SCI搬運工 | 城市暴雨廢水管理如何應對新出現的機遇和威脅

為了服務更多水行業技術人員，《淨水技術》雜誌社以我國一線水行業技術工作者對最新科研成果與動態的求知需求為出發，按主題的形式對過去一年周期內的最新SCI文獻成果進行梳理，力求通過專題式的信息為廣大讀者提供更為聚焦的幫助。

美國《科學引文索引》（Science Citation Index, 簡稱 SCI ）於1957 年由美國科學信息研究所（Institute for Scientific Information, 簡稱 ISI）在美國費城創辦，是由美國科學信息研究所（ISI）1961 年創辦出版的引文資料庫。SCI（科學引文索引）與EI（工程索引）、ISTP（科技會議錄索引）被並稱為世界著名的三大科技文獻檢索系統。

遍布傳感將為城市水管理帶來許多機遇和威脅，而今天人們對此知之甚少。為了確定最相關的趨勢，作者進行了一次天際線掃描，以了解遍布傳感將如何塑造城市排水和廢水管理的未來。

不可避免的改變的邊界條件

信息和通信技術（ICT），在線傳感器，和自主能源的最新發展使城市水系統遍布的傳感技術即使在偏遠和地下的位置仍然經濟可行。這將有助於對水基礎設施和社區健康指標進行監控和管理，進而為社會提供切實的信息反饋。

但是，大量新數據的湧入也帶來了許多新問題。作者推測，鑑於當前數位技術日益普及和創新錯綜複雜的時期，確定此類技術可以並且應該解決哪些挑戰變得越來越重要。

各種形式的天際線掃描法已應用於（i）支持政策制定，（ii）估計市場潛力（例如高級氧化或在線細菌監測），以及（iii）識別其他研究領域（例如全球保護和生物多樣性）。以下兩個關鍵發現尤為重要：（1）天際線掃描法是對於早期探知未來重大發展的最常用的預見方法。（2）如果有一個中央機構始終如一的支持，則前瞻性工作更有可能得以維持。天際線掃描法是一種用於系統篩選未來社會趨勢的成熟方法，因此也可用於評估與水領域遍布傳感相關的風險和機會。天際線掃描法可以及時了解水域遍布傳感，新興數據源以及相關技術所帶來的機遇和威脅。它非常適合考慮城市水領域要達成的目標的優先級並將這些目標融入到城市水管理的變化中。作者的研究結果表明，城市水的新興話題將需要一種更加全面的方法，需要水生生態學以及IT和計算機科學方面的專業知識。因此，作者認為跨學科研究對於確保數位化世界能夠如許多人所設想的那樣至關重要。

天際線掃描法有助於確定當前趨勢和未來發展

小組對目標進行了定義：「水領域專業人員尚未廣泛了解的數據相關的新興話題是什麼，這些話題可能對城市暴雨和廢水系統的監測和/或管理產生什麼重大影響？」然後，作者進行了如下工作：收集話題——通過消除重疊，將話題最終整理——在線調查——中間研討會——數據分析。

在線調查

在線調查旨在向全球社會諮詢以下問題：（i）對話題的熟悉程度；（ii）話題的重要性，即對城市暴雨和廢水管理的影響。對於（i）話題熟悉度，（ii）話題重要性，（iii）情景可取性，和（iv）情景真實性的指標取值為0到100，0表示完全不，100表示完全是。

數據分析

作者把一個話題定義為「新穎」的標準是「重要性」>「熟悉度」。為了確定十大新興話題，作者計算了話題中回答「重要性」大於「熟悉度」的答案的百分比。作者也僅根據重要性確定了十大新興話題和最令人擔憂的願景2030（如「不期望」和「現實」）。此外，作者收到了450條個人評論，作者認為其中124條特別相關（90條專題性評論；22條是新話題；12條關於調查方法）。作者提取了3個反覆提及的引人注目的方面，因此反映了一個相當普遍的看法。

數據傳送與數據需求：從全球城市水資源社區獲取信息

1. 六個主題和35個話題

根據主題接近程度，將35個新興話題分為六個不同的主題（見圖1）

主題一，新興數據源，指的是通過監測和管理暴雨和廢水系統提供的許多機會和新見解。主題二，數據管理和建模，關注新的、可以將不斷增加的數據量和多樣性轉換為相關信息的工具的可用性。主題三，數據和涉眾之間的交互，合併了與組織、優化和適應系統理解的專用工具需求相關的主題。主題四，「新水技術」的主題涵蓋了新的工藝概念和設計，這些概念和設計可顯著提高雨水和廢水系統的適應性、智能化和彈性操作。主題五，新服務，將與超出暴雨和廢水系統傳統目標的新目標相關的主題聚集在一起。主題六，社會價值觀和實施，關注的是數據比以前更容易獲取、顯示出更好的質量和涵蓋更廣泛的相關參數的事實。它還審議了有可能改善城市水系統管理並使社會能夠更有效和更高率地追求其價值觀的話題。

2. 社會回復

完成了118項完整調查和191項部分調查。完整的回答主要來自學術部門（60%），其次是諮詢公司（20%）和公用事業公司（15%）；製造商、政府和學生的回答總共不到5%。歐洲（67%）和北美（21%）是主要調查區，只有少數來自南美洲，非洲和澳大拉西亞。

3. 前十新興話題

排名前十的新興話題如圖1所示。對於這些話題，超過75%的回答是在新穎區，也就是說，重要性比熟悉度更高。隨後，按新穎性順序簡要介紹了十個新興話題和潛在影響的例子：

（1）將水生生態與排放聯繫起來

全球變遷通過城市化、人口遷移模式和氣候變化的加劇而顯現出來，強烈影響著城市河流的生態條件。綜合集水區和廢水相關方面的充分管理對於減輕這些影響至關重要。然而，實際上，城市暴雨和廢水管理通常是根據標準參考的物理化學（營養鹽和汙染負荷）和水力排放標準進行管理的。近年來，對暴雨和廢水暴露及其對生物群的影響的機制認識有了很大的提高。儘管取得了這些進展，縮小生態和工程績效指標之間的差距仍然很困難。此外，涉及的相關研究人員通常在其各自領域相對孤立。跨學科的能力有限，各種（城市排水）壓力源和生物指標之間缺乏明確的定量因果關係，這往往是由於缺乏足夠的數據。最近的研究中強調了沉積物的生態毒理學相關性。對於「城市」懸浮固體的出現和特徵（濃度和粒度分布動態、汙染物負荷）及其對水生生物造成有害影響的了解有限，需要進一步的研究。雨水排放中微量汙染物在多大程度上相關？這如何轉化為處理結構的設計原則和性能評估？新的監測技術（例如，現場人力資源管理、被動抽樣、eDNA）、更一致和完整的數據集、統一的指標和跨行業的思維可以持續促進相關討論。

（2）強化學習

找到可以實現（長期）目標的複雜系統的控制規則是一項非常困難的任務。傳統上，這類規則是從深入或廣泛的系統理解中派生出來的。系統模型可以用來驗證和完善規則。但與以上情況相反，強化學習（RL）旨在避免這種人工操作。它是一種通用的方法，旨在自動設計一個好的決策策略或控制策略。RL通過試錯有效地調整決策過程，往往需要大量的探索性行動，然後觀察獲得的結果。人工神經網絡和RL結合（所謂的Deep-RL）的最新進展表明，這種結合對於各種不同的系統都有很好的性能。為了將RL應用於城市水管理，需要定義激勵函數（例如，最小化汙染物排放）和系統模型的可用性。RL可以潛在地替代許多日常操作的工程啟發式方法，從而獲得更好的系統性能，並且有可能輕易地改變控制策略以遵守新的法規或科學發現。然而，定義一個反映多個目標的主觀偏好的激勵函數仍然具有挑戰性。

（3）本體

基於本體論的決策解決方案來源於AI的研究，特別是側重於推理和邏輯的部分。這通常需要兩個元素。第一個元素是本體論，它被定義為特定領域（例如城市水管理）可用知識的系統表示。第二，構建一個人工推理器，即一個基於計算機的算法，它可以成功地利用可用的知識自主決策或向專家用戶提供建議。事實上，一個通用的基於知識的問題解決方案還沒有出現。儘管本研究處於早期階段，但基於本體的模型選擇和決策的早期應用顯示了象徵方法的潛力。

（4）網絡安全

城市供水系統的日益數位化對其安全性提出了若干挑戰。雖然物聯網提供的監測能力將大大改善設計、操作和控制的決策過程，但只有在設備產生和發送的數據能夠以非常高的可靠性的情況下，才能實現這一點。可以設想出幾種災難性的情況。一種相當簡單的情況是，惡意代理通過造成暫時或永久性的損害，以威脅人類安全或環境安全的方式來擾亂城市水基礎設施。一種更精巧的情況是，惡意代理篡改數據，從而觸發人類操作員犯錯誤決定。顯然，網絡安全不僅對現有基礎設施的管理至關重要，而且確保了城市水基礎設施（幾十年來明顯改善了人們的生活）仍然是生活在城市地區的公民高度重視的資產。

（5）複雜性：盲目信任

城市水系統測量的不斷增加，帶來了大量的數據。這可能會壓倒人工操作人員，但同時它允許通過自動化許多操作任務來實現更靈活和高效的系統。人們可以很容易地想像，自動化的解決方案可以在正常的日常操作中減輕甚至取代人類。但是，如果發生非常罕見的事件或技術故障，自動解決方案可能會失敗，仍然需要人工幹預。這就需要擁有可靠專業知識的操作人員來操作這些系統。由於缺乏現實環境中的培訓機會，當系統大部分時間自動運行時，獲得這種專門知識（往往以直覺和深刻理解的形式存在）變得更加困難。

（6）微汙染與病原菌監測

公眾對微汙染和病原體引起的未來人類健康問題的認識正在迅速增長。越來越敏感和可以使用自動化的高通量分析方法量化日益增多的微汙染和病原體。這些新技術的應用將以高時空解析度提供無處不在的數據，以便更好地了解微汙染的發生和其走向以及病原體（例如，多重耐藥物種）（或兩者共同）的變化性質。這將有助於更好地保護人類和生態系統的健康。最後，為了保護環境和直接飲用水再利用，大規模實施先進的廢水處理技術，以減少這些微汙染和病原體，美國、瑞士、中國、加拿大、瑞典、荷蘭等國進行了大量投資。有效地評估性能要求對廢水進行高頻監測，以確保排放符合排放許可證的要求。

（7）環境DNA（使用環境DNA（eDNA）對自然和工程水生生態系統進行生物監測）

水生態系統中的生物可以指示生態系統健康，以及是否存在特定汙染或環境條件的變化。今後，應用環境DNA（eDNA）技術可以解決物種存在性、豐富度和生物多樣性等方面的挑戰。首先，利用eDNA監測水生態系統可以提供不同分類群的標準化方法，這將提供更準確的數據。其次，數據將更加完整，因為eDNA不太容易出現低密集度、或稀有物種的種群缺失。eDNA可以大大改善對汙染物排放或水生物種變化影響的跟蹤。可攜式實時儀器的開發甚至可以開闢下一代服從方案，並為新的保護策略提供信息。

（8）全球轉型風險增加，可能會擾亂城市汙水系統的運行

城市供水系統主要受服務人口行為的影響。另一個重要的驅動因素是（i）政策和處理標準，（ii）管理要求，（iii）處理技術，（iv）能源或化學品等投入的價格，以及（v）產出的價值。在全球尺度上，全球風險感知調查確定的最重要風險都與城市水系統的性能有關，具體而言包括（i）極端天氣事件，（ii）減緩和適應氣候變化的失敗，（iii）水資源危機，即「淡水的可用質量和數量顯著下降」。此外，這些風險與衝突、移民等其他重要風險密切相關，這些風險會增加其可能性和影響。

（9）二次健康效益

城市水基礎設施的初級健康效益（減少水傳播疾病、防止極端天氣事件）已為人們所認識。近年來，研究人員也越來越意識到城市水基礎設施可以提供額外的二次健康益處。特別是雨水可以由多功能「綠色基礎設施」（例如，作為休閒區組成部分的蓄水池）管理。由於許多研究報告城市綠地對身心健康的積極影響，這種解決方案可能比傳統的「灰色基礎設施」更可取。目前的水管理規劃方法已經考慮了一系列廣泛的目標，在決策中考慮二次健康效益的更全面的規劃方法可能會促進更可持續的解決方案。

（10）現場高解析度質譜（HRMS）

在幾乎所有的水生態系統中，有機微汙染物的選擇都受到重要的動力學影響。不經常採集的樣品或複合樣品可能無法檢測或低估相關動力學和峰值。傳統的或替代的參數已經可以在高時間解析度下測量並證明獲得了新的科學和系統的理解。直接在現場進行長期的亞微量汙染物測量將有助於確定數千種化學品的來源和了解其命運。目標分析和非目標篩選的科學和監管應用包括：監測溪流中的農藥、工業排放的特徵、量化下水道溢流、改進廢水處理工藝的性能、識別非法洩漏和事故。

了解社會反應

作者分析了以下幾個方面，以構建大量調查條目，整合和解釋結果，並對該領域未來的天際線掃描法提出建議。

1. 新穎的話題可能需要更多的努力才能成為現實

作者的主要關注點是社會認為重要但可能需要更多努力才能實現的話題；這些話題與新穎話題相對應。某些話題，特別是主題四新水技術、主題五新服務和主題六社會價值觀及實施，受到調查對象的關注。因此，預計到2030年，將有大量相關行動和綜合解決方案。十大新穎話題的另一個有趣結果是將水生生態與排放聯繫起來。可能的解釋是：（i）需要對這一專題作進一步的研究（即認識不足）；（ii）對這一專題缺乏興趣，因為用現有的數據和工具難以解決這一問題（也導致缺乏知識）。

2. 許多已經在討論中的重要話題

同樣值得注意的是那些被社會認為重要的話題。主題二數據管理和建模是重要性排名中話題數量較多（四個）的主題，而主題一新興數據源中沒有重要話題。在新穎性和重要性排名的前十名之間存在顯著差異。網絡安全是城市水務領域一個新的（缺乏知識）和重要的課題，而迄今為止開展的工作相對較少。

3. 關於全球轉型以及數據和相關者之間交互的擔憂

個人層面的數據收集、相關的隱私洩露以及網絡安全和/或全自動系統帶來的風險在一定程度上反映了當今更廣泛的社會辯論。全球變化的不確定性及其如何影響城市水管理被視為威脅。儘管如此，全球轉型如盲目信任與複雜性和網絡安全同時被認為是新穎和新興的。儘管在令人擔憂的事情中排名靠前的話題可能並不吸引人，但作者認為它們特別相關。首先，因為潛在的強烈負面影響要求社會更好地了解相關風險和適當緩解措施的影響。其次，需要確定合適的合作夥伴，以實現未來跨學科的知識交流。

4. 個人評論揭示了首要的挑戰

對450多條個人評論的分析揭示了三個主要方面的問題。首先，對於通過侵犯隱私、機密性和安全標準而可能導致的數據濫用，存在著很大但模糊的隱患，這可能是由其他行業的數據洩露先例引發的。其次，參與者的評論揭示了一種改進現有數據管理的趨勢，而不是僅僅依靠「暴力」傳感器部署。這在某種程度上表明了社會內部的一種心態，即在考慮現有（數據）資源和利用新興數據收集之間保持平衡。第三，自動化被認為在各個層次和領域都越來越重要。同時，「失去控制權」被認為是一種非常不受歡迎的情況，但很可能發生。不要盲目相信完全自動化的自學方法（警告：應該讓人工智慧處於人類機構的監督之下）。

5. 未來調查的改進

當前天際線掃描的結果似乎有失偏頗，因為受訪者群體和他們的專業背景是同類性質的。作者認為，調整調查的傳播策略，以接觸具有社會科學、管理或生態背景的潛在受訪者可以得到更客觀的結果。

為了考察話題相似性是否影響到被調查者對前十名話題的回答排名，作者將每個話題的回答得分（35×35）進行了相關分析。結果表明，對「熟悉度」和「重要性」問題的回答是不相關的，尤其是對前十個話題的回答。10個新興話題的選擇也不受影響。雖然作者相信，大多數話題將出現在未來的天際線掃描中，特別是主題一和主題二中的話題應加以審查和合併。

調查的局限性在於受訪者的地域分布狹窄，不允許進行有代表性的全球評估，未來的前瞻性研究應謹慎地發布調查公告，以獲得更具代表性結果的地理平衡反饋。

作者仍然認為熟悉度和重要性的單獨激發是對兩個變量的方法學改進，但這兩個變量可能並不完全獨立。在此，作者假設（i）受訪者在該領域擁有足夠的專業知識，以及（ii）作者提供的具體情況足以進行合理的標準化評估。

最後，題目的排名並不總是很穩定，也就是說，排名不應該只考慮基數，例如第一和第二之間的距離與第五和第六之間的距離不同也需要考慮。儘管排名是基於量化評估，但排名2-5的主題得分幾乎相等，因此，不能認為一個主題比另一個更相關。可通過不連續點（1；2–5；6–10；11–35）識別聚類來評估穩定性。然而，天際線掃描是一種前瞻性的工具，因此，它提供了一種定性而非定量的觀察結果。

關鍵優先目標和未來展望研究

1. 將排放與水生生態聯繫起來

研究結果呼籲加強城市水工程與水生態交互的研究工作。

2. 考慮推拉驅動

城市水資源管理應為城市水資源數據的推拉兩方面做好準備。現代數位化的革命性有兩個方面：第一，外部數據現在成本較低，而且無處不在，有關人口估計/行為、天氣等重要邊界條件的信息將通過網際網路推送到SCADA系統和汙水處理服務中。第二，其他公用事業單位將對城市水數據更感興趣。在未來，作者可能會獲得將城市水管理數據「拉」到外部應用程式中的請求，因為它們包含關於社會行為的有價值信息。

3. 提高數據可用性具有挑戰性

第一，數據管理工具不能勝任質量檢查和過濾不可靠信息的任務時，有可能作者就在數據中「淹沒」。數據科學提供了許多方法，社會似乎在理論上對它們很熟悉。但在實踐中，發展的能力不足以充分發揮其潛力。透明和標準化數據處理草案可能有助於實現這一目標。其次，數據本身並不一定有價值，社會必須投入更多精力來定義量化目標，提出正確的問題，再通過數據來回答。

4. 未來的發展取決於路徑

雖然高能源需求是一個明顯的技術瓶頸，可能會阻礙更廣泛的分配，但目前尚不清楚監管是否會像一些國家立法中所觀察到的那樣，限制或促進這一技術。關鍵是要積極跟蹤當前的趨勢，對趨勢是否允許真正提高知識進行批判性評估該領域，並塑造新興技術，以促進可持續的城市水管理。

5. 兩個主要的未來展望

研究結果表明，未來會有越來越多的相關話題，特別是廢水工程與信息通信技術和生態應用的交互，這是一個明確的呼籲，需要更多的跨學科合作。其次，正在進行的數位化不僅帶來了技術變革，還需要組織調整。與攝影技術類似，在攝影技術中，備份數字圖像比複製模擬圖像更為重要，公共事業現在必須考慮新的存檔和報告過程。

6. 未來天際線掃描法

從城市水領域得到的積極反饋表明，天際線掃描是一項有用的實踐技術。當前的天際線掃描法可能是水行業專業人員進行專門調查的起點。考慮到提出供討論的話題的多樣性，社會和經濟科學、計算機科學家以及政治利益相關者的代表的進一步投入將是有價值的，應在下一期天際線掃描中加以考慮。作者建議在一個專業公用事業單位的統籌下這樣做，例如國際水協會或水環境聯合會。有一個獨立的機構接管這類倡議的管理工作，可以改善社會的反應，確保進行更具代表性的調查。

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來源：Blumensaat F, Leitão J P, Ort C, et al. How Urban Storm- and Wastewater Management Prepares for Emerging Opportunities and Threats: Digital Transformation, Ubiquitous Sensing, New Data Sources, and Beyond - A Horizon Scan[J]. Environmental Science & Technology, 2019, 53(15): 8488-8498.

排版：張蕾

校對：王佳

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