我國的城市供水系統是一個非穩定工況的大冗余系統，其主要表現為供水系統的兩大關鍵參數——水量和水質，均呈現隨機變化的特點。例如，濁度的變化非常顯著。我曾在位于錢塘江畔的杭州進行實驗，結果發現以錢塘江為水源的供水系統中，濁度可以在短短10分鐘內從幾十個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量會發生顯著變化，從每升水幾十萬個或幾百萬個迅速爆發式增長，可能增至數億個。在常溫或低溫條件下，水質的變化幅度尤為顯著，這是其中一種常見情況。
在水質不斷變化的背景下，我們如何確保供水安全？一直以來，我們都在強調一個重要概念——多級屏障。由于水質變化幅度大，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，投藥控制是最為關鍵且最具挑戰性的環節。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需求的同時應對水質的大幅隨機變化，這本身就是一個難題。此外，低碳目標和水質標準的提出，也為這一挑戰增添了新的難度。
水量的變化是每時每刻都在發生的，用水情況也在不斷變化。為了應對這種變化，幾十年來我們在設計上不斷探索，提出了許多解決方案。如今的設計中，引入了多種變化系數，例如日變化系數、時變化系數和秒變化系數。這些系數是為了更好地進行設計而人為構建的，否則將無法確定具體設計數值。
實際上，在這種變化系數下設計的成果，即當前的工程設計方法，導致很多系統成為了一個大冗余系統。我們通常按照最高需求或最不利情況來進行設計，然而在低碳需求的背景下，我們有必要反思這種設計方式。系統冗余度非常高，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行設計。然而，大多數時間泵站運行在較高水位，這導致我們的系統設施規模過大。過去，由于水量普遍不足，這個問題并不明顯。但如今，隨著多數城市供水設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凸顯，這導致了水泵在日常運行中效率低下。這種大冗余系統設計帶來的低效問題，不僅影響了系統的整體效率，也與當前雙碳目標背道而馳。
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