流域系统科学初探(3)

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，[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。

文章来源：《系统科学学报》 网址: http://www.xtkxxb.cn/qikandaodu/2021/0207/332.html