基于智能運算架構(gòu)的雨水回收優(yōu)化系統(tǒng)社會效益分析

盧英魁　宋奕萱　白雨辰　李昀　王瑋斌

摘 要：隨著我國社會發(fā)展需求不斷增長，節(jié)能呼聲越來越高，雨水回收再利用越發(fā)受到重視。采用新型雨水回收系統(tǒng)，符合我國呼吁的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。目前，市場迫切需要一種節(jié)能環(huán)保的新型雨水回收系統(tǒng)，文章基于英特爾openvino人工智能開發(fā)平臺，面對現(xiàn)有水資源回收利用中能源損耗大、能耗高且能效較低的問題，探索一種具有更高能效的雨水資源回收利用方案，以提高社會效益。

關(guān)鍵詞：雨水回收;降低能耗;社會效益

1 ? ?雨水回收利用優(yōu)化系統(tǒng)的必要性

1.1 ?應(yīng)用背景

近期，習(xí)近平總書記再臨“兩山論”發(fā)源地，進(jìn)一步提出對環(huán)境保護(hù)的殷切期盼與要求，“綠水青山就是金山銀山”的觀念深入人心。城市化進(jìn)程的加快，使得傳統(tǒng)的雨水管理模式經(jīng)常會出現(xiàn)城市洪災(zāi)、雨水徑流污染、雨水資源浪費、生態(tài)環(huán)境不穩(wěn)定等主要問題。因此，目前市場迫切需要一種節(jié)能環(huán)保的新型雨水回收系統(tǒng)。

1.2 ?應(yīng)用優(yōu)勢

現(xiàn)有的雨水回收系統(tǒng)往往采用棄流法拋棄前期雨水，而人工智能算法能更精確地識別合適的徑流量和棄流量。本項目采取的方式可以減少不必要的雨水浪費，提高雨水利用及循環(huán)效率，通過圖像智能識別判斷雨量大小，根據(jù)所在地天氣智能判斷主動式雨水回收設(shè)備的運行及功率。

優(yōu)化后系統(tǒng)與監(jiān)控識別設(shè)備進(jìn)行結(jié)合，通過機器學(xué)習(xí)判斷雨量集聚情況，給市政部門提供道路檢修及居民區(qū)雨水回收建議。從理念上追隨時代潮流，滿足人民需求，發(fā)展綠色理念。

1.3 ?國內(nèi)外水資源利用現(xiàn)狀

聯(lián)合國教科文組織公布的《世界水資源開發(fā)報告》指出，全球用水量在20世紀(jì)增加了6倍，增長速度是人口增速的兩倍，許多國家都面臨用水緊張的局面。水資源開發(fā)和利用受到水資源條件、自然環(huán)境以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素影響。

目前，國內(nèi)很多大型城市都已提出并施行相應(yīng)政策，例如，海綿城市建設(shè)。2013年12月，習(xí)近平總書記在中央城鎮(zhèn)化工作會議上提出：建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”。2014年11月，住建部發(fā)布《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，促進(jìn)建立科學(xué)完善的城市水循環(huán)系統(tǒng)。2015年10月，國務(wù)院辦公廳出臺《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》，提出通過海綿城市建設(shè)，最大限度地減少城市開發(fā)建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響，將70%的降雨就地消納和利用。2017年，李克強總理在政府工作報告中明確了海綿城市的發(fā)展方向，讓海綿城市建設(shè)不僅限于試點城市，而是所有城市都應(yīng)該重視這項“里子工程”。

2 ? ?雨水回收利用優(yōu)化系統(tǒng)的社會效益分析

2.1 ?國內(nèi)環(huán)保活動情況

習(xí)近平總書記提出“兩山論”：綠水青山就是金山銀山，號召建設(shè)資源友好型社會，倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展觀念，將環(huán)保意識深入到每個公民心中。

2016年8月27日，螞蟻金服面向旗下支付寶平臺的用戶正式上線了“螞蟻森林”。用戶在“螞蟻森林”頁面注冊、開通賬戶后，日常生活中的低碳減排行為將自動被測算為個人碳減排量。新穎的能量累計方式深入人心，每天的走路步數(shù)、乘公交車等環(huán)保行為都被量化成了能量收入，讓參與者可以直觀感受到正反饋過程，并開發(fā)螞蟻種樹功能，讓每個支付寶用戶都參與到環(huán)保公益活動中。

2020年3月22日是第28屆世界水日，國內(nèi)也響應(yīng)國際號召，在3月22—28日舉辦第33屆中國水周。今年，我國紀(jì)念世界水日和中國水周活動的主題是“堅持節(jié)水優(yōu)先，建設(shè)幸福河湖”，提醒人們節(jié)約用水，建設(shè)造福人民的幸福河，走人水和諧的綠色發(fā)展道路。

號召與意識需要長期培養(yǎng)，個人的努力畢竟有限，在促進(jìn)環(huán)保發(fā)展、提高社會效益的過程中，應(yīng)該意識到如果忽視雨水這一大自然的“饋贈”，無疑是另一種程度上的鋪張浪費。因此，雨水回收系統(tǒng)的優(yōu)化與社會效益的分配優(yōu)化起到了互補互通的作用。

2.2 ?雨水回收利用優(yōu)化系統(tǒng)對水資源再分配的社會效益

降水量是一定時間內(nèi)降落到水平面上，假定無滲漏、不流失、不蒸發(fā)而累積起來的水的深度，是衡量一個地區(qū)降水多少的數(shù)據(jù)，單位為mm。常用年降水量來描述該地氣候，是除氣候類型之外的一個重要指標(biāo)，并用等降水量線來劃分各個干濕區(qū)域。

雨水徑流收集量的具體計算公式為：

W=10×ψc×hy×F

式中，W為降雨徑流總量（m3），ψc為流量徑流系數(shù)，hy為降雨量（mm），F(xiàn)為匯水面積（ha）。如果收集面積在10 000 m2，年降雨量在1 000 mm，徑流系數(shù)取0.8（如以屋面收集為主，兼顧部分硬質(zhì)地面雨水，故徑流系數(shù)取0.8），初雨拋棄量2 mm，每年按50場雨計算，每年可收集到雨水大約7 200 m3。

文章對河南省2017年部分城市與全省年均降水量（見表1）做具體切入分析，可知，除日常節(jié)水減排之外，通過雨水回收系統(tǒng)進(jìn)行水資源的優(yōu)化利用，即使回收效率不可能做到100%，甚至是維持在較低水準(zhǔn)，但在如此巨大的基數(shù)下，每年可通過雨水回收處理節(jié)約的水資源仍是一個非常可觀的數(shù)字。

河南省總占地面積16.7萬平方千米，按2017年數(shù)據(jù)給出的年均降水量計算，每年落在河南省境內(nèi)的雨水約有1 286億噸，根據(jù)2010年降水量數(shù)據(jù)，我國境內(nèi)每年獲得的降水資源量是6萬億噸。排除無法安裝雨水回收系統(tǒng)與本身系統(tǒng)的回收效率問題，累計的雨水量依舊可以提供巨大的社會效益。

河南作為糧食大省、人口大省，對水資源的需求程度不言而喻，灌區(qū)缺水也是多年來困擾該省以及全國的問題。對雨水回收系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理，可以進(jìn)一步提高資源的優(yōu)化配置效果，在各地區(qū)除卻依靠南水北調(diào)工程外，強調(diào)自身環(huán)境氣候的利用，起到與風(fēng)力發(fā)電站類似的對社會效益有明顯提高的作用。

3 ? ?現(xiàn)有雨水回收系統(tǒng)存在的問題及優(yōu)化

3.1 ?棄流裝置存在的問題及優(yōu)化

雨水棄流全稱為雨水初期棄流，主要應(yīng)用在雨水收集利用系統(tǒng)中。初期降雨時，前2～5 mm的雨水一般污染嚴(yán)重，流量也比較小。首先，在流經(jīng)初期棄流過濾裝置時，在重力作用下，雨水通過低位敞口的排污水管排放掉;其次，雨量增大后，落在擋板上的壓力增大，位于排污管上端的浮球在水流壓力的作用下將排污管關(guān)閉，桶中液位升高，雨水通過水平的過濾網(wǎng)過濾后流向出水口并收集。

怎樣精確判斷過濾排污的時間是需要思考的問題，即在何種雨量下打開過濾裝置、如何較為精確地劃分清水與污水，僅依靠重力的作用來反映，實際上是粗略且難以把控的。本研究主要的優(yōu)化點在于利用人工智能算法更精確地識別合適的徑流量和棄流量，減少不必要的雨水浪費，提供雨水利用及循環(huán)效率。同時，通過圖像智能識別判斷雨量大小，根據(jù)所在地天氣智能判斷主動式雨水回收設(shè)備的運行及功率。

3.2 ?安裝雨水回收系統(tǒng)的問題及優(yōu)化

在海綿城市的倡議及每個城市的自身需求作用下，全國各城市都陸續(xù)開始進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展方面的建設(shè)，對雨水回收系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與安裝，但如何精準(zhǔn)地安裝在收集降雨量較多、凈水量較多以及不對日常生活造成困擾的地方，成了一個難題。

在人工智能優(yōu)化后期，可以將設(shè)備與監(jiān)控識別設(shè)備結(jié)合，通過機器學(xué)習(xí)判斷雨量集聚情況，給市政部門提供道路檢修及居民區(qū)雨水回收建議。實現(xiàn)智能運用與人工處理相結(jié)合，大大提高了運轉(zhuǎn)回收及項目修正的效率，有效解決了上述問題。

4 ? ?結(jié)語

目前，我國面臨日益嚴(yán)重的飲用水及工業(yè)用水短缺以及廢水不能得到有效處理的問題，與此同時，部分地方較為充沛的降雨卻往往無法合理回收、利用，水資源利用效率較低。本項目在一定程度上提高了雨水的回收利用率，希望降低特定地區(qū)居民用水難度，為居民提供更為清潔的生活用水，切實解決問題。

[參考文獻(xiàn)]

[1]住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.關(guān)于印發(fā)海綿城市建設(shè)技術(shù)指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）的通知[EB/OL].（2014-10-22）[2020-05-20].http：//www.mohurd.gov.cn/wjfb/201411/t20141102_219465.html，

[2]祝運海.螞蟻森林：用“好玩”做環(huán)保公益[N].中國經(jīng)營報，2020-03-16（C06）.

作者簡介：盧英魁（1999— ），男，回族，河南鄭州人，本科生;研究方向：金融。