当前位置: 首页 >> 新闻中心 >> 专题网站 >> 科学家随笔 >> 正文
邓铭江院士:问渠哪得清如许——水利发展沿革与治水理念探析
发布时间:2023-01-03

“水利”一词,出现在中国已有两千多年的历史,最早见于战国末期《吕氏春秋·慎人》篇:“掘地财,取水利”。这里所讲“取水利”系指捕鱼之利。西汉司马迁《史记》中的《河渠书》堪称中国第一部水利通史,该书记述了从大禹治水到汉武帝黄河瓠子堵口这一历史时期内一系列治河防洪、开渠通航和引水灌溉的史实之后,感叹道:“甚哉,水之为利害也”,并指出“自是之后,用事者争言水利”。从此,水利一词就具有了防洪、灌溉、航运等除害兴利的涵义。

▲大禹治水 图源网络

大禹“堵”与“疏”辩证的治水思想,都江堰“乘势利导,因时制宜”的成功范例,时至今日依然闪烁着夺目的文化光辉和深邃的哲学思想。西汉末年,治黄战略家贾让以“不与水争地”“宽河行洪”为治河决策的基本点,提出著名的“贾让三策”:上策滞洪改河,中策筑渠分流,下策缮完故堤。将贾让治河思想转化为治河实践的是治黄史上享有盛名的“王景治河”。明代嘉靖至万历年间,四任总理河道都御史潘季驯提出的“束水攻沙”理论,是治河防洪思想的一大转变,在中国和世界治河史上有着崇高的地位,其核心治河思想是利用堤防“束水归槽”,以期河槽刷深与稳定,借水攻沙,达到以河治河之目的。

近代水利专家李仪祉先生评价:“千古治河,唯禹景二人,潘靳氏称半治”。这些卓见成效的治河思想,对后世产生了重大影响,极大地丰富了中华治水患、兴水利的历史文化宝库。

1931年中国水利工程学会成立,1933年学会第三届年会明确指出:“水利范围应包括防洪、排水、灌溉、水力、水道、给水、污渠、港工八种工程在内”。新中国成立后,以“久患灾重”的海河、淮河、黄河治理为发端,开启了现代工程水利的新篇章。20世纪后半叶,水利中又增加了水土保持、水资源保护、环境水利和水利渔业等新内容,水利的涵义更加广泛。进入21世纪,高坝大库、跨流域调水、水电梯级开发、高效节水、生态恢复等成为水利建设的主旋律,同时七大江河流域以及干旱内陆河流域形成了各自的治理体系,治水理念、理论研究、工程技术等取得了巨大进步。

▲天山脚下的农田灌溉渠系 摄/王忠庆

1992年出版的《大百科全书·水利卷》对“水利”的定义是:人类社会为了生存和发展的需要,采取各种措施,对于自然界的水和水域进行控制和调配,以防治水旱灾害,开发利用和保护水资源。2004年修订再版后的定义为:人类社会为了生存和可持续发展的需要,采取各种措施,适应、保护、调配和改变自然界的水和水域,以求在与自然和谐共处、维护生态环境的前提下,合理开发利用水资源,并防治洪涝、干旱、污染等各种灾害。

这一新的解释与原定义有四点显著的不同:一是在“发展”前增加了“可持续”;二是将原来“进行控制和调配……”的提法修改为“适应、保护、调配和改变……”,刻意地弱化人对自然强力控制的指导思想;三是增加了“以求在与自然和谐共处、维护生态环境的前提下,……”等限制词;四是将“污染”列入重要的防治灾害。

一、水利发展的四个阶段

近现代以来,经济社会的快速发展对水资源开发利用提出了多种需求,水利发展的内涵和理念也随之发生结构性变迁。根据不同经济社会发展阶段和治水思路的差异,以及主要水患灾害和需求矛盾的演化,我国水利发展经历了工程水利、环境水利、资源水利、生态水利等四个认识与发展阶段。

▲水利发展沿革与相关特性

1.工程水利

工程水利是指以水资源或水体作为开发、利用、保护对象,采用工程技术手段,对水资源或水体进行重新配置,以达到除水患、兴水利的目的。其内涵是研究水利与工程的关系,特别是水资源规划、开发、利用的措施和理论,以及工程的规划、设计、施工、运行与管理的理论与方法。工程水利阶段,针对保障和提高人类生存所需的生活用水和农业用水等,人们面对水问题从消极躲避的思想转变为依靠工程手段解决,包括修堤、筑坝、建库、凿井、开渠、隧洞等工程形式,并以强化人对自然的控制为指导思想,侧重点在于改造自然、征服自然。

在工程水利发展阶段,不仅在工程上以水利工程建设为主,而且科研上主要的研究方向和成果也以服务水利工程建设为主要目标。多关注于水资源开发利用和水利工程建设,而对于节水、治污、环保、管理等方面,由于关注度不够,导致水资源的过度开发、粗放管理和生态环境的破坏。

2.环境水利

环境水利是传统工程水利的扩展和深化发展。1982年在阿根廷召开的世界水资源大会上,中国专家宣读了《中国的环境水利工作》论文,国际同行给予高度评价。该文提出了环境水利学的定义、内容及三大主要任务,即:研究因水利工程而引发的环境问题并事先提出对策、充分发挥水利工程保护环境改善水质的作用、研究保护和利用水环境。1990年出版的中国水利百科全书将“环境水利”列为分支学科之一,2003年再版为《环境水利》分册。

环境水利包含的内容十分丰富,既包括与环境有关的水利问题,如排放污水引起的河流污染、水土流失引起的河道和水库淤积;也包括与水利有关的环境问题,如建库后水库上下游河道的变形、库周区土地盐碱化、水生生态系统改变等。30多年来,环境水利坚持防污、治理、环保的理念,促进了环境水利学科的发展,在河流水环境、非点源污染防治、水污染处理、多自然河流建设、水景观工程等方面取得了显著进展。

▲2022年汛前黄河调水调沙 摄/于澜

3.资源水利

20世纪90年代,中国洪涝灾害、水资源短缺和水污染等问题尤为突出。如1997年黄河下游断流达到226天,断流河段约700km,并且第一次出现汛期断流;1998年长江流域发生自1954年以来又一次全流域大洪水,嫩江、松花江流域发生150年来最严重的全流域大洪水;90年代中期全国水污染造成的损失占全部环境损失的76.2%,水污染问题进一步加剧了水资源短缺。针对这些问题,中国政府和学术界认真分析面临的水利形势和应对措施,改变了一些传统的认识,强调水资源的基础属性和自然资源属性,重视水资源的保护,提出走人水和谐发展之路,强调在建设的同时必须与资源环境保护相协调。

时任水利部部长汪恕诚提出了资源水利的新理念,其内涵包括水资源开发、利用、治理、配置、节约和保护等六个方面,理论基础是水权和水市场理论,体制保障是流域统一管理与准市场的统一结合,实现目标是从工程水利向资源水利、从传统水利向现代水利、可持续发展水利的转变。在这一理念的指导下,人水和谐思想逐步被接受,成为中国治水的主导思想。

4.生态水利

生态水利始于20世纪六七十年代,其发展大体经历了生态工程、生态水利工程、生态水利三个阶段。

1962年美国学者Odum提出生态工程概念,旨在促进生态学与工程学相结合,其含义是:为了自然环境和人类社会两方面的利益而对工程进行设计,以工程进行生态修复,使生态系统得以更新。生态工程的范围很广,包括河流、湖泊、湿地、矿山、森林、土地及海岸等的生态建设问题,涵盖了林业生态工程、农业生态工程、牧业生态工程、环境生态工程、水利生态工程等多类生态工程。中国的三北防护林建设就是最具代表性的生态工程。生态水利工程是生态工程的一种,是传统水利工程和生态工程的融合,其设计、建设需遵循水利工程原理与生态工程原理,且较传统水利工程更加倾向于对生态系统的改善与修复。20世纪50年代德国正式创立了“近自然河道治理工程学”,提出要在河道工程设计中吸收生态学的原理和知识,河道的整治应符合植物化和生命化的原理;围绕莱茵河治理,率先开创近自然河道修复技术。随后,美国、荷兰、英国、日本等国家相继开展了河道生态治理。在中国,“生态水利工程”一词最早出现于1992年,2003年董哲仁首次定义了生态水利工程的内涵,即:对于新建水利工程,需同时兼顾河流生态修复;对已建工程,则是对被严重干扰的河流进行生态修复。

▲新疆塔里木河流域胡杨林。经过多年生态输水,塔里木河下游生态严重退化的局面被遏制,地下水水位抬升、水质好转,下游动植物物种和数量增加,水环境得以改善 图源网络

生态水利思想内涵丰富,不同时期、不同领域、不同专业对其内涵的理解和侧重有所不同。国外对于生态水利的研究开始较早,1987年可持续发展理论的提出可以认为是该学科的开始。国内关于生态水利的研究起步略晚,2000年傅春、冯尚友提出生态水利的本质为可持续水利,是人类文明发展到“生态文明”时代的水资源利用的一种途径和方式。孙宗凤认为生态水利涵盖了水利事业和水利产业目标,又突出了环境目标,生态水利是包括规划、设计、建设管理的系统工程。姜翠玲给出了生态水利内涵定义为“研究水利工程建设和运行对流域生态环境的影响以及在这种影响下生态系统的演变趋势,探索在水资源开发利用过程中,采取的既能满足人类社会需求,又能兼顾水生态系统健康和良性发展的各种措施和方法”。

二、广义生态水利的发展理念

结合国内外相关的研究成果及生态水利的涵义,广义生态水利可定义为:从流域(区域)生态系统全视角、水循环—生态环境—社会经济统筹协调发展多维度、水利工程规划设计—建设管理—生态运行调度全过程,探索“三生空间”优化布局与“三生用水”合理配置高效利用的原理与技术方法的交叉学科。该定义具有以下五层含义:

1.认知的系统性

流域生态系统从动物、植物和微生物的微观用水需求,从微型生态系统平衡的维持,到中观流域生态结构、景观格局的塑造,甚至到宏观更大区域范围乃至地球生物圈中的水汽环流,是一个循环作用的大系统。水与种群庞大的动物、植物,通过食物链、养分循环、能量交换、水文循环以及气候系统,相互交织在一起,处于复杂的平衡之中。在这五种循环和作用中,水资源专家多关注水文循环及运移转化规律研究,生态环境专家多关注水在生态系统与生物群落之间进行的能量交换、食物链、养分循环。生态水利是将二者结合起来,努力防止对生态系统造成结构性、功能性破坏,并充分利用生态系统的自然修复功能,恢复受损的生态系统。

2.要素的多维性

从传统的工程水利,演变为环境水利、资源水利、生态水利,从行业利益、工程思维,升华到整体的、系统的、和谐的综合科学思维,从单元的、单维的水利过程,升维到全过程的、多维度的、可持续的综合调控过程,满足更多方位、更大区域、更广空间协调平衡发展的要求,是广义生态水利的核心思想,而“生态环境—社会经济—水循环调控”复合系统主控要素的交互耦合调控理论与技术则是其核心理论技术。因此,筛选复合系统中总量、质量、结构、效率等主控多维要素,分析交互耦合的胁迫影响及临界阈值,基于水资源、生态约束下的经济发展模式,进行相关生态安全设计、生态调度、生态修复等,可为工程建设、流域管理提供科学依据,以利提高水事行为的主动性、前瞻性、科学性和有效性。

3.过程的完整性

水利工程规划设计—建设管理—生态运行调度是一个完整的过程,在这个过程中必须全面贯穿生态水利的思想,特别是工程建成之后,全生命周期的工程安全和生态安全是两项最为重要的使命和责任。河流上每一座重要的水利工程,都应当纳入全流域水资源综合利用和生态环境保护行动,从将“生态目标”嵌入兴利调度的简单调控过程,转变为“后坝工时代”大尺度生态调度的综合调控过程,即:全流域—大空间尺度、长系列—大时间尺度、水循环—大系统尺度,充分发挥生态调度对生态恢复和保护的重要作用。将水利工程全生命周期的生态调度和生态安全纳入生态水利的全过程,是该定义的一个重要内涵。

4.结构的空间性

针对人口膨胀、土地紧缺、资源低效、环境污染等“城市病”,以及“空心化”、老弱化、污损化、非农化等“乡村病”,面对未来发展资源约束趋紧、环境污染加重、生态系统退化的危机和挑战,党的十八大提出构建生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀的“三生空间”优化目标和原则。因此,为“三生空间”优化布局提供决策支撑,为“三生用水”合理配置提供保障服务,就成为了新时期生态水利的重要任务。如:干旱内陆河“山区—人工绿洲—荒漠”是完整的水循环过程,对应的“径流形成—水资源利用—径流耗散”和“草原生态退化—绿洲次生盐碱化—河流下游荒漠化”的演变过程,就完整地体现了生态水利的空间结构。

▲黑河中游湿地。黑河是中国西北地区第二大内陆河,中游地区是黑河的水资源主要利用地区,“三生用水”合理配置、“三生空间”优化布局尤为重要 摄/脱兴福

5.学科的交叉性

生态水利需融合水文学、水力学、地貌学、地理学、土壤学、生态学、环境学、资源学、工程学等传统学科与现代信息技术,在吸收传统学科理论知识和技术方法的基础上,力图构建以生态健康为目标的流域水资源开发利用管理的方法技术体系。将水利工程与生态建设相结合,探索将“绿水青山”转化为“金山银山”的创新路径,是可持续发展的必然选择。要按照生态学和水文学原理、水资源高效利用原则、遵循自然平衡法则和发展规律要求,建立良性循环和可持续利用的生态水利体系。通过生态规划、生态设计、生态监控,建设与自然和谐相处,与周边景观协调的以人为本的水利工程,以实现生态修复和生态安全,提高城乡居民的生活质量和环境质量。

三、生态水利的维度及复合结构体系

生态水利是一个“生态环境—社会经济—水循环调控”的多维度复合系统,应用生态水利理念指导水资源开发利用,其目标不是片面追求生态系统的改善,忽视流域经济社会发展,而是围绕生态环境保护与经济社会高质量耦合发展理念,从多维度建设生态协调、环境优美、水资源持续利用并可获得最佳生态、经济和社会效益的流域生态经济系统,实现人与自然的和谐相处,为实现“生产空间集约高效、生活空间绿色宜居、生态空间青山绿水”的国土空间均衡发展、优化布局提供科学支撑。

1.生态环境保护维度

生态环境是指整个人类社会赖以生存的自然环境的总和,它包括除人以外的一切活生物体和非生物体,前者指植物、动物和微生物,后者包括大气层、光、热、水、矿物质、土壤等。在生态水利研究中,重点关注水生生态系统、陆生生态系统及其水陆交错生态系统。干旱区是地球自然生态系统中的脆弱区域,面临着严重的生态环境危机,如河道断流、湖泊干涸、水质污染、天然植被覆盖率低、生物多样性下降、土地沙漠化、土壤盐碱化等,旱区生态水利必须运用生态学原理,有效地改善生态环境,促进人与自然和谐共生。

2.社会经济发展维度

社会经济活动是人类物质资料生产和消费过程中,各地区、部门、单位和环节等所构成的统一体,包括人类社会、经济活动、物质生产和非物质生产四个要素。社会经济是生态水利的主要研究对象,一方面,社会经济发展时刻离不开生态环境提供的物质、能量和信息,可以说,生态环境是社会经济系统存在的必要条件。另一方面,社会经济系统也会强烈地影响生态环境的变化,干扰和影响生态秩序,甚至恶化生态环境。同时,生态环境状况与经济增长的稳定性和社会发展的质量之间也有密切的关系,良好的生态环境可以提高经济系统的投入产出效率,提升人们生活质量,反之则会对社会经济系统带来负面影响。

▲贵州省从江县加榜梯田国家湿地公园 摄/杨良强

3.多元水循环调控维度

水循环包括自然水循环和社会水循环。其中,自然水循环是指大气水、地表水、土壤水和地下水四个子系统之间的转化;社会水循环主要包括供水、用(耗)水、排水和回用四个子系统。耗水系统是社会水循环的核心,也是社会经济活动使水资源价值流不断耗散的主要环节,而排水系统是社会水循环与自然水循环的联结节点。因此,以社会经济系统为中介,水循环过程与生态环境系统也存在着联系。对于天然水循环,生态水利关注的是不同尺度、不同区域水循环的过程和规律;社会水循环是生态水利调控的主要范畴,过去工程水利都是针对自然水循环采取各种措施进行调控,而生态水利则主要针对社会水循环进行调控,使人类合理地从自然水循环取水,少向自然水循环排污水,使治水遵循流域水循环系统演变规律,维护水循环过程中的更新水资源、净化环境与维持生态系统完整的三大基本功能,以维持自然与社会水循环的平衡。

、结语广义生态水利是社会文明进步的时代产物,汇集和传承了工程水利、环境水利、资源水利、生态水利的发展成果,融合了现代科学技术和人类文明思想,拓展了现代水利发展的内涵和治水新理念。工程水利是资源水利的基础,资源水利是工程水利的发展和提高,二者相互依存,共同发展;环境水利是以建设生态水利为手段,环境水利、资源水利的提出,为发展生态水利提供了重要保证。中国水利发展历程符合事物螺旋式上升的哲学原理,同时也反映了为实现经济社会的可持续发展,人类统筹考虑生态、资源、环境等方面认知的提升和决心。每一个发展阶段都是在原有基础上的提高,是水利工作观念意识、管理体制、技术手段等方面的不断创新和完善,是与该阶段经济社会发展水平和观念模式相适应的产物。大风泱泱,大潮滂滂。江河是人类文明的源头,发祥于大河文明的中华民族,一部治水史伏流于民族文明的历史进程,血脉绵长,激越律动。问渠哪得清如许?为有源头活水来。


  • 新疆科协微信

  • 新疆科协抖音

  • 科技馆微信

  • 科普活动中心