1 流域系统科学的提出

1.1 提出背景

流域是以“水”为纽带形成的基本地貌单元，不但涉及水、大气、生物、阳光、土壤、岩石等自然要素，还涉及人口、社会、经济、文化、行政管理等人文要素，各种要素相互作用、相互影响，共同构成一个具有多层级结构的复杂巨系统。系统内部自然属性的上、中、下游和左、右岸，各区段、各时段人文要素之间，发生的各种变化存在着共生和因果关系，流域系统是一个不可分割的有机整体，其中任一要素的变化或某一区段的局部性调整，都将不可避免地对整个流域产生重要影响。纵观欧美、日本等发达国家百余年来河流治理的发展历程和实践探索可以看出，仅聚焦于解决流域内局部的某个自然问题，流域各要素得不到优化配置、拆东墙补西墙，流域人水矛盾得不到和谐解决，已无法适应社会发展和生产实践的需求。因此，必须跳出流域内部区域化-单元化的治理目标，从流域的整体性、系统性出发，统筹协调上下游、干支流、左右岸关系，考虑流域水安全、水资源、水环境、水生态以及区域社会经济发展，实施统一规划和综合治理，实现流域整体效益的最大化。

近年来，将地球系统科学理论与方法进行拓展与延伸，在流域/区域尺度研究各组成单元的协调发展问题得到国内外学者广泛关注，并由此拓展了“自然-社会二元水循环理论”“社会水文学”“流域科学”“人地系统耦合”“区域生态学”“流域水系统理论”等众多学科方向，为区域/流域治理保护提供了全新的研究思路和方法。然而，这几个学科关注的焦点问题并不能很好地解决区域/流域的所有问题，特别是流域系统治理的战略布局问题，面对不同领域的不同治理保护和发展需求，需要破解的关键科学问题和技术问题不同，研究的侧重点各不相同，仍需要继续发展出一个或多个流域尺度上不同的地球系统科学分支学科。

1.2 提出过程

流域系统科学的提出经历了大约12年的时间，更与我36年从事黄河问题研究和参与治黄决策、具体工程实践的经验密切相关。记得年轻的时候，我跟着委领导或者治黄老专家下去查河、现场调研、检查工程建设，经常看到河务部门与地方政府或老百姓因为工程建设占地、河势突变引起塌滩掉村等问题发生一些摩擦，甚至拦车喊冤。作为一名科研工作者，每每看到这类事情，总觉得不可思议，甚至为黄委感到极度的委屈和不平，总觉得黄委的任何一个决策，包括我们科研人员科学研究的初衷，都是代表党、代表国家在为老百姓谋福利，为保障黄河安全和广大的黄淮海平原安全而努力，为什么得不到地方政府的大力支持和老百姓的理解呢？随着自己工作阅历的增加、对黄河认知的逐步深入，加上多次到发达国家考察学习，大量阅览科学文献，我发现黄河问题及其科学研究决不是单单依靠自然科学就可以解决的，并逐步开始思考对黄河科学研究思路进一步完善，思考开展黄河知识科学普及的重要性。2008年，我和我的同事王仲梅、郜国明合作发表了“治黄实践中社会问题根源分析及对策探讨”文章；2012年，我参加中国科协八大会议，提交了“妥善解决黄河治理开发实践中有关社会问题的建议”的提案。十二五科技研发计划项目中专门设立课题“黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能及滩区减灾技术研究”，我们第一次尝试引入系统理论方法，建立了黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能与减灾效应二维评价模型。2015年，国家自然基金重点项目“游荡性河道河势演变与稳定控制系统理论”，首次提出黄河下游游荡性河道是一个构成元素众多的复杂巨系统，按其功能划分为行洪输沙、社会经济、生态环境三个子系统，并阐明了各子系统内涵、功能、关键要素及相互作用关系。十三五重点研发计划项目“黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控关键技术”，进一步应用系统理论方法，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。2017年，水利部公益性行业专项“黄河泥沙资源利用关键技术”，应用生态经济学能值理论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。2020年9月，习近平总书记提出黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略一周年，为庆祝中国水利学会流域发展战略专业委员会成立，专委会在《水利学报》杂志上组织了一起流域系统治理研究专稿，以王浩院士、胡春宏院士、黄建平院士、杨开忠研究员为代表的十几位专家学者为专刊撰写了文章；暨此，“流域系统科学”正式提出并在这期专刊上发表。

流域系统科学定位

2 流域系统科学的概念内涵

流域系统科学是以系统理论和方法为主要研究手段，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。在研究对象和研究内容等方面，具有自己的独特性。

2.1 研究对象

从流域系统整体出发，按照功能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。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。

流域系统科学三大子系统的关系

需要注意的是，对于不同层面、不同领域的问题，流域系统治理研究的对象发生变化，其边界/约束条件也随之改变。如果研究流域发展战略问题，那就针对的是整个“流域系统”及其行洪输沙-社会经济-生态环境三大功能子系统，气候、水文气象及河口海洋条件就是它的边界条件；如果降空间尺度研究某一个典型区域，针对的就是区域内河流的行洪输沙-社会经济-生态环境三大子系统，它的边界条件除了气候、水文气象等因素之外，还要增加区域上游的水沙条件和出口的水沙需求；如果降维研究某一个单一子系统问题，比如水沙资源配置或调水调沙方案、生态环境配置格局等，其他两个子系统的需求就成为了它的约束条件。

2.2 研究内容及关键科学问题

流域系统科学主要面临3个方面基础研究需求、6个关键科学问题。

（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。

（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。

（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。

流域系统科学关键科学问题

3 流域系统科学的基本架构

流域系统科学基于现代系统科学，在地球系统科学的框架下，将流域看作一个复杂巨系统，将现代系统科学理论和方法应用于流域系统治理的研究和实践当中，重点关注研究各子系统内部演化过程与机理，各子系统之间相互作用关系与协同演化机制，各流域系统协调发展策略与战略布局等，为支撑流域生态保护和高质量发展提供有效支撑。流域系统科学应属于地球系统科学的一个分支，仅仅是系统科学一个微小浪花。

流域系统科学的基本架构

3.1 学科基础

流域系统科学以突变论、控制论、协同学、博弈论、非线性科学等为主导，以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。

（1）各子系统传统学科体系

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、数字流域等新兴学科。

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，但在大尺度多过程生态水文模型方面还有待进一步突破。

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、二元水循环理论等跨学科理论，以及逐渐发展形成的社会水文学等新兴学科，都是社会经济子系统的基础支撑学科。

（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；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；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，展现出未来在流域系统治理研究中的应用潜力。

3.2 方法体系

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，必须统筹原型观测、数值模拟和物理试验等技术手段，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。