范瑾初　高乃云　曹達文　孟建平

(同濟大學)

摘　要　從水工業學科組成及分工的角度, 對水基礎科學的概念、學科設置及內容作了初步探討。

　　什么是水基礎科學? 這是一個新的命題。基礎科學研究的是事物的客觀規律和基本原理, 而不以任何特定的實際應用為目的。如果把“水基礎科學”理解為將水的研究納入基礎科學范疇, 那么, 水基礎科學就不討論具體的應用技術或應用目的。但研究水的哪些規律和原理并不明確, 因為水基礎科學這一名詞剛剛提出,在學科分類中目前并無這一學科名稱。筆者從水工業學科組成及其內容分工角度考慮, 將它列入水工業學科體系中基礎理論之一, 但并非水工業學科唯一的基礎理論, 例如工程力學、電子學、材料科學等可以列入水工業學科的基礎理論之內, 但不應包括在水基礎科學之內。水基礎科學是圍繞“水”這個核心而開展的與水工業有關的應用基礎理論的研究。在此強調“與水工業有關”及“應用基礎理論”, 目的是將有關水的基礎理論限定在水工業應用范圍內, 其內容包括原給水排水工程有關基礎理論, 但不是給水排水工程某些基礎理論的簡單綜合。作為一門學科, 研究的內容必須有一個明確的核心, 學科的外延或相互滲透盡管比較模糊,但必須緊緊圍繞這個核心。作為水工業學科體系組成之一的水基礎科學的核心, 簡言之就是水質、水量運動的狀態及其變化規律, 包括天然的和人為的。因此, 水基礎科學主要研究內容是: ①水體循環和運動規律; ②水質及水中物質的轉化、轉移和分離, 可簡稱“二轉一分”。根據以上研究內容, 它所涉及的學科領域很廣, 以下分別予以介紹。

1　水體循環和運動規律

　　水循環包括三種含義： 第一是指各種水體通過蒸發、水汽運輸、降水、地面逕流、地下逕流所形成的水文循環, 這是一種自然循環, 也是一種大循環; 第二是指自然水文循環受到人類社會活動影響而形成的自然與人類活動綜合影響下的水文規律; 第三是指某一特定類活動綜合影響下的水文規律; 第三是指某一特定范圍內(如某一段河流或一個城市或一個工廠) , 完全由人類活動所形成的水的人工“小循環”, 如下圖所示:

　　在第二種含義中, 著重研究自然大循環受人類社會活動影響而發生水文規律的變化, 以及這種變化發生后如何保護和科學地分配水資源(包括工業、農業、航運等)。而第三種含義(小循環) 主要研究一定范圍內水的人工小循環, 著重于自然水體受到人為破壞以及如何通過人工處理使污染的水體恢復自然狀態回歸自然(如圖中線[… ]所示) , 以及工業企業或用水部門內部的廢水再生回用(如圖中線[ ]所示)。當前, 水的小循環遠遠不完善, 從而使水文自然大循環也遭到破壞,若水的人工小循環正常、良好, 水文大循環也就趨于正常、良好。水基礎科學研究的目的, 就是為使遭到人類社會活動影響的水文循環恢復自然循環狀態, 并且力求達到水資源最大限度的再生回用, 提供有關理論基礎。這是社會和經濟可持續發展的基本保證。因此, 水體人工小循環與水工業關系更為密切。水的運動規律是指水在江、河、湖泊、地下及管渠中的流動規律, 是水的宏觀運動規律。它是水基礎科學研究的重要內容之一。
　　綜上所述, 水體循環和水的運動規律與水源開發、保護、評價、管理、水的輸送等緊密相關。在水的人工小循環中, 還涉及水處理學科, 本文第2 部分將另加討論。下面介紹的與水體循環和水的運動相關的學科內容, 主要是指與水基礎科學有關的部分, 或者說水基礎科學中將包括以下學科中部分內容, 但并非該學科全部內容。
　　①　水文學: 是研究地球上水的起源、分布、循環、運動變化及其與地理環境、人類社會活動之間相互關系的科學, 研究的是自然界的水文規律, 直接與水資源有關。
　　②　城市水文學: 研究的是城市地區的水文規律,即在城市經濟發展與其環境容量相適應的條件下, 研究城市環境及水的循環中給水、排水、防洪、排澇與城市環境之間的相互關系。在水工業中, 它直接與城市水污染及供水水源有關。
　　③　水資源水文學: 它是把地球水資源作為一個整體, 研究其在天然狀態下的水文規律受到人類社會活動影響后如何變化, 以及這種變化發生后如何科學地分配水資源和保護水資源。與水工業有關的是在一個大范圍內或流域范圍內如何作水資源量和質的評價以及水源的開發、利用和保護。
　　④　環境水利學: 它是環境科學與水利科學的交叉和相互滲透, 與水資源水文學也密切相關。但與水工業有關而與水資源水文學有所區別的, 主要是研究流域環境水利規劃、水利工程設施對水源的影響(包括水質、水量)。
　　⑤　水力學: 研究的是水的宏觀運動規律, 包括地下水運動規律。水力學是水基礎科學中屬于力學的一個部分, 也是水工程學的基礎。

2　水質和水中物質的轉化、轉移和分離

　　水質與水中物質的含量和存在狀態密切相關。水中物質的轉化、轉移和分離, 實際上就是各種水處理方法(包括給水處理和廢水處理) 的基本原理的概括, 在水的人工小循環中起著十分重要作用。在給水和廢水處理中, 水中懸浮物、膠體物、溶解物的去除, 無不借物質轉化、轉移和分離三種作用中的一種、二種或三種綜合作用的結果。轉化是指水中某種物質經過化學、物理化學或生物化學作用轉化成另一種物質, 通常是把有害物質轉化成無害物質, 或溶解性物質轉化成易于去除的固體不溶物。這種例子很多, 例如水處理中的化學沉淀、生物氧化、酸與堿中和、混凝等, 不一一列舉。轉移是指水中某種溶解物質由水溶液中轉移到某固相表面, 例如離子交換、活性炭吸附等。水中物質的轉移一般都是物理化學作用的結果。物質分離是水處理的最終目的, 廣義而言, 上述轉化和轉移往往都已達到水中物質分離作用, 但在水工業學科中純物理分離現象較多, 例如顆粒沉淀、機械篩濾等均是物理作用。膜過濾有的是純物理作用, 有的是物理化學作用。因此, 將分離過程單獨列出, 以區別于物質的轉化和轉移。
　　在水基礎科學中, 水中物質的“二轉一分”是作為水處理的學科基礎, 不討論具體的處理工藝、技術和設備, 這就與水工業學科中另一組成部分——“水處理與應用技術”的內容區分開, 但二者相互聯系是無疑的。
　　由上可知, 水中物質的轉化、轉移和分離, 主要與水化學、水微生物學、生物化學、化學反應工程等學科有關。此外, 評價水質也與水化學、水微生物學及水質醫學有關。
　　①　水化學: 指與水質和水質處理有關的化學, 含義較廣泛, 在學科分類中目前還沒有這門學科。因為在水基礎科學中涉及化學較多, 故在此將有關化學基礎理論綜合為水化學, 構成水基礎科學的一個部分。水化學主要包括有機化學、物理化學、高分子化學、分析化學等有關內容。水質檢驗, 水中物質的轉化、轉移及分離, 絕大部分與水化學有關, 湯鴻霄編著的《用水廢水化學》內容可作為水化學的借鑒。此外, 水污染化學也可列入水化學之內, 它研究的是在水環境中污染物的來源、性質及其化學變化規律, 是環境化學的分支, 它為水質評價、水環境容量及水污染綜合防治提供科學依據。
　　②　水微生物學: 在一般性地研究微生物形成、生理特性的基礎上, 著重研究它與水的衛生及水質處理有關問題, 是水的衛生檢驗和水的生物處理的基礎, 或者說也是與水工業有關的生物化學工程的基礎。
　　③　化學反應工程: 它是化學工程學科的一個重要分支。在水工業中反應器理論可用于水處理設備的研究, 甚至一段河流自凈過程也可用反應器理論進行研究, 因此可作為水質處理的理論基礎之一。它涉及化學動力學、傳質、傳熱及流體力學等基礎理論。
　　④　水質醫學: 在學科分類中目前尚無水質醫學的學科名稱, 但可從環境醫學中分出與水質有關的醫學內容。主要研究水中化學污染物(或天然存在的有毒有害物質) 對人體健康的影響, 以及水中某些礦物元素與人體健康的關系。
　　以上列舉的相關學科, 只是與水基礎科學關系密切的幾門學科, 即以上幾門學科的有關內容將與水基礎科學相互交叉和滲透。至于與整個水工業學科體系相關的學科, 如環境工程、市政工程、水利工程等, 不屬本課題研究范圍。