水资源管理

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水有很多基本用途，农业、工业、休闲和家用多数都需要淡水（而非咸水）。地球上的水只有3%是淡水，而多数淡水是冰川。尽管淡水是可再生资源，但它的供应有限，而需求却在增加，这就要求人们对现有水资源进行谨慎管理。

地球上的陆基生命都围着淡水打转。驯化植物需要频繁和充足的淡水供应，这就要求人类对这种水资源进行管理。人类也必须对供应人、畜和制造业的淡水进行管理。

我们星球的表面大部分都是水，但多数太咸而无法为陆地生物所用。水文循环（水的一系列状态转化，即空气中的水汽，通过降水落到地上或水面，再回到空气中）不断以雨和雪的形式提供着淡水。在降水到达地面后，它或者在地表上流淌，比如江河或其他溪流，或者深入土中。从在固定地点种田的农民的视角看，水环境就是淡水环境，不管是地表上流淌的水，土壤表层的水，还是地下的水。

跟多数生命过程一样，农民所需的水量有一个理想值。但环境中提供的水是变化的，不同的地方，不同的时间——每天、每月、每年——皆不相同。对水的理想需求量与水供应的不断变化产生了三种情形：适中，过多，过少。“适中”很少发生。

农场管理与水的几个物理特性相关。首先，水是液体且容易流动，因此所有的水都受重力影响并自然地顺势而下。水总是走最短的路线。如果找到一条下行路线，水极易流动。不过因为水是液体，有人如果想汲取它，就必须使用密闭的容器。其次，水有重量。提水不但需要密闭容器，还需要很大能量。第三，水是一种良好的溶剂。在绿色植物的生命中，水的一个主要作用就是（从土壤中）溶解营养并把它们输送给植物，但水也能溶解毒素（包括盐）。第四，水能够以悬浮的形式带走众多固体颗粒。流水对地貌的侵蚀就是把这样的固体颗粒带到了下游。

农民想要灌溉作物的水，是适量、适时、适速且含有合适（溶解的或悬浮的）成分的淡水。灌溉是增加植物供水的技术，排涝是减少植物供水的技术。

让水流动的主要能源是重力、人力、畜力、风和热力发动机（机械装置，比如内燃机，可将热能转化为机械能或电能）。拿灌溉来说，我们是从高处供水；就排涝而言，我们是在低处排水。

2004年3月的司马台大坝，位于北京以北。

灌溉

水渠灌溉系统的要素包括入口（水渠接入水源之处）、干渠（有时长达数千米）、一系列支渠（将水送到农民的田地中）及闸门（活动闸门可以控制进入支渠的水流，或者通过它们将系统设计成水同时流入所有的水渠）。

水渠将水从水源处送往田地。挖掘这些水渠的技术简单，几乎所有地方都发明出了这种技术。人们用挖掘棒、木锹和石锄来松土，这类工具古老且普遍，用篮子运走挖松的土。由于水会受重力影响而快速下流，所以人们可以轻易测试出水渠的坡度是否合适，如果出现错误就调整坡度。

多数灌溉系统都是所谓的“河水的流动”，灌溉用水（的来源）就是当时的河流。问题也存在，如水必须顺势而下，淤泥必须清除，人们为此发明了多种解决方案。灌溉系统存在的严重制约是环境中水分的变化，比如干旱让河流的供水变成了涓涓细流，就会危及庄稼。

应对这种变化的一种解决方案是在水库中蓄水。不过，在世界历史初期，蓄水是很罕见的。公元前4000年，在约旦沙漠的贾瓦城曾存在过一座蓄水坝。罗马工程师曾建了很多小型砖石蓄水坝，但这些水坝是为家庭而非灌溉提供用水的。美洲较早的一座水坝，是建于公元前800年的墨西哥普隆水坝（Purron Dam）。这座水坝用泥建成，其最高处达19米。它使用了近千年，可以蓄积超过300万立方米的水。普隆是墨西哥高原地区已知和仅存的两座蓄水坝之一。自19世纪末开始，人们在世界多数地区建造了众多大型水坝。机械、现代材料和大量的金钱投入是这些工程的核心特点。

早期以简单工具建立的灌溉系统大概分布广泛，但它们的存在很难留下印迹，因为后来的人在同样的地点利用相同的水渠路线重建了灌溉系统，所以研究者很难发现并找出它们最早出现的时间。不过，学者们认为他们有证据证明，灌溉很早就出现在了所有世界文明中。灌溉可能在新石器时代就存在了。修建这类系统的工具和社会组织早已出现。正因为有如此之多富有成效的设计，灌溉系统才在全世界和所有历史时期都存在。

排涝

排涝系统与灌溉系统相反。灌溉系统将大量的水运到田地上方，然后分成越来越小的部分以输送到田地。排涝系统则在该系统的下方[1]多处把少量的水汇集起来，接着汇集到更大的水渠中，最后把它们全部集中到农田系统的最低处。那么问题来了：这些排出的水要在何处安身？一直汇集一处，低洼田地将会受涝。除了归入更大水体（河、海），别无他法。在这一过程中，人们借助的能源是重力，使用的渠道仍是水渠。另一种排水技术是陶管。这种管子上有孔，被安装在田地的水渠中，然后用土埋起来。管子的尾端往往向着河床，以便排水。陶管很有效，但除了最富有洞察力的眼睛外，它们很难被人发现。

提水

因为水的重量和液态，人们数千年来一直在提水上存在困难。在公元前2000年的墨西哥瓦哈卡谷地，人们凭人力以壶罐提水来浇灌个别植物。在埃及，人们用桔槔（杆子的上方有根梁木，梁木的一头为平衡物，另一头是提水容器）可以提取大量的水。这时的桔槔是以人力提拉。长期以来，人们一直在挖井（竖井，从地表下通地下水），但大量提水却很困难。人们也用家畜助力来大量提水，但成果并不显著。

从土耳其到中国西部的干旱山区，到处都有坎儿井。从用井之处（通常是绿洲）挖一条通往山中的渠，它要缓缓地斜着上升，直到碰到含水土层。然后沿着坎儿井挖竖井，以清除泥土和便于维修。坎儿井在长度上能超过60千米。如果维护良好，它们可以供水数百年。

另一个增加人类提水能力的重大发明是风车，它在13世纪的西北欧脱颖而出。荷兰人通过建立护堤来从海中夺回低地，然后他们将水从护堤后的低地中排出。他们把几个大风车连在一起，用它们将水排出低地并倾倒进堤坝外的河海之中。不过，风车提水的高度是有限的，而且它们只在风速适中时才能运转。

在工业革命时期，热力发动机的到来解除了提水的限制。蒸汽机最早的任务之一就是带动水泵为受涝煤矿排水，后来的用途延伸到把水排出低洼之处和提水灌溉。水可以从地面的水源处（河或湖）或深井中汲取。今天，大量的灌溉用水是从地下深处获取的，如果不使用热力发动机来带动水泵，这一点很难办到。

随着内燃机的到来，小型水泵和发动机（用来带动水泵）的组合成为可能，只要农民有能力获取这样的设备并将其移动到需要它们的农场附近。尽管这套设备节省人力，但它们极为消耗能源。

灌溉技术上的现代创新是增压系统。人们使用的主要有两种：喷灌系统和滴灌系统。在喷灌系统中，水泵和发动机将水加压，然后通过一系列管道来运输。这些管道位于灌溉植物的上方，它们身上有多个喷嘴，喷出的水如同小雨。这种系统有两个优点：（1）水的利用效率大为提升（超过90%的水到达作物的根部区域，相比之下，渠道灌溉的用水效率低至50%）；（2）无须在土壤表面挖沟造垄，这就节省了人力和能量。一台小型电脑就能管理大量喷灌系统，节省更多人力。这些系统还能在水中携带化学品（化肥、杀虫剂）。这种技术最大的弊端是它的高耗能性。全世界都在使用喷灌系统，在空中1万米飞机上的人能够看到旋转型喷灌系统造成的绿色圆圈。

另一种增压系统是滴灌系统。滴灌系统主要在以色列（非常需要节约用水）产生，它用的是埋于根部区域的长塑料管，管上有孔，水通过塑料管输送并从孔中出来。在水中可以添加肥料和杀虫剂，直接送到根部区域。这些系统甚至比喷灌系统的效率还高，水的损耗接近于零，并且节约了施肥和喷药的人工。它的最大弊端，也是系统运营中的能量消耗。另一个不便之处，是管子上的孔会堵塞，这就需要把管子露出来（就是说要挖出管子），而这可能损伤庄稼。

历史上的水资源管理

数千年来，人们利用灌溉系统和排涝系统来管理水资源，并且在没有文字和科学实验室的情况下修建和运营着此类系统。多数人都清楚地知道水分胁迫（过多或太少）与绿色植物健康之间的关系。人们可以利用简易制作的粗陋工具松土、运土并挖掘水渠。从19世纪开始，人们开始科学地认识水、绿色植物、土壤、溶液、水文循环和光合作用，现在的相关知识仍受益于此。人们利用仪器（显微镜、温度计和天平）与物理、化学、解剖及生理等各门学科，获取了我们现在拥有的科学知识。

灌溉和排涝在世界史上影响巨大。灌溉和排涝让人们可以在原本很难或无法种植庄稼的地方春种秋收，而稼穑反过来又保证了大量人口的密集定居。这些技术在城市的出现中起到了重要作用，并在经济剩余、专职劳动分工、金属工具、天文学及其他科学的出现中起到了作用。不过，人们也在未必出现过城市和文字的地方（如马来群岛的新几内亚岛和美国亚利桑那州的霍霍坎人地区），修建和运营着水资源管理系统。

灌溉和排涝改变了一地的水资源平衡，并与农业一起改变了那里的植物和动物。为了庄稼和牲畜的安全生长，人们通常想着消灭本地植物和那些危险的动物。整个地区都以我们称之为驯化的方式改变了。但与此同时，我们也为产生和携带疾病（如疟疾）的小型危险动物提供了栖息地。福祸相倚。

加德满都以东，尼泊尔中部山区多样的水稻梯田，它们是非凡的工程壮举。这种灌溉系统显示了本地人是优秀的水土保持者。杰克·D.艾夫斯摄。

用来修建和运营灌溉系统与排涝系统的简单工具和知识在各地都有，而且这类系统大同小异。但随着工业革命到来，19—20世纪的欧洲殖民政府修建了大型的贮水水坝。虽然贮水水坝以前就有，但它们当时的规模却前所未见。今天，传统的系统被取代，到处都在用热力发动机搭配水泵来提水。重要的是，这种技术几乎随处可见。

未来

水资源管理前途未卜。世界人口仍在增长，而且这种增长将增加对食物和建筑空间的需求。世界上食物生产的很大一部分与灌溉相连，并且这个份额在不远的将来只会增加。获取建筑空间的简单方式就是排干沼泽。只要有工业技术和（便宜）能源，我们就有修建和运营大型水资源管理系统的技术能力。

但在修建贮水水坝的最佳地点上已水坝林立，而寻找新的水源将越来越困难。排干沼泽有着严重的环境影响。工业化人口是水资源的利用大户（厕所冲水、制造业、采矿、灌溉和休闲等），这就给农业用水量带来了越来越大的压力和制约。各种淡水利用（航运、休闲和生物多样性）的数量与强度都在增加。几乎所有国家，都没拿出解决水资源问题的明确方案。一条技术解决之道是提升我们的用水效率，科技将在其中发挥关键作用。问题不仅是技术方面的，水资源使用者的信念和期待也很重要，并且远比土壤、植物与水的性质难理解。

罗伯特·C.亨特（Robert C. Hunt）

美国布兰迪斯大学

另见《沙漠化》《海洋》《河流》《水能》。