二次供水系統長期面臨兩大挑戰——水箱“長水齡”引發的余氯衰減水質風險，以及“調蓄潛能未充分發揮”導致的運行效率低下。為破解這些難題，福州市自來水有限公司總工程師許興中團隊開展了“基于余氯保障的二供水箱水齡管控耦合錯峰調蓄智能控制系統”研究，系統引入邊緣自治技術，同步實現水齡的精細化管控與水箱調蓄潛能的充分調動。

在2025（第十屆）供水高峰論壇上，許興中系統展示了該智能控制系統的運行邏輯、多重安全保障機制，以及在多個試點項目的實際應用成效。

福州市自來水有限公司總工程師許興中

二供水箱水齡管控思考

水箱在城鎮安全供水保障中發揮了重要作用，主要用途是穩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，約50%至60%的城市用水依賴二次加壓與調蓄，福州現有水箱6000多個，上海更是達到17萬個，二供水箱管控在二供管理系統中至關重要。

二供水箱管理長期存在一些問題。首先是“長水齡”問題。水箱設計容積過大、入住率低，都會造成水箱的儲水遠遠超過實際需求，水箱水齡過長會導致余氯不足及微生物超標，對水質造成安全隱患。

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

關于水箱貯水時間，國家和地方標準都有相應規定，如《建筑給水排水設計標準》GB 50015第3.3.19條：生活飲用水水池（箱）貯水更新時間不宜超過48h；《城市高品質飲用水技術指南》第3.3.7條：二次供水水箱（池）內貯水更新時間不宜超過24h；福州市自來水有限公司企業標準：水池（箱）內貯水更新時間不宜超過12h。

許興中提出，行業在水箱管控方面亟需厘清以下四個核心問題：

首先如何明確二供水箱"水齡"合格與否的判定標準？二次供水設施水質必測項目包括色度、濁度、嗅味及肉眼可見物、PH、大腸菌群、細菌總數、余氯等8項指標，其中"水齡"過長關聯性最直接的指標就是余氯及余氯不足造成的大腸菌群、細菌總數超標。

其次，如何確定“水齡”多長比較合適？許興中指出，水齡的判斷標準不是簡單的一張時間表，不同的城市存在不同的管網條件，管網中不同位置的水箱初始余氯不同、不同季節水溫不同，余氯衰減不同。

第三，如何充分利用管網余氯，避免二次加氯或控制出廠水加氯量？合理控制水箱水齡，保障水箱余氯適當冗余，實現龍頭余氯合格——對水齡進行精細化管控。

第四、如何充分利用水箱的調蓄潛能，優化城市供水系統？利用二供水箱的調蓄潛能，錯峰調蓄降低供水時變化系數，降低出廠水壓，利用峰谷電價差，節約供水電費——智能控制水箱補水。

基于以上思考，2022年，福州市自來水公司與福建省科技廳高校產學合作"基于水齡管控的二次供水水質安全保障關鍵技術研發及示范"、"福州市二次供水安全與節能關鍵技術研發及示范"項目，圍繞水齡智能管控系統、水箱水齡管控耦合錯峰調蓄控制系統進行課題研究。

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、有機物含量和水溫。初始余氯濃度越高，經過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對余氯衰減的影響

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

不同初始TOC濃度對余氯衰減的影響

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

不同水溫T對余氯衰減的影響

除了以上因素，余氯還存在自分解現象。分解后的物質不能起到消毒效果，造成無效消耗。余氯的自分解主要和溫度有關，根據自分解實驗，水溫為28℃的余氯消耗量百分比是水溫為10℃的4.9倍。這說明在夏熱冬暖地區，室外水箱宜進行保溫，降低余氯的自分解的無效消耗，延緩水箱內余氯的無效消耗。

不同水溫下二次供水水箱水余氯衰減情況

分析各因素對余氯衰減的影響顯著性，團隊建立了多因素交互影響下的水箱余氯衰減系數模型，通過余氯衰減模型，可以計算水箱內水最大允許水齡，即余氯符合要求水最長允許停留時間。

基于余氯保障水箱水齡智能管控系統

水箱水齡智能管控系統采用邊緣自治技術方案，邊緣自治是邊緣計算的核心能力。由于云中心與邊緣側通過公網連接，網絡質量存在不確定性，因此弱網或斷網是系統需要面對的常態，而非異常情況。因此，當邊緣側與云中心網絡不穩定或者斷連時，邊緣側依舊可以正常運行，不影響已經部署的邊緣服務。

控制運行邏輯

• 智能系統具有用水量預測功能，可根據各小區不同用水特點，實現算法模型自適應學習，從而對各小區進行精細化、個性化智能預測。

• 智能系統具備基于二供水箱出水水質安全的“允許水齡”或“最低保障出水余氯”等邊緣計算能力，可根據各小區市政進水水質的差異性實時動態計算“允許水齡” 或“最低保障出水余氯” 。

• 智能系統可根據用水預測、允許水齡時間、市政管網水壓智能制定有效策略，對水箱進水閥門的智能控制實現補水控制。

• 提供良好的人機交互和設置界面，便于各類數據的錄入、條件的設置等。

安全保障機制

• “供水安全”是優先于“水質管控”的安全底線目標；水齡智能管控系統必須確保無論在何種情況下，都不會對二次供水水箱的供水安全，增加額外的風險因素。

• 控制下放：將系統控制權交給RTU或者PLC等底層硬件如就地控制柜、數采柜等，同時立即發出控制失效的告警。

• 感知-超限：當某個傳感器獲取的值超過一定的閾值，則啟用控制器執行特定的動作使感知值達到正常；如果感知值不屬于控制器可控的范疇，則輸出報警信息。

• 控制-校驗：所有控制器執行的控制，必須有感知反饋，如執行加水動作，則必須監控液位線的狀態以確保指令被正確執行。

• 數據填充：當不同傳感器之間的數據存在關聯時，可以使用其中正常的傳感器數據填充異常的傳感器數據，保證系統的正常運轉，同時發出告警。

• 數據控制：在感知值異?；蛘呷笔У那闆r，通過歷史數據執行控制，執行過程采取保守的策略，保證系統的正常運轉，并立即發出告警。

現場運行總覽

水箱水齡精細化管控耦合錯峰調蓄系統

耦合錯峰調蓄系統采用邊緣自治+云中心（邊云協同）技術方案。云中心作為邊緣計算系統的后端，負責全局策略制定、模型訓練與更新、數據分析與可視化等工作。云中心與邊緣側之間通過安全通道進行通信，實現數據同步、任務調度與遠程控制。而在邊緣側的網絡發生中斷時，可以通過獨立的資源管理系統進行"自治管理"。

邊云協同包含了計算資源、安全策略、應用管理、業務管理等方面的協同：

• 計算資源協同：提供的計算、存儲、網絡、虛擬化等基礎設施資源的協同，以及邊緣側設備自身的生命周期管理協同。

• 安全策略協同：云中心提供了更為完善的安全策略，包括數據清洗、安全分析等。

• 應用管理協同：云中心實現對邊緣側軟件的生命周期管理，包括軟件的推送、安裝、卸載、更新、監控及日志等。

• 業務管理協同：云中心提供統一業務編排能力，可以對某些控制進行高優先級處理，從而對業務進行不同優先級的分類和處理。

區域錯峰調蓄系統包含兩個部分：位于邊緣側的水箱調蓄，以及位于供水區域中心的區域調蓄。設計從安全性和穩定性角度出發，在邊緣測處于離線狀態時，通過邊緣側水箱調度也能實現一定程度的調度效果。

耦合錯峰調蓄系統非常適合在水箱集中的市政增壓泵站應用，市政增壓泵站通訊穩定，可以充分發揮系統的調蓄能力。通過位于區域中心的區域調度可以對整個區域的供水進行調控，達到對區域供水的精細化管控，并可進行特定目標的供水調節。

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

區域調度過程總覽

應用案例

水齡智能管控系統——龍湖云峰原著

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

建設方案為加裝課題組監制的"集成水質在線監測及水齡智能管控的智能控制系統"，加裝帶開度的電動閥調節。通過對該項目運行情況檢測，用水量預測曲線與實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；用水高峰時段水箱基本不補水，用水低峰時段水箱補水到最高位，錯峰效果好。

二次供水24小時用水、水箱水位及余氯曲線

水齡智能管控系統——五鳳蘭庭（低余氯小區）

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，且高風險的夜間低峰用水期（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。通過對水齡的精準管控，有效穩定了水箱出水余氯，從而有助于降低消毒劑的額外投加量（藥耗）。

二次供水24小時用水、水箱水位及余氯曲線

錯峰調蓄系統——泉頭片區水齡管控耦合錯峰調蓄系統

該項目多小區聯動試點，通過錯峰調蓄系統平衡市政管網的流量和壓力。泉頭泵站供水片區面積總共2.32km2，泉頭泵站總日供水量設計為6000m3/d。主要分為兩個區供水，低區供水規模為2709m3/d，高區供水規模為3288.7m3/d。設計時變化系數取1.2，實際運行低區時變化系數在1.72~1.9波動，高區由于入住率較低，用水人數較少，且數據量較少，因此高區時變化系數在2.0左右。

2024年3月泉頭泵站高區機組停機，低區提壓，3月至7月對片區5個試點小區生活水箱進行錯峰調蓄控制；7月關停試點小區水箱錯峰調蓄系統，切換到水箱“即用即補”工況運行；10月錯峰調蓄系統恢復運行。

對比5月15~21日“錯峰調度”工況和8月15~21日“即用即補”工況泉頭泵站供水時變化系數，見下圖。片區內5個生活水箱錯峰調度使泉頭泵站平均時變化系數由1.76下降至1.48，下降了0.28 。

結語

水齡管控耦合錯峰調蓄技術對水箱智能管控具有重要意義，可以歸納為以下六個方面：

能有效調控水箱水齡，保障二供余氯安全，減少出廠余氯量；

充分利用二供水箱調蓄潛能，提升城市供水系統的供水能力；

削峰填谷，降低管網壓力波動，改善低峰用水管網流動性；

降低管網時變化系數，緩解高峰用水壓力；

降低出廠水壓，減少漏耗及爆管率，提高低谷電價時段供水量，節能降碳降本；

為出廠余氯管控提供技術保障，實現精準加氯，減少加氯量。

編輯：徐冰冰