水科学交叉学科群建设的必要性及基本框架

左其亭

(1.郑州大学 水利科学与工程学院,河南 郑州 450001; 2.郑州大学 水科学研究中心,河南 郑州 450001)

水是一种十分宝贵的资源,包括人类在内的所有有生命的生物都不可能离开水。然而,由于自然原因、社会原因,引起了形形色色、多种多样的水问题。大的方面可以分为水资源短缺、洪涝灾害、环境污染、水土流失、生态退化等问题。这些水问题的形成原因复杂多样,多数既有自然原因也有社会原因,绝大多数甚至难以辨析其形成的真正原因或机制,表现出水问题研究本身的复杂性。研究与水有关的学科非常多,从目前存在的学科门类上分析,几乎都涉及到水的问题[1],比如,物理学、化学、地理学、资源学、环境学、经济学、管理学、医学等。因此,就出现了多学科门类从不同视角、不同理论、不同思维去关注和研究水的特征或问题。当然,形成这一局面,一方面是好的,可以发挥多个学科的优势,去关注和研究水的方方面面特征或问题;但另一方面,由于学科之间的沟通不足,存在诸多差异,往往会出现“管中窥豹”的现象。因此,多学科交叉来研究水问题就显得十分重要和必要。针对此类问题,国务院学位委员会、教育部于2020年专门设置了“交叉学科”门类(代码14)。实际上,认识和研究水的问题,需要摒弃学科之间的“壁垒”,实现多学科交叉融合,共同努力解决水的问题。水科学就是研究与水有关学科的统称[1],是一个庞大的跨学科门类的交叉学科群。因此,从水问题解决实践需求、科学研究、人才培养、学科发展等多个角度看,都迫切需要建设水科学交叉学科群。

伴随着水问题解决途径和手段的多样化,涉及因素和分析问题的多元化,研究方法和基本理论出发点越来越多,形成的研究水的分支学科也越来越多。根据笔者在文献[1]中的介绍,我国在20世纪90年代才开始讨论“水科学”的内涵[2-3],到21世纪10年代才提出水科学学科体系[1,4],之后也进行了一些有意义的讨论[4],但没有真正落实到我国高等教育学科建设中。

在我国鼓励高等教育建设“交叉学科”的大背景下,随着水问题解决的需求越来越迫切,提出建设水科学交叉学科群是非常必要的。在这一形势下,本文提出建设水科学交叉学科群的建议,初步搭建水科学交叉学科群的基本框架。

1 水科学范畴及学科体系概述

1.1 水科学的形成历程

笔者在文献[1]中介绍,2010年9月2日在《中国学术文献网络出版总库》中全面搜索了水科学的概念,在本文撰写过程中又于2021年2月16日在中国知网上进行了相同的搜索,基本得到相似的结论。在学术期刊中,明确使用“水科学”一词最早的是在几个新闻报道或国际会议通知和报道中。比如,1980年《工程勘察》期刊第5期上,在一则新闻报道中出现了“水科学”一词;1988年《地球科学信息》期刊第2期报道了国际水科学会议;1990年《水文》期刊第3期一则新闻报道中提到水科学问题。这些文献都提到“水科学”一词,但没有详细的论述。一直到1990年,第一个以“水科学”为主题的学术性期刊《水科学进展》正式创刊,明确了水科学的范畴。1992年陈家琦先生在文献[3]中全面阐述了水科学产生过程和概念内涵。随后,“水科学”一词使用频率越来越高,可以用“井喷式”来形容,但专门对水科学范畴的讨论很少,使用也比较随意,甚至有点混乱。直到2011年,笔者在文献[1]中全面论述了水科学发展过程和现状,第一次提出了水科学学科体系,构建了水科学研究框架。

笔者自2007年发起并每年举办一届“水科学发展论坛”,到2021年已成功举办15届,极大地推动了水科学的学术交流和宣传普及。为系统总结我国水科学研究的最新进展，自2013年开始,每两年编写一本《中国水科学研究进展报告》,到2019年已编写出版4本,第5本将于2021年7月出版。2011年以来,我国水科学研究发展迅猛,参与的研究人员急剧增加,产出的研究成果丰硕,在交叉领域表现出强劲势头。比如,在生态水利、智慧水利、水管理制度、治水新思想、水系统模型、水安全保障、水市场机制等方面。此外,与水有关的学科发展迅速,涉及的学科包括水利工程、土木水利、海洋工程、农田水土工程、市政工程、环境工程、环境科学、生态科学、管理学科等,培养的各类人才规模与其他学科相比增加较快。

1.2 水科学的概念及范畴

“水科学”一词使用非常广泛,但多数情况下是随意使用,望文生义；既使是对“水科学”开展的专门讨论,也是五花八门,理解各异。一些情况下,“水科学”一词可以笼统地使用,但作为一门学科,需要明确界定其概念和范畴。基于这一思路,并考虑水科学所跨学科领域,笔者曾于2007年将水科学定义为:把研究与水有关的学科统称为水科学,是一门研究水的物理、化学、生物等特征,分布、运动、循环等规律,开发、利用、规划、管理与保护等方法的知识体系,把水科学表达为水文学、水资源、水环境、水安全、水工程、水经济、水法律、水文化、水信息、水教育等10个方面、相互交叉的集合[1]。

1.3 水科学学科体系

一个完整的学科体系一般具备四要素:具有明确的研究对象、一套理论体系、一系列研究方法、广泛的应用实践。水科学在长期发展过程中已经形成了一个完整的学科体系,是一个交叉学科体系,其研究对象是“水”,非常明确,包括各种状态的水(液态、气态、固态)，各种尺度的水(全球尺度、流域尺度、区域尺度、储存水体尺度、可见水体尺度、分子尺度等)，各种质量的水，各种来源的水(地表水、地下水、泉水、冰川水、海洋水等)，各种用途的水(农业用水、工业用水、生活用水、生态用水等);其理论体系涉及到众多学科的基本理论,包括理学、工学、农学、医学、经济学、法学、教育学、历史学、管理学等等;其研究方法涉及一系列领域,比如,物理学方法、化学分析方法、生态学方法、模型模拟分析方法、工程规划建设方法、节水方法、水环境健康分析与调控方法、水利经济分析方法、水法律法规制定方法、水文化宣传教育与科普方法、水资源管理方法等;其应用实践十分广泛,在水利、生态环境、自然资源、城建、农业、林业、工业、能源等众多行业均有普遍应用。其分支学科很多,按照文献[1]提出的相互交叉的10个方面,即水文学、水资源、水环境、水安全、水工程、水经济、水法律、水文化、水信息、水教育[1],是宏观层面的分支学科。有些分支学科已经比较成熟,有些还在不断形成中,还会派生出许许多多的分支学科,比如,从微观层面的分支学科有水物理、水化学、水生物学等。水科学学科体系示意如图1所示。

图1 水科学学科体系示意图

2 水科学交叉学科群建设的必要性

1)水问题的解决不是一个学科能完成的,需要多学科共同努力。

在人类活动不断加剧的影响下,出现的水问题越来越复杂,越来越广泛,水问题的解决需要多个行业、多个部门、多个学科以及全社会的共同努力,绝不是一个学科所能完成的。比如,出现的干旱缺水问题,既有降水时间空间分布不均匀带来的水资源锐减等自然原因,也存在人类社会用水增加或调水等行为带来的供需失衡的社会原因;涉及到水文学、水资源学、水利工程等自然科学,又涉及到社会学、管理学、经济学等社会科学;同时也涉及到工业、农业、城市和农村生活、生态等不同用水类型,也涉及水利、自然资源、农业、工业、生态环境等不同管理部门。再比如,洪涝灾害问题、水环境污染问题、水生态退化问题也同样涉及不同学科,需要更加深入的理论方法研究分析。这些水问题的解决都需要多学科共同努力,特别是随着经济社会发展,学科分工越来越细,多学科交叉融合解决实际问题就显得愈发迫切。

2)现有学科之间存在明显“壁垒”,需要搭建关于水的多学科“桥梁”。

笔者在主编每两年一本《中国水科学研究进展报告》[5]时发现,关于水科学的分支学科之间的交流很有限,存在明显的“壁垒”。例如,水资源专业学者研究水法律问题,由于对“法理”的了解不深入,得出的很多结论不符合一般法学上的基本理论,比如有些学者对水权的界定就存在这一问题;反过来,法学专业学者研究水资源问题,由于对水资源形成过程和基本理论的了解不深入,只能得出水资源问题的一些浅显规律,未能充分体现水资源变化的特征。这就是学科之间存在“壁垒”的原因。

为了消除学科之间的“壁垒”,就需要搭建一座“桥梁”,培养一批具有多学科视野的人才。其中,水科学是一个跨越理、工、文、医等学科门类的、非常典型的交叉学科,目前缺少具有多学科视野的水科学“大科学”学者和“普通”专业人才,需要其既了解自然科学技术领域的知识,又了解社会科学人文领域的知识。

3)现代教学体系下急需建设水科学交叉学科群,填补复合型人才的匮缺。

学科之间存在“壁垒”的根源还是专业设置、教学体系、学科布局的问题。因为每个学科或专业的研究范围都有各自的界定,主要教学内容和研究内容也多集中于主题内容或核心问题,对边缘甚至跨学科的内容涉及较少,必然带来交叉部分的薄弱或缺陷。这一现象在水科学领域表现尤为明显,水科学复合型人才培养和科研基地建设比较困难。应对日益复杂的水问题,需要培养多学科思维、复合型人才,填补交叉部分的缺陷。因此,目前学科体系形成的“壁垒”,迫切需要构建一个新的学科体系——水科学交叉学科群。

3 水科学交叉学科群建设基本框架

3.1 基本框架总览

基于对水科学学科体系和现实需求分析,提出了水科学交叉学科群建设基本框架,如图2所示。

图2 水科学交叉学科群建设基本框架

1)水科学交叉学科群具有明确的研究对象,即地球上的水,涉及多个学科门类:理学、工学、农学、医学、经济学、法学、教育学、历史学、管理学等。

2)其分支学科较多,包括水物理、水化学、水生物学、水文学、水资源、水环境、水安全、水工程、水经济、水法律、水文化、水信息、水教育等。

3)建议在水科学(一级学科)下设置6个二级学科(学位点或专业),分别是:水分析科学与技术、水资源战略配置与工程、国家水安全保障、水管理与经济、水营养与人体健康、水文化传承与教育。

4)总结给出水科学交叉学科群6个主要研究方向,分别是:水的物理、化学、生物学特征分析及演变规律;水循环过程模拟、水资源战略配置与工程建设;水安全分析、风险评估及保障体系建设;水系统管理与经济学分析;水与人体健康关联分析及健康用水方法;水文化价值及传承弘扬教育途径、支撑体系。

5)初步谋划了水科学交叉学科群的学科建设布局,从5方面入手:明确学科定位、构建学科队伍、深入科学研究、建设学科基地、强化学科管理。

3.2 二级学科(学位点或专业)介绍

3.2.1 水分析科学与技术

重点研究水的物理、化学、生物特征及演变规律,从水分子尺度甚至更小尺度研究水的物理特征、化学特征、生物特征,为污水处理、非常规水利用、饮水安全(给水和排水)等提供理论基础。需要学习的内容涉及物理、化学、生物学、环境学、给排水工程等专业知识,是一个理科、工科交叉的学科。

3.2.2 水资源战略配置与工程

重点研究水循环过程监测与模拟、水资源形成规律及战略配置方案、水资源开发利用工程建设等,需要综合考虑水资源特征、经济社会发展需求及条件约束,从资源利用、环境保护、经济建设、社会发展等综合视角,优化布置水资源配置方案及工程建设规划。需要学习的内容涉及水利工程、水资源学、宏观经济学、法学、管理学等专业知识,是一个工科、理科、文科交叉的学科。

3.2.3 国家水安全保障

重点研究水安全形势分析、风险评估、安全保障体系建设,以保障国家水安全为主要目标,从水资源安全、水环境安全、水生态安全、水工程安全、供水安全、防洪安全等角度,构建国家水安全保障体系。需要学习的内容涉及国家安全学、水资源学、社会学、公共管理学、灾害学、应急管理等专业知识,与我国新设置的交叉学科“国家安全学”一级学科有一定重合,是一个文科、工科、理科、医科交叉的学科。

3.2.4 水管理与经济

重点研究水系统管理、水经济学相关内容,从行政管理、政策法律、水价与水市场等经济学手段、以及水资源系统分析、信息化建设等方面强化水资源科学管理,提高水资源利用效率,提升水资源管理能力和水平。需要学习的内容涉及水利工程、水资源学、管理学、经济学、法学、公共管理学、运筹学等专业知识,是一个文科、理科、工科交叉的学科。

3.2.5 水营养与人体健康

重点研究水营养学知识、水对人体健康的作用机理、健康用水方法,从水生理科学、科学饮用水方法、人体健康需求等方面,研究水与人体健康之间的关系,引导大众健康用水。需要学习的内容涉及水化学、环境学、水安全、水信息、营养学、公共卫生学等专业知识,是一个理科、医科、工科交叉的学科。

3.2.6 水文化传承与教育

重点研究水文化价值及传承弘扬教育途径、先进水文化建设支撑体系,运用多学科知识,从多学科视角,分析水文化价值,弘扬先进水文化知识,在小学到大学教学中融入水文化教育元素,形成先进水文化立体宣传体系。需要学习的内容涉及水文化、水信息、水法律、历史学、教育学、水利工程等专业知识,是一个文科、工科交叉的学科。

3.3 主要研究方向及展望

3.3.1 水物理、化学、生物学特征及演变规律

目前,在物理学、化学、生物学中有专门针对水的研究,包括水物理特征、水化学特征、水生物学特征的研究,但是这些研究成果与宏观尺度的水利工程、水环境、水生态等学科关联太少,没有得到充分应用。未来,水科学交叉学科群将致力于从不同学科视角、不同研究尺度深入研究水物理、化学、生物学特征及演变规律,为水科学研究和应用实践奠定理论基础。

3.3.2 水循环过程模拟、水资源战略配置与工程建设

目前,在水文学及水资源、自然地理学等专业中,针对水循环、水资源有专门研究,但因为水资源与经济社会、生态环境系统有着千丝万缕的联系,在水资源配置和工程建设中需要全面考虑经济社会发展、生态环境保护、自然资源可持续利用的作用,目前这方面的考虑显然不够。未来,水科学交叉学科群将致力于从多学科系统分析,研究水资源战略配置和工程建设(特别是国家层面大水网建设)等问题,为国家水网建设和水安全保障提供支撑。

3.3.3 水安全形势分析、风险评估及保障体系建设

目前,在水文学及水资源专业中,针对水安全问题已有一些研究,但研究深度和人才培养规模还远不能满足需求。一方面,水安全问题非常重要,是国家安全的重要组成部分;另一方面,水安全类型多,问题复杂;再一方面,影响水安全的因素多,保障水安全任重而道远。未来,水科学交叉学科群将致力于从多方面研究,构建国家水安全保障体系。

3.3.4 水系统管理与经济学分析

目前,在水文学及水资源、公共管理、工程管理、经济学等专业中,针对水系统管理与经济学问题有大量研究,但在其系统性、整体性、理论深度等方面还存在不足。未来,水科学交叉学科群将致力于从水系统科学、经济学视角,研究水的管理问题和经济学问题,科学运用水权、水价和水市场等经济杠杆,提高水资源利用效率,为国家和区域水资源规划与管理提供支撑。

3.3.5 水与人体健康关联分析及健康用水方法

目前,在水文学及水资源、公共卫生学、环境科学等专业中,针对水营养与人体健康方面已有一些研究,总体是比较零星的成果,系统性、深入性、综合性不足。未来,水科学交叉学科群将致力于水营养学研究、水与人体健康关联研究、健康用水方法研究,为科学用水、安全饮水提升人体健康状况等提供服务。

3.3.6 水文化价值及传承弘扬教育途径、支撑体系

目前,在水利工程、历史学等专业中,针对水文化已有一些研究,水文化作为中华文化的重要组成部分,近十年受到的重视程度不断提高,研究者不断增多,但很少把水文化作为一个分支学科列入某一个一级学科中,缺乏系统的人才培养体系。未来,水科学交叉学科群将致力于水文化价值研究，水文化挖掘、传承和弘扬研究，水情教育及普及宣传,构建先进水文化建设支撑体系,为完善社会主义核心价值观贡献水科学工作者的力量。

3.4 学科建设布局

为了进一步推动水科学交叉学科群的实施和建设工作,需要系统谋划学科群发展战略及建设布局[6],主要从以下5方面着手。

1)明确学科定位。在短期内进一步完善水科学学科体系,构建水科学交叉学科群的知识体系、理论基础、实践领域、学科方向及研究范围。在此基础上,明确水科学是一级交叉学科的定位,建议在一级学科目录中,在交叉学科门类下增加“水科学”一级学科,暂时下设6个二级学科。

2)构建学科队伍。在以水利为特色的高校,比如河海大学、华北水利水电大学,可以组建跨学校的水科学交叉学科群团队;在水利工程学科力量较强同时又具有比较完备学科体系的综合性高校,比如武汉大学、郑州大学,可以在本校内组建水科学交叉学科群团队。组建有特色的研究群及研究链条、学科梯队,培养学科带头人,增设相关跨学科课程,编写高质量教材,加强不同层次人才培养和师资队伍建设。

3)深入科学研究。除各个分支学科开展专门的研究课题外,针对交叉部分内容专门设置研究课题,创建科研环境,形成浓厚的学术研究氛围和良好的学术交流氛围,不断深化交叉课题科学研究,强化科学研究成果产出,尽快形成水科学交叉学科研究阵地,形成多个具有引领性的单位或学术团队。

4)建设学科基地。在相关学科科研人员密集、研究力量强的单位或地区,建设学科基地,包括建设重点实验室、工程技术研究中心、协同创新中心、人文社科研究基地、“产-学-研-用”一体化信息平台等,发挥学科基地的带头示范作用,引领和辐射水科学交叉学科群发展。

5)强化学科管理。建立和健全学科管理系统,制定水科学一级学科发展规划,做好博士硕士学位点和本科专业的评审与认定工作。

4 结语

本文在前期工作的基础上,在多位学者的鼓励和支持下,论述了水科学交叉学科群建设的必要性,提出了水科学交叉学科群建设的基本框架;建议在国家新设置的交叉学科门类下增加“水科学”一级学科,下设6个二级学科;阐述了水科学交叉学科群6方面的主要研究方向,并对未来发展进行展望;从5个方面提出了学科群发展战略及建设布局。

因为水科学问题涉及学科门类多,笔者对其他学科了解程度有限,对问题的把控不一定准确,再加上首次提出“水科学交叉学科群”的思路,还存在很多问题需要多学科学者进行交流和探讨,特别是针对二级学科设置和主要研究方向方面的总结,仅仅是初步意见,欢迎大家交流、讨论。

致谢:本文的撰写受到2021年1月16日在华北水利水电大学举行的“水科学发展论坛第6次专题研讨会”的启发,特别是韩宇平教授、张修宇教授提出了很好的建议;同时得益于《中国水科学研究进展报告》撰写团队的支持,该报告主要参与人有窦明、胡德胜、王瑞平、王富强、宋轩、宋孝忠、张金萍、贾兵强、甘容、丁相毅、徐洪斌、马军霞、梁士奎、李冬锋、张修宇、凌敏华、陈超、陶洁、赵衡、陈豪等(排名不分先后)。在本文初稿撰写后,征求了韩宇平教授、李贵宝教授级高工、张修宇教授、王富强教授、张伟副教授的意见,他们对本文提出了很好的修改建议,在此一并表示衷心感谢！