危机中的水：提供城市和自然水循环共生

谢菲尔德大学土木与结构工程系的水研究小组是英国最大的城市水研究团队。他们的研究涵盖了整个供水服务，包括评估地下水和河流的环境影响和保护，雨水管理和洪水，绿色和城市水务基础设施工程，以及地下资产的管理，以优化性能和保障饮用水质量。他们的开创性工作是国际认可的，旨在继续提供可持续的工程解决方案，促进活跃的城市和自然水循环共生。

水在危机中。谢菲尔德大学民用和结构工程系的水研究组是解决全球问题和开拓创新解决方案的最前沿。水是生命的基本需求，对社会，全球经济和自然环境至关重要。当我们打开水龙头时，我们会看到我们认为理所当然的清洁和安全的水。我们很少考虑如何在那里，我们的废水是如何被删除的，或者这种城市水循环到我们日常生活和福祉的积分。

Covid-19将公共卫生问题推到了风口浪尖，但病毒无处不在，甚至在我们的饮用水中也存在。这不应成为恐惧的原因，而是一个例子，我们必须接受并和谐合作，以确保我们的水的数量和质量的弹性。谢菲尔德大学的水研究小组为促进这种协同作用提供了必要的研究和服务。

谢菲尔德水研究组是英国最大的城市水研究团队。他们的研究包括整个水服务条款，包括评估地下水和河流，雨水管理和洪水，绿色和城市基础设施工程的环境影响和保护，以及埋地资产的管理，以优化性能和保障饮用水质量。他们的研究跨越了申请的基本方面，重点是挑战驱动的问题。他们在国际上与水公用事业，顾问，承包商和其他利益攸关方合作，建议各国政府和政策制定者。除了民用和结构水工程外，他们还在谢菲尔德大学和其他领先的国际研究人员中展开，提供跨学科研究，这对于在水部门产生差异，特别是整合社会科学提供转型性的优势社会技术变革。本集团包括许多学科，借鉴计算机科学，地球科学，环境科学，地理学，地球科学，水文地质，数学，微生物学和社会科学的专业知识。研究采用五个主题协调：环境流体力学，地下水保护和恢复，可持续排水系统和城市排水，水分配系统和基础设施，以及集水区和河流洪水。

Covid-19将公共卫生问题推到了风口浪尖，但病毒无处不在，甚至在我们的饮用水中也存在。

城市水循环包括保护水资源，形成绿色基础设施，提供必要和安全的饮用水的工程系统，确保废水和污水拆卸和管理雨水以防止洪水。谢菲尔德水研集团的战略侧重于这些工程系统的目前和未来的需求，确保他们为所有人的利益运作：供应商，消费者和环境。在这里，我们概述了若干研究的例子。

饮用水中的生物膜
饮用水处理工程通过提供符合规定标准的高质量、安全的饮用水来保护公众健康。然而，在饮用水分配系统这个巨大而隐蔽的世界中，水质可能会下降。其中最重要的是水与管壁的相互作用，管壁是由覆盖在管壁上的复杂微生物生物膜控制的。生物膜在水生环境中是不可避免的，因为它不可能创造无菌条件。事实上，天然生物膜提供了抵抗病原体的基本安全特性，但如果不加以管理，它们可能会导致美观和健康问题。谢菲尔德大学的研究人员正在开发技术来调查这些生态系统，以及包括细菌、病毒和真菌在内的群落之间的关系，以及将它们连接在一起的结构。这种认识正在促进更好的主动管理，确保有益的社区殖民和安全适应问题，如气候变化或不断变化的水资源需要解决全球日益严重的水资源短缺。

供水系统和基础设施
保障水质以保障公众健康，是我们供水系统的基础。然而，满足客户的期望，同时管理老化和恶化的配电系统，给水务公司带来了挑战。与饮用水质有关的投诉中，最常见的是消费者水龙头流出的水变色。研究配电系统变色预测的研究人员(www.PODDS.co.uk）项目解释，借助内部开发的建模工具，如何在管壁上积累有机和非有机材料可以导致褪色和其他问题，如味道和气味问题。

PODDS团队探讨我们饮用水分配系统中的液压条件如何影响，并且用于管理这种风险。结果表明，与普遍存在的生物膜结合产生不可避免和流动的褪色风险，如何在管壁上积聚在管壁上的低级背景材料浓度。然而，通过了解液压特性，可以通过与该工程生态系统协调工作，通过与传统清洁方法进行大量成本节省。一种策略是流量调节，使用管理流量随着质量监测而增加，以安全地去除多余的材料而不破坏天然生物膜，导致具有改进的弹性的清洁系统。除了实时网络监控之外，常规收集水质样本，但是由此产生的数据通常已存档而不是分析。研究人员正在使用机器学习方法来分析历史水质数据库，以确定推动褪色风险的主导变色机制，例如硝化和铸铁电源。这种方法正在用于提供干预措施并证明投资证明有助于保护饮用水质量。

新能源与水的关系
谢菲尔德水研究小组领导着epsrc资助的大挑战联盟TWENTY65 (www.twenty65.ac.uk)，这是展望未来的水供应。跨学科团队正在研究和发展提供清洁用水的创新长期协同和可持续方式，同时也对我们的健康、环境、经济和社会产生积极影响。作为TWENTY65颠覆性研究八个主题之一的一个例子，谢菲尔德大学的研究人员正在采取一种新的方法来解决能源与水的关系，他们将可再生能源的产生和储存与饮用水的分配和废水收集结合起来。模拟将饮用水蓄水池中的涡轮机产生的能量和通过风力涡轮机和太阳能光伏板从下水道网络中回收的热量结合起来。结果表明，这种集成系统可以满足一年中63%的时间的热量需求。同时，碳排放量和伴生CO可减少55%₂比天然气供暖减少60%。在社区实施这样的系统可以帮助政府履行碳排放义务。

捕食器
部署自主机器人来检查下水道和饮用水系统的地下管道，有可能为检查内部管道结构和识别性能问题提供有效的非破坏性方法。谢菲尔德的水研究小组正在领导由epsrc资助的管道机器人项目(www.pipebots.ac.uk）与来自其他英国三所大学的研究人员合作。该项目旨在改变公用事业的能力，使它们转变为无故障运行，并通过开发管道级机器人防止无计划的道路挖掘。这些管圈需要能够检查和工作以无法访问的管道，它包含一系列挑战，例如高压和潜在的爆炸性气体。使用生物启发行为的模拟，该行为考虑到网络长度，拓扑，机器人数量及其速度，突出了监控整个网络的可能性。

研究人员正在开发管道规模的机器人，这些机器人能够检查并在被认为对人类危险的地下管网和场所工作。

机器人传感使Pipebots能够实时提取与管道状况相关的准确信息，并进行定位和故障诊断，而无需人工干预。人工智能(AI)和机器学习技术正在被用于改善性能，考虑到移动流体中包含的能量，能源收集硬件也在开发中。Pipebots团队的优势在于能够使用ICAIR的国家分布式水基础设施设施(综合土木和基础设施研究中心，www.icair.ac.uk.uk.)，在进行实地测试之前，开发并执行全尺寸机器人的受控测试。

保护地下水水质
自2000年以来，由EPSRC资助的研究，环境署和私营企业提供了长期调查污染欧洲地下水的汽油醚含氧化合物（GEO）的命运和行为。该研究对这些石油添加剂的微生物转化进行了先进的基础知识（用于改善燃烧和减少车辆排放），具有创新的监测策略和恢复概念，使得支撑策略有助于降低地球机地球地球织所带来的环境风险。

城市洪水
最近完成的H2020资助的CENTAUR项目开发了一种创新的、具有成本效益的地方自动下水道流量控制系统，以减少城市洪水风险。CENTAUR系统使用由本地人工智能控制软件操作的控制闸，将水储存在集水区上游，以降低下游地区的洪水风险。现在，商业合作伙伴正在利用这一点，以便更好地利用现有的基础设施，要么减少对大型资本计划的需求，要么为此类计划的实施争取时间。谢菲尔德水研究小组开发的先进洪水建模方法支持这一方法，可用于评估洪水对建筑物损坏、潜在生命损失的影响，并强调确保安全的对策。

epsrc资助的城市绿坝项目采用了一种不同但互补的方法，通过开展研究来加强对生物滞留细胞性能的理解，从而降低洪水风险。这些是可持续的排水系统，在雨水进入排水网络之前保留和扣留雨水，同时也对水质、舒适性和生物多样性产生积极影响。这些设备的知识的提高，使数值模型的发展，给排水工程师信心的表现，使他们纳入城市规划。

城市水和天然水循环共生
保护水资源的工程系统，提供连续清洁水的供应，并删除废水是复杂的，并且随着显着的能量，化学和资本成本而变得复杂和老化。谢菲尔德的水研究组正在提供可持续解决方案，以降低这些成本，同时实现行业需求和改善城市水基础设施和环境。这里突出的示例创新突出了他们的工作如何在天然水和城市水周期之间使用共生，以优化这些基本资产的交付。