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基于“4S”理念的未来饮用水系统
2020/12/21
前言
随着社会经济快速发展和生活水平不断提高，人民对美好生活的需求日益增长，群众对安全健康要求逐渐提高。饮用水安全是人民群众关心、与身体健康关系*密切的重大民生问题之一。党中央、国务院高度重视饮用水安全问题，中央领导也曾多次作出重要批示，“让百姓喝上放心水”，是党和国家对广大人民群众的庄严表态。
“十一五”以来，为切实提高我国饮用水安全保障水平，国家启动实施了国家重大水专项，专门设置了饮用水安全保障主题，通过科技攻关带动行业快速发展，我国饮用水行业已迈入了高速发展的新时代。近年来，关于优良饮用水、高品质饮用水、健康饮用水、智慧水务、巨大规模供水体系、可持续供水系统、现代自来水厂等新的理念、概念不断涌现，北京、上海、深圳等巨大城市也相继提出和实施了大规模新的饮用水改善工程，多个城市2035规划明确提出饮用水整体水质达到或优于世界发达国家城市，全国饮用水行业技术和管理发展逐步进入了新的发展阶段。
一方面，小康社会的建成以及人民对美好生活的向往将推动我国饮用水水质的进一步改善与提升，更大规模的饮用水设施改造与提升是未来本领域建设的重要内容。
另一方面，随着现代绿色发展、信息技术、人工智能、新型材料、高端制造、系统集成等新兴行业的快速发展与渗入，智慧城市的建设如火如荼，我国饮用水行业的理念已发生新的转变，与相关的技术结合和落地应用已成为行业的共识。近年来，上述两大因素大大地推动着我国饮用水行业的发展。对于接下来15年乃至未来饮用水行业方向和供水系统的构建，可基本遵循以下4个理念：
饮用水水质发展将遵循“安全与健康（Safe & Healthy）”理念。
饮用水的工艺设施发展将遵循“低碳与绿色（Saving & Green）”理念。
饮用水系统的运维将遵循“智慧与智能（Smart & Intelligent）”理念。
饮用水供水安全体系将遵循“系统与韧性（Systematic & Resilient）”理念。
1 “安全与健康（Safe & Healthy）”的理念
饮用水水质的保障提升是供水领域持续追求的工作目标。2007年《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）颁布实施，水质检测指标由原来的35项扩展到106项。经过十余年间的努力，我国饮用水水质大幅提升，城市饮用水水质达标率提高到了目前的98%以上。为进一步满足人民对美好生活的向往，接下来一方面城市供水水质发展目标将从出厂水稳定达标转变为龙头水稳定达标，另一方面将从合格水转变为更加优良健康的饮用水，更加重视饮用水口感。为此，未来将从饮用水水质目标、水质标准、水质评价3个方面进一步推动提升饮用水水质，突破健康效应引导的风险污染物识别与控制技术，构建饮用水水质安全健康评价标准体系等。在发展目标方面，饮用水水质目标从“合格、达标”向“安全、优良、健康”转变，除了关注对人体健康有害的指标及限值外,也需要逐步关注对人体有益的指标及限值；标准导向方面，饮用水水质标准从“常规污染物”向“常规+优控污染物”转变，当前更加符合我国水质特征和用水需求的水质标准也正在修订完善中；健康评价方面，饮用水水质评价从“水质指标评价”向“健康效应评价”转变，在关注单一微生物造成的生物风险、水中化学物质导致的毒理学问题的基础上，更加关注基于复合污染效应的水质安全与健康评价等。
2 “低碳与绿色（Saving & Green）”理念
近年来，我国相继发展了多种预处理、强化常规和深度处理工艺，并实现集成性创新，有效解决了高藻、高有机物、高氨氮、异嗅味、重金属、氟砷等突出水质污染问题。目前各类组合式、长流程的净水工艺已成发展趋势，“生物或化学预处理—强化/常规处理—臭氧生物活性炭处理技术”已成为我国饮用水深度处理主流工艺；“预处理+强化/常规+超滤膜/纳滤膜”处理技术也在逐步大量应用。然而，现有我国净水厂普遍存在工艺冗长、运维耗能、药剂量大等突出问题，与绿色可持续发展理念存在较大的差距。为此，未来将从洁净能源、物质节约及环境友好3方面提升未来水处理系统效能，实现水厂可持续发展。
在净水工艺方面，净水流程与水源水质适配，对风险进行高准调控，水处理工艺向近自然处理、短流程、快效能系统转变，让水处理过程更简约。
在资源利用方面，系统能量流与物质流朝低碳、节约、集约化等方向持续发展，综合利用清洁能源（风能、光伏发电等），并行开展水泵节能降耗与正确投药，让水处理过程更清洁。
在环境友好方面，激发太阳光和分子氧的氧化能力，推广应用无机膜，尽量“少用与不用”化学药剂，减少新生废物的产生，让生产的水更健康。
3 “智慧与智能（Smart & Intelligent）”理念
随着 21 世纪网络化、数据化时代的到来,现代信息技术已经并将继续深刻改变传统产业发展模式，加速产业的变革。生产管理的智慧智能代表着未来发展方向，如何充分利用快速发展的大数据、人工智能和信息技术构建智慧化供水系统是世界各国普遍关注的方向。针对我国城镇供水系统设施老化、漏损多发、能耗高企、管理落后等突出问题，未来要深度融合人工智能、大数据、物联网，建立供水智能物联网与在线监测大数据平台，突破漏损控制、优化运行、事故预警等供水智慧化运营核心关键技术应用，构建以智慧水厂和智慧管网为核心的供水系统智能数字孪生体。
在智慧水厂建设方面，可利用BIM、工艺单元数学建模、虚拟现实等技术构建饮用水处理工艺单元的虚拟仿真模型，结合由水质、水位、水压等多类型新型传感器组成的在线监测网络，围绕混凝剂智能化投加、沉淀、（膜）过滤、消毒工艺参数的优化及工艺过程的智能调控等核心应用，构建数字孪生饮用水厂。
在智慧管网建设方面，利用三维GIS、管网在线水力水质模拟、机器学习算法等手段构建供水管网的实时在线模型系统，围绕智能优化调度、漏损爆管侦测与定位、管网水质保障与突发污染防控等核心应用，构建数字孪生供水管网。通过供水系统数字孪生体的构建，为未来的供水系统的智能化与智慧化运行提供技术与平台支撑。
4 “系统与韧性（Systematic & Resilient）”理念
饮用水保障系统涉及到水源、水厂、管网、二次与末端供水等系列环节，涉及到规划、设计、建设和运行维护等多个过程，因此需要统筹考虑、系统治理，强调系统性、协同性和整体性。针对现有体系应对供水安全风险和突发事件能力弱等问题，未来将从设施抵御风险强化、规模化系统集成、顶层规划设计等方向发展，构建高韧性、快速响应的饮用水系统。以抵御风险为目标导向，供水系统从单元适配向源-厂-网联动、自适应方向转变与发展；以系统集成为实践途径，传统市域独立系统通过城市群的协作，实现原水和清水的互联互通，统筹联动；通过顶层谋划，着眼顶层“规划-设计-建设-运行”全过程设计，实现未来饮用水系统应对随机或确定事件韧性的特征。综合分析城市饮用水安全保障面临的优势和劣势、挑战和机遇，从突发事件、承灾载体、应急管理等维度出发，提出具有可操作性饮用水安全生产及供给的保障措施。
5 结语
保障饮用水安全是关系到国计民生的重要问题，也是整体建设小康社会的重要考量指标。随着广大人民群众对饮用水质量要求的不断提升，在接下来逐步实现龙头水稳定达标同时，未来饮用水水质追求口感优良、优良健康的趋势日渐明显；在保障水质安全的前提下，不断突破快效绿色的水处理技术，发展不加药或少加药、短流程、资源能源集约/绿色利用的新时代自来水厂工艺，也将是饮用水科技创新的重要发展方向；随着物联网、人工智能、大数据等信息技术等在供水领域的应用不断拓展和融入，未来的饮用水系统将更加智能与智慧，这也将有效推动供水行业的快速发展；通过复杂化、系统化、自适应、韧性可行系统的建设，构建出源头到龙头的多级风险管控体系，未来将大大提高供水行业的效能和供水安全保障水平。
随着社会经济快速发展和生活水平不断提高，人民对美好生活的需求日益增长，群众对安全健康要求逐渐提高。饮用水安全是人民群众关心、与身体健康关系*密切的重大民生问题之一。党中央、国务院高度重视饮用水安全问题，中央领导也曾多次作出重要批示，“让百姓喝上放心水”，是党和国家对广大人民群众的庄严表态。
“十一五”以来，为切实提高我国饮用水安全保障水平，国家启动实施了国家重大水专项，专门设置了饮用水安全保障主题，通过科技攻关带动行业快速发展，我国饮用水行业已迈入了高速发展的新时代。近年来，关于优良饮用水、高品质饮用水、健康饮用水、智慧水务、巨大规模供水体系、可持续供水系统、现代自来水厂等新的理念、概念不断涌现，北京、上海、深圳等巨大城市也相继提出和实施了大规模新的饮用水改善工程，多个城市2035规划明确提出饮用水整体水质达到或优于世界发达国家城市，全国饮用水行业技术和管理发展逐步进入了新的发展阶段。
一方面，小康社会的建成以及人民对美好生活的向往将推动我国饮用水水质的进一步改善与提升，更大规模的饮用水设施改造与提升是未来本领域建设的重要内容。
另一方面，随着现代绿色发展、信息技术、人工智能、新型材料、高端制造、系统集成等新兴行业的快速发展与渗入，智慧城市的建设如火如荼，我国饮用水行业的理念已发生新的转变，与相关的技术结合和落地应用已成为行业的共识。近年来，上述两大因素大大地推动着我国饮用水行业的发展。对于接下来15年乃至未来饮用水行业方向和供水系统的构建，可基本遵循以下4个理念：
饮用水水质发展将遵循“安全与健康（Safe & Healthy）”理念。
饮用水的工艺设施发展将遵循“低碳与绿色（Saving & Green）”理念。
饮用水系统的运维将遵循“智慧与智能（Smart & Intelligent）”理念。
饮用水供水安全体系将遵循“系统与韧性（Systematic & Resilient）”理念。
1 “安全与健康（Safe & Healthy）”的理念
饮用水水质的保障提升是供水领域持续追求的工作目标。2007年《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）颁布实施，水质检测指标由原来的35项扩展到106项。经过十余年间的努力，我国饮用水水质大幅提升，城市饮用水水质达标率提高到了目前的98%以上。为进一步满足人民对美好生活的向往，接下来一方面城市供水水质发展目标将从出厂水稳定达标转变为龙头水稳定达标，另一方面将从合格水转变为更加优良健康的饮用水，更加重视饮用水口感。为此，未来将从饮用水水质目标、水质标准、水质评价3个方面进一步推动提升饮用水水质，突破健康效应引导的风险污染物识别与控制技术，构建饮用水水质安全健康评价标准体系等。在发展目标方面，饮用水水质目标从“合格、达标”向“安全、优良、健康”转变，除了关注对人体健康有害的指标及限值外,也需要逐步关注对人体有益的指标及限值；标准导向方面，饮用水水质标准从“常规污染物”向“常规+优控污染物”转变，当前更加符合我国水质特征和用水需求的水质标准也正在修订完善中；健康评价方面，饮用水水质评价从“水质指标评价”向“健康效应评价”转变，在关注单一微生物造成的生物风险、水中化学物质导致的毒理学问题的基础上，更加关注基于复合污染效应的水质安全与健康评价等。
2 “低碳与绿色（Saving & Green）”理念
近年来，我国相继发展了多种预处理、强化常规和深度处理工艺，并实现集成性创新，有效解决了高藻、高有机物、高氨氮、异嗅味、重金属、氟砷等突出水质污染问题。目前各类组合式、长流程的净水工艺已成发展趋势，“生物或化学预处理—强化/常规处理—臭氧生物活性炭处理技术”已成为我国饮用水深度处理主流工艺；“预处理+强化/常规+超滤膜/纳滤膜”处理技术也在逐步大量应用。然而，现有我国净水厂普遍存在工艺冗长、运维耗能、药剂量大等突出问题，与绿色可持续发展理念存在较大的差距。为此，未来将从洁净能源、物质节约及环境友好3方面提升未来水处理系统效能，实现水厂可持续发展。
在净水工艺方面，净水流程与水源水质适配，对风险进行高准调控，水处理工艺向近自然处理、短流程、快效能系统转变，让水处理过程更简约。
在资源利用方面，系统能量流与物质流朝低碳、节约、集约化等方向持续发展，综合利用清洁能源（风能、光伏发电等），并行开展水泵节能降耗与正确投药，让水处理过程更清洁。
在环境友好方面，激发太阳光和分子氧的氧化能力，推广应用无机膜，尽量“少用与不用”化学药剂，减少新生废物的产生，让生产的水更健康。
3 “智慧与智能（Smart & Intelligent）”理念
随着 21 世纪网络化、数据化时代的到来,现代信息技术已经并将继续深刻改变传统产业发展模式，加速产业的变革。生产管理的智慧智能代表着未来发展方向，如何充分利用快速发展的大数据、人工智能和信息技术构建智慧化供水系统是世界各国普遍关注的方向。针对我国城镇供水系统设施老化、漏损多发、能耗高企、管理落后等突出问题，未来要深度融合人工智能、大数据、物联网，建立供水智能物联网与在线监测大数据平台，突破漏损控制、优化运行、事故预警等供水智慧化运营核心关键技术应用，构建以智慧水厂和智慧管网为核心的供水系统智能数字孪生体。
在智慧水厂建设方面，可利用BIM、工艺单元数学建模、虚拟现实等技术构建饮用水处理工艺单元的虚拟仿真模型，结合由水质、水位、水压等多类型新型传感器组成的在线监测网络，围绕混凝剂智能化投加、沉淀、（膜）过滤、消毒工艺参数的优化及工艺过程的智能调控等核心应用，构建数字孪生饮用水厂。
在智慧管网建设方面，利用三维GIS、管网在线水力水质模拟、机器学习算法等手段构建供水管网的实时在线模型系统，围绕智能优化调度、漏损爆管侦测与定位、管网水质保障与突发污染防控等核心应用，构建数字孪生供水管网。通过供水系统数字孪生体的构建，为未来的供水系统的智能化与智慧化运行提供技术与平台支撑。
4 “系统与韧性（Systematic & Resilient）”理念
饮用水保障系统涉及到水源、水厂、管网、二次与末端供水等系列环节，涉及到规划、设计、建设和运行维护等多个过程，因此需要统筹考虑、系统治理，强调系统性、协同性和整体性。针对现有体系应对供水安全风险和突发事件能力弱等问题，未来将从设施抵御风险强化、规模化系统集成、顶层规划设计等方向发展，构建高韧性、快速响应的饮用水系统。以抵御风险为目标导向，供水系统从单元适配向源-厂-网联动、自适应方向转变与发展；以系统集成为实践途径，传统市域独立系统通过城市群的协作，实现原水和清水的互联互通，统筹联动；通过顶层谋划，着眼顶层“规划-设计-建设-运行”全过程设计，实现未来饮用水系统应对随机或确定事件韧性的特征。综合分析城市饮用水安全保障面临的优势和劣势、挑战和机遇，从突发事件、承灾载体、应急管理等维度出发，提出具有可操作性饮用水安全生产及供给的保障措施。
5 结语
保障饮用水安全是关系到国计民生的重要问题，也是整体建设小康社会的重要考量指标。随着广大人民群众对饮用水质量要求的不断提升，在接下来逐步实现龙头水稳定达标同时，未来饮用水水质追求口感优良、优良健康的趋势日渐明显；在保障水质安全的前提下，不断突破快效绿色的水处理技术，发展不加药或少加药、短流程、资源能源集约/绿色利用的新时代自来水厂工艺，也将是饮用水科技创新的重要发展方向；随着物联网、人工智能、大数据等信息技术等在供水领域的应用不断拓展和融入，未来的饮用水系统将更加智能与智慧，这也将有效推动供水行业的快速发展；通过复杂化、系统化、自适应、韧性可行系统的建设，构建出源头到龙头的多级风险管控体系，未来将大大提高供水行业的效能和供水安全保障水平。
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