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智慧水資源管理國際政策觀察

薛孝亭、洪立萍/ 發布日期:2022/05/18/ 瀏覽次數:148

一、前言
在水資源短缺的壓力下,各國積極將傳統供水和廢水處理網絡朝向數位化且相互連接的智慧水資源管理(Smart Water Management, SWM)發展,以減少水資源浪費與能源消耗、提升水資源使用與再利用效率、預測設備故障或極端天氣事件(如強降雨)發生,進而滿足日益增加的用水需求,並且保障人民健康與安全。本文彙整美國、以色列、新加坡、荷蘭等國之智慧水資源管理相關政策,以供我國相關單位進行智慧水資源規劃之參考。

 

二、主要國家智慧水資源管理推動方向與成果介紹
以下針對美國、以色列、新加坡以及荷蘭等主要國家之近期智慧水資源發展投入與重點成果做介紹(政策動態摘要請參閱圖一): 

 

 

(一) 美國
美國都市用水和污水處理基礎設施多建設於40-50年前,為了因應近年來持續增加的水資源壓力,基礎設施現代化為政府關注的重點,包括將現有的水錶升級,以降低無收益水量(Non-Revenue Water, NRW,係指在尚未抵達需求端前即已損耗之水量),或採用各項智慧感測器技術,以降低風險和優化管理效率。以下以堪薩斯城智慧下水道計劃(Kansas City's Overflow Control Program, OCP)為例。2010年,堪薩斯城在與美國環境保護署(EPA)簽署優化該市下水道系統之協議後,宣布啟動25年期的智慧下水道計畫,預計投入數十億美元,改善城市廢水處理,並且對下水道進行現代化和智慧化更新,包括建造新的下水道基礎設施;提升汙水處理量能;設置綠色基礎設施,以貼近自然的方式管理雨水;採用數據驅動的解決方案(如智慧流量計)和創新溢流控制技術。
同時堪薩斯城與Xylem等廠商合作,結合既有的資產管理系統,建立智慧下水道網絡,以即時監控下水道,並可針對即將發生的重大天氣事件進行預測,以提早做準備減少溢流發生。該網絡首先透過安裝在水利設施上的智慧感測器,測量水流等相關數據,而後感測數據會傳送至後端人工智慧平台,並且結合氣象數據進行分析與預測,以引導雨水與廢水的流向,優化水資源的輸送、存儲和處理。同時,智慧下水道網絡還安裝各項監視設備,以確定下水道系統的運作狀況,並可盡早檢查出需維修之裝置。
預計未來智慧水基礎設施將逐漸於美國各地部署,感測器和物聯網等智慧技術的採用率將提高,以完善和促進水資源數據的收集。然而,迄今大量的水資源數據,保存於各個分散的資料庫中,例如各州的水質監測數據。資料結構不一致等問題,使水資源數據庫的串聯與整合面臨嚴峻的挑戰。目前EPA正致力於制定水質監測框架(The Water Quality Framework),以期解決上述挑戰。
 
(二) 以色列
以色列作為地處沙漠邊緣、水資源稀缺且安全威脅不斷的小國,一直面臨淡水資源嚴重短缺的壓力。政府制定了許多水資源管理相關的政策與法律,例如Water Measurement Law要求所有用戶須安裝水錶,並且重視水資源數據蒐集以及廢水回收、海水淡化等技術的發展。目前海水淡化成為以色列的主要飲用水來源,且有接近90%的廢水可以被回收,並做為農業灌溉使用。以色列水務方面的主管機關為水務局(Israel Water Authority, IWA),過去致力於供水網絡與相關設備上安裝智慧裝置(如智慧水錶、水質檢測裝置),蒐集用水量、水質等相關數據,除了用以監督水資源生產者和使用者以外,更透過數據分析,評估氣候變遷對以色列水資源的影響。
Mekorot為以色列政府擁有的水務公司,亦為世界領先的海水淡化與汙水處理系統供應商。Mekorot除了專注於節能的海水淡化技術發展以外,亦持續投入人工智慧等數位科技,以提升其營運和管理效率。主要的創新技術或開發中的項目包括: 智慧供水管理平台,能精簡營運流程、優化水資源處理效率、風險管理與決策支持等;智慧實驗室晶片(Lab-on-a-chip),可以安裝在水龍頭上,以監測、追踪水質,若水質不佳將會通知使用者;病毒監測系統,可檢測廢水中的病毒含量與種類,以分析可能的傳染病流行;網路安全系統,以保護水利基礎設施免受網絡攻擊。
儘管目前供水系統淡水供應穩定,水務局預計隨著人口持續增長和自然水資源減少,水資源短缺之壓力仍將持續增加,提高水資源再利用以及海水淡化效率之技術,仍是以色列關注的發展重心。此外,隨著可用於灌溉的淡水資源越來越少,將促使以色列改用更適合乾旱氣候的替代作物,或朝向更節省水資源使用的農業技術發展。


(三) 新加坡
新加坡儘管年雨量豐沛,但人口稠密且儲水面積有限,導致淡水資源嚴重缺乏。目前主要淡水來源包括:水庫、從馬來西亞進口的水、NEWater以及海水淡化。其中NEWater為新加坡研發的高純度再生水技術,可將廢水再生成晶圓廠使用之工業用水,並可在缺水期間成為飲用水源。新加坡政府致力於水處理、循環利用和供應管理等方面之水資源技術研發,以滿足用水需求,同時亦冀望在2060年前能實現水自主,擺脫對進口水的依賴。
公用事業委員會(PUB)為新加坡永續發展與環境部(MSE)管轄的委員會,負責新加坡水資源的處理、供給與安全等。PUB 正利用數位解決方案和智慧科技來強化其營運彈性、生產力、安全性。近期重要成果有: 與 Linkwise Technology合作,在水道中安裝傳感器,建立可實時監測水位的排水與洪水監測系統;建立智慧水網系統WaterWise,可以及時監測供水網絡的水壓和水質,並能提供用水需求預測;與新加坡水文資訊研究所(Hydroinformatics Institute)、Furuno廠商合作,開發一種雷達系統,可以精準預測未來30分鐘內的降雨量。
另外,水庫水質監測為PUB重要工作。PUB亦與當地廠商/研究單位合作探索了多種物聯網解決方案,以實現遠距水質監控。2018 年,PUB啟動 SWAN(Smart Water Assessment Network)計畫,利用與新加坡國立大學(NUS)合作開發的機器天鵝監測水庫水質。該機器天鵝可即時檢測水質,並透過雲端將檢測數據發送給PUB。此外,PUB亦於2021年5月宣布在水庫部署無人機。該無人機由ST Engineering所開發,可透過鏡頭分析水濁度和藻類濃度,並可監測船隻闖入等水上交通動態。
在未來規劃方面,PUB推出了智慧PUB路線圖(Smart PUB Roadmap),旨在將新加坡的整個水供應系統數位化,並期望透過智慧化的營運管理(包括水自動化處理、洩漏預測、智慧化供水與排水調度),以提高營運效率並滿足未來的用水需求。


(四) 荷蘭
荷蘭是一個地勢低窪且易有洪水的國家,為了使荷蘭得以免受洪水侵襲,減輕極端天氣事件的影響並確保淡水供應,政府致力於啟動Delta Program,期望到2050年,荷蘭具備因應極端天氣和抗洪水的能力,以保障人民生命安全與用水安全。為實現前述目標,荷蘭政府規劃在水資源安全與智慧堤壩等項目投入創新。在水資源安全方面投入災害預防管理技術開發,期望以最小的成本獲得最大的安全保障;在智慧堤壩方面,將在壩堤上安裝感測器,並結合物聯網與人工智慧等數位科技,開發各式創新監測與管理解決方案,達到遠距監控目的。此外,荷蘭政府正制定淡水供應策略(National Freshwater Supply Strategy, 預計在2027年前推出),規劃透過建立具彈性與韌性的淡水供應系統,以在乾旱時能有效地分配淡水。其中利用智慧水資源管理系統靈活地分配與儲存淡水,為該策略之重點項目。
另外,荷蘭在智慧水資源管理發展上有多項成果,包括建立汙水處理廠數位孿生系統、遠距運河水位與水質監測系統等。以汙水處理廠數位孿生為例,2021年4月,荷蘭林堡省水務局(Waterschapsbedrijf Limburg, WBL)與Royal HaskoningDHV合作,對其污水處理廠和相關設備進行數位化改造,並建立數位孿生系統,使WBL可在無風險的模擬環境中進行試驗、方案規劃和分析。除此之外,WBL亦規劃持續與Royal HaskoningDHV合作開發以數據科學為基礎的廢水管理。

 

三、結語
由於各國面臨著不同類型的水資源挑戰,因此在智慧水資源管理上有不一樣的發展重心,例如美國著重於老舊基礎設施的更新與數位化;以色列在海水淡化與智慧供水系統等方面皆有重要成果。台灣目前亦面臨著供水不穩等水資源的挑戰,因此,國內智慧水資源管理應可借鏡各國之發展經驗,在我國既有基礎與優勢上,找出適合投入之方向。

 

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