智能水網(wǎng)國際實(shí)踐動態(tài)及啟示

鮑淑君，王建華，劉 淼，高學(xué)睿，周毓彥

（中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京）

隨著全球人口快速增長和工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，加之全球氣候變化影響，水安全成為一個世界性的挑戰(zhàn)。水網(wǎng)作為水循環(huán)系統(tǒng)的物理載體，是所有水循環(huán)調(diào)控行為和措施的客觀基礎(chǔ)。無論是防洪抗旱減災(zāi)，還是水資源的配置、節(jié)約和保護(hù)，抑或是相關(guān)管理制度的建設(shè)，均可以統(tǒng)一到“自然—社會”二元水網(wǎng)系統(tǒng)的軟硬件建設(shè)上來，水網(wǎng)工程既是各類水利基礎(chǔ)設(shè)施的綜合體，也是水資源管理制度及其決策支持系統(tǒng)的集成化平臺。與此同時，在信息化潮流的驅(qū)動下，數(shù)字地球、智慧地球、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)理念和諸多信息技術(shù)紛紛被應(yīng)用于水領(lǐng)域當(dāng)中?！爸悄芩W(wǎng)”（Smart WaterGrid）作為這兩大焦點(diǎn)與前沿領(lǐng)域的交集，被許多國家作為解決區(qū)域水問題的重要途徑并付諸實(shí)施。在我國，國家層面正在積極有序探索水系連通工程建設(shè)，同時將信息化作為水利現(xiàn)代化的重要載體，深化水管理體制與機(jī)制改革，“智能水網(wǎng)”工程已初見端倪。一些地區(qū)也從自身水情和實(shí)踐需求出發(fā)，建設(shè)各具特色的水網(wǎng)工程，上海市、北京市、無錫市、海南省、山東省、山西省等地區(qū)率先啟動相關(guān)工作。為借鑒和分享國際智能水網(wǎng)建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，專門對美國、澳大利亞、以色列、韓國等典型國家的“智能水網(wǎng)”建設(shè)實(shí)踐進(jìn)行了系統(tǒng)整理，以期促進(jìn)我國“智能水網(wǎng)”工程建設(shè)。

一、典型國家智能水網(wǎng)建設(shè)實(shí)踐

1.美國：國家智能水配置網(wǎng)與區(qū)域水信息服務(wù)網(wǎng)

美國為“智能水網(wǎng)”提出了三個關(guān)鍵詞：自動化、交互性、智能化，其發(fā)展大致可分為四個主要方向：①基于先進(jìn)的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施建立水管理系統(tǒng)（AMI）；②通過水資源管理設(shè)施和智能電網(wǎng)優(yōu)化能源使用；③建立水質(zhì)和水量的聯(lián)合檢測平臺；④構(gòu)建水資源高效管理系統(tǒng)。美國“智能水網(wǎng)”建設(shè)理念通過其國家層面的“智能水網(wǎng)”項(xiàng)目和州層面的蒸散發(fā)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目兩個典型案例得到突出體現(xiàn)。

實(shí)踐方面，美國主要推進(jìn)了國家水配置網(wǎng)絡(luò)工程和區(qū)域以水信息服務(wù)網(wǎng)為主體的“智能水網(wǎng)”建設(shè)，其中以配置為主要內(nèi)容的國家 “智能水網(wǎng)”（National Smart Water Grid,NSWG）從密西西比河調(diào)水至科羅拉多河，以解決水資源供需空間不均的問題。區(qū)域上，德克薩斯州蒸散發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Texas Evapo-Transpiration Network）項(xiàng)目是美國德克薩斯州灌溉技術(shù)中心的一個項(xiàng)目，在線為用戶提供天氣數(shù)據(jù)、當(dāng)前和平均蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，從而為用戶提供灌溉建議。

2.澳大利亞：SEQ“智能水網(wǎng)”工程等典型案例

在歷經(jīng)2004—2007年嚴(yán)重水資源短缺危機(jī)后，澳大利亞初次提出了“智能水網(wǎng)”的概念，隨后澳大利亞發(fā)生了歷史上最大的旱災(zāi)，主要儲水設(shè)施的儲水率下降到17%，加快了“智能水網(wǎng)”工程建設(shè)的進(jìn)程，其典型案例包括SEQ“智能水網(wǎng)”工程、維多利亞“智能水網(wǎng)”和寬灣“智能水網(wǎng)”工程等。此外，2012年7月澳大利亞政府提出打算建立起全國“智能水網(wǎng)”。

SEQ“智能水網(wǎng)”工程（昆士蘭州東南部智能水網(wǎng)）于2008年開始建設(shè)，共耗資70億美元，是自雪山水電項(xiàng)目以來澳大利亞最大的基礎(chǔ)設(shè)施。主要通過輸水管網(wǎng)把澳大利亞供水區(qū)域和缺水地區(qū)相連通，并構(gòu)建一個智能化的水資源管理平臺，通過區(qū)域綜合管理降低水資源短缺的風(fēng)險并實(shí)現(xiàn)多水源的高效利用，以應(yīng)對干旱，確保長期的水安全。維多利亞“智能水網(wǎng)”將東北的威米拉河與東南的吉普斯蘭河聯(lián)系在一起，目的是應(yīng)對當(dāng)?shù)乜赡馨l(fā)生的缺水問題。澳大利亞寬灣自來水公司（Wide Bay Water Corporation）負(fù)責(zé)給昆士蘭州的費(fèi)沙海岸地方政府管轄范圍的供水排水，為工業(yè)用水提供回用的廢水，所涉及工業(yè)有灌溉、跑馬場農(nóng)業(yè)和硬木種植場。

3.以色列：國家水網(wǎng)工程建設(shè)實(shí)踐

以色列是世界上聞名的缺水國家，水資源格局與生產(chǎn)力布局不匹配。1953—1964年，以色列歷時11年建成全國輸水系統(tǒng)，將北部加利利湖水提水372 m，通過管道運(yùn)向沿海和南部地區(qū)，成為以色列全國統(tǒng)一調(diào)配水資源的主動脈。以全國輸水系統(tǒng)（National Water Supply）為骨干基礎(chǔ)，配套靈敏科學(xué)的水資源調(diào)配系統(tǒng)和高效集約用水系統(tǒng)形成的國家“智能水網(wǎng)”工程，極大地改善了以色列的供水狀況。該水網(wǎng)工程系統(tǒng)框架具有五大主要特點(diǎn)：①深埋地下；②系統(tǒng)開放；③系統(tǒng)可拓展；④技術(shù)尖端；⑤經(jīng)濟(jì)合理。主要包括水底管道和泵站等主要工程，同時，為實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)靈敏的實(shí)時調(diào)配，工程實(shí)行水資源統(tǒng)一調(diào)配與管理，配套建有集信息采集、傳輸、儲存、處理、調(diào)度功能為一體的水資源統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)實(shí)時給出優(yōu)化的供水方案。

4.歐盟國家：“智能水網(wǎng)”技術(shù)設(shè)施

法國、西班牙和荷蘭計(jì)劃推出1100萬個智能水表，荷蘭制定了智能電表的標(biāo)準(zhǔn)，德國埃爾丁的運(yùn)營已經(jīng)聯(lián)手通用電氣建設(shè)水資源和能源的先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施。位于地中海意大利南面的一個島國馬耳他一直遭受水資源短缺問題困擾，由于全球氣候變暖以及其他一些影響，馬耳他水資源短缺的問題將更加嚴(yán)峻。因此，從2009年起，馬耳他聯(lián)合IBM發(fā)起了為期5年耗資7000萬歐元的國民項(xiàng)目來建立國家水資源和電力系統(tǒng)方面的“智能水網(wǎng)”和先進(jìn)計(jì)量設(shè)施。

5.韓國：“智能水網(wǎng)”建設(shè)框架構(gòu)想

韓國建筑科學(xué)研究院（KICT）的專家正在致力于推進(jìn)區(qū)域化的“智能水網(wǎng)”建設(shè)。他們認(rèn)為，“智能水網(wǎng)”是面向未來的水資源管理技術(shù)，可以通過提高水資源生產(chǎn)、供給和管理效率，來解決水資源區(qū)域不平衡的問題，要求把最新信息和通信技術(shù)與現(xiàn)有水資源管理進(jìn)行融合和整合。2011年始，KICT就開始實(shí)施“智能水網(wǎng)”項(xiàng)目，其目標(biāo)是開發(fā)核心技術(shù)，如水資源獲取和處理、管道網(wǎng)絡(luò)、“智能水網(wǎng)”的子網(wǎng)和微型網(wǎng)的建設(shè)和綜合管理。KICT將在建的“智能水網(wǎng)”定義為“能夠?qū)λY源和能源生產(chǎn)及其供給效率和能耗進(jìn)行實(shí)時互動監(jiān)測的智能水環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)”。他們認(rèn)為把分布式智能水資源生產(chǎn)和供給網(wǎng)絡(luò)與信息通信技術(shù)結(jié)合起來，在能夠有效連接區(qū)域水資源和現(xiàn)有水網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智能化。他們推進(jìn)的“智能水網(wǎng)”項(xiàng)目主要包括以下四方面研究領(lǐng)域：①通過建立先進(jìn)的水資源管理信息平臺系統(tǒng)和水資源管理設(shè)施的傳感器網(wǎng)絡(luò)來收集管理信息，推動水資源管理的信息管理；②建立可替代性水資源的利用和交易系統(tǒng)，促進(jìn)水資源的有效生產(chǎn)和配置；③將電網(wǎng)和“智能水網(wǎng)”連接起來，從而節(jié)約水資源生產(chǎn)過程中的能量消耗，提高水資源管理系統(tǒng)的效率；④先進(jìn)測量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）搭建了智能水賬單系統(tǒng)，防止水滲漏。主動獲取可替代水資源，采用靈活的供水技術(shù)，是“智能水網(wǎng)”概念中的重要部分。

二、國際智能水網(wǎng)實(shí)踐的總結(jié)與啟示

總結(jié)上述國際上不同國家“智能水網(wǎng)”實(shí)踐的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可以形成以下幾方面的基本認(rèn)識或結(jié)論：

一是“智能水網(wǎng)”的實(shí)踐探索是治水需求和信息化進(jìn)程并行發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。水網(wǎng)作為水循環(huán)調(diào)控的物理載體，是水事活動的客觀基礎(chǔ)，因此是水利建設(shè)的主體內(nèi)容。隨著水循環(huán)系統(tǒng)日趨復(fù)雜，水循環(huán)的調(diào)控正在向著科學(xué)化和精細(xì)化感知、仿真和管理的方向發(fā)展。作為耦合水循環(huán)調(diào)控和信息化管理的綜合載體，緣起于歐洲、美國、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家的“智能水網(wǎng)”，反映了與社會經(jīng)濟(jì)高階發(fā)展相適應(yīng)的現(xiàn)代水務(wù)管理的發(fā)展趨勢。高速的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展一方面帶來了更加復(fù)雜的水資源供需情勢和水務(wù)管理的新難題，對供水保障能力、污染治理強(qiáng)度、災(zāi)害防控安全等級提出了新的要求，從而形成了新的水務(wù)管理體系需求；另一方面，信息化技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使水務(wù)管理中的大規(guī)模、精細(xì)化的信息采集、管理、分析乃至自動反饋控制成為可能。正是在這樣的背景下，面向不同業(yè)務(wù)需求，各國及相關(guān)產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)分別對其水務(wù)智能化建設(shè)展開探索，如以水資源時空調(diào)度為服務(wù)目標(biāo)，以信息化監(jiān)控決策為手段的美國、澳大利亞“智能水網(wǎng)”工程，以及法國、西班牙和荷蘭等國面向高效供水管理所推行的智能水表等。

二是”智能水網(wǎng)”是當(dāng)前水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢，這在許多國家的中長期規(guī)劃中有所體現(xiàn)。在需求增長和技術(shù)進(jìn)步雙重驅(qū)動下，“智能水網(wǎng)”所代表的信息化、智能化、系統(tǒng)化的新型水務(wù)管理模式必將成為全球水利管理的典型模式，“智能水網(wǎng)”建設(shè)也因此成為當(dāng)前各國和相關(guān)機(jī)構(gòu)的戰(zhàn)略選擇。韓國政府計(jì)劃從2012年推動大規(guī)模的 “智能水網(wǎng)”研究和產(chǎn)品開發(fā)，澳大利亞政府也于2012年7月提出正式開展國家層面“智能水網(wǎng)”的建設(shè)。美國也正在積極籌備成立國家“智能水網(wǎng)”委員會，從政策和體制建設(shè)角度增強(qiáng)其國家水務(wù)管理的決策能力。水務(wù)智能化革新的戰(zhàn)略性地位決定了在今后一個相當(dāng)長的時期內(nèi)，“智能水網(wǎng)”必將提振水利建設(shè)領(lǐng)域的一個新的市場，從而催生水利行業(yè)的新型產(chǎn)業(yè)模式。

三是“智能水網(wǎng)”的應(yīng)用正從水資源調(diào)配與管理領(lǐng)域向外不斷拓展，逐步演變成為現(xiàn)代水務(wù)的綜合性載體?？v觀各國“智能水網(wǎng)”的發(fā)展歷程，其啟動初衷多為通過水資源系統(tǒng)調(diào)配解決區(qū)域缺水問題，但隨著“智能水網(wǎng)”理念及系統(tǒng)性信息化建設(shè)的展開，“智能水網(wǎng)”管理體系模式逐漸展現(xiàn)出其在水資源調(diào)配、供水、水資源管理、水處理、水環(huán)境保護(hù)等多方面業(yè)務(wù)中的強(qiáng)大能力和優(yōu)勢，從而奠定了“智能水網(wǎng)”新一代水資源管理系統(tǒng)的地位?！爸悄芩W(wǎng)”也是一個面向未來的水管理技術(shù)，它通過有效地生產(chǎn)、供應(yīng)和管理各種水資源可以解決區(qū)域水資源的不平衡。當(dāng)前以美國、澳大利亞和一些歐洲國家為代表，全球眾多面向不同業(yè)務(wù)平臺類型的“智能水網(wǎng)”系統(tǒng)正在建設(shè)中。

四是“智能水網(wǎng)”是現(xiàn)代信息技術(shù)、自動化控制技術(shù)與水技術(shù)的集成系統(tǒng)，信息化、自動化和輔助決策是其共性特征。歸納當(dāng)前國際領(lǐng)域內(nèi)“智能水網(wǎng)”建設(shè)的內(nèi)容和方向，可大體描述為通過實(shí)現(xiàn)水資源生產(chǎn)、運(yùn)輸及中水處理回用等水資源配置各個環(huán)節(jié)的智能化升級從而提高水資源管理水平。其具體建設(shè)領(lǐng)域主要可歸納為以下幾類：①提高水產(chǎn)品生產(chǎn)和水處理的效率；②減少成本費(fèi)用及能耗；③維護(hù)水資源設(shè)施，保護(hù)水資源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展；④緩解水資源區(qū)域不平衡；⑤保證飲用水安全；⑥把國內(nèi)外水資源開發(fā)利用的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于水資源管理；⑦解決水資源的多目標(biāo)復(fù)雜性。盡管當(dāng)前世界各國及不同技術(shù)機(jī)構(gòu)紛紛提出了具有自身特色的”智能水網(wǎng)”建設(shè)方案和建設(shè)目標(biāo)，但從總體上看其對系統(tǒng)智能性特征的描述均主要集中體現(xiàn)在高覆蓋率信息采集—傳輸—分析體系、無人值守的自動化設(shè)備體系以及建立在復(fù)雜數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)基礎(chǔ)上的決策支持體系。

五是當(dāng)前國際上 “智能水網(wǎng)”的實(shí)踐目前還處于具體水問題的解決策略層面，尚沒有形成頂層設(shè)計(jì)框架和系統(tǒng)性的學(xué)術(shù)成果。通過對“智能水網(wǎng)”國際發(fā)展情況的調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前各國和各相關(guān)機(jī)構(gòu)已開展的“智能水網(wǎng)”建設(shè)多集中于水資源調(diào)度、城市供水、水污染治理，水生態(tài)保護(hù)等單一業(yè)務(wù)系統(tǒng)的智能化升級，對具體的水問題提供業(yè)務(wù)系統(tǒng)層級的信息化、智能化解決方案，尚未形成具有整體視野的系統(tǒng)性建設(shè)框架和頂層設(shè)計(jì)。在國際文獻(xiàn)調(diào)研中也尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于“智能水網(wǎng)”整體體系建設(shè)理論的成形科研成果。進(jìn)行“智能水網(wǎng)”頂層設(shè)計(jì)，優(yōu)化面向涉水事務(wù)一體化管理體系的“智能水網(wǎng)”建設(shè)框架方案，是全球領(lǐng)域內(nèi)水務(wù)智慧化發(fā)展道路上亟待解決的綱領(lǐng)性戰(zhàn)略問題，也是當(dāng)前各國水務(wù)建設(shè)的主要突破方向。

[1]Queensland Government.South East Queensland Regional Plan 2009—2031[R].Australia：The State of Queensland(Queensland Department of Infrastructure and Planning)，2009.

[2]Asia Pacific’s sustainable business community, Southeast Queensland’s smart water grid attracts international attention.[EB/OL].http://www.eco-business.com/news/southeast-queenslands-smartwater-grid-attracts-international-attention/.

[3]National Health and Medical Research Council.Australian Drinking Water Guidelines[M].Australia：National Health and Medical Research Council，2011.

[4]Carol Brzozowski.The “Smart” Water Grid:A new way to describe the relationship between technology,resource management,and sustainable water infrastructures[J].Water Efficiency,2011,6（5）.