范瑾初　高乃云　曹達(dá)文　孟建平

(同濟(jì)大學(xué))

摘　要　從水工業(yè)學(xué)科組成及分工的角度, 對(duì)水基礎(chǔ)科學(xué)的概念、學(xué)科設(shè)置及內(nèi)容作了初步探討。

　　什么是水基礎(chǔ)科學(xué)? 這是一個(gè)新的命題。基礎(chǔ)科學(xué)研究的是事物的客觀規(guī)律和基本原理, 而不以任何特定的實(shí)際應(yīng)用為目的。如果把“水基礎(chǔ)科學(xué)”理解為將水的研究納入基礎(chǔ)科學(xué)范疇, 那么, 水基礎(chǔ)科學(xué)就不討論具體的應(yīng)用技術(shù)或應(yīng)用目的。但研究水的哪些規(guī)律和原理并不明確, 因?yàn)樗A(chǔ)科學(xué)這一名詞剛剛提出,在學(xué)科分類中目前并無這一學(xué)科名稱。筆者從水工業(yè)學(xué)科組成及其內(nèi)容分工角度考慮, 將它列入水工業(yè)學(xué)科體系中基礎(chǔ)理論之一, 但并非水工業(yè)學(xué)科唯一的基礎(chǔ)理論, 例如工程力學(xué)、電子學(xué)、材料科學(xué)等可以列入水工業(yè)學(xué)科的基礎(chǔ)理論之內(nèi), 但不應(yīng)包括在水基礎(chǔ)科學(xué)之內(nèi)。水基礎(chǔ)科學(xué)是圍繞“水”這個(gè)核心而開展的與水工業(yè)有關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)理論的研究。在此強(qiáng)調(diào)“與水工業(yè)有關(guān)”及“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”, 目的是將有關(guān)水的基礎(chǔ)理論限定在水工業(yè)應(yīng)用范圍內(nèi), 其內(nèi)容包括原給水排水工程有關(guān)基礎(chǔ)理論, 但不是給水排水工程某些基礎(chǔ)理論的簡單綜合。作為一門學(xué)科, 研究的內(nèi)容必須有一個(gè)明確的核心, 學(xué)科的外延或相互滲透盡管比較模糊,但必須緊緊圍繞這個(gè)核心。作為水工業(yè)學(xué)科體系組成之一的水基礎(chǔ)科學(xué)的核心, 簡言之就是水質(zhì)、水量運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)及其變化規(guī)律, 包括天然的和人為的。因此, 水基礎(chǔ)科學(xué)主要研究內(nèi)容是: ①水體循環(huán)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律; ②水質(zhì)及水中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移和分離, 可簡稱“二轉(zhuǎn)一分”。根據(jù)以上研究內(nèi)容, 它所涉及的學(xué)科領(lǐng)域很廣, 以下分別予以介紹。

1　水體循環(huán)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律

　　水循環(huán)包括三種含義： 第一是指各種水體通過蒸發(fā)、水汽運(yùn)輸、降水、地面逕流、地下逕流所形成的水文循環(huán), 這是一種自然循環(huán), 也是一種大循環(huán); 第二是指自然水文循環(huán)受到人類社會(huì)活動(dòng)影響而形成的自然與人類活動(dòng)綜合影響下的水文規(guī)律; 第三是指某一特定類活動(dòng)綜合影響下的水文規(guī)律; 第三是指某一特定范圍內(nèi)(如某一段河流或一個(gè)城市或一個(gè)工廠) , 完全由人類活動(dòng)所形成的水的人工“小循環(huán)”, 如下圖所示:

　　在第二種含義中, 著重研究自然大循環(huán)受人類社會(huì)活動(dòng)影響而發(fā)生水文規(guī)律的變化, 以及這種變化發(fā)生后如何保護(hù)和科學(xué)地分配水資源(包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航運(yùn)等)。而第三種含義(小循環(huán)) 主要研究一定范圍內(nèi)水的人工小循環(huán), 著重于自然水體受到人為破壞以及如何通過人工處理使污染的水體恢復(fù)自然狀態(tài)回歸自然(如圖中線[… ]所示) , 以及工業(yè)企業(yè)或用水部門內(nèi)部的廢水再生回用(如圖中線[ ]所示)。當(dāng)前, 水的小循環(huán)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不完善, 從而使水文自然大循環(huán)也遭到破壞,若水的人工小循環(huán)正常、良好, 水文大循環(huán)也就趨于正常、良好。水基礎(chǔ)科學(xué)研究的目的, 就是為使遭到人類社會(huì)活動(dòng)影響的水文循環(huán)恢復(fù)自然循環(huán)狀態(tài), 并且力求達(dá)到水資源最大限度的再生回用, 提供有關(guān)理論基礎(chǔ)。這是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本保證。因此, 水體人工小循環(huán)與水工業(yè)關(guān)系更為密切。水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指水在江、河、湖泊、地下及管渠中的流動(dòng)規(guī)律, 是水的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律。它是水基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。
　　綜上所述, 水體循環(huán)和水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與水源開發(fā)、保護(hù)、評(píng)價(jià)、管理、水的輸送等緊密相關(guān)。在水的人工小循環(huán)中, 還涉及水處理學(xué)科, 本文第2 部分將另加討論。下面介紹的與水體循環(huán)和水的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的學(xué)科內(nèi)容, 主要是指與水基礎(chǔ)科學(xué)有關(guān)的部分, 或者說水基礎(chǔ)科學(xué)中將包括以下學(xué)科中部分內(nèi)容, 但并非該學(xué)科全部內(nèi)容。
　?、佟∷膶W(xué): 是研究地球上水的起源、分布、循環(huán)、運(yùn)動(dòng)變化及其與地理環(huán)境、人類社會(huì)活動(dòng)之間相互關(guān)系的科學(xué), 研究的是自然界的水文規(guī)律, 直接與水資源有關(guān)。
　?、凇〕鞘兴膶W(xué): 研究的是城市地區(qū)的水文規(guī)律,即在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與其環(huán)境容量相適應(yīng)的條件下, 研究城市環(huán)境及水的循環(huán)中給水、排水、防洪、排澇與城市環(huán)境之間的相互關(guān)系。在水工業(yè)中, 它直接與城市水污染及供水水源有關(guān)。
　?、邸∷Y源水文學(xué): 它是把地球水資源作為一個(gè)整體, 研究其在天然狀態(tài)下的水文規(guī)律受到人類社會(huì)活動(dòng)影響后如何變化, 以及這種變化發(fā)生后如何科學(xué)地分配水資源和保護(hù)水資源。與水工業(yè)有關(guān)的是在一個(gè)大范圍內(nèi)或流域范圍內(nèi)如何作水資源量和質(zhì)的評(píng)價(jià)以及水源的開發(fā)、利用和保護(hù)。
　?、堋…h(huán)境水利學(xué): 它是環(huán)境科學(xué)與水利科學(xué)的交叉和相互滲透, 與水資源水文學(xué)也密切相關(guān)。但與水工業(yè)有關(guān)而與水資源水文學(xué)有所區(qū)別的, 主要是研究流域環(huán)境水利規(guī)劃、水利工程設(shè)施對(duì)水源的影響(包括水質(zhì)、水量)。
　?、荨∷W(xué): 研究的是水的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 包括地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律。水力學(xué)是水基礎(chǔ)科學(xué)中屬于力學(xué)的一個(gè)部分, 也是水工程學(xué)的基礎(chǔ)。

2　水質(zhì)和水中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移和分離

　　水質(zhì)與水中物質(zhì)的含量和存在狀態(tài)密切相關(guān)。水中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移和分離, 實(shí)際上就是各種水處理方法(包括給水處理和廢水處理) 的基本原理的概括, 在水的人工小循環(huán)中起著十分重要作用。在給水和廢水處理中, 水中懸浮物、膠體物、溶解物的去除, 無不借物質(zhì)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移和分離三種作用中的一種、二種或三種綜合作用的結(jié)果。轉(zhuǎn)化是指水中某種物質(zhì)經(jīng)過化學(xué)、物理化學(xué)或生物化學(xué)作用轉(zhuǎn)化成另一種物質(zhì), 通常是把有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì), 或溶解性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成易于去除的固體不溶物。這種例子很多, 例如水處理中的化學(xué)沉淀、生物氧化、酸與堿中和、混凝等, 不一一列舉。轉(zhuǎn)移是指水中某種溶解物質(zhì)由水溶液中轉(zhuǎn)移到某固相表面, 例如離子交換、活性炭吸附等。水中物質(zhì)的轉(zhuǎn)移一般都是物理化學(xué)作用的結(jié)果。物質(zhì)分離是水處理的最終目的, 廣義而言, 上述轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移往往都已達(dá)到水中物質(zhì)分離作用, 但在水工業(yè)學(xué)科中純物理分離現(xiàn)象較多, 例如顆粒沉淀、機(jī)械篩濾等均是物理作用。膜過濾有的是純物理作用, 有的是物理化學(xué)作用。因此, 將分離過程單獨(dú)列出, 以區(qū)別于物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移。
　　在水基礎(chǔ)科學(xué)中, 水中物質(zhì)的“二轉(zhuǎn)一分”是作為水處理的學(xué)科基礎(chǔ), 不討論具體的處理工藝、技術(shù)和設(shè)備, 這就與水工業(yè)學(xué)科中另一組成部分——“水處理與應(yīng)用技術(shù)”的內(nèi)容區(qū)分開, 但二者相互聯(lián)系是無疑的。
　　由上可知, 水中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移和分離, 主要與水化學(xué)、水微生物學(xué)、生物化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程等學(xué)科有關(guān)。此外, 評(píng)價(jià)水質(zhì)也與水化學(xué)、水微生物學(xué)及水質(zhì)醫(yī)學(xué)有關(guān)。
　?、佟∷瘜W(xué): 指與水質(zhì)和水質(zhì)處理有關(guān)的化學(xué), 含義較廣泛, 在學(xué)科分類中目前還沒有這門學(xué)科。因?yàn)樵谒A(chǔ)科學(xué)中涉及化學(xué)較多, 故在此將有關(guān)化學(xué)基礎(chǔ)理論綜合為水化學(xué), 構(gòu)成水基礎(chǔ)科學(xué)的一個(gè)部分。水化學(xué)主要包括有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、高分子化學(xué)、分析化學(xué)等有關(guān)內(nèi)容。水質(zhì)檢驗(yàn), 水中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及分離, 絕大部分與水化學(xué)有關(guān), 湯鴻霄編著的《用水廢水化學(xué)》內(nèi)容可作為水化學(xué)的借鑒。此外, 水污染化學(xué)也可列入水化學(xué)之內(nèi), 它研究的是在水環(huán)境中污染物的來源、性質(zhì)及其化學(xué)變化規(guī)律, 是環(huán)境化學(xué)的分支, 它為水質(zhì)評(píng)價(jià)、水環(huán)境容量及水污染綜合防治提供科學(xué)依據(jù)。
　?、凇∷⑸飳W(xué): 在一般性地研究微生物形成、生理特性的基礎(chǔ)上, 著重研究它與水的衛(wèi)生及水質(zhì)處理有關(guān)問題, 是水的衛(wèi)生檢驗(yàn)和水的生物處理的基礎(chǔ), 或者說也是與水工業(yè)有關(guān)的生物化學(xué)工程的基礎(chǔ)。
　?、邸』瘜W(xué)反應(yīng)工程: 它是化學(xué)工程學(xué)科的一個(gè)重要分支。在水工業(yè)中反應(yīng)器理論可用于水處理設(shè)備的研究, 甚至一段河流自凈過程也可用反應(yīng)器理論進(jìn)行研究, 因此可作為水質(zhì)處理的理論基礎(chǔ)之一。它涉及化學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳質(zhì)、傳熱及流體力學(xué)等基礎(chǔ)理論。
　?、堋∷|(zhì)醫(yī)學(xué): 在學(xué)科分類中目前尚無水質(zhì)醫(yī)學(xué)的學(xué)科名稱, 但可從環(huán)境醫(yī)學(xué)中分出與水質(zhì)有關(guān)的醫(yī)學(xué)內(nèi)容。主要研究水中化學(xué)污染物(或天然存在的有毒有害物質(zhì)) 對(duì)人體健康的影響, 以及水中某些礦物元素與人體健康的關(guān)系。
　　以上列舉的相關(guān)學(xué)科, 只是與水基礎(chǔ)科學(xué)關(guān)系密切的幾門學(xué)科, 即以上幾門學(xué)科的有關(guān)內(nèi)容將與水基礎(chǔ)科學(xué)相互交叉和滲透。至于與整個(gè)水工業(yè)學(xué)科體系相關(guān)的學(xué)科, 如環(huán)境工程、市政工程、水利工程等, 不屬本課題研究范圍。