李平
（天津市地质矿产勘察局，天津，300191）
摘要 随着科学技术的发展，人们对水资源的认识在不断地发生着变革，水资源理论研究从简单转向复杂，研究方法由物理模拟转为数值模拟，研究手段也由低级转向高级，水资源生产实践由资源供给型变为可持续发展型，所有这些变化无不与科学技术革命密切相连。本文在简述现代科技革命特征的基础上，重点论述了现代科技革命对水资源研究的影响，特别是可持续发展理论对水资源研究的影响，指出随着现代科技革命的发展，水资源研究将向更广阔、更深入、更完善的目标迈进。
关键词 科技进步 水资源研究 可持续发展
1 现代科技革命的特征
现代科学革命和技术革命开始于19世纪末和20世纪初的物理学革命。在短短百年的时间里，其发展及影响的深度和广度都是前所未有的。此间的每一个重大的技术进步都以科学进步为先导，20世纪50年代以来，现代科学革命与技术革命合二为一，汇合为统一的“现代科学技术革命”过程，形成了科学—技术—生产一体化的有机综合体，出现了科学的技术化和技术的科学化的发展趋势[1]。这是前所未有的，也是当今历史时代的特有现象。其中，自然科学革命仍起领先作用，引发技术和生产的变革，而技术—产业革命成果又反过来变成现代科学的物质基础和强大手段，促进和加速着科学革命的进程。
科学革命的含义是指人类对客观自然规律的认识上的飞跃，科学革命在一定意义上是思维方式的变革，使人们认识世界的能力发生了重大变化。狭义的科学革命指自然科学的革命。而从广义上理解科学革命，还包括了人类认识社会规律的飞跃。科学革命的实质是科学事实、科学观念、科学原理所构成的科学理论体系的重大变革[1]。为了研究科学革命，必须揭示科学革命的内在形式、外在特征和科学革命产生的机制。科学革命的内在形式的变革是指旧的科学体系结构在整体上的全面扬弃和新的科学体系结构的建成。其外部特征则表现为技术革命的理论基础和先导及其巨大的、多方面的社会效应。内在形式与外在特征共同构成了衡量科学革命是否发生的重要依据。科学革命的发生依赖于两条重要的机制，一是社会诸因素的综合影响，如社会生产的需要、技术发明的启迪等；另一是科学自身的矛盾运动，如科学理论与科学实践的矛盾等。
技术革命是技术领域带有根本性的、具有广泛影响的巨大变革。是以某种技术为先导和以主导技术为核心的整个技术体系的变革。反映整个时代的一种规范和创新方式的变化，是新技术原理的物化[2]。真正意义上的技术革命是近代和现代社会发展的产物，由此可建立判断技术革命的标志为：①技术原理、技术原则、技术手段等方面的重大发明；②引起技术体系的变革并对技术的新发展产生深远的影响，在技术发展史上成为划时代的事件和标志；③一旦这种重大进步进入生产过程，则大大地促进生产力的发展，进而引起新的产业革命。技术革命的本质在于技术体系的变革，即旧体系的扬弃和新体系的创建。
2 现代科技革命对水资源研究的影响
水资源学是研究水资源运动规律、优化配置以及与水资源开发利用有关的政治、经济、社会和环境问题的科学。水是重要的自然资源，是人类赖以生存和社会发展的必要资源。水资源的开发利用也经历了由低级向高级发展的过程，随着人类社会的进步和经济的发展，人类对水资源的使用量和需要量越来越大，水资源短缺已成为世界性的问题[3]，早在1977年联合国就向全世界发出警告“水不久将成为继石油危机之后另一个更为严重的全球性危机。”据统计，全世界约有一百多个国家缺水，其中严重缺水的有40多个。我国缺水城市有300多个，严重缺水也有50多个，特别是以地下水为主要供水水源的北方城市，水资源供求矛盾更为突出，大部分大中城市为缺水或严重缺水城市[4]。水资源短缺已成为制约人类社会进步和经济发展的重要因素。由争夺水资源引起的地区间争端甚至国家间的战争也不乏其例。而由于大量地、掠夺性地或不合理地开采和使用水资源而产生的问题则更为日益突出，主要表现为：①大量排放生活污水和工业废水造成地表水和地下水的严重污染；②过量开采使地下水资源逐渐枯竭，地下水位逐年下降，单井出水量减小，供水成本增加；③地下水位持续下降产生地面沉降、塌陷、地裂缝等环境工程地质问题[4]；④过量引用地表水和开采地下水引起生态环境破坏，如大量引用地表水灌溉引起土壤次生盐渍化，地下水位下降产生植被死亡、草原荒漠化等。鉴于水资源的重要性以及开发利用中存在诸多的问题，国内外对水资源的研究日益受到重视。
起初人们对水资源的研究仅仅局限于对水资源的开发利用，研究水资源的时空分布规律和运动规律，即着重于水资源自然属性的研究。随着人类的进步和社会的发展，特别是现代科技革命，使人们对水资源的研究产生了一个质的飞跃。
首先，现代系统科学的革命（主要以系统论、控制论、信息论的创立为标志），使人们对水资源系统的认识和解决水资源问题的思维方法有了根本的改变。认识到水资源系统是一个复杂的自然—人工复合系统，水作为人类赖以生存和发展的最基本的必须资源，涉及到人类社会、经济、环境的各个方面。对水资源的不合理开发和使用，就会产生上述问题，因此，水资源的开发利用要综合考虑与水资源有关的诸因素，优选出最佳水资源开发利用方案。由科学革命而产生的系统工程学使得人们从系统的观点研究水资源成为可能，这两个学科的相互交叉和渗透形成了一门新的学科—水资源系统工程。
此外，新技术革命为水资源研究提供了有效的研究手段和方法。空间技术的应用，特别是遥感技术应用于水资源研究，提高了水资源研究的精度和效率。微电子技术革命，尤其是计算机技术的应用和普及，使现代水资源研究更趋于实用。这一点主要体现在：①电子计算机为计算大型复杂的水资源问题提供了计算工具（如计算大型线性方程组、运筹学问题等，计算机是必须工具）；②以计算机为工具的地理信息管理系统应用于水资源研究，可真正做到对水资源系统的实时控制和优化管理。
现代科技革命所带来的新观念和新思想也影响着水资源研究。人们终于认识到地球上的水资源绝不是取之不尽、用之不绝的[5]，社会、经济可持续发展，资源可持续利用，是当今世界的重大研究课题。这是现代科技革命的结果，是人类面对自己所提出的挑战。受这种思想和观念的影响，20世纪90年代以来水资源研究的重点和进展主要体现在以下三方面：
2.1 发展的原则
产业革命以来，人类活动对自然的两重性愈加明显，随着人口问题、资源问题、环境问题——即全球问题的提出，可持续发展成为我国，也成为全世界21世纪发展经济的主题。
挪威前首相布伦特兰夫人1987年首次提出“可持续发展”的概念，1992年，在巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展大会，采纳了布伦特兰夫人的这个概念，同时通过了全球《21世纪议程》的框架性文件，其中第18章命名为“保护淡水资源的质量和供应：水资源开发、管理和利用的综合方法”[6]，表明了国际关注的热点由单纯重视环境保护问题转移到环境与发展的主题。各国已普遍认识到：环境的保护与治理只有放在包括发展在内的更大范围内，才能最终解决。在1992年的环发大会上，原中国总理李鹏代表中国政府做出庄严承诺：中国将认真履行国际义务。两年后的1994年7月，《中国21世纪议程》[7]和《中国21世纪议程优先项目计划》率先发布。
布氏定义的可持续发展定义有两个不可分割的基本点：在经济、社会方面，满足当代人的社会福利基本需求；在自然方面，确保人类赖以生存的生态资源系统，以满足未来几代人的社会福利基本需求。因此布氏的定义有以下内涵：公平性原则，是指需求的满足不能限于一部分人，要使我们整代人和下几代人的需求得到满足。持续性原则，其核心是人类的经济、社会发展不能超越资源与环境的承载能力。共同性原则，指明了各国可持续发展道路的个性与共性的相互关系。在共同性原则之下，既要尊重所有各方的利益和国家主权，又要履行保护全球环境的国际协议。可持续发展理论，导致了人类业已习惯的发展观、资源观、价值观、伦理观、科学观、自然观、社会观发生深刻的变革。它主张对延续至今的不可持续的传统生产方式、消费方式以及与之相应的思维方式实行革命性变革，建立起一个可持续的生产方式、消费模式和思维方式。它作为人类社会发展的理念，必须把消除人类的绝对贫困同全球环境治理有机地结合起来，创建一个可持续发展的社会[8]。
可持续发展是经济、社会、资源和环境保护的协调发展。既达到发展经济的目的，又要保护好人类赖以生存的大气、淡水、海洋、土地和森林等自然资源和环境，使人类的后代能够永续发展和安居乐业。它的核心是充分合理利用自然资源。走可持续发展之路，是中国和其他国家在未来发展的自身需要和必然选择。其含义是在水资源开发和保护环境之间，作到既满足当代人的需要又不损害后代人满足需要的能力的发展，不是采用牺牲其一的方法，即传统的、或目前世界范围内许多地区仍在采用的，以牺牲环境效益来保证水资源供求的做法，或者说以掠夺子孙后代享用地球自然资源和环境权利的做法。而是要寻找一个新的平衡，即“未来的繁荣取决于人类活动与大自然自身更新能力之间的平衡”。环境恶化不再被视为经济快速增长不可避免的代价，而是被当作中期或远期经济持续发展的限制或约束。持续发展的概念在于强调应首先查明资源潜力或承受能力，而不是利用后期规划来降低（弥补）不良影响。这就要求要将水资源合理开发利用提高到人口、经济、资源和环境共同协调发展的高度来认识。可见“可持续发展”的思想将推进水资源的开发和管理，并由此构成未来水资源管理的新理论。上述水资源开发利用中出现的问题，既有自然因素又有人为因素的影响，但都从各个方面强烈地揭示了水资源管理的迫切性和必要性。
我国是发展中国家，人口增长，经济发展，特别是工业化、城市化对水的需求将会快速增长，对水量、水质提出了更高的要求；我国水资源的开发利用仍受到经济水平的制约，特别是在水资源可利用量有限的情况下，经济发展将受制于水资源的条件；我国目前缺水形势不仅十分严峻，而且未来的供水能力并不能与经济增长同步增加；我国水源污染已经直接影响到国民饮用水的安全供应和国民的身心健康，并人为加剧了水资源的短缺。因此，在未来相当长的时期内，我们必须高度重视水资源短缺的现实。
以上状况表明，我国经济社会发展走可持续发展的道路，必须重视水资源的可持续利用。以建设节水高效的现代灌溉农业和现代旱地农业为目标的农业用水战略，采取全方位的保护水资源和节约用水措施，才能保障经济社会的可持续发展。这是解决我国水危机，加强我们生存和繁荣基础的唯一出路。可持续发展的关键在水，水资源的高效和永续利用的关键取决于水资源的合理规划、开发、利用、优化配置和科学保护及节约用水，科学保护和节约用水必须依靠现代的科学技术。可持续发展战略就是要寻求一种新的水资源可持续利用方式。
2.2 管理的原则
水资源—环境—社会经济是一个复杂的自然—人为系统，其时空分布、系统间的相互作用关系相当复杂，信息量十分庞大，要对如此复杂的系统进行管理，必须要运用现代化管理的理论和手段。即运用系统科学、运筹学、模糊数学、行为科学、预测科学和决策学等理论，充分利用先进的管理手段，包括法律的、心理的、思想教育的、信息处理的手段，特别是通过地理信息系统（GIS）建立水资源管理信息系统的运用，来实现和指导水资源科学管理。
水资源综合管理是水资源持续发展利用的手段，是社会经济发展的一个重要组成部分。其基本观点是水资源管理者通过协调供需关系，指导可持续的社会经济发展。包括了水资源从获取、存储、供给、回收、再生等环节和过程，水资源管理的任务是进行水资源的协调、规划、调配、工程市场管理和规范、监测、保护等[1]，即包括水循环的全过程，使水资源规划从“供水定向”变为“管水定向”，管水包括需水管理和供水管理。也就是说，在供需平衡中，不再把水的需求量视为必须供给的量，而是受市场调节和资源总量的共同约束。水资源科学管理的目的是实现水资源的可持续利用。
在水资源联合调度管理中，突出了地下水再生能力的可变性与可持续利用之间的协调性，将利用地下含水层空间调蓄水资源作为解决水资源短缺、实施水资源综合管理的重要途径，地下水人工补给由过去强调工程转向利用自然条件（如河道）进行回补的含水系统补给的管理研究[9,10]。
更加重视水质综合管理研究[11]，强调开展非点源污染研究、陆地生态系统和水生生态系统对污染敏感性和复原力研究，水质健康风险评价等方面的研究。
注重生态用水研究，开展有关生态系统维持一定环境功能的环境用水需求研究，突出区域水资源—生态环境一人类活动之间的可持续协调发展理念。
2.3 经济评价原则
水是一种商品，它具有经济价值，不应作为“免费商品”或“廉价商品”被无计划地过量使用。要重视水资源的经济评价，发挥经济杠杆的调控作用，使经济手段成为合理利用和保护水资源行之有效的途径，特别是在缺水地区，更要坚持以供定需，注意对有限水资源分配时的成本和效益分析。
3 水资源研究的未来展望
3.1 科学技术进步为水资源研究开拓了广阔的前景
水资源管理是一项复杂的系统工程，故所建立的水资源管理模型通常规模较大、结构较复杂，一般为多目标、多阶段、有些还是非线性的。显然，用传统的运筹学方法难以求解，以往常用的做法是，经过一定的简化处理，用线性规划或动态规划求解。但这种处理方法会造成一定的误差，并限制了管理模型的结构和规模。现代运筹学的发展为我们提供了解决更复杂的管理模型的方法和手段。由于各地区的水资源条件、供水、用水情况不同，亟待解决的问题不尽相同，因此所建立管理模型的结构和规模也有所不同，没有统一的模式和求解方法。常用的几种求解管理模型的方法为：①目标规划；②大系统分解和多级最优化方法；③动态规划；④混合整数规划；⑤随机数学规划。
计算机技术的普及和发展，不仅为求解管理模型提供了条件，而且使水资源管理自动化和智能化成为可能。在微机上建立水资源信息系统（其中包括城市水资源数据库、模型库、图形库、预测和决策等系统），为水资源管理提供了现代化手段。水资源管理模型作为模型库的一部分，可迅速从数据库中获取基本数据，从预测和决策系统中得到所需的预测结果，根据水资源条件和用水情况的变化，运行管理模型，随时为决策者提供水资源管理方案。特别是运用3S（地理信息系统、遥感遥测系统、卫星定位系统）建立水资源信息系统，将使水资源数据、图形、接口规范化，有利于地区间、部门间计算机联网和数据及程序的共享。所以说，水资源管理信息系统将成为未来水资源管理必不可少的工具。
3.2 学科的交叉和渗透是新的学科增长点
水资源研究与其他学科相结合形成了一些新的学科，如水资源研究与经济学结合形成水资源经济学，将系统工程应用于水资源研究之中形成水资源系统工程学，与环境科学相结合形成水资源环境学，水文地质学与环境科学交叉形成环境水文地质学等等。新的交叉学科的产生使得水资源研究向更加广泛、深入的方向发展。
3.3 21世纪世界水资源研究发展趋势
随着地下水资源研究范畴的日益扩大，从地下水资源的定义、分类、地下水系统的研究，发展到地下水系统与自然环境系统和社会经济系统相互联系的研究；从概念模型、数学模型，发展到管理模型的研究；从信息系统发展到专家决策系统的研究；从水资源管理发展到水资源保护的研究等等。因此，地下水资源的研究，实际上包括从水资源评价到水资源保护的全过程。围绕水资源战略问题，中国工程院编写了《中国可持续发展水资源战略研究报告》[12]，提出了我国水资源总体战略，即必须以水资源的可持续利用来支持我国社会经济的可持续发展。
21世纪世界水资源研究发展趋势可以概括为以下几个方面：
（1）注重多尺度多学科区域水资源的综合研究，强调地下水形成的区域性或流域性整体的系统研究，强调信息数据化的综合调查与模拟。
（2）加强基本作用过程的研究，特别是各种时间尺度水文循环的研究，强调大气水、地表水、包气带水和地下水之间的系统性研究；更加重视人类活动对地下水形成条件的影响和地下水形成过程的研究，突出浅层地下水再生能力的可变性与可持续利用之间的协调性；更加重视水质综合管理研究，强调开展非点源污染研究、陆地生态系统和水生生态系统对污染敏感性和复原力研究，水质健康风险评价等方面的研究；注重生态用水研究，开展有关生态系统维持一定环境功能的环境用水需求研究，突出区域水资源—生态环境—人类活动之间的可持续协调发展理念。
水资源的研究更加重视应用现代手段、高新技术与数字化、虚拟模拟技术和开发数据信息系统，以促进水资源科学规划与管理水平的提高；这些现代手段包括遥感与空间技术的应用（如全球定位系统、遥感、地理信息系统），计算机模拟预测技术，核技术等。在应用中强调理论模式和数值模拟研究，即在继承传统研究方法的基础上，不断开展新技术、新方法的研究和应用。
水资源信息化是目前乃至今后很长一段时间水资源工作者的主要任务之一，水资源信息系统是水资源信息化的主要工具和表示方式。目前流域水资源信息系统已成为国内外研究的热点。如荷兰应用科学研究员开发的REGIS，美国Stanford University开发的Basin均是比较先进的水资源GIS。但这类GIS与地下水模型的整合尚有欠缺，从而限制了其实际应用。
地下水地理信息系统与区域地下水模型整合，可使信息系统的功能更为强大。除了可进行一般GIS的资料储存、查询、可视化等功能外，还可利用模型预测各种地下水开发利用条件下的地下水变化趋势，并可视化显示，为地下水资源管理提供决策依据。此外，地下水模型可从信息系统数据库中读取最新数据，不断修正模型的参数和水文地质条件，从而使模型的精度不断提高，对水文地质条件的认识不断加深。
4 结语
围绕人口、资源、环境、发展的主题，现代科技革命对水资源研究产生了巨大和深远的影响，推动了水资源研究向更加宏观和更加微观的方向发展，人类对水资源需求的迫切性和现代科学和技术革命成果的应用使水资源研究充满生命力。随着科学技术水平的提高，将会使水资源研究的理论、方法、手段更加深入和实用，并逐步趋于完善。
参考文献
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