水工业学科组成之一——水基础科学初探

范瑾初　高乃云　曹达文　孟建平

(同济大学)

摘　要　从水工业学科组成及分工的角度, 对水基础科学的概念、学科设置及内容作了初步探讨。

　　什么是水基础科学? 这是一个新的命题。基础科学研究的是事物的客观规律和基本原理, 而不以任何特定的实际应用为目的。如果把“水基础科学”理解为将水的研究纳入基础科学范畴, 那么, 水基础科学就不讨论具体的应用技术或应用目的。但研究水的哪些规律和原理并不明确, 因为水基础科学这一名词刚刚提出,在学科分类中目前并无这一学科名称。笔者从水工业学科组成及其内容分工角度考虑, 将它列入水工业学科体系中基础理论之一, 但并非水工业学科唯一的基础理论, 例如工程力学、电子学、材料科学等可以列入水工业学科的基础理论之内, 但不应包括在水基础科学之内。水基础科学是围绕“水”这个核心而开展的与水工业有关的应用基础理论的研究。在此强调“与水工业有关”及“应用基础理论”, 目的是将有关水的基础理论限定在水工业应用范围内, 其内容包括原给水排水工程有关基础理论, 但不是给水排水工程某些基础理论的简单综合。作为一门学科, 研究的内容必须有一个明确的核心, 学科的外延或相互渗透尽管比较模糊,但必须紧紧围绕这个核心。作为水工业学科体系组成之一的水基础科学的核心, 简言之就是水质、水量运动的状态及其变化规律, 包括天然的和人为的。因此, 水基础科学主要研究内容是: ①水体循环和运动规律; ②水质及水中物质的转化、转移和分离, 可简称“二转一分”。根据以上研究内容, 它所涉及的学科领域很广, 以下分别予以介绍。

1　水体循环和运动规律

　　水循环包括三种含义： 第一是指各种水体通过蒸发、水汽运输、降水、地面迳流、地下迳流所形成的水文循环, 这是一种自然循环, 也是一种大循环; 第二是指自然水文循环受到人类社会活动影响而形成的自然与人类活动综合影响下的水文规律; 第三是指某一特定类活动综合影响下的水文规律; 第三是指某一特定范围内(如某一段河流或一个城市或一个工厂) , 完全由人类活动所形成的水的人工“小循环”, 如下图所示:

　　在第二种含义中, 着重研究自然大循环受人类社会活动影响而发生水文规律的变化, 以及这种变化发生后如何保护和科学地分配水资源(包括工业、农业、航运等)。而第三种含义(小循环) 主要研究一定范围内水的人工小循环, 着重于自然水体受到人为破坏以及如何通过人工处理使污染的水体恢复自然状态回归自然(如图中线[… ]所示) , 以及工业企业或用水部门内部的废水再生回用(如图中线[ ]所示)。当前, 水的小循环远远不完善, 从而使水文自然大循环也遭到破坏,若水的人工小循环正常、良好, 水文大循环也就趋于正常、良好。水基础科学研究的目的, 就是为使遭到人类社会活动影响的水文循环恢复自然循环状态, 并且力求达到水资源最大限度的再生回用, 提供有关理论基础。这是社会和经济可持续发展的基本保证。因此, 水体人工小循环与水工业关系更为密切。水的运动规律是指水在江、河、湖泊、地下及管渠中的流动规律, 是水的宏观运动规律。它是水基础科学研究的重要内容之一。
　　综上所述, 水体循环和水的运动规律与水源开发、保护、评价、管理、水的输送等紧密相关。在水的人工小循环中, 还涉及水处理学科, 本文第2 部分将另加讨论。下面介绍的与水体循环和水的运动相关的学科内容, 主要是指与水基础科学有关的部分, 或者说水基础科学中将包括以下学科中部分内容, 但并非该学科全部内容。
　　①　水文学: 是研究地球上水的起源、分布、循环、运动变化及其与地理环境、人类社会活动之间相互关系的科学, 研究的是自然界的水文规律, 直接与水资源有关。
　　②　城市水文学: 研究的是城市地区的水文规律,即在城市经济发展与其环境容量相适应的条件下, 研究城市环境及水的循环中给水、排水、防洪、排涝与城市环境之间的相互关系。在水工业中, 它直接与城市水污染及供水水源有关。
　　③　水资源水文学: 它是把地球水资源作为一个整体, 研究其在天然状态下的水文规律受到人类社会活动影响后如何变化, 以及这种变化发生后如何科学地分配水资源和保护水资源。与水工业有关的是在一个大范围内或流域范围内如何作水资源量和质的评价以及水源的开发、利用和保护。
　　④　环境水利学: 它是环境科学与水利科学的交叉和相互渗透, 与水资源水文学也密切相关。但与水工业有关而与水资源水文学有所区别的, 主要是研究流域环境水利规划、水利工程设施对水源的影响(包括水质、水量)。
　　⑤　水力学: 研究的是水的宏观运动规律, 包括地下水运动规律。水力学是水基础科学中属于力学的一个部分, 也是水工程学的基础。

2　水质和水中物质的转化、转移和分离

　　水质与水中物质的含量和存在状态密切相关。水中物质的转化、转移和分离, 实际上就是各种水处理方法(包括给水处理和废水处理) 的基本原理的概括, 在水的人工小循环中起着十分重要作用。在给水和废水处理中, 水中悬浮物、胶体物、溶解物的去除, 无不借物质转化、转移和分离三种作用中的一种、二种或三种综合作用的结果。转化是指水中某种物质经过化学、物理化学或生物化学作用转化成另一种物质, 通常是把有害物质转化成无害物质, 或溶解性物质转化成易于去除的固体不溶物。这种例子很多, 例如水处理中的化学沉淀、生物氧化、酸与碱中和、混凝等, 不一一列举。转移是指水中某种溶解物质由水溶液中转移到某固相表面, 例如离子交换、活性炭吸附等。水中物质的转移一般都是物理化学作用的结果。物质分离是水处理的最终目的, 广义而言, 上述转化和转移往往都已达到水中物质分离作用, 但在水工业学科中纯物理分离现象较多, 例如颗粒沉淀、机械筛滤等均是物理作用。膜过滤有的是纯物理作用, 有的是物理化学作用。因此, 将分离过程单独列出, 以区别于物质的转化和转移。
　　在水基础科学中, 水中物质的“二转一分”是作为水处理的学科基础, 不讨论具体的处理工艺、技术和设备, 这就与水工业学科中另一组成部分——“水处理与应用技术”的内容区分开, 但二者相互联系是无疑的。
　　由上可知, 水中物质的转化、转移和分离, 主要与水化学、水微生物学、生物化学、化学反应工程等学科有关。此外, 评价水质也与水化学、水微生物学及水质医学有关。
　　①　水化学: 指与水质和水质处理有关的化学, 含义较广泛, 在学科分类中目前还没有这门学科。因为在水基础科学中涉及化学较多, 故在此将有关化学基础理论综合为水化学, 构成水基础科学的一个部分。水化学主要包括有机化学、物理化学、高分子化学、分析化学等有关内容。水质检验, 水中物质的转化、转移及分离, 绝大部分与水化学有关, 汤鸿霄编著的《用水废水化学》内容可作为水化学的借鉴。此外, 水污染化学也可列入水化学之内, 它研究的是在水环境中污染物的来源、性质及其化学变化规律, 是环境化学的分支, 它为水质评价、水环境容量及水污染综合防治提供科学依据。
　　②　水微生物学: 在一般性地研究微生物形成、生理特性的基础上, 着重研究它与水的卫生及水质处理有关问题, 是水的卫生检验和水的生物处理的基础, 或者说也是与水工业有关的生物化学工程的基础。
　　③　化学反应工程: 它是化学工程学科的一个重要分支。在水工业中反应器理论可用于水处理设备的研究, 甚至一段河流自净过程也可用反应器理论进行研究, 因此可作为水质处理的理论基础之一。它涉及化学动力学、传质、传热及流体力学等基础理论。
　　④　水质医学: 在学科分类中目前尚无水质医学的学科名称, 但可从环境医学中分出与水质有关的医学内容。主要研究水中化学污染物(或天然存在的有毒有害物质) 对人体健康的影响, 以及水中某些矿物元素与人体健康的关系。
　　以上列举的相关学科, 只是与水基础科学关系密切的几门学科, 即以上几门学科的有关内容将与水基础科学相互交叉和渗透。至于与整个水工业学科体系相关的学科, 如环境工程、市政工程、水利工程等, 不属本课题研究范围。