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水科学的学科体系及研究框架探讨

已有 6354 次阅读 2011-9-23 12:42 |个人分类:科学研究|系统分类:论文交流

 

文章原载:左其亭.水科学的学科体系及研究框架探讨[J].南水北调与水利科技,201191):113-117.

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水科学的学科体系及研究框架探讨

左其亭

郑州大学水科学研究中心, 河南郑州 450001

 

摘要“水科学”(water science是最近二十年来出现频率很高的一个词,但其使用已经比较混乱,急需要界定“水科学”的范畴和学科体系。本文通过大量文献分析,结合最近几年的认识和思考,在对目前国内对水科学理解评述的基础上,定义了水科学的概念及研究范畴;总结给出水科学学科体系,共涉及8个学科门类,包括相互交叉的10个方面,即水文学、水资源、水环境、水安全、水工程、水经济、水法律、水文化、水信息、水教育;构建了以“基础理论——技术方法——应用实践”为体系的水科学研究框架;在分析水科学研究面临的挑战的基础上,对未来水科学研究进行展望,提出8个方面的研究方向及研究趋势。

关键词水科学;概念;学科体系;研究框架;展望

1 引言

水是人类生存和发展不可缺少的一种宝贵资源,也是所有生物不可缺少的物质基础。人类自一开始出现就与水打交道,不断积累对水的认识和用水经验。可以说,关于水知识的积累并形成相关学科的历史非常悠久,也无法准确说出其起源时间。至目前,关于水的学科、行业、理论方法及生产实践可以说是“五花八门”,这也符合人类不同阶段、不同层次、不同行业、不同观念、不同信仰对水的认识的多元化。最近二十年来,“水科学”一词出现频率很高,但使用比较混乱,理解也各异,甚至有些相悖或偏离实际,因此有必要界定“水科学”的范畴和学科体系。

截止201092,作者在《中国学术文献网络出版总库》中以“水科学”为词搜索,共搜索到33848条文献(个别文献有误),明确提出“水科学”一词的最早出现在1980年《工程勘察》期刊(第5期)上,是在一则新闻报道(“国际水资源协会名誉主席周文德教援应邀来华讲学”)中明确提到“水科学”;1994年在《西北水资源与水工程》(第1期)上,以“1994年度召开的水科学国际会议一览表”为题介绍《国际文水计划信息》中1994年将召开的水科学国际会议;1988年张盛在《地球科学信息》期刊(第2期)介绍了“1988年国际水科学会议”;1990年赵珂经在《水文》期刊(第3期)“介绍国际水文计划第四阶段(IHP-IV)”[1]一文中提到水科学问题。这些文献都提到“水科学”一词,但没有详细的论述。一直到1990年,《水科学进展》期刊正式创刊,在其发刊词中,明确阐述了水科学的内容:“水科学是关于水的知识体系。它研究水圈中各种现象及其发生发展的规律,研究水圈同地球其它圈层之间的关系和水与社会发展的关系,为不断改善人类生存环境和社会发展条件服务”[2]。《水科学进展》是第一个以“水科学”为主题的学术性期刊,“内容涉及与水有关的所有学科,包括大气科学、水文科学、海洋科学、地理科学、环境科学、水利科学、水力学、生态学,以及经济学、法学等社会科学中与水有关的学科”[2]。以“水科学”为关键词搜索,共搜索到188条文献,其中,第一篇全面阐述水科学产生过程和概念内涵的是陈家琦先生1992年发表的一篇文章[3],其后文献主要是介绍水科学及其应用的内容,很少专门界定“水科学”的概念和范畴。

目前,国内应用“水科学”一词非常多见。作者201092在百度上以“水科学”为搜索词,共搜索到91.5万条,分类说明:(1)以“水科学”为名成立的研究机构或单位。其中,第一个是北京师范大学水科学研究所(现改为研究院),最早由刘昌明院士于2005年成立。到目前国内已成立多个有关机构,比如,南京大学水科学系、清华大学水科学与工程研究所、郑州大学水科学研究中心、兰州大学水科学研究中心等;(2)以“水科学”为名的研究生教育学位点。比如,大连理工大学“水科学与技术”硕士点;(3)开展的水科学研究学术会议、网站、QQ群等。比如,由郑州大学水科学研究中心发起并每年举办一届的“水科学发展论坛”,开办的“水科学网http://www.waterscience.cn/)网站、“水科学”QQ群,广泛开展水科学交叉研究和交流;(4)其他运用,比如,在新疆建立的家水主题展览馆——克拉玛依水科学展览馆。

在国际上,据陈家琦先生的研究[3],水科学(Water Science)一词曾见于早期文献,但其正式使用则是第二次世界大战后在联合国教科文组织中成立了水科学司(Division of Water Science),其业务内容包括水文学问题和水资源间题。此后也出现一些研究机构或高等院校科系以水科学命名,其中多数都是涉及水文学和水资源问题(引自文献[3])。

由以上介绍可以看出,“水科学”一词应用非常广泛,已经成为一个很普通的词汇,甚至有时显得比较混乱。从学科发展的角度,有必要进一步界定“水科学”的范畴和学科体系。本文就是基于这一问题,通过大量文献分析,结合最近几年的认识和思考,在对目前关于水科学理解进行评述的基础上,定义水科学的概念及其研究范畴,总结水科学的学科体系,构建水科学研究框架,并对未来水科学研究进行展望。

2 水科学的范畴及学科体系

2.1 目前国内外对“水科学”理解的评述

不同学者对“水科学”有不同的理解。这里,作者以具有代表性的几个文献,来介绍他们对“水科学”的理解。

1陈家琦先生于1992年在文献[3]中论述:水科学是以自然界的水为对象,研究其静态的分布和动态的变化过程,包括其物理学的、化学的和生物学的变化过程及其从宏观到微观的运动形式和变化规律等。因此,它是以地球上水圈为对象的科学,也包括水圈与气圈、水圈与岩石圈、水圈与生物圈的相互关系和相互作用,以及水在环境中与其他要素间的相互作用与影响、水与人类社会的关系等等。陈先生对水科学的定义为:一切研究有关自然界水的科学(尽管到目前有关的科学或学科大多都已发展成为独立系统),或者说,对地球水圈的认识所形成的知识体系就是水科学,也包括水圈与地球上其他几个圈层的相互关系与相互作用的知识体系(引自文献[3])。

2高宗军、张兆香在《水科学概论》(海洋出版社,2003)一书中,阐述水科学内容包括水在自然界中的分布及存在形式、水的基本性质、水的运动变化规律、水与生命的关系以及水文学的基本内容[4]。该书从教学体系上系统阐述了水科学学科应该包括的知识体系和主要内容。

3《水科学进展》期刊对水科学的界定和解读。按照《水科学进展》征稿启事上说明,该期刊主要反映国内外在暴雨、洪水、干旱、水资源、水环境等领域中科学技术的最新成果、重要进展,当代水平和发展趋势,报道关于水圈研究的新事实、新概念、新理论和新方法,交流新的科研成果、技术经验和科技动态;涉及与水有关的所有学科,包括水文科学、大气科学、海洋科学、地质科学、地理科学、环境科学、水利科学和水力学、冰川学、生态学、水生生态学以及法学、经济学和管理科学中与水有关的内容。可见,水科学的界定范围非常广泛。

4《汉英水科学词汇》所收集的词汇涉及气圈、水圈、地圈和生物圈,以及与水相关的现代科学技术各领域。其中,包括大气科学;水资源规划、管理及利用,水利工程,水文学,河流、湖泊治理与开发,湿地保护,海洋学,地球物理学,地质学,测量学,农业灌溉,林业,渔业,航运,市政给排水工程;水资源保护,水质监测,水质管理,水质评价,水质分析,废、污水处理技术;生态与环境保护[5]。可见,水科学涉及的学科和领域非常多。

5)在国外,对water science的定义或阐述非常少,在很多词典和权威网站(包括大英词典、维基百科、sciencedirectspringerlink等)都没有找到明确的定义。但国外一些网站、单位、期刊引用water science的地方非常多,与国内情况基本一致,包含的内容十分广泛。比如,国际水资源协会(IWA)在其期刊《Water Science and Technology》(水科学与技术)征稿启事上说明,水科学包括与水污染控制、水质管理有关的所有科学方面,具体包括:各种水污染处理方法;污染对河流、湖泊、地下水、海水的影响;中水利用;水政策、管理、战略等。

2.2 “水科学”的概念及范畴

从以上分析可以看出,对水科学的理解多种多样,涉及的研究范畴也很难界定清楚,涉及的学科也很多。有时候可以笼统地应用“水科学”这一词汇,但作为一门学科,还是要进一步界定其概念、内涵和研究范围。

从研究内容来看,可以把水科学描述为,对“水”的开发、利用、规划、管理、保护、研究,涉及多个行业、多个区域、多个部门、多个学科、多个观念、多个理论、多个方法、多个政策、多个法规,是一个庞大的系统科学。我们不妨把研究与水有关的学科统称为水科学(water science)。具体来说,水科学water science)是一门研究水的物理、化学、生物等特征,分布、运动、循环等规律,开发、利用、规划、管理与保护等方法的知识体系。本文作者曾在2007年年初把水科学表达为水文学、水资源、水环境、水安全、水工程、水经济、水法律、水文化、水信息、水教育等十个方面、相互交叉的集合[6]

2.3 水科学学科体系

在我国教育部划分的学科体系中,最高级别是学科门类,共有12个:理学、工学、农学、医学、哲学、经济学、法学、教育学、文学、历史学、军事学、管理学。比学科门类低一级的学科称为学科类(又称一级学科),学科类(不含军事学)共有71个。比学科类再低一级的学科称为专业(又称二级学科)。

从以上学科体系结构对比分析来看,水科学应该是一个跨多个学科门类的学科。比如,(1)研究水的物理化学特征、数学物理方程、数值分析、水文地理特征等内容,应该是理学范畴;(2)研究水资源开发、利用、保护,水资源配置与调度、水资源工程规划等内容属于水利工程学科,是工学范畴;(3)研究水土资源开发、利用、节水灌溉等内容,属于农学范畴;(4)研究水环境与人体健康关系与调控等健康医学研究,属于医学范畴;(5)研究水价值、水价、水市场与水交易、水利经济等内容,属于经济学范畴;(6)研究水法规、水政策宣传、水知识普及等内容,属于教育学范畴;(7)研究水利发展史、河流生态环境历史演变、水文化考究等内容,属于历史学范畴;(8)研究水系统的优化分配、可持续管理等内容,属于管理学范畴。

由上分析可见,水科学是一个跨越多个学科门类的学科,所研究的内容不可能完全隶属于某一个学科,应该根据不同方向隶属多个学科,同时需要多个学科交叉研究,才能解决水科学问题。比如,研究水资源可持续利用问题,不仅仅需要水利工程学科的知识,还需要经济学、管理学、理学、法学等知识,需用全社会共同努力。

如图1所示,作者把水科学描述成涉及8个学科门类(理学、工学、农学、医学、经济学、教育学、历史学、管理学),包括相互交叉的10个方面,即水文学、水资源、水环境、水安全、水工程、水经济、水法律、水文化、水信息、水教育。

当然,对十个方面的内容也有不同的侧重,也是相互交叉的。本文作者曾在2007年对这些内容作过简单介绍[6],在此基础上,本文详细说明如下:

1)“水文学”研究领域:

水文学是地球科学的一个重要分支,它是一门研究地球上水的起源、存在、分布、循环和运动等变化规律,并运用这些规律为人类服务的知识体系[7]。主要讨论的内容和学科分支有:地球上水的起源、存在、循环、分布,水的物理、化学性质;水循环机理与模型;全球气候变化和人类活动影响下的水文效应与水文现象;河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水文学、海洋水文学、地下水文学、土壤水文学、大气水文学;水文测验学、水文调查、水文实验;水文学原理、水文预报、水文分析与计算、水文地理学、河流动力学;工程水文学、农业水文学、土壤水文学、森林水文学、城市水文学;随机水文学、模糊水文学、灰色系统水文学、遥感水文学、同位素水文学;现代水文学。

2)“水资源”研究领域

水资源学是在认识水资源特性、研究和解决日益突出的水资源问题的基础上,逐步形成的一门研究水资源形成、转化、运动规律及水资源合理开发利用基础理论并指导水资源业务(如水资源开发、利用、保护、规划、管理)的知识体系[8]。主要讨论的内容有:水资源形成、转化、循环运动规律;水资源承载能力理论、水资源优化配置理论、水资源可持续利用理论;水资源开发、利用、评价、分析、配置、规划、管理、保护以及对水资源的规划、水价政策制定和行政管理等。

3)“水环境”研究领域

这里讨论的水环境内容比较广泛,涵盖所有与水有关的环境学问题,但不包括环境治理工程的设计施工等内容,主要内容偏重于:水环境调查、监测与分析;水功能区划;水质模型与水环境预测;水环境评价;污染物总量控制及其分配;水资源保护规划;生态环境需水量,生态水文学;水污染防治和生态环境保护。

4)“水安全”研究领域

水安全包括洪水、干旱、污染对生命和财产带来的安全威胁,讨论危害机理及安全调控。水安全不仅包括常指的洪水、干旱带来的安全问题,还包括由于污染问题带来的水环境变化,对人们身体健康带来的影响(包括环境流行病学、环境毒理学),具体来说,研究环境有害因素对人体健康的影响,研究生物地球化学性疾病,研究环境污染所导致的流行病及人群干预措施。

5)“水工程”研究领域

这里所说的水工程,不等同于“水利工程”,不包括水利工程设计、施工内容,主要内容偏重于:水资源开发工程方案、河流治理工程方案选择;大型、跨流域或跨界(如省界、市界、县界等)河流的水利工程规划与论证;水利工程建设顺序;水利工程布置方案、可行性研究;水利工程调度、运行管理方案。

6)“水经济”研究领域

运用经济学理论研究和解决水系统中的经济学问题,比如,研究水系统以最小的投入取得尽可能大的经济-社会-环境效益的分析和评价理论、模型、方法和应用;水利产业经济、科技和社会协调发展分析和判断模型、技术进步分析模型和水工程的财务型投入产出预测和规划模型;水电站(群)厂内经济运行方式和模式;水价及水市场理论,水利工程技术经济。

7)“水法律”研究领域

解决水问题需要有法律法规作保障,特别现在是法制社会,应该坚持以法制水。这里主要偏重于研究:水政策和法律基本理论;自然资源法;环境的水权利(即生态环境作为法律主体的用水权利);水权利体系及用水权制度;国际河流及其它跨界河流分水理论及法律基础。

8)“水文化”研究领域

人们在研究水科学时,目光仅盯在现在和未来是不够的,需要把水系统变化纳入到历史的长河中,从历史发展的眼光来分析水利工程的作用和效果。主要研究内容包括:中国水利史,黄河文化及科技文明;历史水工程考究;水文化和水工程科学考察;生态环境变迁探索及治理途径,生态型河流水系建设;历史上水文化对后世的影响;人水关系的历史考究和启迪;从历史学的角度,看待水文化建设、水利工程规划、水土资源开发利用以及水管理政策和体制。

9)“水信息”研究领域

现在是信息时代,水系统是一个复杂的巨系统,人们时刻在监测和了解水系统的各种信息,让更多的信息为人类服务。这是非常重要的工作基础,主要研究内容包括:利用地理信息系统、遥感、全球卫星定位系统(即3S技术)、计算机技术、水资源数据采集与传输技术、预测预报技术、数值模拟技术、数据库技术、科学计算可视化以及相关的流域数学模型,建立水管理信息系统,进行洪水预报、洪灾监测与评估、水利规划与管理,大型水利水电工程及跨流域调水工程对生态环境影响的监测与综合评价。

10)“水教育”研究领域

水资源管理措施的实施,关系到每一个人。公众是水资源管理执行人群中的一个重要部分,尽管每个人的作用没有水资源管理决策者那么大,但是,公众人群的数量很大,其综合作用是水资源管理的主流,只有绝大部分人群理解并参与水资源管理,才能保证水资源管理政策的实施,才能保证水资源可持续利用[9]。“水教育”就是要加大与水有关的各种宣传教育,具体包括:水法规、水政策宣传;世界水日、中国水周宣传;水知识普及与公众科普宣传;中小学水教育、教师培训、国际交流等。

需要说明的是,这里所说的“水科学”与“水利工程”有所不同,它们不是包含和被包含的关系。水利工程学科中研究水的特征、规律、开发利用等“软”的部分,是水科学的一部分。具体来讲,水利工程中关于工程设计、实验、施工部分内容不包括在“水科学”中,因为这些内容不仅仅适用于水利工程,在其他行业也可以适用,比如,岩土工程、工程结构、道路桥梁。当然,水科学中关于水的物理、化学、生物等基础研究内容以及关于水的管理(包括水法律、水文化、水信息、水教育)又不包括在水利工程学科中。在国家自然科学基金申请指南中(如2006年指南),把水利学科分为水科学与水管理、水利工程与海洋工程两大领域。可见,“水科学”与“水利工程”是有区别的。

3 水科学研究框架及展望

3.1 水科学研究框架

本文以“基础理论——技术方法——应用实践”为框架,构建水科学研究框架,如图2所示。

“基础理论”是水科学研究和应用的重要基础,也是成为一门学科的重要支撑条件。如果没有这些基础理论,也就称不上是一门学科。涉及的基础理论如图2

“技术方法”是水科学学科中所用到技术方法的总结,是水科学应用和发展的技术支撑。这些技术方法一般不是水科学所特有的,也可以用到其他学科中;有些是水科学中为了解决具体问题而产生的技术方法。具体的技术方法如图2

“应用实践”是对水科学服务于社会主要内容的总结,是水科学发展的重要动力,也是水科学的重要内容。主要内容如图2

3.2 水科学研究面临的挑战与研究展望

3.2.1 面临的挑战

随着经济社会飞速发展,科学技术日新月异,人类需要解决的水问题越来越迫切、越来越复杂,水科学研究面临着很好的发展机遇,也面临着前所未有的挑战,总结以下几方面:

1)随着人类活动日益加剧,对水系统的人为改变越来越剧烈,给原本复杂的水系统研究带来更大的困难。

2)需要回答的问题也越来越尖锐,比如,如何使有限的水资源满足人们不断增加的需求?水资源的开发和利用能可持续吗?水资源承载能力有多大?人类活动对自然界的影响作用如何?气候变化到底对水系统、水生态有什么样的影响?如何调控?

3)学科分类越来越细,但水科学遇到的问题越来越复杂,需要多学科通力合作、多学科交叉研究。比如,如何从法学的角度,限制人们的某些行为,确保良好的生态环境?人体健康与水环境的关系怎样?机理是什么?如何调控?

4)不断提出的新理论(比如,人工神经网络理论、分形几何理论、非线性理论)迫切需要在水科学中得到检验和应用推广。一方面,它们为水科学发展提供新的理论基础;一方面,又需要水科学不断吸收和改进新理论,以完善水科学理论体系。

5新技术特别是高科技的不断涌现,为水科学理论研究、实验观测、应用实践提供了新的技术手段,大大促进了水科学的发展。比如,遥感(RS)技术、地理信息系统(GIS)技术和全球定位系统(GPS)技术、同位素实验技术等。

3.2.2 研究展望

本文在总结大量文献的基础上,对未来水科学研究展望如下。

1)进一步加强多学科的交叉研究,提高水科学研究跨学科总体水平

水科学研究的内容非常广泛,仅靠水文学、水资源学的理论知识是不能满足实际需求的,必须加强水文学、水资源学、经济学、生态学、环境科学、数学、化学、医学、系统科学、法学、历史学等多学科的交叉研究,借鉴其他学科的理论和思想。比如,水环境学与医学交叉,解决水环境变化对人体健康影响的作用机理、危害评估和科学调控;

2)更加深入开展水科学实验研究、机理分析,揭示自然界水系统变化规律

自然界水系统变化规律十分复杂,人们对它的认识在不断提高和深入,但仍有很多未被人类认识的东西,需要水科学工作者继续深入做好基础研究,不断揭示自然规律。比如,水循环基本规律、生态水文基本规律、水分和污染物迁移转化规律等。这是进一步开展实践应用的重要基础。

3)不断吸收新理论,促进水科学理论基础的发展

不断涌现的新理论、新方法(如,人工智能、神经网络、小波分析、和谐论、混沌等)迫切需要渗透到水科学中,在水科学中得到检验和应用推广,促进水科学的不断发展。

4)对水科学中众多难点问题(如不确定性、非线性、尺度问题等)开展力所能及的研究,推动水科学的发展

水系统不确定性、非线性和尺度问题,是解决水系统复杂性问题的三个难点,也是目前水科学需要解决的关键问题。这些问题的研究将对水科学的发展起到重要的推动作用。但由于这些问题本身存在难以解决的属性,仍需要进一步加强理论探索[7]

5)进一步深入开展深层次的水科学基础研究,促进水科学理论体系的完善

水科学中仍存在很多基础科学问题需要深入研究,包括:水文极值(洪水和干旱)问题的认识、预测与减灾,全球冰圈、气候和温室效应的相互作用,冰盖河流水文学,水文与大气交换作用等。

6)及时采纳高新技术方法,提高水科学研究水平和服务社会的能力

随着科学技术的发展及其在水科学中的广泛应用,水科学理论及应用得到了长足发展。比如,现代信息技术的应用,使复杂、困难的水信息获取成为现实,原来不能得到或需要很大代价才能得到的水信息,现在成为可能或容易,为深入研究水科学问题提供了支持。把高新技术应用到水科学中,开展应用研究,是现代水科学研究的需要,也是解决复杂水问题的需要。

7)及时吸纳新观点、新思想,指导水问题解决,提高水科学实践应用水平

在水资源规划、管理、开发、利用等实践方面,要不断吸纳新观点、新思想,提高应用水平,比如,20世纪90年代提出的可持续发展思想,随后提出的资源水利思想、人水和谐思想,近期水利部又提出水资源管理“三条”红线的思路。

8)应对气候变化和高强度人类活动的水科学研究

气候变化会改变全球和局部水资源条件,可能会进一步加剧水资源供给的不确定性,导致极端水文事件和洪、旱灾害增加。高强度人类活动会改变陆地表面条件,引起水循环过程的变化,有可能会带来新的水问题,比如城市洪水问题。为了应对这些新问题,需要加强相关问题的研究,比如,变化环境下的水资源脆弱性评价和适应性调控研究、水资源系统的恢复性研究、气候变化下的水资源承载力和水安全研究、应对气候变化的水资源管理措施研究等。

4 结语

1)本文通过分析现有文献,结合作者最近几年的认识和思考,给出了水科学的概念、学科体系、研究框架,并对未来水科学研究方向和趋势提出看法。

2)因为水科学涉及范围十分广泛,很多方面仍处于探索阶段,对水科学学科体系、研究框架的认识还很不成熟,本文仅仅给出一个初步成果,起抛砖引玉的作用,希望有更多的文章来讨论这一问题,以不断丰富和发展水科学学科体系。

致谢:本文的撰写受到201055日举行的“第一届水科学QQ论坛”的启发,部分观点引用了讨论结果。因为出处难以一一标明,特此向参加“第一届水科学QQ论坛”的所有专家表示感谢,感谢“水科学”QQ群所有群友的支持!

参考文献

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Discussion on Water Science System and its Research Framework

Zuo Qi-ting

Center for Water Science Research, Zhengzhou University, Zhengzhou, 450001, China

Abstract: Water science has a very high frequency of occurrences and has led to certain confusion for the last two decades. Therefore, it is great urgency to define water science system. Compared literature reviews with personal understanding, the main research works in this thesis are as follows: First, to define the concept and category of “water science” on the basis of civil comments. Second, to summarize the science system of “water science” which refer to 8 disciplines and 10 overlapping aspects, i.e., hydrology, water resource, water environment, water security, water engineering, water economy, water law, water culture, water information and water education. Third, to structure the research framework of “water science”, which means the system of “basic theory-technical approach-practical application”. Finally, to forecast the development of “water science” in future and to put forward 8 research orientations and trends, which is based on analyses of challenges confronted with “water science” study.

Key words: water science; concept; science system; research framework; outlook

 

 



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