构建生态流域理论体系支撑流域生态文明建设

黄强 邓铭江 畅建霞

摘 要：我国生态文明建设取得了可喜成绩，但是在流域生态文明建设过程中，缺乏系统理论支撑，尤其是欠缺全局性、系统性和科学性生态流域体系，迫切需要站在生态文明建设国家战略的高度，科学系统地创建生态流域的理论体系，助推生态文明建设、黄河流域生态保护和高质量发展。通过总结我国流域生态建设与保护的发展历程，分析国内外相关生态流域研究进展、发展趋势及其特点，以黄河流域生态保护和高质量发展为目标，提出了生态流域的新概念，阐述了生态流域的定义和内涵，并从水安全、水资源、水环境、水生态、水景观、水文化、水管理、水经济8个维度进行顶层设计，初步构建了生态流域的理论体系，并论述了黄河生态流域构建亟待开展的研究工作。

关键词：生态流域;生态保护和高质量发展;理论体系;顶层设计;生态文明建设;黄河流域

中图分类号：TV212;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.003

Abstract：China has carried out ecological civilization construction for more than 10 years and made gratifying achievements. However， lack of systematic theory， especially in the overall， systematic and scientific aspects， researches on ecological civilization need to rise to the level of national strategy in the construction of ecological civilization urgently， to create a theoretical system of ecological watersheds scientifically and systematically， which will promote the construction of ecological civilization and the ecological protection and high-quality development in the Yellow River Basin. Thus， this paper summarized the development process of ecological civilization construction in China and analyzed the progress， development trend and characteristics of relevant ecological studies all over the world. Aiming at the goal of ecological protection and high-quality development of the Yellow River Basin， it proposed a new concept of ecological basin and expounded the connotation， definition and schema of ecological basin. Based on water security， water resources， water environment， water ecology， water landscape， water culture， water management and water economy， it carried out the top-down design， built the theoretical system of ecological basin and discussed the key studies of ecological basin.

Key words： ecological basin; ecological protection and high-quality development; theoretical system; top-down design; ecological civilization construction; Yellow River Basin

1 背景和意義

生态文明建设是实现流域社会经济可持续与高质量发展的基础。2007年党的十七大报告首次提出要建设生态文明，2009年党的十七届四中全会将生态文明建设提升到国家战略高度，2012年党的十八大将建设社会主义生态文明写进了党章。2013年水利部发布《关于加快推进水生态文明建设工作的意见》，标志着我国水利发展正式步入生态水利阶段。2017年党的十九大提出建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。2018年4月26日，习近平总书记在深入推动长江经济带发展座谈会上强调：共抓大保护、不搞大开发，加强改革创新、战略统筹、规划引导，以长江经济带发展推动经济高质量发展。2019年9月18日，习近平总书记在主持召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会时强调：共同抓好大保护，协同推进大治理，让黄河成为造福人民的幸福河。生态文明建设重在保护、要在治理，必须坚持绿水青山就是金山银山的理念，坚持生态优先、绿色发展，以水而定、量水而行的原则，要因地制宜、分类实施，上下游、干支流、左右岸统筹谋划，共同抓好大保护、协同推进大治理。纵观国内外水问题和发展态势，水问题仍是影响经济社会发展和生态文明建设的关键障碍性因素;在传统水问题尚未得到有效遏制的情况下，新的水问题不断出现。如何科学识别和遵循水循环基本规律，诊断传统治水模式的不足，结合水问题的发展态势，革新治水模式，已成为学术界和政府部门面临的重要问题之一。

中国生态文明建设围绕流域生态退化和水环境恶化，先后开展了生态小流域和清洁小流域研究与建设工作，并进行了以水循环多过程为主线的流域生态综合治理研究及实践。但是，对生态文明建设缺乏系统性、全局性和普适性等全方位的研究，即缺少系统理论体系的支撑。流域不仅是人类进行各种社会经济活动的主要场所，而且是生物繁衍生息的栖息地，也是水、大气、土循环的基本单元，生态文明建设应该以流域为单元。解决生态文明建设问题的根本对策是，以流域为抓手，构建生态流域的新概念、新思路、新体系、新技术等，实现流域生态保护和高质量发展的目标。

我国已开展了10余年的生态文明建设，制定了许多相关政策，如水土保持、退耕还林还草、河长制等，取得了一系列可喜成绩。但是，纵观流域生态文明建设，仍然缺乏系统理论支撑，尤其是其研究欠缺全局性、系统性和科学性。因此，迫切需要站在流域的角度，构建全新的生态流域理论体系，包括定义、内涵、指标体系、评价标准和模式等。

黄河是中华民族的母亲河，但是黄河流域水资源短缺使得生产用水、生活用水、生态用水供需矛盾突出，同时存在水沙关系不协调、河道淤积严重、流域生态环境脆弱、生态功能受损、水资源保障形势严峻、发展水平不均衡、难以高质量发展等一系列问题。要让黄河成为造福人民的幸福河，亟待突破传统思路和理论体系，以生态流域的理论助推黄河流域生态文明建设和高质量发展。

2 国内外研究现状

生态流域是在保持流域生态系统结构和功能健康的前提下，通过制定和实施流域总体规划，使流域内的一切生产及生活活动与流域生态系统的承载力相协调[1]。目前，在河流健康、生态修复、生态调度等方面已开展了大量研究，取得一些研究成果。李春晖等[2]指出，流域生态健康评价指标包括生物、水质、水文、栖息地、社会经济和人类健康等六方面;Petersen[3]以河岸带土地利用指标、生物指标以及河道物理指标为评价指标体系，对流域生态系统进行了健康评价;江海[4]将流域内环境、资源、社会、经济在内的诸要素看成一个整体，研究了流域环境管理体系。生态流域建设的目标是实现人类生产生活与流域复合系统的结构功能相适应，通过对流域结构和功能的识别，确定流域保护区的等级，合理规划林、田、路、渠等生态要素，构建生态缓冲带等，尽量减少人类活动对生态系统的干扰。但是，生态流域的概念刚刚提出，有关研究才起步，可参考借鉴的文献资料较少。

生态水文模型可以分为两类：第一类，着重考虑植被对水文过程，尤其是土壤水分过程的响应，即考虑不同目标函数的流域生态水文优化模型[5];第二类，在更长、更大的时空尺度，考虑植被、水文和气象系统之间的互馈机制，即基于过程模拟的流域生态水文演化模型[6]。目前，与水文变量建立联系的生态变量主要有植被覆盖度、叶面积指数、生物量、植被密度等[7-8]。生态变量对水文变量的依赖关系，是植被数量演化方程中的一类基本结构关系，也是生态水文学研究的基本内容之一。国内外学者对流域生态水文的研究主要集中在工程对河流情势的影响、生态基流量的估算、基于生态调控的水资源管理等方面。流域水文学正在从以单一水循环过程为主要研究对象，发展为以研究水分、能量与物质耦合循环以及水文过程与生态过程的相互作用等为主要内容的综合性、交叉性学科[9]。关于流域水文过程与泥沙、水质、生态之间的关系研究多集中于单一作用的研究，如水文过程对植被的影响研究、植被变化对水文过程的影响研究等[10]。目前，对水文过程与泥沙、水质、生态之间的多过程耦合机制，以及对流域内水文-泥沙-水质-生态全过程耦合复杂系统的研究不足，有待突破。

河流生态需水量是维持河流健康的基础，其主要包括河道内生态需水量和河道外生态需水量。河流生态需水量研究方法包括水文学法、水力学法、栖息地法以及综合法[11-12]等。目前，河流生态需水量概念呈现出多样化的特征，河流生态需水量计算的方法体系尚不健全。河道生态基流作为河流生态需水量中的重要部分，主要防止河道萎缩或断流，维持河流的基本生态环境功能。我国北方河流普遍存在河道生态基流难以得到保障的问题。河道生态基流的计算方法较多，将水文实测数据和特定水生生物（如鱼类、大型底栖无脊椎动物和大型水生植物等）信息相结合，建立研究区域细致、精确的栖息地适合度模型，是确定河道内生态基流的有效方法之一[13]。

在全球气候变化和日益加剧的人类活动影响下，河流生态系统受到了严重威胁，如何有效保护和维持河流生态系统健康已成为研究热点之一，其中确定合理的评价方法是开展河流健康研究和修复的基础[14]。我国河流生态健康评价和修复工作起步较晚，评价方法主要借鉴西方国家的研究成果[15]，修复技术主要借鉴湖泊修复的方法[16]。我国幅员辽阔，自然地理条件千差万别，因此亟待建立适应我国不同自然地理条件的河道健康评价方法。在此基礎上，开发适用于我国不同地区的河流生态修复方法势在必行。

在陆域生态修复技术和策略方面，国内外经历了从坡面尺度的就地治理，到流域的综合治理，再到区域尺度的可持续发展宏观布局的演变。在此过程中，不同技术和策略越来越多地考虑了生态工程及其效益的可持续性。根据区域经济发展优势分异特点，采用优化的治理措施，提高水土资源利用效率，减轻整体环境压力，从而实现生态保护和经济发展兼顾的可持续目标[17-19]。在水域生态修复技术方面，我国水生态保护与修复技术主要参考国外技术和案例，缺少对国情的深入分析，有必要针对我国水生态状况，开展科学、系统的水生态保护与修复理论研究，评估其水生态系统功能，提出适宜我国的水生态保护与修复技术[20]。

水资源调控主要是利用有调节能力的水库对流域水资源在时空上合理调配，充分考虑各类生态要素是流域水资源生态调控的前提[21]。传统的水资源配置与调度存在重生活和生产用水，轻生态需水的情况，如只考虑河道生态基流，普遍存在挤占生态需水的现象。随着经济社会的快速发展，水资源调控目标不再单纯追求经济效益最大化，面向社会经济、水资源与生态环境协调发展的水资源综合调控成为研究的热点[22-23]。进入21世纪以来，国内外学者应用可持续发展理论、协同学理论、控制论等系统科学理论，将流域生态需水和区域经济社会发展以及产业布局调整相结合，就水资源调控的理论、模型和方法等进行了深入研究，取得了丰富成果[24-25]。但是，针对当前环境剧烈变化和缺水流域，考虑水文、泥沙、水质和生态多个过程的水资源调控理论和方法研究仍显不足。

3 生态流域的定义及内涵

生态流域的理念是在破解生态文明建设难题的新时代背景下提出的。要全面实现流域生态保护和高质量发展的目标，应当跳出传统的流域水资源开发利用禁锢，将水作为关键生态要素之一，从流域全视角、水资源-生态环境-社会经济统筹协调发展的多维度、全过程，建立生态流域理论技术体系，将工程水利、环境水利、资源水利的发展成果，融合自然和人工生态系统，以及社会-经济-自然复合生态系统，站在中华民族永续发展的高度，科学系统地研究生态流域理论，以助推生态文明建设与生态水利事业发展。

生态流域是新时代生态文明建设的产物，借鉴工程水利、环境水利、资源水利、生态水利的发展历程和概念，给出生态流域的定义：统筹考虑流域的社会-经济-生态问题，以水循环天然和人工调节为主线，在保持流域生态系统结构和功能健康的前提下，以流域生态文明、社会经济高质量可持续发展为目标，通过流域总体规划、设计、建设和管理运行，使流域内人类的生活、生产活动与生态系统的承载力相协调，基于全视角、多维度、全过程等生态水利思路，构建流域生态保护、水资源合理开发与高效利用模式，对生态、环境、社会、经济子系统等主要因子进行多层次、多目标、多阶段的协同调控，保障流域山青、水净、河畅、湖美、岸绿，实现流域社会-经济-生态系统的统筹协调发展。

（1）认知的升华及系统性。从我国近代水利的发展历程（工程水利—环境水利—资源水利—生态水利）可以看出，每个阶段的发展都与当时的国家需求、科技进步和社会发展等密切相关。水利的范畴很广，但主要对象是江河流域，主要任务是防洪、供水、灌溉、发电、航运、旅游和生态环境保护等。从我国流域开发利用的历史看，早期主要是建堤、筑坝，兴水利防水患，如在河流上修建规模庞大的梯级水电站，形成了流域水资源开发利用模式;后来，水污染问题日益突出，开始进行流域水污染控制，形成了流域污水处理、水环境控制模式;20世纪末，逐渐认识到河流生态和河流生态流量的重要性，形成了流域生态修复模式;21世纪初，随着海绵城市、生态工程建设，形成了流域多层次水生态智能保障模式。近十几年来，随着生态文明建设，以及流域生态保护和高质量发展目标的提出，亟待建立流域开发利用的新模式，因此生态流域概念应运而生。生态流域是国家需求和科技进步的体现，需要我们去探索和创新。首先必须转变过去流域开发利用的模式，在流域水资源综合开发利用、水污染控制、生态修复等基础上，根据流域动物、植物和微生物的微观用水需求，从微型生态系统平衡的维持到全流域生态结构、景观格局的塑造等，形成生态保护和高质量发展的生态流域。

（2）全视角与多维性。从传统的流域水资源综合开发利用模式演变为流域水污染控制、生态修复等，是从行业利益、工程思维升华到整体的、系统的、和谐的综合科学思维，从单元的、单维的水利过程上升到全视角、多维度、全过程、多目标、可持续的综合调控过程，满足全方位、全流域时空协调、平衡发展的要求，是生态流域的核心思想。基于“社会-经济-生态”复合系统构建生态流域体系需要核心理论技术支撑。因此，筛选复合系统中总量、质量、结构、效率等主控多维要素，构建生态流域理论体系，可为流域生态安全、生态调度、生态修复、水资源高效综合利用等提供科学依据。

（3）过程的完整性。流域规划、设计、建设、运行调度、管理是一个完整的过程，在这个过程中必须全面贯彻生态流域的思想，特别是流域水资源开发利用具备一定规模后，全生命周期的工程安全和生态安全是两项最为重要的使命和责任。流域内的水利工程，都应当纳入全流域水资源综合利用和生态环境保护行动，如将“生态目标”嵌入兴利调度的简单调控过程转变为“后坝工时代”大尺度生態调度的综合调控过程，即全流域-大空间尺度、长系列-大时间尺度、水循环-大系统尺度，充分发挥生态调度对生态恢复和保护的重要作用。将水利工程全生命周期的生态调度和生态安全纳入生态流域的全过程，是该定义的一个重要内涵。

（4）学科的交叉性。生态流域需融合水文学、水力学、地貌学、地理学、生态学、环境学、资源学、经济学、水利工程学等传统学科与现代信息技术，构建以生态保护和高质量发展为目标的生态流域理论体系。将生态水利与生态文明建设结合起来，探索将“绿水青山”转化为“金山银山”的流域开发利用创新路径，是可持续发展的必然选择。按照生态学和水文学原理、水资源高效利用原则，遵循自然平衡法则和发展规律，建立良性循环和可持续利用的流域生态体系。通过生态规划、生态设计、生态监控，建设与自然和谐相处，与周边景观协调的以人为本的生态流域，以实现流域山青、水净、河畅、湖美、岸绿的生态目标。

生态流域理念秉承了生态文明和生态水利思想，以山水林田湖草生命共同体的生态保护和高质量发展为目标，以顺应自然、尊重自然、保护自然三大理念为核心，采用现代交叉学科的理论与技术，实现地表-土壤-地下多过程、水量-水质-泥沙-生态的联合调控，系统解决生态保护问题。顺应自然指，以流域水循环多过程为主线，充分发挥流域对水循环的天然调节作用;尊重自然指，规范人类水土资源开发活动，自律式发展，以绿色发展模式、绿色生活方式为主线，减少对自然水循环的扰动;保护自然指，优先布局绿色基础设施（林草地等）和蓝色基础设施（河流、湖泊、湿地等），合理布局地表灰色基础设施（水库、堤防、渠系、泵站、水井等）。

4 生态流域的理论体系构建

生态流域建设以流域为对象，主要目标是阐明生态流域的概念及其内涵，制定生态流域标准，构建生态流域评价指标体系和模式，揭示生态流域的水循环机制、保护机制、流域水文-泥沙-水质-生态的多过程耦合关系等关键科学问题，提出生态流域的关键技术，集成生态流域综合调控与协同管理平台，并开展生态流域关键技术的应用及示范，创建生态流域的理论和关键技术，为实现流域生态文明建设提供科技支撑。

生态流域的构建思路是，保持水资源的可再生性、持续性、协同性等，以流域水文、物理、化学、生态等多过程为主线，规范人类水土资源开发活动，减少对自然水循环的扰动，实现流域生态保护和高质量发展。生态流域的理论融合了生态学、水文学、系统工程学、水力学、气象学、地理学、经济学、环境学、水利工程学、信息技术、计算机技术等传统学科与现代信息技术，是一项多学科交叉的理论与技术，其理论体系见图1。

生態流域应从水安全、水资源、水环境、水生态、水景观、水文化、水管理、水经济8个维度进行顶层设计，满足水资源再生、生态多样、环境优美、经济发达、社会文明的需求，是解决流域生态保护与高质量发展的根本对策。生态流域需要理论创新，如识别生态水文过程中发生灾难性衰退的临界点;揭示生态流域各要素及其信息、能量、物质演变规律，水文模型中引入植被演化模型，以实现水文-生态过程的耦合模拟，优化流域三生用水（生活用水、生产用水、生态用水）空间布局，建立水量-水质-泥沙-生态的联合调控模型，提出生态流域生态保护与高质量发展模式，基于多学科交叉创建生态流域学的理论与方法等。同时，需要技术创新，如生态缓冲带保护与修复技术、平原生态修复带的保护与修复技术、生态流域水沙分区调控技术、生态流域综合评价技术、流域水-生态-社会经济协同调控技术、基于多源信息融合及大数据的综合调控与协同管理服务平台构建技术等。

以黄河流域为例，生态流域构建亟待开展的研究工作如下。

（1）生态流域内涵及多学科交叉理论研究。采用多学科交叉理论与方法，探究黄河生态流域内涵，制定生态流域标准，建立生态流域评价的指标体系，提出黄河生态流域可持续发展模式，揭示生态流域的水循环机制、保护机制等。

（2）生态流域防洪、抗旱体系构建技术。揭示流域洪水、干旱过程的演变规律，完善黄河防洪抗旱体系，保障流域安澜，确保大堤不决口、农业旱涝保收。

（3）水生态保护与修复技术。构建黄河生态流域安全保障体系，包括黄河源区、上中下游、河口区，以及湖库与湿地水生态系统，提出生态保护与修复技术与方案，确保生物多样性。

（4）水沙稳定机制及调控技术。针对流域水文-植被-地貌耦合单元，揭示水沙稳定机制，提出黄河生态流域水沙调控方案与关键技术，确保河床不抬高。

（5）水质改善和水生态健康保障关键技术。针对黄河生态流域水质和水生态健康问题，提出流域内水质改善和水生态健康保障方案，攻克流域水质改善和水生态健康保障技术难题，确保河流不污染。

（6）流域水文-泥沙-水质-生态多过程耦合技术。建立黄河生态流域水文-泥沙-水质-生态多过程耦合模型，攻克水文-泥沙-水质-生态多过程耦合难题，获得调控阈值。

（7）生态流域节水、调水、配水多过程耦合调控技术。在变化环境下，针对黄河生态流域水资源-生态-经济协调调控难题，提出适应环境变化的生态流域水资源调控技术，加快海绵城市建设和灌区现代化改造，推进城镇居民、工业和农业的高效节水，加强节水监管等，确保黄河功能性不断流。

（8）健康评价与生态修复综合保障技术。构建黄河生态流域评价指标体系，评价生态保护效果，提出生态流域生态评价与综合保障技术，确保黄河健康。

（9）生态流域综合调控与协同管理平台集成与示范。集成黄河生态流域调控平台，开展生态流域综合调控与协同管理业务，进行生态流域综合调控与协同管理应用示范。

（10）黄河水文化建设。加强黄河生态流域的文化遗址保护，系统开展文化挖掘，强力推进文化传承，大力弘扬黄河水文化。

5 结论与展望

5.1 结 论

我国已开展了10余年的生态文明建设，取得了可喜成绩，但缺乏系统理论支撑，尤其是欠缺全局性、系统性和科学性生态流域体系。因此，迫切需要站在生态文明及中华民族永续发展的高度，科学系统地创建生态流域的理论与技术，助推生态文明建设、黄河流域生态保护和高质量发展。

生态流域是社会文明进步的产物，应当集成相关研究成果，融合多学科交叉理论、现代科学技术和生态文明建设思想，探索生态流域理论体系，与时俱进地发展生态流域的理论和关键技术。流域是水、大气、土循环的基本单元，以山水林田湖草生命共同体的生态保护和高质量发展为目标，借鉴工程水利、环境水利、资源水利、生态水利的发展历程和概念，提出了生态流域的定义、内涵和模式，为生态流域构建奠定了基础。从水安全、水资源、水环境、水生态、水景观、水文化、水管理、水经济8个维度进行生态流域顶层设计，初步构建了生态流域的理论和关键技术，并提出了黄河生态流域构建亟待开展的研究工作。

5.2 展 望

本文给出的生态流域定义和内涵，提出的生态流域理论体系和模式等，还是一个初步的研究框架和构想，作为水利发展的一种新动态、新理念、新体系、新模式，仍需相关交叉学科的专家、学者开展广泛深入的研究。当前，黄河流域面临洪旱灾害频发、水资源短缺、三生用水矛盾突出、生态环境脆弱、水资源保障形势严峻、经济发展能力低等诸多问题，我国已逐渐认识到良好生态环境的重要性，并把生态保护与高质量发展上升为国家战略。因此，笔者认为黄河为生态流域的研究、示范和实践提供了大舞台，开展生态流域研究与实践正逢其时、大有作为。

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【责任编辑 吕艳梅】