水生態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 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，100038，北京）

水生態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 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，100038，北京）

水生態文明是生態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律，規范人類水土資源開發活動，構建安全可靠的防洪抗旱體系、高效集約的供用水體系、健康優美的水生態體系、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。為支撐水生態文明建設，需要深入“自然-人工”二元水循環多過程演變機理、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。

水生態文明；建設體系；分區建設重點；關鍵科技問題

人類在經歷了漁獵文明、游牧文明、農業文明后，已進入工業和城市文明階段。隨著人類活動影響的深入，天然生態空間被擠占，生態與環境演變也由自然營力的一元驅動轉變為自然和人為營力的雙重驅動，演變規律也被擾動。尤其是進入農業文明以來，以滿足經濟社會發展需求為關鍵目標的水土資源開發活動，誘發了系列生態與環境問題，危及人類社會的可持續發展。遵循自然演變規律，規范人類活動，開展生態文明建設，是人類文明發展的必然選擇和整體趨勢。

水是地球表層系統中最為活躍的因子，水循環過程與水生態過程、水環境過程和水沙過程之間有著多向的反饋作用，水循環過程是主過程，其他過程是伴生過程，整體構成了水循環多過程。人類文明的發展史，也是一部人類適水、用水和治水史；水循環多過程已由從“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。在生態文明建設總體框架下，系統深入開展水生態文明建設，是治水戰略發展的必由之路。

我國以水生態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文明建設工作，對遏制生態退化和環境污染、提高水的生態環境與社會經濟服務功能、規避干旱與洪澇災害風險，取得了良好的作用。需要指出的是，我國水生態文明建設尚處于起步發展階段，理論和技術支撐尚待進一步完善，建設路徑也有較大優化空間。本文將重點探討水生態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，以期為水生態文明建設和研究提供參考。

一、水生態文明建設的理論基礎

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

流域或區域的水問題，不論程度和表現形式如何，其本質都是“自然-人工”水循環多過程的要素過程及環節發生了失衡。水生態文明建設，需要充分遵循“自然-人工”二元水循環多過程的演變規律。

2.水土資源高效利用理論

自然和經濟社會系統之間競爭性用水和用地矛盾，以及生態需水和生態用地被擠占，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揮水土資源的生態環境服務功能和社會經濟價值，全面提高區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，進行社會經濟的優化布局、引導產業的升級調整。對于水資源的高效利用，關鍵對象是城市和灌區這兩大高強度的社會水循環單元，并需要以社會水循環過程為主線，從產業、用戶、工藝過程等多層面提高水資源的利用效率與效益，降低社會水循環對天然水循環的影響，增強區域水循環的自然屬性。對于土地資源的高效利用而言，在宏觀層面要做好生態、生產和生活空間的優化，實現生態空間的健康穩定、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，減緩對生態空間的擠占和擾動。需要指出的是，在傳統的水資源和土地資源配置中，以承載能力為紐帶，互為約束，未能充分體現水資源與土地資源的互饋作用。在水生態文明建設中，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合配置和綜合承載能力的核算，并通過互動管控，實現高效利用目標。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，提升水環境質量。

3.雙向協同調控理論

水資源與經濟社會系統是一個復雜的協同系統，所謂的系統協同就是要一方面保證水資源系統的可持續利用和水生態系統的平衡，另一方面保障經濟社會系統穩定快速發展，滿足區域發展與國家整體經濟戰略需求。所謂的水資源與經濟社會協同，是一個“二元三級”的全面協同。“二元”是指由水資源系統與交互系統中的人工供水系統組成的供給方，和由經濟社會系統與交互系統中的人工廢污水處理系統組成的需求方。“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，確定總體利用規模，中觀層面實施水資源合理配置，實現不同水源與不同用戶的匹配，微觀層面加大非常規水利用，在確定范圍內實現資源的最大化利用。需求方調控：宏觀層面是產業經濟規模總量的控制，中觀層面是結構上的優化與布局上的調整，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，開展節水與減污。雙向協同調控理論為水生態文明建設提供了實施路徑方面的指導。

二、水生態文明建設總體思路和基本框架

1.總體建設思路

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

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

2.基本建設框架

水生態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、環境和生物完整性，其中，物理完整性主要包括補給水量穩定性、水域與水體形態完整性、動力學過程完整性等；環境完整性主要體現在水功能區達標、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、棲息環境完整性得以保證。用水文明主要是供水保障、節水防污和水災害防治等。管理文明主要體現在制度條文、管理設施和體制隊伍等方面，其中，制度條文包括法律法規、政策規章與辦法、技術文件與方案等；管理設施主要包括監測設施、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、現代水文化創新。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、健康優美的水生態體系、先進特色的水文化體系和科學嚴格的水管理體系。

三、水生態文明建設若干關鍵科技問題

水生態文明建設屬復雜系統工程，科技創新的方向與重點主要包括：基礎認知理論、監測與動態評估、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”二元水循環多過程耦合機理

“自然-人工”二元水循環多過程耦合機理，是水生態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：一是社會水循環對自然水循環過程的作用機制，明晰社會水循環與自然水循環的耦合模式，存量和通量過程變化及配比機制。二是水循環過程與伴生過程間多向反饋作用機制，以及動態耦合調控機制等。三是基于水循環全過程的水資源量-質-效轉化機理。從局部或整體角度，科學區分水資源的有效與無效、高效與低效、生態效用與經濟效用，并對其進行統一度量；明確用水從低效向高效的轉化路徑。四是要刻畫水循環多過程多時空尺度的耦合機理。五是需要系統研發時空展布和動力降尺度等技術，以解決“自然-人工”二元水循環尺度匹配問題。

2.流域水循環多過程調節功能建設

以清潔流域和生態流域建設為代表的傳統流域治理，強調的是水質和生態改善。在水生態文明建設中，需要全面提高流域對水循環多過程的調節能力。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、水沙過程等調節性能和潛力進行評價，并就滿足健康水循環構建的多過程調節需求進行評價；充分挖掘和發揮天然系統對水循環的調節作用，對流域各類地理要素及基礎設施的調節功能進行定位，對其調節能力進行配置，明確流域不同地理要素及基礎設施應發揮的調節能力；規范人類水土資源開發活動，減少對自然水循環的擾動；系統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；融合現代信息技術的新進展，實現地表-土壤-地下多過程、水量-水質-泥沙-水生態的聯合調控。

3.智能水網與智慧水務建設

為支撐水生態文明的順利建設，需要融合現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，引入多維智能化現代信息技術，實現水循環調控和水資源管理能力優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，需要發展新一代的工程規劃設計、安全經濟建設、新材料新工藝、安全監測等技術；對于信息網構建，需要深入開展站網布局與優化、信息采集與獲取、信息穩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。智慧水務是對傳統水務管理的一項突破，其思想是通過物聯網、互聯網、云計算、大數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，要體現其以最終用戶為核心的思想。

四、結 語

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

[1]水利部.關于加快推進水生態文明建設工作的意見[S].2013.

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

[3]陳進.水生態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.關于水生態文明建設的認識和思考[J].中國水利，2014（7）.

[7]詹衛華，汪升華，李瑋，等.水生態文明建設“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。

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