葉春松 范瑾初

　　本文將采用系統論的基本原理，對水的自然循環和社會循環的系統特性進行分析；認為水的自然循環是具有自組織結構的非平衡開放系統，水的社會循環是具有人工組織結構的非平衡開放系統。對水工業體系與水循環系統的統一性進行探討。根據系統結構決定系統功能的原理，提出建立我國水工業體系應以整個水的社會循環作為對象、以系統科學理論作為認識論和方法論、優先組建系統運作三要素等建議。

1 水問題與水工業

　　水是人類和地球上一切生物生存發展所必需的、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”。隨著社會經濟的發展，一方面，工農業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：一是要合理開發和利用水資源；二是要節約用水：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。
　　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。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；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，進入循環系統，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范疇。于是，有識之士提出：建立統一的水工業體系，按自然規律和經濟規律辦事，探索出一條從根本上解決"水問題"的必由之路和自由之路。本文將從系統論角度探討建立水工業的有關認識問題。

2 水循環的系統屬性及其要素

2.1 水的自然循環--全球性的大系統
　　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過程。由此可知，地球上的水通過蒸發、降水、徑流和滲流等形式進行周而復始的自然循環，從整體上看，這種循環是一個全球性的大系統。
2.2 水的社會循環--自然循環的子系統
　　人類為了工農業生產和自身生活，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，它是水的自然循環系統中的一個特殊的子系統--水的社會循環。縱觀水的社會循環，從屬性上講，可分為農業灌溉用的水循環、工業生產過程用的水循環、居民生活用的水循環，即存在水的農業循環、工業循環和民用循環3個子系統。但是，不管這些水循環次級子系統的特性如何，它們都通過取水系統和排水系統相連接，形成一個相互關聯的網絡系統。
2.3 水循環系統的三要素--物質、能量與信息
　　在水的社會循環系統中，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，水在系統中的循環，就是系統物質、能量和信息的運動。以前，系統的信息運動沒有引起人們足夠的注意。系統的信息，是人們對系統的物質和能量進行管理和控制的基本依據。

3 水循環系統的特性

3.1 非平衡的開放系統
　　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。在這個循環過程中，水吸收太陽的光能，并轉變為熱能，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，以液態的水或固態的冰雪形式轉變為降水；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。水在其社會循環系統中，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，是有組織的系統，是一個人工系統，但本質上也是一個非平衡開放系統。
3.2 水自然循環的自組織特性
　　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，會自發地朝著平衡狀態方向變化，即朝著熵增的方向變化，最后達到平衡。而水循環系統是與外界有物質、能量和信息交換的開放系統，是一個多因素的非平衡系統。由于與外界的物質和能量交換而輸入的負熵，起了抵消系統的熵增的作用，系統將處于一種相對穩定的有序狀態，即形成系統的非平衡有序結構。水的自然循環，在人類的社會循環加入之前，或社會循環加入所產生的作用很小的時候，處于一種宏觀上相對穩定的有序狀態；由于社會循環的加入，輸進了系統原本沒有的新的物質和能量，原來的有序狀態被破壞而向一種新的有序狀態演變。這種演變，在微觀上，是系統內部各子系統之間通過非線性的相互作用產生的協同現象和相干效應，在宏觀上，則表現為系統的自組織作用。因此，水的自然循環系統，是一個從無序向有序演化的自組織系統。
3.3 水社會循環系統的組織特性
　　水的社會循環系統，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或系統單元構成的。系統依據外來的指令（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，系統不可能自動協調各組成部分的關系，完成特定的功能，不存在使系統自發從無序向有序的演化的作用機制。也就是說，水的社會循環系統是一個有組織的系統，盡管它是一個多因素動態的復雜系統。水的社會循環系統的非自組織特性，既是系統本身問題產生的根源，又是系統問題由系統所反映的信息，通過人類社會的控制可以使問題得以解決的基礎。
3.4 兩種水循環系統的關系與解決“水問題”的思路
　　水自然循環系統的物質、能量和信息等基本要素，陸、海、空構成的系統基本結構，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同與競爭、穩定與選擇，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，通過功能的循環耦合而建立了水的自然循環這樣一種高級自組織循環系統。而水社會循環系統，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。兩者之間的關系表現在：首先，水社會循環系統是自然循環系統的一個特殊子系統，是主從關系；其次，兩者在系統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，自然循環系統具有不可控制性，而社會循環系統具有可控制性；第五，自然循環系統通過自組織過程完成系統的有序化在時間上具有滯后性，而社會循環系統由于可以通過人工控制完成系統內部的有序化因而在時間上具有及時性；最后，兩者緊密相聯因而具有相互作用。
　　水的社會循環系統作用于水的自然循環系統，因遭受反作用而造成自身循環的障礙--“水問題”或“水危機”。由于水的自然循環和社會循環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，只有通過優先解決水的社會循環系統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，實現兩個循環的和諧共存。建立水工業體系的設想，正是這種思路的一種具體體現。

4 水工業體系的系統略論

4.1 現實水社會循環系統的問題
　　（1）城鎮居民生活用水系統--人為分割為給水、排水
　　水社會循環系統的三大子系統之一的城鎮居民生活用水系統，由于歷史的原因和傳統觀念的作用，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一的系統來考慮其運作機制與規律。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，“雨水”可以實現完全隔離，而且“排水”也能被自然環境的自凈作用而凈化（水自然循環系統自組織功能表現之一）。然而，社會發展到現代，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。
　　（2）工業用水系統--對水質惡化在“質”與“量”上有“特殊貢獻”
　　工業用水系統是水社會循環系統中另一類特性的子系統。該系統除了具有與生活用水系統相同的不統一性的現狀外，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。工業廢水通過各種渠道與生活用水水源系統"聯網"，不僅對工業用水影響嚴重，而且對生活用水危害極大。
　　（3）農業生產用水系統--未被重視但影響極大
　　農業生產用水系統是水社會循環系統中比重最大的一個子系統。我國用水總量中，農業用水約占70%。農業生產用水，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、漁業生產造成的重大損失卻是難以統計的。另一方面，含有大量的農藥、化肥和牲畜排泄物的農、牧、漁業生產的排水和滲流水，進入天然水體，對整個水的社會循環系統的影響也越來越大。如何解決農業用水系統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交叉的大問題。
4.2 水工業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、工業和農業生產受到嚴重影響，乃至整個國民經濟和社會發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發展的戰略高度，提出了建立我國水工業體系的觀念。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“水工業可持續發展戰略”。有關研究課題已列入了國家“九五”科技攻關計劃。水工業的建立問題，已成為當前有關行業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，水工業由水工業企業、水工業制造業、水工業高新技術產業等3大部分組成。水工業的內涵主要體現在以下4個觀點上：（1）系統觀點：給水排水是由給水和排水組成的一個具有統一性的整體；（2）工業觀點：給水排水是一門工業；（3）水工業制造業是給水排水事業的支柱工業；（4）水工業表征了給水排水的高新技術時期。
　　水工業體系將是一個超大規模的現代工業體系。大工業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）水工業制造技術；（5）水工業社會科學。關于水工業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 水工業體系與水循環系統的統一性
　　以流動的水為觀察對象，在人類社會中存在一個水的循環系統，一個人工組織的、動態的開放系統。為了使得這個系統能夠成為可持續地為人類社會的生存和發展服務的有序循環系統，人們在不斷地探索其循環機制的過程中，產生了新的認識，提出了創新的水社會循環系統觀念--建立現代水工業體系。擬建立的水工業體系，是在遵循自然規律的基礎上，從發揮人類主觀能動性角度出發，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節為主線構成的一個統一的產業體系。該體系具有明顯的系統特性，是一個與水循環系統規律相吻合的人工系統。該體系的建立，是以系統的物質和信息兩大要素為主要研究對象和工作內容，從系統整體、要素聯系、運行機制等方面綜合考慮，通過工程技術手段實現對系統的有效控制，以達到系統的良性循環和為國民經濟和社會可持續發展提供最基本的物質保障的目的。
4.4 水工業體系的系統運作三要素
　　水工業體系是一個人工組織系統，不象水的自然循環是一個自組織系統，因此，系統循環狀態的優劣程度的決定因素是人 ? 系統的組織者。系統的統一性決定了系統必須有一個高層次的統一管理體系? 規劃、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存在和發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大系統這個“經濟基礎”相適應的“上層建筑”。對于涉及水工業各子系統或功能單元，國家各部、委、局和國家級總公司“齊抓共管”、“分而治之”，而沒有按照系統統一屬性設立的綜合和協調管理部門。
　　水工業體系的多因素、動態、復雜和開放等特性，決定了它需要一個大的學科體系支撐。水工業學科體系，在我國已略具雛形，經過統籌規劃和疏導，可較快地形成一個完整的學科體系和高新科技群體，能基本適應水工業發展的需要且具有一定的先導作用。水工業是一門工業，其活動性質屬于經濟活動，因此，水工業體系中物質、能量、信息等經濟屬性方面的活動，必須遵循經濟規律，以市場經濟杠桿為調節手段。高層綜合管理體系、大的學科體系和市場經濟機制，是水工業體系作為一個統一的系統運行的最重要的三個基本要素。

5 結語

　　水的自然循環是一個開放性的自組織系統，由大自然的作用規律支配著它的有序運行。人類為了自身的生存和發展，參與它的運行，形成了一個水的社會循環系統。由于對自然規律認識不足和沒有按照已認識的規律組織人工系統的運行，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律認識逐步深入的基礎上，人們提出了建立"水工業體系"的構想。將要建立的水工業體系，是國民經濟和社會可持續發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。
　　系統結構決定系統功能。鑒于水循環的系統特性，建議水工業體系和水工業學科體系以整個水的社會循環系統為研究對象和工作目標，不局限于以城市生活用水系統為主體，而應涵蓋所有工業用水系統和農業用水系統，這是因為三大子系統共同構成了一個不可分割的社會循環系統。水工業體系的建立和發展，應當以當代系統科學的系統存在論、系統演化論和系統機制論作為認識論和方法論。要建立水工業體系，應優先組建系統運作"三要素"，特別是組建其中的高層綜合管理體系。比如說，先組建國家水工業總局，然后過渡到國家水工業總公司；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調水資源的開發利用，而且在深層次上符合水的兩大循環的自然規律。

參考文獻
（14篇，編者略）