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主要國家水資源管理創新趨勢(一):日本、韓國、新加坡

阮讌淇、賴允政、薛孝亭/ 發布日期:2022/07/08/ 瀏覽次數:189

一、前言

面對全球暖化及各種環境污染的影響,世界各地都共同面臨益嚴重的洪災、乾旱及水污染等嚴峻的威脅與挑戰,各國的自然與社會條件不同,因應方式也所差異,如何透過新興科技,例如人工智慧、大數據等科技發展智慧水資源管理(Smart Water Management, SWM)以提高水資源的使用效率,是各國重要的課題。日本、韓國與新加坡等三個亞洲鄰國的相關政策、水資源管理的數位整合與工具、數位水資源計畫 的主要成果以及未來的行動計畫等經驗值得我國相關政策的參考。

 

二、水資源管理主要權責單位

我國鄰近的日本、韓國與新加坡等三個國家的自然條件不同,水資源相關管理單位與法規亦有不同的職掌與方向(圖一、圖二)。日本的主要水資源為水壩、河流和湖泊等地表水,有7個河流系統支持超過50%的總人口和工業活動的用水,且水資源由多個政府部門和機構管理與監管,如國土交通省、水務廳。韓國主要以水壩、河流和地下水為主要水資源,韓國環境部(MoE) 為管理國家水資源管理的主要機構,韓國水資源公司(K-water)則是在韓國環境部授權下的國有企業。新加坡人口稠密且土地有限,主要水資源來源包含水庫和雨水收集以及從馬來西亞進口的水,水資源管理的關鍵戰略是「收集每一滴水」,公用事業局(PUB)與國家環境局(NEA)等為該國水資源管理的重要單位。

 

 

 

三、水資源數據整合平台與數位工具

為因應各國不同的水資源環境與社會條件以提高水資源的使用效率,日本、韓國與新加坡的水務單位建構了不同形式的資料庫與工具,簡介如下: 

(一) 日本 
1. 海洋和水質監測
環境省下屬的水、空氣和環境局(The Bureau of Water, Air, and Environment)負責監測全國9,000多個地區的水質資訊,所有水質數據會在環境省進行整合後公布。此外,日本環境技術協會(JETA)由多家日本電子企業組成,通過國際技術合作,對水質和大氣的監測技術進行改良和系統化。

2. 防洪與管理 
國土交通省(MLIT)透過開發雨水儲存與滲透設施、河道資訊監測等,制定綜合防洪措施;透過與地方河道管理相關單位合作建立地區河道資訊系統,收集河道水位、降雨量等資訊並整合到國家河流資訊系統中,提供河流資訊共享。此外,該系統同時整合了氣象廳的降雨預測數據,並提供洪水預報,以作為政府當局判斷或發布警告的依據。

3. 供水設施檢查與維護
日本水務廳(JWA)主要對水壩、運河、攔沙壩等設施進行監測及水質的檢查。監測的數據可用於設施功能分析、維修規劃與風險預測等,例如告知水用戶的洪災風險或是合適的補救時機等,以提高水資源安全。

(二) 韓國
K-water主要負責韓國水資源開發和管理等業務,其所開發之智慧水資源管理工具包含以下三種:
1. 水資源管理預測/營運
K-water利用其過去數十年來累積的水資源管理技術與經驗,並且結合了先進的ICT技術,開發出決策支援工具-K-water Hydro智慧工具包(K-water Hydro Intelligent Toolkit),以即時監測水資源數據預防洪水以及確保供水。該工具包主要含蓋以下數種水資源管理技術:
(1)即時水文數據採集和處理系統 (RHDAPS): 可透過網路蒐集、傳輸、處理、保存相關數據,實現水文數據即時監控。
(2)降雨預報系統(PFS):經由精細的地貌與大氣動態分析,提供全韓國各區域的降雨預測。
(3)洪水分析系統(FAS):能進行洪水分析、降雨徑流分析,並可模擬水壩的運行與洩洪對下游的影響。
(4)水庫供水系統(RWSS):該系統估計流域水流量,並且能模擬大壩與堰的運行並且提供優化分析,同時可評估水源污染的影響範疇與水質改善效果。
(5)發電整合操作系統(GIOS): 可遠距監控大壩水力發電系統(包括發電、輸配電和閘門)。

2.水資源維護與安全管理
建立以預防為中心的設施。結合水資源安全管理系統和水庫危險分析評估,以提高水資源設施的安全性,其核心技術包括:(1)K-water地震監測系統 (KEMS):進行地震監測,以提高設施安全。(2)水資源安全管理系統(WRSMS):使用 22 種儀器即時監測水庫,若有位移異常、洩漏等異常即會發出警報。

3.流域/河流/水庫水質管理
開發以超級電腦運算為基礎的綜合水質預測系統-SURIAN(Super-computer-based River Analysis Network)。該系統整合氣象預報、流域、河流和水庫模型,可即時監控水質並提供精確的水質預報資訊,以強化危機處理。

(三) 新加坡
公用事業局(PUB)國家環境局(NEA)為新加坡永續發展與環境部(MSE)下屬的法定機構。PUB負責新加坡供水、集水和用水等水資源的管理。NEA則負責環境清潔與安全、廢物管理、污染監控與天氣預報。PUB與NEA開發了多項水資源數位工具與監測系統,簡介如下:
1. 排水系統和洪水監測
PUB在排水道和運河中安裝感測器,可即時監測水位,並可向民眾發送水質與山洪警報等資訊。

2. 飲用水水質監測
PUB開發了WaterWise 智慧水網系統,可即時監測供水網的水壓、水質、pH 值、電導率及濁度。

3. 降雨監測和預報
PUB結合雨量計、閉路電視等監測系統以及人工智慧技術,開發降雨預測系統;同時,亦與相關業者(如Furuno)合作開發雷達系統,能結合氣象局的降雨預報資料,提供強降雨預測,以提高城市洪水管理效率。

4. 沿海水質監測
為了定期監測沿海地區的水質,NEA在海岸線周圍建立了一套由8個即時水質監測浮標組成的監測網路,可將溢油、優氧化及藻類繁殖等數據傳到管理系統,對新加坡沿海水質進行最佳化管理。

 

四、智慧水資源管理重要計畫與成果

日本、韓國與新加坡等國積極將人工智慧、大數據、雲端儲存與計算及數位孿生等新興數位科技應用於水資源管理。重要計畫與成果如下所述:

(一) 日本
1. 供水物聯網推廣 (Promotion of IoT Utilization in Water Supply)
厚生勞動省自2018年以來即積極推動「供水業務中推廣物聯網利用模式」(Promotion of IoT Utilization Model in Water Supply Business) 計畫,旨在支自來水公司採用物聯網(IOT)以及虛實整合系統(Cyber-Physical System, CPS)等先進技術以提高監測及供水效率,例如利用智慧水錶監測用水情況,或者分析流量計、壓力錶等數據,以及早發現漏水、優化配水和故障預測等。

(二) 韓國
1. 瑞山智慧水管理
瑞山市於2016 年引入由 K-water管理的智慧水管理(SWM)系統以因應長期乾旱,並且減少漏水。該計畫在供水網絡安裝智慧水表,並將數據與中央監控系統連接以蒐集即時的水流量、水壓等數據,有助於發現可能的漏水點。同時,藉由分析客戶使用模式,透過水壓管理降低漏水機會。試驗結果顯示每年可減少歐19萬立方公尺的漏水。

2. 坡州智慧水城
坡州市在2014年實施智慧水城(SWC, Smart Water City)試驗計畫。K-water於該計畫中建立了一個智慧水管理系統,將ICT技術整合至自來水供應流程(包括從水源到水龍頭),對水量與水質進行科學化管理,提供居民安全的用水。同時,市民可以透過水質公告或智慧手機應用程式即時檢查使用的水質。該計畫改善了當地自來水水質,全市自來水直接飲用率亦大幅提高(1%提高到36.3%),自來水的滿意度也顯著提升(從80.7%提高到93.8%)。

(三) 新加坡
1. 物聯網水質遙測
PUB與學研單位/公司合作(如ST Engineering、新加坡國立大學),探索多種物聯網技術,以對水庫進行監測,例如:(1)SWAN計畫 (SWAN Project):2018 年PUB 啟動智慧水評估網路(Smart Water Assessment Network, SWAN) 計畫,使用 5支機器人天鵝來監測水庫的水質。該天鵝配備水採樣設備,可即時採集數據並監測水質,且數據可透過雲端供分析人員使用。(2)自主無人機 (Autonomous Drone):2021 年PUB 在六個水庫部署無人機,配備遙測系統,可對水濁度和藻類濃度進行影像分析。

2. 水回收廠數位孿生
PUB與Jacobs集團合作,為樟宜水回收廠建立數位孿生系統。該系統可即時監測廠內的設備,並可透過機器學習不斷調整與優化設備的處理效率,以改善水質並減少能源和化學品的消耗。

 

五、未來行動計畫

以下分別列出這三個國家於智慧水資源管理相關之未來行動計畫:

(一) 日本 
100%安裝智慧水表 (100% Installation of Smart Water Metering)
在日本水研究中心(JWRC)的幫助下,日本訂定2025年全面安裝智慧水表的目標,規劃透過智慧水表自動化收集用水數據,以改善用水效率與克服勞動力短缺等問題,並且幫助自來水公司降低營運成本。此外,智慧水表亦可提高居民的節約用水意識,同時還可提供監控照護等附加服務,例如可以透過廚房和廁所的水使用資訊,來檢查獨居老人或確認孩子是否已經回家。

(二) 韓國
碳中和智慧水管理 (Carbon-Neutral Smart Water Management)
為了於2050年實現碳中和,韓國政府計劃在污水處理廠採用以人工智慧為基礎的自動化水處理系統,以減少碳排放、簡化營運成本並提高安全性。預計在未來5年內將全國多座淨水廠、污水道以及污水處理廠實現智慧化。同時,首爾市政府亦宣布將在其4個重要的污水處理廠設置智慧化處理系統,期望到2030年時,這些污水處理廠能根據生化需氧量(BOD)、養分濃度和溶解氧等關鍵水質指標,自行優化水處理程序。

(三) 新加坡
智慧PUB路線圖 (Smart PUB Roadmap)
為了解決水資源短缺、運營成本上升等挑戰,PUB預計將整個供水網絡數位化,以實現更智慧化的水資源管理。智慧PUB路線圖規劃目標如下:
1.智慧排水網(Smart Drainage Grid):綜合性水文監測、預測性排水和洪水管理等。
2.智慧水處理廠(Smart Plants):利用數據優化營運和決策支持、自主營運與安全監控。
3.智慧供水網(Smart Water Grid):水質與流量監測、預防性洩漏檢測、用水需求預測與預測性負載調度。
4.智慧下水道網(Smart Sewer Grid):故障預測與維修安排、監控網絡和隧道結構完整性、追踪非法排放。
5.數位化營運(Digital Operation Support):改善操作系統並實現全面性監控、利用自動化流程提高生產力、透過數位平台改善服務與共享知識。

 

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