我国的城市供水系统是一个非稳定工况的大冗余系统，其主要表现为供水系统的两大关键参数——水量和水质，均呈现随机变化的特点。例如，浊度的变化非常显著。我曾在位于钱塘江畔的杭州进行实验，结果发现以钱塘江为水源的供水系统中，浊度可以在短短10分钟内从几十个NTU骤增至上万NTU，这种变化速度着实令人震惊。
许多城市的水源中藻类数量会发生显著变化，从每升水几十万个或几百万个迅速爆发式增长，可能增至数亿个。在常温或低温条件下，水质的变化幅度尤为显著，这是其中一种常见情况。
在水质不断变化的背景下，我们如何确保供水安全？一直以来，我们都在强调一个重要概念——多级屏障。由于水质变化幅度大，为了确保万无一失，必须建立多级屏障体系。为了适应这种变化，我们需要提升水厂的工艺控制能力，其中，投药控制是最为关键且最具挑战性的环节。尽管几十年来许多研究者致力于此，但坦率地说，至今仍未完全攻克这一难题。如何在满足用户水质需求的同时应对水质的大幅随机变化，这本身就是一个难题。此外，低碳目标和水质标准的提出，也为这一挑战增添了新的难度。
水量的变化是每时每刻都在发生的，用水情况也在不断变化。为了应对这种变化，几十年来我们在设计上不断探索，提出了许多解决方案。如今的设计中，引入了多种变化系数，例如日变化系数、时变化系数和秒变化系数。这些系数是为了更好地进行设计而人为构建的，否则将无法确定具体设计数值。
实际上，在这种变化系数下设计的成果，即当前的工程设计方法，导致很多系统成为了一个大冗余系统。我们通常按照最高需求或最不利情况来进行设计，然而在低碳需求的背景下，我们有必要反思这种设计方式。系统冗余度非常高，水量需求实际上往往并非处于最高点，而是更多时候运行在平均水平。
泵站的设计基于最大流量和最大扬程的需求，例如取水泵站，通常按照最低水位进行设计。然而，大多数时间泵站运行在较高水位，这导致我们的系统设施规模过大。过去，由于水量普遍不足，这个问题并不明显。但如今，随着多数城市供水设施能够满足水量需求，这种冗余问题就变得尤为突出。
随着我们对运行效率的关注度日益提升，水泵选型过程中过度依赖极端工况的问题愈发凸显，这导致了水泵在日常运行中效率低下。这种大冗余系统设计带来的低效问题，不仅影响了系统的整体效率，也与当前双碳目标背道而驰。
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