基于系统论对建立水工业体系的探讨

叶春松 范瑾初

　　本文将采用系统论的基本原理，对水的自然循环和社会循环的系统特性进行分析；认为水的自然循环是具有自组织结构的非平衡开放系统，水的社会循环是具有人工组织结构的非平衡开放系统。对水工业体系与水循环系统的统一性进行探讨。根据系统结构决定系统功能的原理，提出建立我国水工业体系应以整个水的社会循环作为对象、以系统科学理论作为认识论和方法论、优先组建系统运作三要素等建议。

1 水问题与水工业

　　水是人类和地球上一切生物生存发展所必需的、不可替代的一种特殊资源。地球上，广义的水资源量是非常巨大的，约为1.4×1018 m3；而狭义的水资源量只有广义水资源的0.0003%，约为47×1012m3。受技术经济条件和自然因素的限制，人类可以取用的水资源量，又只占狭义水资源的3%左右，即只占广义水资源的百万分之一（0.0001%）。若全球按50亿人口测算，则人均年工程水资源量仅为280 m3水，这一人们熟知的"生命之源"，原来竟是这样一个“有限资源”。随着社会经济的发展，一方面，工农业生产和人类生活对水的需求量越来越大，对水质的要求越来越高；另一方面，生产和生活排放的废水和污水，不断地对工程水资源造成越来越严重的污染；此外，在工农业生产和人类日常生活中，还存在普遍的浪费现象。由于这些原因，在我国已经形成了越来越严重的水源严重短缺现象。
　　面对严峻的全局性的水问题和潜在的整体性的水危机，人们已经认识到，水问题的根本解决，应采取下列措施：一是要合理开发和利用水资源；二是要节约用水：三是要防治水源污染。尤其是后者，越来越受到重视。防止水源污染，涉及废水处理：从已污染的水源中取水使用，又涉及给水处理。总之，水源短缺、水源污染、水质恶化等一系列问题都互相关联。
　　从本质上讲，水问题是由人引起的，水问题的最终解决还得靠人。人们对水问题产生的原因、性质及其对工农业生产和人类生活的影响，都有了较为深刻的认识，也作出了很大的努力，采取了一系列的政策性的、工程性的和技术性的措施，试图解决日益严重的水问题，以避免全局性水危机的爆发。然而，这些措施，似乎远没有达到预期的目的。
　　为了求得对水问题的更好的解决方案，人们不得不从更深的层次、更广阔的视野、更复杂的联系等方面对水问题进行新思考和再认识。水，同煤炭、石油、天然气等矿物燃料和金、银、铜、铁等矿物资源一样，是一种自然资源，具有资源的属性；但又不完全一样，矿物燃料经过燃烧后转变成为CO2和H2O等性质和形态完全不同的物质，因而矿物燃料最终会耗尽；金属矿物资源，由于人类社会的提炼加工而富集于社会，可形成一个封闭的社会循环；而水则不会因为人类的利用而减少，但又不能被人类加工后贮存，使用后的水必须返还大自然，进入循环系统，经"再生"后，重复为人类所利用。由此可知，水是一种特殊的可再生资源。
　　因此，水资源的利用和回收，可象其他资源一样纳入工业范畴。于是，有识之士提出：建立统一的水工业体系，按自然规律和经济规律办事，探索出一条从根本上解决"水问题"的必由之路和自由之路。本文将从系统论角度探讨建立水工业的有关认识问题。

2 水循环的系统属性及其要素

2.1 水的自然循环--全球性的大系统
　　在自然界，水以海洋、冰雪、地下水、湖泊、沼泽、河流、大气水和生物水等多种形式存在。在太阳光能和地心引力等宇宙自然能量的作用下，水从海洋、各种地表水面及地面蒸发形成水蒸汽，继而形成雨、雪等降水，一部分以地表径流形式流入江、河、湖泊，成为地表水水源，其中江河之水最终流入大海；另一部分渗入地层成为地下水水源，而地下水也在经历漫长的渗流循环过程。由此可知，地球上的水通过蒸发、降水、径流和渗流等形式进行周而复始的自然循环，从整体上看，这种循环是一个全球性的大系统。
2.2 水的社会循环--自然循环的子系统
　　人类为了工农业生产和自身生活，从各种天然水体中取水，使用之后，以各种废水和污水形式排出，又返回天然水体之中。它以天然水体为起点，最终以天然水体为终点，因此，它是水的自然循环系统中的一个特殊的子系统--水的社会循环。纵观水的社会循环，从属性上讲，可分为农业灌溉用的水循环、工业生产过程用的水循环、居民生活用的水循环，即存在水的农业循环、工业循环和民用循环3个子系统。但是，不管这些水循环次级子系统的特性如何，它们都通过取水系统和排水系统相连接，形成一个相互关联的网络系统。
2.3 水循环系统的三要素--物质、能量与信息
　　在水的社会循环系统中，存在着3个基本要素：物质--水，为水的储存和流动提供的构筑物、管网、沟渠，机械和电力设备等；能量--动力设备提供的机械能和电能、水在构筑物中的势能、水流的动能、水携带的热能等；信息--系统中各种物质和能量的参数，水的物理化学特性指标等。从本质上讲，水在系统中的循环，就是系统物质、能量和信息的运动。以前，系统的信息运动没有引起人们足够的注意。系统的信息，是人们对系统的物质和能量进行管理和控制的基本依据。

3 水循环系统的特性

3.1 非平衡的开放系统
　　地球上的水，由于受到太阳光照和地球引力的作用而产生了自然循环。在这个循环过程中，水吸收太阳的光能，并转变为热能，一部分水以蒸汽的形式进入大气层，并留下了所溶解和携带的物质；受大气层气温气流的影响和地球引力作用，又转变形态，以液态的水或固态的冰雪形式转变为降水；在与空气和地表接触的运动过程中，又溶解吸收空气中的气态物质和地表中的矿物质和微生物，并携带这些物质一起运动。由此可见，水的自然循环始终存在物质、能量和信息的交换，因此，它是一个非平衡的开放系统。水在其社会循环系统中，同样与外界有物质、能量和信息的交换，有一点不同的是，它是一个受人类社会控制的系统，是有组织的系统，是一个人工系统，但本质上也是一个非平衡开放系统。
3.2 水自然循环的自组织特性
　　由物理化学中的热力学理论，我们知道，一个隔离（或封闭）物系，会自发地朝着平衡状态方向变化，即朝着熵增的方向变化，最后达到平衡。而水循环系统是与外界有物质、能量和信息交换的开放系统，是一个多因素的非平衡系统。由于与外界的物质和能量交换而输入的负熵，起了抵消系统的熵增的作用，系统将处于一种相对稳定的有序状态，即形成系统的非平衡有序结构。水的自然循环，在人类的社会循环加入之前，或社会循环加入所产生的作用很小的时候，处于一种宏观上相对稳定的有序状态；由于社会循环的加入，输进了系统原本没有的新的物质和能量，原来的有序状态被破坏而向一种新的有序状态演变。这种演变，在微观上，是系统内部各子系统之间通过非线性的相互作用产生的协同现象和相干效应，在宏观上，则表现为系统的自组织作用。因此，水的自然循环系统，是一个从无序向有序演化的自组织系统。
3.3 水社会循环系统的组织特性
　　水的社会循环系统，是由人类社会按照特定的目的、功能、用途和结构组织起来的一个个子系统或系统单元构成的。系统依据外来的指令（人为的控制或干扰）与外界进行物质、能量和信息的交换，因此，系统不可能自动协调各组成部分的关系，完成特定的功能，不存在使系统自发从无序向有序的演化的作用机制。也就是说，水的社会循环系统是一个有组织的系统，尽管它是一个多因素动态的复杂系统。水的社会循环系统的非自组织特性，既是系统本身问题产生的根源，又是系统问题由系统所反映的信息，通过人类社会的控制可以使问题得以解决的基础。
3.4 两种水循环系统的关系与解决“水问题”的思路
　　水自然循环系统的物质、能量和信息等基本要素，陆、海、空构成的系统基本结构，以及太阳能和地心引力等基本作用力，都是大自然在自组织过程中通过协同与竞争、稳定与选择，积累与进化等作用产生的宏观功能组织单元。这些具有自催化或自复制能力的单元，通过功能的循环耦合而建立了水的自然循环这样一种高级自组织循环系统。而水社会循环系统，基本要素、基本结构和基本作用力，都是人类社会按照自己的意志组织和建立的，是一种人工系统。两者之间的关系表现在：首先，水社会循环系统是自然循环系统的一个特殊子系统，是主从关系；其次，两者在系统基本要素方面具有相似性：第三，两者在基本结构和基本作用力方面具有明显的差异；第四，自然循环系统具有不可控制性，而社会循环系统具有可控制性；第五，自然循环系统通过自组织过程完成系统的有序化在时间上具有滞后性，而社会循环系统由于可以通过人工控制完成系统内部的有序化因而在时间上具有及时性；最后，两者紧密相联因而具有相互作用。
　　水的社会循环系统作用于水的自然循环系统，因遭受反作用而造成自身循环的障碍--“水问题”或“水危机”。由于水的自然循环和社会循环具有上述的自身特点和相互关系，因此，“水问题”的解决，应主要从社会循环内部可人工控制的因素着手，其次才是从两者的相互关系着手。换句话说，只有通过优先解决水的社会循环系统的内部存在的结构和运作机制问题来解决“水问题”，才能实现“水问题”最终解决，实现两个循环的和谐共存。建立水工业体系的设想，正是这种思路的一种具体体现。

4 水工业体系的系统略论

4.1 现实水社会循环系统的问题
　　（1）城镇居民生活用水系统--人为分割为给水、排水
　　水社会循环系统的三大子系统之一的城镇居民生活用水系统，由于历史的原因和传统观念的作用，以及经济、技术和文化上的原因，被分割为“给水”和“排水”两个相对独立的部分，没有把它们当作是一个统一的系统来考虑其运作机制与规律。在人口少、居住分散、即使集中居住但人口密度较低而又水源丰富的时代或地区，“雨水”可以实现完全隔离，而且“排水”也能被自然环境的自净作用而净化（水自然循环系统自组织功能表现之一）。然而，社会发展到现代，一是"完全隔离"已是不可能了，二是“排水”的污染作用超过了环境的自净能力，“给水”水源与“排水”受体通过天然水体相连而形成“回路”，从整体上看，“给水”与“排水”“短路”，于是，严重的“水源短缺”问题、“水质恶化”问题就出现了。
　　（2）工业用水系统--对水质恶化在“质”与“量”上有“特殊贡献”
　　工业用水系统是水社会循环系统中另一类特性的子系统。该系统除了具有与生活用水系统相同的不统一性的现状外，还有其自身的特点：①用水量大，是生活用水的4～5倍；②排水污染物浓度高、品种多且性质各异，如高浓度的制革废水、造纸废水、印染废水、含油废水、石油化工废水、无机化工废水、重金属废水、开放式冷却系统的“热废水”、燃煤锅炉冲灰废水等等，对水源造成了复杂的污染情况。工业废水通过各种渠道与生活用水水源系统"联网"，不仅对工业用水影响严重，而且对生活用水危害极大。
　　（3）农业生产用水系统--未被重视但影响极大
　　农业生产用水系统是水社会循环系统中比重最大的一个子系统。我国用水总量中，农业用水约占70%。农业生产用水，由于对水质要求低但水量巨大，人们通常只是从水利工程角度去考虑如何解决水源短缺问题，而较少考虑水质问题。但是，象淮河流域这样水质严重污染的水系，对农、牧、渔业生产造成的重大损失却是难以统计的。另一方面，含有大量的农药、化肥和牲畜排泄物的农、牧、渔业生产的排水和渗流水，进入天然水体，对整个水的社会循环系统的影响也越来越大。如何解决农业用水系统对共用水源水系的水质影响问题，是亟待研究和解决的大问题。这是一个水利工程与水质工程学科交叉和行业交叉的大问题。
4.2 水工业的基本内涵及其支撑学科体系
　　针对我国水源污染、水质恶化、水危机事件频繁出现，人民生活、工业和农业生产受到严重影响，乃至整个国民经济和社会发展因此受到制约的现象，水科学界于1995年从认识论和方法论的深层次和国民经济可持续发展的战略高度，提出了建立我国水工业体系的观念。该观念一经提出，即获得巨大反响。经过几年的讨论研究，已取得广泛的共识。国家有关部委已经拟出了“水工业可持续发展战略”。有关研究课题已列入了国家“九五”科技攻关计划。水工业的建立问题，已成为当前有关行业学术界和管理层的一个热门话题和重要的研究课题。一般认为，水工业由水工业企业、水工业制造业、水工业高新技术产业等3大部分组成。水工业的内涵主要体现在以下4个观点上：（1）系统观点：给水排水是由给水和排水组成的一个具有统一性的整体；（2）工业观点：给水排水是一门工业；（3）水工业制造业是给水排水事业的支柱工业；（4）水工业表征了给水排水的高新技术时期。
　　水工业体系将是一个超大规模的现代工业体系。大工业体系必须有大的科学技术体系作为支撑。目前已经提出，水工业学科体系包括以下5大部分：（1）水基础科学；（2）水质工程学；（3）水工程技术；（4）水工业制造技术；（5）水工业社会科学。关于水工业学科设置的研究工作，已进行得较为深入并取得了重大的阶段性成果。
4.3 水工业体系与水循环系统的统一性
　　以流动的水为观察对象，在人类社会中存在一个水的循环系统，一个人工组织的、动态的开放系统。为了使得这个系统能够成为可持续地为人类社会的生存和发展服务的有序循环系统，人们在不断地探索其循环机制的过程中，产生了新的认识，提出了创新的水社会循环系统观念--建立现代水工业体系。拟建立的水工业体系，是在遵循自然规律的基础上，从发挥人类主观能动性角度出发，以商品“水”的生产（包括水的采掘、水质加工等）、输送、销售、回收、再生、回用或返还等经济活动环节为主线构成的一个统一的产业体系。该体系具有明显的系统特性，是一个与水循环系统规律相吻合的人工系统。该体系的建立，是以系统的物质和信息两大要素为主要研究对象和工作内容，从系统整体、要素联系、运行机制等方面综合考虑，通过工程技术手段实现对系统的有效控制，以达到系统的良性循环和为国民经济和社会可持续发展提供最基本的物质保障的目的。
4.4 水工业体系的系统运作三要素
　　水工业体系是一个人工组织系统，不象水的自然循环是一个自组织系统，因此，系统循环状态的优劣程度的决定因素是人 ? 系统的组织者。系统的统一性决定了系统必须有一个高层次的统一管理体系? 规划、调度、决策等高级功能体系。目前，在国家层次还没有形成一个能与水工业存在和发展相适应的管理体系。用政治经济学概念表达就是还没有一个与水工业大系统这个“经济基础”相适应的“上层建筑”。对于涉及水工业各子系统或功能单元，国家各部、委、局和国家级总公司“齐抓共管”、“分而治之”，而没有按照系统统一属性设立的综合和协调管理部门。
　　水工业体系的多因素、动态、复杂和开放等特性，决定了它需要一个大的学科体系支撑。水工业学科体系，在我国已略具雏形，经过统筹规划和疏导，可较快地形成一个完整的学科体系和高新科技群体，能基本适应水工业发展的需要且具有一定的先导作用。水工业是一门工业，其活动性质属于经济活动，因此，水工业体系中物质、能量、信息等经济属性方面的活动，必须遵循经济规律，以市场经济杠杆为调节手段。高层综合管理体系、大的学科体系和市场经济机制，是水工业体系作为一个统一的系统运行的最重要的三个基本要素。

5 结语

　　水的自然循环是一个开放性的自组织系统，由大自然的作用规律支配着它的有序运行。人类为了自身的生存和发展，参与它的运行，形成了一个水的社会循环系统。由于对自然规律认识不足和没有按照已认识的规律组织人工系统的运行，导致了“水源短缺”、“水质恶化”等一系列“水的社会性问题”。在对“水问题”进行反思和在对自然规律认识逐步深入的基础上，人们提出了建立"水工业体系"的构想。将要建立的水工业体系，是国民经济和社会可持续发展提出的迫切需求和水科学技术提供的基本保障相结合的必然产物，也是人类认识自然和自身从思想上产生的一个阶段性的高级结晶体。
　　系统结构决定系统功能。鉴于水循环的系统特性，建议水工业体系和水工业学科体系以整个水的社会循环系统为研究对象和工作目标，不局限于以城市生活用水系统为主体，而应涵盖所有工业用水系统和农业用水系统，这是因为三大子系统共同构成了一个不可分割的社会循环系统。水工业体系的建立和发展，应当以当代系统科学的系统存在论、系统演化论和系统机制论作为认识论和方法论。要建立水工业体系，应优先组建系统运作"三要素"，特别是组建其中的高层综合管理体系。比如说，先组建国家水工业总局，然后过渡到国家水工业总公司；或者更进一步，将水利部和有关部、委、局、国家级公司涉及水资源开发利用的管理职能合并，组建水资源部。这样，不仅在全国范围内能高效管理和宏观协调水资源的开发利用，而且在深层次上符合水的两大循环的自然规律。

参考文献
（14篇，编者略）