香港科技大学教授、国际水利与环境工程学会（IAHR）现任主席李行伟（Joseph Hun-wei LEE）在香港举办的第8届IWA-ASPIRE大会上（2019年10月31-11月2日）做了主旨发言，高度总结了在目前香港水科技创新态势下的智慧解决方案以应对水环境问题以及香港成为新型国际水创新中心的可能性，呼应了本次大会的主题“以智慧扩建穏健的水资源，以科技创造韧性的水环境（smart solutions for water resilience）”。
“ 过去几年里，计算机运算、大数据以及重组创新的持续性突破，让科幻小说成为现实：无人驾驶汽车、超级计算机、类人机器人、语音识别软件以及3D打印。.”—— 《第二次机械革命》(The second Machine Age)香港，陆地总面积1106.34平方公里，海域面积1648.69平方公里。截至2018年末，总人口约748.25万人，是世界上人口密度最高的地区之一。作为一个旅游胜地和以服务业为基础的知识型经济体系，环境保护对香港社会及经济的可持续发展至关重要。随着城市发展和人民生活水平提高，人们对环境的要求也越来越高。与环境密切相关的水污染等问题时刻影响人民生活。而我们面临的种种挑战都是驱动水技术创新的原因所在；而科技创新的的另一个重要影响就是促进经济的增长，那么作为水环境领域的工作者，我们又如何在创建生态文明的大背景下应对这些实际的问题和挑战呢？——城市智能化。李行伟教授提到在《第二次机械革命》这本书里，大数据的应用、传感技术的兴起、机器学习的不断深入以及基因重组技术都在颠覆着科技创新的模式。历史上，历次产业革命都与科技创新如影随形，从科技革命和产业革命的发展规律看，抓住科技创新就等于抓住了主动权，特别是在世界进入以信息产业为主导的经济发展的新时期，人工智能与物联网是大势所在。他不断强调，环境可持续是香港社会与经济发展的核心。香港雄心勃勃，未来的目标是成为世界级的智慧城市，所以更应该灵活地运用先进科技，提供有效的整合方案，以扩建穏健的水资源及创造韧性的水环境，提高生活质量，增进作业效率。自从1963年香港发生干旱以来，大量的主要水利基础设施已经建成。据世界经济论坛《2014-15全球竞争力报告》，香港拥有世界第一的基础建设：目前设有300个污水处理和抽水设施，启动了地下雨水蓄水计划和排水隧道网络，还计划在2023年开设另一家新的海水淡化厂，以帮助满足未来的淡水需求。基于对未来及其对可持续发展需求的认真思考，香港的水务部门制定了全面水管理策略，以应对淡水短缺，气候变化和水安全需求。渠务署也认识到有必要用绿色基础设施补充灰色基础设施，以鼓励更可持续的发展，并正在促进河流再生和城市可持续排水系统（SUDS）。2017年，香港特别行政区政府发布了《香港智慧城市蓝图》，通过推行这份《香港智慧城市蓝图》提出的措施，致力把香港构建成为一个“以人为本、以科技为核心“世界级的的智慧城市。
政府希望利用创新及科技解决城市挑战，并提升城市管理成效和改善市民生活质素，以及增强香港的可持续发展、效率及安全；提升香港对环球企业和人才的吸引力；以及鼓励不断的城市创新和持续的经济发展。该蓝图围绕“智慧出行、智慧生活、智慧环境、智慧政府以及智慧经济“六个主要范畴提出短、中、长期发展建议，勾划出未来五年及以后的智慧城市发展计划。两年前，李行伟教授主导参与了一项关于“粤港澳大湾区协同科技创新“的政策研究。该研究由中国工程院和香港工程科学院合作完成，为粤港澳大湾区发展规划中的科技创新驱动发展提供了战略指导并被采纳。粤港澳大湾区包括香港特别行政区、澳门特别行政区和珠三角九市，总面积5.6万平方公里，2017年末总人口约7000万人，GDP约1.5万亿美元，是我国开放程度最高、经济活力最强的区域之一，在国家发展大局中具有重要战略地位。研究发现，大湾区建设将为香港的创科发展带来难能可贵的机遇，使香港得以发挥在研发、国际化及作为国际金融中心方面的优势，聚集大湾区和全球各地的创新资源，推进创科研发及提升竞争力。与此同时，香港亟需创新。而创新的领域不仅限于信息通信技术（ICT）。香港应当利用自身的优势——香港拥有国际一流的大学，其基础研究和创新能力一直备受国际关注。在QS《2020年世界大学排名榜》中，香港的大学屡居世界前列，共有五间本港大学打入世界100强。2011-2015年香港在美国专利局被授予专利数量但是，创新和科技发展必须要得到政府的支持，相应地，政府决策部门也需要补充专业和技术专家，鼓励和支持本地的技术创新，为创新和科技发展培育人力资源的人才。为此，香港特别行政区政府将在接下来的5年里提高研发投资至GDP的1.5%（原为0.74%），具体包括：
预留55亿元发展数码港（Cyberport）第五期，以吸引容纳更多的科技公司和初创企业；
预留160亿元供大学增建或翻新学校设施，尤其是科研设备；
向大学教育资助委员会轄下研究资助局研究基金注资200亿元，提供研究经费；
建立2个聚焦“人工智能及机器人科技”和““医疗科技”领域的创新平台；
2019年推出20亿元“再工业化资助计划（Re-industrializationFunding Scheme）“；
扩大科技园企业投资资金至2亿元;
拨款8亿元支持大学、重点实验室及工程技术中心进行科研及成果转化；
为“技术初创支持计划（Technology Start-up SupportScheme）“下的高校提高资助上限至800万元；
提高“研究人员计划（Researcher Programme）“下的研发人员的津贴并延长资助时间。
同时，香港与珠三角的协调创新发展已然成为两地应对全球产业变革的必然之路。应深化粤港澳科技创新合作，构建开放型融合发展的区域协同创新共同体，推进大湾区科技和创新的协同发展，全面打造全球科技创新高地。作为大湾区协同发展的重要组成部分，香港早在10多年前就已经开始思考智慧城市的构建了。其中，智慧水环境的建设是很重要的一个环节。会上，李行伟教授就水环境领域研究和创新的分享了三个产学研的成功案例。香港的水域面积约为1800平方公里，比陆地面积大60%，是香港宝贵的天然资源。过去20年来，香港一直通过56个监测站每月定期采集水样分析和监察水质变化趋势。在香港，大肠杆菌是检测水质的主要指标之一，但是传统的采样/检测方法需数小时才出结果，水质可能已经出现变化，数据无任何预测能力。要向智慧城市转型，香港需要一个高效的智慧水质管理系统，以支持政府决策，提高公众对水环境的关注。2009年，香港赛马会慈善信托基金向香港大学资助近三千万港元，在多个政府部门的支持下，启动了WATERMAN计划，并最终开发出香港近海水质预报及管理系统。该系统主要包括四个部分：
准确预测多个辐射流从近场到中场的稀释和污染物分布一直是环境水力学中的一大难题。基于研究人员多年来在浮射流理论、水质模型和赤潮预测等多方面的研究，WATERMAN系统利用分散汇流（DESA）方法，将浮射流按照稀释后的浓度在最大上升高度处以源项形式代入远区模型外，利用“源汇对”巧妙反映了浮射流的沿程卷吸效应，最终将近场和远场的多尺度模型无缝动态耦合，首次成功预报了荃湾海滩每日的水质，大大提升了环境管理水平。2000-2003年间，WATERMAN系统曾成功跟踪19次赤潮，经过不断完善，2016年首次确定了香港每个海鱼养殖区的环境承载力。在此基础上，结合智慧环境管理体统能够有效实现应急响应。例如污水管道旁路溢流一旦发生，就需要一个稳健准确的系统能够预测出海滩需要关闭的时长，给决策者提供有力的科学依据。经过大量的考察和实验数据作科学验证，WATERMAN系统已成为国际上先进水质预报及管理系统的标杆之一，曾作为美国加州海滩水质预测系统开发的基础，也被新西兰奥克兰城市引用开发了Safeswim System。WATERMAN系统建立在互联网络和地理讯息系统之上，使有关数据，例如每日海滩水质的预报、渔业管理信息以及污染灾害应变等，可以通过互联网及智能手机程序传递给公众，加强公众的参与度，提升公众对香港水环境及水质管理的认识。该系统还可以发展为一个涵盖珠江三角洲的大型水环境管理系统，以应对未来复杂的跨区域性水污染的挑战。香港近海水质预报及管理系統（来源：www.waterman.hku.hk）在香港，传统的活性污泥法每天耗电约每天约1.5-3MkWh（曝气占主要耗能），产生1200吨的脱水污泥，并运送到T-Park（一所污泥综合处理设施，接收香港11座由渠务署管理的主要污水处理厂产生的脱水污泥）进行集中焚烧处置。光沙田污水处理厂的占地面积就高达28公顷，相当于40个足球场的占地。在香港有限的土地资源的约束下，必须要寻求低能耗，占地小的污水处理方法，以实现可持续发展。此外，香港的情况比较特殊，主要是因为香港自1958年开始采用海水进行冲厕，因为这样做可以节省约20-30%的用水需求。再加上杀虫剂、除草机、药物的大量生产和使用；填埋渗滤液、肉类加工产生的废水、各种加工过程中卤水的使用等，使得香港的污水中盐分含量很高。对于含盐市政污水来说，传统的活性污泥法处理非常有限。
香港T-Park2015-2017年处置的脱水污泥量（来源：香港统计月刊，2018年2月）受到海水冲厕系统的启发，香港科技大学研发出一套创新的SANI杀泥工艺®️TM。香港科技大学陈光浩教授于2004年首先提出了基于异养硫酸盐还原(Sulfatereduction)、自养反硝化(Autotrophic denitrification)、硝化反应(Nitrification)一体化(Integrated)的节能低碳的原创型高盐城市污水处理新工艺，简称SANI®️TM（Sulfate Reduction, Autotrophic Denitrification and Nitrification Integrated Process）工艺，并于2004年获得了香港研究资助局的资助。SANI®️TM工艺原理是在厌氧环境下，利用污水中源于海水的硫酸根作为电子载体引入硫循环，将碳氮循环分离，并将有机碳污染物氧化成二氧化碳从而去除。硫酸盐（强酸）首先被还原成产生大量的溶解性硫化物（弱酸），此过程会自动提高反应器pH至碱性水平，使得所产硫化氢几乎完全溶解于水。此时载有大量电子的硫化物会随水流入缺氧反应器，为自养反硝化提供电子：硫化物会被硝酸根（污水中氨氮的硝化过程）氧化回硫酸根，而硝酸根会同時被反硝化过程还原为氮气，从而实现自养脱氮。
SANI®️TM工艺是第一次在城市生物污水处理中将厌氧除碳反应和自养反硝化有机地连接起来。由于这两个反应过程仅有少量电子流向同化代谢，使得污泥产生率极大降低，理论上实现污泥源头显著减量（因此SANI®️TM工艺的中文名也称之为杀泥工艺®️TM）。香港科技大学进行的小试及中试实验均能证明，与传统的污水处理工艺相比，SANI®️TM工艺可以实现高达70%的生物污泥减量及27%的节能減排。这个开创性的综合水管理和污水处理平台也获得了无国界的热烈欢迎。2012年， SANI®️TM工艺获得了五项国际大奖，包括德国的胡贝尔技术奖（Huber Technology Prize of Germany），西班牙世界智慧城市奖（World Smart Cities Awards of Spain）决赛入围者以及国际水协会（IWA）的其他三项国际水奖。港科大团队还应联合国教科文组织国际水教育学院（UNESCO-IHE Institute ofWater Education）的邀请参加了一项为期四年的研究项目，以发展这种环境友好和经济可行的做法。此外，在香港渠务署、创新及科技基金及其他在香港推广的机构的共同赞助下，SANI®️TM工艺获得了2460万港元在沙田污水处理厂（Shatin Sewage Treatment Works）进行大规模试验的机会。该项目从2013年4月开始运行，为期两年，日处理量为1000吨。由于传统的生物污水处理工艺必须依赖氧气或硝酸根在好氧或缺氧的情況下氧化及去除有机污染物，而每处理1000吨市政污水就会产生约0.5吨的湿污泥。SANI®️TM工艺有效地减少了70％的生物污泥产量，大大降低了污水处理成本，使污水处理更加节能，更加经济，是污水生物处理在过去100年发展史上一项突破性的进展。
SANI®️TM工艺在沙田污水处理厂的生产性示范工程城市供水系统（Urban Water Supply Systems, UWSS）是全球30亿人的生命线；然而因系统老化、运行低效和功能不足等问题，世界银行估计全球每年因管网渗漏、爆裂而造成的爆裂而造成的用水流失约为150亿美元。在香港，UWSS由数千个阀门和控制、200多个泵站以及总长约7800公里的管网组成，每年的漏损超过10亿港元。严重的爆水管导致市区水浸，瘫痪商业活动。面对城市化和气候变化带来的挑战，很多国家都迫切需要改善它们的供水系统。2011年中央政府印发的“1号文“， 2011年的《绿色大珠三角地区优质生活圈》研究， 2008年以及2015年香港政府推行的《全面水资源管理策略》和”智管网（WaterIntelligent Network, WIN）“都把水基础建设列为重点。许多其他国家和地区对大规模的UWSS升级也有迫切的需求，美国水务工程协会（American Water Works Association， AWWA）估计，单是改善美国的供水系统就需要耗费2500亿美元。香港政府亦已投资约230亿港元，进行水管更换及修复计划，但是预计的漏损率也仅能从25％减少到15％。由于城市供水管网一般都敷设于地底，难以直接进入，系统的设计和维修都受到探测方法所限制。目前的探测和数据收集方法难以准确判断渗漏的范围和位置。香港研究资助局（Hong Kong Research Grants Council）于2015年开启了一项“智慧型城市供水系统“的主题研究计划，旨在开发一套崭新的城市供水管网故障识别与检测系统。项目将包括理论研究，模型试验与现场测试。要有效地解决UWSS问题，就需要在管网诊断的速度、范围和准确性上提高两个数量级，在此基础上设想一个智能的UWSS（SUWSS）基础架构，如下图所示。当前，尚无系统能够生成可靠的高分辨率的管道内图像（这里使用“图像”作为SUWSS的输出来对管道异常进行精准识别和定位）。所提出的SUWSS很大程度上基于波理论，此前被广泛用于探测和表征各种介质，并在各种应用（包括无损材料测试、医学诊断和水下通信等）中来传递信息。探测波的空间范围和分辨率是系统设计的两个基本属性。该主题研究提出在待测管道中产生高速的（速度大约每秒1公里）水压力波，然后利用高灵敏度传感器采集水压力波的反馈信息。收集到的数据将会透过先进的水动力学的反演法分析，从而确定水管中存在的渗漏、阻塞和水管管壁变弱的位置和特征。这些理论与方法将会首先在香港的一个现场试验系统进行测试与验证。还将建立一个多用途的中试规模的实验系统来示范城市管道系统水流及水压的瞬变现象与过程。
新一代UWSS（Smart UWSS）的开发是为了可以通过对其更好的构建、操作和管理，能够可靠地诊断出管道漏损和潜在的系统故障。通过专题研究计划预计可以实现：（1）创建一个基于对管道系统中高/低频传递波的传播、反射以及相关边界的诊断平台； （2）管道缺陷检测，设备和管道表征，早期诊断和预警； （4）声通信中波信号的处理算法； （5）耦合通信的综合供水管道声学通道模型；（5）世界级技术验证基地。
这项任务的目的是在香港本地开发一个综合实验室和现场验证计划。主要研究高/低频水压力波在管道故障检测中的应用。目前已获得香港水务署的支持，可以使用香港鲗鱼涌（Quarry Bay）的现有DMA作为现场试验台。
该研究旨在建立一个诊断框架。在该框架中，低频波（LFW）可以提供初始系统侦察（即识别管网系统中有问题的部分或区域）。然后根据需要，利用高频波（HFW）来放大区域和设备来生成高分辨率图像，用来识别异常并推断系统状态。这种反演方法依赖于精确有效的探测波模型和算法，因此需要更好地了解管道中波的物理特性并开发可靠的技术方案。
在干扰和噪声存在的情况下，信号处理为检测管道漏损、堵塞及其他老化形式所需的预测参数提供了一个框架。此外，信号处理还可以干扰/噪声存在以及探测波振幅有限的条件下提高预测的准确性。如果还可以设计振幅比当前要求振幅低的探测波信号，同时保持预测参数的精确度，那么就可以考虑使用声换能器（acoustictransducers）代替阀来产生探测波信号。这将大大增加信号处理和带宽，从而提高分析空间分辨率。
该项任务主要是开发出远程、非侵入、可靠的创新技术，用于缺陷检测、设备和管道状态表征以及早期诊断和预警。旨在通过反演分析利用已测量的波信号，来推断出引起实测响应的系统特性，其关键在于能够开发出将测量信号反卷积为系统物理理解的算法。该研究计划成果可用于实时诊断与检测城市供水管网系统的缺陷，并提供积极的解决方案。此外，该项目还与香港水务署（WSD）紧密合作，支持香港政府提出的“智管网（WIN）“愿景，旨在科技创新来节约用水以促进本地的可持续发展。目前，该项目已成功获得香港研究资助局资助的3322.5万港元，以及来自港科大配套基金的额外700万港币加持。创新及科技发展为经济注入新动力，改善市民生活质素，并为年轻人创造优质工作机会。大湾区建设为香港的创科发展带来难能可贵的机遇，使香港得以发挥在研发、国际化及作为国际金融中心方面的优势，聚集大湾区和全球各地的创新资源，推进创科研发及提升竞争力。而香港也应放大其本身优势，借助大湾区协同建设的东风，集聚国际创新资源，建设世界级水科技创新高地。对此，李行伟教授提出以下几点建议：产学研合作对于香港水基础设施的可持续发展至关重要；
国际水协会（IWA）官网 www.iwa-network.org
