我國(guó)的城市供水系統(tǒng)是一個(gè)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(diǎn)。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(shí)驗(yàn)，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(gè)NTU驟增至上萬(wàn)NTU，這種變化速度著實(shí)令人震驚。

許多城市的水源中藻類數(shù)量會(huì)發(fā)生顯著變化，從每升水幾十萬(wàn)個(gè)或幾百萬(wàn)個(gè)迅速爆發(fā)式增長(zhǎng)，可能增至數(shù)億個(gè)。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(lái)，我們都在強(qiáng)調(diào)一個(gè)重要概念——多級(jí)屏障。由于水質(zhì)變化幅度大，為了確保萬(wàn)無(wú)一失，必須建立多級(jí)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(lái)許多研究者致力于此，但坦率地說(shuō)，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(shí)應(yīng)對(duì)水質(zhì)的大幅隨機(jī)變化，這本身就是一個(gè)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(shí)每刻都在發(fā)生的，用水情況也在不斷變化。為了應(yīng)對(duì)這種變化，幾十年來(lái)我們?cè)谠O(shè)計(jì)上不斷探索，提出了許多解決方案。如今的設(shè)計(jì)中，引入了多種變化系數(shù)，例如日變化系數(shù)、時(shí)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(jì)而人為構(gòu)建的，否則將無(wú)法確定具體設(shè)計(jì)數(shù)值。

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

泵站的設(shè)計(jì)基于最大流量和最大揚(yáng)程的需求，例如取水泵站，通常按照最低水位進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而，大多數(shù)時(shí)間泵站運(yùn)行在較高水位，這導(dǎo)致我們的系統(tǒng)設(shè)施規(guī)模過(guò)大。過(guò)去，由于水量普遍不足，這個(gè)問(wèn)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(wèn)題就變得尤為突出。

隨著我們對(duì)運(yùn)行效率的關(guān)注度日益提升，水泵選型過(guò)程中過(guò)度依賴極端工況的問(wèn)題愈發(fā)凸顯，這導(dǎo)致了水泵在日常運(yùn)行中效率低下。這種大冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)的低效問(wèn)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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