（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，100038，北京）

水生态文明建设的理论基础及若干关键问题

王浩

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，100038，北京）

水生态文明是生态文明建设的重要基础和组成，其核心遵循“自然-社会”二元多过程的演变规律，规范人类水土资源开发活动，构建安全可靠的防洪抗旱体系、高效集约的供用水体系、健康优美的水生态体系、先进特色的水文化体系和科学严格的水管理体系等五大体系。为支撑水生态文明建设，需要深入“自然-人工”二元水循环多过程演变机理、流域综合服务功能建设、智能水网与智慧水务建设等关键问题研究。

水生态文明；建设体系；分区建设重点；关键科技问题

人类在经历了渔猎文明、游牧文明、农业文明后，已进入工业和城市文明阶段。随着人类活动影响的深入，天然生态空间被挤占，生态与环境演变也由自然营力的一元驱动转变为自然和人为营力的双重驱动，演变规律也被扰动。尤其是进入农业文明以来，以满足经济社会发展需求为关键目标的水土资源开发活动，诱发了系列生态与环境问题，危及人类社会的可持续发展。遵循自然演变规律，规范人类活动，开展生态文明建设，是人类文明发展的必然选择和整体趋势。

水是地球表层系统中最为活跃的因子，水循环过程与水生态过程、水环境过程和水沙过程之间有着多向的反馈作用，水循环过程是主过程，其他过程是伴生过程，整体构成了水循环多过程。人类文明的发展史，也是一部人类适水、用水和治水史；水循环多过程已由从“自然”一元驱动过渡到“自然-人工”二元驱动。随着自然和社会经济之间竞争性用水和用地矛盾日渐加剧，以及气候变化影响的深入，人类面临着深刻、复杂的水问题，我国水问题尤为严峻。在生态文明建设总体框架下，系统深入开展水生态文明建设，是治水战略发展的必由之路。

我国以水生态文明城市建设为重要抓手，已在全国层面适时开展了深入的水生态文明建设工作，对遏制生态退化和环境污染、提高水的生态环境与社会经济服务功能、规避干旱与洪涝灾害风险，取得了良好的作用。需要指出的是，我国水生态文明建设尚处于起步发展阶段，理论和技术支撑尚待进一步完善，建设路径也有较大优化空间。本文将重点探讨水生态文明建设的理论基础、建设目标与基本建设体系，并对若干关键科技问题进行分析，以期为水生态文明建设和研究提供参考。

一、水生态文明建设的理论基础

1.“自然-人工”二元水循环理论在没有人类之前，陆地水循环过程以降水-蒸散发-产流-汇流等天然水循环过程为主；随着人类活动影响的深入，取水-输水-用水-耗水-排水等社会水循环过程的通量和强度日渐增强，并与天然水循环过程相耦合，水循环过程过渡到“自然-社会”二元水循环模式；与此同时，人类活动尤其是土地资源开发活动，使得天然水循环的下垫面条件发生了深刻变化，以增温为背景的全球气候变化还导致水循环的大气过程发生变化；整体使得水循环的非一致性和非稳态特性变化。需要指出的是，水是生态系统中最为关键的非生物成分，水循环是生态演变的关键驱动因素；同时，生态演变尤其是植被变化，导致蒸散发和产汇流过程发生变化，水循环过程与水生态过程之间具有互馈作用。伴随着天然水循环的变化，自然环境中的物质发生迁移转化；伴随着社会水循环，污染物得以产生和输移，水环境及泥沙运动过程整体随着“自然-人工”二元水循环的变化而变化。天然水循环过程、社会水循环过程、水环境过程、水生态过程和水沙过程之间存在着多向的反馈作用，整体构成了“自然-人工”二元水循环多过程。

流域或区域的水问题，不论程度和表现形式如何，其本质都是“自然-人工”水循环多过程的要素过程及环节发生了失衡。水生态文明建设，需要充分遵循“自然-人工”二元水循环多过程的演变规律。

2.水土资源高效利用理论

自然和经济社会系统之间竞争性用水和用地矛盾，以及生态需水和生态用地被挤占，是水问题的关键成因。提高水土资源的利用效率和效益、缓解竞争性用水和用地矛盾，是从根本上解决水问题、进行水生态文明建设部署的关键。

水土资源高效利用的基本目标是充分发挥水土资源的生态环境服务功能和社会经济价值，全面提高区域水土资源的承载能力。同时，以水土资源的综合承载能力为依据，进行社会经济的优化布局、引导产业的升级调整。对于水资源的高效利用，关键对象是城市和灌区这两大高强度的社会水循环单元，并需要以社会水循环过程为主线，从产业、用户、工艺过程等多层面提高水资源的利用效率与效益，降低社会水循环对天然水循环的影响，增强区域水循环的自然属性。对于土地资源的高效利用而言，在宏观层面要做好生态、生产和生活空间的优化，实现生态空间的健康稳定、生产空间的集约高效、生活空间的适度宜居，通过对生产空间和生活空间的严格管控，减缓对生态空间的挤占和扰动。需要指出的是，在传统的水资源和土地资源配置中，以承载能力为纽带，互为约束，未能充分体现水资源与土地资源的互馈作用。在水生态文明建设中，需要识别水资源与土地资源的互馈机理，进行机制紧密的水土资源联合配置和综合承载能力的核算，并通过互动管控，实现高效利用目标。与此同时，水土资源的高效利用，还将大幅度降低污染物产生量和入河量，提升水环境质量。

3.双向协同调控理论

水资源与经济社会系统是一个复杂的协同系统，所谓的系统协同就是要一方面保证水资源系统的可持续利用和水生态系统的平衡，另一方面保障经济社会系统稳定快速发展，满足区域发展与国家整体经济战略需求。所谓的水资源与经济社会协同，是一个“二元三级”的全面协同。“二元”是指由水资源系统与交互系统中的人工供水系统组成的供给方，和由经济社会系统与交互系统中的人工废污水处理系统组成的需求方。“三级”是指宏观、中观、微观三个层面。供给方调控：宏观层进行水资源可利用总量控制，确定总体利用规模，中观层面实施水资源合理配置，实现不同水源与不同用户的匹配，微观层面加大非常规水利用，在确定范围内实现资源的最大化利用。需求方调控：宏观层面是产业经济规模总量的控制，中观层面是结构上的优化与布局上的调整，以适应水资源和供水的条件与过程，微观层面是实施用水过程管理控制，开展节水与减污。双向协同调控理论为水生态文明建设提供了实施路径方面的指导。

二、水生态文明建设总体思路和基本框架

1.总体建设思路

水生态文明建设的总体思路是，充分遵循“自然-人工”二元水循环演变规律，规范人类的水土资源开发活动，既要为经济社会发展规避水灾，并为水资源提供安全保障，又要实现山青、水净、河畅、湖美、岸绿的水生态修复与保护目标。将人作为生态系统的要素，体现价值观、制度、生产消费模式的转变和水生态环境保护水平与质量的提升。

核心任务是构建健康的自然-社会水循环系统，基本要求是包括以下四个方面：①社会水循环利用不影响河湖水域的水体功能；②水的社会循环不损害自然水循环的客观规律；③社会物质循环中不切断、不损害植物营养素的自然循环，不产生营养素物质的流失，不积累于自然水系而损害水生态；④维系或恢复全流域的良好水环境。

2.基本建设框架

水生态文明建设的基本框架包括自然文明、用水文明、管理文明和意识文明等四个方面。自然文明重点是维持物理、环境和生物完整性，其中，物理完整性主要包括补给水量稳定性、水域与水体形态完整性、动力学过程完整性等；环境完整性主要体现在水功能区达标、水生生物水质得到满足、水体污染风险低等方面；生物完整性主要包括生物多样性维持、特有水生物种得到有效保护、栖息环境完整性得以保证。用水文明主要是供水保障、节水防污和水灾害防治等。管理文明主要体现在制度条文、管理设施和体制队伍等方面，其中，制度条文包括法律法规、政策规章与办法、技术文件与方案等；管理设施主要包括监测设施、计量设施和信息化平台等；体制队伍主要包括管理体制、队伍能力和运行机制等。意识文明主要包括价值理念、公众意识和水文化，其中，价值理念包括水生态伦理、水价值观念和外部性观念等；公众意识重点是认知水平提升和意识增强；水文化主要包括历史水文化传承、特色水文化保存、现代水文化创新。在上述框架下，建设五大体系，分别为安全可靠的防洪抗旱体系、高效集约的供用水体系、健康优美的水生态体系、先进特色的水文化体系和科学严格的水管理体系。

三、水生态文明建设若干关键科技问题

水生态文明建设属复杂系统工程，科技创新的方向与重点主要包括：基础认知理论、监测与动态评估、工程技术、过程管理与调控、政策分析与制定和建设模式与技术标准等，重点需要解决以下三大科技问题。

1.“自然-人工”二元水循环多过程耦合机理

“自然-人工”二元水循环多过程耦合机理，是水生态文明建设路径和具体方案制定的关键依据。需要以控制实验、原型观测、数值模拟和地理信息技术为关键支撑，深入研究以下五方面问题：一是社会水循环对自然水循环过程的作用机制，明晰社会水循环与自然水循环的耦合模式，存量和通量过程变化及配比机制。二是水循环过程与伴生过程间多向反馈作用机制，以及动态耦合调控机制等。三是基于水循环全过程的水资源量-质-效转化机理。从局部或整体角度，科学区分水资源的有效与无效、高效与低效、生态效用与经济效用，并对其进行统一度量；明确用水从低效向高效的转化路径。四是要刻画水循环多过程多时空尺度的耦合机理。五是需要系统研发时空展布和动力降尺度等技术，以解决“自然-人工”二元水循环尺度匹配问题。

2.流域水循环多过程调节功能建设

以清洁流域和生态流域建设为代表的传统流域治理，强调的是水质和生态改善。在水生态文明建设中，需要全面提高流域对水循环多过程的调节能力。对植被、天然水体、土壤、地下水含水层等地理要素和水利工程等基础设施对水文水动力、水化学、水沙过程等调节性能和潜力进行评价，并就满足健康水循环构建的多过程调节需求进行评价；充分挖掘和发挥天然系统对水循环的调节作用，对流域各类地理要素及基础设施的调节功能进行定位，对其调节能力进行配置，明确流域不同地理要素及基础设施应发挥的调节能力；规范人类水土资源开发活动，减少对自然水循环的扰动；系统布局地表灰色基础设施（水库、堤防、渠系、泵站、水井等）与绿色基础设施（林草地、湿地等），建设土壤水库和地下水水库；融合现代信息技术的新进展，实现地表-土壤-地下多过程、水量-水质-泥沙-水生态的联合调控。

3.智能水网与智慧水务建设

为支撑水生态文明的顺利建设，需要融合现代信息技术的新进展，开展智能水网与智慧水务建设。智能水网是以“自然-社会”二元物理水网体系为依托，引入多维智能化现代信息技术，实现水循环调控和水资源管理能力优化的先进管理理念和综合性水利管理平台，由物理网、信息网和调度网构成。对于物理网的构建，需要发展新一代的工程规划设计、安全经济建设、新材料新工艺、安全监测等技术；对于信息网构建，需要深入开展站网布局与优化、信息采集与获取、信息稳定传输以及信息存储与挖掘等技术研究；对于调度网的建设，需要进一步发展调度方案制定、工程自动控制、水力控制和实施滚动修正等技术的研发。智慧水务是对传统水务管理的一项突破，其思想是通过物联网、互联网、云计算、大数据等先进信息技术与水利管理高度融合，核心是“自然-社会”二元水循环理论与模拟技术。智慧水务是主动的服务，是共享的服务，是快速及时的服务，是成体系的服务，要体现其以最终用户为核心的思想。

四、结 语

生态文明是人类文明发展的一个崭新阶段，是人、自然（水、土、气、生态等）、社会和谐发展而取得的物质与精神成果的总和。水生态文明重点关注“人-水-生态”的相互关系与协同进化。建设生态文明不是回到原始状态，而是在新的发展阶段塑造健康、和谐、高效的“新的生态平衡”。城市水生态文明是生态文明的 “集中闪光点”，也是生态文明建设的重点和难点。 ■

（本文在写作过程中，得到了中国水利水电科学研究院严登华教授、李海红教授和王丽珍博士的帮助，在此致以谢忱！）

[1]水利部.关于加快推进水生态文明建设工作的意见[S].2013.

[2]陈明忠.关于水生态文明建设的若干思考[J].中国水利，2013（15）.

[3]陈进.水生态文明建设的方法与途径探讨[J].中国水利，2013（4）.

[4]唐克旺.水生态文明的内涵及评价体系探讨[J].水资源保护，2013（4）.

[5]王建华，胡鹏.水生态文明评价指标体系研究[J].中国水利，2013（15）.

[6]张建云，王小军.关于水生态文明建设的认识和思考[J].中国水利，2014（7）.

[7]詹卫华，汪升华，李玮，等.水生态文明建设“五位一体”及路径探讨[J].中国水利，2013（9）.

责任编辑张金慧

Theoretical basis and key problems of water ecological civilization construction

Wang Hao

Water ecological civilization is an important foundation and composition of ecological civilization construction. Its core follows the “nature-society”dual and multi-process evolution rules,regulates development activity water and soil resources of human being.It includes the construction of the five major systems including safe and reliable flood control and drought relief system,intensive water supply system,health and beautiful water ecological system,advanced and featured water culture system and scientific and strict water management system.In order to support the construction of water ecological civilization,it is necessary to carry out in-depth study of “natural-artificial”dualistic water cycle multi-process evolution mechanism,integrated drainage basin service function construction,intelligent water network and intelligent water construction as the key issues.

waterecologicalcivilization；constructionsystem；keypointsofregionalizedconstruction；keytechnologyissues

TV+X171.4

：A

：1000-1123（2016）19-0005-03

2016-09-30

王浩，教授级高级工程师，中国工程院院士，主要从事水文水资源研究。

国家重点研发计划课题“国家水资源协同配置模型与方案研究（2016YFC0401306）”。