区块链技术在水资源管理中的应用

摘 要：为有效应对我国水资源管理工作中面临的业务需求不断增长、信息数据不断扩张等问题，对区块链技术在我国供水系统管理、用水过程管理、水权交易管理、水行政管理政务服务中应用的可行性进行实证分析。结果表明，具有去中心化、公开透明、智能合约、不可篡改等优势的区块链技术能有效解决水资源管理中的信息交互、信任机制等问题，并能有效提升管理精度和效率，能全面有效提升政府水资源治理能力，推进治理水平的现代化。

关键词：水资源管理;区块链技术;应用;去中心化

中图法分类号：TV213.4;TP311.13   文献标志码：A     DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0418

区块链技术因其所具有的去中心化的分布式结构，大大降低其在应用过程中的中介成本，不可篡改的时间戳特性能实现数据的追踪和信息防伪，灵活的编程属性能推动市场秩序的规范[1]。近年来，区块链技术越来越受到不同行业的关注，其可应用的领域包括供应链、物联网、安全认证、水资源管理等。本文基于水资源管理需求及应用视角，探讨区块链技术的突破，系统分析区块链技术在水资源管理中的应用可行性。

1  区块链技术概述

区块链技术的核心由区块+链、非对称加密数学和可编程智能合约等部分构成：①区块+链：区块链技术创新性分解数据库并将数据分块，将不同区块所对应的信息与上一区块链接从而形成完整的数据链，由于数据区块是按时间先后生成的，其创建期间所发生的活动均被记录在对应的区块上，从而形成数据记录合集，并能有效避免数据记录被删除或改变，能保证数据库的时序性、完整性和严谨性。②分布式结构：在区块链体系内，将数据集中存储和记录在服务器，区块链结构在设计时将数据均记录和存储在各参与节点，并通过确定开源性的、去中心化的协议，构建起分布式数据结构。通过分布式传播的形式实现信息交换，并将信息发送至全网，再通过分布式记账所存储的数据信息内容加盖时间戳后生成区块属性的数据，传输至各节点，完成数据信息的分布式存储。③非对称加密：在设计过程中主要应用了密码学逻辑方式，即非对称加密数学原理，在数据加密和解密两个过程中均设置密码，且密码均具有非对称属性，所以，区块链技术是应用数学方法解决信任问题的必然产物，在该技术下，全部规则必须事先通过算法以程序的形式展现，并借助第三方机构进行去中心化的认证。④可編程智能合约：若区块链技术的应用仅仅是为了适应某种特定的交易，则作为可编程智能合约的脚本的嵌入就实属多余，因为系统可直接进行价值交换活动完成所需条件的定义。但是在去中心化的情况下，各种协议必须事先取得共识，为此，则必须引入脚本。这也为系统处理预期交易模式提供了可能，使区块链技术的实用性大大增强。将区块链技术和智能引擎、智能应用等结合，为使用者提供去中心化的数据处理能力，并将处理后的信息传输至数据端分析计算，抽取必要的代表性的数据分析系统的融合分析能力。

通过对区块链技术构成部分的分析发现，该技术具有鲜明的特征：一是去中心化，即无需去中心化服务器，仅通过去中心化的账本进行信息记录，便可实现点对点交易和互动;二是智能合约，即合约签订后由事先编写的程序自动执行，执行过程不受个人因素影响，参与方也无法毁约;三是公开透明，即参与方能全面了解整个流程的运作情况及收益分配，信息真实可靠;四是不可篡改性，即区块链技术采用哈希算法进行交易数据的加密和认证，输入信息的任何变化都会引起哈希值的大幅度变动，所以，数据信息几乎无篡改的可能。

2  区块链技术应用于水资源管理中的研究成果

在水资源管理中，区块链技术能有效解决信任问题，创建交易平台，确保交易信息安全，实现信息公开，在信息服务、智慧水务、水权交易等方面具有广阔的应用前景。学术界在区块链技术应用于水资源管理方面也取得了丰富的研究成果。例如Prberezhna对区块链应用于水资源管理行业的报告存储、数据审查、档案管理、债券发行等方面的可行性进行分析探讨;李钰则从分类分级、水文数据加密、分布式数据存储等方面对区块链与水文数据库融合问题进行探讨，并对区块链技术在水文数据库管理方面的应用进行探索;胡晶等人研究了区块链技术实现水利内部信息系统纵向集成和各相关水资源管理部门横向集成的可行性，以突破水资源管理信息单向流通及信息孤岛等制约，实现水资源优化配置。孙峰则从供水信息透明度提升、智能水交易系统及智能水管理系统等方面对区块链技术的应用进行了归纳，并分析了该技术在智慧水务应用中所面临的困境。Bajwa等人对基于区块链技术的智能灌溉系统进行研究，并对区块链技术存储植物数据库，物联网内受信任灌溉设备授权，设备使用情况的追踪等进行可行性分析。刘云杰等人研究了区块链技术和国家水权交易系统的契合点，并对区块链技术和国家水权交易系统的集成应用问题进行分析探讨。国外的Power Ledger公司与澳洲的弗里曼特尔市合作后将区块链技术成功应用于太阳能光伏发电站及所对应的分区水处理方面，通过实践验证了区块链技术在能源及水资源管理方面应用的可行性与可靠性。Water IG公司在香港进行了将雨水收集系统的收集点和水处理系统连接，并通过区块链技术成功将收集并处理后的雨水输入垂直农业和城市温室项目，也为不同社区自行选择区块链技术的具体落地应用方式，建立符合城市发展实际的雨水收集系统提供了借鉴指导。

3  区块链技术在水资源管理中的应用

3.1  供水系统管理

在我国，水资源短缺问题始终制约着各行各业的发展，行业供水也处在较为紧张的局面，供水行业市场集中度不高，供水管理模式过于粗放，水务信息化才初见端倪，水务所涉及的信息流动和多方协作仍有待进一步探索。对于传统的供水管理而言，供水设备操作、供水过程协调、供水记录和存储均为单一化的孤立过程，敏感和重要的供水记录数据并无备份和外界监督，一旦遇到安全生产事故，则供水单位、设备生产厂商和相关管理部门很难进行记录的真实性与一致性的核实，无法落实责任，更不利于事故的防范和管理水平的提升。

通过区块链技术的应用，并借助其去中心化和不可篡改等特性建立供水管理系统，包括供水、制水、输水、取用水、设备运行等在内的系统运行全过程数据均通过区块链数据库予以记录和存储，并通过系统整合，将供水单位、设备生产厂家和有关监督管理部门有机联系起来，以保证供水过程的安全性、可靠性及数据存储和管理的实时性、永久性。

3.2  用水过程管理

水资源管理制度中对用水总量控制、水资源不同功能区限制纳污能力、区域水资源管理责任和考核原则等均做出了严格规定[2]，并基于此对包括用水→耗水→排水等环节在内的水资源管理全过程加强管理。在传统的水资源运行管理模式下，管理部门由于受到人员、资金等方面的限制，很难准确进行水资源使用者用水、排污过程等的量化管理，导致用户普遍存在违规取水、用水和违规排污等现象。水资源管理绩效考核过程中也存在虚报考核数据、敷衍了事等问题。

引入区块链技术后可以通过其公开透明、数据记录的不可篡改性、去中心化等技术优势实现对水资源开发利用各环节的管理，有效解决水资源使用数据冗杂、数据时效性得不到保证、部门协调沟通难、事后管理等问题。对于工业用水户而言，可通过区块链节点将用水过程和排污信息自动上传至区块链系统并生成公开的、不可篡改的数据信息，有效保证从用水端到管理部门全过程所获取数据的真实性和时效性，大大节约了传统方式下数据收集和汇总的成本。水资源管理部门可通过工业用水户所对应的水资源信息全面了解其用水、耗水和排污过程，对于违规用水、违法排污等行为追本溯源，为水资源使用全过程管理提供强有力的技术支持。

3.3  水权交易管理

区块链技术支持既定流域内水权的点对点交易，并为水资源使用者提供与其余用户共享超额水资源的权利，且不必像传统的物联网技术一样全天候依赖中心化。既定流域內的水资源使用者能根据环境信息、水产品价格、市场变化趋势等调整用水策略，这也为水务管理部门提供了全新的信息获取和实时管理的思路与可能。水资源个人用户、工业用户、水务企业、管理部门等都能基于上述信息进行水资源管理策略的制定和调整。

3.4  水行政管理政务服务

利用区块链技术加强各政务数据跨部门、跨区域共享，为社会公众提供全面优质完善的政务服务是国家政策的全新要求，并通过提供政务服务不断促进政府治理能力和公共服务水平的提升。

区块链技术由于具有不可篡改的技术特征因而可以促进水行政管理部门信息的时效性、真实性与交互性，有效克服传统政务服务过程中所存在的部门间沟通协调难、业务流程繁琐、缺乏时效性、数据泄露等问题，而区块链技术中的私有链能确保数据传输的可靠性与时效性。具体而言，可以应用于水行政管理部门内部的信息交互，如公文收发处理、档案存储管理、水量水质监测、数据汇总共享等，通过私有密钥进行加密保护后无法篡改，能有效防止文件丢失、伪造等系列信用问题;可以应用于面向业务单位的服务，如取水许可、水权交易等，可以采用数据从基层节点直接上传至区块链的方式，避免人为干预，并构建数据共享机制，防止数据打架和盲目覆盖[3];还可以应用于面向公众的服务，如信息公开、公众监督等，具体见图1。

区块链技术所具有的公开透明、去中心化、智能合约等优势能有效简化行政管理及服务程序，提升政务服务品质，积极引导社会公众决策参与和监督参与。通过区块链技术所具有的开放性特征还能加强政务公开，防止权利滥用和暗箱操作，区块链技术所具有的匿名性还能充分保护检举和投诉人员的个人信息安全，确保信息反馈渠道的畅通无阻。

4  结论

通过对区块链技术特点的分析表明，该技术的应用能有效解决当前水资源管理方面所存在的问题。区块链技术应用于水资源管理方面的优势已经凸显，但是现有的理论研究及实践大多集中在特定场景应用方面，研究阶段也大多停留在原型设计，理论研究成果应用于水资源管理实务方面还存在较大困难，技术孤岛尚未走向系统整合，应用深度和广度有待进一步开拓。随着实行最严格水资源管理制度的贯彻落实及业务需求的持续增长，数据信息持续扩张，全新的水资源管理需求及技术瓶颈不断出现，区块链技术应用的潜在优势也不断凸显。区块链技术应用于水资源管理能为水资源管理创建信任机制，确保敏感数据的真实性、透明性和可追溯性，简化水权交易流程，保证水资源行政管理效率的提升。

参考文献：

[1]陈根发，林希晨.区块链技术在水资源管理中的应用展望[J].水利水电技术，2020（11）：1-15.

[2]《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》（国发[2012]3号）

[3]边晓南，夏文君，张洪亮.区块链在德州水资源监控能力建设中应用[J].山东水利，2020（10）：50-51.

Research on the Application of Blockchain Technology in Water Resources Management

Liu Qiang

（Xinjiang Tarim River Basin Mainstream Management Bureau，Korla  841000，China）

Abstract：In order to effectively deal with the growing business needs and the continuous expansion of information and data in Chinas water resources management work，this article discusses the use of blockchain technology in Chinas water supply system management，water process management，water rights transaction management，and water administrative management. The feasibility of application in the service has been empirically analyzed. The results show that blockchain technology with the advantages of decentralization，openness and transparency，smart contracts，and non-tamperability can effectively solve the problems of information interaction and trust mechanism in water resources management，and can effectively improve management accuracy and efficiency，and can be comprehensive effectively promote the modernization of the government's water resources governance capabilities and governance levels.

Keywords：water resources management;blockchain technology;application

收稿日期：2021-04-27

作者简介：刘强，男，主要从事水利工程运行管理、水资源管理、水行政执法工作。