“南水北調(diào)”的工程學意義

□王　頔（美國科羅拉多州立大學）

“南水北調(diào)”的工程學意義

□王頔（美國科羅拉多州立大學）

南水北調(diào)工程是實現(xiàn)中國水資源優(yōu)化配置、促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、保障和改善民生的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。南水北調(diào)工程的開工建設(shè)，受到了一些爭議，但更多的是取得了舉世矚目的豐碩成果。基于此，文章在介紹工程學及教育概念的基礎(chǔ)上，進一步總結(jié)了南水北調(diào)工程在工程學上的貢獻，最后著重從學科建設(shè)、推廣教育、提升思維、挖掘文化等方面探討了南水北調(diào)的工程學意義。

南水北調(diào)；工程學；意義

1　工程學及其教育

1.1工程學定義

不同的研究者對于工程學有著不同的定義。1998年，著名學者伍爾夫（Wulf）提出，工程學是指“在約束條件下進行設(shè)計”。美國工程教育協(xié)會在2008年頒布的《基礎(chǔ)教育階段教育中的工程學》中指出，工程學是“設(shè)計人造世界的過程”。著名學者羅杰斯（Rogers）等人認為，工程學是“工程師們利用學科知識和認知過程來設(shè)計、分析和解決復雜的系統(tǒng)，從而滿足社會的需求”。這些設(shè)計、分析和解決問題的過程就是工程學的主要活動，用來創(chuàng)造新的設(shè)備、過程和公共設(shè)施，或者改變已有的事物。美國國家研究理事會在2013年頒布的《下一代科學教育標準》中指出，工程學是“參與系統(tǒng)的設(shè)計，從而解決特定的人類問題”。美國國家工程院在《基礎(chǔ)教育階段工程學教育標準》中指出，工程學是“為滿足人們的需求而進行的系統(tǒng)設(shè)計”。而中國比較廣泛接受的工程學定義，是通過研究與實踐應(yīng)用數(shù)學、自然科學、經(jīng)濟學、社會學等基礎(chǔ)學科的知識，來達到改良各行業(yè)中現(xiàn)有建筑、機械、儀器、系統(tǒng)、材料和加工步驟的設(shè)計和應(yīng)用方式一門學科。

1.2工程學意義

工程學與科學、技術(shù)不同，科學的目的是研究自然世界，試圖揭示自然界的規(guī)律。技術(shù)則是指的各種類型的人工（人造）系統(tǒng)和進程。而“工程學”指的是參與系統(tǒng)的設(shè)計，從而解決特定的人類問題，上述工程學定義雖然不同，但都主要涉及兩個元素，一個是“設(shè)計”，一個是“滿足人們的需求”。這也正是工程學的特殊意義。通過“設(shè)計”過程，人們能夠整合多種類型的技能和思維—分析、整合的能力，更深刻、細致、全面地理解問題，還能夠從中學會如何計劃和構(gòu)建問題，同時在這個過程中領(lǐng)會過程性的知識，理解、掌握陳述性的知識。通過“滿足人們的需求”，針對事物的功能、材料、結(jié)構(gòu)、安全、舒適和易用等要素，主要關(guān)注人類的生理需求和安全需求，解決存在的問題，使人類能夠更好地主宰這個世界，并享受這個世界。

1.3工程學教育

現(xiàn)在一些教育發(fā)達國家對工程學教育放在了突出的地位，在中小學基礎(chǔ)教育中也加強這方面的培養(yǎng)。美國工程教育協(xié)會（ITEEA）和美國國家工程院（NAE），呼吁更多關(guān)注與親身實踐、跨學科以及與社會相關(guān)的科學、技術(shù)、工程和數(shù)學教育（STEM）方法，特別強調(diào)了要加強工程學教育，將其作為一門學科來發(fā)展。這對發(fā)展基礎(chǔ)教育階段科學教育也有著重要意義。在2013年美國頒布的《下一代科學教育標準》中，工程學教育成為基礎(chǔ)教育階段科學教育框架中的新元素。我國教育工作者對此引起了關(guān)注和研究，提出要創(chuàng)造條件并逐步將工程學教育融入基礎(chǔ)教育理科課程中，探索出自己的工程學課程框架，為我國創(chuàng)新型國家的實現(xiàn)和學生科技素養(yǎng)的提高創(chuàng)設(shè)良好的教育條件。

2　南水北調(diào)工程在工程學上的貢獻

南水北調(diào)工程是當今世界規(guī)模最大的調(diào)水工程，是支撐中國北方地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和保障中國水資源安全的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，更是歷經(jīng)半個多世紀、寄寓著中華民族走向自強與復興征途的歷史性工程。單單南水北調(diào)中線工程就有1432km，跨越越過705條河道、1300多條道路、近60次橫穿鐵路，要攻破一系列重大技術(shù)難題，其規(guī)模及難度國內(nèi)外均無先例，在工程學上具有非常重要的意義。

2.1規(guī)劃設(shè)計論證充分，形成了一批理論和實踐成果

從1952年設(shè)想的提出，僅規(guī)劃論證就整整用了50 a。1959年《長江流域利用規(guī)劃要點報告》中，提出南水北調(diào)總的布局是從長江上、中、下游分別調(diào)水。1978年10月，水電部以急件發(fā)文《關(guān)于加強南水北調(diào)規(guī)劃工作的通知》，要求抓緊進行南水北調(diào)的規(guī)劃修改補充工作上報。1980年，水利部組織有關(guān)省市、部委、科研部門及大專院校的領(lǐng)導、專家、教授對中線工程水源區(qū)及渠首到北京的線路進行了全面勘查。1990年1月水利部發(fā)文要求“抓緊完成丹江口水利樞紐后期完建工程及調(diào)水方案的可行性研究和設(shè)計任務(wù)書工作”。1991年11月長江委提出了《南水北調(diào)中線規(guī)劃報告（1990年9月修訂）》和《南水北調(diào)中線工程初步可行性研究報告》。1995年國家環(huán)保局也正式批準了《南水北調(diào)中線工程環(huán)境影響報告書》。1995年，國務(wù)院決定對東、中、西三條線由水利部組織論證、國家計委組織審查，論證審查工作持續(xù)到1998年3月。2000年9月水利部于提出《南水北調(diào)工程實施意見》，國務(wù)院總理主持召開南水北調(diào)工程座談會進行論證。南水北調(diào)工程總體規(guī)劃在2002年8月23日由國務(wù)院總理辦公會審議通過，10月9日經(jīng)國務(wù)院總理辦公會復議，10月10日由中共中央政治局常務(wù)會討論通過。除了總體規(guī)劃以外，還形成了節(jié)水、治污和生態(tài)環(huán)境保護專項規(guī)劃，南水北調(diào)工程沿線44座城市水資源配置規(guī)劃，南水北調(diào)工程總體布局和分期實施方案擬定和水價形成機制和管理體制研究等。這中間廣大科技工作者做了大量的野外勘查和測量，7位院士、6 000人次專家，開了100多次研討會，對50多種方案進行比選，獲得了一大批富有價值的規(guī)劃、設(shè)計和論證成果，極大地豐富和發(fā)展了規(guī)劃設(shè)計的理論和實踐。

2.2攻堅克難世界性工程難題，取得了一大批技術(shù)成果

南水北調(diào)中線工程共取得新產(chǎn)品、新材料、新工藝、新裝置、計算機軟件等成果63項；申請國內(nèi)專利成果110項，其中發(fā)明專利66項；獲得專利授權(quán)59項，其中發(fā)明專利授權(quán)16項。比如，渡槽是南水北調(diào)中線工程的重要交叉建筑物之一，在這1000多公里的中線工程中，就薈萃了27個不同類型的渡槽，實至名歸，堪稱“渡槽博物館”。再如，降服“工程癌癥”膨脹土，南水北調(diào)中線總干渠穿越膨脹土（巖）渠段累計近400 km，膨脹（巖）土是一種具有特殊性質(zhì)的（巖）土，其處理技術(shù)難度、處理工程量和投資都比較大，是南水北調(diào)中線工程面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，是世界公認的“工程癌癥”。再如“3毫米奇跡”創(chuàng)造世界工程極限。南水北調(diào)中線北京段西四環(huán)暗涵工程，創(chuàng)下暗涵結(jié)構(gòu)頂部與地鐵結(jié)構(gòu)距離僅3.67m、地鐵結(jié)構(gòu)最大沉降值不到3mm的紀錄，挑戰(zhàn)了極限，創(chuàng)下了世界之最。

2.3建成世界最大的調(diào)水工程，獲得了巨大的社會、經(jīng)濟、環(huán)境和生態(tài)效益

南水北調(diào)總體規(guī)劃推薦東線、中線和西線三條調(diào)水線路。通過三條調(diào)水線路與長江、黃河、淮河和海河四大江河的聯(lián)系，構(gòu)成以“四橫三縱”為主體的總體布局，以利于實現(xiàn)中國水資源南北調(diào)配、東西互濟的合理配置格局。整個工程供水面積145萬km2，受益人口4.38億人。一是社會效益。縱橫供水區(qū)內(nèi)的京廣、隴海、京浦、焦枝、京九、蘭新等鐵路沿線有眾多的工業(yè)城鎮(zhèn)，是中國生產(chǎn)力布局的重要區(qū)域。南水北調(diào)工程實施后，將通過改善中國資源自然分布的空間格局，鞏固和促進供水地區(qū)的生產(chǎn)力布局和發(fā)展，提高人民的生存與發(fā)展環(huán)境質(zhì)量。南水北調(diào)工程的開工建設(shè)，需要大量的人力、物力，從而增加了工程周遍地區(qū)人們的就業(yè)機會。同時，南水北調(diào)工程實施之后，由于缺水而使一些處于停產(chǎn)和半停產(chǎn)狀態(tài)的企業(yè)重新恢復生產(chǎn)建設(shè)，從而為再就業(yè)人員提供了機會，也保障了社會的穩(wěn)定和繁榮。二是經(jīng)濟效益。除明顯的社會效益外，南水北調(diào)工程的經(jīng)濟效益依然顯著。據(jù)測算，在年均調(diào)水量380～480億m3情況下，可直接計算的各項綜合效益，按目前價格水平，東中線年均經(jīng)濟效益將到達600～800億元，西線的經(jīng)濟效益粗略估算，超過480億元。三是生態(tài)和環(huán)境意義。可以增加供水區(qū)城市生活、工業(yè)用水，改善衛(wèi)生條件，有利于城市環(huán)境治理和綠化美化，促進城市化建設(shè)。增加農(nóng)林牧業(yè)灌溉用水，改善農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)條件，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，提高土地利用率。還可改污水灌溉為清潔水灌溉，減輕耕地污染及對農(nóng)副產(chǎn)品的危害。可以減少對地下水的超采，補充地下水，改善水文地質(zhì)條件，控制地面沉降造成對建筑物的危害。通過合理調(diào)度，可向干涸的洼、淀、河、渠、濕地補水，改善水質(zhì)，恢復生機，促進水產(chǎn)和水生生物資源的發(fā)展，使區(qū)域生態(tài)環(huán)境向良性方向發(fā)展。

3　應(yīng)充分挖掘南水北調(diào)工程的作用

3.1建立南水北調(diào)工程學學科，豐富和發(fā)展工程學科建設(shè)

南水北調(diào)工程跨國多個流域，有些地區(qū)地形及地質(zhì)構(gòu)造十分復雜，在這些地區(qū)興建一些水利工程，需要應(yīng)用“大型渠道設(shè)計與施工新技術(shù)研究”、“丹江口大壩加高工程關(guān)鍵技術(shù)研究”、“大型貫流泵關(guān)鍵技術(shù)與泵站聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化”等多個工程重大關(guān)鍵技術(shù)，妥善解決軟土地基問題、膨脹土問題、濕陷性黃土狀土問題、飽和砂土震動液化問題、岸坡穩(wěn)定問題、斷裂構(gòu)造問題、渠道滲漏等一系列地質(zhì)工程問題。通過建立南水北調(diào)工程學學科，對南水北調(diào)工程進行專項經(jīng)驗總結(jié)，提煉解決工程建設(shè)中重大關(guān)鍵樞紐和典型工程建筑物的結(jié)構(gòu)、材料、施工技術(shù)與工藝、設(shè)備等難題的辦法，對于工程地質(zhì)科學和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也將起到示范、推動和促進作用。

3.2加強南水北調(diào)工程的教育，推動工程學基礎(chǔ)教育

在基礎(chǔ)教育階段開展工程學教育有重要的意義，基礎(chǔ)教育階段工程學教育對于實施科學、技術(shù)、工程和數(shù)學教育以及學生將來的職業(yè)發(fā)展有著重要的作用；工程學教育能夠激發(fā)學生的學習興趣，提高學生數(shù)學、科學的學習能力，提高學生對工程和技術(shù)的理解；工程學的設(shè)計任務(wù)能提高學生解決問題的能力、交流的技能以及團隊合作的能力；工程學教育促進學生對科學、技術(shù)、工程和數(shù)學教育學科概念的理解，增強人們對于“工程學在支持、促進人類社會中扮演重要角色”的認識。目前比較成熟的工程學教育項目主要有“基礎(chǔ)工程學”項目和“項目引領(lǐng)學習”項目，而項目引領(lǐng)學習更是受到師生的高度認可。利用南水北調(diào)工程作為案例教學，以其生動、形象、具體的特征，將工程學教育變得更加具體化、形象化、直觀化。

3.3加強南水北調(diào)教育基地建設(shè)，提高全社會工程學思維

國內(nèi)外學者普遍認為工程學的“思維習慣”是21世紀所必需的技能。這些“思維習慣”主要包括系統(tǒng)思考的能力、創(chuàng)造力、樂觀主義、合作能力、交流能力和考慮道德倫理的能力等。中國一些學者還認為工程學思維還有利于解決國人

工作中的目標虛化、部署泛化、過程浮化、責任模糊化等問題，甚至有的學者還提出來在社會治理實踐中強調(diào)工程學思維運用，運用社會工程學的理論和方法，因地制宜地進行通盤設(shè)計。因此建議在南水北調(diào)關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵地段，結(jié)合人文地理特點，要認真落實《南水北調(diào)中線生態(tài)文化旅游產(chǎn)業(yè)帶規(guī)劃綱要》，建好12處工程景觀節(jié)點（丹江口大壩、引江濟漢及興隆樞紐工程、陶岔渠首、沙河渡槽、穿黃工程、焦作城區(qū)段、穿漳工程、洺河渡槽、滹沱河倒虹吸、漕河渡槽、團城湖、曹莊泵站及王慶坨水庫），建設(shè)集工程學教育和景觀游覽、文化娛樂、城市游憩、生態(tài)休閑、科普教育等功能于一體的生態(tài)文化旅游帶。

3.4總結(jié)南水北調(diào)工程精神，挖掘工程學文化內(nèi)涵

在南水北調(diào)工程規(guī)劃建設(shè)當中，可以總結(jié)的文化和精神有很多。幾十萬移民群眾為了庫區(qū)建設(shè)，拋家舍業(yè)、背井離鄉(xiāng)，在實踐中形成了“忠誠報國、無私奉獻”的移民精神。無數(shù)名工程師為了攻克重大技術(shù)難題，大膽探索，開拓創(chuàng)新，用行動詮釋了“精益求精，精雕細琢”的工匠精神。這些工程文化資源彌足珍貴，值得深刻總結(jié)、概括、提升，使之成為展現(xiàn)南水北調(diào)建設(shè)成果的重要途徑，成為砥礪國人團結(jié)奮進、和衷共濟的強大動力。特別是當前面臨經(jīng)濟發(fā)展新常態(tài)，要推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，更有必要進一步喚醒全社會對工程文化的自覺意識，重點培養(yǎng)工程師的匠人精神，讓“中國制造”在激烈競爭中引領(lǐng)世界潮流。

（責任編輯：劉長垠韋詩佳）

TV 68

B

1673-8853（2016）08-0027-03

2016-05-03