葉春松 范瑾初

　　本文將采用系統(tǒng)論的基本原理，對水的自然循環(huán)和社會循環(huán)的系統(tǒng)特性進行分析；認為水的自然循環(huán)是具有自組織結構的非平衡開放系統(tǒng)，水的社會循環(huán)是具有人工組織結構的非平衡開放系統(tǒng)。對水工業(yè)體系與水循環(huán)系統(tǒng)的統(tǒng)一性進行探討。根據系統(tǒng)結構決定系統(tǒng)功能的原理，提出建立我國水工業(yè)體系應以整個水的社會循環(huán)作為對象、以系統(tǒng)科學理論作為認識論和方法論、優(yōu)先組建系統(tǒng)運作三要素等建議。

1 水問題與水工業(yè)

　　水是人類和地球上一切生物生存發(fā)展所必需的、不可替代的一種特殊資源。地球上，廣義的水資源量是非常巨大的，約為1.4×1018 m3；而狹義的水資源量只有廣義水資源的0.0003%，約為47×1012m3。受技術經濟條件和自然因素的限制，人類可以取用的水資源量，又只占狹義水資源的3%左右，即只占廣義水資源的百萬分之一（0.0001%）。若全球按50億人口測算，則人均年工程水資源量僅為280 m3水，這一人們熟知的"生命之源"，原來竟是這樣一個“有限資源”。隨著社會經濟的發(fā)展，一方面，工農業(yè)生產和人類生活對水的需求量越來越大，對水質的要求越來越高；另一方面，生產和生活排放的廢水和污水，不斷地對工程水資源造成越來越嚴重的污染；此外，在工農業(yè)生產和人類日常生活中，還存在普遍的浪費現象。由于這些原因，在我國已經形成了越來越嚴重的水源嚴重短缺現象。
　　面對嚴峻的全局性的水問題和潛在的整體性的水危機，人們已經認識到，水問題的根本解決，應采取下列措施：一是要合理開發(fā)和利用水資源；二是要節(jié)約用水：三是要防治水源污染。尤其是后者，越來越受到重視。防止水源污染，涉及廢水處理：從已污染的水源中取水使用，又涉及給水處理。總之，水源短缺、水源污染、水質惡化等一系列問題都互相關聯(lián)。
　　從本質上講，水問題是由人引起的，水問題的最終解決還得靠人。人們對水問題產生的原因、性質及其對工農業(yè)生產和人類生活的影響，都有了較為深刻的認識，也作出了很大的努力，采取了一系列的政策性的、工程性的和技術性的措施，試圖解決日益嚴重的水問題，以避免全局性水危機的爆發(fā)。然而，這些措施，似乎遠沒有達到預期的目的。
　　為了求得對水問題的更好的解決方案，人們不得不從更深的層次、更廣闊的視野、更復雜的聯(lián)系等方面對水問題進行新思考和再認識。水，同煤炭、石油、天然氣等礦物燃料和金、銀、銅、鐵等礦物資源一樣，是一種自然資源，具有資源的屬性；但又不完全一樣，礦物燃料經過燃燒后轉變成為CO2和H2O等性質和形態(tài)完全不同的物質，因而礦物燃料最終會耗盡；金屬礦物資源，由于人類社會的提煉加工而富集于社會，可形成一個封閉的社會循環(huán)；而水則不會因為人類的利用而減少，但又不能被人類加工后貯存，使用后的水必須返還大自然，進入循環(huán)系統(tǒng)，經"再生"后，重復為人類所利用。由此可知，水是一種特殊的可再生資源。
　　因此，水資源的利用和回收，可象其他資源一樣納入工業(yè)范疇。于是，有識之士提出：建立統(tǒng)一的水工業(yè)體系，按自然規(guī)律和經濟規(guī)律辦事，探索出一條從根本上解決"水問題"的必由之路和自由之路。本文將從系統(tǒng)論角度探討建立水工業(yè)的有關認識問題。

2 水循環(huán)的系統(tǒng)屬性及其要素

2.1 水的自然循環(huán)--全球性的大系統(tǒng)
　　在自然界，水以海洋、冰雪、地下水、湖泊、沼澤、河流、大氣水和生物水等多種形式存在。在太陽光能和地心引力等宇宙自然能量的作用下，水從海洋、各種地表水面及地面蒸發(fā)形成水蒸汽，繼而形成雨、雪等降水，一部分以地表徑流形式流入江、河、湖泊，成為地表水水源，其中江河之水最終流入大海；另一部分滲入地層成為地下水水源，而地下水也在經歷漫長的滲流循環(huán)過程。由此可知，地球上的水通過蒸發(fā)、降水、徑流和滲流等形式進行周而復始的自然循環(huán)，從整體上看，這種循環(huán)是一個全球性的大系統(tǒng)。
2.2 水的社會循環(huán)--自然循環(huán)的子系統(tǒng)
　　人類為了工農業(yè)生產和自身生活，從各種天然水體中取水，使用之后，以各種廢水和污水形式排出，又返回天然水體之中。它以天然水體為起點，最終以天然水體為終點，因此，它是水的自然循環(huán)系統(tǒng)中的一個特殊的子系統(tǒng)--水的社會循環(huán)?？v觀水的社會循環(huán)，從屬性上講，可分為農業(yè)灌溉用的水循環(huán)、工業(yè)生產過程用的水循環(huán)、居民生活用的水循環(huán)，即存在水的農業(yè)循環(huán)、工業(yè)循環(huán)和民用循環(huán)3個子系統(tǒng)。但是，不管這些水循環(huán)次級子系統(tǒng)的特性如何，它們都通過取水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)相連接，形成一個相互關聯(lián)的網絡系統(tǒng)。
2.3 水循環(huán)系統(tǒng)的三要素--物質、能量與信息
　　在水的社會循環(huán)系統(tǒng)中，存在著3個基本要素：物質--水，為水的儲存和流動提供的構筑物、管網、溝渠，機械和電力設備等；能量--動力設備提供的機械能和電能、水在構筑物中的勢能、水流的動能、水攜帶的熱能等；信息--系統(tǒng)中各種物質和能量的參數，水的物理化學特性指標等。從本質上講，水在系統(tǒng)中的循環(huán)，就是系統(tǒng)物質、能量和信息的運動。以前，系統(tǒng)的信息運動沒有引起人們足夠的注意。系統(tǒng)的信息，是人們對系統(tǒng)的物質和能量進行管理和控制的基本依據。

3 水循環(huán)系統(tǒng)的特性

3.1 非平衡的開放系統(tǒng)
　　地球上的水，由于受到太陽光照和地球引力的作用而產生了自然循環(huán)。在這個循環(huán)過程中，水吸收太陽的光能，并轉變?yōu)闊崮?，一部分水以蒸汽的形式進入大氣層，并留下了所溶解和攜帶的物質；受大氣層氣溫氣流的影響和地球引力作用，又轉變形態(tài)，以液態(tài)的水或固態(tài)的冰雪形式轉變?yōu)榻邓?；在與空氣和地表接觸的運動過程中，又溶解吸收空氣中的氣態(tài)物質和地表中的礦物質和微生物，并攜帶這些物質一起運動。由此可見，水的自然循環(huán)始終存在物質、能量和信息的交換，因此，它是一個非平衡的開放系統(tǒng)。水在其社會循環(huán)系統(tǒng)中，同樣與外界有物質、能量和信息的交換，有一點不同的是，它是一個受人類社會控制的系統(tǒng)，是有組織的系統(tǒng)，是一個人工系統(tǒng)，但本質上也是一個非平衡開放系統(tǒng)。
3.2 水自然循環(huán)的自組織特性
　　由物理化學中的熱力學理論，我們知道，一個隔離（或封閉）物系，會自發(fā)地朝著平衡狀態(tài)方向變化，即朝著熵增的方向變化，最后達到平衡。而水循環(huán)系統(tǒng)是與外界有物質、能量和信息交換的開放系統(tǒng)，是一個多因素的非平衡系統(tǒng)。由于與外界的物質和能量交換而輸入的負熵，起了抵消系統(tǒng)的熵增的作用，系統(tǒng)將處于一種相對穩(wěn)定的有序狀態(tài)，即形成系統(tǒng)的非平衡有序結構。水的自然循環(huán)，在人類的社會循環(huán)加入之前，或社會循環(huán)加入所產生的作用很小的時候，處于一種宏觀上相對穩(wěn)定的有序狀態(tài)；由于社會循環(huán)的加入，輸進了系統(tǒng)原本沒有的新的物質和能量，原來的有序狀態(tài)被破壞而向一種新的有序狀態(tài)演變。這種演變，在微觀上，是系統(tǒng)內部各子系統(tǒng)之間通過非線性的相互作用產生的協(xié)同現象和相干效應，在宏觀上，則表現為系統(tǒng)的自組織作用。因此，水的自然循環(huán)系統(tǒng)，是一個從無序向有序演化的自組織系統(tǒng)。
3.3 水社會循環(huán)系統(tǒng)的組織特性
　　水的社會循環(huán)系統(tǒng)，是由人類社會按照特定的目的、功能、用途和結構組織起來的一個個子系統(tǒng)或系統(tǒng)單元構成的。系統(tǒng)依據外來的指令（人為的控制或干擾）與外界進行物質、能量和信息的交換，因此，系統(tǒng)不可能自動協(xié)調各組成部分的關系，完成特定的功能，不存在使系統(tǒng)自發(fā)從無序向有序的演化的作用機制。也就是說，水的社會循環(huán)系統(tǒng)是一個有組織的系統(tǒng)，盡管它是一個多因素動態(tài)的復雜系統(tǒng)。水的社會循環(huán)系統(tǒng)的非自組織特性，既是系統(tǒng)本身問題產生的根源，又是系統(tǒng)問題由系統(tǒng)所反映的信息，通過人類社會的控制可以使問題得以解決的基礎。
3.4 兩種水循環(huán)系統(tǒng)的關系與解決“水問題”的思路
　　水自然循環(huán)系統(tǒng)的物質、能量和信息等基本要素，陸、海、空構成的系統(tǒng)基本結構，以及太陽能和地心引力等基本作用力，都是大自然在自組織過程中通過協(xié)同與競爭、穩(wěn)定與選擇，積累與進化等作用產生的宏觀功能組織單元。這些具有自催化或自復制能力的單元，通過功能的循環(huán)耦合而建立了水的自然循環(huán)這樣一種高級自組織循環(huán)系統(tǒng)。而水社會循環(huán)系統(tǒng)，基本要素、基本結構和基本作用力，都是人類社會按照自己的意志組織和建立的，是一種人工系統(tǒng)。兩者之間的關系表現在：首先，水社會循環(huán)系統(tǒng)是自然循環(huán)系統(tǒng)的一個特殊子系統(tǒng)，是主從關系；其次，兩者在系統(tǒng)基本要素方面具有相似性：第三，兩者在基本結構和基本作用力方面具有明顯的差異；第四，自然循環(huán)系統(tǒng)具有不可控制性，而社會循環(huán)系統(tǒng)具有可控制性；第五，自然循環(huán)系統(tǒng)通過自組織過程完成系統(tǒng)的有序化在時間上具有滯后性，而社會循環(huán)系統(tǒng)由于可以通過人工控制完成系統(tǒng)內部的有序化因而在時間上具有及時性；最后，兩者緊密相聯(lián)因而具有相互作用。
　　水的社會循環(huán)系統(tǒng)作用于水的自然循環(huán)系統(tǒng)，因遭受反作用而造成自身循環(huán)的障礙--“水問題”或“水危機”。由于水的自然循環(huán)和社會循環(huán)具有上述的自身特點和相互關系，因此，“水問題”的解決，應主要從社會循環(huán)內部可人工控制的因素著手，其次才是從兩者的相互關系著手。換句話說，只有通過優(yōu)先解決水的社會循環(huán)系統(tǒng)的內部存在的結構和運作機制問題來解決“水問題”，才能實現“水問題”最終解決，實現兩個循環(huán)的和諧共存。建立水工業(yè)體系的設想，正是這種思路的一種具體體現。

4 水工業(yè)體系的系統(tǒng)略論

4.1 現實水社會循環(huán)系統(tǒng)的問題
　?。?）城鎮(zhèn)居民生活用水系統(tǒng)--人為分割為給水、排水
　　水社會循環(huán)系統(tǒng)的三大子系統(tǒng)之一的城鎮(zhèn)居民生活用水系統(tǒng)，由于歷史的原因和傳統(tǒng)觀念的作用，以及經濟、技術和文化上的原因，被分割為“給水”和“排水”兩個相對獨立的部分，沒有把它們當作是一個統(tǒng)一的系統(tǒng)來考慮其運作機制與規(guī)律。在人口少、居住分散、即使集中居住但人口密度較低而又水源豐富的時代或地區(qū)，“雨水”可以實現完全隔離，而且“排水”也能被自然環(huán)境的自凈作用而凈化（水自然循環(huán)系統(tǒng)自組織功能表現之一）。然而，社會發(fā)展到現代，一是"完全隔離"已是不可能了，二是“排水”的污染作用超過了環(huán)境的自凈能力，“給水”水源與“排水”受體通過天然水體相連而形成“回路”，從整體上看，“給水”與“排水”“短路”，于是，嚴重的“水源短缺”問題、“水質惡化”問題就出現了。
　?。?）工業(yè)用水系統(tǒng)--對水質惡化在“質”與“量”上有“特殊貢獻”
　　工業(yè)用水系統(tǒng)是水社會循環(huán)系統(tǒng)中另一類特性的子系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了具有與生活用水系統(tǒng)相同的不統(tǒng)一性的現狀外，還有其自身的特點：①用水量大，是生活用水的4～5倍；②排水污染物濃度高、品種多且性質各異，如高濃度的制革廢水、造紙廢水、印染廢水、含油廢水、石油化工廢水、無機化工廢水、重金屬廢水、開放式冷卻系統(tǒng)的“熱廢水”、燃煤鍋爐沖灰廢水等等，對水源造成了復雜的污染情況。工業(yè)廢水通過各種渠道與生活用水水源系統(tǒng)"聯(lián)網"，不僅對工業(yè)用水影響嚴重，而且對生活用水危害極大。
　?。?）農業(yè)生產用水系統(tǒng)--未被重視但影響極大
　　農業(yè)生產用水系統(tǒng)是水社會循環(huán)系統(tǒng)中比重最大的一個子系統(tǒng)。我國用水總量中，農業(yè)用水約占70%。農業(yè)生產用水，由于對水質要求低但水量巨大，人們通常只是從水利工程角度去考慮如何解決水源短缺問題，而較少考慮水質問題。但是，象淮河流域這樣水質嚴重污染的水系，對農、牧、漁業(yè)生產造成的重大損失卻是難以統(tǒng)計的。另一方面，含有大量的農藥、化肥和牲畜排泄物的農、牧、漁業(yè)生產的排水和滲流水，進入天然水體，對整個水的社會循環(huán)系統(tǒng)的影響也越來越大。如何解決農業(yè)用水系統(tǒng)對共用水源水系的水質影響問題，是亟待研究和解決的大問題。這是一個水利工程與水質工程學科交叉和行業(yè)交叉的大問題。
4.2 水工業(yè)的基本內涵及其支撐學科體系
　　針對我國水源污染、水質惡化、水危機事件頻繁出現，人民生活、工業(yè)和農業(yè)生產受到嚴重影響，乃至整個國民經濟和社會發(fā)展因此受到制約的現象，水科學界于1995年從認識論和方法論的深層次和國民經濟可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度，提出了建立我國水工業(yè)體系的觀念。該觀念一經提出，即獲得巨大反響。經過幾年的討論研究，已取得廣泛的共識。國家有關部委已經擬出了“水工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”。有關研究課題已列入了國家“九五”科技攻關計劃。水工業(yè)的建立問題，已成為當前有關行業(yè)學術界和管理層的一個熱門話題和重要的研究課題。一般認為，水工業(yè)由水工業(yè)企業(yè)、水工業(yè)制造業(yè)、水工業(yè)高新技術產業(yè)等3大部分組成。水工業(yè)的內涵主要體現在以下4個觀點上：（1）系統(tǒng)觀點：給水排水是由給水和排水組成的一個具有統(tǒng)一性的整體；（2）工業(yè)觀點：給水排水是一門工業(yè)；（3）水工業(yè)制造業(yè)是給水排水事業(yè)的支柱工業(yè)；（4）水工業(yè)表征了給水排水的高新技術時期。
　　水工業(yè)體系將是一個超大規(guī)模的現代工業(yè)體系。大工業(yè)體系必須有大的科學技術體系作為支撐。目前已經提出，水工業(yè)學科體系包括以下5大部分：（1）水基礎科學；（2）水質工程學；（3）水工程技術；（4）水工業(yè)制造技術；（5）水工業(yè)社會科學。關于水工業(yè)學科設置的研究工作，已進行得較為深入并取得了重大的階段性成果。
4.3 水工業(yè)體系與水循環(huán)系統(tǒng)的統(tǒng)一性
　　以流動的水為觀察對象，在人類社會中存在一個水的循環(huán)系統(tǒng)，一個人工組織的、動態(tài)的開放系統(tǒng)。為了使得這個系統(tǒng)能夠成為可持續(xù)地為人類社會的生存和發(fā)展服務的有序循環(huán)系統(tǒng)，人們在不斷地探索其循環(huán)機制的過程中，產生了新的認識，提出了創(chuàng)新的水社會循環(huán)系統(tǒng)觀念--建立現代水工業(yè)體系。擬建立的水工業(yè)體系，是在遵循自然規(guī)律的基礎上，從發(fā)揮人類主觀能動性角度出發(fā)，以商品“水”的生產（包括水的采掘、水質加工等）、輸送、銷售、回收、再生、回用或返還等經濟活動環(huán)節(jié)為主線構成的一個統(tǒng)一的產業(yè)體系。該體系具有明顯的系統(tǒng)特性，是一個與水循環(huán)系統(tǒng)規(guī)律相吻合的人工系統(tǒng)。該體系的建立，是以系統(tǒng)的物質和信息兩大要素為主要研究對象和工作內容，從系統(tǒng)整體、要素聯(lián)系、運行機制等方面綜合考慮，通過工程技術手段實現對系統(tǒng)的有效控制，以達到系統(tǒng)的良性循環(huán)和為國民經濟和社會可持續(xù)發(fā)展提供最基本的物質保障的目的。
4.4 水工業(yè)體系的系統(tǒng)運作三要素
　　水工業(yè)體系是一個人工組織系統(tǒng)，不象水的自然循環(huán)是一個自組織系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)循環(huán)狀態(tài)的優(yōu)劣程度的決定因素是人 ? 系統(tǒng)的組織者。系統(tǒng)的統(tǒng)一性決定了系統(tǒng)必須有一個高層次的統(tǒng)一管理體系? 規(guī)劃、調度、決策等高級功能體系。目前，在國家層次還沒有形成一個能與水工業(yè)存在和發(fā)展相適應的管理體系。用政治經濟學概念表達就是還沒有一個與水工業(yè)大系統(tǒng)這個“經濟基礎”相適應的“上層建筑”。對于涉及水工業(yè)各子系統(tǒng)或功能單元，國家各部、委、局和國家級總公司“齊抓共管”、“分而治之”，而沒有按照系統(tǒng)統(tǒng)一屬性設立的綜合和協(xié)調管理部門。
　　水工業(yè)體系的多因素、動態(tài)、復雜和開放等特性，決定了它需要一個大的學科體系支撐。水工業(yè)學科體系，在我國已略具雛形，經過統(tǒng)籌規(guī)劃和疏導，可較快地形成一個完整的學科體系和高新科技群體，能基本適應水工業(yè)發(fā)展的需要且具有一定的先導作用。水工業(yè)是一門工業(yè)，其活動性質屬于經濟活動，因此，水工業(yè)體系中物質、能量、信息等經濟屬性方面的活動，必須遵循經濟規(guī)律，以市場經濟杠桿為調節(jié)手段。高層綜合管理體系、大的學科體系和市場經濟機制，是水工業(yè)體系作為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)運行的最重要的三個基本要素。

5 結語

　　水的自然循環(huán)是一個開放性的自組織系統(tǒng)，由大自然的作用規(guī)律支配著它的有序運行。人類為了自身的生存和發(fā)展，參與它的運行，形成了一個水的社會循環(huán)系統(tǒng)。由于對自然規(guī)律認識不足和沒有按照已認識的規(guī)律組織人工系統(tǒng)的運行，導致了“水源短缺”、“水質惡化”等一系列“水的社會性問題”。在對“水問題”進行反思和在對自然規(guī)律認識逐步深入的基礎上，人們提出了建立"水工業(yè)體系"的構想。將要建立的水工業(yè)體系，是國民經濟和社會可持續(xù)發(fā)展提出的迫切需求和水科學技術提供的基本保障相結合的必然產物，也是人類認識自然和自身從思想上產生的一個階段性的高級結晶體。
　　系統(tǒng)結構決定系統(tǒng)功能。鑒于水循環(huán)的系統(tǒng)特性，建議水工業(yè)體系和水工業(yè)學科體系以整個水的社會循環(huán)系統(tǒng)為研究對象和工作目標，不局限于以城市生活用水系統(tǒng)為主體，而應涵蓋所有工業(yè)用水系統(tǒng)和農業(yè)用水系統(tǒng)，這是因為三大子系統(tǒng)共同構成了一個不可分割的社會循環(huán)系統(tǒng)。水工業(yè)體系的建立和發(fā)展，應當以當代系統(tǒng)科學的系統(tǒng)存在論、系統(tǒng)演化論和系統(tǒng)機制論作為認識論和方法論。要建立水工業(yè)體系，應優(yōu)先組建系統(tǒng)運作"三要素"，特別是組建其中的高層綜合管理體系。比如說，先組建國家水工業(yè)總局，然后過渡到國家水工業(yè)總公司；或者更進一步，將水利部和有關部、委、局、國家級公司涉及水資源開發(fā)利用的管理職能合并，組建水資源部。這樣，不僅在全國范圍內能高效管理和宏觀協(xié)調水資源的開發(fā)利用，而且在深層次上符合水的兩大循環(huán)的自然規(guī)律。

參考文獻
（14篇，編者略）