人工水循环与自然水循环的区别和联系

2023-10-26 理论教育版权反馈

【摘要】：相对于纯粹的自然水循环系统，二元水循环系统的外部环境增加了社会经济系统和人工生态系统，合并称社会经济生态系统。人工水循环系统和人工生态系统的联系主要是前者供给后者必要的水分，后者为前者创造新的产汇流条件。值得注意的是，外部系统和人工水循环系统的界限不是绝对的，比如农田既属于社会经济系统又是人工水循环系统的组成部分，水保林既属于人工生态系统又属于人工水循环系统。

1.要素

自然水循环系统包括水体和介质两类基本要素，人工水循环系统也同样由这两类基本要素构成。人类对水循环系统进行控制需要一定的物质基础，在间接控制系统中，人类需要改造一些自然介质类要素或者重新构建新的介质类要素；直接控制虽然直接针对水体的运动过程，但是如果不通过一定的介质类要素来完成，控制无异于空中楼阁。所以人工水循环系统中必定要存在一些自然水循环系统中所不曾有过的人工或半人工的介质类要素，这也是区别人工水循环系统和自然水循环系统的标志。

2.结构和系统内部联系

受人工直接控制和间接控制的水循环系统结构形式不太一样。受人类直接控制的人工水循环系统一般包括取水系统、输水系统、用水系统和排水系统几个子系统，但复杂程度不一。一般供用耗排系统的结构比较复杂，比如农业灌溉系统，其输水系统一般分为干、支、斗、农、毛等数级渠道，有的大型灌区在干渠之上还有总干渠，各级输水渠道在运行的时候遵从一定的续灌和轮灌制度。排水系统也分为干、支、斗、农等数级沟道，不受控制的自流排水系统的基本原理和结构形式类似于自然河道系统，很多平原圩区的排水系统设有很多控制性闸门或者泵站，遇到大水时各级排水沟道需要遵从一定的运行制度安排。对水循环过程非消耗性调节利用系统一般结构稍简单，比如为航运服务的梯级渠化系统，在自然河道上设置一些闸门，通过启闭闸门调节河道里的水位，使船只平稳通过，该系统的取水系统为所在河段上游的闸门及附属物，排水系统为河段下游的闸门及附属物，用水系统为控制河段，没有输水系统。单个人工水循环系统自成体系，各个子系统之间联系紧密，缺少任何一个部分都不能达到预定的社会经济或生态目标。对于水资源统一调度和管理的流域来说，一般包含多个受人工直接控制的水循环系统，各个人工水循环系统互相配合、统一调度，服务于区域社会经济系统和生态系统。

相对于自然水循环系统，受人类间接控制的人工水循环系统只是改变了一些基本的介质类要素，如地表覆盖物、土壤、沟道和河道等，没有改变自然水循环系统的基本结构，包括子流域水循环系统和河道水循环系统之间的关系结构以及基本子流域单元内部结构，各要素之间的联系和自然水循环系统一样。

3.环境（图3-8）

和自然水循环系统一样，日地系统和大气系统都是人工水循环系统的外部环境。这两个系统和人工水循环系统进行物质、能量和信息的交换一如自然水循环系统。日地系统为水分的运动和转化提供源源不断的驱动力，对于受间接控制的人工水循环系统而言，这是唯一的驱动力。

自然水循环系统和人工水循环系统同属流域水循环系统的子系统，这两者互为外部环境，密切的水分交换是联系两个系统的纽带。

相对于纯粹的自然水循环系统，二元水循环系统的外部环境增加了社会经济系统和人工生态系统，合并称社会经济生态系统。其中社会经济系统既是人工水循环系统服务的对象，又是人工水循环系统构建和运行的源泉。一方面，人工水循环系统为社会经济系统供给必需的水分和能量，社会经济系统多余的或者废弃的水再排入人工水循环系统。比如人工水循环系统为工业、农业生产输送需要的水，工业、农业生产用完以后的工业废水或者农业退水回归到河道或地下；水进入水力发电系统再回归河道时，虽然水量不见减少，但是水体里面蕴藏的能量被大量消耗。另一方面，人工水循环系统中人工或者半人工介质类要素的构建和维护需要社会经济系统提供一定的物质、能量和信息，直接控制的水循环系统的运行还需要社会经济系统提供必要的驱动。比如大坝的修建和除险加固需要水泥、钢筋等原材料，施工需要机器，照明、控温、机器的运行等需要能源，施工之前需要进行详细周密的规划和设计；农田建设、水保建设等也需要社会投入大量的人力、物力、财力才能完成；水库的运行调度需要管理人员根据一定的需水要求、来水情况等做出判断后发出指令（信息），控制系统需要一定的能量才能运行起来；等等。人工水循环系统和人工生态系统的联系主要是前者供给后者必要的水分，后者为前者创造新的产汇流条件。

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图3-8　二元水循环系统与环境的关系

社会经济生态系统除了和水循环系统互相作用以外，它们之间也互相影响、互相作用。社会经济系统和人工生态系统都受人类的控制，它们互相制约，互相影响。随着人类研究的深入，人们越来越认识到，社会经济系统和人工生态系统共荣共生，只有两者协调发展，人类社会才能不断发展，不断进步。

值得注意的是，外部系统和人工水循环系统的界限不是绝对的，比如农田既属于社会经济系统又是人工水循环系统的组成部分，水保林既属于人工生态系统又属于人工水循环系统。

4.功能

人类构建人工水循环系统都有一定的社会经济和生态目的，比如农业生产、工业生产、生活用水、生态用水等，所以，人工水循环系统的首要功能就是为社会经济系统和生态系统服务。

人工水循环系统的另一个功能体现在水循环效应上。人工水循环系统的结构不同于自然水循环系统，它体现出来的水循环效应也不同于自然水循环系统，具体包含三大效应：一是循环尺度变化，主要表现为流域大循环减弱，局地小循环增强；二是水循环输出方式变化，主要表现为水平径流输出减弱，垂向蒸散发输出增强；三是降水的转化配比发生了变化，具体表现为流域径流性水资源减少，而有效利用的水分增加。

自然水循环系统仅仅受自然规律的作用，属于自组织的水循环系统。人工水循环系统表现出来的水循环效应不是水循环系统自发表现出来的，它们受到人类的控制，属于他组织的水循环系统。人工水循环系统中人工或者半人工介质类要素的构建和维护、受人类直接控制的水循环系统的运行都受到人类的控制，人工水循环系统体现出来的水循环效应的强弱，取决于人类对该系统控制的程度。大量引水灌溉，导致流域水循环尺度内缩；水保建设导致水平方向上的径流通量减少，垂直蒸散发增加；种林、种草减少狭义径流性水资源，同时增加水分有效利用即增加广义水资源量。

人工水循环系统在受到人类控制的同时，仍然受到日地系统、大气系统等外部环境的影响和作用，所以，人类对水循环系统的控制作用必须服从一定的自然规律。如果违背自然规律，破坏流域水循环过程的相对稳定性，将对整个流域水循环系统及依赖水循环的社会经济系统和生态系统造成不利的影响。比如过量引水导致河道断流，下游生态和社会经济用水得不到保证；破坏植被导致水土流失，河道和水库淤积，不利于水资源开发利用等。相反，根据水循环的运动转化规律因势利导，维持流域内人工水循环系统和自然水循环系统、维持整个流域水循环系统和周围环境之间的和谐关系，就能保证整个流域水循环系统的稳定，保证人工水循环系统持续正常运行。

人工水循环与自然水循环的区别和联系

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