流域科学发展与趋势

肖洪浪　李彩芝

一、国际流域科学的发展过程

20世纪80年代以前以“管理”为主的流域科学仍然孕育在水科学及其相关科学之中，流域管理主要以水利工程、水电开发、水运等工程管理为主，生态管理处在起步阶段。20世纪80年代以后，为了应对全球变化，整合人与自然系统，在Charles(1985)出版的《生命之河》(The Living River)之后，许多由“生命之河”相关计划开始的河道恢复、河流生态治理、洪水预报、休闲规划等综合治理计划推动流域生态管理从理念走向实践。

20世纪末集成流域管理理念提出，全球水伙伴(Global Water Partnership)集成水资源管理建立以水权、水市场理论为基础的水资源管理体制，形成以经济手段为主的节水机制，公众参与的流域尺度水文、生态、经济综合的流域集成水资源管理已步入实质性的研究阶段。联合国千年发展目标2007年报告指出，到2015年，结合各国和国际在研项目，通过综合集成管理的方式，恢复遭破坏的环境损失，实现环境可持续发展。

集成流域管理的代表性工作有：2000年底欧盟实施水框架指令(Water Framework Directive)，致力于流域规划、河道恢复和湿地保护，实施流域为单元的整体保护；澳大利亚墨累－达令河流域地表水、地下水水权私有化，实现农业、河流和市场有机结合，政府购水恢复断流河，三级流域管理机构(流域部长级会议、流域委员会和公众咨询协会)保证流域水资源平等、高效、可持续利用。开始注重水－生态－经济过程研究，流域水—生态管理力求衔接市场机制，流域水—生态—经济系统的水循环、水平衡研究成为重要方向。

然而，历经半个多世纪发展的流域管理仍然是以工程管理为主，生态管理处在起步阶段，市场机制还只是经验。可以说，没有适合各个国家通用的流域管理模式，只能客观地研究和分析某一种流域管理的特点和长处，结合本国或本流域的具体实际去参考和借鉴。集成流域管理将依托流域科学的发展逐步完善理论框架。2007年，美国地质调查局(USGS)提交了全球第一个流域科学的研究计划。将流域过程模拟与预测、环境流与河流恢复、沉积运移、地表水和地下水相互作用列为美国地质调查局流域科学优先领域，强调流域监测和数据集成等支撑体系。

二、中国内陆河流域科学

从新中国成立后到20世纪70年代是奠定流域科学研究基础的时段。国家先后组织了中国科学院“新疆综合考察队”、“甘青考察队”、“治沙队”、“荒考队”、“祁连山冰雪利用队”，开展了西北地区冰雪资源、地表水资源、地下水资源、生态环境等方面的基础研究。20世纪80年代以前有两点认识提到流域的层面，一是冰雪水资源开发利用流域意义，冰雪资源约占河川径流年补给量的5％-30％；二是中国沙漠科学的西北内流河流域研究提出了内陆河流域自然过程和人类活动与沙漠形成演变、沙漠化发生、发展的关系，在沙源、水土资源利用和沙漠化防治方面形成了一些流域尺度的原创性认识。

20世纪80年代开始在流域尺度上深入认识自然系统，明确以流域为单元的水资源合理开发利用，指出了甘肃省河西各内陆河可利用的水资源开发基本达到极限。在流域尺度上明晰了地表水、地下水多次转化、循环利用过程和机理，解决了水资源量重复计算等科学问题，形成了内陆河以流域为单元的水土资源研究方法，强调流域内可更新水资源不仅需要协调上中下游农林牧发展，还需维护生态环境的平衡，社会经济、城市用水成为流域科学研究的重要部分。

20世纪90年代开始在流域尺度上协调自然系统与社会经济系统，揭示了中国内陆河地区农业为主、工业基础差、产业结构松散、高产穷县、经济效益低的基本问题，提出了产业结构调整与合理布局、人口迁移与城市体系、水资源合理利用与环境整治的系统方案，首次估算了黑河流域的生态水。强调整体、系统、以流域为单元认识内陆河水资源系统，以中国典型内陆河为例，系统阐述了流域为单元的水环境空间特征及其演变，在两千年尺度上展示了人类活动驱动的水环境退化、绿洲迁移过程，形成储水于上、中游重发展、下游重生态环境的基本原则。

进入21世纪内陆河流域科学理念逐渐明晰。《黑河流域水－生态－经济系统综合管理研究》一书即将面世，该书依托黑河流域长期野外监测、试验、示范和数字黑河等平台，阐述了生态系统的水流过程、流域生态系统管理技术、节水型生态系统模式。该时期的一个重要成果是将中国内陆河流域水资源管理划分为供水管理、技术节水管理、结构性节水管理和社会化管理四个阶段，并指出在20世纪末基本走完了前两个阶段，目前多处于第三阶段，很多流域试图通过结构性节水来缓解水问题。然而，中国的内陆河流域科学只是在起步阶段，尚无成熟的理论框架、系统的研究方法和技术体系。

三、流域科学前沿与趋势

1、流域水循环——认识流域水环境

长期以来限于对水资源认识的局限性，水资源管理只关注蓝水，而对维持全球第一性生产力、占年可更新水资源60％～70％的绿水缺乏认识，以致流域水管理成为被动的水管理，实质只是1／3的蓝水甚至只是地表水的管理。近年来，人们逐渐认识到绿水的重要性，并将其纳入水资源评估范畴，成为流域水资源研究的重要方向。环境流量尤其是地下水流和绿水流的研究也成为干旱区流域研究的重要内容。

大气水汽输送、降水、地表蒸发构成水分内循环。流域水分内循环过程的变化直接关系到当地的干湿状况、生态环境、经济与社会的可持续发展。在全球变化背景下，全球变暖使水循环加剧，引起降水、蒸发、径流，冰雪、冻土组成的固体水库也正在快速变化，严重影响到地表的水资源和生态系统。

流域水环境研究长期以来忽略了成水环境。地球科学在千、万年尺度上解读水环境变化的过程和成因已有许多成果，自然系统、社会与经济系统、生态和环境综合的十年、百年尺度的流域水环境变化机理和过程的认识日益得到重视。人类活动改变成水环境的研究鲜见报道，生态恢复与重建经常有改善成水环境的效果，涵养水源、调节径流、空中水利用还在经验积累阶段。监测—试验技术的发展拓展了水环境的研究，在流域管理与科学中研究成水环境及其管理成为热点，许多恢复生态学理论和技术得到广泛应用。

2、流域生态水文——认识水文系统流域生命过程

流域生态水文学着重研究水文过程和生态系统过程之间的耦合关系，强调尺度转换的机理和过程研究，开展生态系统的稳定性与水环境的相互关系、流域尺度生态系统修复技术、流域尺度综合、景观格局变化的生态水文影响以及如何协调天然生态系统与人工生态系统用水关系等方面的研究。

20世纪90年代提出的“生命之河(Living rover)”在欧、美、澳等均有实施的代表流域。荷兰“生命之河”的保护恢复计划最初是为了恢复河流的水质，尝试把流域尺度与区

域尺度或者国与国之间的恢复措施统一起来，生命之河、河流健康被理解为一种综合性概念，生物多样性、生态环境等参数可为其指征。中国科学家呼吁重建中国生命之河，推动基于生态系统的流域综合管理，恢复江河的生命活力，确保大江大河的健康与流域的可持续发展。

3、流域演变驱动力——认识流域人类活动

在过去的几个世纪，人类主导的地球生态系统正以前所未有的速度退化，人类成为生态系统演化最大的影响因素，人类活动已经引起水循环中最关键、最活跃的因子——土壤一植被系统的严重退化，陆地生态系统退化的总面积达50×10⁸hm²，导致生态系统服务功能降低。从而改变了水文过程和生态过程的时空耦合机制，威胁着人类社会存在的基础——水循环与生态系统。

人类对流域特性鲜明的水和生态系统的依存而规定了社会与经济系统的流域属性。流域科学成为水与人的科学，充满着地理科学人地关系的鲜明特色，流域管理首先是水的管理，人类文明也是人与水流相互作用的历史。生态水文学和生态经济学结合支撑的流域科学与管理，成为解决流域问题最基本的思路。

自然因素主要是依据分析对象的时空尺度，人文因素一般是考虑对象的分析尺度。将人文因素和自然因素纳入统一的框架中，统一分析尺度和时空尺度，研究水资源的社会经济循环规律、调控措施和管理战略，识别关键的人文因素及其演化规律，诊断并模拟景观变化和水资源系统中人文因素的作用及影响机制。

4、集成流域管理——解决流域水问题

在可持续发展前提下，公众参与的流域尺度水文、生态、经济综合的流域管理追求人与自然的协调、经济增长、社会公平、生态环境改善，保证流域自然资本与经济财富的最大化成为流域科学的长期方向，充分利用市场机制、消除条块分割、追求流域福利最大化、构建流域科学框架和管理模式将是今后很长一段时间内中国流域科学发展和实现流域管理的主要任务。

以水权、水市场理论为基础的水资源管理体制，形成以经济手段为主的节水机制，提高水资源利用率，促进经济、资源、环境协调发展，未来数十年，集成的水资源管理方法转化成具体的措施是克服与水有关的挑战的关键时期。调动社会资源，通过贸易途径以虚拟水的形式对区域内外部的水资源进行配置，强调社会资源对缓解水资源短缺的适应能力，从更宽广的角度提高水资源的分配效益。

流域水管理首先是生态系统管理。内陆河流域生态系统虽然消耗了绝大部分水资源，但也是流域水资源系统的重要成分。为了应对全球环境恶化、生态退化、生物多样性破坏正逐渐危及生命支持系统的现状，生态系统健康管理逐渐形成并发展起来，生物多样性管理成为其中的重要主题。全球DIVERSITAS合作计划强调生物多样性的生态系统功能、生物多样性保护和持续利用的重要性。

5、相对完善的流域生态一水文观测网络和数据、模型平台

美国CLEANER(2006)科学实施计划指出：“我们还不明确如何设计最优观测站网和实施具体观测内容；我们还缺乏对水文和生物地球化学过程在流域尺度或更大尺度上进行空间和时间综合观测的能力”并着手建设大尺度综合环境观测站网，在流域尺度实现学科的综合与集成。国际水委员会2005-2015年“生命之水”十年计划也着手建立水资源观测网，筹建一个数据采集、传输、发布的流域监测系统。CSIRO水土分部为未来的流域科学强调数据、模拟、软件工程和团队战略。

在地理学从经验科学走向实验科学的进程中，地表过程的定量科学实验推动了地球系统科学的快速发展，许多观测实验甚至成为一个阶段科学认识和研究方法进步的里程碑。全球大气和水文循环模型难以准确预测流域尺度的水文过程，既缺少高分辨率的遥感观测，又缺少地面试验，极大地影响了生态一水文过程认识和建模。

数字计算、数据、信息和网络以及计算机模拟技术的应用，正在形成替代和拓展理论分析、实验观察2个经典的研究方法，需要对长期、分布式、静态数据进行有效的管理和描述，建立了描述流域数据、数据格式、质量控制、数据交换格式以及转换元数据系统，建立了数据准备、融合、挖掘、发现和可视化的工具，建立了陆面与水文数据、实时多源遥感观测数据融合的同化系统，来生成高分辨率的、时空一致性的高质量数据集，保证科研团队跨时间、区域、部门甚至跨学科间实现共享和协作。