古代水系统如何启发现代水技术。高菲 文
哪里有水，哪里就有生命。文明的历史也是水技术的发展史。为了繁荣，社会必须创造技术来利用水这种至关重要的资源。文明的生命力在于世界不断探索如何储存、运输、净化饮用水，并智能化地处理或回收废水。水是文化与创新的源泉。
文明面临两大水问题：水的过剩与分配不均。在水资源过多的地方，生存法则是保持在水面之上。但同样，如何在水源匮乏的地方生存呢？
就像古代美索不达米亚的肥沃新月地带一样，今天的中东地区同样依赖土耳其山区和北伊拉克的降水。在美索不达米亚这个“两河之间的土地”——底格里斯河和幼发拉底河之间，早期文明利用引水系统进行灌溉。这是灌溉的最初形式，它促进了粮食生产，尤其是谷物，而谷物的发酵成就了苏美尔人的伟大创新——啤酒由此诞生。
作为古代啤酒的爱好者，埃及人也优先考虑了安全的饮用水。在古埃及，人民使用重力过滤器将尼罗河的浑水净化，加入明矾(铝硫酸盐Al2(SO4)3)。铝硫酸盐的凝结作用使悬浮颗粒聚集，从而加速过滤，使更多的水得以净化应用。这是已知的最早的化学水处理技术。
另一种饮用水系统是在古代印度和中国开发的。如古代印度教经文所示，他们利用热量、阳光和铜来净化水。使用布料、沙子和木炭进行过滤，也用于捕捉其他污染物。净化后的水储存在陶土容器中，这使水富含矿物质并增加其碱性，从而提高其生物可利用性。
储水是文明的“储蓄账户”。纳巴泰人通过使用陶罐来限制蒸发，保存水源以灌溉农作物。在土耳其伊斯坦布尔，能够度过干旱时期主要得益于巴西利卡蓄水池这一地下水道，这是数百个古代蓄水池中最大的一座。在印度北部的拉贾斯坦邦，昌德巴欧里则提供了全年水源。
在干旱的地貌中，水源储存和防洪是密不可分的。约旦现代的贾瓦地区建造的水坝和分流结构证明了这一点。这座由萨巴人建造的马里布水坝，依靠自然排水模式创造了一个人工湖，灌溉了他们的土地。
古代文明通过应用两个基本的水力学原理来建造供水系统：就是“水往低处流”和“水自寻平”。早期的罗马工程师通过庞大的水道系统提供水源。他们使用倒置虹吸管，这是一种通过管道创造压力流的水力结构，可以克服重力，跨越山谷运输水源。一个高效的供水系统意味着一个文明可以减少在运输水源上的时间和精力，从而让文明得以发展和变得更为复杂。
更高效的供水系统意味着一个文明可以获得更多的能量。在山区地貌中，这意味着可以减缓水流，减少其侵蚀力量，并将其收集用于灌溉。梯田创造了长而复杂的地下水流路径，让作物的根系有机会在干旱的山区吸收水分。大约3000年前，黎巴嫩的原住民为了灌溉著名的雪松森林，将梯田划分为小而浅的水池。古代中国人和南美的印加人也以类似的方式开垦山地农田。今天，突尼斯的“Djessure”灌溉技术仍然广泛应用，橄榄和其他树种能在年降水量低于250毫米的地区生长。
世界上也有许多大城市面临的是相反的问题：水太多。当有过多水源时，主要有两种选择：绕开水源或让水源绕过你。玻利维亚上亚马逊盆地的贝尼沼泽地区的古代居民，通过建造土堆和堤道来避开洪水灾害。由陶器碎片和木炭堆砌的堤岸，创造了在洪泛区中保持生命的绿洲。贝尼的人民们就像是生态工程师，是他们的智慧和努力促进了今天在该地区生长的森林。
一旦一个文明拥有足够的水源，它就必须学会如何排水。罗马工程的另一个见证就是克洛阿卡·马克西马(Cloaca Maxima)。这座始建于2600年前的水道是世界上最古老且最可靠的排污系统之一，至今仍在使用。这个半人工的排水系统通过封闭、开渠和扩大自然水流的方式建造，后来在伦敦、美国纽约布法罗等城市得到了发展。排水系统保护了人们免受疾病侵害，保持文明的健康。
19世纪中叶的英格兰就是一个典型的例子。在1854年伦敦的霍乱流行期间，英国科学家约翰·斯诺确定了引发霍乱疫情的源头是污染的水泵，这为水消毒奠定了基础，随后氯气在19世纪末首次被用于对抗伤寒、霍乱和其他水源传播的病原体。
而今天，距斯诺博士在空间流行病学领域的开创性工作已150年，废水监测正在帮助预测并预防冠状病毒的爆发。Idrica的GoAigua废水监测平台利用GIS和人工智能/机器学习跟踪欧洲和美国的COVID-19病例。巴黎的Eau de Paris通过检测污水中的SARS-CoV-2浓度变化，成功与首都地区的COVID-19传播曲线相匹配。类似的研究还有，亚利桑那大学通过对宿舍的污水样本进行分析，发现了SARS-CoV-2 RNA。由于冠状病毒在该宿舍污水中被早起检测到，学校随即对所有311名学生进行了检测，迅速发现了两名无症状感染者并将其隔离，避免了对其他人进行不必要的严格封锁和实施其他措施。
避免不必要的干扰是维持文明运转的关键。许多古代水技术今天仍然可以成为解决世界水资源问题的催化剂。它们可以帮助为像秘鲁利马这样的日益扩张的特大城市提供水。利马是世界上第二大位于沙漠中的城市，仅次于埃及的开罗。利马大都市区人口超过1000万，但只有十分之一的人口能够获得饮用水。到2030年，水资源的需求预计将超过供水量，导致大多数利马市民面临饮水困难。因此，Aquafondo正在恢复数公里的阿穆纳(amunas)系统，这是一种古代印加的水收集与输送系统。与印度拉贾斯坦邦的Chand Baori阶梯井及水收集系统类似，阿穆纳系统在干旱季节为当地提供水源，同时保护山地土壤。因此，秘鲁政府正在投资2400万美元用于自然基础设施建设。
尽管位于安第斯山脉的古代水系统具有历史意义，但它们无法为像利马这样的现代大都市提供足够的饮用水。这就是为什么将现代工程技术与古代智慧及基于自然的解决方案相结合的混合方法越来越受到青睐的原因。在美国，美国陆军工程兵团的“与自然共建工程”倡议就研究了红树林和由疏浚沉积物建成的岛屿，如何保护海岸线免受飓风和台风的侵袭。纽约市的供水系统基于古老的原则建造是与自然共建工程的典范。这个供水系统为九百万人提供水，通过水道和隧道将水从最多200公里外的地方输送到城市。更为令人印象深刻的是，这些水如此纯净，以至于只有10%的水需要经过过滤。围绕纽约市水库的天然森林生态系统能自然地过滤水源，保持水质纯净。结合智能水技术，如监控水质的机器人浮标和计算模型，纽约市的供水系统能够稳定地为九百万市民提供水源。为了确保纽约的水源安全饮用，需要通过全球最大的紫外线杀菌照射厂来处理水源，这个设施每天能够消毒超过80亿升水。紫外线照射，当然也是太阳自然提供的服务。太阳能消毒(SODIS)也是一种可靠的水消毒方法，数千年前的古印度经典和世界卫生组织都推荐使用这种方法。
这些古代的阿育吠陀经典还建议将水存储在铜和陶器容器中。铜仍然是一种实用的饮用水净化方法，对于许多发展中国家的人们来说，它依然是非常重要的工具。天然的铜(I)氧化物(Cu₂O)通过从细菌细胞壁和膜中夺取电子，抑制负责能量生产和DNA复制的细胞内过程。最近的研究甚至表明，铜和Cu₂O可以去除水中的病毒和噬菌体，这种青铜时代的技术解决了现代水源中的问题。
许多现代水技术的功能与古代技术非常相似。例如，粘土制成的陶器天然地与储存其中的水发生离子交换。离子交换是一种通过电荷吸附正离子(阳离子)和负离子(阴离子)到粘土颗粒表面的过程。这种吸附，即与物质表面结合的特性，也体现在碳和现代离子交换树脂中。如今，活性炭和离子交换树脂取代了古代的炭过滤功能，用于净化水源。更重要的是，离子交换树脂可以有选择性地吸附特定污染物，包括新型和不断出现的污染物，使其成为一种灵活且可扩展的水净化工具。
与复杂的离子交换树脂相比，粘土陶罐还有减少蒸发和将灌溉用水精准输送到需要之处的优点。类似于纳巴泰人的陶罐灌溉，朴素的洒水袋和现代滴灌系统是节约用水的低技术方式。尽管人工智能可以优化这些系统，但正如“车轮”这项发明一样，有时原始创新难以超越。
保持文明的持续运行需要避免水资源中断。古代水技术可以成为解决当今全球水问题的催化剂。
即使在古代文明也会通过数据收集来管理其水资源系统。河流流量数据的收集和时间测量是最早的智能水技术形式。古代人民的歌谣、舞蹈和仪式艺术和一些祭祀行为可能是水资源记录的第一种形式。在澳大利亚，“歌线”(Songlines)被当地土著居民用于记录至关重要的地理空间水资源数据，这些数据对他们的生存至关重要。通过将仪式作为记忆辅助工具，并使用星图作为地标导航，原住民能够在数千公里范围内可靠地找到水源。
通过这种已有4万年历史的技术，他们甚至能够记录澳大利亚约1.3万年前的海平面上升。这些故事在没有书写工具的情况下，仅靠人类大脑和自然景观保持了超过400代的高保真数据记录。
瓦尔达曼人的口述传统包含一年周期的“梦境故事”(Dreaming Stories)，这些故事围绕着一年中南十字星的位置展开。这个年度循环为预测不同时间的天气模式和水资源可用性奠定了基础。在文明社会中，制定日历是管理水资源以满足农业需求和支持专业劳动力分工的必要条件。从巴比伦文献中我们得知，苏美尔天文学家通过观察天空制定了日历，用于预测水资源的可用性。通过这一日历，他们大致能够推算底格里斯河和幼发拉底河何时会发生洪水。这一信息帮助农民为洪水做准备并种植庄稼，稳定了苏美尔文明，使其延续了数千年。在澳大利亚原住民的“歌线”(Songlines)之后，苏美尔日历结合对底格里斯河和幼发拉底河水位的观察，或许是第二早的基于预测分析的水资源可用性建模实例。
测量河流水位的仪器可能是智能水技术领域的下一项重大创新。各种形式的尼罗水计(Nilometer)不仅仅是描述尼罗河水位状况的工具，还成为预测这一伟大河流水位经济影响的工具。如果尼罗河的年度洪水量低于理想水平，饥荒可能随之而来；如果洪水过大，基础设施则可能被冲毁。在任何一种情况下，这种测量都是预测和应对灾害的早期尝试之一。隐藏在古埃及神职人员神秘面纱下的，是那句古老的格言：未雨绸缪(Be Prepared)。
后来欧洲对河流水位的测量也毫不例外地讲述了类似的“丰年与饥年”故事。中欧的“饥饿石”(Hunger Stones)被放置在干涸的河床中，以提醒人们注意饥荒的风险，一旦水位降低露出饥饿石，则是如同敲响了警钟一般，要引起高度注意。在捷克共和国易北河发现的一块饥饿石上刻着“Wenn du mich siehst, dann weine.”意为“当你看到我时，请哭泣”。这些石头标志着欧洲河流显著的低水位，预示着庄稼歉收、饥荒和灾难。真实的数据和准确的解读无论在过去还是现在都关乎生存。这是我们现在全球的所有领导者，尤其是当今时代，应该听取的一个重要信息。
自尼罗水计、饥饿石、日历和歌线(songlines)以来，我们在准确预测水资源可用性方面取得了巨大进步。美国地质调查局(USGS)在过去长达125年多里收集了美国河流的相关数据，从26,000个流量测量点记录了近2.5亿条观测数据。这种高分辨率的数据收集能力覆盖了数千公里，帮助美国人预测、应对和缓解水资源压力。如今的数字水技术代表着这一系统的进一步优化，以超本地化和超高分辨率的形式呈现。令人惊叹的是，我们现在可以将一座建筑视为集水区，这得益于我们的祖先讲述的那些关于如何通过星辰找到沙漠中水源的神圣故事。
今天，帮助我们在“沙漠中找到水”的关键在于我们对水的叙述——这是人类最早也是最具影响力的“技术”之一。追溯到文明的开端，一切始于我们讲述的关于水的故事：我们如何与水共存共生，如何使用和分享水资源。
循环经济的核心就在于整合外部性，尤其是对水资源的再利用，实现闭环管理。蓝色经济则通过循环管理水资源创造价值，节省时间、精力和资源。而经济本质上是一种我们关于如何共享、如何生活和如何协作的叙述。
就像澳大利亚的原住民一样，我们的故事描绘了我们的世界，并告诉我们如何生存下去。最早的水技术正是这些叙述的体现，为现代和未来可持续水资源管理提供了社会、经济和生态的基础。
那么，我们是否倾听了这些古老故事中传递的智慧呢？