CH2M和IBM已经为我们的供水系统灾难找到了解决方案
这篇文章首次发表于Ensia。
发达国家的人打开水龙头和安全的饮用水流，他们往往想当然戏剧性的健康益处。去年，密歇根州弗林特市的儿童铅中毒检测呈阳性，源头被查出来自自来水，这种自满情绪被戏剧性地打破了。
但是弗林特不应该感到吃惊的人;实际上，水行业的专业人士已经拉响警报多年。
许多发达国家的水利基础设施建70到100年前并且正接近其使用寿命的尽头。美国水利工程协会(American Water Works Association)表示，我们已经进入了“替代时代”，在这个时代，我们必须重建“前几代人遗留给我们的供水和废水处理系统”。Most pipes, depending on their materials and the environment in which they reside, have a lifespan of 60 to 95 years. Treatment plants’ mechanical and electric components can serve 15 to 25 years. Without prompt upgrades, we are likely to see deteriorating water quality, with more incidents of lead or arsenic poisoning and bacterial and viral contamination, and increasing numbers of leaks disrupting water service and leading to costly emergency repairs.
2013年，美国土木工程师学会给美国的饮用水系统打了D级。全美每年有24万水管爆裂，大约每两分钟就有一次。每年，全世界有超过410亿立方码的处理水因为泄漏而流失——这些水足够供应近4亿人，根据世界银行的数据。尽管美国的饮用水总体上还是相当安全的，但细菌或病毒的污染经常会使人生病。2011-2012年，美国见证了这一切32例与饮用水有关的疾病暴发，造成431例疾病和14例死亡美国疾病控制和预防中心(Centers for Disease Control and Prevention)的数据显示，美国人的健康状况不太好。
“治疗的公民如传感器，”作为沙利文的说法，是在发展中国家特别受欢迎。
根据AWWA的预测，在未来的25年里，升级美国超过100万英里的饮用水管道和其他供水基础设施，并扩大供水系统以满足日益增长的人口的需求，预计将花费超过1万亿美元。尽管需要的财政投资令人难以置信，推迟升级可能意味着水管漏水或处理设施过时导致水质下降，服务中断，甚至更高的成本:在发霉的建筑物或弯曲的道路上，防止漏水比修复水损坏要便宜得多。
为了进行有针对性的分类，新技术——传感器、智能电表和数据管理平台——正在帮助水资源管理者就如何分配宝贵的资金和领先于问题做出明智的决定。
“我们宣扬的资产管理。不要只更换管道的x％一年，”汤米·霍姆斯，AWWA的立法主任说。“做你的系统的分析，并选择其中2％的管道需要更换，而不是仅仅着眼于一个地理区域。你想先对失败的边缘更换管道。”
技术库
帮助做出这些战略决策的是水表，它正在走向高科技。
城市开始在客户的家里和企业安装智能电表来测量用水量。由于先进的水表基础设施(在业界被称为AMI)可以通过无线技术实时地将用水量的数据传输到中央办公室，它可以“告诉你更多的东西，而不仅仅是用水量。CH2M这是一家全球性的工程公司，总部设在科罗拉多州，帮助市政当局计划升级水利基础设施，选择技术，并将设备集成到一个单一的管理系统中。
汤普森说，AMI电表可以通过发现不寻常的使用模式来发现客户财产上的漏洞。他们还可以瞄准街道下面的管道破裂，因为管道破裂会产生吸力，把水从居民的房子里抽出来。汤普森说:“如果你看到一个有回流问题的集群，可能是那条街上的管道破裂了。”利用这些数据，管理人员可以计算出裂缝的位置，并在它损坏附近的房屋和道路之前及时进行修复。
传感器是现代水利基础设施建设的另一个重要组成部分，用于检测两个泄漏和污染。水直接通过传感器，其被设计以测量水的特定化学特性。该传感器被包含在圆筒形的情况下，通常是由金属或塑料和8到12英寸长的，可直接拧入的配管。气缸还包含了数据采集和通信电子设备。
对于它的水管理系统，通常CH2M使用三个类型的传感器，汤普森说。饮用水有一个标准的化学特性，所以，传感器被设计成斑点的偏差，而不是测试个体的污染物。如果传感器旗的像差，该警报水资源管理者试水，以确定变化的原因以及它是否危害公众健康。
“有数十万种化合物，”汤普森说。“你不能什么都看。”
汤普森说，CH2M客户使用的传感器每台通常要花费几千美元。他说，服务于德克萨斯州达拉斯的大型公用事业公司可能会使用10到20个传感器，而服务于几千人的小型公司“可能只使用一到两个”。
在安大略省汉密尔顿市的麦克马斯特大学，研究人员正在研究一种不同的水传感器技术——一种非常便宜的方法。麦克马斯特工业联络办公室的执行主任盖伊·Yuyitung说，大学的研究人员正在努力生产成本在10美元左右的传感器。
最终，客户可能将不得不支付更多的水，从而又实用程序具有他们需要更换老化的基础设施的资金。
研究人员正在通过小型化传感器（至约芝麻种子的大小），并且使用低成本的材料和制造方法实现这一戏剧性价格斜线。“这就像制造使用喷墨打印机，而不是高度专业化制造传感器，” Yuyitung说。“他们正在减少组件，以便它可以大量廉价地生产。”
麦克马斯特大学的工程学教授Jamal Deen和他的团队，包括工程系的同事Raja Ghosh和Ravi Selvaganapathy，已经研制成功可检测的氯和pH化学传感器在饮用水。在基本材料的基础上，他们可以应用不同的化学界面，这样传感器就可以测试各种污染问题。在未来，传感器方面的创新可能会使这些技术更容易实现，特别是对于小型水务公司。在美国在美国，84.5%的社区供水系统服务的人口不到3300人。
由于传感器很便宜，可以无线通信，它们也可以用来帮助确保尚未连接到市政水处理系统体积小，偏远的社区，如在加拿大的印度北部和农村原住民社区安全的饮用水。
为了满足世界上日益增长的人口的需求，需要新的水基础设施，但即使在这些基础设施建成之前，社区也可以从测量其水质的技术中受益。住在水网附近的人们可以使用传感器来测试他们的湖泊、溪流或水井，以确定是否有天然砷在他们的供水系统中含量过高，或者奶牛最近在上游上了厕所。
系统管理
软件为优先升级市政供水基础设施提供了另一种技术工具。两大玩家是微软的CityNext和IBM的智慧城市该公司分析来自智能仪表、传感器和其他来源的数据，以查明出现的泄漏和污染。
迈阿密 - 戴德县的公园系统，每年使用的水超过3亿加仑采用IBM的平台，以检测用水量和调度公园管理人员违规检查出来。“我们从字面上节省几个月发现和反应需要那些修理，”杰克Kardys，迈阿密戴德县，公园，娱乐，开放空间部主任说。该部门预计它每年$ 4万水费7〜12％的节省。
CH2M还为水务公司提供系统管理平台，帮助运营商主动解决问题，而不是被动应对，Thompson说。2013年，在美国环境保护署的资助下，CH2M在费城、纽约、达拉斯和旧金山安装了监测和响应系统。汤普森说，尽管这些系统的设计初衷是为了保护饮用水不受污染，但这些城市却把它们用于日常的水质管理。他说，CH2M已经在美国建成了大约12个大型供水系统，在世界各地建成了数千个不同规模的供水系统。
水流速，基础设施条件，水质 - - 数据平台的真正实力在信息中的一个位置，各种流汇集，以前是孤立的。
IBM智能水资源管理公司的销售经理迈克尔·沙利文说，这样的系统可以更快地识别出弗林特的主要危险。“弗林特的部分问题是没有真正的能见度，”他说。“有大量的信息，但直到很久以后，问题才真正进入人们的视野。”
像IBM和CH2M这样的数据平台还可以包含其他重要信息，比如某一地区管道的材料和年代，以及它们在当地环境中的预期寿命。当客户打电话询问某一特定区域的漏水或水质变化超过基线阈值时，它们还可以近乎实时地标记出问题。
依赖客户的眼光并不是什么新鲜事。1993年隐孢子虫以及汤普森说，密尔沃基爆发的易蒙停疫情最初引起了40万人生病，当时当地一家药店打电话给公共卫生官员，说他们无法储备易蒙停。
人的反馈是对于还没有智能仪表或传感器的系统尤其重要。“治公民如传感器”，因为沙利文的说法，是在发展中国家特别受欢迎。在南非，人们测试称为IBM赞助的应用WaterWatchers使得他们能够通过他们的移动电话报告，如泄漏，污染或流阻塞问题，Sullivan说。
资金的问题
While smart technology can help water utilities make more savvy decisions about where to spend capital investment dollars, potentially saving money overall, there’s still the question of where to get the $1 trillion the AWWA predicts we’ll need to fix ailing U.S. drinking water infrastructure over the next quarter-century.
在美国，联邦，州和地方政府花对水基础设施$ 109十亿（PDF）（包括供水和污水处理设施，以及饮用水处理和递送）在2014年，根据国会预算办公室。只是三分之一是 - 约$ 36十亿 - 是资本投资，如新的管道或更新的饮用水处理设施。
这些资金主要来自当地的水费、免税的市政债券和环保署的国家清洁水循环基金8.63亿元拨款(PDF)为在财政年度饮用水设施的国家2016年美国国会于2014年创建了一个新的低利率贷款计划，但还没有拨钱。
这些钱是不够的。要达到1万亿美元的投资，美国每年平均需要花费4000亿美元。360亿美元的资本投资远远不够。
通过公私合作伙伴关系的私人投资是挣扎直辖市可能的路径，根据跨国专业服务公司EY（PDF）尽管存在两大障碍。企业通常回避对水基础设施的投资，因为水部门受到严格监管，而且由于人们的健康受到威胁，因此对变化持保守态度。人权活动人士长期以来一直担心，让企业参与水的供应将导致对穷人来说价格过高，当水对生命至关重要时，这是一种无法维持的局面。
尽管如此，在3月22日世界水日，当白宫水峰会宣布150多家公司承诺提供40亿美元的私人资金来改善美国的水基础设施时，私人投资供水的趋势又向前迈进了一步。
最终，客户很可能将不得不为水付出更多因此，公用事业公司反过来有资金来取代老化的基础设施。根据AWWA的数据，大多数美国人为每1000加仑的水支付不到3.75美元。美国水协会立法主任汤米·霍姆斯说，这大大低估了安全饮用水的价值。他说:“人们认为，因为水是一种自然存在的东西，从天上掉下来，所以不应该很贵。”“但大自然母亲并不收集水，处理它，并通过管道输送。人们这样做了，他们需要得到报酬。”
