptual Overview［J］.Risk Analysis,2002,22(3):547552.

［11］杨虎,李谷,关智勇.HACCP在淡水养殖中的应用及推广［J］.湖北农业科学,2011,50(1):132135.(YANG Hu,LI Gu,GUANG Zhiyong.Application and Promotion of HACCP in Freshwater Aquaculture［J］.Hebei Agricultural Sciences,2011,50(1):132135.（in Chinese））

［12］黄福南.危害分析关键控制点(HACCP)［J］.食品与发酵工业,2002,28(2):5.(HUANG Funan.Hazard Analysis and Critical Control Point（HACCP）［J］.Food and FermentationIndustry,2002，28(2):5.（in Chinese））

［13］GB/T19 5382004,危害分析与关键控制点（HACCP）体系及其应用指南［S］,2004.(GB/T 19 5382004,Hazard Analysis and Critical Control Point(HACCP) System and its Application Guidelines［S］,2004.（in Chinese））

［14］Mortimore S,Wallance C.HACCPsystem ［J］.Food Technol,1991,45

［15］夏雁,周红霞,于青.HACCP 系统在济宁市市政自来水生产中的应用［J］.预防医学论坛,2007,13(6):515516.(XIA Yan,ZHOU Hongxia,YU Qing.Application of HACCP System in the Production of Tape Water in Ji′ning City［J］.Preventive Medicine Tribune,2007,13(6):515516.（in Chinese））

推荐访问:供水 小城镇 及其应用 实时监控 模型