關(guān)鍵詞

Key words

近年來，與生態(tài)學(xué),、社會(huì)科學(xué)等其它學(xué)科的交叉成為水文學(xué)發(fā)展的前沿方向,。生態(tài)水文學(xué)[1-4]創(chuàng)立了生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)及水與生態(tài)系統(tǒng)互饋?zhàn)饔醚芯康男路较颍鐣?huì)水文學(xué)[5-6]的提出進(jìn)一步擴(kuò)展了水與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的相互作用研究領(lǐng)域,。圍繞變化環(huán)境的水循環(huán)與水安全問題,，國際上實(shí)施了一系列涉及到水與氣候、水與人類,、水與社會(huì),、水與生態(tài)、水與環(huán)境及其聯(lián)系的科學(xué)研究計(jì)劃,。1987 年國際科學(xué)理事會(huì)（ICSU）發(fā)起了國際地圈生物圈計(jì)劃(InternationalGeosphere-Biosphere Program,，IGBP) （1987－2015 年），水文循環(huán)的生物學(xué)方面（BiosphericAspects of the Hydrological Cycle, BAHC）是其核心研究計(jì)劃之一,，主要研究植物在地表和大氣水文過程中的作用,；1996年國際社會(huì)科學(xué)聯(lián)合會(huì)（ISSC）啟動(dòng)了全球環(huán)境變化的人文因素國際項(xiàng)目（IHDP: International Human Dimensions Programme on Global EnvironmentalChange）（1996－2014 年），重點(diǎn)研究人類活動(dòng)對(duì)全球環(huán)境的影響[7],；2004 年,，地球系統(tǒng)科學(xué)聯(lián)盟（ESSP）推動(dòng)成立“全球水系統(tǒng)計(jì)劃（GWSP）”，核心議題是“人類活動(dòng)如何影響全球水系統(tǒng)以及以水循環(huán)為紐帶聯(lián)系的三大過程（水循環(huán)物理過程,、水質(zhì)水生態(tài)過程和人類經(jīng)濟(jì)過程）的作用與反饋如何”[8],；2013 年，國際水文科學(xué)協(xié)會(huì)（IAHS）正式發(fā)布并啟動(dòng)了 2013－2022 年十年科學(xué)計(jì)劃——Panta Rhei,，主題是“處于變化中的水文科學(xué)與社會(huì)系統(tǒng)”,，將水文系統(tǒng)視為自然環(huán)境與人類社會(huì)之間的一個(gè)不斷變化的交界面，以應(yīng)對(duì)水安全,、人類的安全與發(fā)展以及環(huán)境管理決策等方面的問題[9-10],；2014 年開始，國際水文計(jì)劃進(jìn)入了第八階段（2014－2021 年）,，強(qiáng)調(diào)了變化環(huán)境下的水安全問題[11],；同年，國際科學(xué)理事會(huì)（ICSU）等國際組織發(fā)起了“未來地球計(jì)劃（Future Earth）”（2013－未來）,，以“動(dòng)態(tài)地球,、全球可持續(xù)發(fā)展、向可持續(xù)性轉(zhuǎn)型”為研究主題，強(qiáng)調(diào)了水,、能源,、糧食之間的協(xié)同、平衡管理以及其與自然環(huán)境,、經(jīng)濟(jì),、社會(huì)、政治之間的關(guān)聯(lián)性[12],。因而,，以多學(xué)科視角，將自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)相融合以研究變化環(huán)境下的水問題是當(dāng)前國際地球系統(tǒng)水科學(xué)發(fā)展前沿,。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,，我國的水資源開發(fā)利用量已接近警戒線，水資源時(shí)空分布極其不均,，水污染日益加劇,，局部地區(qū)與水相關(guān)的生態(tài)-環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)重[13-14]。人類社會(huì)與自然環(huán)境的需水矛盾逐步加大,，大型水利樞紐,、跨流域調(diào)水工程等人為調(diào)控工程對(duì)流域生態(tài)環(huán)境的影響已不容忽視,。因此，迫切需要從水系統(tǒng)的角度,，研究變化環(huán)境下水循環(huán)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)間的聯(lián)系與反饋機(jī)制以及水循環(huán)系統(tǒng)的整體調(diào)控與高效利用[15],。夏軍[16]針對(duì)國家重大需求和國際科學(xué)前沿問題，綜述了中國水資源管理與水系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn),，建議加強(qiáng)水系統(tǒng)的科學(xué)基礎(chǔ)理論研究與創(chuàng)新、“水與氣候”,、“水與生態(tài)”,、“水與社會(huì)”應(yīng)用問題的綜合研究和水系統(tǒng)科學(xué)與水資源管理的交叉研究,。本文針對(duì)自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)相融合以研究變化環(huán)境下的水問題的前沿流域,，介紹水系統(tǒng)的基本概念、理論與意義,，指出了以多學(xué)科視角,，指出水系統(tǒng)研究的難點(diǎn)與水系統(tǒng)多要素關(guān)聯(lián)性研究的發(fā)展趨勢(shì),，通過實(shí)例分析,，闡述水系統(tǒng)理論與方法在解決我國復(fù)雜水問題中的實(shí)踐意義。

2.1 水系統(tǒng)基本概念

水系統(tǒng)是由以水循環(huán)為紐帶的三大過程（物理過程,、生物與生物地球化學(xué)過程和人文過程）構(gòu)成的一個(gè)整體，而且內(nèi)在地包含了這三大過程的聯(lián)系及其之間的相互作用[8]。其基本概念見圖 1。

物理過程即傳統(tǒng)的全球水循環(huán)的物理過程,，包括降水,、蒸散發(fā),、下滲、徑流,、地貌,、泥沙過程,、水汽輸送等,。它不僅包括地球陸地表面的水文過程,，而且還包括在海洋和大氣中的水文過程,。

生物與生物地球化學(xué)過程則包括水生生物及其相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)和其生物多樣性,。這些生物也是全球水系統(tǒng)的地球化學(xué)作用中不可或缺的環(huán)節(jié)，而不僅僅是簡單地受物理-化學(xué)系統(tǒng)的變化的影響,。這當(dāng)中也包括全球水系統(tǒng)和水質(zhì)中的生物地球化學(xué)循環(huán),。

人文過程包括與水相關(guān)的組織機(jī)構(gòu),、工程、用水部門等，人類社會(huì)不僅是水系統(tǒng)中的一環(huán)，其本身也是水系統(tǒng)內(nèi)變化的重要媒介,。人類社會(huì)在遭受到水資源可利用量的變化所帶來威脅的同時(shí)，也會(huì)采取不同的行動(dòng)以減輕或適應(yīng)這樣的變化。

全球水系統(tǒng)在地球系統(tǒng)的非生物動(dòng)力學(xué)中起著關(guān)鍵的作用。水循環(huán)為地球系統(tǒng)中的各個(gè)過程提供了物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)換的載體。例如,，通過與碳循環(huán)及其他生物地球化學(xué)循環(huán)的耦合，水有助于調(diào)節(jié)二氧化碳及其他重要?dú)怏w的釋放及儲(chǔ)存,，維持陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的完整性和生物多樣性。水文循環(huán)控制由大陸到海洋的水性物質(zhì)的運(yùn)輸,，云,、雪覆蓋和水汽的全球分布則調(diào)節(jié)地球的能量平衡。同時(shí)，全球水系統(tǒng)在人類社會(huì)中也發(fā)揮著核心的作用,。隨著水系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì),、社會(huì)、技術(shù)等社會(huì)過程的聯(lián)系愈加緊密，這些過程的“全球化”使得水系統(tǒng)的全球化更加凸顯,。比如一些大型國際組織所實(shí)施的與水相關(guān)的政策會(huì)直接影響全球范圍內(nèi)的取水,、配水及調(diào)水，進(jìn)而影響全球范圍內(nèi)的水文情勢(shì),、污水排放,、水體的生物地球化學(xué)作用及水生生態(tài)系統(tǒng)的完整性。

2.2 水系統(tǒng)理論意義

2.3 水系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性與研究的難點(diǎn)

水系統(tǒng)理論旨在提升關(guān)于自然和人類系統(tǒng)如何相互作用的認(rèn)識(shí)，以及理解二者如何在變化環(huán)境下協(xié)同進(jìn)化，以科學(xué)地制定自然資源,，尤其是水資源可持續(xù)發(fā)展的管理決策,。但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在水系統(tǒng)理論及其應(yīng)用的研究中,，仍存在著很多重點(diǎn)和難點(diǎn),。

當(dāng)前，不論是生態(tài)水文學(xué)還是社會(huì)水文學(xué),，新的發(fā)展趨勢(shì)都特別注重多元要素的關(guān)聯(lián)性（nexus）,，強(qiáng)調(diào)基于自然和人類系統(tǒng)間的互饋機(jī)制研究，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合模擬流域水文,、能源,、糧食、生態(tài)環(huán)境,、人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)同演變及其集合響應(yīng)機(jī)制,。Elshafei 等[17]基于自然和人類系統(tǒng)間互饋機(jī)制，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合流域水文學(xué),、人口,、經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境,、社會(huì)經(jīng)濟(jì)敏感性和集體反映,，為社會(huì)水文學(xué)模型提出了一個(gè)原型框架，假定了社區(qū)敏感性轉(zhuǎn)態(tài)變量和行為響應(yīng)變量兩個(gè)重要參數(shù)反映系統(tǒng)之間的相互反饋,；Van Emmerik 等[18]考慮了水庫庫容,、灌溉面積、人口數(shù)量,、生態(tài)健康和環(huán)境意識(shí)五個(gè)狀態(tài)變量之間的相互作用,，建立了由非線性常微分方程組成的人-水耦合系統(tǒng)控制方程，模擬了過去100 年澳大利亞Murrumbidgee 流域人-水系統(tǒng)的協(xié)同進(jìn)化過程,，揭示了在氣候變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)下人-水耦合系統(tǒng)的“鐘擺”型變化規(guī)律,；Feng 等[19]在 Van Emmerik 等的研究基礎(chǔ)上，探討了供水,、發(fā)電和環(huán)境系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性,，建立了六個(gè)非線性常微分方程描述水庫蓄水、供水,、發(fā)電,、人口,、生物質(zhì)和環(huán)境意識(shí)的協(xié)同演化過程，加深了對(duì)耦合系統(tǒng)相互作用的理解,；Hale等[20]構(gòu)建了一個(gè)研究社會(huì)-水-生態(tài)系統(tǒng)的框架,，可用于解構(gòu)復(fù)雜水系統(tǒng)的關(guān)鍵組成要素及其之間的相互聯(lián)系。這種多元要素關(guān)聯(lián)分析的發(fā)展趨勢(shì)推動(dòng)了對(duì)水系統(tǒng)的深入理解和認(rèn)識(shí),，對(duì)在變化環(huán)境下從多學(xué)科的角度研究水問題,，提高發(fā)現(xiàn)潛在的反饋機(jī)制及可能的新范式和新的模型方法，具有重要的科學(xué)意義,。

水系統(tǒng)理論在我國的應(yīng)用研究剛剛起步,，近年來筆者在淮河、鄱陽湖,、漢江等流域開展了相關(guān)的研究工作,，闡述水系統(tǒng)理論于我國水資源可持續(xù)利用及發(fā)展的實(shí)踐意義。

3.1 淮河流域水系統(tǒng)科學(xué)實(shí)踐

淮河流域地處我國東部,，介于長江和黃河兩流域之間,，是我國水污染比較嚴(yán)重的地區(qū)之一，流域內(nèi)污染物入河量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出水域納污能力,，經(jīng)治理后流域水質(zhì)持續(xù)惡化的趨勢(shì)得到遏制,，總體水質(zhì)顯著改善，局部污染仍較嚴(yán)重[21],。流域及輻射區(qū)內(nèi)高密度的人口分布與高污染產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不僅造成流域水質(zhì)污染,，也使得居民基本生活及經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源需求逐漸增大，與生態(tài)系統(tǒng)之間的需水矛盾日益凸顯,。此外,，由于防洪、灌溉,、供水,、防潮、排澇,、環(huán)保,、水產(chǎn)、航運(yùn)和水力發(fā)電等多方面的需要,，淮河流域上水庫和閘壩等水利設(shè)施眾多,，閘壩攔蓄上游來水，弱化了水體的自凈能力,，城鎮(zhèn)工業(yè)廢水與生活污水不斷排入，水質(zhì)持續(xù)惡化,，導(dǎo)致河道內(nèi)積聚的污染水體隨洪水下泄,，造成水污染事件[22],。并且，淮河流域河湖徑流季節(jié)性變化大,，水資源開發(fā)利用程度高,，河道內(nèi)生態(tài)用水常被擠占，有水無流或河湖干涸萎縮的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,，流域內(nèi)中小河流水生生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重,，河湖生態(tài)用水難以保障，因此導(dǎo)致河道干涸,、斷流,，湖泊濕地萎縮，水生生物數(shù)量和種類減少,，生物多樣性降低,，流域水生態(tài)功能下降[23]。

目前,，對(duì)淮河流域水生態(tài)系統(tǒng)特征缺乏全面系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能把握不到位,，導(dǎo)致了制定有關(guān)管理方案存在一定的盲目性,。淮河流域大部分區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)健康存在著不同程度的問題,。需要以水系統(tǒng)的角度,，將居民生活用水,、工業(yè)生產(chǎn)需水、農(nóng)業(yè)灌溉用水,、閘壩調(diào)度等人文過程以及流域水生態(tài)系統(tǒng)中的生物與生物地球化學(xué)過程與流域水循環(huán)中的物理過程相聯(lián)系,，揭示各個(gè)過程之間及其自身內(nèi)在的聯(lián)系和反饋機(jī)理；關(guān)鍵指示生物和水生態(tài)健康標(biāo)準(zhǔn),，計(jì)算河流生態(tài)需水量,，確定生態(tài)閾值及生態(tài)調(diào)控目標(biāo)，分析閘壩可調(diào)能力,，確定流域水系統(tǒng)響應(yīng)變化環(huán)境的承載力和適應(yīng)性,；耦合水生態(tài)系統(tǒng)模型及水文模型、多閘壩水質(zhì)模擬,、等模塊,，集成與拓展多閘壩水質(zhì)-水量-水生態(tài)模型，模擬流域水系統(tǒng)中三大過程之間的相互作用及反饋,，建立淮河流域水質(zhì)-水量-水生態(tài)多維調(diào)控技術(shù)與調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái),，為流域水資源的可持續(xù)利用、生態(tài)保護(hù)與水污染控制等提供科學(xué)依據(jù),。

3.2 鄱陽湖流域水系統(tǒng)科學(xué)實(shí)踐

鄱陽湖是我國最大的淡水湖和國際重要濕地,，位于長江中下游南岸的江西省的北部,，上接江西境內(nèi)贛江、信江,、撫河,、饒河、修水五大干流（下稱“五河”）,，下有湖口通長江,。湖區(qū)水位受鄱陽湖流域“五河”徑流和長江來水的雙重影響，是一個(gè)典型的季節(jié)型,、過水型,、吞吐型的湖泊。在汛期“五河”大量洪水入湖,，湖水巨增,，湖面漫灘，水流遲緩,；冬春季節(jié),，水位下降，湖灘出露,，湖面減小,，水流急劇。因而,，鄱陽湖在洪水,、枯水期時(shí)，湖位,、面積,、容積變化極大。

現(xiàn)今鄱陽湖水位及其變化已不再是純天然狀態(tài),，在湖區(qū)內(nèi)由于大面積的圍墾和湖汊的人工控制,，通江水體的面積已大為壓縮。在“五河”流域幾乎都建有大型水利工程對(duì)入湖水量進(jìn)行調(diào)控,，而出湖水量則受到長江上游水利樞紐的影響,，三峽水庫蓄水期間，湖口長江水位偏低,，五河來水補(bǔ)充不足,，導(dǎo)致枯水期提前及延長，枯水期水位持續(xù)走低[24],。三峽工程運(yùn)行和五河水庫調(diào)度等新情況改變了流域水文情勢(shì),，但這樣的環(huán)境變化對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響（濕地植被退化、漁業(yè)資源衰退、濕地生物多樣性面臨威脅）尚未明朗,，需要研究變化的量級(jí)以及關(guān)鍵機(jī)理[25-27],，以及流域水系統(tǒng)中人文過程（調(diào)控工程）,、物理過程（鄱陽湖,、五河及長江之間的水沙運(yùn)移）、生物及地球化學(xué)生物過程（濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物群落對(duì)水文情勢(shì)及氣候變化的響應(yīng)）之間的相互作用及反饋,；分析鄱陽湖水文生態(tài)時(shí)空演變規(guī)律,，探究流域水系統(tǒng)中不同部分空間上的聯(lián)系，以及氣候變化和鄱陽湖水利樞紐工程等人類活動(dòng)對(duì)水系統(tǒng)長期持續(xù)的影響而形成的時(shí)間上的聯(lián)系,；從流域水系統(tǒng)的角度研究水循環(huán)過程與社會(huì)用水,、水政策互動(dòng)關(guān)系，研發(fā)大尺度基于植被響應(yīng)的水文生態(tài)模型,，綜合考慮保護(hù)區(qū)生態(tài)與環(huán)境保護(hù)及區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展,，提高流域水系統(tǒng)的承載能力及適應(yīng)性，為鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康與生物多樣性保護(hù)提出適應(yīng)性對(duì)策,。

3.3 漢江流域水系統(tǒng)科學(xué)實(shí)踐

漢江是長江最長的支流,，流經(jīng)陜西、湖北兩省,，于武漢市匯入長江,。漢江流域特別是中下游地區(qū)為湖北社會(huì)、經(jīng)濟(jì)核心區(qū),，以漢江為主線構(gòu)筑了湖北省南北經(jīng)濟(jì)走廊,，漢江水源對(duì)流域的生活、生產(chǎn)和生態(tài)具有極其重要的支撐作用,。

隨著漢江中下游社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,，該地區(qū)的水文、水質(zhì),、水生態(tài),、工業(yè)用水及跨流域調(diào)水等自然因素以及人為因素不斷變化[28]。一方面多個(gè)調(diào)水工程的建設(shè)和運(yùn)行不僅減少了下泄流量,，降低了水位,，改變了漢江干流的水文氣象條件，加劇了漢江流域日趨嚴(yán)重的水環(huán)境和水生態(tài)問題[29],；另一方面,，逐漸增加的化肥施用量及肥料流失量使得流域水體富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，大量工業(yè)廢水和生活污水的排放進(jìn)一步加劇了水體富營養(yǎng)化,。因此,，河湖生態(tài)補(bǔ)水需求增加，水環(huán)境污染問題日益突出[30]，漢江水華發(fā)生的頻率有增加趨勢(shì),。為了改善流域中下游水環(huán)境質(zhì)量狀況,，應(yīng)以流域水循環(huán)為紐帶，分析流域內(nèi)各個(gè)調(diào)水工程,、農(nóng)業(yè)面源污染,、工業(yè)污染與河道內(nèi)營養(yǎng)化學(xué)作用之間的聯(lián)系與反饋，確定流域水生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)變化環(huán)境的承載能力及可恢復(fù)性[31],?；跐h江流域基礎(chǔ)參數(shù)調(diào)查及評(píng)價(jià)，分析人類活動(dòng)影響下水位,、流量,、流速等水文要素的時(shí)空分布變化趨勢(shì)及水質(zhì)時(shí)空變化規(guī)律，基于流域水系統(tǒng)中三大過程的聯(lián)系與反饋,，耦合流域水循環(huán)模型及基于物理機(jī)理的水生態(tài)模型,，模擬流域水系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)需水過程，確定適宜生態(tài)需水量,，指導(dǎo)流域水資源及水生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展,。

變化環(huán)境下的水問題是目前地球系統(tǒng)水科學(xué)研究國際前沿，這涉及到水與氣候,、水與生 態(tài),、水與環(huán)境、水與社會(huì)及其聯(lián)系,。水系統(tǒng)理論將這些因素及其聯(lián)系作為水循環(huán)系統(tǒng)的一部分,，強(qiáng)調(diào)水循環(huán)研究的系統(tǒng)性，為水資源可持續(xù)發(fā)展提供了新的視角和方法,。