智慧城市中的水资源问题

辛妍

水是世界上最丰富的物质之一，在人们的生产和生活中不可或缺，因而与城市，特别是智慧城市的发展息息相关。然而，水正在迅速成为地球上压力最大的资源之一。根据联合国2013年的数据，全球约有85%的人口生活在最干旱的地区，约有7.83亿人无法获得洁净的水，近25亿人缺少最起码的卫生设施，每年有600万至800万人死于与水有关的灾害和疾病。此外，全球大约有16亿人，或者说几乎1/4的世界人口，正在面临经济性水资源短缺（即国家缺乏从河流和含水层取水的必要基础设施）。同时，气候变化可能进一步影响到水资源的供给和需求，进而影响全球供水、水力发电和食品安全的质量与可靠性。

人口增长、气候变化、不断升级的能源价格、老化的基础设施共同作用，使得对水的需求日益增加，对供水网络的压力也越来越大。全球的商业领导者们越来越认识到，没有水，经济将无法运转，工作岗位会逐渐枯竭。可以说，有限的水资源已经开始限制经济增长和发展。获取可靠、价格合理的供水和基础设施已经成为实现可持续发展的一个关键问题。因此，需要对如何管理和消耗水进行调整，以应对未来的水需求。

从全球看，目前水资源管理的做法值得推敲。在某些情况下，一些做法只会进一步加剧当前的水资源危机。例如在许多国家，虽然有足够多的淡水资源供应，但对这些资源的管理却并不理想。不良的水资源管理已经成为许多发展中国家及新兴国家在寻求供需平衡时所面临的一个巨大问题。因此，在一些国家中，其重要部门不能获得可靠的清洁水供应，从而导致经济性水资源匮乏。而在另一些国家，由于要推动经济发展，对水资源进行开发过度，也引致国家发生经济性水资源匮乏的情况。因此，不论是对发达国家还是对发展中国家而言，让公民获得安全可靠的水供应和基础卫生设施都是一个重大挑战，因为所有国家都需要努力实现可持续发展。

为此，在2009年，联合国在其千年发展目标中要求到2015年，要将无法持续获得安全饮用水和基本卫生设施的人口比例减半。在2010年，联合国还宣布，获得清洁水和卫生设施是人类的基本权利，因为水对维护人类尊严非常重要。同时，水不仅是实现人权和发展的先决条件，也在环境中发挥着重要作用。

目前，新的仪器仪表和爆炸性增长的数据量、新的数据类型以及对实时响应的需求相结合，都需要有一种新的智能水资源管理系统。当前系统通常是独立应用程序，并且可扩展性有限，这在一定程度上抑制了跨部门和组织的有效决策。而智慧水资源管理恰恰解决了这一问题。

智慧水资源管理将从各种设备（包括计量系统）、资产、系统和利益相关者处收集来的大量的异类数据（包括消费、品质、流量和压力等），通过聚合、集成和可视化，转化为可操作的信息，形成跨部门、孤岛和系统的水和废水的整体视图，不仅能提供直观的观察和理解模式与异常的方式，而且能提供要对之采取行动的简单方法。同时，智慧水资源管理能为制定更好的决策提供关键信息，有助于降低成本和风险，同时增加或重获收入并提高客户满意度。通过创建智慧供水网络，公司将能够监控水的压力、流量、水平、水质和地面温度，减少供水网络中因压力减小而造成的突发情况，更快地检测并修复泄漏。这一网络同时也可以改善污水的安全处理，提供更先进水平的控制，减少计划外的污水排放。

本文将从全球对智慧水资源管理的重视与支持、信息与通信技术在智慧水管理中的作用，以及水与能源的关系等几个角度讨论智慧水资源管理。随后，本文将阐述全球智慧水资源管理的若干成功案例，以期为我国的智慧水资源管理提供借鉴作用。

全球关注智慧水资源管理

社会和经济的发展都离不开水。近来来，全球对水资源，尤其是对水资源进行智慧管理的关注度日益提高。智慧的水资源管理就是要最终实现水资源的可持续发展。

2012年6月，国际电信联盟电信标准化顾问组在日内瓦会议上设立了专门的智慧水资源管理焦点组（Focus Group on Smart Water Management，FG-SWM），其主要任务之一就是收集并记录关于各个国家、地区和国际上开展智慧水资源管理的举措，报告当前的活动和技术规范，并明确信息和通信技术在智慧水资源管理中可发挥的作用。

2014年8月31日至9月5日，世界水资源周（World Water Week）在瑞典首都斯德哥尔摩举行。期间，世界水资源评估项目（World Water Assessment Programme，WWAP）组织召开了题为“水与能源”的联合国水资源研讨会，详细阐述了2014年世界水资源发展报告（World Water Development Report 2014）。该报告描述了整个水和能源领域的挑战及潜在的应对方案，并且讨论了它们将如何影响不同地区的各个发展部门。

在活动周期间，全球水合作伙伴（Global Water Partnership，GWP）和经济合作与发展组织（Organisation for Economic Co-operation and Development，OECD）组织发起了关于水安全和可持续发展的全球对话。这一对话的目标是促进和加快向水安全的过渡。对话基于水资源禀赋，通过以证据为基础的全球和国家级的关于水安全与可持续增长的磋商，将政策制定者和业内人士联系起来，着重强调各国可以效仿的不同的发展路径。同时，对话将产生一份关于“水安全和可持续增长”的里程碑报告，并要在2015年韩国世界水资源论坛上进行陈述。

一个安全的水世界正在成为2015年后的人类发展议程中最重要的发展优先事项。目前，全球目前已经成立了水安全和可持续发展专家工作组。这是一个由著名经济学家、水资源管理专家和相关科学家组成的跨学科团队，团队将通过量化水不安全的影响，记录降低风险的益处，并展示如何采取替代途径实现水安全等，来构建解决与水有关的风险的全球行动案例。这些新知识能使各国更好地了解与管理水资源风险，并确保促进经济增长和发展的努力不受这些风险的威胁。

信息和通信技术在智慧水资源管理中的作用

智慧水资源管理（SWM）旨在通过集成信息和通信技术产品、解决方案和系统，在不影响水作为一种资源的可持续发展的情况下，实现经济和社会福利最大化，促进水的协调发展与管理，以缓解水部门面临的挑战。换句话说，就是通过利用信息和通信技术，采取可持续发展的方式对水进行管理和消费。智慧水资源管理可以不断监测和诊断问题、确定优先级并管理维护问题，同时还可以使用数据来全方位地优化水资源分配网络，更好的对水资源进行分配、管理和安置，从而改善当前许多国家的水资源管理状况。例如卫星遥感、云计算、语义传感器网络和地理信息系统等，可用于追踪实时的水使用信息，预测并查明新的淡水来源等，而这些技术只是当前被创新使用的技术的几个例子。下表（表1）具体列出了信息和通信技术在智慧水资源管理中的作用。

在目前的气候条件下，由于与气候变化相关的天气变化幅度太大，因此依赖于历史水文气候模式来预测未来变量不再可行。现在正在发展的智能计量技术可以为个人、企业和自来水公司提供有关水的使用、需求以及管理援助的信息。智慧水计量系统不仅能够测量耗水量，而且能够提取信息并自动将其传送出去，用于监测和计费。这一系统与传统的水表不同，它们能测量更多、更详细的消费信息，并能将信息反馈给服务提供商，而无需人工读数。目前，智慧仪表的技术进步已经发展到了数据传输、采集和储存等领域。

将智能水表与手机银行相结合，在消费者与水服务提供商之间就能形成一个可靠、透明并且安全的资金与信息流，降低水交易成本及行政费用，从而提高供水企业的收入。同时，这些技术有助于减少水的使用，有助于改善供水基础设施，也能加强数据采集的获取与交付，从而通过可靠性和透明度实现投资回报最大化。

要做出正确的决策，易于获取的精确可靠的信息至关重要。而信息和通信技术正是为水资源的利益相关者提供了一个独特的机会，使其能容易地获得可靠的相关信息，做出正确的决策，同时也成为让人们发生行为改变始作俑者。

水与能源的关系

三个相互冲突的趋势——下降的淡水储量、不确定的粮食供应和蓬勃发展的能源需求——正在破坏世界各地的经济、政府和环境。水、食品和能源的对峙产生了波及全球粮食市场和供应的瓶颈。不同于食品或能源，水的供应是有限的，在气候变化时代尤其如此，因为更严重的干旱和洪水加剧了食品和能源对水的竞争。面对复杂的挑战，就需要有综合的分析和创新的解决方案。

目前，全球对水和能源的需求不断上升（见图1）。更令人忧心的是，全球有90%的能源产生是水密集型的，而能源价格又在很大程度上驱动了地下水的开采。一些国家向农业部门补贴柴油或电力，以确保农民收入，保证国家的粮食主权。这些激励措施造成使用较低效的水资源技术来种植水密集型作物的面积出现扩张，最终将导致地下水和能源的枯竭。这种消耗对能源部门具有极大的影响。电力公司和国家电力部门无法收回成本，因此无法投资于新的发电厂或更好的基础设施。如此，现金匮乏的电力系统就会倾向于选择前期成本低的方案，从而抑制可再生能源发电，进一步让国家和消费者受到高且波动大的化石燃料价格的影响。

以西班牙的灌溉为例。西班牙的可灌溉土地面积有350万公顷，其中17%是可耕地。旱地的生产力提高了2倍，与之相比，可灌溉土地的生产力提高了将近100倍！从1998年到2011年，地面灌溉技术在西班牙的使用减少了将近一半，而滴灌技术的使用增长了两倍多（见图2）。由此可见，节水灌溉技术的推广相当普遍。例如西班牙国家灌溉计划2000-2008投资15.28亿欧元，涉及土地面积113.49万公顷，总节水达13.75亿立方米。但与此同时，西班牙农业部门用电急剧上升，从2001年的2.5亿欧元上升到2011年的7亿欧元以上。灌溉现代化与日益增加的能源成本产生严重冲突。目前，能源在生产者成本中已经占相当大的比重。

水和能源相互依存，这种依存关系可以通过下图（图3）清晰地表现出来。

水与能源是解决几个至关重要的全球挑战的关键，而这二者之间密不可分的联系为更好地管理这两种重要资源创造了条件。全球对水、能源以及其他关系维度（例如食物、生态系统和气候变化等）之间联系的认识日益增加，这将有可能刺激和引导综合规划与实施地区与国际方案，以解决共同关注的发展目标问题。目前，支持规划和决策的各个方面，包括国际组织、区域和全球筹资机制、公共和私营部门、研究机构和当地的利益相关者等，都需要在有能力上有进发步展。只有这样，才能在发展规划中以承上启下的角度来寻求综合解决方案，解决重大的全球发展挑战。

智慧水资源管理案例

新加坡的无线水上哨兵（Wireless Water Sentinel，WaterWiSe）项目

全球水资源的浪费问题相当严重，最简单的例子就是水龙头的滴漏。如果一个水龙头每秒钟漏一滴水，一年就会浪费掉2700加仑的水，这一数字不容小觑。更严重的是，全球有多达50%水消失于老化的漏水管道，这在每年大约要耗资140亿美元！由于需要治理的数量多，干旱和泄露时有发生，加之工用和民用的水需求与消费日益增长，使水资源变得越来越难管理。因此，我们有必要把目光投向如何改善现有的陈旧的基础设施。修复漏水管道每年可以以各种形式节省高达数十亿美元。

老化的基础设施是自来水公司面临的一项重大挑战，也是配水系统内发生水泄漏的主要原因之一。未被发现的管道和主管道破裂占配水系统损失的很大比重。因此，为帮助改善新加坡的供水运营效率并应对老化的基础设施问题，新加坡于2008年发起了无线水上哨兵项目。该项目通过在新加坡公共事业局（Singapores Public Utilities Board，PUB）、新加坡环境遥感与建模中心（Singapores Center for EnvironmentalSensing and Modeling，CENSAM）、新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（Singapore-MIT Alliance for Research and Technology，SMART）的一部分、智能系统中心（Intelligent Systems Centre，IntelliSys）和南洋理工大学（NTU）计算机工程学院（School of Computer Engineering，SCE）间建立细致严谨的合作，取得了新加坡国家研究基金会（Singapores National Research Foundation，NRF）的支持。

WaterWiSe项目基于云平台，能够提供实时水分布监测。该系统可以通过使用自身的分析和管理接口自行运作，也可以集成到自来水公司现有的基础设施中，如其地理信息系统（GIS）平台。

在新加坡，WaterWiSe项目的实施被分为了三个阶段实施：在第一阶段，具有几个选定的传感器节点的基本系统被安装起来，用以论证长期监控和数据收集的可行性；在第二阶段，扩展到26个无线网络传感器节点，实现了对新加坡中心福康宁珍珠山（Fort Canning-Pearls Hill，FCPH）区域配水系统的水压和水质的在线监控；而第三阶段侧重于开发和评估能提高传感功能的新一代多头探测器。该平台被集成到新加坡公共事业局的监控与数据收集（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系统中，用于交换传感器数据，并在独立的基于浏览器的界面进行远程操作。

在WaterWiSe项目过程中，一个原本只在概念上得到证明、只能用于收集压力数据的集成多头探测器8节点网络被扩展为50节点网络，能覆盖80平方公里范围内的几个供应区。从2009年开始，WaterWise项目已经成功地协助泄漏和破裂事件的检测、系统分析（例如事件后分析）、实时监控和操作，以及决策支持。

水资源的浪费似乎势不可挡，但是，智慧水管理解决方案能更好地解决这一问题。放置于整个基础设施和天然水道中的传感器将数据传回，从而能够实时跟踪和报告情况。新加坡的WaterWiSe案例就表明，低成本的无线传感器网络可以应用在配水网络中，以产生大的城市环境中进行实时在线监控必需的液压和水质量参数数据，然后通过实时监控和水力建模提高远程检测泄漏和水管爆裂的能力。通过与水公用事业部门、学术界及信息和通信技术研究所合作，WaterWiSe项目真正改善了新加坡配水系统的日常运作。

智利安托法加斯塔市

（Antofagasta）的智慧水资源管理

安托法加斯塔（Antofagasta）位于智利北部，在世界上最干燥的阿塔卡马（Atacama）沙漠中。长期以来，由于有强大且不断增长的采矿业的支持，安托法加斯塔的人均收入水平相对较高。但作为一个繁荣的港口城市，它缺少与城市规模与重要性相匹配的一些改善人民生活质量的设施和服务。因为该市是沙漠型干旱气候，因此要提高居民的生活质量，水资源管理至关重要，而且也非常具有挑战性。

2011年，安托法加斯塔成为当年IBM智慧城市大挑战项目的23个入选城市之一，以期通过治理，实现智慧水资源管理，重点包括水的获取、使用和损耗、废水和回收利用、水质量管理及一般的水供应基础设施。同时，基于此，还有更进一步的评估，则是侧重于能源供应、更广泛的城市系统、规划和绩效管理，以及治理与协作。

安托法加斯塔决定采取不寻常的策略，通过灌溉公园和开放空间，让城市更绿色，更环保。为最大化的使用有限的水资源，该市升级了商业水利基础设施，同时，在公园及其他公共场安装了先进的灌溉设备。由此，城市浇灌用水成本大大减少，最高减少达60%。随之而来的结果是总灌溉成本的减少，减少比例高达30%。这样一次性投资1～2亿比索（约合20～40万美元），平均每年可能节约的成本就高达大约9亿比索（约合200万美元）。

同时，安托法加斯市通过使用先进的软件，改进了供水网络的运作与管理。比如当供水网络中发生故障、泄露、破裂、压力变化、水流异常等情况时，公共事业部门能及时获得警报信号，更快地解决问题。这不仅节省了时间与金钱，也更好地保护了有限的水资源。在过去5年中，该市的水资源损失从30%下降到23%，每年节约了大概80亿立方米的水。

为让水资源管理更加有效，安托法加斯塔市政府专门任命了水协调员，并且建立城市水利信息中心。同时，为支持未来不断增加的用水量，并支持可持续发展，安托法加斯塔还开始与国营企业、私营企业和学术团体合作，共同投资并创建可再生能源工厂，以提供多种能源来源。可以说，这些可持续发展的水资源管理方法都对安托法加斯塔的用水产生了深远影响。

其他国家的一些智慧水资源管理案例

以色列是世界上最缺水的国家之一，尤其是近年来多次经历干旱，该国正在与供水压力作战。以色列政府对智慧水资源管理相当支持。在2006年，以色列开始了新型高效水技术（Novel Efficiency WaterTechnologies，NEWTech）计划，并在26个政府资助的水项目中有效地实施。以色列的新型高效水技术计划是一项支持以色列水技术领域的国家级的计划。该系统的建立基于以色列处理水资源短缺问题的经验，并且通过结合独立的产业要素来改善供水领域的现状。新型高效水技术计划有助于偿付70%的安装费用。此外，由于这种形式的政策支持，一些公司也脱颖而出，自身获得了很好的发展。比如TaKaDu公司帮助管理和探测水泄漏，而Whitewater公司支持实时预警系统。TaKaDu在以色列提供水基础设施的监测服务，并充当供水网络“在线的眼睛和耳朵”这一角色。该公司的软件系统基于数学和统计算法，使用来自水表的读数，包括流量、压力、质量和浊度等，让供水公司无需任何网络更改和资本支出就能减少水损失，提高运营效率。

在南非，智能手机被用来密切观察水资源情况。一个叫做WaterWatchers的免费众包应用程序为公民提供便捷途径，使之能及时地报告与水相关的问题，如水泄漏、管道失效和与运河相关的问题等。志愿者们拍下照片，并回答三个与条件相关的问题，然后将信息发送到中央数据库进行分析，并汇总到一张地图上，协助相关部门进行水资源管理。

在荷兰，数字三角洲集成了大量的数据源，用以创建关于洪水控制和水资源管理的见解的数据库。同时，正在探讨如何采用最新的技术和行业专长进行数据共享。

在水资源方面，我们正站在一个十字路口上，要作出许多重要的选择。因此，我们要力争确保在未来很长一段时间内，在考虑进行与水相关的投资决策之前，充分考虑所有可能造成的影响。

通过智慧水资源管理，城市现在可以更好地管理其供水系统：首先，城市可以将水与经济活力连接起来。水与环境之间的关系几乎众所周知。除此之外，城市应当将水资源和基础设施同样视为宝贵资产，可以用来促进社会的经济健康和发展。其次，要分享最佳实践。由于许多地方和区域的水资源管理者是在相对孤立地开展业务，因此他们希望了解他人的经验，以利于自己做出更明智的决策。地方官员和水资源管理者可以通过研讨会、文章和会议等，分享他们的成功战略，并从公共与私营部门的经验中寻找新的思路和理念。再次，可以采用公私合作伙伴关系。公共当局通常只管理几个供水和污水处理设施，与之相比，私营供水公司通常却要管理几百甚至是几千个设施和系统。通过竞争和经验积累，私营公司逐步发展，已经完全可以向当地的水资源管理者提供结合专家、经验与最佳实践的独特资源与网络。

智慧水管理已经成为21世纪的重要政策问题。通过智慧水资源管理，可以实现对用水的实时监控，改进获取水的方法，减少水消费，减低运营成本，促进公众参与，并最终促进智慧城市的可持续发展。然而，要推动这一变革，最至关重要的是协调一致的领导和大力支持。如果政府能带头，并且其他所有利益相关者大力支持，那么不仅可以建立智能水表或者智慧水网络，而且不会失去任何一个重要的有利水资源可持续发展的机会。

虽然世界各国都开始重视对水资源进行智慧管理，但是也必须认识到，目前的智慧水资源管理还缺乏标准化，没有得到足够的政策支持，同时也缺乏资金支持和激励。此外，信息和通信技术的应用需要适度加强，并提高社会各界对智慧水资源管理的认知。城市不能忽视今天、或者是那些可能在未来几年所要面对的水资源和水基础设施问题。随着与水有关的问题日益加剧，人们必须认识到水的重要作用，并巧妙而智慧地管理水资源，以设法改善人居条件，保护环境，并促进就业增长。只有这样，智慧水资源管理才能得到更切实有效地发展。