27、智慧城市智能创新节水与供水系统

智慧城市智能创新节水与供水系统

1. 引言

在发展中国家，由于人口增长和工业发展，水资源短缺已成为现实。以印度为例，一类城市人均日供水量为 145 升，而世界卫生组织建议的最低日饮水量为 45 加仑（约 200 升），不过对于低收入群体和经济弱势群体，这一标准可降至 135 升。印度多数智慧城市的供水不足，随着人口增长，家庭用水增加，同时工业发展和交通运输也使得非家庭用水需求上升。在以缺水著称的贫民窟地区，每天仅提供 30 升水，居民认为这远远无法满足日常使用。

由于地下水短缺，城市开始引入河水，这影响了依赖河水进行农业生产的农民。人们常使用传统水龙头方法，虽能降低用水量，但无法有效控制。据统计，输送到单个家庭的水中，近 62% 作为未使用的排水被浪费，这是全球水资源短缺的根本原因。城市用水需求高，供需失衡且长期存在。世界各地不同时期都在研究各级所需的水管网络性质和发展。

目前，城乡地区都日益意识到节水的重要性，但人们难以跟踪自己的用水量，常因不确定何时停止用水而在不知不觉中造成浪费。有一套系统能帮助用户跟踪用水情况，在用水量过高时自动减少供水。该系统结合了物联网和移动应用技术，让用户实时控制和监控用水，使用起来非常方便。其主要目标是在供水系统的终端实现节水。

2. 现有水管理技术研究

2.1 相关研究成果

• Kaushik Gupta ：提出了一种使用智能手机应用的系统，可连续从任何地方监控水位，实现全智能自动化并自动操作电机。该系统耐用、易于安装且体积小，居民能用智能手机远程监控和调节水管理系统，但缺乏长期管理。
• Lalith Mohan 和 Kavin Prabhu L ：其技术允许用户通过互联网在任何地方控制水龙头，可预热热水，避免太阳能热水器取热水时冷水浪费，将成为能节水并监控家庭和商业建筑用水的智能设备。
• Mohapatra 和 Rath ：提出基于信息和通信技术的供水网络，有助于监控极端供水情况并防止浪费。他们设计的智能水龙头采用异构架构，能感应物体决定是否放水，可避免 14.04% 的水浪费，不过该设计仅针对印度等发展中国家，未在全球应用。
• Suresh 和 Muthukumar ：描述了一种利用低成本物联网硬件和移动应用实现的自动水表读数系统，降低了城乡地区供水水表读数管理成本，但未考虑智能基础设施面临的用水问题。
• Sithole 和 Rimer ：设计了一种低成本智能水表设备，通过安装在水管中的流量传感器检测家庭用水泄漏，但没有移动应用通知用户。
• Mutchek 和 Williams ：通过研究技术方面，提高了人们对智能水网络及其集成问题的认识，涉及泄漏检测、干旱管理和节能，但存在成本分配问题。
• Karray 等人 ：提出了一种用于远距离检测和定位管道破裂的方法，基于压力测量的改进到达时间差方法与泄漏检测和定位算法相关。
• Sandesh Subedar Singh ：提出一种监控和管理工业机器冷却液使用的技术，系统低成本、简单易用、坚固且资源高效，可用于 CNC 和 SMED 等工业机器，有自动和手动两种模式，减少冷却液浪费，无需操作员或人力。
• Dadan Nur Ramadan ：系统以 Raspberry Pi 为主控单元，配备摄像头和 GPS 模块进行实时监控，通过连接 4G 网络的安卓智能手机应用操作，用户可在应用屏幕查看图像和系统位置坐标。
• Sayali Wadekar ：该方法有助于管理和规划用水，水箱中的传感器持续报告水位信息并更新到云端，用户用安卓应用通过互联网在任何地方查看水位，水箱水位低时水泵自动开启，快满时自动关闭。
• Ramos 等人 ：分析了智能水网的好处，通过案例研究揭示了水和能源利用的技术发展，该系统可监控水损失并通过创新技术提高智慧城市的水可持续性。
• Nardo Di 等人 ：讨论了城市智能水管理的多种解决方案，以及信息通信技术参与下供水网络面临的挑战和问题。

2.2 地下水来源

浅层含水层（风化带）的地下水几乎枯竭，尽管静止水位在 4 - 25 米之间，但现在人们开始开采 100 - 200 米深处深部裂缝或断层中的含水层用于各种用途。由于过度开采和污染，地下水已不适合饮用。每个家庭通常混合使用市政供水和地下水，饮用水的主要来源通常是位于市政区域附近或内部的河流和湖泊。取水坝通常靠近主要水源，作为主要水库，水从取水坝通过隧道输送到处理厂。主水库的水在进入供水系统前会在处理厂进行处理，去除不良成分和污染物，或降低水的浓度，以满足使用需求，这对人类健康至关重要，能保障饮用和灌溉。

2.3 社区水处理

社区水处理的步骤如下：
1. 混凝和絮凝 ：水与带正电荷的化学物质混合，中和水中带负电的颗粒，使颗粒结合形成更大的絮体。1 微米大小的小颗粒称为胶体，混凝是通过混凝剂与胶体的化学反应中和电荷并结合颗粒形成大颗粒团的化学过程，絮凝则是将细颗粒聚集形成絮体，絮体可能漂浮在水面或沉淀到底部，可通过过滤去除。
2. 沉淀 ：絮体沉淀到水底的过程，可去除溶解的颗粒。
3. 过滤 ：沉淀后，清水通过一系列不同成分（砂、砾石和木炭）和孔径的过滤器，去除灰尘、细菌、病毒、寄生虫和化学物质等溶解颗粒。
4. 消毒 ：过滤后，添加消毒剂（如氯或氯胺）去除水中的寄生虫和细菌，然后再分配给用户。

2.4 水分配模式

主水库的水储存在各地的小型水库（高架和地面）中，然后通过分配系统进行分配。根据城市的人口密度和规模，会划分所需数量的供水分配区域，供水连接类型包括家庭、商业和工业。

用户层面的存储设施可以是地下水箱或高架水箱，从分配系统获得的水收集在水箱中，高架水箱再将水分配给特定公寓或建筑物的居民。文明存在的两个先决条件是污水处理系统和稳定可靠的供水系统，用于家庭饮用、洗澡和灌溉等。城市和城镇需要有现成的水源和储存水的手段。

家庭层面的水处理可以使用稀释漂白剂溶液、Aqua 片剂、太阳能消毒（SOLIDS）、布过滤器、陶瓷过滤器、生物砂过滤器、PURE 等方法。这些方法成本低、经济有效，不依赖机构设置或集中系统，安装速度比社区/集中式饮用水处理和分配系统快，能改善微生物水质，降低处理和使用之间的污染风险，提供低成本和简单的技术，让人们可以选择合适的技术。

水库用于储存雨季的雨水，确保旱季有稳定的供水。用水前会对水进行处理，添加化学物质去除不需要的颗粒和细菌，通过砂床和砾石过滤去除污垢，还可添加化学物质使颗粒聚集以便分离。处理后的水转移到储存水库，准备分配。例如，英国每天通过数万公里的地下管道网络将数十亿升清洁水输送到家庭、工作场所、学校、公司和医院。

2.5 水箱类型

为满足家庭饮用、洗涤、洗澡和清洁等需求，家庭需要稳定的供水，因此会建造水箱。水箱根据放置位置（地下或高架）设计，形状多样，常见圆形和矩形。高架水箱通过柱子从屋顶升高，地下水箱建在地基上，底部有排水口用于排空水箱。水箱用于储存饮用水、灌溉用水、农业用水（植物和牲畜）、化学加工、食品制备等，建造材料包括塑料（如聚乙烯、聚丙烯）、混凝土、石头、焊接或螺栓连接的碳钢或不锈钢等，在南亚，也使用粘土容器储存水，水箱可在发展中地区储存净化水。常见水箱类型如下：
|水箱类型|特点|
| ---- | ---- |
|化学接触水箱|使化学物质与水接触一段时间后对水进行化学处理，常用消毒剂为氯。|
|地下水水箱|由内衬碳钢制成，从井或地表水收集水，可大量储存水，在高需求时期使用。可置于地面以上或地下。|
|高架水箱|有时称为水塔，在地面出口处产生压力，利用自然重力以恒定水压分配水，无需额外的泵系统，能满足大多数家庭和工业需求。|
|垂直圆柱形圆顶顶水箱|容量从 200 升（50 加仑）到数百万加仑不等，水平圆柱形水箱用于运输，因其重心低可保持车辆平衡。|
|液压气动水箱|为加压水平储存水箱，通过加压分配水实现无浪涌输送，可自动工作，无需人力，通过控制系统压力快速满足系统需求，提供高效供水。|

2.6 智慧城市的水压力

印度的智慧城市计划将水作为重要因素。预计到 2030 年，约 1.6 亿印度人将生活在缺水城市，而这距离现在不到十年。根据中央水利委员会的数据，过去五年为城市供水的约 90 个主要水库的水位从未超过总容量的一半。根据智慧城市委员会的说法，为提高宜居性、工作性和可持续性，智慧城市应使用信息和通信技术。智慧城市中的“智能水网络”（SWN）有助于城市更好地预测和应对各种水网络问题，如检测泄漏、水质事故和盗窃，以及监控居民用水和节能。目前，关于水作为资源以及与城市管理其他方面相关的数据匮乏。若不采取更好的水安全方法并将其作为智慧城市发展的关键组成部分加以优先考虑，城市的未来将面临危险。

3. 组件详情

现代控制阀可通过先进的自动化系统控制下游压力或流量。以下是不同类型阀门的概述：

3.1 自动化阀门

自动化阀门无需外部电源，通过打开、关闭或阻塞水流通道来控制或调节流体流量，通常为配件，流体压力足以自动打开阀门。阀门根据驱动方式主要分为以下几类：
- 液压阀 ：机械或有时为机电设备，用于控制液压系统中的流体流量，需设计成能承受较高的流体压力，阀门所需尺寸由液压系统的最大流体流量和最大系统压力计算得出。
- 气动阀 ：用于监控液体或气体的切换和路由，负责调节压缩气体或液体的流量以及向大气排放的流量。
- 手动阀 ：需要手动操作，一些设计可用于简单的手动节流，但主要用于停止和启动水流（阻断或开关阀）。

以下是阀门类型及特点的 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(自动化阀门):::process --> B(液压阀):::process
    A --> C(气动阀):::process
    A --> D(手动阀):::process
    B --> B1(承受高流体压力):::process
    C --> C1(监控切换和路由):::process
    D --> D1(手动操作):::process

不同类型的阀门在水管理系统中发挥着不同的作用，合理选择和使用阀门对于实现高效、智能的水分配和节约至关重要。在实际应用中，需要根据具体的需求和场景来确定最适合的阀门类型。例如，在需要精确控制流量和压力的液压系统中，液压阀是首选；而在需要快速切换和路由的气动系统中，气动阀更为合适；手动阀则适用于一些简单的操作场景或作为备用控制手段。通过对这些阀门的了解和应用，可以进一步优化水管理系统，提高水资源的利用效率。

3.2 智能水龙头设计

智能水龙头是实现节水和智能水管理的重要组件。它结合了先进的传感器技术和自动化控制，能够根据用户的需求和环境条件自动调节水流。以下是一些智能水龙头的设计特点和优势：

• 感应控制 ：通过安装传感器，智能水龙头可以感应到用户的手部动作或物体的接近，自动开启或关闭水流，避免了传统水龙头因忘记关闭而造成的水浪费。
• 流量调节 ：用户可以根据实际需求，通过触摸、旋转或其他操作方式调节水流的大小，实现精准的用水控制。
• 温度控制 ：一些智能水龙头具备温度调节功能，能够根据用户设定的温度提供适宜的热水或冷水，提高使用的舒适度。
• 数据监测 ：智能水龙头可以实时监测水的流量、温度、使用时间等数据，并通过连接的移动应用或其他设备将这些信息反馈给用户，帮助用户了解自己的用水情况，从而更好地进行节水管理。

以下是智能水龙头功能的列表：
1. 感应开启/关闭
2. 流量精准调节
3. 温度控制
4. 数据监测与反馈

3.3 不同类型水箱与阀门的组合应用

在实际的水管理系统中，不同类型的水箱和阀门需要根据具体的需求和场景进行合理的组合应用。以下是一些常见的组合方式及其特点：

组合方式	水箱类型	阀门类型	应用场景	特点
组合一	高架水箱	液压阀	大型建筑或工业场所	利用高架水箱的重力供水，液压阀可精确控制水流压力和流量，满足大规模用水需求。
组合二	地下水箱	气动阀	小型商业建筑或居民小区	地下水箱储存水，气动阀实现快速的水流切换和控制，适用于相对较小规模的用水场景。
组合三	化学接触水箱	手动阀	实验室或特殊工业环境	化学接触水箱用于对水进行特殊处理，手动阀可在需要时进行精确的水流控制，确保处理过程的准确性。

3.4 系统的优势与应用前景

该智能创新节水与供水系统具有多方面的优势，使其在智慧城市的建设中具有广阔的应用前景：

• 节水效果显著 ：通过实时监测和自动控制，系统能够有效减少水的浪费，提高水资源的利用效率。例如，智能水龙头的感应控制和流量调节功能可以避免不必要的水流，而自动减少供水功能可以在用水量过高时及时进行调整。
• 智能化管理 ：结合物联网和移动应用技术，用户可以随时随地对水的使用情况进行监控和管理，实现远程操作和实时反馈。这不仅提高了管理的便利性，还能及时发现和解决潜在的问题。
• 提高供水可靠性 ：系统能够对水的供应和分配进行精确控制，确保在不同的需求情况下都能提供稳定可靠的供水。例如，通过合理调节阀门和水箱的使用，可以避免供水不足或压力不稳定的情况。
• 适应不同场景 ：系统的组件具有多样性，可以根据不同的城市规模、建筑类型和用水需求进行灵活组合和配置，适用于各种智慧城市的应用场景。

以下是系统优势的 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(智能创新节水与供水系统):::process --> B(节水效果显著):::process
    A --> C(智能化管理):::process
    A --> D(提高供水可靠性):::process
    A --> E(适应不同场景):::process
    B --> B1(减少水浪费):::process
    B --> B2(提高利用效率):::process
    C --> C1(远程操作):::process
    C --> C2(实时反馈):::process
    D --> D1(精确控制):::process
    D --> D2(稳定供水):::process
    E --> E1(灵活组合):::process
    E --> E2(适用于多种场景):::process

3.5 未来发展趋势

随着科技的不断进步和智慧城市建设的深入，智能创新节水与供水系统也将不断发展和完善。以下是一些未来的发展趋势：

• 集成化与一体化 ：系统将更加注重集成化和一体化设计，将更多的功能和组件整合在一起，实现更加高效的协同工作。例如，将水箱、阀门、智能水龙头等设备与水处理系统、能源管理系统等进行深度集成，形成一个完整的智能水生态系统。
• 大数据与人工智能应用 ：利用大数据和人工智能技术，对水的使用数据进行深入分析和挖掘，实现更加精准的用水预测和管理。例如，通过分析用户的用水习惯和历史数据，提前预测用水需求，自动调整供水策略。
• 环保与可持续性 ：未来的系统将更加注重环保和可持续性，采用更加环保的材料和技术，减少对环境的影响。例如，开发新型的节水材料和工艺，提高水资源的循环利用效率。
• 用户体验优化 ：不断提升用户体验是系统发展的重要方向。未来的智能水系统将更加注重用户的个性化需求，提供更加便捷、舒适和智能化的使用体验。例如，开发更加友好的移动应用界面，提供更多的个性化设置选项。

以下是未来发展趋势的列表：
1. 集成化与一体化
2. 大数据与人工智能应用
3. 环保与可持续性
4. 用户体验优化

综上所述，智能创新节水与供水系统在智慧城市的建设中具有重要的意义和价值。通过合理应用不同类型的水箱、阀门和智能水龙头，以及不断探索未来的发展趋势，我们可以实现更加高效、智能、环保的水管理，为城市的可持续发展提供有力的支持。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，选择合适的技术和设备，不断优化系统的性能，以达到最佳的节水和供水效果。同时，也需要加强对公众的宣传和教育，提高人们的节水意识，共同推动水资源的合理利用和保护。