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SCI搬运工 - 城市暴雨废水管理如何应对新出现的机遇和威胁

佚名 科学 2020年12月03日

SCI搬运工 | 城市暴雨废水管理如何应对新出现的机遇和威胁

为了服务更多水行业技术人员,《净水技术》杂志社以我国一线水行业技术工作者对最新科研成果与动态的求知需求为出发,按主题的形式对过去一年周期内的最新SCI文献成果进行梳理,力求通过专题式的信息为广大读者提供更为聚焦的帮助。




美国《科学引文索引》(Science Citation Index, 简称 SCI )于1957 年由美国科学信息研究所(Institute for Scientific Information, 简称 ISI)在美国费城创办,是由美国科学信息研究所(ISI)1961 年创办出版的引文数据库。SCI(科学引文索引)与EI(工程索引)、ISTP(科技会议录索引)被并称为世界著名的三大科技文献检索系统。


遍布传感将为城市水管理带来许多机遇和威胁,而今天人们对此知之甚少。为了确定最相关的趋势,作者进行了一次天际线扫描,以了解遍布传感将如何塑造城市排水和废水管理的未来。




不可避免的改变的边界条件


信息和通信技术(ICT),在线传感器,和自主能源的最新发展使城市水系统遍布的传感技术即使在偏远和地下的位置仍然经济可行。这将有助于对水基础设施和社区健康指标进行监控和管理,进而为社会提供切实的信息反馈。




但是,大量新数据的涌入也带来了许多新问题。作者推测,鉴于当前数字技术日益普及和创新错综复杂的时期,确定此类技术可以并且应该解决哪些挑战变得越来越重要。


各种形式的天际线扫描法已应用于(i)支持政策制定,(ii)估计市场潜力(例如高级氧化或在线细菌监测),以及(iii)识别其他研究领域(例如全球保护和生物多样性)。以下两个关键发现尤为重要:(1)天际线扫描法是对于早期探知未来重大发展的最常用的预见方法。(2)如果有一个中央机构始终如一的支持,则前瞻性工作更有可能得以维持。天际线扫描法是一种用于系统筛选未来社会趋势的成熟方法,因此也可用于评估与水领域遍布传感相关的风险和机会。天际线扫描法可以及时了解水域遍布传感,新兴数据源以及相关技术所带来的机遇和威胁。它非常适合考虑城市水领域要达成的目标的优先级并将这些目标融入到城市水管理的变化中。作者的研究结果表明,城市水的新兴话题将需要一种更加全面的方法,需要水生生态学以及IT和计算机科学方面的专业知识。因此,作者认为跨学科研究对于确保数字化世界能够如许多人所设想的那样至关重要。






天际线扫描法有助于确定当前趋势和未来发展


小组对目标进行了定义:“水领域专业人员尚未广泛了解的数据相关的新兴话题是什么,这些话题可能对城市暴雨和废水系统的监测和/或管理产生什么重大影响?”然后,作者进行了如下工作:收集话题——通过消除重叠,将话题最终整理——在线调查——中间研讨会——数据分析




在线调查


在线调查旨在向全球社会咨询以下问题:(i)对话题的熟悉程度;(ii)话题的重要性,即对城市暴雨和废水管理的影响。对于(i)话题熟悉度,(ii)话题重要性,(iii)情景可取性,和(iv)情景真实性的指标取值为0到100,0表示完全不,100表示完全是。




数据分析


作者把一个话题定义为“新颖”的标准是“重要性”>“熟悉度”。为了确定十大新兴话题,作者计算了话题中回答“重要性”大于“熟悉度”的答案的百分比。作者也仅根据重要性确定了十大新兴话题和最令人担忧的愿景2030(如“不期望”和“现实”)。此外,作者收到了450条个人评论,作者认为其中124条特别相关(90条专题性评论;22条是新话题;12条关于调查方法)。作者提取了3个反复提及的引人注目的方面,因此反映了一个相当普遍的看法。




数据传送与数据需求:从全球城市水资源社区获取信息


1. 六个主题和35个话题


根据主题接近程度,将35个新兴话题分为六个不同的主题(见图1)






主题一,新兴数据源,指的是通过监测和管理暴雨和废水系统提供的许多机会和新见解。主题二,数据管理和建模,关注新的、可以将不断增加的数据量和多样性转换为相关信息的工具的可用性。主题三,数据和涉众之间的交互,合并了与组织、优化和适应系统理解的专用工具需求相关的主题。主题四,“新水技术”的主题涵盖了新的工艺概念和设计,这些概念和设计可显著提高雨水和废水系统的适应性、智能化和弹性操作。主题五,新服务,将与超出暴雨和废水系统传统目标的新目标相关的主题聚集在一起。主题六,社会价值观和实施,关注的是数据比以前更容易获取、显示出更好的质量和涵盖更广泛的相关参数的事实。它还审议了有可能改善城市水系统管理并使社会能够更有效和更高率地追求其价值观的话题。




2. 社会回复


完成了118项完整调查和191项部分调查。完整的回答主要来自学术部门(60%),其次是咨询公司(20%)和公用事业公司(15%);制造商、政府和学生的回答总共不到5%。欧洲(67%)和北美(21%)是主要调查区,只有少数来自南美洲,非洲和澳大拉西亚。




3. 前十新兴话题


排名前十的新兴话题如图1所示。对于这些话题,超过75%的回答是在新颖区,也就是说,重要性比熟悉度更高。随后,按新颖性顺序简要介绍了十个新兴话题和潜在影响的例子:




(1)将水生生态与排放联系起来


全球变迁通过城市化、人口迁移模式和气候变化的加剧而显现出来,强烈影响着城市河流的生态条件。综合集水区和废水相关方面的充分管理对于减轻这些影响至关重要。然而,实际上,城市暴雨和废水管理通常是根据标准参考的物理化学(营养盐和污染负荷)和水力排放标准进行管理的。近年来,对暴雨和废水暴露及其对生物群的影响的机制认识有了很大的提高。尽管取得了这些进展,缩小生态和工程绩效指标之间的差距仍然很困难。此外,涉及的相关研究人员通常在其各自领域相对孤立。跨学科的能力有限,各种(城市排水)压力源和生物指标之间缺乏明确的定量因果关系,这往往是由于缺乏足够的数据。最近的研究中强调了沉积物的生态毒理学相关性。对于“城市”悬浮固体的出现和特征(浓度和粒度分布动态、污染物负荷)及其对水生生物造成有害影响的了解有限,需要进一步的研究。雨水排放中微量污染物在多大程度上相关?这如何转化为处理结构的设计原则和性能评估?新的监测技术(例如,现场人力资源管理、被动抽样、eDNA)、更一致和完整的数据集、统一的指标和跨行业的思维可以持续促进相关讨论。




(2)强化学习


找到可以实现(长期)目标的复杂系统的控制规则是一项非常困难的任务。传统上,这类规则是从深入或广泛的系统理解中派生出来的。系统模型可以用来验证和完善规则。但与以上情况相反,强化学习(RL)旨在避免这种人工操作。它是一种通用的方法,旨在自动设计一个好的决策策略或控制策略。RL通过试错有效地调整决策过程,往往需要大量的探索性行动,然后观察获得的结果。人工神经网络和RL结合(所谓的Deep-RL)的最新进展表明,这种结合对于各种不同的系统都有很好的性能。为了将RL应用于城市水管理,需要定义激励函数(例如,最小化污染物排放)和系统模型的可用性。RL可以潜在地替代许多日常操作的工程启发式方法,从而获得更好的系统性能,并且有可能轻易地改变控制策略以遵守新的法规或科学发现。然而,定义一个反映多个目标的主观偏好的激励函数仍然具有挑战性。




(3)本体


基于本体论的决策解决方案来源于AI的研究,特别是侧重于推理和逻辑的部分。这通常需要两个元素。第一个元素是本体论,它被定义为特定领域(例如城市水管理)可用知识的系统表示。第二,构建一个人工推理器,即一个基于计算机的算法,它可以成功地利用可用的知识自主决策或向专家用户提供建议。事实上,一个通用的基于知识的问题解决方案还没有出现。尽管本研究处于早期阶段,但基于本体的模型选择和决策的早期应用显示了象征方法的潜力。




(4)网络安全


城市供水系统的日益数字化对其安全性提出了若干挑战。虽然物联网提供的监测能力将大大改善设计、操作和控制的决策过程,但只有在设备产生和发送的数据能够以非常高的可靠性的情况下,才能实现这一点。可以设想出几种灾难性的情况。一种相当简单的情况是,恶意代理通过造成暂时或永久性的损害,以威胁人类安全或环境安全的方式来扰乱城市水基础设施。一种更精巧的情况是,恶意代理篡改数据,从而触发人类操作员犯错误决定。显然,网络安全不仅对现有基础设施的管理至关重要,而且确保了城市水基础设施(几十年来明显改善了人们的生活)仍然是生活在城市地区的公民高度重视的资产。




(5)复杂性:盲目信任


城市水系统测量的不断增加,带来了大量的数据。这可能会压倒人工操作人员,但同时它允许通过自动化许多操作任务来实现更灵活和高效的系统。人们可以很容易地想象,自动化的解决方案可以在正常的日常操作中减轻甚至取代人类。但是,如果发生非常罕见的事件或技术故障,自动解决方案可能会失败,仍然需要人工干预。这就需要拥有可靠专业知识的操作人员来操作这些系统。由于缺乏现实环境中的培训机会,当系统大部分时间自动运行时,获得这种专门知识(往往以直觉和深刻理解的形式存在)变得更加困难。




(6)微污染与病原菌监测


公众对微污染和病原体引起的未来人类健康问题的认识正在迅速增长。越来越敏感和可以使用自动化的高通量分析方法量化日益增多的微污染和病原体。这些新技术的应用将以高时空分辨率提供无处不在的数据,以便更好地了解微污染的发生和其走向以及病原体(例如,多重耐药物种)(或两者共同)的变化性质。这将有助于更好地保护人类和生态系统的健康。最后,为了保护环境和直接饮用水再利用,大规模实施先进的废水处理技术,以减少这些微污染和病原体,美国、瑞士、中国、加拿大、瑞典、荷兰等国进行了大量投资。有效地评估性能要求对废水进行高频监测,以确保排放符合排放许可证的要求。




(7)环境DNA(使用环境DNA(eDNA)对自然和工程水生生态系统进行生物监测)


水生态系统中的生物可以指示生态系统健康,以及是否存在特定污染或环境条件的变化。今后,应用环境DNA(eDNA)技术可以解决物种存在性、丰富度和生物多样性等方面的挑战。首先,利用eDNA监测水生态系统可以提供不同分类群的标准化方法,这将提供更准确的数据。其次,数据将更加完整,因为eDNA不太容易出现低密集度、或稀有物种的种群缺失。eDNA可以大大改善对污染物排放或水生物种变化影响的跟踪。便携式实时仪器的开发甚至可以开辟下一代服从方案,并为新的保护策略提供信息。




(8)全球转型风险增加,可能会扰乱城市污水系统的运行


城市供水系统主要受服务人口行为的影响。另一个重要的驱动因素是(i)政策和处理标准,(ii)管理要求,(iii)处理技术,(iv)能源或化学品等投入的价格,以及(v)产出的价值。在全球尺度上,全球风险感知调查确定的最重要风险都与城市水系统的性能有关,具体而言包括(i)极端天气事件,(ii)减缓和适应气候变化的失败,(iii)水资源危机,即“淡水的可用质量和数量显著下降”。此外,这些风险与冲突、移民等其他重要风险密切相关,这些风险会增加其可能性和影响。




(9)二次健康效益


城市水基础设施的初级健康效益(减少水传播疾病、防止极端天气事件)已为人们所认识。近年来,研究人员也越来越意识到城市水基础设施可以提供额外的二次健康益处。特别是雨水可以由多功能“绿色基础设施”(例如,作为休闲区组成部分的蓄水池)管理。由于许多研究报告城市绿地对身心健康的积极影响,这种解决方案可能比传统的“灰色基础设施”更可取。目前的水管理规划方法已经考虑了一系列广泛的目标,在决策中考虑二次健康效益的更全面的规划方法可能会促进更可持续的解决方案。




(10)现场高分辨率质谱(HRMS)


在几乎所有的水生态系统中,有机微污染物的选择都受到重要的动力学影响。不经常采集的样品或复合样品可能无法检测或低估相关动力学和峰值。传统的或替代的参数已经可以在高时间分辨率下测量并证明获得了新的科学和系统的理解。直接在现场进行长期的亚微量污染物测量将有助于确定数千种化学品的来源和了解其命运。目标分析和非目标筛选的科学和监管应用包括:监测溪流中的农药、工业排放的特征、量化下水道溢流、改进废水处理工艺的性能、识别非法泄漏和事故。






了解社会反应


作者分析了以下几个方面,以构建大量调查条目,整合和解释结果,并对该领域未来的天际线扫描法提出建议。




1. 新颖的话题可能需要更多的努力才能成为现实


作者的主要关注点是社会认为重要但可能需要更多努力才能实现的话题;这些话题与新颖话题相对应。某些话题,特别是主题四新水技术、主题五新服务和主题六社会价值观及实施,受到调查对象的关注。因此,预计到2030年,将有大量相关行动和综合解决方案。十大新颖话题的另一个有趣结果是将水生生态与排放联系起来。可能的解释是:(i)需要对这一专题作进一步的研究(即认识不足);(ii)对这一专题缺乏兴趣,因为用现有的数据和工具难以解决这一问题(也导致缺乏知识)。






2. 许多已经在讨论中的重要话题


同样值得注意的是那些被社会认为重要的话题。主题二数据管理和建模是重要性排名中话题数量较多(四个)的主题,而主题一新兴数据源中没有重要话题。在新颖性和重要性排名的前十名之间存在显著差异。网络安全是城市水务领域一个新的(缺乏知识)和重要的课题,而迄今为止开展的工作相对较少。




3. 关于全球转型以及数据和相关者之间交互的担忧


个人层面的数据收集、相关的隐私泄露以及网络安全和/或全自动系统带来的风险在一定程度上反映了当今更广泛的社会辩论。全球变化的不确定性及其如何影响城市水管理被视为威胁。尽管如此,全球转型如盲目信任与复杂性和网络安全同时被认为是新颖和新兴的。尽管在令人担忧的事情中排名靠前的话题可能并不吸引人,但作者认为它们特别相关。首先,因为潜在的强烈负面影响要求社会更好地了解相关风险和适当缓解措施的影响。其次,需要确定合适的合作伙伴,以实现未来跨学科的知识交流。




4. 个人评论揭示了首要的挑战


对450多条个人评论的分析揭示了三个主要方面的问题。首先,对于通过侵犯隐私、机密性和安全标准而可能导致的数据滥用,存在着很大但模糊的隐患,这可能是由其他行业的数据泄露先例引发的。其次,参与者的评论揭示了一种改进现有数据管理的趋势,而不是仅仅依靠“暴力”传感器部署。这在某种程度上表明了社会内部的一种心态,即在考虑现有(数据)资源和利用新兴数据收集之间保持平衡。第三,自动化被认为在各个层次和领域都越来越重要。同时,“失去控制权”被认为是一种非常不受欢迎的情况,但很可能发生。不要盲目相信完全自动化的自学方法(警告:应该让人工智能处于人类机构的监督之下)。




5. 未来调查的改进


当前天际线扫描的结果似乎有失偏颇,因为受访者群体和他们的专业背景是同类性质的。作者认为,调整调查的传播策略,以接触具有社会科学、管理或生态背景的潜在受访者可以得到更客观的结果。




为了考察话题相似性是否影响到被调查者对前十名话题的回答排名,作者将每个话题的回答得分(35×35)进行了相关分析。结果表明,对“熟悉度”和“重要性”问题的回答是不相关的,尤其是对前十个话题的回答。10个新兴话题的选择也不受影响。虽然作者相信,大多数话题将出现在未来的天际线扫描中,特别是主题一和主题二中的话题应加以审查和合并。




调查的局限性在于受访者的地域分布狭窄,不允许进行有代表性的全球评估,未来的前瞻性研究应谨慎地发布调查公告,以获得更具代表性结果的地理平衡反馈。




作者仍然认为熟悉度和重要性的单独激发是对两个变量的方法学改进,但这两个变量可能并不完全独立。在此,作者假设(i)受访者在该领域拥有足够的专业知识,以及(ii)作者提供的具体情况足以进行合理的标准化评估。




最后,题目的排名并不总是很稳定,也就是说,排名不应该只考虑基数,例如第一和第二之间的距离与第五和第六之间的距离不同也需要考虑。尽管排名是基于量化评估,但排名2-5的主题得分几乎相等,因此,不能认为一个主题比另一个更相关。可通过不连续点(1;2–5;6–10;11–35)识别聚类来评估稳定性。然而,天际线扫描是一种前瞻性的工具,因此,它提供了一种定性而非定量的观察结果。






关键优先目标和未来展望研究


1. 将排放与水生生态联系起来


研究结果呼吁加强城市水工程与水生态交互的研究工作。




2. 考虑推拉驱动


城市水资源管理应为城市水资源数据的推拉两方面做好准备。现代数字化的革命性有两个方面:第一,外部数据现在成本较低,而且无处不在,有关人口估计/行为、天气等重要边界条件的信息将通过互联网推送到SCADA系统和污水处理服务中。第二,其他公用事业单位将对城市水数据更感兴趣。在未来,作者可能会获得将城市水管理数据“拉”到外部应用程序中的请求,因为它们包含关于社会行为的有价值信息。




3. 提高数据可用性具有挑战性


第一,数据管理工具不能胜任质量检查和过滤不可靠信息的任务时,有可能作者就在数据中“淹没”。数据科学提供了许多方法,社会似乎在理论上对它们很熟悉。但在实践中,发展的能力不足以充分发挥其潜力。透明和标准化数据处理草案可能有助于实现这一目标。其次,数据本身并不一定有价值,社会必须投入更多精力来定义量化目标,提出正确的问题,再通过数据来回答。




4. 未来的发展取决于路径


虽然高能源需求是一个明显的技术瓶颈,可能会阻碍更广泛的分配,但目前尚不清楚监管是否会像一些国家立法中所观察到的那样,限制或促进这一技术。关键是要积极跟踪当前的趋势,对趋势是否允许真正提高知识进行批判性评估该领域,并塑造新兴技术,以促进可持续的城市水管理。




5. 两个主要的未来展望


研究结果表明,未来会有越来越多的相关话题,特别是废水工程与信息通信技术和生态应用的交互,这是一个明确的呼吁,需要更多的跨学科合作。其次,正在进行的数字化不仅带来了技术变革,还需要组织调整。与摄影技术类似,在摄影技术中,备份数字图像比复制模拟图像更为重要,公共事业现在必须考虑新的存档和报告过程。




6. 未来天际线扫描法


从城市水领域得到的积极反馈表明,天际线扫描是一项有用的实践技术。当前的天际线扫描法可能是水行业专业人员进行专门调查的起点。考虑到提出供讨论的话题的多样性,社会和经济科学、计算机科学家以及政治利益相关者的代表的进一步投入将是有价值的,应在下一期天际线扫描中加以考虑。作者建议在一个专业公用事业单位的统筹下这样做,例如国际水协会或水环境联合会。有一个独立的机构接管这类倡议的管理工作,可以改善社会的反应,确保进行更具代表性的调查。






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来源:Blumensaat F, Leit?o 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:张蕾


校对:王佳


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标签: 城市   话题