流域系统科学初探(5)

（2）各子系统间相互作用关系与协同演化机制。应用系统理论和方法揭示流域行洪输沙、生态环境、社会经济各子系统间相互作用关系与协同演化机制，构成了流域系统科学研究的第二个层次。这已经成为近年来跨学科研究的热点领域，也大大推进了如生态水文学、社会水文学、生态经济学、区域生态学等交叉学科的发展。

流域系统科学与上述交叉学科之间最大的区别在于其理论基础不同。生态水文学、社会水文学是考虑生态过程和社会过程的“水文学”，生态经济学是考虑生态过程的“经济学”，而流域系统科学的理论基础则是“系统科学”。概而言之，其他任何一门交叉学科均是以某一子系统本身涉及的学科为核心，综合考虑其他子系统作为边界条件产生的影响。在流域系统科学研究中，行洪输沙、社会经济、生态环境三个子系统的地位是完全平等的，协同学、博弈论等是研究三者之间相互作用关系与协同演化机制的有效基础理论与方法。

（3）流域系统协调发展策略与战略布局。在前述两个层次工作基础上，应用系统理论和方法，提出流域系统各子系统协同发展策略与长远战略布局，支撑流域系统治理保护的科学决策，构成了流域系统科学研究的最高层次。这部分工作的重点是在复杂巨系统及其相互关系中发掘其核心进程，通过关键路径上的调控行为和复杂边界的精准控制，推动流域系统整体的协调发展。以黄河流域生态保护和高质量发展国家重大战略的推进为例，必须充分考虑黄河上中下游的实际情况，统筹黄河流域生态治理、资源调控和社会经济水平提升，提出多维协同的流域发展战略布局，支撑流域管理与区域发展的战略决策。协同学、控制论、集成研讨厅等是研究黄河流域系统协调发展策略与战略布局的有效方法。

4.2 拟解决的关键科学问题流域系统科学当前主要面临3个层次6个关键科学问题，如图3所示。

层次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。

层次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。

层次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。

5 流域系统科学研究方法

流域系统科学的研究方法分基础支撑学科方法体系、系统科学理论与方法、流域系统治理集成流域系统科学前沿研讨厅三类。

图3 流域系统科学关键科学问题

5.1 基础支撑学科方法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[25]、数字流域[60]等新兴学科。

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