許興中：二供水箱水齡管控、錯(cuò)峰調(diào)蓄智能控制實(shí)踐和思考

時(shí)間：2025-11-17 14:36

來(lái)源：中國(guó)水網(wǎng)

二次供水系統(tǒng)長(zhǎng)期面臨兩大挑戰(zhàn)——水箱“長(zhǎng)水齡”引發(fā)的余氯衰減水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，以及“調(diào)蓄潛能未充分發(fā)揮”導(dǎo)致的運(yùn)行效率低下。為破解這些難題，福州市自來(lái)水有限公司總工程師許興中團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了“基于余氯保障的二供水箱水齡管控耦合錯(cuò)峰調(diào)蓄智能控制系統(tǒng)”研究，系統(tǒng)引入邊緣自治技術(shù)，同步實(shí)現(xiàn)水齡的精細(xì)化管控與水箱調(diào)蓄潛能的充分調(diào)動(dòng)。

在2025（第十屆）供水高峰論壇上，許興中系統(tǒng)展示了該智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯、多重安全保障機(jī)制，以及在多個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用成效。

福州市自來(lái)水有限公司總工程師許興中

二供水箱水齡管控思考

水箱在城鎮(zhèn)安全供水保障中發(fā)揮了重要作用，主要用途是穩(wěn)定安全的為終端用戶提供水源。全球70%以上的高層建筑集中于中國(guó)，約50%至60%的城市用水依賴二次加壓與調(diào)蓄，福州現(xiàn)有水箱6000多個(gè)，上海更是達(dá)到17萬(wàn)個(gè)，二供水箱管控在二供管理系統(tǒng)中至關(guān)重要。

二供水箱管理長(zhǎng)期存在一些問(wèn)題。首先是“長(zhǎng)水齡”問(wèn)題。水箱設(shè)計(jì)容積過(guò)大、入住率低，都會(huì)造成水箱的儲(chǔ)水遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際需求，水箱水齡過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致余氯不足及微生物超標(biāo)，對(duì)水質(zhì)造成安全隱患。

我國(guó)大部分的水箱采用機(jī)械式浮球閥，水箱本身的調(diào)蓄作用微乎其微，這種“即用即補(bǔ)”的進(jìn)水模式易造成市政管網(wǎng)水壓波動(dòng)，影響用戶用水的舒適性、水表倒轉(zhuǎn)、管網(wǎng)壽命等。近些年，如何縮短水箱水齡，同時(shí)充分挖掘水箱的調(diào)蓄潛能，成為福州市自來(lái)水公司的研究課題。

關(guān)于水箱貯水時(shí)間，國(guó)家和地方標(biāo)準(zhǔn)都有相應(yīng)規(guī)定，如《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50015第3.3.19條：生活飲用水水池（箱）貯水更新時(shí)間不宜超過(guò)48h；《城市高品質(zhì)飲用水技術(shù)指南》第3.3.7條：二次供水水箱（池）內(nèi)貯水更新時(shí)間不宜超過(guò)24h；福州市自來(lái)水有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：水池（箱）內(nèi)貯水更新時(shí)間不宜超過(guò)12h。

許興中提出，行業(yè)在水箱管控方面亟需厘清以下四個(gè)核心問(wèn)題：

首先如何明確二供水箱"水齡"合格與否的判定標(biāo)準(zhǔn)？二次供水設(shè)施水質(zhì)必測(cè)項(xiàng)目包括色度、濁度、嗅味及肉眼可見(jiàn)物、PH、大腸菌群、細(xì)菌總數(shù)、余氯等8項(xiàng)指標(biāo)，其中"水齡"過(guò)長(zhǎng)關(guān)聯(lián)性最直接的指標(biāo)就是余氯及余氯不足造成的大腸菌群、細(xì)菌總數(shù)超標(biāo)。

其次，如何確定“水齡”多長(zhǎng)比較合適？許興中指出，水齡的判斷標(biāo)準(zhǔn)不是簡(jiǎn)單的一張時(shí)間表，不同的城市存在不同的管網(wǎng)條件，管網(wǎng)中不同位置的水箱初始余氯不同、不同季節(jié)水溫不同，余氯衰減不同。

第三，如何充分利用管網(wǎng)余氯，避免二次加氯或控制出廠水加氯量？合理控制水箱水齡，保障水箱余氯適當(dāng)冗余，實(shí)現(xiàn)龍頭余氯合格——對(duì)水齡進(jìn)行精細(xì)化管控。

第四、如何充分利用水箱的調(diào)蓄潛能，優(yōu)化城市供水系統(tǒng)？利用二供水箱的調(diào)蓄潛能，錯(cuò)峰調(diào)蓄降低供水時(shí)變化系數(shù)，降低出廠水壓，利用峰谷電價(jià)差，節(jié)約供水電費(fèi)——智能控制水箱補(bǔ)水。

基于以上思考，2022年，福州市自來(lái)水公司與福建省科技廳高校產(chǎn)學(xué)合作"基于水齡管控的二次供水水質(zhì)安全保障關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及示范"、"福州市二次供水安全與節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及示范"項(xiàng)目，圍繞水齡智能管控系統(tǒng)、水箱水齡管控耦合錯(cuò)峰調(diào)蓄控制系統(tǒng)進(jìn)行課題研究。

箱余氯衰減影響因素及衰減模型

余氯衰減的因素很多，主要因素包括余氯的初始濃度、有機(jī)物含量和水溫。初始余氯濃度越高，經(jīng)過(guò)衰減后末端剩余的余氯也越高，但初始濃度本身也影響余氯衰減速率，余氯初始濃度越高，其衰減量也越大。

不同初始余氯濃度C0對(duì)余氯衰減的影響

有機(jī)物（TOC）濃度對(duì)余氯衰減的影響也很顯著。隨著有機(jī)物濃度逐漸增加，24h內(nèi)余氯的衰減量也隨著增加。

不同初始TOC濃度對(duì)余氯衰減的影響

水溫對(duì)余氯衰減的影響更加明顯。隨著水溫的升高，24h內(nèi)余氯的衰減量也隨之增加。

不同水溫T對(duì)余氯衰減的影響

除了以上因素，余氯還存在自分解現(xiàn)象。分解后的物質(zhì)不能起到消毒效果，造成無(wú)效消耗。余氯的自分解主要和溫度有關(guān)，根據(jù)自分解實(shí)驗(yàn)，水溫為28℃的余氯消耗量百分比是水溫為10℃的4.9倍。這說(shuō)明在夏熱冬暖地區(qū)，室外水箱宜進(jìn)行保溫，降低余氯的自分解的無(wú)效消耗，延緩水箱內(nèi)余氯的無(wú)效消耗。

不同水溫下二次供水水箱水余氯衰減情況

分析各因素對(duì)余氯衰減的影響顯著性，團(tuán)隊(duì)建立了多因素交互影響下的水箱余氯衰減系數(shù)模型，通過(guò)余氯衰減模型，可以計(jì)算水箱內(nèi)水最大允許水齡，即余氯符合要求水最長(zhǎng)允許停留時(shí)間。

基于余氯保障水箱水齡智能管控系統(tǒng)

水箱水齡智能管控系統(tǒng)采用邊緣自治技術(shù)方案，邊緣自治是邊緣計(jì)算的核心能力。由于云中心與邊緣側(cè)通過(guò)公網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量存在不確定性，因此弱網(wǎng)或斷網(wǎng)是系統(tǒng)需要面對(duì)的常態(tài)，而非異常情況。因此，當(dāng)邊緣側(cè)與云中心網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或者斷連時(shí)，邊緣側(cè)依舊可以正常運(yùn)行，不影響已經(jīng)部署的邊緣服務(wù)。

控制運(yùn)行邏輯

智能系統(tǒng)具有用水量預(yù)測(cè)功能，可根據(jù)各小區(qū)不同用水特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)算法模型自適應(yīng)學(xué)習(xí)，從而對(duì)各小區(qū)進(jìn)行精細(xì)化、個(gè)性化智能預(yù)測(cè)。
智能系統(tǒng)具備基于二供水箱出水水質(zhì)安全的“允許水齡”或“最低保障出水余氯”等邊緣計(jì)算能力，可根據(jù)各小區(qū)市政進(jìn)水水質(zhì)的差異性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算“允許水齡” 或“最低保障出水余氯” 。
智能系統(tǒng)可根據(jù)用水預(yù)測(cè)、允許水齡時(shí)間、市政管網(wǎng)水壓智能制定有效策略，對(duì)水箱進(jìn)水閥門的智能控制實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水控制。
提供良好的人機(jī)交互和設(shè)置界面，便于各類數(shù)據(jù)的錄入、條件的設(shè)置等。

安全保障機(jī)制

“供水安全”是優(yōu)先于“水質(zhì)管控”的安全底線目標(biāo)；水齡智能管控系統(tǒng)必須確保無(wú)論在何種情況下，都不會(huì)對(duì)二次供水水箱的供水安全，增加額外的風(fēng)險(xiǎn)因素。
控制下放：將系統(tǒng)控制權(quán)交給RTU或者PLC等底層硬件如就地控制柜、數(shù)采柜等，同時(shí)立即發(fā)出控制失效的告警。
感知-超限：當(dāng)某個(gè)傳感器獲取的值超過(guò)一定的閾值，則啟用控制器執(zhí)行特定的動(dòng)作使感知值達(dá)到正常；如果感知值不屬于控制器可控的范疇，則輸出報(bào)警信息。
控制-校驗(yàn)：所有控制器執(zhí)行的控制，必須有感知反饋，如執(zhí)行加水動(dòng)作，則必須監(jiān)控液位線的狀態(tài)以確保指令被正確執(zhí)行。
數(shù)據(jù)填充：當(dāng)不同傳感器之間的數(shù)據(jù)存在關(guān)聯(lián)時(shí)，可以使用其中正常的傳感器數(shù)據(jù)填充異常的傳感器數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)出告警。
數(shù)據(jù)控制：在感知值異常或者缺失的情況，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)執(zhí)行控制，執(zhí)行過(guò)程采取保守的策略，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并立即發(fā)出告警。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行總覽

水箱水齡精細(xì)化管控耦合錯(cuò)峰調(diào)蓄系統(tǒng)

耦合錯(cuò)峰調(diào)蓄系統(tǒng)采用邊緣自治+云中心（邊云協(xié)同）技術(shù)方案。云中心作為邊緣計(jì)算系統(tǒng)的后端，負(fù)責(zé)全局策略制定、模型訓(xùn)練與更新、數(shù)據(jù)分析與可視化等工作。云中心與邊緣側(cè)之間通過(guò)安全通道進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步、任務(wù)調(diào)度與遠(yuǎn)程控制。而在邊緣側(cè)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷時(shí)，可以通過(guò)獨(dú)立的資源管理系統(tǒng)進(jìn)行"自治管理"。

邊云協(xié)同包含了計(jì)算資源、安全策略、應(yīng)用管理、業(yè)務(wù)管理等方面的協(xié)同：

計(jì)算資源協(xié)同：提供的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、虛擬化等基礎(chǔ)設(shè)施資源的協(xié)同，以及邊緣側(cè)設(shè)備自身的生命周期管理協(xié)同。
安全策略協(xié)同：云中心提供了更為完善的安全策略，包括數(shù)據(jù)清洗、安全分析等。
應(yīng)用管理協(xié)同：云中心實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣側(cè)軟件的生命周期管理，包括軟件的推送、安裝、卸載、更新、監(jiān)控及日志等。
業(yè)務(wù)管理協(xié)同：云中心提供統(tǒng)一業(yè)務(wù)編排能力，可以對(duì)某些控制進(jìn)行高優(yōu)先級(jí)處理，從而對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行不同優(yōu)先級(jí)的分類和處理。

區(qū)域錯(cuò)峰調(diào)蓄系統(tǒng)包含兩個(gè)部分：位于邊緣側(cè)的水箱調(diào)蓄，以及位于供水區(qū)域中心的區(qū)域調(diào)蓄。設(shè)計(jì)從安全性和穩(wěn)定性角度出發(fā)，在邊緣測(cè)處于離線狀態(tài)時(shí)，通過(guò)邊緣側(cè)水箱調(diào)度也能實(shí)現(xiàn)一定程度的調(diào)度效果。

耦合錯(cuò)峰調(diào)蓄系統(tǒng)非常適合在水箱集中的市政增壓泵站應(yīng)用，市政增壓泵站通訊穩(wěn)定，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的調(diào)蓄能力。通過(guò)位于區(qū)域中心的區(qū)域調(diào)度可以對(duì)整個(gè)區(qū)域的供水進(jìn)行調(diào)控，達(dá)到對(duì)區(qū)域供水的精細(xì)化管控，并可進(jìn)行特定目標(biāo)的供水調(diào)節(jié)。

區(qū)域調(diào)度基于需水程度的優(yōu)先保障原則，控制補(bǔ)水時(shí)間和補(bǔ)水流量，將補(bǔ)水時(shí)間提前至高峰期之前，并控制高峰期的補(bǔ)水量至最低水平，釋放城市的供水能力，降低高峰期用水、搶水造成的管網(wǎng)壓力波動(dòng)，均勻減少水箱向市政管網(wǎng)的取水需求。

區(qū)域調(diào)度過(guò)程總覽

應(yīng)用案例

水齡智能管控系統(tǒng)——龍湖云峰原著

該項(xiàng)目二供水箱基本情況為尺寸不規(guī)則水箱5.5m×9m+5m×1m，高度h=3.5m。液位浮球閥控制最高水位3.43m。安全開(kāi)閥補(bǔ)水液位設(shè)定為停泵液位（0.5米）加上安全儲(chǔ)水量（1.0米，按最大小時(shí)用水量的50%計(jì)），即1.5米。

建設(shè)方案為加裝課題組監(jiān)制的"集成水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)及水齡智能管控的智能控制系統(tǒng)"，加裝帶開(kāi)度的電動(dòng)閥調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目運(yùn)行情況檢測(cè)，用水量預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際用水量曲線高度吻合；水齡有效控制，余氯衰減幅度小，保障性高；用水高峰時(shí)段水箱基本不補(bǔ)水，用水低峰時(shí)段水箱補(bǔ)水到最高位，錯(cuò)峰效果好。

二次供水24小時(shí)用水、水箱水位及余氯曲線

水齡智能管控系統(tǒng)——五鳳蘭庭（低余氯小區(qū)）

五鳳蘭庭二供水箱采用水齡智能管控后，水箱出水余氯整體得到提升，且高風(fēng)險(xiǎn)的夜間低峰用水期（00:00-06:00）采用水箱水齡管控方式后，07:00左右最低余氯提升0.08mg/L。通過(guò)對(duì)水齡的精準(zhǔn)管控，有效穩(wěn)定了水箱出水余氯，從而有助于降低消毒劑的額外投加量（藥耗）。

二次供水24小時(shí)用水、水箱水位及余氯曲線

錯(cuò)峰調(diào)蓄系統(tǒng)——泉頭片區(qū)水齡管控耦合錯(cuò)峰調(diào)蓄系統(tǒng)

該項(xiàng)目多小區(qū)聯(lián)動(dòng)試點(diǎn)，通過(guò)錯(cuò)峰調(diào)蓄系統(tǒng)平衡市政管網(wǎng)的流量和壓力。泉頭泵站供水片區(qū)面積總共2.32km2，泉頭泵站總?cè)展┧吭O(shè)計(jì)為6000m3/d。主要分為兩個(gè)區(qū)供水，低區(qū)供水規(guī)模為2709m3/d，高區(qū)供水規(guī)模為3288.7m3/d。設(shè)計(jì)時(shí)變化系數(shù)取1.2，實(shí)際運(yùn)行低區(qū)時(shí)變化系數(shù)在1.72~1.9波動(dòng)，高區(qū)由于入住率較低，用水人數(shù)較少，且數(shù)據(jù)量較少，因此高區(qū)時(shí)變化系數(shù)在2.0左右。

2024年3月泉頭泵站高區(qū)機(jī)組停機(jī)，低區(qū)提壓，3月至7月對(duì)片區(qū)5個(gè)試點(diǎn)小區(qū)生活水箱進(jìn)行錯(cuò)峰調(diào)蓄控制；7月關(guān)停試點(diǎn)小區(qū)水箱錯(cuò)峰調(diào)蓄系統(tǒng)，切換到水箱“即用即補(bǔ)”工況運(yùn)行；10月錯(cuò)峰調(diào)蓄系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。

對(duì)比5月15~21日“錯(cuò)峰調(diào)度”工況和8月15~21日“即用即補(bǔ)”工況泉頭泵站供水時(shí)變化系數(shù)，見(jiàn)下圖。片區(qū)內(nèi)5個(gè)生活水箱錯(cuò)峰調(diào)度使泉頭泵站平均時(shí)變化系數(shù)由1.76下降至1.48，下降了0.28 。