1 流域系统科学的提出背景

人类社会的发展史某种程度上就是一部人水关系演变史。早期人类傍水而居，水退人进，水进人退，河流自身演变主导了人水关系。随着人类社会和工程技术的不断进步，人类在人水关系中逐渐占据主导地位，尤其是第二次工业革命后，河流受到人类的强烈干扰。水库大坝建设显著改变了河流的天然形态与水流过程的时空分布，在获得防洪、发电、航运、供水等效益的同时，对原有自然生态系统也造成了不利的影响；工业和生活污水污染了河流，粗放用水方式导致干旱半干旱区一些河流出现断流、干涸甚至消失。因此，人们开始反思对待河流的态度，1938年德国学者Seifert 提出“近自然河溪治理”观念，标志着河流生态修复研究的开始[1]。1950年代，德国提出了“近自然河道治理工程”，强调生态系统及影响因素之间的相互制约和协调作用[2]。

保障河流自身安全是其为经济社会可持续发展提供支撑的前提。不同类型河流/河流系统，由于主导因素的千差万别，维持河流自身安全的条件也不同。对于多沙河流，泥沙的侵蚀、输移与沉积是必须考虑的重要因素；同时，由于河流/河流系统的空间尺度较大，流域内的水文特征、地形地貌、生态类型等往往差异极大，造成维持河流生命永续存在的需求也不相同。流域上中下游不同区域的水生态与水环境，既是一个整体又具有显著的空间异质性，不同生态类型、生物群落演变和演替的时间尺度也存在差异，不同区域之间互为边界和约束，且不断进行着物质、能量和信息交流[3]；此外，流域内亦或受水区范围内的社会经济发展的不均衡性普遍存在，河流自身、生态环境、社会经济各要素之间的相互作用关系及其造成的问题表现形式复杂多样。如珠江流域西江上游经济欠发达的广西段污染物总量相对较小，水质尚好，下游广东段水质明显变差[4]，但随着高耗水、重污染企业向上游转移，情况已在发生变化。

因此，流域所面临的各种问题不是孤立的，流域系统治理保护与区域社会经济可持续发展的有机协同是社会进步的必然选择。由于自然禀赋和社会经济发展程度的差异，河流上中下游的水安全保障需求具有显著的空间差异性，必须从流域层面统筹协调水资源的优化配置；从流域整体出发进行生态修复或从生态系统健康的角度综合整治流域生态环境，已成为流域治理保护和开发的重要抓手[5]；以水为脉，统筹山、林、田、湖、草、城的流域系统治理保护方略，成为研究者与决策者的必然选择[6]。所幸的是，许多学者已经从水环境承载力[7-9]、水足迹[10-12]、水环境生态安全[13]等不同视角，研究社会经济与水环境的协调发展。国际社会致力于流域综合管理[14]，全面提高流域水安全保障能力[15]，实现流域协调的治理实践，也正逐步得到广泛认同。

流域系统的水文泥沙-生态环境-社会经济各要素自身的良性运转和彼此间的协同发展，存在着复杂的博弈关系，例如，人类社会必需的各种服务功能的充分发挥容易引起各类自然生态环境功能的失调，从而降低流域系统的自然生态环境功能；良好的自然生态环境功能的发挥必然会给人类社会经济的发展施加种种限制，从而削弱流域系统的人类社会服务功能[16]。正是由于流域系统各要素之间存在的复杂联系，要求必须跳出流域内部任何一个单元的治理目标，将流域作为一个既有开放边界与外界进行物质与能量交换、又相对封闭具有明确的地理边界和治理保护目标的复杂巨系统，通过水利、经济、社会、生态和环境等诸多自然科学及社会科学的学科交叉[17]，将系统科学的理论方法和地球系统科学研究模式引入流域系统的研究，构建兼顾流域系统河流行洪输沙-生态环境-社会经济多维功能协同发挥的流域系统治理理论与技术体系，孕育并发展流域系统科学这一新的学科方向，为流域系统治理保护和社会经济高质量发展的战略布局与协同推进提供有力的研究工具和坚实的科学支撑。

2 流域系统及其科学方法的演变历程

2.1 从河流到流域系统

2.1.1 从河流到流域 河流是水沙输移的重要通道。早期对河流的研究主要集中在传统的水文泥沙领域，以河床演变学、泥沙运动力学等学科为支撑，研究水流泥沙在河道内的输移和沉积过程及对河流演变的影响[18-20]。随着认识水平的不断提高，水文泥沙研究逐步由河道扩展到流域层面，通过建立分布式水文模型等模拟流域产汇流过程，揭示流域产汇流机理[21]，分析降水、产流及河道洪水演进规律，探讨流域来水来沙与河床演变的关系[22]。钱宁等[23]在系统开展流域面上水土保持和下游河道河床演变的现场观测后提出，多沙河流的治理不仅要改变下游河道的边界条件，还应同时考虑上游水库工程，合理调节水沙过程。王光谦等[24-25]提出了流域泥沙的概念，建立了流域泥沙动力学模型，模拟流域泥沙侵蚀和输移运动，将泥沙研究从河流拓展到了流域尺度，标志着河流研究开始“上岸”。