扭转潮流：水管理的数字化未来
《加州水战》听起来像是2023年的新真人秀，但事实上，这场冲突早在100多年前就发生过。当时，William Mulholland修建了加州渡槽，将欧文斯谷的水直接引到洛杉矶，致使该州东部地区荒芜贫瘠。这种肆无忌惮的策略——1974年电影杰作《唐人街》的灵感来源——凸显了人类对更好的水资源管理的持续需求。如今，该行业仍在应对相关的挑战，迫使水务组织、城市、州和政府寻找新的方法来保护和管理这一地球上最重要的资源。
然而，人类每天浪费的水多达数百万立方米。由于气候变化对天气型态造成的严重影响、人口爆炸、污染和安全用水的不平等现象，我们迫切需要更加可持续的水资源管理。
需要做什么？这里有一张长长的实用清单：各种新的政策、基础设施投资以及通过数据指导行动的数字化的水管理方法。但可持续的水管理也是一种思维定式。行业可以制定法规条例，但这必须得到公众的支持。公众需要了解形势的紧迫性，这样才能创造可持续的未来。
什么是水管理？
水管理是一个过程，包括从水源收集水的规划、监督和评估；改道、净化并将水交给最终用户；水在使用后排除；处理水；并对其进行处置或回收。它需要确保用水的权利、建设基础设施以及制定管理水质和水量的政策。
人类用水有三个主要目的：
1. 农业，70%
2. 工业，19%
3. 生活用水，11%
水管理包括：
- 提供从水源到水龙头的饮用水
- 确保水质安全、无污染
- 对涉及水的汇集、运输和清洁的基础设施进行管理
- 排除社区废水
- 将水从水源（湖泊、水库、地下水等）引至社区
- 监督雨水管理和防洪
水是一种共享资源，但全美有148,000个不同的公共水管理系统。在许多地区，不同的机构管理不同的用途：雨水由一个实体负责处理，饮用水由另一个实体负责。为了使行业遵循最佳管理实践，美国水联盟（USWA）创建了One Water。这一创议采用了一体化水资源管理方法，由USWA制定七个步骤来协调全国的利益相关者：
1. 推进水资源管理区域协作。
2. 加速农业与公用事业伙伴关系，以改善水质。
3. 为水基础设施维持充足的资金。
4. 融合公共和私营部门的专业知识和投资，以满足水基础设施的需求。
5. 重新定义21世纪的负担能力。
6. 降低铅中毒风险，承担保护公众健康的使命。
7. 加快技术采用，提高效率并改善供水服务。
纽约（PDF）等大大小小的城市都在采用这种方法。它打破了孤岛作业模式，形成了有凝聚力的声音，以实现共同目标并创造可持续的未来。
什么是水基础设施？
水基础设施是指用于水的获取、运输、处理并将其输送给用户，然后重新收集和处置的工程环境。就饮用水而言，它包括从水源输送水的管道和使水可供饮用的水厂。至于废水，它包括下水道网络和将用过的水从建筑物输送到处理厂的提升站。在处理厂中，一系列物理和化学工艺对水进行去污染，然后将其排放到水体中去。
水基础设施包括：
- 地下管道
- 运河和渡槽
- 堤坝和水坝
- 排水系统
- 水库
- 堤岸
- 集水盆地
- 自来水管
- 废水处理厂、提升站和管道
- 雨水下水道和防洪系统
每天，供水基础设施将近13亿立方米水输送到美国各地不同的目的地，以供不同用途。但许多管道、水厂、水坝和下水道都是20世纪上半叶建造的，早就需要资金将其升级到21世纪的标准了。
为什么水资源管理很重要？
从太空中看，我们很容易理解为什么地球被称为蓝色星球：这个旋转球体的71%由水组成。但尽管水看起来很丰富，它却是一种有限的资源——只有0.5%的供应量是可供人类使用的淡水，而且对数以百万计的人来说，获取淡水正变得越来越困难。
对水的需求在不断增长，而供应却不断减少。到2050年，地球上将有100亿人口，而全球已有约20亿人无法获得安全的饮用水，36亿人无法获得安全的卫生服务。气候变化和人口增长将扩大拥有安全饮用水的人口与没有安全饮用水的人口之间的差距，从而增加公共卫生风险。
不断变化的天气型态正在增加风暴的强度并造成长达数年的干旱。基础设施长期以来在经济上被忽视；其中大部分已经超龄，在水位上升的压力下接近失效。
政策可以保护和节约水资源。政府可以激励建设新的基础设施。水务机构可以平衡水的分配和质量。水管理涵盖了所有这些，但随着世界的变化，需要新的战略和解决方案来应对挑战并确保水的复原力。
水行业面临的挑战
有些人可以打开水龙头并立即获得干净的水。许多人必须走几公里才能到达最近的水源。供水虽然是最紧迫的问题，但这只是水行业当今面临的挑战之一。
供水情况
对于水管理来说，主要挑战是水资源短缺，即水的需求大于供应。尽管许多人没有意识到这一点，但水并不是取之不尽用之不竭的：供应正在枯竭。
未来的情况会是这样的：
- 如果水的消耗保持目前的速度，到2025年，世界三分之二的人口将面临缺水的问题。
- 到2040年，四分之一的儿童将生活在极度缺水的地方。
- 目前农业生产使用了70%（PDF，第6页）的供水。到2050年，全球人口预计将达到100亿，要养活这么多人口，需要农业增长50%，用水量增加15%。
- 到2030年，水需求量可能会超过供应量的40%。
各国政府正在制定严格的限制，努力保护有限的供应，但按照现在的管理方式，根本不足以为更多的人供水。获取、运输、消耗和处理的每一滴水都需要得到保护。
恶劣天气事件
水和气候变化有着千丝万缕的联系。正如联合国报告中所说：“气候变化主要是水危机。我们通过不断恶化的洪水、海平面上升、冰原缩小、野火和干旱感受到其影响。”2001年至2018年间，四分之三的自然灾害与水有关。加利福尼亚等地正在经历大规模干旱和毁灭性火灾，而欧洲正在经历严重的洪水。但这些型态可能是不可预测的：2023年，加州从有记录以来最干旱的三年变成了70年来最潮湿的冬季。
世界各地的社区对这些不断变化的水循环毫无准备。粮食生产受到干扰，农作物遭到破坏，生计和经济受到损害。地表水径流的增加正在吸收更多的化学物质和碎片并污染水道。水行业开始做出改变，为未来做好准备。
基础设施老化
大部分现有的水基础设施在刚建成时都体现了工程上的壮举。但快进到今天，庞大的供水系统网络已达到预期寿命。气候变化只会加速这一老化过程。
- 美国有350万公里饮用水管道。每两分钟就有一个水管爆裂，造成2,270万立方米经过处理的可用水流失。
- 美国有16,000座污水处理厂，其运行效率仅为最大处理能力的81%，而对它们的需求却在不断增加。
- 美国的92,000多座水坝平均建成时间为61年，其中85%已超过预期寿命。
水基础设施已经超龄，并承受着频繁超级风暴带来的巨大压力。2017年，奥罗维尔大坝溢洪道在大雨期间处于灾难的边缘，水位迅速上升，迫使水道旁的数千人撤离。大规模事故会危及生命，造成数十亿美元的损失，并影响了水质。
美国密西西比州杰克逊市的水厂已有110年的历史，供水管道也有100多年，多年来一直受到泄漏的困扰，导致居民一度连续数周断水。2022年，暴风雨导致河流泛滥，污水厂不堪重负，无法处理水，整个系统几乎崩溃。州府的居民必须喝烧开过的水，而该市仍然没有资金进行必要的维修。这只是全国性问题的一个实例。
融资
融资一直是水行业的一个长期问题：管理和基础设施投资不足。分散的供水系统很难获得资金对修修补补的管道和基础设施进行大修。联邦支出很少，只能由各州、市政府及其服务的居民来支付急需的改进和升级费用。
水污染
雨水径流越来越多地携带化学品、垃圾、农业污染物和细菌，并将其带回供水系统。仅在洛杉矶，每天就有近38万立方米污水经过雨水排水道。在世界欠发达地区，管理资源不足和基础设施缺乏可能导致污水和饮用水供应的交叉污染。每年有数百万人死于与不安全水相关的健康问题。
劳动力短缺
与其他行业一样，水管理也面临着劳动力短缺的问题。在该行业170万从业人员中，30%经验丰富的操作员将在未来10年内达到退休年龄。但下一代人不会进入这一行业，而是选择融合数据和技术的行业。
技术改进水管理的3种方式
每一滴水在其整个旅程中都携带着数据。但该行业需要软件、解决方案和云基础设施将数据转化为洞察，以便水务工作者能够做出更好的决定。该行业正开始这一旅程，并已为全面数字化转型做好了准备。
水行业早已了解数据可以带来的好处。一段时间以来，该行业已使用传感器、监控和数据采集（SCADA）系统查看地下资产并监控管道和处理厂的功能。但如果没有互联的生态系统，这种技术就会脱节和孤立，而该行业向完全数字化运营的进程也会进展缓慢。
当新冠疫情爆发时，许多供水系统的日常运行都受到了干扰。水务专业人员必须相互连接，并且需要更强大的系统来管理他们的运营。这是变革的催化剂。现在，该行业正踏上数字化之旅，并利用数字工具来改善运营。55%的美国水务公司表示，他们使用技术的主要目标（PDF，第14页）是监控其资产并分析数据，这将推动该行业的未来走向可持续的水管理。
以下是技术改变水管理方式和创造水复原力的三种方式。
1. 数字孪生
数字孪生在制造和建筑行业已变得习以为常。现在，水行业开始探索数字孪生如何使其能够观察整个地下系统并监控它们的性能。对于水管理来说，数字孪生是配备了实时数据的物理资产（水基础设施网络）的虚拟复制品。它收集来自SCADA、物联网（IoT）传感器和仪表的所有信息，以及管道安装时间和制造材料等信息。该模型可以跟踪历史数据和实时功能，对系统的各种功能进行预测。
在传感器提醒操作员压力出现波动或条件发生变化之后，数字孪生可以快速识别泄漏或故障。它们可以显示水箱中的水容量和pH值。客户可以立即收到泄漏通知，从而减少服务中断。操作员可以轻松访问模型来监控当前的性能。数字孪生还有助于持续改进水系统，检测薄弱环节并在问题酿成灾难性故障之前加以解决。
数字孪生正在成为现代水管理的解决方案。在杰克逊市的例子中，泄漏问题多年来困扰了系统，自从工程师们数字化地绘制了该市260平方公里的供水基础设施，创建了一个包含实时数据的虚拟模型用于监测流量和压力以后，他们做到了不间断的供水服务，并改善了该市150,000名居民用水的质量。
2. 云协作
数字化之旅不仅仅是购买一个软件或升级一个系统。它也事关连接恰当的工具、团队和员工，以实现转型并释放技术价值。这一切都需要在基于云的环境中工作。
云的好处是众所周知的。到2025年，95%的工作将在云端进行。水务专业人士尚未充分发挥这一开放生态系统的全部潜力，但它已开始受到关注。供水网络是复杂的系统。云将所有事物和人集中在一起，实现实时协作。包含所有有价值数据的数字孪生将构建在云端，并且数据将存储在一个中央位置。这意味着适当的人员可以在适当的时间获得规划、设计、运营和维护所需的信息，从而消除传统水管理的孤岛作业模式。
云环境的完全可视化消除了冗余并减少返工。数据在云端可互操作，从而实现更快的模拟，这将是改善水务运营和管理的巨大优势。
3. 人工智能
人工智能（AI）已无处不在，水行业也不例外。在采用新技术之前，只有当地面出现水时才会检测到泄漏。而有了人工智能，系统可以在故障发生之前作出预测，大幅减少设施的整个寿命周期中浪费的水量。人工智能和机器学习将使各组织能够模拟各种情形，这对于常常经历前所未有的天气事件的世界来说是一种革命性的工具。
人工智能可以弥补传统水资源管理效率低下的不足。例如，农业使用了世界上70%的水，但其中高达60%的水可能被浪费了。人工智能驱动的“smart farms”（“智慧农场”）使用传感器获取光照和灌溉的数据、卫星图像和预测来确定“按需”浇水。
水资源管理中的人工智能可以：
- 监控水位并预测峰值水流量以调整容量。
- 通知预测性维护以减少计划外停机和中断。
- 识别不同的型态并辨认出过去的趋势，以不断完善风险评估，确定事件或中断何时可能发生。
- 根据需要优化水的化学处理。
- 使用机器学习来优化资产和基础设施性能。
- 调整水泵的运行周期以提高能源效率。
人工智能将成为未来水资源管理的强大工具，支持水资源保护和可持续发展工作。
水管理和规划技术的5大好处
在其他行业通过数字化转型飞速发展的同时，水务运营长期以来却未能走出传统工作流程的泥潭。但技术可以彻底改变水管理，借助数据驱动的工具可以创建更可持续的水循环和更高效的运营。以下是数字水务的一些主要好处。
1. 为做好充分的准备进行模拟和建模
通过水力建模，工程师可以吸取有关水系统的所有相关信息，创建新项目在设计阶段的数字版本或现有管道网络的数字版本。这项工作过去是在电子表格上完成的，而电子表格是静态的、难以共享且效率低下。水系统的可视化建模可以进行模拟（PDF，第10页），显示该系统如何响应不同的情形，揭示薄弱环节，并让工程师知道在故障发生之前何时何地改进基础设施。它还有助于规划和设计阶段，在施工开始前识别缺陷。这种未雨绸缪的准备工作可以使社区免受洪水和破坏。
2. 实时洞察，实现更高效的运营
物联网传感器使数字孪生的功能得以充分发挥，这些传感器可提供有关水系统状况和功能的实时数据。它们可以跟踪水质、容量、压力和性能等因素。传统上，发现泄漏并找到源头需要目视确定水从地面喷出的位置。当泄露被发现时，服务已经受到干扰，水被浪费——有时甚至是数千立方米。有了实时数据，操作员可以快速找到问题并将其解决，并对性能进行优化。
3. 提高资产可视化
大部分受管理的水循环发生在地下的管道和水箱中。问题通常会在水到达（或未到达）目的地时被探测出来。水管理专业人员可以使用实时模型来查看每个资产的确切功能，并使用配备地理信息系统（GIS）的传感器来查明问题的确切位置。这有助于团队更好地了解性能的衡量标准并规划未来的改进。他们可以制定准确的预算并请求获得资金来改进由数据支持的系统，以证明这些资金投入的合理性。
4. 支持现有的基础设施
用现代化的强大的数字系统取代所有现有管道、水厂和水系统是不现实的。为了获得真实情况，操作员经常将摄像机放入管道中。现有的系统可被用来创建云驱动的液压模型并提供实时数据来优化操作。一旦有了含有GIS和传感器的模型，操作员就可以参考整个系统的布局并开始收集即使是小型线路中的数据，捕获正在发生的情况。创建数字副本可以优先考虑需要维修和升级的区域。尽管为整个系统配备传感器成本高昂，但将它们放置在恰当的位置可以获得恰当的信息。
5. 可持续发展和智能水管理
水和可持续发展有着内在的联系。从水的消耗到洪水管理再到废水管理，技术将在实现可持续的成果方面留下最大的印记。水和废水管理占美国所有能源消耗的2%，每年排放4500万吨温室气体。采用数字模型的智能水管理可减少加热、处理、泵水和输送水所用的电力，并根据需要优化电力水平，实现更可持续的水资源管理。在新西兰，惠灵顿水务公司与跨国公司Stantec合作，后者使用欧特克Info360 Insight来跟踪水泵的性能并根据需要调整泵的运行时间。这种数字化方法节省了20%的电费并延长了资产的使用寿命。
5个数字水管理示例
水行业正开始加速数字化转型，以改善水管理实践。以下是数字水管理的一些示例以及可持续水资源管理带来的好处。
1. 托莱多市的供水系统得到快速检修
2014年8月，当伊利湖有害藻类大量繁殖时，美国俄亥俄州托莱多市的50万居民被迫停止用水数天。已有80年历史的水处理厂不堪重负，无法处理受到污染的水。
该市聘请了工程公司凯谛思来升级现有基础设施并建造两个新的处理池。该公司对现有场地进行3D扫描，创建了该系统的数字模型。凯谛思拥有多个学科（建筑、暖通空调、电气、结构、机械）的远程团队，所有团队都在云端使用BIM模型，把传输文件的延迟时间减少了80%，节省了大约1,000个设计小时。项目结束后，凯谛思将把BIM模型移交给托莱多的水务运营团队，帮助他们及早发现问题，保持持续的复原力。
2. 从古代贸易路线到智能运河
苏格兰格拉斯哥市的福斯和克莱德运河建于1790年，曾经是一条交通繁忙的贸易路线。到了1960年代，运河已被废弃且破败不堪。负责这些水道的政府机构Scottish Canals在2000年代初试图振兴这些水道，但随着气候变化和降雨量的增加，运河很容易被淹没。
该团队首先对管理方法进行现代化改造。他们创建了运河的数字孪生，通过传感器访问实时数据，分析即将到来的降雨并打开或关闭闸门调整运河的容量。如今，通过更好的管理，这条运河已成为野生动物的天堂，也是皮划艇和桨板爱好者经常光顾的休闲目的地。
3. 水管理的复兴时期
意大利佛罗伦萨有着悠久的历史和文化。但1966 年一场毁灭性的洪水携带着60万吨淤泥、瓦砾和污水淹没了这座城市，夺去了100人的生命，并毁坏了许多文物。
半个多世纪后，水利工程师Paolo Tamagnone使用欧特克Infoworks ICM创建了一个模型，绘制了阿诺河从源头到城市的地图，评估了容易发生洪水的区域。他对供水和废水系统以及城市的建筑物进行了建模，并对各种假设的洪水情境可能造成的地面和地下的情形进行了模拟和预测。详细的地图揭示了最脆弱的地区，并有助于制定有效的应急响应计划。
4. 数字模型可实现更快的响应时间
2018年1月，密西根州利沃尼亚市的一个主水表发生故障，导致多处水管破裂。由于到处被淹，官员们发布了警告，要求人们饮用烧开的水，并关闭了一条主要高速公路。利沃尼亚780公里长的水管建于1920年代。它的水管理流程是纸质的，文档保存在活页夹中。该市聘请了建筑、工程和规划公司OHM Advisors，利用欧特克InfowaterPro创建基于GIS的水力模型，模拟40多种计划内和计划外的中断情形。所有信息现在都存储在所有利益相关者都可以访问的交互式数字仪表板中。在放弃了陈旧的流程之后，他们创建了基于数字工作流程的应急响应计划。
5. 巴西的奥运挑战
里约热内卢赢得2016年奥运会主办权后不久，就面临着一项艰巨的任务：将雨水与废水进行分离。当时，这两种水都通过1850年代建造的陈旧系统直接排入当地的河流和海洋。在瓜纳巴拉湾，每秒钟就有8,200升污水流入水中。工程师首先使用欧特克Civil 3D手工绘制地下公用设施线路。然后，他们利用BIM为这个有着一百多年历史的系统创建了一个现代模型，从而减少了冲突；节省了1,500万美元（约1.097亿元）；为使奥运会参赛者和里约热内卢居民享受更安全、更清洁的环境铺平了道路。
水管理的未来
水资源管理是分散的，但整个行业都面临着同样的挑战。预计到2050年，全球的用水需求将增加20%–50%，这将进一步加剧对日益减少的资源的压力。随着数据更多地揭示世界面临的严峻形势，它正迫使整个行业协调起来，实现集体目标并确保水系统和基础设施的复原力。这些解决方案将有赖于水管理的数字化未来。
政府增加对水基础设施的投资
新冠疫情敲响了政府对水进行再投资的警钟。突然之间，供水不再是一个基础设施或稀缺问题，而是一个迫在眉睫的公共卫生问题。
到目前为止，在美国，这一新的承诺已经有了一个良好的开端。
- 美国内政部准备斥资5.8亿美元（约42亿元）修复西部地区的水基础设施。
- 2021年，美国《两党基础设施法》（BIL）拨款500亿美元（约3570亿元）用于改善水基础设施和系统。
- 过去几年中，美国80个城市在当地水资源和基础设施方面投资了95亿美元（约674亿元）。
投资基础设施并不意味着要像以往那样进行重建。水基础设施需要重新设计，以实现具有复原力的未来。
在加利福尼亚州里士满市，West County Wastewater（WCW）正在升级其水处理厂，并在此过程中减少碳足迹。该公用事业公司拥有并运营400公里下水道管道、17个提升站、近10公里主干压力水管以及一个日处理和回收4.73万立方米水的水厂。
当这个名为“清洁与绿色”的项目完成后，工艺改进和升级将在新水厂的寿命周期内节省8,300万美元（约5.89亿元），并将温室气体排放量减少93%。该水厂产生的将是用于农业的A级生物固体，而不是进入垃圾填埋场的污泥。最后，这一升级项目将从消化的污泥中产生能源，并建立一个新的热电联产系统，为WCW水厂的营运提供几乎100%的电力。
WCW高级项目经理Keith Reynolds, Jr.表示，该清洁与绿色项目是公用事业公司对环境及纳税人所作的一个雄心勃勃的承诺的实例。他表示，该项目将被证明是能源效率的典范，并使WCW能够创建实习计划来培训未来的水务专业人员。
人工智能驱动的水管理
随着人们对供水的需求不断增加，更多的水务机构将转向智能水务技术来优化水循环和资产管理的各个部分。到2030年，预计它们将在人工智能上耗资63亿美元（约447亿元）。通过利用人工智能和机器学习，它们可以确保质量、减少泄漏和浪费，并优化能源使用。水行业已经了解到不使用技术的后果，不过潮流已经扭转。人工智能将创造一个更可持续、更高效的数据驱动的行业。
例如，位于英格兰东部的Anglian Water水务公司在过去几年中一直使用人工智能推动的技术（PDF，第29页）作为其智能水战略的基础之一。在其Wing Water Treatment Works水处理设施中，该公司使用欧特克水厂运营产品构建了30个水管理模型，用于分析来自实时资产数据源的数百万个数据。这些模型持续学习、预测并动态响应系统内出现的问题，有助于操作人员监控并最大限度地降低系统范围内的能源和化学品成本。该项目已帮助公司节省了150,000英镑（约130万元）。
更强大的劳动力
随着水管理行业越来越多地采用技术来设计和运营系统，它也将吸引顶尖人才。下一代工人包括想要使用数据和技术工作的数字原住民。随着机器和机器人接管更多的手工任务，这种转变将为提升现有劳动力的技能创造更多机会，达到更好的系统所需的先进操作水平。
可持续的水管理是世界上最紧迫的问题之一。为了更好地管理这一宝贵资源，数据将被证明是行业所需的解决方案。通过设定推动行业迈向数字化未来的集体目标，每个人都可以尽自己的一份力量，为人类后代确保水的复原力。