背景

中国西北内陆河流域具有全球独特的以水为纽带的“冰雪／冻土－河流－湖泊－绿洲－沙漠”多元自然景观，一般从河流的源头到尾闾顺次分布着高山冰雪带、草原森林带、平原绿洲带和戈壁荒漠带等自然地理单元。多年来，内陆河流域水资源的形成和转化规律以及水土资源的合理利用一直是国内科学界和决策部门关注的焦点问题之一，从“七五”到“十五”期间，国家科技部、中国科学院、自然科学基金委等部门都曾投入大量科研经费，组织研究力量开展了卓有成效的水文水资源、生态环境、土地利用、陆表过程、经济地理和遥感与地理信息系统技术等方面的研究，已形成了相当的科学积累。但当前也存在一些问题，表现为：

①这些研究工作依然主要是从单学科出发，多学科交叉和综合远不够充分，缺乏从整体上对流域水文和生态过程的定量描述；

②研究人员各自为战，缺乏直接沟通和对话，没有形成多学科交叉整体优势；

③没有或很少涉及到流域管理问题，尤其是利用流域集成模型对水－生态－经济的综合协调管理；

④模型建模能力不强，缺乏利用现代计算机技术以及广泛可获取的卫星遥感数据和其他新兴的观测数据从整体上模拟流域过程和行为的能力。

以我所（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，简称寒旱所）“水土生气人”研究的主要基地黑河流域为例，自1980年代初以来，我所一直把黑河流域作为重要的科研和实用技术试验示范基地，开展了大量水文水资源、自然地理、生态环境、陆面过程、经济地理和遥感与地理信息系统技术等方面的研究，积累了丰富的数据、资料和科研成果。这些工作可以分为三个阶段，分别是：

①研究积累阶段，以基础性的调查和观测为主，开展了“河西走廊水土资源利用与生态环境现状调查”等研究项目，初步摸清了黑河流域水土资源和生态环境的状况，并提出水土资源的开发利用潜力，编制了黑河流域系列专题地图，出版了《河西走廊水土资源合理开发利用》、《黑河流域水资源合理利用》等专著。1988－1993年，寒旱所前身之一，原中科院高原大气物理研究所在黑河流域展开大规模的陆气相互作用实验，对黑河流域陆面过程、特别是绿洲和沙漠交互带的能量和水汽交换进行了系统的观测，积累了大量气象和水文观测资料，并开展了陆面过程和水文模拟，为流域尺度的水平衡研究奠定了基础。

②系统研究阶段。以国家“九五”攻关项目“黑河流域水资源合理利用与经济社会和生态环境协调发展研究”与“冰雪水资源和出山口径流量变化及其趋势预测研究”，以及自然科学基金重点项目“西北干旱区内陆河流域水资源形成与变化的基础研究”为契机，深入开展了黑河流域水文水资源研究。研究问题主要集中在宏观层次角度，回答了水资源的承载能力和生态环境状况的调查结果，同时建立了很多可持续发展规划方面的模型，这些模型大多有比较完善的经济子系统，也初步涉及到了生态经济耦合关系，但由于缺乏生态系统的过程模拟模型的支撑，生态问题与经济问题的耦合研究还较为薄弱。另一方面，通过这一期研究，收集了大量的基本资料，建成了比较完善的水资源信息系统。

③综合研究阶段，特点是认识到应该把流域内的“经济－水－生态”作为整体进行研究。自2000年以来，我所以黑河流域为研究基地，开展了多项重大和重点研究项目（包括中科院重大项目一项，自然科学基金重点和重大计划项目4项），总体投入经费达2000多万元。设立了众多定位台站，已在黑河流域布置了临泽综合观测站、山区涵养林综合观测站、额济纳旗生态站等野外定位台站。在数据方面，初步建立了数字黑河（http://heihe.westgis.ac.cn），积累了近1000Gb的各类空间数据、遥感数据和定位观测数据。

所有这些研究工作都为进一步的综合集成研究奠定了基础。目前，我所内陆河流域研究队伍已颇具规模，研究成果已在国内形成了较大的影响，从“过程认识”过渡到“流域水、生态和环境管理”的条件已经成熟。我们必须努力进一步立足于科学前沿的探索，同时服务于未来的国家需求；必须以现代“地球系统科学”的思想为指导，以现代模型模拟和信息获取与处理技术为手段，开展综合集成研究。

目前黑河流域研究中最关键、最有待解决的问题都是集成层面上的问题，如：流域尺度上的水分平衡的精确状况是什么样的？降水、径流、蒸散发、以及在渠道和水库之间调配的水资源是如何在时间和空间上分配的？流域内各个区域的生态需水量和生态耗水量究竟有多大？保持流域的可持续发展应该采取什么样的水资源和土地资源管理策略，对于不同方式的流域管理情景，流域各子系统会有什么样的响应？

回答这些复杂问题单单依靠以前的单学科研究积累是远远不够的，需要从“水土气生人”复杂系统集成的角度出发，运用集成的流域管理模型和模拟模型，利用大量空间数据，把流域作为生态－水－经济整体研究，才能既定量地描述流域过程机理，又回答宏观层面的战略决策问题。由于模型集成比单学科模型要复杂得多，模型构建本身难度大，因此在人员组成上仅依靠单学科小组也远远不够，必须依靠多学科研究者的共同参与合作。

在这种背景下，我所认识到非常有必要在黑河研究工作的基础上，在学科前沿布置一个新的研究项目，该项目强调综合性和集成，强调模型建模能力的建设，强调人才队伍的培养和蕴育，强调科学目标和流域管理目标并重。经过充分酝酿和讨论，寒旱所批准了所创新重点方向性研究项目“黑河流域交叉集成研究的模型开发和模拟环境建设”（以下简称黑河模型集成项目）的立项。该项目由程国栋院士领衔，由水文、生态、大气、生态经济、生态水文、遥感与地理信息系统等多学科人员组成。为了真正体现项目的集成和前沿探索特征，项目设定了以下原则：

• 项目不以课题制方式运行，不养人养事；在经费支持上，不锦上添花，应雪中送炭，鼓励研究人员将全额时间投入到本项目的研究工作。
  
• 不与现有的黑河流域研究课题重复，以开拓流域集成模型和建模环境等新领域为出发点，注重解决交叉领域的问题，形成学科交叉点和融合点。
  
• 集思广益，保持开放，项目以科学家小组（工作组）的方式运行，工作组负责人固定，但参加人员不完全固定，欢迎所内外研究人员在项目执行过程中加盟项目组。
  
• 强调科学目标和流域管理目标并重，不仅要通过模型模拟等手段更加深刻地理解流域内水文、生态、经济（人类活动）等过程和它们的相互作用，也要建立以流域水资源和自然资源管理为目标的决策支持系统。
  
• 重点发展生态经济、生态水文、陆面数据同化、遥感水文等新学科，注重模型建模和建模环境等能力建设。
  
• 注重人才培养，特别是年轻博士研究生的培养，为水土气生人研究储备后背力量；迅速通过“补课”拉进与发达国家在流域研究方面的差距，以请进来、派出去为主要培训方式。