流域科學發展與趨勢

肖洪浪　李彩芝

一、國際流域科學的發展過程

20世紀80年代以前以“管理”為主的流域科學仍然孕育在水科學及其相關科學之中，流域管理主要以水利工程、水電開發、水運等工程管理為主，生態管理處在起步階段。20世紀80年代以后，為了應對全球變化，整合人與自然系統，在Charles(1985)出版的《生命之河》(The Living River)之后，許多由“生命之河”相關計劃開始的河道恢復、河流生態治理、洪水預報、休閑規劃等綜合治理計劃推動流域生態管理從理念走向實踐。

20世紀末集成流域管理理念提出，全球水伙伴(Global Water Partnership)集成水資源管理建立以水權、水市場理論為基礎的水資源管理體制，形成以經濟手段為主的節水機制，公眾參與的流域尺度水文、生態、經濟綜合的流域集成水資源管理已步入實質性的研究階段。聯合國千年發展目標2007年報告指出，到2015年，結合各國和國際在研項目，通過綜合集成管理的方式，恢復遭破壞的環境損失，實現環境可持續發展。

集成流域管理的代表性工作有：2000年底歐盟實施水框架指令(Water Framework Directive)，致力于流域規劃、河道恢復和濕地保護，實施流域為單元的整體保護；澳大利亞墨累－達令河流域地表水、地下水水權私有化，實現農業、河流和市場有機結合，政府購水恢復斷流河，三級流域管理機構(流域部長級會議、流域委員會和公眾咨詢協會)保證流域水資源平等、高效、可持續利用。開始注重水－生態－經濟過程研究，流域水—生態管理力求銜接市場機制，流域水—生態—經濟系統的水循環、水平衡研究成為重要方向。

然而，歷經半個多世紀發展的流域管理仍然是以工程管理為主，生態管理處在起步階段，市場機制還只是經驗。可以說，沒有適合各個國家通用的流域管理模式，只能客觀地研究和分析某一種流域管理的特點和長處，結合本國或本流域的具體實際去參考和借鑒。集成流域管理將依托流域科學的發展逐步完善理論框架。2007年，美國地質調查局(USGS)提交了全球第一個流域科學的研究計劃。將流域過程模擬與預測、環境流與河流恢復、沉積運移、地表水和地下水相互作用列為美國地質調查局流域科學優先領域，強調流域監測和數據集成等支撐體系。

二、中國內陸河流域科學

從新中國成立后到20世紀70年代是奠定流域科學研究基礎的時段。國家先后組織了中國科學院“新疆綜合考察隊”、“甘青考察隊”、“治沙隊”、“荒考隊”、“祁連山冰雪利用隊”，開展了西北地區冰雪資源、地表水資源、地下水資源、生態環境等方面的基礎研究。20世紀80年代以前有兩點認識提到流域的層面，一是冰雪水資源開發利用流域意義，冰雪資源約占河川徑流年補給量的5％-30％；二是中國沙漠科學的西北內流河流域研究提出了內陸河流域自然過程和人類活動與沙漠形成演變、沙漠化發生、發展的關系，在沙源、水土資源利用和沙漠化防治方面形成了一些流域尺度的原創性認識。

20世紀80年代開始在流域尺度上深入認識自然系統，明確以流域為單元的水資源合理開發利用，指出了甘肅省河西各內陸河可利用的水資源開發基本達到極限。在流域尺度上明晰了地表水、地下水多次轉化、循環利用過程和機理，解決了水資源量重復計算等科學問題，形成了內陸河以流域為單元的水土資源研究方法，強調流域內可更新水資源不僅需要協調上中下游農林牧發展，還需維護生態環境的平衡，社會經濟、城市用水成為流域科學研究的重要部分。

20世紀90年代開始在流域尺度上協調自然系統與社會經濟系統，揭示了中國內陸河地區農業為主、工業基礎差、產業結構松散、高產窮縣、經濟效益低的基本問題，提出了產業結構調整與合理布局、人口遷移與城市體系、水資源合理利用與環境整治的系統方案，首次估算了黑河流域的生態水。強調整體、系統、以流域為單元認識內陸河水資源系統，以中國典型內陸河為例，系統闡述了流域為單元的水環境空間特征及其演變，在兩千年尺度上展示了人類活動驅動的水環境退化、綠洲遷移過程，形成儲水于上、中游重發展、下游重生態環境的基本原則。

進入21世紀內陸河流域科學理念逐漸明晰。《黑河流域水－生態－經濟系統綜合管理研究》一書即將面世，該書依托黑河流域長期野外監測、試驗、示范和數字黑河等平臺，闡述了生態系統的水流過程、流域生態系統管理技術、節水型生態系統模式。該時期的一個重要成果是將中國內陸河流域水資源管理劃分為供水管理、技術節水管理、結構性節水管理和社會化管理四個階段，并指出在20世紀末基本走完了前兩個階段，目前多處于第三階段，很多流域試圖通過結構性節水來緩解水問題。然而，中國的內陸河流域科學只是在起步階段，尚無成熟的理論框架、系統的研究方法和技術體系。

三、流域科學前沿與趨勢

1、流域水循環——認識流域水環境

長期以來限于對水資源認識的局限性，水資源管理只關注藍水，而對維持全球第一性生產力、占年可更新水資源60％～70％的綠水缺乏認識，以致流域水管理成為被動的水管理，實質只是1／3的藍水甚至只是地表水的管理。近年來，人們逐漸認識到綠水的重要性，并將其納入水資源評估范疇，成為流域水資源研究的重要方向。環境流量尤其是地下水流和綠水流的研究也成為干旱區流域研究的重要內容。

大氣水汽輸送、降水、地表蒸發構成水分內循環。流域水分內循環過程的變化直接關系到當地的干濕狀況、生態環境、經濟與社會的可持續發展。在全球變化背景下，全球變暖使水循環加劇，引起降水、蒸發、徑流，冰雪、凍土組成的固體水庫也正在快速變化，嚴重影響到地表的水資源和生態系統。

流域水環境研究長期以來忽略了成水環境。地球科學在千、萬年尺度上解讀水環境變化的過程和成因已有許多成果，自然系統、社會與經濟系統、生態和環境綜合的十年、百年尺度的流域水環境變化機理和過程的認識日益得到重視。人類活動改變成水環境的研究鮮見報道，生態恢復與重建經常有改善成水環境的效果，涵養水源、調節徑流、空中水利用還在經驗積累階段。監測—試驗技術的發展拓展了水環境的研究，在流域管理與科學中研究成水環境及其管理成為熱點，許多恢復生態學理論和技術得到廣泛應用。

2、流域生態水文——認識水文系統流域生命過程

流域生態水文學著重研究水文過程和生態系統過程之間的耦合關系，強調尺度轉換的機理和過程研究，開展生態系統的穩定性與水環境的相互關系、流域尺度生態系統修復技術、流域尺度綜合、景觀格局變化的生態水文影響以及如何協調天然生態系統與人工生態系統用水關系等方面的研究。

20世紀90年代提出的“生命之河(Living rover)”在歐、美、澳等均有實施的代表流域。荷蘭“生命之河”的保護恢復計劃最初是為了恢復河流的水質，嘗試把流域尺度與區

域尺度或者國與國之間的恢復措施統一起來，生命之河、河流健康被理解為一種綜合性概念，生物多樣性、生態環境等參數可為其指征。中國科學家呼吁重建中國生命之河，推動基于生態系統的流域綜合管理，恢復江河的生命活力，確保大江大河的健康與流域的可持續發展。

3、流域演變驅動力——認識流域人類活動

在過去的幾個世紀，人類主導的地球生態系統正以前所未有的速度退化，人類成為生態系統演化最大的影響因素，人類活動已經引起水循環中最關鍵、最活躍的因子——土壤一植被系統的嚴重退化，陸地生態系統退化的總面積達50×10⁸hm²，導致生態系統服務功能降低。從而改變了水文過程和生態過程的時空耦合機制，威脅著人類社會存在的基礎——水循環與生態系統。

人類對流域特性鮮明的水和生態系統的依存而規定了社會與經濟系統的流域屬性。流域科學成為水與人的科學，充滿著地理科學人地關系的鮮明特色，流域管理首先是水的管理，人類文明也是人與水流相互作用的歷史。生態水文學和生態經濟學結合支撐的流域科學與管理，成為解決流域問題最基本的思路。

自然因素主要是依據分析對象的時空尺度，人文因素一般是考慮對象的分析尺度。將人文因素和自然因素納入統一的框架中，統一分析尺度和時空尺度，研究水資源的社會經濟循環規律、調控措施和管理戰略，識別關鍵的人文因素及其演化規律，診斷并模擬景觀變化和水資源系統中人文因素的作用及影響機制。

4、集成流域管理——解決流域水問題

在可持續發展前提下，公眾參與的流域尺度水文、生態、經濟綜合的流域管理追求人與自然的協調、經濟增長、社會公平、生態環境改善，保證流域自然資本與經濟財富的最大化成為流域科學的長期方向，充分利用市場機制、消除條塊分割、追求流域福利最大化、構建流域科學框架和管理模式將是今后很長一段時間內中國流域科學發展和實現流域管理的主要任務。

以水權、水市場理論為基礎的水資源管理體制，形成以經濟手段為主的節水機制，提高水資源利用率，促進經濟、資源、環境協調發展，未來數十年，集成的水資源管理方法轉化成具體的措施是克服與水有關的挑戰的關鍵時期。調動社會資源，通過貿易途徑以虛擬水的形式對區域內外部的水資源進行配置，強調社會資源對緩解水資源短缺的適應能力，從更寬廣的角度提高水資源的分配效益。

流域水管理首先是生態系統管理。內陸河流域生態系統雖然消耗了絕大部分水資源，但也是流域水資源系統的重要成分。為了應對全球環境惡化、生態退化、生物多樣性破壞正逐漸危及生命支持系統的現狀，生態系統健康管理逐漸形成并發展起來，生物多樣性管理成為其中的重要主題。全球DIVERSITAS合作計劃強調生物多樣性的生態系統功能、生物多樣性保護和持續利用的重要性。

5、相對完善的流域生態一水文觀測網絡和數據、模型平臺

美國CLEANER(2006)科學實施計劃指出：“我們還不明確如何設計最優觀測站網和實施具體觀測內容；我們還缺乏對水文和生物地球化學過程在流域尺度或更大尺度上進行空間和時間綜合觀測的能力”并著手建設大尺度綜合環境觀測站網，在流域尺度實現學科的綜合與集成。國際水委員會2005-2015年“生命之水”十年計劃也著手建立水資源觀測網，籌建一個數據采集、傳輸、發布的流域監測系統。CSIRO水土分部為未來的流域科學強調數據、模擬、軟件工程和團隊戰略。

在地理學從經驗科學走向實驗科學的進程中，地表過程的定量科學實驗推動了地球系統科學的快速發展，許多觀測實驗甚至成為一個階段科學認識和研究方法進步的里程碑。全球大氣和水文循環模型難以準確預測流域尺度的水文過程，既缺少高分辨率的遙感觀測，又缺少地面試驗，極大地影響了生態一水文過程認識和建模。

數字計算、數據、信息和網絡以及計算機模擬技術的應用，正在形成替代和拓展理論分析、實驗觀察2個經典的研究方法，需要對長期、分布式、靜態數據進行有效的管理和描述，建立了描述流域數據、數據格式、質量控制、數據交換格式以及轉換元數據系統，建立了數據準備、融合、挖掘、發現和可視化的工具，建立了陸面與水文數據、實時多源遙感觀測數據融合的同化系統，來生成高分辨率的、時空一致性的高質量數據集，保證科研團隊跨時間、區域、部門甚至跨學科間實現共享和協作。