水生態(tài)文明建設的理論基礎及若干關鍵問題

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，100038，北京）

水生態(tài)文明建設的理論基礎及若干關鍵問題

王浩

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，100038，北京）

水生態(tài)文明是生態(tài)文明建設的重要基礎和組成，其核心遵循“自然-社會”二元多過程的演變規(guī)律，規(guī)范人類水土資源開發(fā)活動，構建安全可靠的防洪抗旱體系、高效集約的供用水體系、健康優(yōu)美的水生態(tài)體系、先進特色的水文化體系和科學嚴格的水管理體系等五大體系。為支撐水生態(tài)文明建設，需要深入“自然-人工”二元水循環(huán)多過程演變機理、流域綜合服務功能建設、智能水網與智慧水務建設等關鍵問題研究。

水生態(tài)文明；建設體系；分區(qū)建設重點；關鍵科技問題

人類在經歷了漁獵文明、游牧文明、農業(yè)文明后，已進入工業(yè)和城市文明階段。隨著人類活動影響的深入，天然生態(tài)空間被擠占，生態(tài)與環(huán)境演變也由自然營力的一元驅動轉變?yōu)樽匀缓腿藶闋I力的雙重驅動，演變規(guī)律也被擾動。尤其是進入農業(yè)文明以來，以滿足經濟社會發(fā)展需求為關鍵目標的水土資源開發(fā)活動，誘發(fā)了系列生態(tài)與環(huán)境問題，危及人類社會的可持續(xù)發(fā)展。遵循自然演變規(guī)律，規(guī)范人類活動，開展生態(tài)文明建設，是人類文明發(fā)展的必然選擇和整體趨勢。

水是地球表層系統(tǒng)中最為活躍的因子，水循環(huán)過程與水生態(tài)過程、水環(huán)境過程和水沙過程之間有著多向的反饋作用，水循環(huán)過程是主過程，其他過程是伴生過程，整體構成了水循環(huán)多過程。人類文明的發(fā)展史，也是一部人類適水、用水和治水史；水循環(huán)多過程已由從“自然”一元驅動過渡到“自然-人工”二元驅動。隨著自然和社會經濟之間競爭性用水和用地矛盾日漸加劇，以及氣候變化影響的深入，人類面臨著深刻、復雜的水問題，我國水問題尤為嚴峻。在生態(tài)文明建設總體框架下，系統(tǒng)深入開展水生態(tài)文明建設，是治水戰(zhàn)略發(fā)展的必由之路。

我國以水生態(tài)文明城市建設為重要抓手，已在全國層面適時開展了深入的水生態(tài)文明建設工作，對遏制生態(tài)退化和環(huán)境污染、提高水的生態(tài)環(huán)境與社會經濟服務功能、規(guī)避干旱與洪澇災害風險，取得了良好的作用。需要指出的是，我國水生態(tài)文明建設尚處于起步發(fā)展階段，理論和技術支撐尚待進一步完善，建設路徑也有較大優(yōu)化空間。本文將重點探討水生態(tài)文明建設的理論基礎、建設目標與基本建設體系，并對若干關鍵科技問題進行分析，以期為水生態(tài)文明建設和研究提供參考。

一、水生態(tài)文明建設的理論基礎

1.“自然-人工”二元水循環(huán)理論在沒有人類之前，陸地水循環(huán)過程以降水-蒸散發(fā)-產流-匯流等天然水循環(huán)過程為主；隨著人類活動影響的深入，取水-輸水-用水-耗水-排水等社會水循環(huán)過程的通量和強度日漸增強，并與天然水循環(huán)過程相耦合，水循環(huán)過程過渡到“自然-社會”二元水循環(huán)模式；與此同時，人類活動尤其是土地資源開發(fā)活動，使得天然水循環(huán)的下墊面條件發(fā)生了深刻變化，以增溫為背景的全球氣候變化還導致水循環(huán)的大氣過程發(fā)生變化；整體使得水循環(huán)的非一致性和非穩(wěn)態(tài)特性變化。需要指出的是，水是生態(tài)系統(tǒng)中最為關鍵的非生物成分，水循環(huán)是生態(tài)演變的關鍵驅動因素；同時，生態(tài)演變尤其是植被變化，導致蒸散發(fā)和產匯流過程發(fā)生變化，水循環(huán)過程與水生態(tài)過程之間具有互饋作用。伴隨著天然水循環(huán)的變化，自然環(huán)境中的物質發(fā)生遷移轉化；伴隨著社會水循環(huán)，污染物得以產生和輸移，水環(huán)境及泥沙運動過程整體隨著“自然-人工”二元水循環(huán)的變化而變化。天然水循環(huán)過程、社會水循環(huán)過程、水環(huán)境過程、水生態(tài)過程和水沙過程之間存在著多向的反饋作用，整體構成了“自然-人工”二元水循環(huán)多過程。

流域或區(qū)域的水問題，不論程度和表現(xiàn)形式如何，其本質都是“自然-人工”水循環(huán)多過程的要素過程及環(huán)節(jié)發(fā)生了失衡。水生態(tài)文明建設，需要充分遵循“自然-人工”二元水循環(huán)多過程的演變規(guī)律。

2.水土資源高效利用理論

自然和經濟社會系統(tǒng)之間競爭性用水和用地矛盾，以及生態(tài)需水和生態(tài)用地被擠占，是水問題的關鍵成因。提高水土資源的利用效率和效益、緩解競爭性用水和用地矛盾，是從根本上解決水問題、進行水生態(tài)文明建設部署的關鍵。

水土資源高效利用的基本目標是充分發(fā)揮水土資源的生態(tài)環(huán)境服務功能和社會經濟價值，全面提高區(qū)域水土資源的承載能力。同時，以水土資源的綜合承載能力為依據，進行社會經濟的優(yōu)化布局、引導產業(yè)的升級調整。對于水資源的高效利用，關鍵對象是城市和灌區(qū)這兩大高強度的社會水循環(huán)單元，并需要以社會水循環(huán)過程為主線，從產業(yè)、用戶、工藝過程等多層面提高水資源的利用效率與效益，降低社會水循環(huán)對天然水循環(huán)的影響，增強區(qū)域水循環(huán)的自然屬性。對于土地資源的高效利用而言，在宏觀層面要做好生態(tài)、生產和生活空間的優(yōu)化，實現(xiàn)生態(tài)空間的健康穩(wěn)定、生產空間的集約高效、生活空間的適度宜居，通過對生產空間和生活空間的嚴格管控，減緩對生態(tài)空間的擠占和擾動。需要指出的是，在傳統(tǒng)的水資源和土地資源配置中，以承載能力為紐帶，互為約束，未能充分體現(xiàn)水資源與土地資源的互饋作用。在水生態(tài)文明建設中，需要識別水資源與土地資源的互饋機理，進行機制緊密的水土資源聯(lián)合配置和綜合承載能力的核算，并通過互動管控，實現(xiàn)高效利用目標。與此同時，水土資源的高效利用，還將大幅度降低污染物產生量和入河量，提升水環(huán)境質量。

3.雙向協(xié)同調控理論

水資源與經濟社會系統(tǒng)是一個復雜的協(xié)同系統(tǒng)，所謂的系統(tǒng)協(xié)同就是要一方面保證水資源系統(tǒng)的可持續(xù)利用和水生態(tài)系統(tǒng)的平衡，另一方面保障經濟社會系統(tǒng)穩(wěn)定快速發(fā)展，滿足區(qū)域發(fā)展與國家整體經濟戰(zhàn)略需求。所謂的水資源與經濟社會協(xié)同，是一個“二元三級”的全面協(xié)同。“二元”是指由水資源系統(tǒng)與交互系統(tǒng)中的人工供水系統(tǒng)組成的供給方，和由經濟社會系統(tǒng)與交互系統(tǒng)中的人工廢污水處理系統(tǒng)組成的需求方。“三級”是指宏觀、中觀、微觀三個層面。供給方調控：宏觀層進行水資源可利用總量控制，確定總體利用規(guī)模，中觀層面實施水資源合理配置，實現(xiàn)不同水源與不同用戶的匹配，微觀層面加大非常規(guī)水利用，在確定范圍內實現(xiàn)資源的最大化利用。需求方調控：宏觀層面是產業(yè)經濟規(guī)?？偭康目刂?，中觀層面是結構上的優(yōu)化與布局上的調整，以適應水資源和供水的條件與過程，微觀層面是實施用水過程管理控制，開展節(jié)水與減污。雙向協(xié)同調控理論為水生態(tài)文明建設提供了實施路徑方面的指導。

二、水生態(tài)文明建設總體思路和基本框架

1.總體建設思路

水生態(tài)文明建設的總體思路是，充分遵循“自然-人工”二元水循環(huán)演變規(guī)律，規(guī)范人類的水土資源開發(fā)活動，既要為經濟社會發(fā)展規(guī)避水災，并為水資源提供安全保障，又要實現(xiàn)山青、水凈、河暢、湖美、岸綠的水生態(tài)修復與保護目標。將人作為生態(tài)系統(tǒng)的要素，體現(xiàn)價值觀、制度、生產消費模式的轉變和水生態(tài)環(huán)境保護水平與質量的提升。

核心任務是構建健康的自然-社會水循環(huán)系統(tǒng)，基本要求是包括以下四個方面：①社會水循環(huán)利用不影響河湖水域的水體功能；②水的社會循環(huán)不損害自然水循環(huán)的客觀規(guī)律；③社會物質循環(huán)中不切斷、不損害植物營養(yǎng)素的自然循環(huán)，不產生營養(yǎng)素物質的流失，不積累于自然水系而損害水生態(tài)；④維系或恢復全流域的良好水環(huán)境。

2.基本建設框架

水生態(tài)文明建設的基本框架包括自然文明、用水文明、管理文明和意識文明等四個方面。自然文明重點是維持物理、環(huán)境和生物完整性，其中，物理完整性主要包括補給水量穩(wěn)定性、水域與水體形態(tài)完整性、動力學過程完整性等；環(huán)境完整性主要體現(xiàn)在水功能區(qū)達標、水生生物水質得到滿足、水體污染風險低等方面；生物完整性主要包括生物多樣性維持、特有水生物種得到有效保護、棲息環(huán)境完整性得以保證。用水文明主要是供水保障、節(jié)水防污和水災害防治等。管理文明主要體現(xiàn)在制度條文、管理設施和體制隊伍等方面，其中，制度條文包括法律法規(guī)、政策規(guī)章與辦法、技術文件與方案等；管理設施主要包括監(jiān)測設施、計量設施和信息化平臺等；體制隊伍主要包括管理體制、隊伍能力和運行機制等。意識文明主要包括價值理念、公眾意識和水文化，其中，價值理念包括水生態(tài)倫理、水價值觀念和外部性觀念等；公眾意識重點是認知水平提升和意識增強；水文化主要包括歷史水文化傳承、特色水文化保存、現(xiàn)代水文化創(chuàng)新。在上述框架下，建設五大體系，分別為安全可靠的防洪抗旱體系、高效集約的供用水體系、健康優(yōu)美的水生態(tài)體系、先進特色的水文化體系和科學嚴格的水管理體系。

三、水生態(tài)文明建設若干關鍵科技問題

水生態(tài)文明建設屬復雜系統(tǒng)工程，科技創(chuàng)新的方向與重點主要包括：基礎認知理論、監(jiān)測與動態(tài)評估、工程技術、過程管理與調控、政策分析與制定和建設模式與技術標準等，重點需要解決以下三大科技問題。

1.“自然-人工”二元水循環(huán)多過程耦合機理

“自然-人工”二元水循環(huán)多過程耦合機理，是水生態(tài)文明建設路徑和具體方案制定的關鍵依據。需要以控制實驗、原型觀測、數(shù)值模擬和地理信息技術為關鍵支撐，深入研究以下五方面問題：一是社會水循環(huán)對自然水循環(huán)過程的作用機制，明晰社會水循環(huán)與自然水循環(huán)的耦合模式，存量和通量過程變化及配比機制。二是水循環(huán)過程與伴生過程間多向反饋作用機制，以及動態(tài)耦合調控機制等。三是基于水循環(huán)全過程的水資源量-質-效轉化機理。從局部或整體角度，科學區(qū)分水資源的有效與無效、高效與低效、生態(tài)效用與經濟效用，并對其進行統(tǒng)一度量；明確用水從低效向高效的轉化路徑。四是要刻畫水循環(huán)多過程多時空尺度的耦合機理。五是需要系統(tǒng)研發(fā)時空展布和動力降尺度等技術，以解決“自然-人工”二元水循環(huán)尺度匹配問題。

2.流域水循環(huán)多過程調節(jié)功能建設

以清潔流域和生態(tài)流域建設為代表的傳統(tǒng)流域治理，強調的是水質和生態(tài)改善。在水生態(tài)文明建設中，需要全面提高流域對水循環(huán)多過程的調節(jié)能力。對植被、天然水體、土壤、地下水含水層等地理要素和水利工程等基礎設施對水文水動力、水化學、水沙過程等調節(jié)性能和潛力進行評價，并就滿足健康水循環(huán)構建的多過程調節(jié)需求進行評價；充分挖掘和發(fā)揮天然系統(tǒng)對水循環(huán)的調節(jié)作用，對流域各類地理要素及基礎設施的調節(jié)功能進行定位，對其調節(jié)能力進行配置，明確流域不同地理要素及基礎設施應發(fā)揮的調節(jié)能力；規(guī)范人類水土資源開發(fā)活動，減少對自然水循環(huán)的擾動；系統(tǒng)布局地表灰色基礎設施（水庫、堤防、渠系、泵站、水井等）與綠色基礎設施（林草地、濕地等），建設土壤水庫和地下水水庫；融合現(xiàn)代信息技術的新進展，實現(xiàn)地表-土壤-地下多過程、水量-水質-泥沙-水生態(tài)的聯(lián)合調控。

3.智能水網與智慧水務建設

為支撐水生態(tài)文明的順利建設，需要融合現(xiàn)代信息技術的新進展，開展智能水網與智慧水務建設。智能水網是以“自然-社會”二元物理水網體系為依托，引入多維智能化現(xiàn)代信息技術，實現(xiàn)水循環(huán)調控和水資源管理能力優(yōu)化的先進管理理念和綜合性水利管理平臺，由物理網、信息網和調度網構成。對于物理網的構建，需要發(fā)展新一代的工程規(guī)劃設計、安全經濟建設、新材料新工藝、安全監(jiān)測等技術；對于信息網構建，需要深入開展站網布局與優(yōu)化、信息采集與獲取、信息穩(wěn)定傳輸以及信息存儲與挖掘等技術研究；對于調度網的建設，需要進一步發(fā)展調度方案制定、工程自動控制、水力控制和實施滾動修正等技術的研發(fā)。智慧水務是對傳統(tǒng)水務管理的一項突破，其思想是通過物聯(lián)網、互聯(lián)網、云計算、大數(shù)據等先進信息技術與水利管理高度融合，核心是“自然-社會”二元水循環(huán)理論與模擬技術。智慧水務是主動的服務，是共享的服務，是快速及時的服務，是成體系的服務，要體現(xiàn)其以最終用戶為核心的思想。

四、結 語

生態(tài)文明是人類文明發(fā)展的一個嶄新階段，是人、自然（水、土、氣、生態(tài)等）、社會和諧發(fā)展而取得的物質與精神成果的總和。水生態(tài)文明重點關注“人-水-生態(tài)”的相互關系與協(xié)同進化。建設生態(tài)文明不是回到原始狀態(tài)，而是在新的發(fā)展階段塑造健康、和諧、高效的“新的生態(tài)平衡”。城市水生態(tài)文明是生態(tài)文明的 “集中閃光點”，也是生態(tài)文明建設的重點和難點。 ■

（本文在寫作過程中，得到了中國水利水電科學研究院嚴登華教授、李海紅教授和王麗珍博士的幫助，在此致以謝忱?。?/p>

[1]水利部.關于加快推進水生態(tài)文明建設工作的意見[S].2013.

[2]陳明忠.關于水生態(tài)文明建設的若干思考[J].中國水利，2013（15）.

[3]陳進.水生態(tài)文明建設的方法與途徑探討[J].中國水利，2013（4）.

[4]唐克旺.水生態(tài)文明的內涵及評價體系探討[J].水資源保護，2013（4）.

[5]王建華，胡鵬.水生態(tài)文明評價指標體系研究[J].中國水利，2013（15）.

[6]張建云，王小軍.關于水生態(tài)文明建設的認識和思考[J].中國水利，2014（7）.

[7]詹衛(wèi)華，汪升華，李瑋，等.水生態(tài)文明建設“五位一體”及路徑探討[J].中國水利，2013（9）.

責任編輯張金慧

Theoretical basis and key problems of water ecological civilization construction

Wang Hao

Water ecological civilization is an important foundation and composition of ecological civilization construction. Its core follows the “nature-society”dual and multi-process evolution rules,regulates development activity water and soil resources of human being.It includes the construction of the five major systems including safe and reliable flood control and drought relief system,intensive water supply system,health and beautiful water ecological system,advanced and featured water culture system and scientific and strict water management system.In order to support the construction of water ecological civilization,it is necessary to carry out in-depth study of “natural-artificial”dualistic water cycle multi-process evolution mechanism,integrated drainage basin service function construction,intelligent water network and intelligent water construction as the key issues.

waterecologicalcivilization；constructionsystem；keypointsofregionalizedconstruction；keytechnologyissues

TV+X171.4

：A

：1000-1123（2016）19-0005-03

2016-09-30

王浩，教授級高級工程師，中國工程院院士，主要從事水文水資源研究。

國家重點研發(fā)計劃課題“國家水資源協(xié)同配置模型與方案研究（2016YFC0401306）”。