流域系统科学初探

江恩慧，王远见，田世民，李军华，许琳娟，张向萍

（1.黄河水利科学研究院 水利部黄河泥沙重点实验室，河南 郑州 450003；2.河南省湖库功能恢复与维持工程技术研究中心，河南 郑州 450003；3.河南省黄河水生态环境工程技术研究中心，河南 郑州 450003）

1 流域系统科学的提出背景

人类社会的发展史某种程度上就是一部人水关系演变史。早期人类傍水而居，水退人进，水进人退，河流自身演变主导了人水关系。随着人类社会和工程技术的不断进步，人类在人水关系中逐渐占据主导地位，尤其是第二次工业革命后，河流受到人类的强烈干扰。水库大坝建设显著改变了河流的天然形态与水流过程的时空分布，在获得防洪、发电、航运、供水等效益的同时，对原有自然生态系统也造成了不利的影响；工业和生活污水污染了河流，粗放用水方式导致干旱半干旱区一些河流出现断流、干涸甚至消失。因此，人们开始反思对待河流的态度，1938年德国学者Seifert 提出“近自然河溪治理”观念，标志着河流生态修复研究的开始[1]。1950年代，德国提出了“近自然河道治理工程”，强调生态系统及影响因素之间的相互制约和协调作用[2]。

保障河流自身安全是其为经济社会可持续发展提供支撑的前提。不同类型河流/河流系统，由于主导因素的千差万别，维持河流自身安全的条件也不同。对于多沙河流，泥沙的侵蚀、输移与沉积是必须考虑的重要因素；同时，由于河流/河流系统的空间尺度较大，流域内的水文特征、地形地貌、生态类型等往往差异极大，造成维持河流生命永续存在的需求也不相同。流域上中下游不同区域的水生态与水环境，既是一个整体又具有显著的空间异质性，不同生态类型、生物群落演变和演替的时间尺度也存在差异，不同区域之间互为边界和约束，且不断进行着物质、能量和信息交流[3]；此外，流域内亦或受水区范围内的社会经济发展的不均衡性普遍存在，河流自身、生态环境、社会经济各要素之间的相互作用关系及其造成的问题表现形式复杂多样。如珠江流域西江上游经济欠发达的广西段污染物总量相对较小，水质尚好，下游广东段水质明显变差[4]，但随着高耗水、重污染企业向上游转移，情况已在发生变化。

因此，流域所面临的各种问题不是孤立的，流域系统治理保护与区域社会经济可持续发展的有机协同是社会进步的必然选择。由于自然禀赋和社会经济发展程度的差异，河流上中下游的水安全保障需求具有显著的空间差异性，必须从流域层面统筹协调水资源的优化配置；从流域整体出发进行生态修复或从生态系统健康的角度综合整治流域生态环境，已成为流域治理保护和开发的重要抓手[5]；以水为脉，统筹山、林、田、湖、草、城的流域系统治理保护方略，成为研究者与决策者的必然选择[6]。所幸的是，许多学者已经从水环境承载力[7-9]、水足迹[10-12]、水环境生态安全[13]等不同视角，研究社会经济与水环境的协调发展。国际社会致力于流域综合管理[14]，全面提高流域水安全保障能力[15]，实现流域协调的治理实践，也正逐步得到广泛认同。

流域系统的水文泥沙-生态环境-社会经济各要素自身的良性运转和彼此间的协同发展，存在着复杂的博弈关系，例如，人类社会必需的各种服务功能的充分发挥容易引起各类自然生态环境功能的失调，从而降低流域系统的自然生态环境功能；良好的自然生态环境功能的发挥必然会给人类社会经济的发展施加种种限制，从而削弱流域系统的人类社会服务功能[16]。正是由于流域系统各要素之间存在的复杂联系，要求必须跳出流域内部任何一个单元的治理目标，将流域作为一个既有开放边界与外界进行物质与能量交换、又相对封闭具有明确的地理边界和治理保护目标的复杂巨系统，通过水利、经济、社会、生态和环境等诸多自然科学及社会科学的学科交叉[17]，将系统科学的理论方法和地球系统科学研究模式引入流域系统的研究，构建兼顾流域系统河流行洪输沙-生态环境-社会经济多维功能协同发挥的流域系统治理理论与技术体系，孕育并发展流域系统科学这一新的学科方向，为流域系统治理保护和社会经济高质量发展的战略布局与协同推进提供有力的研究工具和坚实的科学支撑。

2 流域系统及其科学方法的演变历程

2.1 从河流到流域系统

2.1.1 从河流到流域 河流是水沙输移的重要通道。早期对河流的研究主要集中在传统的水文泥沙领域，以河床演变学、泥沙运动力学等学科为支撑，研究水流泥沙在河道内的输移和沉积过程及对河流演变的影响[18-20]。随着认识水平的不断提高，水文泥沙研究逐步由河道扩展到流域层面，通过建立分布式水文模型等模拟流域产汇流过程，揭示流域产汇流机理[21]，分析降水、产流及河道洪水演进规律，探讨流域来水来沙与河床演变的关系[22]。钱宁等[23]在系统开展流域面上水土保持和下游河道河床演变的现场观测后提出，多沙河流的治理不仅要改变下游河道的边界条件，还应同时考虑上游水库工程，合理调节水沙过程。王光谦等[24-25]提出了流域泥沙的概念，建立了流域泥沙动力学模型，模拟流域泥沙侵蚀和输移运动，将泥沙研究从河流拓展到了流域尺度，标志着河流研究开始“上岸”。

2.1.2 从流域到流域系统 1980年代以来，随着社会经济的快速发展，人类社会对河流/流域的干扰不断增强，成为影响流域演变的重要因素。在水文水资源研究方面，随着世界性水危机凸现，从河流/流域层面开展研究已经不能满足需求，王浩等[26-27]构建了自然-社会二元水循环评价体系，充分考虑了人类活动对水文过程和水资源循环过程的影响。刘宁[28]提出了水基系统，将其视为水及与其相关的涉水介质和涉水工程构成的基础生境承载系统。李少华等[29]提出了水资源复杂巨系统的概念，将水资源、人口、社会、经济、生态、环境等均视为水资源系统的子系统。在泥沙研究方面，随着大规模的人类活动改变了流域下垫面条件，进而深刻影响了流域侵蚀产沙过程与进入河流的水沙关系，使得人为因素对流域水沙关系的影响成为当前研究重要内容之一[30-32]。

随着河流污染的加剧和社会生态环境保护意识的觉醒，流域环境治理与生态修复日益受到人们的重视。其中，流域环境治理的概念发展同样经历了从河流到流域系统的发展过程，研究者的关注重点从直接的河湖水质污染控制与治理逐渐发展到了陆域-水域的系统环境治理[33]，通过产业结构调整、生产生活用水全过程污染控制、末端治理等手段，实现流域面源、点源污染的源头控制和逐步消减；而流域生态的研究对象也从生物及其与生境之间的关系，逐渐拓展到生态系统的结构和功能，及其与河流和人类社会的相互作用关系。河流生态学在发展过程中不断与其他学科进行交叉[34]，流域生态学[35]、区域生态学[36]应运而生，以流域为整体开展生态修复[37-38]，将生态环境子系统和社会经济子系统结合起来进行研究的思想日渐深入人心。

在流域管理方面，由于涉及到不同的利益相关方，流域管理机构、地方政府、各类企业、社会大众等，基于不同的权力、利益诉求，往往存在着各种矛盾和冲突[39]，导致一些流域重大决策长期议而不决，如黄河上游黑山峡河段的综合利用、西线南水北调工程的论证等，原因之一就是缺乏站在流域尺度和国家安全的高度，统筹考虑生态安全、供水安全、能源安全等方面的长远战略需求和布局，统筹考虑流域间不同区域和流域内上下游的博弈协同关系。因此，流域层面涉及的水文、泥沙、生态、管理、人类活动等问题，已经超出了其自身学科的范围，彼此之间的相互作用、相互制约及互馈效应，都需要研究者从流域系统的角度去审视和深入探讨，系统研究流域系统治理保护面临的各种挑战和问题，谋划流域社会经济可持续发展和治理保护的战略布局，阐明其长远效应和利弊趋避策略。

2.2 从系统科学到流域系统科学

2.2.1 从系统科学到地球系统科学 系统普遍存在于自然界和人类社会[40]，系统科学是研究系统内部运行过程及系统间复杂作用关系的一门学科。狭义的系统科学一般是指贝塔朗菲著作《一般系统论：基础、发展和应用》中所提出的将数学系统论、系统技术、系统哲学三个方面归纳而成的学科体系[41]，而更广义的系统科学则包括系统论、信息论、控制论、耗散结构论、协同学、突变论等一大批学科在内，是20世纪中叶以来发展最快的一门综合性科学，并已在各行业得到广泛应用[42-45]。此后，研究者们又提出了地球系统科学，把地球看成一个统一系统，探索大气、海洋、冰、固体地球以及生物系统等各部分以及不同时间尺度的过程之间的相互作用[46]。在该学科体系内，研究者认为地球已进入了人类世的新纪元[47-48]，面临温室效应、物种灭绝、淡水资源短缺等全球环境问题[46]，必须把地球作为一个由相互作用着的各组元或子系统组成的统一系统，才能回答人类所面临的一系列紧迫环境问题[49-50]。我国学者也开展了相关研究，提出了地球系统科学与可持续发展战略科学基础[51]，形成了地球系统科学与地球信息科学[52]等理论技术体系。

2.2.2 从地球系统科学到流域系统科学 在地球系统科学的基础上，研究者提出了未来地球计划和数字地球[53]。2012年，国际科学联盟发起了未来地球研究计划，整合了世界气候研究计划、国际地圈生物圈计划、国际生物多样性计划和国际全球环境变化人文因素计划[54]，开展自然科学和社会科学的联合研究。数字地球是一个开放的复杂的巨系统[55]，其核心思想是用数字化手段最大限度地利用信息资源[56]，将区域可持续发展问题与全球变化、大尺度资源环境问题和全球经济一体化紧密联系起来。

近期，我国著名学者程国栋院士提出了流域科学的概念，将流域视为地球系统的缩微，在流域尺度上开展“水-土-气-生-人”的集成研究，考虑水文和生态系统的自组织性如何影响流域系统的功能，以及人的因素如何被集成到流域水文学和流域生态学中[57]。高吉喜[36]提出了区域生态学的概念，以流域、风域、资源域为研究对象，基于结构完整性、过程连续性、功能匹配性等新理念，系统构建了区域生态学的研究方法体系。

钱学森[40]基于他提出的复杂巨系统概念，在详细了解了黄河治理的复杂性后指出，“中国的水利建设是一项长期基础建设，而且是一项类似于社会经济建设的复杂系统工程，它涉及人民生活、国家经济。”“对治理黄河这个题目，黄河水利委员会的同志可以用系统科学的观点和方法，发动同志们认真总结过去的经验，讨论全面治河，上游、中游和下游，讨论治河与农、林生产，讨论治河与人民生活，讨论治河与社会经济建设等，以求取得共识，制定一个百年计划，分期协调实施”。流域系统既具有陆地表层系统的复杂性，同时又与外界保持着物质、能量和信息交换。流域系统治理是一项复杂的系统工程，需以系统论思想方法为统领，把流域内的河流系统、生态环境系统、社会经济系统作为一个有机的复合系统，统筹考虑[58]。因此，本文提出了流域系统科学的概念（如图1所示），针对流域系统治理和发展战略布局面临的科学问题和技术难题，开展全面研究。

3 流域系统科学的研究对象

在河流研究层面，S.A.Schumm[59]最先提出了河流系统的概念，即按照河流的自然特性把河流从上游至下游依次划分为3个子系统：集水盆地子系统、河道子系统和河口三角洲子系统。这种以空间位置划分子系统的方法研究河流自然演变过程是可行的，但已不能满足当前以流域系统多维功能为研究对象的需求。

一个完整的流域涵盖了不同的自然地理条件、生态环境类型、社会经济发展模式，且具有显著的空间差异性。河流上下游、河道内与流域面，河流自身安全、生态环境保护与社会经济发展，彼此间存在着复杂的制约与互馈关系，科学的划分方法应从流域系统整体出发，按照河流的功能进行划分。为此，将流域系统划分为三大子系统。首先，作为流域系统的骨干网络体系——干支流河流本身，是水沙输移的主要通道，需要保障水沙安全输移，确保防洪安全，称其为河流网络子系统，为突出该子系统主要目标定位是保障河流能够安全的永续存在，发挥其行洪输沙的自然功能，简称为“行洪输沙子系统”；第二，流域生态环境的健康维持和功能发挥，既涉及到流域内生物群落所需生境与水文泥沙过程，也涉及与人类活动和社会经济发展相关的诸多水环境水生态要素，称其为“生态环境子系统”；第三，流域社会经济的可持续发展需要以河流健康生命的维持和良好的生态环境为依托，同时又反作用于河流健康和生态环境的保护和良性维持，称其为“社会经济子系统”。三大子系统作为一个有机的复合系统，不仅各子系统内部存在复杂的运行规律和潜在的演化机制，彼此之间的相互作用和制约关系也十分复杂。只有通过构建流域系统科学理论与方法体系，才能破解各子系统协同发展的战略性问题，达到河流水沙输移安全、生态环境健康维持、社会经济可持续发展的战略目标。

行洪输沙子系统主要包含与河流基本水沙输移功能相关的各组成要素，在空间上呈纵-横-垂三维分布。纵向上，由坡面产流产沙到入汇河道，从河流源头至上、中、下游乃至河口，物质和能量的传输过程级联推进；横向上，从支流到干流，从河道到与之联通的滩地、湖泊与湿地，水体与陆地之间存在强烈的相互作用与物质、能量交换；垂向上，大气水-地表水-土壤水-地下水四水转换，与陆面水流运动一同构成了完整的流域水循环过程。这种水循环过程和与之相伴的泥沙等物质交换与能量输入，是河流长久存在的前提，也关系着其生态环境功能和社会经济功能的实现。

图1 流域系统与流域系统科学分别在系统结构和学科体系中的位置

生态环境子系统不仅包括流域自身的生态环境要素，还包括人类活动施加于流域的诸多生态环境要素。从空间维度上，其既涵盖了流域面上“山-水-林-田-湖-草”的天然状态和人类活动施加的种种影响，也包括了沟道-河道-河口系统水环境要素，以及生物群落生境、结构与功能，生态系统的完整性等。维持河流基本的生态环境功能，是河流健康的重要标志，也同样关系着河流行洪输沙和社会经济功能的发挥。

社会经济子系统主要指与流域系统社会服务功能相关的各组成要素。一方面反映的是河流对流域社会经济发展的支撑作用，如流域水资源配置、跨流域调水工程、灌区面积、水库规模等；另一面反映的是流域社会经济发展对流域的影响，如节水意识与技术的提升、水管理法规、政策的出台等。一个健康的社会经济子系统首先对应的是一条行洪输沙功能和生态环境功能得到保障的河流，其次，健康的人水关系反过来也可以促进河流其他功能有效发挥。

综上所述，行洪输沙子系统关系到河流基本功能的持续发挥，生态环境子系统关系到河流系统内生态环境的优劣和生态功能的维持，社会经济子系统则关系到河流对区域社会经济发展的支撑作用以及后者对前者的依赖程度。从三者关系看，行洪输沙子系统的良性运转为社会经济子系统和生态环境子系统提供基础的水沙资源，生态环境子系统的健康是流域行洪输沙-社会经济功能可持续发展的重要保障，而社会经济子系统则是河流行洪输沙和生态环境子系统社会价值的具体体现，同时其也通过人工方式对行洪输沙和生态环境子系统进行干预和修复（见图2）。

流域系统的三个子系统本身的科学研究均有各自的支撑学科。如行洪输沙子系统的研究主要以泥沙运动力学、河床演变学等学科为支撑，生态环境子系统的研究主要以生态学、土壤学、生物学等为支撑，社会经济学子系统以经济学、人口学等为支撑。流域系统科学则在以上各学科基础上，围绕流域系统各子系统内部及相互之间的作用关系和协同发展机制开展研究，打破学科壁垒，以系统理论为基础，构建针对流域系统的理论与方法体系。

4 流域系统科学内涵与关键科学问题

4.1 流域系统科学内涵流域系统科学是以系统理论和方法为手段，以流域系统整体为研究对象，揭示流域各子系统内部演化机理和彼此间协调运转机制的科学，在研究对象、研究方法上，均具有自己的独特性。从研究对象上，流域系统科学针对的是整个“流域系统”及其三个功能子系统；从研究方法上，采用的是“系统科学”的理论与方法体系，即以突变论、控制论、协同学、博弈论、非线性科学，以及各子系统传统学科体系的基本理论方法为依托，揭示各子系统内部演化及相互间协同演化规律。

图2 流域系统及各子系统之间相互作用关系示意

由上述流域系统科学的定义可以看出，其与流域科学、区域生态学、流域生态学等概念的区别与联系。从学科区别上，流域系统科学主要是应用系统科学的理论和方法揭示流域系统三个功能子系统内部各要素及子系统之间关系与协同演化机制，其核心支撑学科为系统工程；而流域科学的研究对象则是“水-土-气-生-人”五圈在流域内的相互关系，其核心支撑学科为流域水文学与流域生态学；区域、流域生态学的研究对象是区域、流域内部生态结构、过程与功能，其核心支撑学科为生态学。从学科联系上，流域科学、区域生态学、流域生态学等学科研究方法在研究流域系统各功能子系统内部演化机制、行洪输沙-生态环境子系统协同演化机制等方面均有广阔的应用空间，是系统工程研究方法的有益补充。

综上，从以下三个层面阐释流域系统科学的基础研究需求。

（1）各子系统内部演化过程与机理。行洪输沙、生态环境、社会经济各子系统内部演化过程的阐释、模拟与预测，规律的凝练与机理的揭示，都需要全面应用系统理论和方法，这就构成了流域系统科学研究的第一个层次。这些研究过去散见于河流泥沙动力学、河床演变学、社会经济学、生态水文学等等学科内部的科学研究之中，已具备比较扎实的研究基础。

以行洪输沙子系统的研究为例。以连续方程、动量方程、能量方程为基础的牛顿力学体系在描述微观、局部的水流泥沙运动时具有显著的优势，但随着空间尺度逐渐放大到流域规模，研究对象成为了河流这一复杂巨系统。其不仅由难以计数的水沙单元组成，还包含了与工程硬边界、生态软边界之间强烈的相互作用；更重要的是，由无数微观单元组成的宏观系统呈现了完全不同的系统特性和行为。此时，确定性的牛顿力学方法无法封闭求解宏观尺度的河流演化过程，经验性的河相关系目前仍是工程界用来预测河流宏观行为的主流方法，很多时候已经难以满足工程实践的需求。因此，热力学第二定律、自组织理论、突变理论等系统理论与方法，已被广泛引入到河床演变学的研究中[59]。

（2）各子系统间相互作用关系与协同演化机制。应用系统理论和方法揭示流域行洪输沙、生态环境、社会经济各子系统间相互作用关系与协同演化机制，构成了流域系统科学研究的第二个层次。这已经成为近年来跨学科研究的热点领域，也大大推进了如生态水文学、社会水文学、生态经济学、区域生态学等交叉学科的发展。

流域系统科学与上述交叉学科之间最大的区别在于其理论基础不同。生态水文学、社会水文学是考虑生态过程和社会过程的“水文学”，生态经济学是考虑生态过程的“经济学”，而流域系统科学的理论基础则是“系统科学”。概而言之，其他任何一门交叉学科均是以某一子系统本身涉及的学科为核心，综合考虑其他子系统作为边界条件产生的影响。在流域系统科学研究中，行洪输沙、社会经济、生态环境三个子系统的地位是完全平等的，协同学、博弈论等是研究三者之间相互作用关系与协同演化机制的有效基础理论与方法。

（3）流域系统协调发展策略与战略布局。在前述两个层次工作基础上，应用系统理论和方法，提出流域系统各子系统协同发展策略与长远战略布局，支撑流域系统治理保护的科学决策，构成了流域系统科学研究的最高层次。这部分工作的重点是在复杂巨系统及其相互关系中发掘其核心进程，通过关键路径上的调控行为和复杂边界的精准控制，推动流域系统整体的协调发展。以黄河流域生态保护和高质量发展国家重大战略的推进为例，必须充分考虑黄河上中下游的实际情况，统筹黄河流域生态治理、资源调控和社会经济水平提升，提出多维协同的流域发展战略布局，支撑流域管理与区域发展的战略决策。协同学、控制论、集成研讨厅等是研究黄河流域系统协调发展策略与战略布局的有效方法。

4.2 拟解决的关键科学问题流域系统科学当前主要面临3个层次6个关键科学问题，如图3所示。

层次1：各子系统内部演化过程与机理。

科学问题1：河流系统的宏观平衡状态与非平衡态演变机理。包括阐明河流系统的宏观平衡状态及阈值，河流系统远离平衡态演变机理与模拟方法，上下游边界协同作用下非平衡态河床时空演变模式和描述方法，气候变化与人类活动影响下河流系统演化的长远效应。

科学问题2：流域生态系统演化与驱动机制。包括气候变化与人类活动对流域生态系统结构、功能及生态系统完整性和脆弱性的影响，流域生态系统演化的主控因素与驱动机制，变化环境下流域生态系统结构、功能变化趋势预测方法等。

科学问题3：基于人地耦合系统产业协调发展驱动机制。包括城市群与产业转型发展的非线性增长规律，基于人地耦合系统的城市群与产业发展模型，城市群与产业发展规模及结构的适应性评价，城市群与产业高质量发展模式等。

层次2：各子系统之间相互作用关系与协同演化机制。

科学问题4：行洪输沙-生态环境子系统之间多尺度交互作用机理。包括河流全物质通量在水-沙-床-植物-动物多介质之间的相互转化过程，水流-泥沙-植被耦合作用机制，河口悬浮物与营养盐输运对水沙动力过程的响应机制，河流生态系统对多重胁迫的响应机理等。

科学问题5：行洪输沙-社会经济复合系统关联机制。包括行洪输沙-社会经济复合系统的内部结构和运行机制，系统要素内部关联、因果反馈的响应关系，防洪安全对土地开发利用的约束效应和经济发展对土地需求的增长效应，土地利用方式与防洪安全和经济发展、流域机构与地方政府、局部利益与全局利益的博弈关系等。

层次3：流域系统协调发展策略与战略布局。

科学问题6：多维协同的流域系统协调发展策略与战略布局。包括水文-经济-生态信息之间的传递机制与纽带关系，确保流域水安全-粮食安全-能源安全-生态安全的水沙资源配置理论与技术，流域生态治理、资源调控和社会经济等综合治理提升模式，生态修复-资源配置-产业发展多维协同的流域发展战略布局，流域可持续发展决策与优化评价方法等。

5 流域系统科学研究方法

流域系统科学的研究方法分基础支撑学科方法体系、系统科学理论与方法、流域系统治理集成流域系统科学前沿研讨厅三类。

图3 流域系统科学关键科学问题

5.1 基础支撑学科方法体系行洪输沙子系统的基础研究主要集中在传统的水文泥沙方面，相关基础支撑学科包括河流尺度的泥沙运动力学、河床演变学等传统学科，以及近年来逐渐发展到流域尺度的流域泥沙动力学[25]、数字流域[60]等新兴学科。

生态环境子系统的基础研究主要集中在生态学和水文学的交叉领域，由此衍生出的生态水文学[61]在过去20多年飞速发展，在河流治理领域得到广泛而深入的应用[62]，但在大尺度多过程生态水文模型方面还有待进一步突破[63]。

社会经济子系统的基础研究主要集中在经济学、社会学和与水文学的交叉领域，近些年衍生出的宏观经济水资源模型[64-65]、二元水循环理论[66]等跨学科理论，以及逐渐发展形成的社会水文学[67]等新兴学科，都是社会经济子系统的基础支撑学科。

5.2 系统科学理论与方法流域系统科学研究常用的系统科学方法，包括协同学、控制论、博弈论、突变论、非线性科学等。不同层面的研究，这些方法均有各自的适用性。

针对流域子系统内部演化进程的研究，控制论、突变论、非线性科学等在泥沙起动、河床演变等领域已得到一定的应用[68-69]；流域子系统间协同竞争关系的研究，协同学和博弈论的应用前景广阔[70-71]；流域各子系统的协同演化机制研究，协同学也已取得了初步应用成果[71]，展现出未来在流域系统治理研究中的应用潜力。

5.3 流域系统治理集成研讨厅“集成研讨厅”（Hall for Workshop of Metasynthetic Engineering）是钱学森等基于系统理论与方法提出的。其含义是以科学的认识论为指导，充分利用现代信息技术，构成以人为主、人-机结合、人-网结合的智能系统，“把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来”，形成一个巨大的智能系统，解决一般复杂巨系统中定性与定量相结合的科学难题。

流域系统治理不仅涉及行洪输沙-生态环境-社会经济各子系统协同演化的定量研究，还涉及一系列诸如政治、文化、宗教、民族等难以定量的非结构化影响因素。这类难以用定量化数学方程描述的非结构化问题，在宏观层面对流域重大治理工程与非工程措施的实施，往往有重大影响。为此，必须构建“流域系统治理集成研讨厅”，结合新一轮科技革命引发的大数据技术、人工智能技术的高速发展，形成一套综合河流、生态、社会、经济等基础学科及系统科学知识、相关学科专家经验和现代信息科学技术等的智能系统，支撑流域系统治理的科学决策。

6 流域系统科学在黄河流域系统治理中的初步应用与展望

6.1 初步应用效果黄河流域水沙关系复杂，水资源供需矛盾突出，生态系统脆弱，黄河的治理保护必须要突出系统性、整体性、协同性。围绕黄河流域系统治理过程中的不同层面的实际问题，江恩慧等从2000年开始先后在十二五科技支撑计划、国家自然基金重点项目、水利部公益性行业科研专项、十三五国家重点研发计划等项目支持下，运用系统理论方法开展了探索性的研究。其中，“黄河下游游荡性河道河势稳定控制系统理论”研究，应用突变论揭示了有限控制边界作用下河势演变机理，提出了以河势演变为广义函数的游荡性河道河势稳定控制系统模型[72-73]；针对小浪底水库运用后黄河下游宽滩区的治理模式与运用方式这一焦点问题，应用Pareto原理构建了能同时反映河流自然属性与社会属性的“黄河下游宽滩区滞洪沉沙与综合减灾效益二维评价方法”，开展了不同治理模式不同运用方案下宽滩区滞洪沉沙效果的综合效益评价[74]；针对黄河泥沙处理与资源利用良性运行机制和科学的综合效益评价方法缺失问题，应用生态经济学能值理论从经济、社会、生态环境3个维度，提出了黄河泥沙资源利用综合效益评价双层三维评价指标体系，构建了黄河泥沙资源利用综合效益评价模型[75]；从维持河流生态环境健康的治河目标出发，综合考虑下游河道两岸社会经济发展，王远见等[76]基于“可动性-组织性-弹性”理论构建了双层三维的河道生态系统效益能值评价指标体系，定量评价了小浪底水库修建以来对黄河下游河道河流系统产生的生态环境和社会经济影响；江恩慧等正在开展的“黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控关键技术研究”，应用协同学、博弈论等研究手段，围绕流域内干支流行洪输沙-生态环境-社会经济等河流系统功能多维协同的目标，揭示了水库高效输沙的水-沙-床互馈机理和下游河道河流系统多过程耦合响应机理，研发了多目标协同的泥沙动态调控模拟仿真系统和智慧决策平台，提出了泥沙动态调控潜力及其实现途径，为流域水沙优化调控提供了理论和技术支撑。

6.2 应用前景展望展望未来，黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施，迫切需要发展和应用流域系统科学方法，开展顶层设计，明确流域系统治理的目标与“路线图”，以水资源配置为纽带，以水安全保障、水生态修复、流域高质量发展为目标，最终实现流域系统行洪输沙-生态环境-社会经济等功能的多维协同发展。随着流域系统治理理念日渐深入人心，流域系统科学方法将逐渐走向成熟，辅以全流域系统观测网络和大数据平台建设的飞速发展，未来5～10年流域系统科学在黄河流域系统治理研究中可望取得如下突破：

（1）多维协同的流域发展战略布局及治理效果动态评价方法。统筹黄河流域生态治理、资源调控和经济提升，提出多维协同的流域发展战略布局；基于生态空间管控战略、生态保护修复与重点污染问题治理战略、滩区与河口治理战略，开展相关治理效果动态评价，实现流域保护、治理与发展协调共赢。

（2）水资源节约集约利用模式及区域差异化配置方案。针对黄河水资源供需矛盾突出的挑战，研究西北暖湿化对黄河流域水文水资源情势的影响，完善“八七”分水方案优化调整理论与方法，因地制宜提出适应青藏高原高寒区、黄土高原半干旱区、华北平原半湿润区水资源节约集约利用模式及区域差异化配置方案，形成面向严重缺水流域的水资源—水生态—社会经济良性发展配置格局，提高流域水资源利用效率。

（3）流域洪涝旱灾协同防御与水沙联合调控理论技术体系。抓住“水沙关系调节”这个牛鼻子，研究黄河流域水沙变化机理与趋势，提出游荡性河道河势稳定控制和滩区综合提升治理技术，阐明流域巨型洪水泥沙灾害发生规律与驱动机制，突破水工程全寿命周期安全建设与运行关键技术，构建流域洪涝旱灾协同防御与水沙联合调控理论与技术体系，保障黄河长治久安。

（4）流域上-中-下游生态系统配置格局与补偿机制。围绕黄河上游水源涵养、中游水土保持、下游黄河滩区和三角洲湿地保护等生态保护修复工程，阐明“水文泥沙-生态环境-社会经济”多维耦合情景下的流域水循环过程和水生态效应，揭示流域水沙运动与生态环境的多尺度交互作用机理，构建流域上-中-下游生态系统配置格局与补偿机制，保护流域生态系统健康和生态环境的良性维持。

（5）流域社会经济一体化布局与产业发展调控机制。统筹黄河流域社会经济不平衡发展的空间格局，研究流域水-粮食-能源-生态纽带关系与协同发展机制，构建覆盖黄河流域的人口、资源、生态、经济等时空演变数据库，提出流域社会经济一体化布局与产业发展调控机制，引领流域社会经济全面实现高质量发展的战略目标。

7 结语

流域系统中水文泥沙、生态环境、社会经济等各种因素错综复杂地交织在一起，相互作用、相互制约、相互反馈，分门别类的传统研究思路已经无法驾驭复杂的流域系统治理所面临的问题。基于此，本文初步提出了流域系统科学架构，阐释了流域系统科学的内涵及关键科学问题，从基础支撑学科、系统科学理论与方法、流域系统治理集成研讨厅三个方面构建了流域系统科学的研究方法，以期全面探索流域系统各子系统内部、各子系统之间以及流域系统整体的演化过程、演化机制和系统治理的战略布局，实现流域范围内各子系统的空间上均衡、时间上协调、发展上协同。流域系统科学的提出是河流治理实践由河流到流域再到流域系统演进的必然，也是系统理论由系统科学到地球系统科学再到流域系统科学的逐步深化。流域系统科学将在未来流域治理保护与管理中发挥重要支撑作用，为河流系统治理保护战略布局研究提供强有力的研究工具。