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科学家建议:中国应及早部署水科学战略研究

2020-03-03 00:35:20
“开发水资源、治理污水是一项极为庞大艰巨的工作,绝对不是仅靠一些科研人员的努力就能达成目标的。治理污水是发展中国家亟待解决的大问题。而中国位居发展中国家之首,有责任在这方面作出贡献。”   近日,美国加州大学伯克利分校物理系教授、美国科学院院士、中国科学院外籍院士沈元壤向中科院递交了一份关于开展水科学战略研究的建议书。   “中国应及早部署以解决水危机为长期目标的多学科交叉的水科学战略研究。”沈元壤对《科学时报》表示,“在世界大部分地区,水危机将比能源危机爆发得更早。”   目前的技术体系无法满足需求   水危机,主要是指生活所需洁净水的缺乏。联合国最近的报告指出,20年内水危机必然爆发,这将对中国及发展中国家的经济和生活环境造成极大影响。   沈元壤认为,虽然现在已经有很成熟的污水过滤、海水变淡水等工业技术,但在效率、价格等方面还亟待改善。   中科院生态环境研究中心研究员潘纲在接受《科学时报》采访时也表示了同样担忧:尽管近年来国家在水污染治理方面投入了巨大的财力、人力、物力,但现有水质改善及天然水体修复技术大都是在传统的理论框架下改进或组合,在成本、效果和效率上还远不能满足水质危机高效控制的国家需求。   潘纲以湖泊治理为例介绍,由于近年来我国湖泊受人类活动的影响剧烈,污染控制和综合流域管理越来越被公认为治理湖泊的首要任务。“有些人认为,现有的湖泊治理技术不会在技术原理上有大的发展,主要是传统技术的集成和组合,但实际上有些现有技术从原理上就存在着规模、生态安全和效率等方面的局限性,难以满足大面积、高效率、低成本的湖泊治理实际需求。”   2008年,国务院批准国家发改委提出的1300亿元的太湖流域治理项目,滇池污染治理到2012年也计划投入1000多亿元。但据专家预测,像太湖、滇池这样的大型湖泊,即使实现了零污染排放,也至少需要几十年才能恢复健康的水生态系统。   “如果从多学科交叉的基础研究上提出解决现有技术原理固有缺陷的新原理,则有可能在搞好综合流域管理的同时,大大加速湖泊治理的进程。”潘纲说。   多年从事水的表面及界面科研工作的沈元壤,还参加了美国国家科学基金会(NSF)水纯化科研中心的团队,对水的研究问题逐渐形成了自己的看法。他以污水处理为例介绍,处理污水主要是将水中有害的无机有机杂质、病菌等清除或变成无害。用的方法一般有化学处理、光催化作用、蒸馏、过滤等。   “需要由科研来解决的问题是,如何用更少的能量、更少的费用净化污水,取得更多可饮可用的水。”沈元壤认为,这些问题牵涉到物理、化学、生物、材料、工程等各方面科研的结合。   2008年第452期《自然》上一篇题为“Science and Technology for Water Purification in the coming Decades”的文章,对目前污水净化的应用科研情况也有相当清楚的描述,文章指出了当前污水处理问题的症结所在,即研究的进展往往受阻于对材料、物化机理等基础研究的认识不够,也就是应用科研还需要基础科研的辅助。   缺乏整体性研究计划   英国政府首席科技顾问约翰·贝丁顿3月31日在中国农业科学研究院的主题演讲中就发出警告:到2030年,全球能源需求将增长50%,食物需求将增长50%,水资源需求将增长30%。一场世界性的食品、水资源和能源危机可能很快就会到来。   正是基于水资源的重要性和水资源危机的紧迫性,世界各国在加强水研究方面都不遗余力,像西方国家在水的基础科研方面长期以来就有很大的投入。但遗憾的是,西方国家至今也没有一个整体性的研究计划。   更令沈元壤担忧的地方是:“至今人们对水的基本结构及性质仍不很清楚。”另一方面,水的基础科研与应用科研结合也不够紧密,对促进开发治理污水的新技术还没有起到应有的作用。至于应用科研方面,也没有很强的整体计划。   此外,美国能源部(DOE)还明确表示,对水的科研不重点支持。美国NSF也只以10年为期资助了一个主题为水纯化的科研中心,规模很小,影响也十分有限。   沈元壤认为,西方国家没有水研究方面的整体性计划很容易理解,因为对西方国家而言,水资源还不是一个紧迫的问题,不需要作为国家重要战略来考虑。因此,目前国外在水方面的研究仍处于一种自发和零散的状态,这使中国没有现成的经验与技术体系可以借鉴。   不过,水资源危机不仅对我国可持续发展是一个挑战,同时对我国科学体系的发展也是一个难得的机遇。潘纲建议,我国应及早部署、建立多学科交叉的水科学综合研究平台,适时进行国家级战略部署,有效地整合我国在各个学科已有的优秀科技人才,以使我国的水科学、水技术领域走在世界前列,为高效解决水危机这样的重大国家需求提供科技支撑。   沈元壤指出,中国如想在水的科学研究方面获得成功,必须有一个完善的中长期计划,建立一个跨学科的强有力的科研团队——成员需来自不同的有关学科,基础与应用基础科研按比例并重,互相之间能紧密合作,有意共同努力迈向改善污水处理方法的重大目标。   “如果政府有完善的计划,领导持续强力投入水的科研,我国科学家有可能在这一领域超越世界,成为真正的先驱者。”沈元壤认为,由于水科学还直接牵涉到能源问题(如发电厂需要水冷却,阳光可以分解水为氢和氧等问题)、材料科学、环境科学(如水在自然界如何溶解矿物质、传递营养等问题)、生命科学等重要领域,水科学的研究也会带动中国其他许多前沿学科的发展。   建立多学科交叉的水科学研究平台   2008年,潘纲所带领的团队提出的水华与湖泊综合治理技术顺利通过了在无锡太湖示范工程的验收,无锡市将该技术作为今后无锡太湖水华控制的重要技术之一。   记者在潘纲的电脑中看到了这项技术在无锡太湖现场示范的系列图片:通过一次性喷洒经过改性的当地土壤材料,湖泊里的水华就可以被清除,水质逐渐变清,水体和底质的厌氧状态可以被快速修复,这又为沉水植被修复创造了条件。   据悉,这一新原理可望突破现有湖泊治理技术在效率、成本、生态安全、多功效等方面的瓶颈限制,使水华和湖泊的原位治理实现大规模机械化操作。几艘基于该技术的自动化喷洒船即可实现近百平方公里水域水华灾害的有效控制。   “我们正是从多学科交叉的前沿基础研究中提出与现有技术体系不同的研发方向,从而实现技术和工程上的突破。”潘纲说,研究人员根据表面科学中的新原理、新方法,通过添加微量的天然物质对固体表面进行一系列的改性,使取自任一湖泊岸边的土壤变成水华清除和湖泊修复的高效、廉价的生态型材料。   “通过这个例子可以看出,基于化学、物理、环境、生态等多学科交叉的基础研究,有可能为发展突破性的水质改善技术开辟重要的研发方向。”潘纲说,水危机是宏观尺度上的问题,但要克服现有技术体系的局限,推动相关技术的革命性发展,往往需要深入开展基础层面的科学研究。   潘纲说,事实上,我国在水科学的研究领域已经涌现出了不少一流水平的基础研究成果,但长期以来由于传统研究体制的限制,没能形成一个多学科交叉的水科学技术综合研究平台,使这些基础研究成果尚未在解决水危机这样的重大国家需求方面发挥应有的重要作用。   沈元壤也认为,“以目前中国的国力来衡量,经费应该不是问题,科研人才的不足及不同学科的科研人员无法合作无间才是关键之处。”   2008年11月,以“水科学研究中的若干基础前沿问题”为主题的香山科学会议第334次学术讨论会在京举行,与会专家不约而同地提出了我国应建立多学科交叉的水科学综合研究平台的建议。   “必须从国家层面进行战略部署,探索多学科交叉的研发模式,才有可能提出更有效的原理与技术,维持国民经济的可持续发展。”潘纲说。而水科学的基础研究只有在国家层面,在政策性的战略部署与引导之下进行,才能突破现有的概念,使涉及水的技术领域产生根本性的变革,产生新的发展方向,使我国水科学的研究从原有的“消防员”式的解决迫在眉睫的短期问题,过渡到具有前瞻性规划的科学发展轨道上来。  
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