基金項目:天津市水務局科技項目“大港多水源調配”（津水資201245）

作者簡介:馬旭麗（1977玻，女，遼寧鞍山人，高級工程師，主要從事安全供水及環(huán)境管理方面研究。E瞞ail:magong1977@163.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.04.042

摘要：針對由多水源、多供水系統(tǒng)、多供水企業(yè)、多管理部門等造成的小城鎮(zhèn)安全供水保障率低的現(xiàn)實問題，基于危害分析與關鍵控制點（HACCP）理念，建立了供水關鍵節(jié)點實時控制數(shù)學模型。該數(shù)學模型將供水系統(tǒng)關鍵部位的水量、水壓、水質等實時數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，與供水系統(tǒng)設計值和國家標準確定的正常范圍值進行比較和賦值。當模型中供水系統(tǒng)賦值求和為“0”時，表示關鍵部位正常，當賦值大于或等于“1”時，則相應關鍵部位報警。模型實例應用結果表明，該模型可以降低小城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)在供水生產、加工、輸送過程中的風險，對提高小城鎮(zhèn)安全供水保障率具有重要意義。

關鍵詞：小城鎮(zhèn)；安全供水； HACCP；實時控制； 關鍵點； 數(shù)學模型

中圖分類號：TU991文獻標志碼：A文章編號：16721683（2014）04018905

Development and Application of Real瞭ime Control Model of

Water Supply Safety Control System in Small Towns

MA Xu瞝i1,2

（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瞭ime 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瞭ime control；critical control point；mathematical model

1小城鎮(zhèn)安全供水現(xiàn)狀及存在問題

小城鎮(zhèn)供水在管理、供水來源、供水方式等方面存在一些獨特性，比如：多部門管理（由于行政分區(qū)或其他原因，可能同時受省部級、市水務局（或水務集團）、區(qū)縣水務局或水務集團、各級自來水公司、大型駐區(qū)企業(yè)等多個部門管理），管理效率較低；供水存在多種來源（同時存在外調水、地表水、地下水、再生水、海水淡化水等），影響供水水質，給水源調配與管理均帶來不便與困難；多個水廠和多個供水管網系統(tǒng)并存（同時存在市級、區(qū)級、大型企業(yè)自備水廠等多個供水公司），不同供水單位的取水水源地、處理工藝、供水規(guī)模、服務范圍等各不相同，加上不同歸屬、不同時期建設的供水主干管網多為樹狀供水管網，之間互不相連，一旦局部管網出現(xiàn)問題，就會造成大面積停水。因此小城鎮(zhèn)供水可靠性普遍較差。

目前，提高小城鎮(zhèn)供水安全保障率的普遍措施有兩種：一是安裝一些在線監(jiān)測設備，了解出水水質、水壓、水量等數(shù)據(jù)；二是建設供水管理系統(tǒng)，對歷史數(shù)據(jù)進行分析，對實時數(shù)據(jù)進行查看。這些措施主要針對的是已經生產出來的水，即對最終產品的質量檢測，無法實現(xiàn)預控。本文擬借鑒危害分析與關鍵控制點（Hazard Analysis Critical Control Point，簡稱HACCP）原理，建立供水關鍵節(jié)點實時控制數(shù)學模型，為小城鎮(zhèn)供水管網系統(tǒng)安全運營提供技術支持。擬研究的供水系統(tǒng)分屬于省級、區(qū)級和企業(yè)等多級部門管理，主要由8個獨立的供水管網系統(tǒng)構成，水源主要有2種地表水和地下水、中水、海水淡化水等5種，其水質特點和處理工藝各不相同，且由10個自來水廠及供水公司負責供水。

2小城鎮(zhèn)安全供水實時監(jiān)控模型理論基礎

2.1HACCP基本原理

HACCP是基于在食品加工過程對消費者確保安全的預防管理體系，它是20世紀60年代由美國的Pillsbury 公司、Natick實驗室以及國家航空和航天局（NASA）共同開發(fā)的，目前已被世界各國廣泛應用。在國際貿易中，HACCP體系認證與ISO9000認證、環(huán)保認證已被公認為世界范圍內生產安全食品的準則。

與傳統(tǒng)的最終產品質量檢測的思路不同的是，HACCP管理體系關注的是在整個生產過程中存在的潛在危害，旨在從生產的過程中對危害進行有效預防和控制。HACCP體系包含七個基本原理：危害分析、確定關鍵控制點（Critical Control Point，簡稱CCP）、確定關鍵限值、確定監(jiān)控CCP的措施、確立糾偏措施、確立有效的記錄保持、建立審核程序。

可見，CCP是HACCP系統(tǒng)的重要組成部分。通過對CCP的監(jiān)控，可以有效確保產品在整個生產過程中的安全。CCP的數(shù)量取決于產品或生產工藝的復雜性、性質和研究的范圍等。

2.2小城鎮(zhèn)供水安全關鍵節(jié)點的HACCP計劃

為了建立供水系統(tǒng)HACCP管理體系，首先應根據(jù)《中國生活飲用水標準》(GB 57492006)、《生活飲用水水源水質標準》、《城鎮(zhèn)供水廠運行、維護及安全技術規(guī)范》等飲用水相關標準，通過對小城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)情況進行調查，充分了解其供水現(xiàn)狀，繪制供水系統(tǒng)管網CAD圖，明確責任區(qū)劃；然后在此基礎上，將飲用水視為一種特殊的食品，參考HACCP在食品領域中實施的過程，選擇對水源、水廠、輸配水管網、二次供水以及多水源統(tǒng)一調度等供水系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)設置供水安全關鍵點，進行危害分析和控制。

2.2.1水源HACCP計劃

參考HACCP在食品行業(yè)的實際應用案例，水源的HACCP計劃見表1，其中關鍵限值依據(jù)的是水源水質標準。表1水源HACCP計劃實施

Table 1Implementation of HACCP plans for water source

CCP顯著

危害關鍵

限值監(jiān)控內容方法頻率執(zhí)行糾偏措施記錄驗證水質水質

污染生活飲用水水源水質標準檢測CJ 302093所列出的相關水質項目，可參考本文生活飲用水水源水質表GB 5750生活飲用水標準檢驗法至少每季度采樣一次作全分析檢驗。由城鄉(xiāng)規(guī)劃、設計和生活飲用水供水等有關單位負責執(zhí)行。對于嚴重不合標準的水源，應切換水源，停止取水；對不嚴重的應增加處理工藝，保證處理效果。由執(zhí)行者記錄每次的檢測數(shù)據(jù)并簽名備案。生活飲用水供水單位主管部門、衛(wèi)生部門負責監(jiān)督和檢查執(zhí)行情況。2.2.2水廠HACCP計劃

水廠是供水系統(tǒng)的重要組成部分，也是保證供水水質安全的核心處理部門，因此將其作為多水源供水HACCP管理體系的關鍵控制點。為保證HACCP計劃的有效實施，各水廠需要根據(jù)自身具體實際，制定合理、嚴格的運行管理制度。在制定水廠HACCP管理計劃時，應充分考慮制水工藝，加強處理主體構筑物的維護管理。水廠工藝過程危害分析及關鍵控制點見表2。例如，常見的水處理工藝過程HACCP計劃見表3。表2水廠工藝過程危害分析及關鍵控制點

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

（1）（2）（3）（4）過程確定在這一步驟中的潛在危害存在的危害是否顯著用什么預防措施來防止危害預處理常規(guī)處理生物法短流及水流阻塞否嚴格操作規(guī)范，定期觀測填料狀態(tài)氧化劑氧化副產物是通過實驗，準確判定氧化劑的投量。嚴格操作規(guī)范。沉淀法處理后沒有達到預期濁度降低要求否增加停留時間中和法沒能有效調節(jié)與原水pH否用過實時的在線監(jiān)測，準確計算酸堿投量混凝難形成絮體是增加混凝劑，添加助凝劑沉淀對絮體的去除效果差是增加停留時間過濾濾池缺陷是增加對濾池反沖洗，排出初濾出水消毒病原體存活是優(yōu)化消毒劑劑量和接觸時間清水池二次污染是保持設施完整性、保持良好的衛(wèi)生條件深度處理出水不達標污泥處理脫水率低，脫水液污染否嚴格按照相關操作規(guī)范表3水廠工藝過程HACCP計劃編制

Table 3HACCP plan form of water plant process

CCP顯著危害關鍵限值監(jiān)控內容方法頻率執(zhí)行糾偏措施記錄驗證混凝難形成

絮體絮體大小觀測形成絮

體是否正常觀察法連續(xù)監(jiān)測員增加混凝劑，添加助凝劑監(jiān)測員將改變的藥

劑投加量記錄在案監(jiān)督員每日核對記錄的數(shù)據(jù)沉淀效果差濁度≤5NTU監(jiān)測濁度在線監(jiān)測連續(xù)監(jiān)測員增加消毒步驟同上同上過濾濾池缺陷出水濁度≤

10NTU監(jiān)測濁度在線監(jiān)測連續(xù)監(jiān)測員進行反沖洗，增加消毒步驟同上同上消毒不達標GB57492006標準列出的水

質檢測項目在線監(jiān)測連續(xù)監(jiān)測員重新進入處理工藝，再處理同上同上出水不達標GB57492006同上在線監(jiān)測連續(xù)監(jiān)測員同上同上同上2.2.3輸配水系統(tǒng)HACCP計劃

原水在經過處理后，將通過水泵的提升，由輸配水管網送往用戶，選取的關鍵控制點主要包括：

（1）管網的最不利水頭處，主要是各獨立管網的末端節(jié)點。由于距離供水源頭較遠，為些節(jié)點處常常出現(xiàn)壓力不足的現(xiàn)象。

（2）管網改造處連接的節(jié)點。這些節(jié)點關系著改造后的供水狀況。輸配水系統(tǒng)危害分析見表4。表4輸配水系統(tǒng)危害分析

Table 4Hazards analysis of water distribution system

（1）（2）（3）（4）（5）過程確定在這一步驟中的潛在危害存在的危害是否顯著用什么預防措施來防止危害是否為關鍵控制點水泵與泵站氣蝕現(xiàn)象否嚴格操作規(guī)范，加強日常維護否配水二次污染否保持管網壓力和良好的衛(wèi)生條件否輸水管網漏水、水頭不足、爆管是進行管網改造，保證管網壓力、加強日常維護是3小城鎮(zhèn)安全供水實時監(jiān)控模型的構建與運行3.1模型構建

建立小城鎮(zhèn)安全供水各關鍵點HACCP計劃以后，還需要構建一個易識別、可操作的數(shù)學模型，才能保證實時數(shù)據(jù)最高效的被系統(tǒng)統(tǒng)計分析。小城鎮(zhèn)安全供水實時關鍵點控制數(shù)學模型原理見圖1。將關鍵控制點進行編號，輸入基準值，正常范圍參數(shù)，以及權重，通過與正常范圍的比對進行計算之后得出供水系統(tǒng)運行狀況，并能夠實時顯示關鍵控制點水質水量參數(shù)。通過對某一區(qū)域所有關鍵控制點的輸出值進行加和運算可以得出該區(qū)域的運行狀況。

圖1關鍵控制點數(shù)學模型原理

Fig.1Schematic diagram of the mathematical

model with control points

模型輸入的基準值包括流量、水壓和水質參數(shù)，而水質參數(shù)主要是表4.2列出的參數(shù)；模型需要輸入各個參數(shù)的權重根據(jù)其對供水系統(tǒng)安全影響的程度進行確定，其中水量和壓力以及感官性狀指標所占比重應加大，而且隨著供水安全要求的提高可以另行調整。

3.2計算方法

（1）水量（Q）和水壓（P）計算。

目的是判斷對應關鍵控制點水量和水壓是否在正常范圍內運行。一般規(guī)定其正常運行范圍0.5Q標準≤Q≤15Q標準。

若滿足正常范圍，將其賦值為0，若不滿足則賦值為1，再乘以對應權重，可以得出該關鍵控制點是否正常。

如某關鍵控制點為Si{Pi，Qi，濁度i，pHi，F(xiàn)ei……}，則：

輸入基準值{Pi0，Qi0，濁度i0，pHi0，F(xiàn)ei0……}和實際運行參數(shù){Pi，Qi，濁度i，pHi，F(xiàn)ei……}，以及正常范圍的系數(shù){［a1,b1］,［a2,b2］……}。

判定：

如果a1·Pi0≤Pi≤b1·Pi0，則Pi=xj=0。

如果not Pi=xj=1，于是便得以下函數(shù)：

sgn(xj)=1,xj=1

0,xj=0（1）

報警系統(tǒng)判定公式為：

y=f(∑mi=1wixi)=1,∑mi=1wixi>0

0,∑mi=1wixi≤0（2）

式中：θ為閾值。

當y=1時，表示異常運行，將報警；若y=0表示正常運行。

對于區(qū)域供水系統(tǒng)來說，設區(qū)域內的關鍵控制點為si，i∈{1,2,3,4……}，對應輸出值為yi，判斷區(qū)域正常運行的函數(shù)為g(s),則計算公式為：

g=g(∑mi=1yi)=1,∑mi=1yi>0

0,∑mi=1yi≤0（3）

當g為1時表示該區(qū)域運行異常；當g為0時，表示正常運行。

4小城鎮(zhèn)安全供水實時監(jiān)控模型實例

選取某小城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)中的一個關鍵點S5作為實例，進行分析。

4.1參數(shù)編號

選取關鍵節(jié)點S5的8個水質水量參數(shù)作為檢測指標，包括壓力、流量、pH、濁度、耗氧量、鐵、氯化物、總硬度，分別用字母P5、Q5、pH5、Z5、COD5、Fe5、Cl5、C5表示。4.2數(shù)據(jù)獲取

試驗中連續(xù)監(jiān)測了十天，測樣頻率為每天1次，均采用國家標準方法進行測定。表5是在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

4.3函數(shù)賦值

首先判斷關鍵節(jié)點S5每天監(jiān)測的各參數(shù)數(shù)值是否在正常運行范圍內，判斷依據(jù)見表6。表5關鍵控制點在水質水力特性檢測

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

時間(d)參數(shù)壓力(m)流量(LPS)pH濁度耗氧量/(mg·L1)鐵/(mg·L1)氯化物/(mg·L1)總硬度/(mg·L1)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關鍵控制點對應參數(shù)正常運行判斷依據(jù)

Table 6Judgment criteria of normal operation for

corresponding parameters at critical control points

參數(shù)正常范圍對應函數(shù)壓力15

表7sgn（x）函數(shù)

Table 7sgn（x）function. 函數(shù)

時間(d)函數(shù)sgn

（x1）sgn

（x2）sgn

（x3）sgn

（x4）sgn

（x5）sgn

（x6）sgn

（x7）sgn

（x8）1000000002000000003100000004010100004.4函數(shù)計算

將表7中函數(shù)sgn（xj）進行加和。

y=f(∑81Xj)=1∑81Xj≥1

0∑81Xj=0（4）

當y=0時，表示正常運行；y≥1時，報警。

關鍵點S5的賦值函數(shù)計算結果見表8?？芍?，在第3天和第8天，會反饋報警信息，說明關鍵點S5點在第3天和第8天時水質水量出現(xiàn)異常，需要進行檢測和維修。

表8計算實例

Table 8Calculation example

∑81XjY10020031140050060070082190010005結語

本文基于危害分析與關鍵控制點（HACCP）原理建立的關鍵控制點數(shù)學模型，能夠實時掌握供水管網的運行狀況，快速而準確地診斷故障，可以為供水管網改造工程提供技術支持。今后可進一步以該模型為基礎，建立小城鎮(zhèn)安全供水實時控制計算機系統(tǒng)，從而實現(xiàn)供水系統(tǒng)的信息化管理，提高管理效率。

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