區塊鏈技術在水資源管理中的應用

摘 要：為有效應對我國水資源管理工作中面臨的業務需求不斷增長、信息數據不斷擴張等問題，對區塊鏈技術在我國供水系統管理、用水過程管理、水權交易管理、水行政管理政務服務中應用的可行性進行實證分析。結果表明，具有去中心化、公開透明、智能合約、不可篡改等優勢的區塊鏈技術能有效解決水資源管理中的信息交互、信任機制等問題，并能有效提升管理精度和效率，能全面有效提升政府水資源治理能力，推進治理水平的現代化。

關鍵詞：水資源管理;區塊鏈技術;應用;去中心化

中圖法分類號：TV213.4;TP311.13 ? 文獻標志碼：A ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0418

區塊鏈技術因其所具有的去中心化的分布式結構，大大降低其在應用過程中的中介成本，不可篡改的時間戳特性能實現數據的追蹤和信息防偽，靈活的編程屬性能推動市場秩序的規范[1]。近年來，區塊鏈技術越來越受到不同行業的關注，其可應用的領域包括供應鏈、物聯網、安全認證、水資源管理等。本文基于水資源管理需求及應用視角，探討區塊鏈技術的突破，系統分析區塊鏈技術在水資源管理中的應用可行性。

1 ?區塊鏈技術概述

區塊鏈技術的核心由區塊+鏈、非對稱加密數學和可編程智能合約等部分構成：①區塊+鏈：區塊鏈技術創新性分解數據庫并將數據分塊，將不同區塊所對應的信息與上一區塊鏈接從而形成完整的數據鏈，由于數據區塊是按時間先后生成的，其創建期間所發生的活動均被記錄在對應的區塊上，從而形成數據記錄合集，并能有效避免數據記錄被刪除或改變，能保證數據庫的時序性、完整性和嚴謹性。②分布式結構：在區塊鏈體系內，將數據集中存儲和記錄在服務器，區塊鏈結構在設計時將數據均記錄和存儲在各參與節點，并通過確定開源性的、去中心化的協議，構建起分布式數據結構。通過分布式傳播的形式實現信息交換，并將信息發送至全網，再通過分布式記賬所存儲的數據信息內容加蓋時間戳后生成區塊屬性的數據，傳輸至各節點，完成數據信息的分布式存儲。③非對稱加密：在設計過程中主要應用了密碼學邏輯方式，即非對稱加密數學原理，在數據加密和解密兩個過程中均設置密碼，且密碼均具有非對稱屬性，所以，區塊鏈技術是應用數學方法解決信任問題的必然產物，在該技術下，全部規則必須事先通過算法以程序的形式展現，并借助第三方機構進行去中心化的認證。④可編程智能合約：若區塊鏈技術的應用僅僅是為了適應某種特定的交易，則作為可編程智能合約的腳本的嵌入就實屬多余，因為系統可直接進行價值交換活動完成所需條件的定義。但是在去中心化的情況下，各種協議必須事先取得共識，為此，則必須引入腳本。這也為系統處理預期交易模式提供了可能，使區塊鏈技術的實用性大大增強。將區塊鏈技術和智能引擎、智能應用等結合，為使用者提供去中心化的數據處理能力，并將處理后的信息傳輸至數據端分析計算，抽取必要的代表性的數據分析系統的融合分析能力。

通過對區塊鏈技術構成部分的分析發現，該技術具有鮮明的特征：一是去中心化，即無需去中心化服務器，僅通過去中心化的賬本進行信息記錄，便可實現點對點交易和互動;二是智能合約，即合約簽訂后由事先編寫的程序自動執行，執行過程不受個人因素影響，參與方也無法毀約;三是公開透明，即參與方能全面了解整個流程的運作情況及收益分配，信息真實可靠;四是不可篡改性，即區塊鏈技術采用哈希算法進行交易數據的加密和認證，輸入信息的任何變化都會引起哈希值的大幅度變動，所以，數據信息幾乎無篡改的可能。

2 ?區塊鏈技術應用于水資源管理中的研究成果

在水資源管理中，區塊鏈技術能有效解決信任問題，創建交易平臺，確保交易信息安全，實現信息公開，在信息服務、智慧水務、水權交易等方面具有廣闊的應用前景。學術界在區塊鏈技術應用于水資源管理方面也取得了豐富的研究成果。例如Prberezhna對區塊鏈應用于水資源管理行業的報告存儲、數據審查、檔案管理、債券發行等方面的可行性進行分析探討;李鈺則從分類分級、水文數據加密、分布式數據存儲等方面對區塊鏈與水文數據庫融合問題進行探討，并對區塊鏈技術在水文數據庫管理方面的應用進行探索;胡晶等人研究了區塊鏈技術實現水利內部信息系統縱向集成和各相關水資源管理部門橫向集成的可行性，以突破水資源管理信息單向流通及信息孤島等制約，實現水資源優化配置。孫峰則從供水信息透明度提升、智能水交易系統及智能水管理系統等方面對區塊鏈技術的應用進行了歸納，并分析了該技術在智慧水務應用中所面臨的困境。Bajwa等人對基于區塊鏈技術的智能灌溉系統進行研究，并對區塊鏈技術存儲植物數據庫，物聯網內受信任灌溉設備授權，設備使用情況的追蹤等進行可行性分析。劉云杰等人研究了區塊鏈技術和國家水權交易系統的契合點，并對區塊鏈技術和國家水權交易系統的集成應用問題進行分析探討。國外的Power Ledger公司與澳洲的弗里曼特爾市合作后將區塊鏈技術成功應用于太陽能光伏發電站及所對應的分區水處理方面，通過實踐驗證了區塊鏈技術在能源及水資源管理方面應用的可行性與可靠性。Water IG公司在香港進行了將雨水收集系統的收集點和水處理系統連接，并通過區塊鏈技術成功將收集并處理后的雨水輸入垂直農業和城市溫室項目，也為不同社區自行選擇區塊鏈技術的具體落地應用方式，建立符合城市發展實際的雨水收集系統提供了借鑒指導。

3 ?區塊鏈技術在水資源管理中的應用

3.1 ?供水系統管理

在我國，水資源短缺問題始終制約著各行各業的發展，行業供水也處在較為緊張的局面，供水行業市場集中度不高，供水管理模式過于粗放，水務信息化才初見端倪，水務所涉及的信息流動和多方協作仍有待進一步探索。對于傳統的供水管理而言，供水設備操作、供水過程協調、供水記錄和存儲均為單一化的孤立過程，敏感和重要的供水記錄數據并無備份和外界監督，一旦遇到安全生產事故，則供水單位、設備生產廠商和相關管理部門很難進行記錄的真實性與一致性的核實，無法落實責任，更不利于事故的防范和管理水平的提升。

通過區塊鏈技術的應用，并借助其去中心化和不可篡改等特性建立供水管理系統，包括供水、制水、輸水、取用水、設備運行等在內的系統運行全過程數據均通過區塊鏈數據庫予以記錄和存儲，并通過系統整合，將供水單位、設備生產廠家和有關監督管理部門有機聯系起來，以保證供水過程的安全性、可靠性及數據存儲和管理的實時性、永久性。

3.2 ?用水過程管理

水資源管理制度中對用水總量控制、水資源不同功能區限制納污能力、區域水資源管理責任和考核原則等均做出了嚴格規定[2]，并基于此對包括用水→耗水→排水等環節在內的水資源管理全過程加強管理。在傳統的水資源運行管理模式下，管理部門由于受到人員、資金等方面的限制，很難準確進行水資源使用者用水、排污過程等的量化管理，導致用戶普遍存在違規取水、用水和違規排污等現象。水資源管理績效考核過程中也存在虛報考核數據、敷衍了事等問題。

引入區塊鏈技術后可以通過其公開透明、數據記錄的不可篡改性、去中心化等技術優勢實現對水資源開發利用各環節的管理，有效解決水資源使用數據冗雜、數據時效性得不到保證、部門協調溝通難、事后管理等問題。對于工業用水戶而言，可通過區塊鏈節點將用水過程和排污信息自動上傳至區塊鏈系統并生成公開的、不可篡改的數據信息，有效保證從用水端到管理部門全過程所獲取數據的真實性和時效性，大大節約了傳統方式下數據收集和匯總的成本。水資源管理部門可通過工業用水戶所對應的水資源信息全面了解其用水、耗水和排污過程，對于違規用水、違法排污等行為追本溯源，為水資源使用全過程管理提供強有力的技術支持。

3.3 ?水權交易管理

區塊鏈技術支持既定流域內水權的點對點交易，并為水資源使用者提供與其余用戶共享超額水資源的權利，且不必像傳統的物聯網技術一樣全天候依賴中心化。既定流域內的水資源使用者能根據環境信息、水產品價格、市場變化趨勢等調整用水策略，這也為水務管理部門提供了全新的信息獲取和實時管理的思路與可能。水資源個人用戶、工業用戶、水務企業、管理部門等都能基于上述信息進行水資源管理策略的制定和調整。

3.4 ?水行政管理政務服務

利用區塊鏈技術加強各政務數據跨部門、跨區域共享，為社會公眾提供全面優質完善的政務服務是國家政策的全新要求，并通過提供政務服務不斷促進政府治理能力和公共服務水平的提升。

區塊鏈技術由于具有不可篡改的技術特征因而可以促進水行政管理部門信息的時效性、真實性與交互性，有效克服傳統政務服務過程中所存在的部門間溝通協調難、業務流程繁瑣、缺乏時效性、數據泄露等問題，而區塊鏈技術中的私有鏈能確保數據傳輸的可靠性與時效性。具體而言，可以應用于水行政管理部門內部的信息交互，如公文收發處理、檔案存儲管理、水量水質監測、數據匯總共享等，通過私有密鑰進行加密保護后無法篡改，能有效防止文件丟失、偽造等系列信用問題;可以應用于面向業務單位的服務，如取水許可、水權交易等，可以采用數據從基層節點直接上傳至區塊鏈的方式，避免人為干預，并構建數據共享機制，防止數據打架和盲目覆蓋[3];還可以應用于面向公眾的服務，如信息公開、公眾監督等，具體見圖1。

區塊鏈技術所具有的公開透明、去中心化、智能合約等優勢能有效簡化行政管理及服務程序，提升政務服務品質，積極引導社會公眾決策參與和監督參與。通過區塊鏈技術所具有的開放性特征還能加強政務公開，防止權利濫用和暗箱操作，區塊鏈技術所具有的匿名性還能充分保護檢舉和投訴人員的個人信息安全，確保信息反饋渠道的暢通無阻。

4 ?結論

通過對區塊鏈技術特點的分析表明，該技術的應用能有效解決當前水資源管理方面所存在的問題。區塊鏈技術應用于水資源管理方面的優勢已經凸顯，但是現有的理論研究及實踐大多集中在特定場景應用方面，研究階段也大多停留在原型設計，理論研究成果應用于水資源管理實務方面還存在較大困難，技術孤島尚未走向系統整合，應用深度和廣度有待進一步開拓。隨著實行最嚴格水資源管理制度的貫徹落實及業務需求的持續增長，數據信息持續擴張，全新的水資源管理需求及技術瓶頸不斷出現，區塊鏈技術應用的潛在優勢也不斷凸顯。區塊鏈技術應用于水資源管理能為水資源管理創建信任機制，確保敏感數據的真實性、透明性和可追溯性，簡化水權交易流程，保證水資源行政管理效率的提升。

參考文獻：

[1]陳根發，林希晨.區塊鏈技術在水資源管理中的應用展望[J].水利水電技術，2020（11）：1-15.

[2]《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》（國發[2012]3號）

[3]邊曉南，夏文君，張洪亮.區塊鏈在德州水資源監控能力建設中應用[J].山東水利，2020（10）：50-51.

Research on the Application of Blockchain Technology in Water Resources Management

Liu Qiang

（Xinjiang Tarim River Basin Mainstream Management Bureau，Korla ?841000，China）

Abstract：In order to effectively deal with the growing business needs and the continuous expansion of information and data in Chinas water resources management work，this article discusses the use of blockchain technology in Chinas water supply system management，water process management，water rights transaction management，and water administrative management. The feasibility of application in the service has been empirically analyzed. The results show that blockchain technology with the advantages of decentralization，openness and transparency，smart contracts，and non-tamperability can effectively solve the problems of information interaction and trust mechanism in water resources management，and can effectively improve management accuracy and efficiency，and can be comprehensive effectively promote the modernization of the government's water resources governance capabilities and governance levels.

Keywords：water resources management;blockchain technology;application

收稿日期：2021-04-27

作者簡介：劉強，男，主要從事水利工程運行管理、水資源管理、水行政執法工作。