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〔中图分类号〕N8 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1000 —0763（2000）03—0043—07
水是生命之源，而淡水更是人类生活和生产不可代替的宝贵资源。地球上水的循环的含义有三：〔1，2〕一是指各种水体通过海洋蒸发、风力的迁移输送、降水降雪、地表径流、地下径流所形成的水文循环，这即所谓的大循环－水的自然循环。二是自然水文循环受到人类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－水的社会循环，在此循环中，人类生活生产的用水取之于天然水体，而形成的生活污水和城市废水最终排放的终端也是天然水体，同时人类有意或无意地向天然水体中排放着认识域外的污染物。三是指某一特定范围内完全由人工活动所形成的人工“小循环”（如一段河流或一个城市或一个工厂）。有关的循环见下图：
图3.水的小循环[2]
随着社会经济的发展，水的社会循环量愈来愈大，人类对水的质量（Water Quality & Aquatic Quality）〔3〕的影响权重大幅度的增加。有的地区天然水体的水量已入不敷需，“水危机”对人们不再是梦幻中的迷离。究其主要原因是人类对水环境的破坏使得水质严重恶化，而且水中的污染物越来越复杂，甚至出现了难以处理的微污染物，很多具有“三致”的潜在危险。我国的大部分天然水体已不同程度地受到污染，然而不仅治理污染需要大量的资金投入，而且就目前的处理技术对许多污染物均不能有效地去除，这样对人类的健康会产生危险，对工业将造成沉重的、递增的资金负担，更为严重的是污染过重的水体难以再作为供水水源，这将影响了水资源的可持续利用，从而使水危机的威胁加剧。在资源、环境、人口和人类社会的可持续发展将成为二十一世纪重大课题的同时，水资源的可持续利用，将是此重大课题的组成部分和必要条件，中国二十一世纪的水工业，正是针对水的可持续利用而提出的一场有关水行业的全新的改革。
一、中国水资源和水污染的现状及问题
我国是一个贫水国家，淡水资源非常短缺。河川多年径流量约为2.62×10[8]m[3]，人均占有量2000m[3]／a，为世界人均占有量的1 ／5，居第110位〔4〕。而且我国的水资源分布不均，利用难度大，致使许多城市缺水，在全国600多座城市中， 有一半以上的城市处于缺水状况，其中108座城市严重缺水，日缺水1600万m[3]，到2000 年这些城市年缺水将达200亿m[3]；华南地区的4条流域36%的耕地拥有中国81%的水资源，而华北地区5条流域58%的耕地拥有中国14.4%的水资源〔5，6，7〕。与此同时，我国原本匮乏的水资源还不断受到水质恶化及水生态系统被破坏的严重威胁，我国因排放污水而污染的水资源量达2300—3000亿m[3]，占我国水资源量的8.5—11.1%，已有1／3的河段，90 %的城市水域受到污染〔5，6，7〕。长江、 黄河已经发生严重的污染事故；“三河”（淮河、海河、辽河）的污染、“三湖”（太湖、滇池、巢湖）的富营养化更为严重；这些不仅对居民生活用水带来了严重的困难和危害，而且给工农业生产造成严重的损失，已到了非治理不可的境地〔8，9，10〕。此外，由于城市地下水严重超采，导致地下水位下降，76座城市的地下水体遭受到严重的污染。据统计〔5，6，11〕，至1996年底，全国已设的666个城市的污水排放总量达353亿m[3]／d， 其中工业污水占60—70%，而其处理率为60%，30—40%的城镇生活污水的处理率仅为15%；城市排水管道的普及率仅为65%左右，污水的集中处理率为23.6%，绝对量为83亿m[3]。 城市市政管网系统年收纳的污水达209亿m[3]，各种形式的城市污水处理设施处理量23.8亿m[3]／d，处理率为11.4%，但能够达到二级处理排放标准的城市污水处理率不到5.5%；然而，我国目前城市工业用水重复利用率平均约为50%，日本80年代已超过了75%。可见，城市的处理设施远未能适应城市水环境的可持续发展的需要。在另一方面，我国17000 多个建制城镇的污染物排放量是相当可观的，其管网系统和污水处理设施的建设基本上处于空白状态。
水体受污染的来源：生活污水中大量的无机盐类和有机物，氮、磷化合物，农用杀虫剂、除草剂、化肥等，工业造纸、化学、制药、金属冶炼和加工、食品、纺织等。这些污染源不仅向环境中排放大量的重金属、耗氧类有机物、难以降解的合成有机物，其中许多污染物已导致了“著名”的污染事件〔9〕；1996年，我国60 %饮用水源的主要污染物为COD[,Mn]、NH[+][,4]－N、酚、洗涤剂、杀虫剂、病原菌微生物〔6〕。随着人们认识的提高，许多污染物的潜在危害性也逐渐清楚：农药（多环芳烃、有机磷、有机氯等）、染料等合成有机物的“致癌、致畸、致突变”的三致危害，地表水中的三氯甲烷的前驱物质——腐殖酸类经给水厂的加氯消毒后也会变成“三致”物质〔12〕，此类物质已经归结为“微污染物”，是给水处理的热点。再者〔9〕， 来自煤的燃烧和汽车尾气排放中大量的硫氧化物、氮氧化物和铅等污染物通过大气以酸雨等形式迁移至水体，将会使湖泊酸化、生物死亡、生态系统瓦解。发电厂的冷却水排入水体造成的热污染也会导致生态平稳的破坏。据资料记载〔13，14〕，给水管网或居民区贮水池的二次污染也是不容忽视的问题，此系统中已检出了许多超标的细菌微生物和有害的金属。更为严重和隐蔽的问题是水体污染沉积物将会成为二次污染源和水处理中微污染物的主要来源；这些沉积物的大量聚集，在污染控制达到一定程度后，它们的处置问题将会突现出来，成为水处理密切相关的问题。在美国，沉积物的污染和处置已经列为亟待解决的难题〔15〕。
在人类即将跨入二十一世纪的历史时刻，严峻的水资源和水污染现状的确令人担忧，中国水问题的解决已是刻不容缓的事情。水资源的可持续利用促成了全新的水工业概念的形成，二十一世纪的水工业即将以其新兴学科——水质科学与工程的旺盛生机去缓解和协调人与自然环境的关系。
二、中国二十一世纪水工业的几个问题
1.给排水工业向水工业研究方向的转变
作为二十一世纪新兴工业，水工业将在原来的给排水工业的基础上进行新的拓展、提高和加深〔7，16，17〕；在水工业研究方面， 依据水的商品化〔18〕的概念建立一种全局的思路，处理好水量与水质的矛盾；从给水水源、工程规划、处理技术与工艺、污水循环回用、排放标准、环境容量等整体考虑〔15〕，保证水资源的可持续发展。
在给排水工程中，以往偏重解决供水水量的不足及污水、雨水的收集与排放，现在向注重水质方面转变——水源水质微污染后的净化；城市污水处理由SS、BOD去除向N、P的去除等方向转化， 并由粗大污染物去除细微溶质的去除转变；在传统的给排水工程中土建设施为主要的工程构筑物，而目前，给排水设施的设备化、集成化、高效化及器材的研制和开发将成为新的研究和发展趋势。给排水工程的运行管理过去是以经验的粗放型为主，现在应转变成集约型管理，其监测分析系统将向自动化在线监测控制等方向转变。未来的水工业将具有较高的技术含量、综合性和集成性。
许多著名的科学家早已开始上述的研究，清华大学教授许保玖先生很早就提出了水的商品化的概念，数年的呼吁，已得到许多有识之士的认同。中国工程院院士钱易、汤鸿霄、李圭白以及许多科学家在各自的领域对水工业作出了许多贡献。
钱易院士〔19，20〕领导的实验室在城市污水的生物处理方面做了不少的工作，他们在微生物学、反应器流态、氧转移、生物膜的形成、处理流程和技术经济特性等方面进行了详细的研究，提出了许多新的概念和技术，研究和发展了许多新型的生物处理反应器：折流式厌氧生物反应器（ABR）〔21－23〕、内循环三相生物流化床〔20，24－26〕、 膜－生物反应器〔27－29〕。
汤鸿霄院士致力于水体微界面相互作用的研究，在他的领导下，不仅在絮凝这一水处理单元操作的基础研究方面取得了不少成果，而且开发了新型的高效无机高分子絮凝剂〔30〕，并进行了成功的产业化。他提出了高效絮凝集成系统（F—R—D）的全新概念〔31，32〕， 该系统是高效絮凝剂、高效反应器、高经济自动投药的集成，而且它们均基于颗粒微界面的相互作用机理和模式；该高效絮凝集成系统的最终工程体现将是高效絮凝集成反应系统〔31〕；他还卓有成效地进行了沉积物方面的基础研究。
李圭白院士在水处理的自动投药方面进行了前沿性的工作，他的研究组先后开发了流动电流〔33－37〕和透光率脉动〔38，39〕的自动投药控制系统并且在国内许多水厂进行使用；而且他也在新型絮凝剂方面作了许多工作。
上述实例仅仅是水处理的领域中几个研究方向，此外，该领域活跃许多著名的科学家，枚不胜举，他们的前沿研究将推动水工业和水质科学与工程学科的出现和发展。
2.水工业产业和水质科学与工程
随着水工业的出现，有关水工业的定义、范畴和学科设置将逐渐提到议事日程上。水工业研究的主要方面为水的社会循环和“小循环”；它是在传统的给排水行业基础上的进一步发展和深化，以城市及工业为对象，以水质为中心，从事水资源的可持续开发利用，以满足社会经济可持续发展所需求的水量、水质作为生产目标的特殊工业。它是随着水的商品化和产业化而逐步形成和完善的新兴工业，是水的开采、加工、输送、回收及利用的综合产业〔40，41〕。水工业产业不仅包括水工业的主体行业（水源公司、净水公司、管道工程公司、工业用水公司、废水处理公司、消防工程公司、工程监理公司），而且包括高新技术产业（科研院所、设计工程公司、产品开发）〔42〕。随着水工业的出现和发展，研究水工业所含内容的应用科学将成为一门新兴的学科“水质科学与工程”。正如其它学科一样，水质科学与工程也具有自己的基础学科和工程学科，它们是为适应二十一世纪水工业的发展，在原来的给排水工程学科基础上，溶进其它相关的学科，进行相互渗透、相互交叉而形成的新的学科内容。水质科学与工程的基础学科是研究与水工业相关的应用基础理论，其内容应包括：城市水文学、水资源水文学、环境水利学、环境水质学（Enviromental Aqualitalogy〔3〕）、流体力学、工程力学、水处理微生物学、水处理反应器原理、水质公共卫生学、机械学、自动控制原理、计算机图形学、数学物理方程。水质科学与工程的工程学科是研究与水工业有关的工程研究开发、设计施工、设备制造安装、规划管理等方面的内容，主要包括水质与水处理工艺技术（物理、化学水处理技术、生物水处理技术、水处理反应器、水质分析和监测技术）、水工程技术（水源工程、输水工程、给水工程、排水工程、中水工程、管网工程、节水工程、自动化工程）、水工业制造技术（水工业器材制造技术、水工业食品仪表技术、水工业通用及专用设备制造技术、水工业重大装备技术、水工业控制系统、水处理单元设备技术）、水工业社会科学（水工业经济学、水工业规划与管理学、水工业社会学、水工业法学）。〔1，2，7，40，42－44〕
3.水质科学与工程及其相关学科的关系
水质科学与工程主要以水的社会循环为研究对象，研究该循环中水质和水量的运动和变化规律，以及为满足人类社会可持续发展所需的水工业产业的有关科技问题。作为一门新兴的边缘学科，特别在当今学科林立的情况下，水质科学与工程学科必然会和许多种学科有交叉，其中与之关系较为密切的学科有环境水质学、环境工程学、水利工程学、土木工程学等。〔1，3，43－46〕
环境水质学〔3〕是研究水质转化的现代科学与技术， 探索水质转化各种过程的基本规律，兼顾天然水体和水处理工艺的水质问题。很多水处理工艺均可在天然水体中物质的迁移、转化过程中找到缩影，区别在于前者强化了天然水体中的转化过程。环境水质学与水工业学仅存在研究侧重点的不同，环境水质学的主要出发点是环境问题，其本意是研究天然水体的各种自然过程，考虑水体中溶质及不同粒度的颗粒物的迁移转化、生态毒理、水环境的修复和水资源的综合利用等，而水工业则是以水的各种用途为出发点，研究有关水资源问题、处理工艺问题、管网问题及相关的工程技术，其与环境水质学在水处理工艺原理方面交叉，而且随着水污染问题的越来越严重，水质和环境的诸多问题将成为水工业着重考虑的方面，环境水质学应该成为水质科学与工程的基础学科之一。
环境工程学是研究环境治理工程技术的学科，其与水质科学与工程在废水处理工程方面相关。随着人类社会可持续发展战略的提出，清洁生产的概念更新了过去环境工程着眼末端治理的概念，环境工程的内涵大大的提高，使其具有不同行业的烙印，从而上述二学科之间的交叉比重下降。
水利工程学主要以水的自然循环为研究对象，而水质科学与工程主要以水的社会循环和小循环为研究对象，它们是水工程学的两大支柱。二者交叉点甚多，甚至有增加的趋势，譬如水资源的研究、水源工程的研究、目前农业用水的处理问题、水质与水量的研究问题等。
土木工程学是以力学为基础的学科体系，传统的给排水工程是土木工程的一个分支，其工艺过程是以土建构筑物来实现。而现代水工业已发展到以水质为中心，水处理工艺已向设备型和集成高效型发展，技术含量不断提高。尽管水质科学与工程是从土木工程中分离出来，向独立的学科发展，然而在此过渡阶段，现代水工业工艺中仍旧存在着土木工程的影子，而且在设计规范中大部分仍是参考土建构筑的实用参数。
三、我国水工业的可持续发展
水工业发展的主导方向，即从天然水体取水，进行水质处理，然后经由管网输送至各种用途的终端。然而，就中国目前的水资源和污染状况来看，水资源的确是二十一世纪中国亟待解决的重大问题之一，而很多国民并没有完全意识到水资源的严重污染和匮乏、水的商品特性；自然环境已开始对人类进行报复，已威胁至人类的生命线。人类需要重新审视人与环境、人与自然的关系。中国二十一世纪的水工业是水资源利用和保护环境的可持续发展的产物，它是在人与自然环境全新和谐的关系基础上提出来的新兴工业。〔7，11，44，47〕
水犹如阳光、空气一样，保障了生物界的存在和繁荣；当人们沉醉在研究能源替代的成功的喜悦之中，科学直至目前尚未发现可以替代水的物质，大规模人造水的研究依然遥遥无期。令人类感到稍许欣慰的是，水具有可再生的特性，并且水体对于小于自净能力的污染负荷具有一定的净化能力，水环境有自动恢复的功能；然而，当污染负荷大于水体的自净能力时，水环境质量严重恶化，但水的结构并未改变，因此人们可以通过人工的方式来净化污染后的水源，或强化自然净化能力，恢复水环境质量、水资源功能，使之能为人类持续利用〔7〕。
水是一种资源，取之于自然，用之于社会；水工业同石油工业相似，水在生活中的地位至少同石油平齐；然而曾有一个误区，认为水并非是一种商品，从而未能按照商品经济的规律去运作，因而就抑制了给排水工业的发展。在即将到来的二十一世纪，水的商品概念应该成为一种共识，同时也应认识到污水的收集、处理也是一种服务性的商品。在这种全新的思维下，将公益事业型给排水工程转变成产业化的水工业，按照商品经济的规律去运作这一新兴的工业。明确水工业的自然属性、经济属性、社会和法律属性，从而保证水工业的可持续发展。〔7，10，41，48〕
水工业作为一种全新的产业，其工业体系、学科体系、教育体系的研究和探索应该高于给排水工业。水工业体系中除了注重其主体行业的建设，还应加强中国目前较为薄弱的制造业；而高新技术产业，应时刻把握科研的导向，在新的思维下加深拓宽水工业的基础和应用研究，将新颖、独特的概念注入水工业的持续发展之中。一门全新的工业，自然需要一套完整、适用的学科体系、教育体系去支撑，水质科学与工程应体现其博大精深的内涵，而且也应具有宽广的外延，使之在科学的殿堂中具有旺盛的生机，教育是水工业延续的保证，新的教育思维进行各种专业人才培养的同时，应注重复合型人才的培养，科研技术人员不仅要有扎实的理论和工程基础，而且应具有一定经济、管理、法律等方面的知识。〔49，50〕
水工业的产生和发展，是在人类认识发展的前提下，在一种全新的概念的基础上进行一种全新的产业实践。中国二十一世纪的水工业，将人们对环境的重新审视和可持续发展的概念溶入其中，这也是人类面临着严峻的水环境问题时进行的人与自然环境的协调工程。因此，未来的水工业任重道远，需要全体国民的努力和协作方可完成。
〔收稿日期〕1999年12月4日