智慧城市中的水資源問題

辛妍

水是世界上最豐富的物質之一，在人們的生產和生活中不可或缺，因而與城市，特別是智慧城市的發展息息相關。然而，水正在迅速成為地球上壓力最大的資源之一。根據聯合國2013年的數據，全球約有85%的人口生活在最干旱的地區，約有7.83億人無法獲得潔凈的水，近25億人缺少最起碼的衛生設施，每年有600萬至800萬人死于與水有關的災害和疾病。此外，全球大約有16億人，或者說幾乎1/4的世界人口，正在面臨經濟性水資源短缺（即國家缺乏從河流和含水層取水的必要基礎設施）。同時，氣候變化可能進一步影響到水資源的供給和需求，進而影響全球供水、水力發電和食品安全的質量與可靠性。

人口增長、氣候變化、不斷升級的能源價格、老化的基礎設施共同作用，使得對水的需求日益增加，對供水網絡的壓力也越來越大。全球的商業領導者們越來越認識到，沒有水，經濟將無法運轉，工作崗位會逐漸枯竭。可以說，有限的水資源已經開始限制經濟增長和發展。獲取可靠、價格合理的供水和基礎設施已經成為實現可持續發展的一個關鍵問題。因此，需要對如何管理和消耗水進行調整，以應對未來的水需求。

從全球看，目前水資源管理的做法值得推敲。在某些情況下，一些做法只會進一步加劇當前的水資源危機。例如在許多國家，雖然有足夠多的淡水資源供應，但對這些資源的管理卻并不理想。不良的水資源管理已經成為許多發展中國家及新興國家在尋求供需平衡時所面臨的一個巨大問題。因此，在一些國家中，其重要部門不能獲得可靠的清潔水供應，從而導致經濟性水資源匱乏。而在另一些國家，由于要推動經濟發展，對水資源進行開發過度，也引致國家發生經濟性水資源匱乏的情況。因此，不論是對發達國家還是對發展中國家而言，讓公民獲得安全可靠的水供應和基礎衛生設施都是一個重大挑戰，因為所有國家都需要努力實現可持續發展。

為此，在2009年，聯合國在其千年發展目標中要求到2015年，要將無法持續獲得安全飲用水和基本衛生設施的人口比例減半。在2010年，聯合國還宣布，獲得清潔水和衛生設施是人類的基本權利，因為水對維護人類尊嚴非常重要。同時，水不僅是實現人權和發展的先決條件，也在環境中發揮著重要作用。

目前，新的儀器儀表和爆炸性增長的數據量、新的數據類型以及對實時響應的需求相結合，都需要有一種新的智能水資源管理系統。當前系統通常是獨立應用程序，并且可擴展性有限，這在一定程度上抑制了跨部門和組織的有效決策。而智慧水資源管理恰恰解決了這一問題。

智慧水資源管理將從各種設備（包括計量系統）、資產、系統和利益相關者處收集來的大量的異類數據（包括消費、品質、流量和壓力等），通過聚合、集成和可視化，轉化為可操作的信息，形成跨部門、孤島和系統的水和廢水的整體視圖，不僅能提供直觀的觀察和理解模式與異常的方式，而且能提供要對之采取行動的簡單方法。同時，智慧水資源管理能為制定更好的決策提供關鍵信息，有助于降低成本和風險，同時增加或重獲收入并提高客戶滿意度。通過創建智慧供水網絡，公司將能夠監控水的壓力、流量、水平、水質和地面溫度，減少供水網絡中因壓力減小而造成的突發情況，更快地檢測并修復泄漏。這一網絡同時也可以改善污水的安全處理，提供更先進水平的控制，減少計劃外的污水排放。

本文將從全球對智慧水資源管理的重視與支持、信息與通信技術在智慧水管理中的作用，以及水與能源的關系等幾個角度討論智慧水資源管理。隨后，本文將闡述全球智慧水資源管理的若干成功案例，以期為我國的智慧水資源管理提供借鑒作用。

全球關注智慧水資源管理

社會和經濟的發展都離不開水。近來來，全球對水資源，尤其是對水資源進行智慧管理的關注度日益提高。智慧的水資源管理就是要最終實現水資源的可持續發展。

2012年6月，國際電信聯盟電信標準化顧問組在日內瓦會議上設立了專門的智慧水資源管理焦點組（Focus Group on Smart Water Management，FG-SWM），其主要任務之一就是收集并記錄關于各個國家、地區和國際上開展智慧水資源管理的舉措，報告當前的活動和技術規范，并明確信息和通信技術在智慧水資源管理中可發揮的作用。

2014年8月31日至9月5日，世界水資源周（World Water Week）在瑞典首都斯德哥爾摩舉行。期間，世界水資源評估項目（World Water Assessment Programme，WWAP）組織召開了題為“水與能源”的聯合國水資源研討會，詳細闡述了2014年世界水資源發展報告（World Water Development Report 2014）。該報告描述了整個水和能源領域的挑戰及潛在的應對方案，并且討論了它們將如何影響不同地區的各個發展部門。

在活動周期間，全球水合作伙伴（Global Water Partnership，GWP）和經濟合作與發展組織（Organisation for Economic Co-operation and Development，OECD）組織發起了關于水安全和可持續發展的全球對話。這一對話的目標是促進和加快向水安全的過渡。對話基于水資源稟賦，通過以證據為基礎的全球和國家級的關于水安全與可持續增長的磋商，將政策制定者和業內人士聯系起來，著重強調各國可以效仿的不同的發展路徑。同時，對話將產生一份關于“水安全和可持續增長”的里程碑報告，并要在2015年韓國世界水資源論壇上進行陳述。

一個安全的水世界正在成為2015年后的人類發展議程中最重要的發展優先事項。目前，全球目前已經成立了水安全和可持續發展專家工作組。這是一個由著名經濟學家、水資源管理專家和相關科學家組成的跨學科團隊，團隊將通過量化水不安全的影響，記錄降低風險的益處，并展示如何采取替代途徑實現水安全等，來構建解決與水有關的風險的全球行動案例。這些新知識能使各國更好地了解與管理水資源風險，并確保促進經濟增長和發展的努力不受這些風險的威脅。

信息和通信技術在智慧水資源管理中的作用

智慧水資源管理（SWM）旨在通過集成信息和通信技術產品、解決方案和系統，在不影響水作為一種資源的可持續發展的情況下，實現經濟和社會福利最大化，促進水的協調發展與管理，以緩解水部門面臨的挑戰。換句話說，就是通過利用信息和通信技術，采取可持續發展的方式對水進行管理和消費。智慧水資源管理可以不斷監測和診斷問題、確定優先級并管理維護問題，同時還可以使用數據來全方位地優化水資源分配網絡，更好的對水資源進行分配、管理和安置，從而改善當前許多國家的水資源管理狀況。例如衛星遙感、云計算、語義傳感器網絡和地理信息系統等，可用于追蹤實時的水使用信息，預測并查明新的淡水來源等，而這些技術只是當前被創新使用的技術的幾個例子。下表（表1）具體列出了信息和通信技術在智慧水資源管理中的作用。

在目前的氣候條件下，由于與氣候變化相關的天氣變化幅度太大，因此依賴于歷史水文氣候模式來預測未來變量不再可行。現在正在發展的智能計量技術可以為個人、企業和自來水公司提供有關水的使用、需求以及管理援助的信息。智慧水計量系統不僅能夠測量耗水量，而且能夠提取信息并自動將其傳送出去，用于監測和計費。這一系統與傳統的水表不同，它們能測量更多、更詳細的消費信息，并能將信息反饋給服務提供商，而無需人工讀數。目前，智慧儀表的技術進步已經發展到了數據傳輸、采集和儲存等領域。

將智能水表與手機銀行相結合，在消費者與水服務提供商之間就能形成一個可靠、透明并且安全的資金與信息流，降低水交易成本及行政費用，從而提高供水企業的收入。同時，這些技術有助于減少水的使用，有助于改善供水基礎設施，也能加強數據采集的獲取與交付，從而通過可靠性和透明度實現投資回報最大化。

要做出正確的決策，易于獲取的精確可靠的信息至關重要。而信息和通信技術正是為水資源的利益相關者提供了一個獨特的機會，使其能容易地獲得可靠的相關信息，做出正確的決策，同時也成為讓人們發生行為改變始作俑者。

水與能源的關系

三個相互沖突的趨勢——下降的淡水儲量、不確定的糧食供應和蓬勃發展的能源需求——正在破壞世界各地的經濟、政府和環境。水、食品和能源的對峙產生了波及全球糧食市場和供應的瓶頸。不同于食品或能源，水的供應是有限的，在氣候變化時代尤其如此，因為更嚴重的干旱和洪水加劇了食品和能源對水的競爭。面對復雜的挑戰，就需要有綜合的分析和創新的解決方案。

目前，全球對水和能源的需求不斷上升（見圖1）。更令人憂心的是，全球有90%的能源產生是水密集型的，而能源價格又在很大程度上驅動了地下水的開采。一些國家向農業部門補貼柴油或電力，以確保農民收入，保證國家的糧食主權。這些激勵措施造成使用較低效的水資源技術來種植水密集型作物的面積出現擴張，最終將導致地下水和能源的枯竭。這種消耗對能源部門具有極大的影響。電力公司和國家電力部門無法收回成本，因此無法投資于新的發電廠或更好的基礎設施。如此，現金匱乏的電力系統就會傾向于選擇前期成本低的方案，從而抑制可再生能源發電，進一步讓國家和消費者受到高且波動大的化石燃料價格的影響。

以西班牙的灌溉為例。西班牙的可灌溉土地面積有350萬公頃，其中17%是可耕地。旱地的生產力提高了2倍，與之相比，可灌溉土地的生產力提高了將近100倍！從1998年到2011年，地面灌溉技術在西班牙的使用減少了將近一半，而滴灌技術的使用增長了兩倍多（見圖2）。由此可見，節水灌溉技術的推廣相當普遍。例如西班牙國家灌溉計劃2000-2008投資15.28億歐元，涉及土地面積113.49萬公頃，總節水達13.75億立方米。但與此同時，西班牙農業部門用電急劇上升，從2001年的2.5億歐元上升到2011年的7億歐元以上。灌溉現代化與日益增加的能源成本產生嚴重沖突。目前，能源在生產者成本中已經占相當大的比重。

水和能源相互依存，這種依存關系可以通過下圖（圖3）清晰地表現出來。

水與能源是解決幾個至關重要的全球挑戰的關鍵，而這二者之間密不可分的聯系為更好地管理這兩種重要資源創造了條件。全球對水、能源以及其他關系維度（例如食物、生態系統和氣候變化等）之間聯系的認識日益增加，這將有可能刺激和引導綜合規劃與實施地區與國際方案，以解決共同關注的發展目標問題。目前，支持規劃和決策的各個方面，包括國際組織、區域和全球籌資機制、公共和私營部門、研究機構和當地的利益相關者等，都需要在有能力上有進發步展。只有這樣，才能在發展規劃中以承上啟下的角度來尋求綜合解決方案，解決重大的全球發展挑戰。

智慧水資源管理案例

新加坡的無線水上哨兵（Wireless Water Sentinel，WaterWiSe）項目

全球水資源的浪費問題相當嚴重，最簡單的例子就是水龍頭的滴漏。如果一個水龍頭每秒鐘漏一滴水，一年就會浪費掉2700加侖的水，這一數字不容小覷。更嚴重的是，全球有多達50%水消失于老化的漏水管道，這在每年大約要耗資140億美元！由于需要治理的數量多，干旱和泄露時有發生，加之工用和民用的水需求與消費日益增長，使水資源變得越來越難管理。因此，我們有必要把目光投向如何改善現有的陳舊的基礎設施。修復漏水管道每年可以以各種形式節省高達數十億美元。

老化的基礎設施是自來水公司面臨的一項重大挑戰，也是配水系統內發生水泄漏的主要原因之一。未被發現的管道和主管道破裂占配水系統損失的很大比重。因此，為幫助改善新加坡的供水運營效率并應對老化的基礎設施問題，新加坡于2008年發起了無線水上哨兵項目。該項目通過在新加坡公共事業局（Singapores Public Utilities Board，PUB）、新加坡環境遙感與建模中心（Singapores Center for EnvironmentalSensing and Modeling，CENSAM）、新加坡-麻省理工學院研究與技術聯盟（Singapore-MIT Alliance for Research and Technology，SMART）的一部分、智能系統中心（Intelligent Systems Centre，IntelliSys）和南洋理工大學（NTU）計算機工程學院（School of Computer Engineering，SCE）間建立細致嚴謹的合作，取得了新加坡國家研究基金會（Singapores National Research Foundation，NRF）的支持。

WaterWiSe項目基于云平臺，能夠提供實時水分布監測。該系統可以通過使用自身的分析和管理接口自行運作，也可以集成到自來水公司現有的基礎設施中，如其地理信息系統（GIS）平臺。

在新加坡，WaterWiSe項目的實施被分為了三個階段實施：在第一階段，具有幾個選定的傳感器節點的基本系統被安裝起來，用以論證長期監控和數據收集的可行性；在第二階段，擴展到26個無線網絡傳感器節點，實現了對新加坡中心福康寧珍珠山（Fort Canning-Pearls Hill，FCPH）區域配水系統的水壓和水質的在線監控；而第三階段側重于開發和評估能提高傳感功能的新一代多頭探測器。該平臺被集成到新加坡公共事業局的監控與數據收集（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統中，用于交換傳感器數據，并在獨立的基于瀏覽器的界面進行遠程操作。

在WaterWiSe項目過程中，一個原本只在概念上得到證明、只能用于收集壓力數據的集成多頭探測器8節點網絡被擴展為50節點網絡，能覆蓋80平方公里范圍內的幾個供應區。從2009年開始，WaterWise項目已經成功地協助泄漏和破裂事件的檢測、系統分析（例如事件后分析）、實時監控和操作，以及決策支持。

水資源的浪費似乎勢不可擋，但是，智慧水管理解決方案能更好地解決這一問題。放置于整個基礎設施和天然水道中的傳感器將數據傳回，從而能夠實時跟蹤和報告情況。新加坡的WaterWiSe案例就表明，低成本的無線傳感器網絡可以應用在配水網絡中，以產生大的城市環境中進行實時在線監控必需的液壓和水質量參數數據，然后通過實時監控和水力建模提高遠程檢測泄漏和水管爆裂的能力。通過與水公用事業部門、學術界及信息和通信技術研究所合作，WaterWiSe項目真正改善了新加坡配水系統的日常運作。

智利安托法加斯塔市

（Antofagasta）的智慧水資源管理

安托法加斯塔（Antofagasta）位于智利北部，在世界上最干燥的阿塔卡馬（Atacama）沙漠中。長期以來，由于有強大且不斷增長的采礦業的支持，安托法加斯塔的人均收入水平相對較高。但作為一個繁榮的港口城市，它缺少與城市規模與重要性相匹配的一些改善人民生活質量的設施和服務。因為該市是沙漠型干旱氣候，因此要提高居民的生活質量，水資源管理至關重要，而且也非常具有挑戰性。

2011年，安托法加斯塔成為當年IBM智慧城市大挑戰項目的23個入選城市之一，以期通過治理，實現智慧水資源管理，重點包括水的獲取、使用和損耗、廢水和回收利用、水質量管理及一般的水供應基礎設施。同時，基于此，還有更進一步的評估，則是側重于能源供應、更廣泛的城市系統、規劃和績效管理，以及治理與協作。

安托法加斯塔決定采取不尋常的策略，通過灌溉公園和開放空間，讓城市更綠色，更環保。為最大化的使用有限的水資源，該市升級了商業水利基礎設施，同時，在公園及其他公共場安裝了先進的灌溉設備。由此，城市澆灌用水成本大大減少，最高減少達60%。隨之而來的結果是總灌溉成本的減少，減少比例高達30%。這樣一次性投資1～2億比索（約合20～40萬美元），平均每年可能節約的成本就高達大約9億比索（約合200萬美元）。

同時，安托法加斯市通過使用先進的軟件，改進了供水網絡的運作與管理。比如當供水網絡中發生故障、泄露、破裂、壓力變化、水流異常等情況時，公共事業部門能及時獲得警報信號，更快地解決問題。這不僅節省了時間與金錢，也更好地保護了有限的水資源。在過去5年中，該市的水資源損失從30%下降到23%，每年節約了大概80億立方米的水。

為讓水資源管理更加有效，安托法加斯塔市政府專門任命了水協調員，并且建立城市水利信息中心。同時，為支持未來不斷增加的用水量，并支持可持續發展，安托法加斯塔還開始與國營企業、私營企業和學術團體合作，共同投資并創建可再生能源工廠，以提供多種能源來源。可以說，這些可持續發展的水資源管理方法都對安托法加斯塔的用水產生了深遠影響。

其他國家的一些智慧水資源管理案例

以色列是世界上最缺水的國家之一，尤其是近年來多次經歷干旱，該國正在與供水壓力作戰。以色列政府對智慧水資源管理相當支持。在2006年，以色列開始了新型高效水技術（Novel Efficiency WaterTechnologies，NEWTech）計劃，并在26個政府資助的水項目中有效地實施。以色列的新型高效水技術計劃是一項支持以色列水技術領域的國家級的計劃。該系統的建立基于以色列處理水資源短缺問題的經驗，并且通過結合獨立的產業要素來改善供水領域的現狀。新型高效水技術計劃有助于償付70%的安裝費用。此外，由于這種形式的政策支持，一些公司也脫穎而出，自身獲得了很好的發展。比如TaKaDu公司幫助管理和探測水泄漏，而Whitewater公司支持實時預警系統。TaKaDu在以色列提供水基礎設施的監測服務，并充當供水網絡“在線的眼睛和耳朵”這一角色。該公司的軟件系統基于數學和統計算法，使用來自水表的讀數，包括流量、壓力、質量和濁度等，讓供水公司無需任何網絡更改和資本支出就能減少水損失，提高運營效率。

在南非，智能手機被用來密切觀察水資源情況。一個叫做WaterWatchers的免費眾包應用程序為公民提供便捷途徑，使之能及時地報告與水相關的問題，如水泄漏、管道失效和與運河相關的問題等。志愿者們拍下照片，并回答三個與條件相關的問題，然后將信息發送到中央數據庫進行分析，并匯總到一張地圖上，協助相關部門進行水資源管理。

在荷蘭，數字三角洲集成了大量的數據源，用以創建關于洪水控制和水資源管理的見解的數據庫。同時，正在探討如何采用最新的技術和行業專長進行數據共享。

在水資源方面，我們正站在一個十字路口上，要作出許多重要的選擇。因此，我們要力爭確保在未來很長一段時間內，在考慮進行與水相關的投資決策之前，充分考慮所有可能造成的影響。

通過智慧水資源管理，城市現在可以更好地管理其供水系統：首先，城市可以將水與經濟活力連接起來。水與環境之間的關系幾乎眾所周知。除此之外，城市應當將水資源和基礎設施同樣視為寶貴資產，可以用來促進社會的經濟健康和發展。其次，要分享最佳實踐。由于許多地方和區域的水資源管理者是在相對孤立地開展業務，因此他們希望了解他人的經驗，以利于自己做出更明智的決策。地方官員和水資源管理者可以通過研討會、文章和會議等，分享他們的成功戰略，并從公共與私營部門的經驗中尋找新的思路和理念。再次，可以采用公私合作伙伴關系。公共當局通常只管理幾個供水和污水處理設施，與之相比，私營供水公司通常卻要管理幾百甚至是幾千個設施和系統。通過競爭和經驗積累，私營公司逐步發展，已經完全可以向當地的水資源管理者提供結合專家、經驗與最佳實踐的獨特資源與網絡。

智慧水管理已經成為21世紀的重要政策問題。通過智慧水資源管理，可以實現對用水的實時監控，改進獲取水的方法，減少水消費，減低運營成本，促進公眾參與，并最終促進智慧城市的可持續發展。然而，要推動這一變革，最至關重要的是協調一致的領導和大力支持。如果政府能帶頭，并且其他所有利益相關者大力支持，那么不僅可以建立智能水表或者智慧水網絡，而且不會失去任何一個重要的有利水資源可持續發展的機會。

雖然世界各國都開始重視對水資源進行智慧管理，但是也必須認識到，目前的智慧水資源管理還缺乏標準化，沒有得到足夠的政策支持，同時也缺乏資金支持和激勵。此外，信息和通信技術的應用需要適度加強，并提高社會各界對智慧水資源管理的認知。城市不能忽視今天、或者是那些可能在未來幾年所要面對的水資源和水基礎設施問題。隨著與水有關的問題日益加劇，人們必須認識到水的重要作用，并巧妙而智慧地管理水資源，以設法改善人居條件，保護環境，并促進就業增長。只有這樣，智慧水資源管理才能得到更切實有效地發展。