流域科學(xué)發(fā)展與趨勢(shì)

肖洪浪　李彩芝

一、國(guó)際流域科學(xué)的發(fā)展過程

20世紀(jì)80年代以前以“管理”為主的流域科學(xué)仍然孕育在水科學(xué)及其相關(guān)科學(xué)之中，流域管理主要以水利工程、水電開發(fā)、水運(yùn)等工程管理為主，生態(tài)管理處在起步階段。20世紀(jì)80年代以后，為了應(yīng)對(duì)全球變化，整合人與自然系統(tǒng)，在Charles(1985)出版的《生命之河》(The Living River)之后，許多由“生命之河”相關(guān)計(jì)劃開始的河道恢復(fù)、河流生態(tài)治理、洪水預(yù)報(bào)、休閑規(guī)劃等綜合治理計(jì)劃推動(dòng)流域生態(tài)管理從理念走向?qū)嵺`。

20世紀(jì)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(quán)、水市場(chǎng)理論為基礎(chǔ)的水資源管理體制，形成以經(jīng)濟(jì)手段為主的節(jié)水機(jī)制，公眾參與的流域尺度水文、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)綜合的流域集成水資源管理已步入實(shí)質(zhì)性的研究階段。聯(lián)合國(guó)千年發(fā)展目標(biāo)2007年報(bào)告指出，到2015年，結(jié)合各國(guó)和國(guó)際在研項(xiàng)目，通過綜合集成管理的方式，恢復(fù)遭破壞的環(huán)境損失，實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

集成流域管理的代表性工作有：2000年底歐盟實(shí)施水框架指令(Water Framework Directive)，致力于流域規(guī)劃、河道恢復(fù)和濕地保護(hù)，實(shí)施流域?yàn)閱卧恼w保護(hù)；澳大利亞墨累－達(dá)令河流域地表水、地下水水權(quán)私有化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)、河流和市場(chǎng)有機(jī)結(jié)合，政府購(gòu)水恢復(fù)斷流河，三級(jí)流域管理機(jī)構(gòu)(流域部長(zhǎng)級(jí)會(huì)議、流域委員會(huì)和公眾咨詢協(xié)會(huì))保證流域水資源平等、高效、可持續(xù)利用。開始注重水－生態(tài)－經(jīng)濟(jì)過程研究，流域水—生態(tài)管理力求銜接市場(chǎng)機(jī)制，流域水—生態(tài)—經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的水循環(huán)、水平衡研究成為重要方向。

然而，歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)發(fā)展的流域管理仍然是以工程管理為主，生態(tài)管理處在起步階段，市場(chǎng)機(jī)制還只是經(jīng)驗(yàn)。可以說，沒有適合各個(gè)國(guó)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(diǎn)和長(zhǎng)處，結(jié)合本國(guó)或本流域的具體實(shí)際去參考和借鑒。集成流域管理將依托流域科學(xué)的發(fā)展逐步完善理論框架。2007年，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提交了全球第一個(gè)流域科學(xué)的研究計(jì)劃。將流域過程模擬與預(yù)測(cè)、環(huán)境流與河流恢復(fù)、沉積運(yùn)移、地表水和地下水相互作用列為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局流域科學(xué)優(yōu)先領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)流域監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)集成等支撐體系。

二、中國(guó)內(nèi)陸河流域科學(xué)

從新中國(guó)成立后到20世紀(jì)70年代是奠定流域科學(xué)研究基礎(chǔ)的時(shí)段。國(guó)家先后組織了中國(guó)科學(xué)院“新疆綜合考察隊(duì)”、“甘青考察隊(duì)”、“治沙隊(duì)”、“荒考隊(duì)”、“祁連山冰雪利用隊(duì)”，開展了西北地區(qū)冰雪資源、地表水資源、地下水資源、生態(tài)環(huán)境等方面的基礎(chǔ)研究。20世紀(jì)80年代以前有兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)提到流域的層面，一是冰雪水資源開發(fā)利用流域意義，冰雪資源約占河川徑流年補(bǔ)給量的5％-30％；二是中國(guó)沙漠科學(xué)的西北內(nèi)流河流域研究提出了內(nèi)陸河流域自然過程和人類活動(dòng)與沙漠形成演變、沙漠化發(fā)生、發(fā)展的關(guān)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(chuàng)性認(rèn)識(shí)。

20世紀(jì)80年代開始在流域尺度上深入認(rèn)識(shí)自然系統(tǒng)，明確以流域?yàn)閱卧乃Y源合理開發(fā)利用，指出了甘肅省河西各內(nèi)陸河可利用的水資源開發(fā)基本達(dá)到極限。在流域尺度上明晰了地表水、地下水多次轉(zhuǎn)化、循環(huán)利用過程和機(jī)理，解決了水資源量重復(fù)計(jì)算等科學(xué)問題，形成了內(nèi)陸河以流域?yàn)閱卧乃临Y源研究方法，強(qiáng)調(diào)流域內(nèi)可更新水資源不僅需要協(xié)調(diào)上中下游農(nóng)林牧發(fā)展，還需維護(hù)生態(tài)環(huán)境的平衡，社會(huì)經(jīng)濟(jì)、城市用水成為流域科學(xué)研究的重要部分。

20世紀(jì)90年代開始在流域尺度上協(xié)調(diào)自然系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，揭示了中國(guó)內(nèi)陸河地區(qū)農(nóng)業(yè)為主、工業(yè)基礎(chǔ)差、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)松散、高產(chǎn)窮縣、經(jīng)濟(jì)效益低的基本問題，提出了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與合理布局、人口遷移與城市體系、水資源合理利用與環(huán)境整治的系統(tǒng)方案，首次估算了黑河流域的生態(tài)水。強(qiáng)調(diào)整體、系統(tǒng)、以流域?yàn)閱卧J(rèn)識(shí)內(nèi)陸河水資源系統(tǒng)，以中國(guó)典型內(nèi)陸河為例，系統(tǒng)闡述了流域?yàn)閱卧乃h(huán)境空間特征及其演變，在兩千年尺度上展示了人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的水環(huán)境退化、綠洲遷移過程，形成儲(chǔ)水于上、中游重發(fā)展、下游重生態(tài)環(huán)境的基本原則。

進(jìn)入21世紀(jì)內(nèi)陸河流域科學(xué)理念逐漸明晰。《黑河流域水－生態(tài)－經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合管理研究》一書即將面世，該書依托黑河流域長(zhǎng)期野外監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)、示范和數(shù)字黑河等平臺(tái)，闡述了生態(tài)系統(tǒng)的水流過程、流域生態(tài)系統(tǒng)管理技術(shù)、節(jié)水型生態(tài)系統(tǒng)模式。該時(shí)期的一個(gè)重要成果是將中國(guó)內(nèi)陸河流域水資源管理劃分為供水管理、技術(shù)節(jié)水管理、結(jié)構(gòu)性節(jié)水管理和社會(huì)化管理四個(gè)階段，并指出在20世紀(jì)末基本走完了前兩個(gè)階段，目前多處于第三階段，很多流域試圖通過結(jié)構(gòu)性節(jié)水來緩解水問題。然而，中國(guó)的內(nèi)陸河流域科學(xué)只是在起步階段，尚無(wú)成熟的理論框架、系統(tǒng)的研究方法和技術(shù)體系。

三、流域科學(xué)前沿與趨勢(shì)

1、流域水循環(huán)——認(rèn)識(shí)流域水環(huán)境

長(zhǎng)期以來限于對(duì)水資源認(rèn)識(shí)的局限性，水資源管理只關(guān)注藍(lán)水，而對(duì)維持全球第一性生產(chǎn)力、占年可更新水資源60％～70％的綠水缺乏認(rèn)識(shí)，以致流域水管理成為被動(dòng)的水管理，實(shí)質(zhì)只是1／3的藍(lán)水甚至只是地表水的管理。近年來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到綠水的重要性，并將其納入水資源評(píng)估范疇，成為流域水資源研究的重要方向。環(huán)境流量尤其是地下水流和綠水流的研究也成為干旱區(qū)流域研究的重要內(nèi)容。

大氣水汽輸送、降水、地表蒸發(fā)構(gòu)成水分內(nèi)循環(huán)。流域水分內(nèi)循環(huán)過程的變化直接關(guān)系到當(dāng)?shù)氐母蓾駹顩r、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。在全球變化背景下，全球變暖使水循環(huán)加劇，引起降水、蒸發(fā)、徑流，冰雪、凍土組成的固體水庫(kù)也正在快速變化，嚴(yán)重影響到地表的水資源和生態(tài)系統(tǒng)。

流域水環(huán)境研究長(zhǎng)期以來忽略了成水環(huán)境。地球科學(xué)在千、萬(wàn)年尺度上解讀水環(huán)境變化的過程和成因已有許多成果，自然系統(tǒng)、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)和環(huán)境綜合的十年、百年尺度的流域水環(huán)境變化機(jī)理和過程的認(rèn)識(shí)日益得到重視。人類活動(dòng)改變成水環(huán)境的研究鮮見報(bào)道，生態(tài)恢復(fù)與重建經(jīng)常有改善成水環(huán)境的效果，涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)徑流、空中水利用還在經(jīng)驗(yàn)積累階段。監(jiān)測(cè)—試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展拓展了水環(huán)境的研究，在流域管理與科學(xué)中研究成水環(huán)境及其管理成為熱點(diǎn)，許多恢復(fù)生態(tài)學(xué)理論和技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

2、流域生態(tài)水文——認(rèn)識(shí)水文系統(tǒng)流域生命過程

流域生態(tài)水文學(xué)著重研究水文過程和生態(tài)系統(tǒng)過程之間的耦合關(guān)系，強(qiáng)調(diào)尺度轉(zhuǎn)換的機(jī)理和過程研究，開展生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與水環(huán)境的相互關(guān)系、流域尺度生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)、流域尺度綜合、景觀格局變化的生態(tài)水文影響以及如何協(xié)調(diào)天然生態(tài)系統(tǒng)與人工生態(tài)系統(tǒng)用水關(guān)系等方面的研究。

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

域尺度或者國(guó)與國(guó)之間的恢復(fù)措施統(tǒng)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(tài)環(huán)境等參數(shù)可為其指征。中國(guó)科學(xué)家呼吁重建中國(guó)生命之河，推動(dòng)基于生態(tài)系統(tǒng)的流域綜合管理，恢復(fù)江河的生命活力，確保大江大河的健康與流域的可持續(xù)發(fā)展。

3、流域演變驅(qū)動(dòng)力——認(rèn)識(shí)流域人類活動(dòng)

在過去的幾個(gè)世紀(jì)，人類主導(dǎo)的地球生態(tài)系統(tǒng)正以前所未有的速度退化，人類成為生態(tài)系統(tǒng)演化最大的影響因素，人類活動(dòng)已經(jīng)引起水循環(huán)中最關(guān)鍵、最活躍的因子——土壤一植被系統(tǒng)的嚴(yán)重退化，陸地生態(tài)系統(tǒng)退化的總面積達(dá)50×10⁸hm²，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能降低。從而改變了水文過程和生態(tài)過程的時(shí)空耦合機(jī)制，威脅著人類社會(huì)存在的基礎(chǔ)——水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)。

人類對(duì)流域特性鮮明的水和生態(tài)系統(tǒng)的依存而規(guī)定了社會(huì)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的流域?qū)傩浴Ａ饔蚩茖W(xué)成為水與人的科學(xué)，充滿著地理科學(xué)人地關(guān)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(tài)水文學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)合支撐的流域科學(xué)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(jù)分析對(duì)象的時(shí)空尺度，人文因素一般是考慮對(duì)象的分析尺度。將人文因素和自然因素納入統(tǒng)一的框架中，統(tǒng)一分析尺度和時(shí)空尺度，研究水資源的社會(huì)經(jīng)濟(jì)循環(huán)規(guī)律、調(diào)控措施和管理戰(zhàn)略，識(shí)別關(guān)鍵的人文因素及其演化規(guī)律，診斷并模擬景觀變化和水資源系統(tǒng)中人文因素的作用及影響機(jī)制。

4、集成流域管理——解決流域水問題

在可持續(xù)發(fā)展前提下，公眾參與的流域尺度水文、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)綜合的流域管理追求人與自然的協(xié)調(diào)、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、社會(huì)公平、生態(tài)環(huán)境改善，保證流域自然資本與經(jīng)濟(jì)財(cái)富的最大化成為流域科學(xué)的長(zhǎng)期方向，充分利用市場(chǎng)機(jī)制、消除條塊分割、追求流域福利最大化、構(gòu)建流域科學(xué)框架和管理模式將是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)中國(guó)流域科學(xué)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)流域管理的主要任務(wù)。

以水權(quán)、水市場(chǎng)理論為基礎(chǔ)的水資源管理體制，形成以經(jīng)濟(jì)手段為主的節(jié)水機(jī)制，提高水資源利用率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，未來數(shù)十年，集成的水資源管理方法轉(zhuǎn)化成具體的措施是克服與水有關(guān)的挑戰(zhàn)的關(guān)鍵時(shí)期。調(diào)動(dòng)社會(huì)資源，通過貿(mào)易途徑以虛擬水的形式對(duì)區(qū)域內(nèi)外部的水資源進(jìn)行配置，強(qiáng)調(diào)社會(huì)資源對(duì)緩解水資源短缺的適應(yīng)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(tài)系統(tǒng)管理。內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)雖然消耗了絕大部分水資源，但也是流域水資源系統(tǒng)的重要成分。為了應(yīng)對(duì)全球環(huán)境惡化、生態(tài)退化、生物多樣性破壞正逐漸危及生命支持系統(tǒng)的現(xiàn)狀，生態(tài)系統(tǒng)健康管理逐漸形成并發(fā)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(jì)劃強(qiáng)調(diào)生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)功能、生物多樣性保護(hù)和持續(xù)利用的重要性。

5、相對(duì)完善的流域生態(tài)一水文觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)、模型平臺(tái)

美國(guó)CLEANER(2006)科學(xué)實(shí)施計(jì)劃指出：“我們還不明確如何設(shè)計(jì)最優(yōu)觀測(cè)站網(wǎng)和實(shí)施具體觀測(cè)內(nèi)容；我們還缺乏對(duì)水文和生物地球化學(xué)過程在流域尺度或更大尺度上進(jìn)行空間和時(shí)間綜合觀測(cè)的能力”并著手建設(shè)大尺度綜合環(huán)境觀測(cè)站網(wǎng)，在流域尺度實(shí)現(xiàn)學(xué)科的綜合與集成。國(guó)際水委員會(huì)2005-2015年“生命之水”十年計(jì)劃也著手建立水資源觀測(cè)網(wǎng)，籌建一個(gè)數(shù)據(jù)采集、傳輸、發(fā)布的流域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。CSIRO水土分部為未來的流域科學(xué)強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)、模擬、軟件工程和團(tuán)隊(duì)?wèi)?zhàn)略。

在地理學(xué)從經(jīng)驗(yàn)科學(xué)走向?qū)嶒?yàn)科學(xué)的進(jìn)程中，地表過程的定量科學(xué)實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了地球系統(tǒng)科學(xué)的快速發(fā)展，許多觀測(cè)實(shí)驗(yàn)甚至成為一個(gè)階段科學(xué)認(rèn)識(shí)和研究方法進(jìn)步的里程碑。全球大氣和水文循環(huán)模型難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流域尺度的水文過程，既缺少高分辨率的遙感觀測(cè)，又缺少地面試驗(yàn)，極大地影響了生態(tài)一水文過程認(rèn)識(shí)和建模。

數(shù)字計(jì)算、數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡(luò)以及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用，正在形成替代和拓展理論分析、實(shí)驗(yàn)觀察2個(gè)經(jīng)典的研究方法，需要對(duì)長(zhǎng)期、分布式、靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和描述，建立了描述流域數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)格式、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)交換格式以及轉(zhuǎn)換元數(shù)據(jù)系統(tǒng)，建立了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、融合、挖掘、發(fā)現(xiàn)和可視化的工具，建立了陸面與水文數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)多源遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)融合的同化系統(tǒng)，來生成高分辨率的、時(shí)空一致性的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集，保證科研團(tuán)隊(duì)跨時(shí)間、區(qū)域、部門甚至跨學(xué)科間實(shí)現(xiàn)共享和協(xié)作。