编者按
在国家自然科学基金重大研究计划“西南河流源区径流变化和适应性利用”的支持下，我国科学家直面径流变化的世界级科学难题，历时8年，7000余人次接力奋战，百余次挺进青藏高原“生命禁区”。他们基于海量的第一手数据，将论文写在“亚洲水塔”的雪域高原、峻岭深谷与工程一线，一系列原创性理论与技术成果直接服务于国家重大工程，形成了具有鲜明特色的“中国学术流派”，极大增强了国际学术语境的“中国声音”，贡献了国际河流治理协同共赢的“中国方案”。
科研人员在科考中留影。研究团队供图
■本报记者 甘晓
人们熟知的“亚洲水塔”在科学上被定义为“西南河流源区”，指的是我国青藏高原南部及东南毗邻横断山的广阔高原山区，雅鲁藏布江、澜沧江、怒江、长江以及黄河等亚洲大河集中发源于此。在我国极端缺水的现实下，该区域出境水量高达5000亿立方米，接近全国年用水量的总和，但利用率还不足2%。
破解西南河流源区径流变化这一科学难题，直接关系到我国实施生态安全屏障建设、水安全、清洁能源及“双碳”目标、“一带一路”倡议等多项国家重大战略。
为此，国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）在经历了近6年的反复论证、周密谋划后，最终从我国众多的水问题中遴选、聚焦到西南河流源区，并于2016年正式立项启动国家自然科学基金重大研究计划“西南河流源区径流变化和适应性利用”（以下简称重大研究计划）。
2024年底，重大研究计划以全优成绩完成结束评估。中国工程院院士、重大研究计划指导专家组组长胡春宏感慨颇深：“踏遍青山情未老，‘亚洲水塔’是一片充满魅力又极富挑战的学术热土。8年时间里，我们实现了把多学科交叉融合理论探索和服务重大战略的具体实践结合起来，努力把论文写在雪域高原和峻岭深谷中的工程现场，基石已筑、蓝图正绘、未来可期。”
时不我待，抢占世界科技制高点
多年前，中国科学院院士王光谦与胡春宏等专家就前瞻性地认识到，西南河流源区径流利用涉及多项国家重大战略需求，但基础理论研究却非常薄弱。2013年，国际水文科学协会提出了“新水文科学计划IAHS-Panta Rhei（2013—2022）”。此后，全球学界陆续启动了相关重大科学计划，如加拿大科学院的“全球水未来”国家研究计划、美国国家科学基金会的“水能粮互馈”研究计划等。近10年来，该研究领域发表论文数量呈指数级增长。
胡春宏看到，尽管西南河流源区被国际学术界公认为研究径流变化最理想的“热区”“高点”，但该区域的基础研究相对滞后。在重大研究计划实施前，专家们查阅大量资料后发现，关于青藏高原的水科学研究在国际顶级期刊上发表的论文数量很少，而且有80%的论文由国外学者完成。这让中国科学家既感到压力，也产生了迎头赶上的坚定决心和澎湃动力。
“以往欧美学者的研究成果主要依靠数学模型等间接手段获得，缺乏实证资料的验证，对径流组成、变化归因及未来趋势等重要问题的认知存在片面性，形成严重误导。”胡春宏指出，“如何纠正不正确的看法，打破历史上形成的学术思想禁锢，也是我们面临的重大挑战。”
面对这一学术探索的“富矿”，科学家们决心牢牢抓住“径流变化”这个牛鼻子，锚定国家战略的重大需求，直面“世界屋脊”科学探索的难题，抢占“第三极”学术高地。
2016年，重大研究计划就是在这样的背景下正式启动的。
勇闯生命禁区，只为填补监测空白
重大研究计划实施的区域山高谷深、高寒缺氧，河流源头均为无人的生命禁区。据水利部资料，该区平均超过3万平方公里的范围内才有1个基本水文站，站网密度不足全国平均的1/30，上千公里干流河长的雅鲁藏布江仅有5个水文站。
中国工程院院士、指导专家组成员张建云在实施方案论证会上强调：“径流变化研究需要序列资料对其动态细节进行精确刻画。如何构建覆盖全域的以径流要素为主的监测体系，弥补资料短板，是重大研究计划的首要难题和第一任务。”
为此，重大研究计划在启动会上率先部署6个“监测和数据平台类”项目。指导专家组要求所有项目“向北、向西、向高原”，把现场观测和收集基础资料作为项目开展的首要任务。
8年时间里，重大研究计划资助的89个项目均组织了科考调查，汇交了海量第一手科学观测数据，科考次数超100次，累计7000人次进入高原河流源区。
仅指导专家组和管理工作组就组织了8次专家组的源区高原科考，总行程超过5万公里。指导专家组的胡春宏、张建云、王超、郑春苗、倪广恒，特邀知名专家刘丛强、康绍忠、吴丰昌、李华军等学者深入五大河流的源头区考察，对把握总体方向提出了卓有成效的意见。
科考途中，科学家们经历过“生死考验”。2018年9月，胡春宏带队进入雅鲁藏布江源头杰玛央宗冰川地区，为尽可能多地了解源区径流情况，拓展了原计划路线。无人区冰原景观让经验丰富的驾驶员也迷航了，他们在海拔5600米的高原停留了8个多小时，接近燃油耗尽才回到安全地带。
2023年4月，科考队在完成长江源头姜根迪如冰川考察后的返程中，历经长达14小时高原长途后，中国工程院院士、指导专家组成员王超乘坐的汽车不慎冲入黑夜中的河流。
身陷冰冷、湍急的水流，年过六旬的王超临危不惧：“不要慌！都别动！”他的冷静指挥稳住了同车人员的心态，等来了救援，最后安全脱险。
如今，胡春宏在接受《中国科学报》采访时回忆：“真是不幸中的万幸。从对源区的陌生到熟悉，再到科研成果的取得，凝聚了大家不畏艰难、勇于探索的科学家精神，冒点风险也值得。”
8年时间里，在科学家的共同努力下，河流源区新增1300多处监测点，基于遥感技术的“卫星水文站”的建立解决了无人区径流观测问题，构建了西南源区天空地一体化监测体系。清华大学青年教授龙笛带领科研团队勇于创新，利用新一代雷达、激光和重力卫星等观测新技术，提升了高原无人区观测的技术水平。
这些观测结果形成了八大类118套共计2000余万条监测数据的高质量数据集，并实现全球共享。
“内功”深厚，系统揭示径流奥秘
重大研究计划聚焦“径流变化”“生源物质变异”及“适应性利用”三大核心科学问题，系列基础研究成果达到国际前沿水平，展示了我国在该领域积淀的深厚“内功”。
重大研究计划实施后，我国学者在该领域的论文发表数量迅速增加，学者们共发表2800多篇论文，其中在《科学》《自然》及其重要子刊等高水平学术期刊上发表论文30余篇，同时出版专著19部。在国际顶级期刊上发表的该领域论文中，中国学者的贡献由20%上升到70%。全球发文知识图谱分析，2000年以前中国和美国为青藏高原水科学领域的共同研究中心，2024年中国已成为该领域唯一的“领跑者”。
这些成果的取得离不开重大研究计划对有组织科研的实践。来自全国100多家单位的1000多位专家学者参与其中，代表了全国该领域的优势力量。
参与重大研究计划的多名骨干学者还在国际重要学会和期刊担任领导职务，成为国际大型科学计划的“领导者”。
同时，在澜沧江-湄公河国际河流协调机制中，中国科学家接受中外媒体采访报道的次数是重大研究计划实施前10年总量的5倍。这表明，在水科学国际学术语境中，“中国声音”大幅增强，国际学术影响力和国际舆论引导力得到跨越式发展。
“过去，我们缺乏系统的监测和理论支撑，面对国外质疑时往往难以有力回应。现在不同了，我们有了自己的研究成果和数据依据，可以理直气壮地进行回应和反驳。”胡春宏说。
重大研究计划也培养了一批水科学领域青年人才，其中有9名获得自然科学基金委的青年科学基金项目（A类）、6名获得青年科学基金项目（B类），培养的研究生超过600名。专家们相信，这支充满活力的青年力量将为持续推进创新性研究注入源源不断的动力。
科学立论，支撑国家重大工程
在重大研究计划实施中，科研团队不仅与国家相关业务部门保持密切联系，还与多家生产、规划设计单位开展深度合作研究。据统计，这些生产单位实质性参与50个项目，超过项目总数的一半。这一举措确保了科研成果落地应用。
值得一提的是，科学家们在径流适应性利用方法学方面取得的成果已服务于西南清洁能源基地多能互补、澜湄跨境河流互惠合作、雅鲁藏布江下游水电工程安全保障、国家水网工程战略规划等四项国家重大工程。
在指导专家组看来，基础研究对于工程实践具有根本性的支撑作用。重大研究计划所聚焦的科学问题是从实际生产需求中提炼而来，凝聚了全国水利学者与工程实践者的集体智慧。研究成果又回到实际生产中去，为国家重大工程提供了科技支撑。
例如，“雅江万年洪水序列”成功应用于2018年雅鲁藏布江堰塞堵江的灾害事件，为雅鲁藏布江下游水电工程设计洪水标准提供了坚实、可靠的科学依据。而基于数据实证的泥沙输移模型，准确解析了雅鲁藏布江泥沙冲淤规律，解决了工程取水口防沙技术难题；提出了科学调控方案，解决了雅鲁藏布江下游水电工程规划设计面临的急、难问题。
胡春宏认为，弄清基础研究中的科学规律，对于在工程实践中把握“度”至关重要。必须建立在科学认知的基础上开展水资源利用，把握好“应用的度”，即用到什么程度最合适。
在澜沧江-湄公河国际河流治理中，科学家建立了多目标、多利益主体博弈的径流适应性利用方法和模型，明晰了径流调控的关键阈值，提出了多目标的综合调控维度并形成了跨境水-能-粮互馈合作共赢的“中国方案”。
西南河流源区径流水源解析的新方法和新认识
准确解析径流水源组成是正确认知高原寒区径流变化驱动机制、准确预估未来水资源变化趋势的关键。西南河流源区冰川冻土广布、地形复杂，致使径流水源组成极其复杂。传统研究方法适用性低且不确定性大，已有研究对源区径流水源组成存在较大分歧，亟须完善径流水源解析理论与方法框架。
在重大研究计划支持下，我国科研团队创建了高原寒区径流水源动态解析理论，成为水文学的重要理论创新。
他们提出了多元示踪能谱方法，创造性运用多元示踪技术，建立源区河川径流水源组成的“指纹”图谱，实现了水源解析方法从半定量到定量化的飞跃。
同时，在多水源动态协同机制基础上，科研人员建立了气候变化驱动下水文-植被-土壤-冰雪耦合系统复杂相互作用的表征方法，实现了气候和下垫面协同变化下径流水源的动态解析。在这一理论的指导下，科研人员构建了集成水文水动力学、同位素示踪和能量过程多因素统一的水源解析综合模型，为高原寒区水文过程研究提供了跨学科融合的新工具。与欧美主流方法相比，新方法对水源解析的不确定性降低了约40%。
基于上述理论方法，学者们收获了一系列创新性的科学认识。
第一，在水源组成方面，科研人员发现西南源区五条河流的冰川径流贡献均不足5%。这一新发现纠正了欧美传统研究对该地区径流组成中冰川贡献的高估偏差，颠覆了“冰川退缩将导致源区河流水资源显著减少”的固有认知。同时，研究为“高原跨流域深层地下水补给”科学假说提供了新证据，为理解雅鲁藏布江水量不平衡问题提供了新视角。
第二，研究获得了源区径流变化规律的科学新认知。例如，科研人员首次发现了西南源区径流以30~40年为周期、以北纬32°为分界的南北镜像对称变化规律。并且，受上游冰冻圈退化和下游水库削峰影响，研究发现径流年内分配均呈坦化趋势。
第三，研究揭示了西南河流源区未来径流呈先减小后增加的“非单调”趋势和空间变异格局，其中未来百年总体呈温和增加的趋势，纠正了以往研究的偏差。
总之，这些围绕水源动态解析的理论和方法破解了传统方法对复杂水源解析不充分、不确定性大的难题，解析了融冰水源和跨流域深层地下水对径流的贡献，颠覆了已有认知，建立了西南源区径流水源组成的新基准。
新研究创建“河流全物质通量理论”
河流物质通量是研究水生态系统中各类物质循环的重要基础。在重大研究计划的资助下，我国科研团队提出河流全物质通量研究的理论体系，建立了时空匹配的全要素监测-检测方法体系，获得了包括雅鲁藏布江、澜沧江、怒江、黄河源、长江源等在内的西南源区五条大河的全要素同步检测大数据。这些研究从多物质关联的视角揭示了水沙输移与生源物质迁移转化以及生物响应规律，创建了河流系统生物地理学研究的新范式。
河流物质通量是河流生态系统中共存并相互作用的所有物质和能量输移强度的总称，而全物质通量的核心在于多物质关联。科研团队提出了物质间相互作用、能量输移、生态效应的分析框架，基于“能-质”关系揭示了青藏高原河流物质转化与能量输移规律的特殊性，突破了高寒区物质关联-生物响应-定量累积解析的理论瓶颈。
在重大研究计划实施过程中，科研团队特别关注高寒环境下径流变化对碳、氮、磷、硫、硅等生源物质的迁移转化，浮游生物、底栖动物、鱼类等生物群落的响应，温室气体效应的影响以及人类活动对生源物质的累积效应。
科研团队对河流碳、氮循环进行了深入研究，发现深部来源碳对雅鲁藏布江溶解性无机碳的贡献可达30%，而青藏高原冻土区河流呈现强甲烷排放和弱一氧化二氮排放特征，量化了青藏高原河流温室气体排放通量在全球碳循环中的相对贡献。
同时，科研团队还从微观的分子水平上对河流水沙体系中细菌、藻类等水生生物群落的时空分布格局进行了深入研究，提出了将传统镜检的形态学方法与分子生物学解析方法密切结合的研究范式，绘制出西南河流源区浮游与底栖细菌、藻类群落图谱，填补了高原大河生物响应研究空白。
人类活动对于河流物质通量的影响是当前全球关注的热点，特别是与能源开发相关的工程建设带来的生态环境问题以及跨境河流可持续管理问题，近年来备受关注。
对此，科研团队围绕河流水沙通量、碳-氮-磷-硅等生源物质通量、温室气体通量等重要方面开展了系统性研究，揭示了梯级水库对生源物质“截留-活化-输出”的累积效应，量化了梯级水库氮磷的截留率和转化率。
这些研究确定了梯级水库的生态基线，给出了流量水温联合优化的生态环境阈值。研究成果为科学认识高原河流的特殊性、梯级水库生态优化调度以及跨境水资源合作提供了科技支撑，为推进国际合作发挥了积极作用。
该领域国际知名专家Jack Middelburg这样评价：“这项发现改变了大坝拦截导致库内物质累积以及下游初级生产力破坏的传统观点。”
总之，科研团队创建的河流全物质通量理论和方法突破了高寒区物质关联-生物响应-定量累积解析的理论瓶颈，填补了高寒区河流全物质通量图谱、生源物质通量和温室气体排放等研究的空白，纠正了长期以来建坝对河流生源要素影响的传统认知偏差。
径流适应性利用综合调控方法和技术体系
在气候变化和人类活动的双重作用下，西南河流源区的径流正在发生变化。气候变化背景下“亚洲水塔”的径流变化及生源物质变异备受学术界瞩目，而这一区域的社会经济和国家需求也发生着深刻变革。
在研究利用水资源时需要注意适应这些变化，这便是“径流适应性利用”。科研人员认为，亟须科学系统地开展径流的适应性调控，推动水量-水能-水质的协同利用，以适应不断变化的气候条件、工程条件和社会条件。
在重大研究计划的支持下，我国科研团队创新了径流适应性利用综合调控方法和技术体系。
通过组建理科、工科、管理科学多学科交叉队伍，重大研究计划基于适应性利用的理念，集成了径流综合调控方法，有效衔接了径流适应性利用中的多系统、多主体和多过程，实现了从“认识互馈”到“利用互馈”的转变。
在技术层面，科研团队实现了三项重要突破，包括微观地球物理化学过程与宏观的水利工程调控过程的深度耦合、资源配置的优化理论与社会多利益主体决策的博弈行为相结合，以及超大规模多重不确定多时空嵌套优化求解技术。
据此，他们提出了径流利用过程中关键指标的调控阈值，并最终凝练为“生态优先、多能互补、合作互惠、安全保障”的16字西南模式，为西南径流适应性利用提供指导并为类似流域开发提供科学借鉴。
相关研究成果服务于多项国家重大工程，取得了经济、社会和生态环境效益，得到了国际社会的广泛认可。
其中，“水风光储多能互补技术”已在相关企业日常运行调度中得到应用。随着西南地区进入新的能源开发阶段，科研团队充分利用水电的灵活性和宽时间尺度调节能力，协同响应水、风、光能源多时间尺度互补需求，解决了高比例清洁能源的并网消纳难题，并实现了多元电力系统调度规模从百万千瓦到亿千瓦级的跨越。
跨境河流合作的互惠理论和水-能-粮互惠合作方案助力国家开展相关流域地区的友好合作。这一互惠理论解决了当前理论中的争议，为跨境河流上下游共同责任和义务的确立奠定了理论基础，也为我国在跨境河流开发利用保护方面涉外话语体系的建立提供了学理支撑。
《中国科学报》 (2025-07-28 第4版 自然科学基金)