许兴中：二供水箱水龄管控、错峰调蓄智能控制实践和思考

二次供水系统长期面临两大挑战——水箱“长水龄”引发的余氯衰减水质风险，以及“调蓄潜能未充分发挥”导致的运行效率低下。为破解这些难题，福州市自来水有限公司总工程师许兴中团队开展了“基于余氯保障的二供水箱水龄管控耦合错峰调蓄智能控制系统”研究，系统引入边缘自治技术，同步实现水龄的精细化管控与水箱调蓄潜能的充分调动。

在2025（第十届）供水高峰论坛上，许兴中系统展示了该智能控制系统的运行逻辑、多重安全保障机制，以及在多个试点项目的实际应用成效。

福州市自来水有限公司总工程师许兴中

二供水箱水龄管控思考

水箱在城镇安全供水保障中发挥了重要作用，主要用途是稳定安全的为终端用户提供水源。全球70%以上的高层建筑集中于中国，约50%至60%的城市用水依赖二次加压与调蓄，福州现有水箱6000多个，上海更是达到17万个，二供水箱管控在二供管理系统中至关重要。

二供水箱管理长期存在一些问题。首先是“长水龄”问题。水箱设计容积过大、入住率低，都会造成水箱的储水远远超过实际需求，水箱水龄过长会导致余氯不足及微生物超标，对水质造成安全隐患。

我国大部分的水箱采用机械式浮球阀，水箱本身的调蓄作用微乎其微，这种“即用即补”的进水模式易造成市政管网水压波动，影响用户用水的舒适性、水表倒转、管网寿命等。近些年，如何缩短水箱水龄，同时充分挖掘水箱的调蓄潜能，成为福州市自来水公司的研究课题。

关于水箱贮水时间，国家和地方标准都有相应规定，如《建筑给水排水设计标准》GB 50015第3.3.19条：生活饮用水水池（箱）贮水更新时间不宜超过48h；《城市高品质饮用水技术指南》第3.3.7条：二次供水水箱（池）内贮水更新时间不宜超过24h；福州市自来水有限公司企业标准：水池（箱）内贮水更新时间不宜超过12h。

许兴中提出，行业在水箱管控方面亟需厘清以下四个核心问题：

首先如何明确二供水箱"水龄"合格与否的判定标准？二次供水设施水质必测项目包括色度、浊度、嗅味及肉眼可见物、PH、大肠菌群、细菌总数、余氯等8项指标，其中"水龄"过长关联性最直接的指标就是余氯及余氯不足造成的大肠菌群、细菌总数超标。

其次，如何确定“水龄”多长比较合适？许兴中指出，水龄的判断标准不是简单的一张时间表，不同的城市存在不同的管网条件，管网中不同位置的水箱初始余氯不同、不同季节水温不同，余氯衰减不同。

第三，如何充分利用管网余氯，避免二次加氯或控制出厂水加氯量？合理控制水箱水龄，保障水箱余氯适当冗余，实现龙头余氯合格——对水龄进行精细化管控。

第四、如何充分利用水箱的调蓄潜能，优化城市供水系统？利用二供水箱的调蓄潜能，错峰调蓄降低供水时变化系数，降低出厂水压，利用峰谷电价差，节约供水电费——智能控制水箱补水。

基于以上思考，2022年，福州市自来水公司与福建省科技厅高校产学合作"基于水龄管控的二次供水水质安全保障关键技术研发及示范"、"福州市二次供水安全与节能关键技术研发及示范"项目，围绕水龄智能管控系统、水箱水龄管控耦合错峰调蓄控制系统进行课题研究。

箱余氯衰减影响因素及衰减模型

余氯衰减的因素很多，主要因素包括余氯的初始浓度、有机物含量和水温。初始余氯浓度越高，经过衰减后末端剩余的余氯也越高，但初始浓度本身也影响余氯衰减速率，余氯初始浓度越高，其衰减量也越大。

不同初始余氯浓度C0对余氯衰减的影响

有机物（TOC）浓度对余氯衰减的影响也很显著。随着有机物浓度逐渐增加，24h内余氯的衰减量也随着增加。

不同初始TOC浓度对余氯衰减的影响

水温对余氯衰减的影响更加明显。随着水温的升高，24h内余氯的衰减量也随之增加。

不同水温T对余氯衰减的影响

除了以上因素，余氯还存在自分解现象。分解后的物质不能起到消毒效果，造成无效消耗。余氯的自分解主要和温度有关，根据自分解实验，水温为28℃的余氯消耗量百分比是水温为10℃的4.9倍。这说明在夏热冬暖地区，室外水箱宜进行保温，降低余氯的自分解的无效消耗，延缓水箱内余氯的无效消耗。

不同水温下二次供水水箱水余氯衰减情况

分析各因素对余氯衰减的影响显著性，团队建立了多因素交互影响下的水箱余氯衰减系数模型，通过余氯衰减模型，可以计算水箱内水最大允许水龄，即余氯符合要求水最长允许停留时间。

基于余氯保障水箱水龄智能管控系统

水箱水龄智能管控系统采用边缘自治技术方案，边缘自治是边缘计算的核心能力。由于云中心与边缘侧通过公网连接，网络质量存在不确定性，因此弱网或断网是系统需要面对的常态，而非异常情况。因此，当边缘侧与云中心网络不稳定或者断连时，边缘侧依旧可以正常运行，不影响已经部署的边缘服务。

控制运行逻辑

• 智能系统具有用水量预测功能，可根据各小区不同用水特点，实现算法模型自适应学习，从而对各小区进行精细化、个性化智能预测。

• 智能系统具备基于二供水箱出水水质安全的“允许水龄”或“最低保障出水余氯”等边缘计算能力，可根据各小区市政进水水质的差异性实时动态计算“允许水龄” 或“最低保障出水余氯” 。

• 智能系统可根据用水预测、允许水龄时间、市政管网水压智能制定有效策略，对水箱进水阀门的智能控制实现补水控制。

• 提供良好的人机交互和设置界面，便于各类数据的录入、条件的设置等。

安全保障机制

• “供水安全”是优先于“水质管控”的安全底线目标；水龄智能管控系统必须确保无论在何种情况下，都不会对二次供水水箱的供水安全，增加额外的风险因素。

• 控制下放：将系统控制权交给RTU或者PLC等底层硬件如就地控制柜、数采柜等，同时立即发出控制失效的告警。

• 感知-超限：当某个传感器获取的值超过一定的阈值，则启用控制器执行特定的动作使感知值达到正常；如果感知值不属于控制器可控的范畴，则输出报警信息。

• 控制-校验：所有控制器执行的控制，必须有感知反馈，如执行加水动作，则必须监控液位线的状态以确保指令被正确执行。

• 数据填充：当不同传感器之间的数据存在关联时，可以使用其中正常的传感器数据填充异常的传感器数据，保证系统的正常运转，同时发出告警。

• 数据控制：在感知值异常或者缺失的情况，通过历史数据执行控制，执行过程采取保守的策略，保证系统的正常运转，并立即发出告警。

现场运行总览

水箱水龄精细化管控耦合错峰调蓄系统

耦合错峰调蓄系统采用边缘自治+云中心（边云协同）技术方案。云中心作为边缘计算系统的后端，负责全局策略制定、模型训练与更新、数据分析与可视化等工作。云中心与边缘侧之间通过安全通道进行通信，实现数据同步、任务调度与远程控制。而在边缘侧的网络发生中断时，可以通过独立的资源管理系统进行"自治管理"。

边云协同包含了计算资源、安全策略、应用管理、业务管理等方面的协同：

• 计算资源协同：提供的计算、存储、网络、虚拟化等基础设施资源的协同，以及边缘侧设备自身的生命周期管理协同。

• 安全策略协同：云中心提供了更为完善的安全策略，包括数据清洗、安全分析等。

• 应用管理协同：云中心实现对边缘侧软件的生命周期管理，包括软件的推送、安装、卸载、更新、监控及日志等。

• 业务管理协同：云中心提供统一业务编排能力，可以对某些控制进行高优先级处理，从而对业务进行不同优先级的分类和处理。

区域错峰调蓄系统包含两个部分：位于边缘侧的水箱调蓄，以及位于供水区域中心的区域调蓄。设计从安全性和稳定性角度出发，在边缘测处于离线状态时，通过边缘侧水箱调度也能实现一定程度的调度效果。

耦合错峰调蓄系统非常适合在水箱集中的市政增压泵站应用，市政增压泵站通讯稳定，可以充分发挥系统的调蓄能力。通过位于区域中心的区域调度可以对整个区域的供水进行调控，达到对区域供水的精细化管控，并可进行特定目标的供水调节。

区域调度基于需水程度的优先保障原则，控制补水时间和补水流量，将补水时间提前至高峰期之前，并控制高峰期的补水量至最低水平，释放城市的供水能力，降低高峰期用水、抢水造成的管网压力波动，均匀减少水箱向市政管网的取水需求。

区域调度过程总览

应用案例

水龄智能管控系统——龙湖云峰原著

该项目二供水箱基本情况为尺寸不规则水箱5.5m×9m+5m×1m，高度h=3.5m。液位浮球阀控制最高水位3.43m。安全开阀补水液位设定为停泵液位（0.5米）加上安全储水量（1.0米，按最大小时用水量的50%计），即1.5米。

建设方案为加装课题组监制的"集成水质在线监测及水龄智能管控的智能控制系统"，加装带开度的电动阀调节。通过对该项目运行情况检测，用水量预测曲线与实际用水量曲线高度吻合；水龄有效控制，余氯衰减幅度小，保障性高；用水高峰时段水箱基本不补水，用水低峰时段水箱补水到最高位，错峰效果好。

二次供水24小时用水、水箱水位及余氯曲线

水龄智能管控系统——五凤兰庭（低余氯小区）

五凤兰庭二供水箱采用水龄智能管控后，水箱出水余氯整体得到提升，且高风险的夜间低峰用水期（00:00-06:00）采用水箱水龄管控方式后，07:00左右最低余氯提升0.08mg/L。通过对水龄的精准管控，有效稳定了水箱出水余氯，从而有助于降低消毒剂的额外投加量（药耗）。

二次供水24小时用水、水箱水位及余氯曲线

错峰调蓄系统——泉头片区水龄管控耦合错峰调蓄系统

该项目多小区联动试点，通过错峰调蓄系统平衡市政管网的流量和压力。泉头泵站供水片区面积总共2.32km²，泉头泵站总日供水量设计为6000m³/d。主要分为两个区供水，低区供水规模为2709m³/d，高区供水规模为3288.7m³/d。设计时变化系数取1.2，实际运行低区时变化系数在1.72~1.9波动，高区由于入住率较低，用水人数较少，且数据量较少，因此高区时变化系数在2.0左右。

2024年3月泉头泵站高区机组停机，低区提压，3月至7月对片区5个试点小区生活水箱进行错峰调蓄控制；7月关停试点小区水箱错峰调蓄系统，切换到水箱“即用即补”工况运行；10月错峰调蓄系统恢复运行。

对比5月15~21日“错峰调度”工况和8月15~21日“即用即补”工况泉头泵站供水时变化系数，见下图。片区内5个生活水箱错峰调度使泉头泵站平均时变化系数由1.76下降至1.48，下降了0.28 。

结语

水龄管控耦合错峰调蓄技术对水箱智能管控具有重要意义，可以归纳为以下六个方面：

能有效调控水箱水龄，保障二供余氯安全，减少出厂余氯量；

充分利用二供水箱调蓄潜能，提升城市供水系统的供水能力；

削峰填谷，降低管网压力波动，改善低峰用水管网流动性；

降低管网时变化系数，缓解高峰用水压力；

降低出厂水压，减少漏耗及爆管率，提高低谷电价时段供水量，节能降碳降本；

为出厂余氯管控提供技术保障，实现精准加氯，减少加氯量。

编辑：徐冰冰