水资源系统“易”理论的原型

第三章　水资源系统“易”理论的原型

第一节　理论原型解析

经过结合专业背景和对国内外既有相关理论长期的研读、思考与归纳等前期研究后，筛选出了以下八种理论作为构建水资源“易”理论的原型。

一、“易学”哲学思想

(1)易学的起源与发展

“易者，日月也，日月为易，刚柔相当”，陈则震在《周易浅述》中将其解释为“一曰交易，阴阳寒暑，上下四方之对待也;二曰变易，春夏秋冬循环往来是也。”“易”可解释为相互作用，交替演化。

《周易》起源于河图和洛书(图3-1)。相传，在远古时代，黄河出现背上画有图形的龙马，即为河图;洛水(即现在的洛河)则出现背上刻有文字的灵龟，即为洛书，伏羲据此推演出了先天八卦;殷商末年，周文王被囚禁时，根据先天八卦演绎得出后天八卦，即文王八卦;之后推演出六十四卦(图3-2)，并作卦辞和爻辞;春秋时期，孔子著有《易传》，对《易经》进行了解释。

图3-1　河图与洛书

图3-2　由八卦图推演出六十四卦方圆图

《周礼》云，“太卜掌三易之法，一曰《连山》(相传为炎帝演绎);二曰《归藏》(相传为黄帝演绎);三曰《周易》(相传为周文王姬发演绎)，其经卦皆八，其别皆六十有四。”因前两者已失传，目前所看到的易经，主要是《周易》。至此，《周易》也有“人更三圣(伏羲、文王、孔子)，世历三古(上古、中古、下古)”之说(图3-3)。

图3-3　周易的起源与发展图谱

《周易》包括《经》和《传》两部分，《经》分为《上经》和《下经》共六十四卦，分别由乾、坎、艮、震、巽、离、坤、兑演绎而来。《经》的部分包括筮、势两大项。势有八卦、六十四卦的卦画和卦爻辞。筮、封、辞中蕴含有深刻的哲学内容，筮与势是为卜筮准备的;《传》一共七种十篇，是对《经》内容的解说。在四书五经中，《易经》的地位可称得上是“群经之首、万书之源”。

历代中国学者对《周易》的研究可大致分为两派，发起于汉代的象数派;开山于魏、晋朝的理义派。象数派是以取象(即取八卦所象征的各种物象)来阐述卦辞和爻辞，如“乾”取象为天，“坤”取象为地;义派是以卦意来解释卦辞及爻辞的，如对坎卦，不取水象而取“陷”义、“险”义，以一阳陷二阴之中;乾卦不取天象，而取“健”义、“刚”义;坤卦不取地而取“柔”。两派各有特色，对《周易》的研究皆具有积极的意义。这其中，尤以汉、宋、清三代为代表，传承、弘扬并推动了“易学”在中国乃至世界的传播。

(2)易学的精髓

1)一阴一阳之谓道

阴、阳体现了易学哲学的总体的辩证思想，也是我国古代哲学的重要思想来源之一。朱熹认为，阴阳者乃道也，循环者乃道也，一阴一阳循环往复，宇宙万物永恒不息生生变化。即，无论是自然界还是人类社会，均存在相互对立统一、相互作用影响的两种事物和力量，其不断运动、相互之间不断变化和演替。

2)生生之谓易

“易”即是“生”，“生生”则是一个连续不断、永不停息的运动过程。自然界本身以不断的自我变化和衍生为基本的存在方式。《周易》具有本体意义的范畴是太极。张岱年先生也说过“太极是天地未分的原始统一体”。自然界本身的变化中有一种有序化，即为“秩”，这种有序化包含着事物发展演化的目的。自然界这种生生不息的运动形式和有序化的构成方式即是自然界的本来面目。

3)通变致久

《系辞》曰:“《易》之为书也，不可远，道也屡迁，变动不居，周流六虚，上下无常，刚柔相易，不可为典要，唯变所适。”即是说，事物的常与变是相互而并存的。《易经》就这种“变动不居”的情形，归纳为“恒常通久”的不变法则，进而推出“唯变适从”的可变规律。

4)时与中

《易经》认为，事物若要日臻完善，其运动就必须在恰当的位置、恰当的时间、恰当的限度，否则物极必反。也即，“适时”与“适度”是至关重要的。在自然界的运动和人类社会的发展进程中，就要求遵循“时行时止”，正中运行，产生协同效应，达到协调、和谐的效果为有利。自然界是阴阳调谐，刚柔和顺，一切全无窒碍。推及人事，是关系顺逆，行为合宜，再不见抵牾。

(3)“易学”与现代文明

易学的思想不仅体现在哲学方面，与现代的数学、化学、生物学、天文学、地理学、医学、建筑学、物理学、遗传学、社会学、管理学等等都有广泛地联系。“易学”中的辩证统一思想和“天人合一”的宇宙思维模式对处理自然与人之间的关系有重要的导引作用。其充分注重以整体观、系统观、运动观认识世界和把握自然与社会演化的规律，将自然环境与人类社会视为一个相互感应与有机融合的不断运动变化的统一体，对当代科学发展观思想的延伸也有重要的现实意义。总之，“易学”当之无愧地被公认为是华夏文化的总根源和奠基石。

二、二元水循环机理

二元水循环，即自然水循环与人工水循环。自然水循环，也即水的自然生态环境系统循环，是前提和基础，是“大”循环，其驱动因素主要来自自然界地球自身因素和日、月对地球的作用;人工水循环，也即水的人工经济社会系统循环，是嵌套于前者之中，是“小”循环。前者在海-气-陆之间或陆-气、海-气之间，水通过“水汽凝结与降落-地表径流与汇集-土壤包含与夹带-地下赋存与流动”形式循环运动，水体本身经常表现为三态相互转化;后者是在人工经济社会系统范畴内，与人类活动密切相关，水通过“提取-输配-使用-排放-再生”形式运动，水体基本上主要以液态形式表现，其驱动因素主要来自人类经济社会发展的需求(图3-4)。二元水循环并非相互独立，而是相互耦合，水在自然和人工两个系统中存在状态相互转化、能量不断交换、数量上遵守物质不灭定律，基于水的特性，在整个自然系统中，水体是物质和能量的载体，也是人工系统中信息和价值的传递媒介。因此，可以认为正是由于水的这种循环运动方式，将自然系统与人工系统有效地沟通与关联起来，有效地促进了自然系统生态环境的演替和人工系统中经济社会的发展。

三、系统(熵与耗散结构)理论

系统科学重点是研究系统的组成、结构与演化发展的规律。以系统学、运筹学、协同学、控制论、信息论、超循环理论等为基础并不断发展的科学。结合本研究的特点和实际，重点对熵与耗散结构的有关理论进行研究。

(1)熵定义

熵(Entropy)的概念来源于物理学中的热力学第二定律。Clausius研究认为，孤立系统中发生的过程总是使这个系统的熵值增加，且不可逆，即ΔS=＞0。也就是说，热量总是从温度较高的系统向温度较低的系统传递，而不能沿相反的方向传递。热力学第二定律还揭示了，当熵在一个系统内达到最大时，系统就进入了平衡状态，即“热寂现象”。

图3-4　二元水循环机理模式图

就人类社会发展而言，在局部，物质可做循环和再生利用，但总体上，只能作单方向的转化运动，且该转化是以整个系统的熵增为代价。因此，向系统输入能量和物质，建立高度复杂和有序的系统是基于系统外环境的混乱和无序之上，即环境的熵值不断升高，进而维护和改善环境质量的代价也在不断上升。

熵种类繁多(图3-5)，具有客观性和全面性的平均信息量为信熵，是负熵中的一类;对系统趋向有序化方向有利与物熵相对立的一类负熵即为负物熵。

(2)熵与耗散结构

耗散结构理论以非平衡热力学理论为基础，其认为，在一个开放系统中，既有向无序转变的过程也有向有序转变的过程，其熵流dS=dSi+dSe，dSi为系统自身产生的熵流; dSe为系统与环境之间交换的熵流。根据热力学第二定律，前者为非负，在孤立系统中，由于没有考虑后者的存在。故，dS≥0;而在开放的系统中，由于引入了后者，当其为负时，也就削减了系统熵值，当其绝对值大于系统熵值时，也即环境向系统输入负熵流，则系统就会从无序走向新的有序。从熵和耗散结构的有关理论可看出，自然界中存在的系统与环境之间不断进行着物质与能量的交换，也即开放的系统，为了维持系统内的平衡有序，必须不断地从外界环境中引入负熵流(图3-6)。

图3-5　熵的种类

图3-6　耗散结构系统的熵流运行

四、可持续发展理论

可持续发展(Sustainable Development)的思想可追溯到20世纪50、60年代，

迫于当时西方发达国家经济发展过程中的资源、人口和环境的压力，Rachel Carson，BarbaraWard，Rene Dubos，Lester R.Brown等陆续提出和发表有关人类发展与环境之间关系的论著。可持续发展理论的正式提出是在1987年挪威首相Brundtland为主席的联合国世界与环境发展委员会发布的《我们共同的未来》报告，定义为“既能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展”，并于1992年联合国环境与发展大会上得到各国普遍认同。其强调的基本原则就是:公平性、持续性和共同性。其追求经济、生态、社会的共同发展，追求代内之间人与人的均衡发展、人与自然的和谐发展以及代际之间人与人的公平发展和人与自然的永续发展。

可持续发展模式区别于无限增长理论和增长极限理论的根本就是通过人类社会自身经济发展的同时，注意协调其与自然资源和生态环境变化的关系，避免或减缓由于自然资本的降低迫使人为资本的下降(图3-7)。

图3-7　可持续发展模式下的人类经济与时间的关系

上图中，在可持续发展模式下，虚线表示通过对环境污染的控制和对可再生资源的科学合理利用后人为资本的发展轨迹;而实线部分在表示对自然资源的过度掠夺和对生态环境的严重破坏等行为造成的人为成本的发展轨迹。

从科学度量的角度，可持续发展理论包涵了三个重要特征:动力特征(如发展能力、发展速度、发展潜力等)、质量特征(如生态环境质量、社会文明与和谐程度、人民的生活幸福感等)、公平特征(如社会成员之间的资源分配与成果分享差距、地区之间的贫富差距、城乡之间的差距、代际之间的差距等)。

归纳起来，可持续发展理论旨在从人口、资源、环境、社会、经济的角度探寻“人类向自然索取与回馈自然之间的对等和均衡;人类自身发展的同时能够充分考虑到其他人的发展需求;当代人在现阶段发展的时候要为后代人的发展留下足够的空间和机会”的途径和方式。

五、生命周期管理理论

生命周期(Life Cycle)的概念应用很广泛，其基本涵义可以通俗地理解为“从摇篮到坟墓”(Cradle-to-Grave)的整个过程。就某个产品而言，自从自然界获得的资源或原材料开始，经过一系列的加工、储运、包装、销售、使用、废弃等环节，直至最终在环境中处置的整个过程。

生命周期管理(Life Cycle Management，LCM):就是对物质从环境进入系统之内到最终离开系统回到环境的周期时段内，进行科学合理地、有序高效地开采和利用，最终进行生态安全与环境友好地妥善处理与处置的全过程所采取的手段和策略。生命周期管理具有全过程性、周期性、系统性等特点，多运用于企业管理、项目管理、工程管理，在生态环境管理中也有一定的应用。国内外研究重点集中在生命周期清单分析(LCI)和生命周期评价(LCA)，我国也有《环境管理-生命周期影响评价:生命周期影响评价(GB/T 24042—2002/ISO14002: 2000)》类似的标准，姜文来等认为水资源生命周期管理包括:界定范围、清单分析、影响评价、结论解释、结果应用的若干过程。

系统的生命周期管理的过程包括以下几个阶段:系统定义与边界设定、阶段(时期)划分、系统分析与效能评估、主要影响环节辨识、改进策略或替代方案的设计、效果追踪与检查反馈(图3-8)。

六、生态经济与循环经济理论

(1)生态经济

生态经济(Eco-economy)产生于20世纪60年代初期，其旨在摆脱当时西方发达国家在经济社会发展的同时面临的诸多困境，基于可持续发展的思想，按照生态学原理和经济学原理，运用系统科学和现代技术方法，构建自然生态环境与人类经济社会的良性循环发展模式，促成地区人口-经济-社会-资源-环境的和谐共生。具体来讲，生态经济就是把经济社会的发展建立在生态环境可承载的基础上，在保证可再生的自然资源能够持续利用的前提下，提高经济发展的水平，形成地区经济结构优化、产业布局合理、资源持续更新和环境不断改善的节约、集约、高效、永续、健康的人与自然和谐的生态-经济复合模式。生态经济与传统的农业经济、工业经济相比，其具有系统高效、动态均衡、循环再生、和谐共生、公平可持续等特征，是当今人类社会发展更为科学合理的经济模式。

图3-8　生命周期管理过程

(2)循环经济

循环经济的产生可追溯到1966年美国经济学家Boulding E.Kenneth的太空船经济学理论，循环经济(Circular Economy)这一概念的正式提出是由英国环境经济学家Pearce D.W和Turner R.K于20世纪90年代初提出的，尤其是在可持续发展的全球趋势下不断完善的。20世纪后期以来，循环经济在美国、欧洲(如德国、丹麦等)和亚洲(如日本等)的一些发达国家和地区不仅仅在理论研究方面，而且通过议会立法、政府引导、企业实施、公众参与等多种方式不断得到广泛的实践应用。

我国循环经济的发展大体经历了三个阶段: 1993年以前，我国主要围绕“三废”排放的控制与环境污染物的末端治理等方面开展工作; 1993年～2009年，期间包括《中华人民共和国清洁生产促进法》等的实施，推动我国由污染物末端治理转向企业的原材料采购、生产加工、产品流通销售的全过程控制; 2009年至今，伴随着《中华人民共和国循环经济促进法》等相关法律法规的实施，循环经济不仅仅是停留在单个生产单元内部层面，已经开始向着生产单元、产业园区、社会生活三个层面逐渐铺开，标志着循环经济在我国已经进入了全面推广和实施的阶段。

循环经济是区别于传统“线性经济”的发展模式(原料-产品-废弃物)和

特点(高消耗、低利用、高污染)，是依照“循环经济”发展模式(原料-产品-再生资源)，遵循3R原则(Reduce，Reuse，Recycle)，贯穿于原物料的开采、生产加工、流通运输、消费使用、废弃处理等全过程中的人类经济社会活动方式。其旨在实现人类经济社会活动满足自然资源节约、高效开发(采)，能量有序梯级利用、物质不断循环充分使用、废弃物尽可能再生回收利用，对人类周围的生态环境的影响和干扰减小到最低程度的要求。

(3)两者的异同

生态经济与循环经济既有联系又有区别。其二者都是基于可持续发展和系统科学理论，旨在强调人类经济社会发展的同时，必须充分考虑资源与环境的承载能力，强调经济社会系统与生态环境系统之间的和谐，在技术手段上都注重发展经济的同时，减少对资源的过度依赖和减缓对生态环境的不利影响，两者追求的目标都是为使人类经济社会能够得到可持续的发展和延续。但同时两者又有所不同，主要差异在于:前者侧重于人类经济社会系统与自然生态环境系统之间的协调共生，后者更突出在人类经济社会系统中资源的循环高效利用;前者更关注人类经济社会系统与自然生态环境之间的输入端和输出端的协调，后者更强调在人类经济社会系统内部的高效、有序、再生利用的调控;前者更注重的是人与自然之间的和谐关系，后者更注重的是人类经济社会系统内和与系统密切相关的环境之间的高效、有序、平衡方式。从某种意义上讲，循环经济是生态经济在人类经济社会系统内和与系统紧密相关的人工环境中的具体体现和运作模式之一;同时，生态经济也是循环经济的延展方向和进一步提升。

七、环境风险管理理论

风险(Risk)，被一些研究者认为是，损失的可能性或是不确定性，或是损失发生的概率。用函数可表示为: R=(ρ，l)，ρ为在一定时间内，在一定条件下，可能发生的风险事件(Risky Event); l为风险事件发生所带来的损失; R即为风险事件发生的概率。在特定的时空条件下，系统存在的风险事件发生概率可能造成的损失。可用下式表达:

风险通常具备客观性、主观性和不确定性:

客观性是指风险是客观存在的，且其发生概率的大小可以通过一定的手段进行测度;

主观性是指风险通常与人们的心理和认识相关，因人而异，其发生概率的大小也与主体的认知能力有关;

不确定性是指风险发生的时间和风险发生产生的损失不能准确判断。

风险管理(Risk Management)，起源于20世纪50年代美国，由于经济、技术、法律、社会等因素的不确定性和可能会对企业造成一定的重大损失，一些企业的高层决策逐渐开始对如何规避和防范风险进行相关的研究。之后，世界许国国家逐渐展开，研究领域也逐渐扩大到经济学、医学、政治学、保险学、心理学、管理学等。风险管理就是应用管理学的有关原理和技术方法对风险的存在进行判别，对风险发生的可能性和造成的损失进行估测，对如何有效的减缓甚至防范风险的发生制定相应的措施的一系列活动。

环境风险管理是将风险管理的理念引入环境保护与管理中，更强调不确定因素可能对环境的不良影响以及需要采取的防范控制措施。

环境风险管理主要从动态与静态相结合的视角，运用定性和定量方法，从风险辨识、风险源解析、风险评价指标体系构建、风险测度、风险可接受程度评估、风险防控等六个方面进行实施(图3-9)。

图3-9　环境风险管理的一般程序

八、生态水利建设与河流健康维护理论

(1)生态水利建设基本理论

传统水利工程是以兴建能够根据人类的需要而有效控制水资源的各种水工建筑，以满足供水、防洪、水力发电、航运、生态保持等需求而实施的工程措施。为了达到此目的，人类有意识地将自然界的水系统经过人工改造和处理，但此种做法常常也会因为改变了原有的自然环境系统的格局，而导致其他一些环境问题的产生，诸如水生生物栖息环境和条件的人为改变，一些物种的锐减甚至绝灭;原有地区河道水文、水量的减少导致地区下游气候和生态环境的改变以及水资源用量不足或水环境纳污和自净能力减弱;对河流大规模的改造和对河流生态系统的胁迫而引起的水生态系统功能的退化等。国内的刘昌明、董哲仁等研究认为，生态水利和生态水利建设的研究与推广应用十分必要。人类在根据自身发展需要对水资源实施开发利用的同时，应做到人水和谐和确保人类社会与自然环境共享水资源。

生态水利(Eco log ical Hydraulic Engineering)是人类社会在不断发展的过程中，人类为了科学合理、环境友好与可持续地利用水资源，尽可能避免和减缓人为因素对自然环境的侵扰和破坏，充分尊重生态环境对水资源的需求而实施一种符合现代生态文明要求的水资源利用模式。生态水利理论是基于生态经济系统理论、水资源系统理论、生态水工学理论等。其相应工程措施即，生态水利建设，其基本原则有:确保工程的安全性和经济的合理性、兼顾生态系统健康和可持续性用水需求、保持和恢复河流形态的空间异质性、更加注重生态系统的自我设计和自我修复功能、凭借水资源对原有生态系统进行设计和修复应注意从整体角度和流域尺度考虑、注意“跟踪-反馈-评估-调整”的机制运用。

(2)河流健康维护基本理论

从宏观尺度上可以认为，河流体现了生命的运动过程不可或缺的三个要素，即物质循环、能量流动和信息传递。因此，可以将河流的健康状况视为评价河流状态的重要标志。健康河流应具有的特征:河流自身的结构完整和功能完备;河流自身具有生态调节和环境修复的能力;能够支撑人类经济社会的发展需要。

目前，国内外对河流健康的标准尚未形成共识。Schofield和Davies认为，河流健康程度就是与同类型的未受人为干扰的(原始形态的)河流的近似程度，尤其在生物完整性和生态功能等方面。唐涛，孙红梅研究认为河流健康的标准应包括组织(生物多样性、物种组成、食物链结构)、活力(生产率、营养循环)和恢复能力(从干扰中自我恢复的能力)等方面。美国、澳大利亚、南非等相继开展了对河流健康状况评价的理论研究与实践应用，初步形成了如RBP(美国)、ISC(澳大利亚)、RCE(瑞典)、RHP(南非)等评价方法，国内如黄河健康评价体系、上海城市河流健康评价体系(URHA)等评估方法。综合国内外一些学者和机构的研究成果，对河流健康应的评价应从自然生态存在功能和社会经济服务功能两大部分，用“易学”的原理绘图如图3-10。

图3-10　河流健康综合评价的指标体系结构

前者包括:保障水文与水循环功能、输送物质和传递能量功能、塑造地质地貌功能、维系河流生态系统功能(如栖息地、过滤与屏障、通道和源汇、营养供给功能)等;后者又包括:提供饮用、服务灌溉、发电与航运、纳污与自净、调节气候与改善环境、体现地区文化等。

在维护河流建康的实践中，应注意:合理确定引(取)水量和排污量，重塑河流的天然流态，采用人工与自然相结合的方法提高河流的自身调节能力，进行整体和全流域性的统一管理等。

第二节　基本理论构建

通过充分吸收“易学”哲学思想等八种理论的精髓并将其系统整合和有机融合，构建适合现代水资源系统运行管理特点和要求，尤其是符合现阶段人类可持续发展需要的水资源系统管理理论——水资源系统“易”理论(图3-11)。这八种理论原型对水资源系统“易”理论构建分别起着各自的作用和意义(表3-1)。

图3-11　水资源系统“易”理论的建构图

表3-1　水资源系统“易”理论的原型理论各自的作用意义

结合图3-12和表3-1分析认为，“易学”哲学思想是统领水资源系统“易”理论的总纲，是水资源系统运行的根本法则具有最高的地位;二元水循环机理是针对水资源系统运行特征的自然规律，与易学哲学思想形成了一定关系上的对称，前者侧重于“人”，后者侧重于“物”，在人与物之间相互关系中交错存在着其他相关的理论;可持续发展观理论和系统(熵与耗散结构)理论，是在现代人类社会发展过程中，需要人类遵循和把握的，为实现人类自身延续发展的需要和为实现整个生态环境和人类社会自身的低熵运行需要遵循的规律和原则，需要处理好系统与环境之间熵流交换规律;生命周期管理理论和生态经济与循环经济理论相对又更加的具体，针对水资源系统而言，前者侧重对水资源利用的生命周期性规律的认识和理解，后者注重基于生态经济系统的水资源科学、合理、有序调用的过程;环境风险管理侧重于水资源利用过程中对可能存在的环境风险进行评价与调控;生态水利侧重于构建生态友好型的水资源利用模式，维护河流健康更强调水资源利用与河流生态系统维护之间关系的协调。

诺贝尔化学奖获得者，耗散结构理论的奠基人——普里高津(L.Prigogine)在其《从混沌到有序》一书中也曾认为:“中国文明对人类、社会和自然之间的关系有着深刻的理解:中国的思想对于那些想扩大西方科学范围和意义的哲学和科学家来说，始终是启迪的源泉。”充分说明易学思想对近现代系统科学研究的深远影响和重要意义。

总之，水资源系统的“易”理论囊括了八种理论中的精华，八种理论也在水资源系统“易”理论中体现出了“交集”，进行系统整合和有机融合，从理论上支撑水资源系统有效地在生态经济系统与自然生态环境之间的调控和运行。

第三节　本章小结

本章首先对一些基本概念进行了诠释，对水、水环境、水资源分别进行了简要的辨析，水是本研究的基本物质;水环境是由水及其承载的无机和有机物质组成的人类生存和生活的必要环境;水资源是纳入到人类经济社会系统内部可供人类利用的基本条件;之后对人类生存发展所依托的生态经济系统和具有流动性和时空演替特征的且是联系人类生态经济系统和外界自然环境之间纽带的水资源系统进行了描绘。其后，基于作者长期的思考和前期基础研究分析后，筛选出本研究的八个理论的原型，并分别给予了阐释;最后，系统整合和有机融合构建而成本研究的理论——水资源系统“易理论”并对其基本的内容进行了解析。