我國的城市供水系統(tǒng)是一個非穩(wěn)定工況的大冗余系統(tǒng)，其主要表現(xiàn)為供水系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵參數(shù)——水量和水質(zhì)，均呈現(xiàn)隨機(jī)變化的特點。例如，濁度的變化非常顯著。我曾在位于錢塘江畔的杭州進(jìn)行實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以錢塘江為水源的供水系統(tǒng)中，濁度可以在短短10分鐘內(nèi)從幾十個NTU驟增至上萬NTU，這種變化速度著實令人震驚。

許多城市的水源中藻類數(shù)量會發(fā)生顯著變化，從每升水幾十萬個或幾百萬個迅速爆發(fā)式增長，可能增至數(shù)億個。在常溫或低溫條件下，水質(zhì)的變化幅度尤為顯著，這是其中一種常見情況。

在水質(zhì)不斷變化的背景下，我們?nèi)绾未_保供水安全？一直以來，我們都在強(qiáng)調(diào)一個重要概念——多級屏障。由于水質(zhì)變化幅度大，為了確保萬無一失，必須建立多級屏障體系。為了適應(yīng)這種變化，我們需要提升水廠的工藝控制能力，其中，投藥控制是最為關(guān)鍵且最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。盡管幾十年來許多研究者致力于此，但坦率地說，至今仍未完全攻克這一難題。如何在滿足用戶水質(zhì)需求的同時應(yīng)對水質(zhì)的大幅隨機(jī)變化，這本身就是一個難題。此外，低碳目標(biāo)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提出，也為這一挑戰(zhàn)增添了新的難度。

水量的變化是每時每刻都在發(fā)生的，用水情況也在不斷變化。為了應(yīng)對這種變化，幾十年來我們在設(shè)計上不斷探索，提出了許多解決方案。如今的設(shè)計中，引入了多種變化系數(shù)，例如日變化系數(shù)、時變化系數(shù)和秒變化系數(shù)。這些系數(shù)是為了更好地進(jìn)行設(shè)計而人為構(gòu)建的，否則將無法確定具體設(shè)計數(shù)值。

實際上，在這種變化系數(shù)下設(shè)計的成果，即當(dāng)前的工程設(shè)計方法，導(dǎo)致很多系統(tǒng)成為了一個大冗余系統(tǒng)。我們通常按照最高需求或最不利情況來進(jìn)行設(shè)計，然而在低碳需求的背景下，我們有必要反思這種設(shè)計方式。系統(tǒng)冗余度非常高，水量需求實際上往往并非處于最高點，而是更多時候運行在平均水平。

泵站的設(shè)計基于最大流量和最大揚程的需求，例如取水泵站，通常按照最低水位進(jìn)行設(shè)計。然而，大多數(shù)時間泵站運行在較高水位，這導(dǎo)致我們的系統(tǒng)設(shè)施規(guī)模過大。過去，由于水量普遍不足，這個問題并不明顯。但如今，隨著多數(shù)城市供水設(shè)施能夠滿足水量需求，這種冗余問題就變得尤為突出。

隨著我們對運行效率的關(guān)注度日益提升，水泵選型過程中過度依賴極端工況的問題愈發(fā)凸顯，這導(dǎo)致了水泵在日常運行中效率低下。這種大冗余系統(tǒng)設(shè)計帶來的低效問題，不僅影響了系統(tǒng)的整體效率，也與當(dāng)前雙碳目標(biāo)背道而馳。

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