宜居黃河科學構(gòu)想*

彭建兵 蘭恒星② 錢 會 王文科 李榮西 李振洪 莊建琦 劉 鑫 劉世杰

(①長安大學地質(zhì)工程與測繪學院， 西安 710054， 中國) (②中國科學院地理科學與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室， 北京 100101， 中國) (③長安大學水利與環(huán)境學院， 西安 710054， 中國) (④長安大學地球科學與資源學院， 西安 710054， 中國)

0 引 言

黃河發(fā)源于青藏高原，全長5464ikm，流經(jīng)9個省區(qū)，流域人口占全國30.3%，國內(nèi)生產(chǎn)總值占全國26.5%，是3000多年的全國政治、經(jīng)濟和文化中心。黃河流域是連接青藏高原、黃土高原、華北平原的生態(tài)廊道，擁有三江源、秦嶺、祁連山等多個國家公園和國家重點生態(tài)功能區(qū)，構(gòu)成了我國重要的生態(tài)屏障(圖 1)。黃河流域又是我國重要的經(jīng)濟地帶，糧食和肉類產(chǎn)量占全國1/3左右，煤炭、石油、天然氣和有色金屬資源豐富，煤炭儲量占全國1/2以上，是中國西氣東輸、西電東輸、能源東運的主要戰(zhàn)略地區(qū)(張貢生， 2019)。黃河流域多民族聚居，經(jīng)濟社會發(fā)展相對滯后，貧困人口相對集中，特別是上中游地區(qū)，是打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的重要區(qū)域。因此，保護黃河是事關(guān)中華民族偉大復興的千秋大計(習近平， 2019)。

黃河橫跨我國北部，以其活躍的地質(zhì)構(gòu)造、強烈的內(nèi)外地質(zhì)動力作用、特殊的地貌演化過程、復雜的災害發(fā)育規(guī)律、多變的水土水文特征、矛盾的人地耦合關(guān)系，使其成為研究中國乃至亞洲地貌演化、地表響應、水土流失及成災機制、人地關(guān)系及人地系統(tǒng)評價的重點、難點區(qū)域。在我國關(guān)于治理黃河的研究，從史前神話就開始了，著名的大禹治水治的就是黃河。從遠古時代的“疏川導滯”到戰(zhàn)國時期的“寬立堤防”，從漢代的“賈讓三策”到宋代的“興筑遙堤”，以及明末潘季馴提出的“束水攻沙”，清代靳輔和陳璜提出的“以水攻沙”。在國外，早在1878年，比利時學者Mossman和Guppy便對黃河水文特征及泥沙和水量關(guān)系展開研究(Mossman， 1878; Guppy， 1880)。

圖 1 黃河流域示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the Yellow River Basin

在黃河地質(zhì)安全方面，朱顯謨(1958)、劉東生等(1962，1978)、朱照宇(1989)、李榮西等(1994)、郭正堂等(1994，1996)、李吉均(1996)、崔之久等(1998)、胡春宏(1999)、楊守業(yè)等(1999)、彭建兵(2002a，2002b)、彭建兵等(2004)、安芷生等(2006)、Miao et al.(2010)、張信寶等(2018)、Peng et al.(2018， 2019a,2019b)等國內(nèi)外著名學者對黃河流域地質(zhì)地貌演變特征、區(qū)域地殼穩(wěn)定性及災害發(fā)育規(guī)律等方面進行了研究，在黃河流域構(gòu)造背景、四期九亞期水系演化、黃河流域古環(huán)境及古氣候變化、黃河溯源侵蝕過程、黃河沉積地質(zhì)歷史、地質(zhì)災害分布及成因等方面取得了豐碩成果。但目前地質(zhì)災害發(fā)育規(guī)律與風險預測多主要以省市區(qū)域或內(nèi)河流域為研究對象，專門針對黃河全流域系統(tǒng)的災害時空分布規(guī)律與風險預測的研究相對較少。尤其是在黃河流域谷地強震危險性評價，黃河流域溝壑區(qū)地質(zhì)災害活動性及黃河中上游崩滑流分布特征及風險評價等方面。

在黃河綠色水文方面，張宗祜等(1996)、傅伯杰等(1999)、錢會等(2007， 2010)、王文科(2004a，2004b)、孫建中(2005)、孫才志等(2004)、崔亞莉等(2004)、劉昌明(2002， 2004)，為分析黃河流域地下水分布特點及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間變異規(guī)律，奠定了良好的基礎(chǔ)。李愛華等(2017)、李曉英等(2019)、Wu et al.(2019)利用GRACE和GLDAS數(shù)據(jù)分析黃河流域部分區(qū)域年水儲量的空間和季節(jié)性變化特征進行了研究。但黃河流域水資源問題錯綜復雜(王浩等， 2019)，針對地表地下水循環(huán)規(guī)律的相關(guān)研究無論是深度還是廣度都遠遠不足，且黃河流域的各種水環(huán)境問題日益嚴峻。目前雖然部分地區(qū)已經(jīng)建立了區(qū)域水安全評價體系，但是水環(huán)境變化與社會經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系研究較少，尚缺少針對黃河流域這樣的大尺度流域水安全與經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展綜合評價體系的建立。

在黃河生態(tài)方面，黃河源草甸在全球氣候變暖和人為活動的干擾下，已有30%的草場出現(xiàn)不同程度的退化(牛亞菲， 1999)。高山草甸、濕地、高寒草地面積急劇下降，而高寒荒漠化草地卻增加了261.52%(Wang et al.，2001)。目前，針對黃河生態(tài)退化問題，缺乏從未來氣候變化-生態(tài)系統(tǒng)-水資源安全等一體化綜合研究，難以定量評價未來氣候變化對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)和水資源安全的影響程度，更缺乏應對風險的措施研究。而針對黃河特有的水土流失問題，從20世紀50年代以來，植樹造林、小流域治理和三北防護林建設(shè)、退耕還林工程等治理工程成效顯著。然而仍存在治理程度存在區(qū)域差距、生態(tài)環(huán)境改善與民生問題兼顧不足、治理方案不夠系統(tǒng)綜合等問題。

在黃河人地關(guān)系方面，黃河流經(jīng)的青藏高原、黃土高原地區(qū)人類活動與環(huán)境變化的相互作用是我國人地關(guān)系的重點研究領(lǐng)域(陳發(fā)虎等，2017；姚檀棟等，2017)，但目前僅對渭河流域(張潔等， 2010a，2010b，2010c； 康艷， 2013)、汾河流域(荊瑩， 2012)等小流域或者一些大城市和整個省份做過人地關(guān)系狀態(tài)評價(夏可慧等， 2015)，或者是對單要素(主要是水和土地要素)的承載能力評價(彭少明等， 2007； 于瑞宏等， 2011； 李小建等， 2012； 樊杰等， 2020)。相對缺乏基于多因素、多空間尺度、系統(tǒng)的從全流域?qū)用鎸θ说仃P(guān)系狀態(tài)的整體把握，及人地系統(tǒng)評價、實證和調(diào)控等方面的研究，導致對黃河流域現(xiàn)代人地關(guān)系多尺度多方位的認知相對不足。現(xiàn)有人地關(guān)系理論和方法研究也存在三多三少的狀況：(1)定性研究多，定量研究少； (2)單一要素研究多，綜合系統(tǒng)研究少； (3)構(gòu)建指標體系較多，人地關(guān)系內(nèi)涵表征少，關(guān)注人地關(guān)系區(qū)域交互轉(zhuǎn)移問題的較少。

在黃河智慧信息采集決策方面，“天-空-地”觀測技術(shù)已被廣泛應用于黃河流域。以InSAR、GRACE為代表的衛(wèi)星遙感在大范圍監(jiān)測方面表現(xiàn)突出，成為重大災害檢測識別的重要數(shù)據(jù)源(Xu et al.，2013; 李振洪等， 2019)。但黃河流域現(xiàn)存的時空數(shù)據(jù)采集存在持續(xù)時間短，觀測成果零散，點與面脫節(jié)等問題。常用的基于語義融合方法(概率依賴法、遷移學習法)，難以克服黃河流域多源異構(gòu)數(shù)據(jù)也存在模態(tài)間語義鴻溝深、尺度差異大、面向任務廣的新問題(Dai et al.，2009； Polani， 2013； 莊福振等， 2015； Dang et al.，2017)?，F(xiàn)有的智能決策輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息容量也通常只能滿足某一特定的應用需求，面對海量、多源異構(gòu)的黃河時空大數(shù)據(jù)以及多樣化的黃河規(guī)劃應用需求，亟需開發(fā)以大數(shù)據(jù)為驅(qū)動、高效率、高精確度的面向應用場景的智能決策輔助系統(tǒng)。

圖 2 黃河流域主要活動斷裂、歷史地震及主要地質(zhì)災害Fig. 2 Main active faults， historical earthquakes and geological hazards in the Yellow River Basin

當前黃河流域仍存在地質(zhì)災害頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境脆弱、水文水資源匱乏等突出問題。究其原因，是整個流域的深層致災機理不明、生態(tài)響應規(guī)律不清、資源調(diào)控配置不合理。在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展提升為重大國家戰(zhàn)略之時，迫切需要站在地球系統(tǒng)科學前沿，研究在氣候變化和人類強烈活動協(xié)同驅(qū)動下，黃河流域地球圈層相互作用的人地失調(diào)的地質(zhì)環(huán)境效應與人地協(xié)調(diào)的地質(zhì)安全保障策略，為黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的實施、為建設(shè)造福人民的宜居黃河提供科技支撐。對此本文提出“宜居黃河”科學構(gòu)想，并從科學問題、科學架構(gòu)、研究內(nèi)容、科學內(nèi)涵、愿景目標5個方面進行具體闡述。

1 黃河流域面臨的挑戰(zhàn)和地球科學問題

1.1 黃河流域高質(zhì)量發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

黃河流域橫跨了青藏高原、黃土高原和華北平原等3大地貌單元，洪水災害、地震災害、旱澇災害、暴雨地質(zhì)災害、土地退化災害頻發(fā)，是我國地質(zhì)環(huán)境最為復雜、生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一(蘇人瓊等， 1996； 彭建兵， 2004)。黃河流域活躍的地質(zhì)構(gòu)造、快速的地表過程、頻發(fā)的地質(zhì)災害、多發(fā)的水土流失、嚴重的土水污染、脆弱的生態(tài)環(huán)境、低效的資源利用等地質(zhì)、生態(tài)和資源問題，對實現(xiàn)黃河流域生態(tài)環(huán)境保護和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。

黃河流域穿越青藏高原東北構(gòu)造活動帶、南北地震帶等構(gòu)造異常活動地帶，處于3大構(gòu)造交匯處，斷裂密集分布、斷層活動頻繁，大震多發(fā)(圖 2)。例如著名的海源地震(MS8.5)、平羅地震(MS8.0)、通渭地震(MS7.5)、古浪地震(MS8.0)、天水地震(MS8.0)、臨汾地震(MS8.0)、洪洞地震(MS8.0)、華縣地震(MS8.25)等(Zhang et al.，1995; Bowman et al.，2003; Zhang et al.，2007; Lin et al.，2015; Xu et al.，2016; Sun et al.，2017; Wang et al.，2018; Han et al.，2019; Xu et al.，2018)。1920年8.5級海源大地震，傷亡人數(shù)超過2×105，誘發(fā)滑坡數(shù)量超過1×105， 51個堰塞湖保留至今(Zhuang et al.，2018)。

圖 3 黃河流域黃土高原滑坡災害空間分布(據(jù)Peng et al.， 2019b)Fig. 3 Spatial distribution of landslides in the Loess Plateau of the Yellow River Basin

黃河流域穿越了大型地質(zhì)災害發(fā)育最密集的青藏高原東北部和黃土高原，占全國地質(zhì)災害的1/3以上。流域內(nèi)大型滑坡、泥石流等災難性地質(zhì)災害分布廣、類型多、突發(fā)性強(彭建兵等， 2014， 2016)(圖 2， 圖 3)。據(jù)統(tǒng)計晚更新世以來發(fā)育了116處特大型滑坡，總方量達1×1011m3，這些滑坡均堵塞黃河，并潰決形成超大洪水，對黃河中下游帶來毀滅性災難，對中華民族文明的發(fā)展和延續(xù)造成了嚴重災難。例如黃河上游積石峽滑坡對古代中國歷史文明發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響(Wu et al.，2016; Huang et al.，2017)。

黃河橫跨干旱、半干旱區(qū)域，流域內(nèi)分布著我國主要沙漠、干旱戈壁等生態(tài)環(huán)境異常脆弱地區(qū)，土地退化、水源涵養(yǎng)能力降低，生態(tài)系統(tǒng)功能喪失等災害頻現(xiàn)。黃河上游水災多發(fā)、侵蝕強度大(邵明安等，2000)，導致黃河流域成為我國水沙災害、水土流失最嚴重的流域(圖 4)。內(nèi)外因素共同作用下，黃河下游在歷史上曾發(fā)生了1500多次決口事件，以及至少26次大型改道事件(沈怡等， 1935; Wang et al.，2011)，最大洪水事件排放量達42i900im3(Yang et al.，2000)。泥沙堆積導致地上懸河和斷流風險依然嚴重。雖然1950～2005年間，在氣候變化和治理措施的影響下，黃河泥沙負荷的逐步減少(Saito et al.，2001; Wang et al.，2007; Wang et al.，2015)。但受生產(chǎn)力水平等制約，再加上人為破壞(Mostern， 2016)，黃河水災頻發(fā)、屢治屢決的局面始終沒有根本改觀。

圖 4 黃河中游水土流失問題Fig. 4 Soil erosion in the middle Yellow River

圖 5 黃河上游生態(tài)退化問題Fig. 5 Ecological degradation in the up Yellow River

黃河流域的水資源開發(fā)利用率高達80%(張寧寧等， 2019)，遠超一般流域40%生態(tài)警戒線； 黃河流域水資源總量在2000～2015年，平均天然徑流量為541.75×109im3，僅占全國河川徑流量2%，人均年徑流量473im3，為全國人均年徑流量23%，卻承擔全國耕地面積15%的供水(張海敏等， 2004)，并且還要承擔流域外調(diào)水任務，水資源供需矛盾愈發(fā)突出，造成了黃河多次斷流(馮利華， 2002)； 黃河流域的工業(yè)、城鎮(zhèn)生活和農(nóng)業(yè)面源三方面污染，加之尾礦庫污染，使得2018年黃河137個水質(zhì)斷面中，劣類水占比達12.4%，明顯高于全國6.7%的平均水平(楊紅蓮等， 2009； 黃俊等， 2014； 趙丹等， 2009)。作為我國北方重要的生態(tài)屏障，也是連接西北高原與東部渤海的重要生態(tài)廊道，黃河流域生態(tài)環(huán)境異常脆弱，生態(tài)環(huán)境退化和生態(tài)功能喪失頻現(xiàn)(圖 5)。

圖 6 黃河流域國家重大工程及典型災變Fig. 6 National major projects in the Yellow River Basin and typical disasters

黃河流域工程活動與地質(zhì)互饋復雜且易突發(fā)工程災變。黃河流域的城鎮(zhèn)開發(fā)、線性工程、能源開采等工程建設(shè)規(guī)模大、范圍廣、速度快，快速改變著地質(zhì)地貌和生態(tài)環(huán)境(程鈺等， 2019)，重大工程與地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境相互作用、互為制約，不斷誘發(fā)新的工程災害問題。例如蘭州、延安平山造城重大工程產(chǎn)生的高填方邊坡，降雨、堆填加載過程、人類活動等對其穩(wěn)定性有顯著的影響(李宏杰等， 2008； 孫書偉等， 2008； 唐朝暉等， 2013); 人類干預(引水工程增加)導致流入渤海的河流流量急劇減少(Jiang et al.，2017)，大型水庫的運行引起大面積河道退化及堤岸式河道斷面變化(Xia et al.，2014)，黃河上游大壩建設(shè)導致49.4%的陸地再沉積有機碳被阻攔(Ran et al.，2014)，人類工程活動極大地改變了黃河水文特征及資源分配模式。黃河流域是我國西部大開發(fā)和“一帶一路”實施的關(guān)鍵區(qū)域，由于工程與地質(zhì)互饋機理復雜，且易誘發(fā)工程災變，使黃河流域人地協(xié)調(diào)關(guān)系受到極大的影響，已成為制約黃河流域資源高效開發(fā)利用、經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸(圖 6)。

1.2 黃河流域面臨的地球科學問題

黃河流域復雜地質(zhì)條件和強烈的人類活動制約脆弱的生態(tài)環(huán)境，導致黃河流域高質(zhì)量發(fā)展面臨一系列重大地質(zhì)安全和生態(tài)安全風險。因此，迫切需要站在地球系統(tǒng)科學前沿，圍繞黃河流域地球圈層相互作用的人地失調(diào)的地質(zhì)環(huán)境效應與人地協(xié)調(diào)的地質(zhì)安全保障策略，凝練黃河流域面臨的地球科學問題，開展多學科交叉的聯(lián)合攻關(guān)。為黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的實施、為建設(shè)造福人民的宜居黃河提供科技支撐。黃河流域面臨的諸多地球科學問題可歸納為以下5個方面：

(1)黃河流域地質(zhì)地表過程與災害效應：包括青藏高原東北緣地震活動與巨型滑坡響應機制，黃土高原地震、崩塌、滑坡和泥流災害群發(fā)規(guī)律與動力學機制，汾渭盆地和華北平原地震、地裂縫和地面沉降災害時空分布與成生機制。

(2)黃河流域水循環(huán)規(guī)律與水土耦合環(huán)境效應：包括黃河流域降水、地表水和地下水循環(huán)規(guī)律，青藏高原東北緣干旱缺水狀況與原因，黃土高原半干旱缺水和水污染規(guī)律，華北平原地下水枯竭和水環(huán)境劣化機制，黃河流水資源分配和水沙調(diào)控的級聯(lián)效應。

(3)黃河流域生態(tài)系統(tǒng)演化過程與生態(tài)屏障效應：包括氣候變化和人類活動對黃河流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響，青藏高原東北緣生態(tài)退化效應與原因，黃土高原水土耦合作用與水土流失效應，華北平原土壤污染和生態(tài)屏障效應，黃河流域生態(tài)屏障功能變化趨勢與提升方案。

(4)黃河流域復雜系統(tǒng)人地協(xié)調(diào)機制與宜居模式：包括煤炭高效開采與生態(tài)平衡、油氣資源有效開發(fā)與生態(tài)保護、城市群建設(shè)與地質(zhì)安全、旅游資源開發(fā)利用與環(huán)境保護、黃河流域人地協(xié)調(diào)與長久宜居模式。

(5)黃河流域時空大數(shù)據(jù)協(xié)同融合模式與智慧決策：包括黃河時空數(shù)據(jù)離散動態(tài)集成度低、時空大數(shù)據(jù)多源異構(gòu)利用率低、風險分析協(xié)同缺失可靠性低、輔助決策信息不足智能化低等系列問題。

2 宜居黃河科學架構(gòu)及關(guān)鍵科學問題

國家自然科學基金委員會地學部提出未來10年中國地球科學的主題是宜居地球研究，地球宜居的基本要素包括清潔的大氣、水及營養(yǎng)元素、健康舒適的生存空間、對各種地內(nèi)外災害防御及修復能力、對海陸氣候生態(tài)環(huán)境變化的自我適應及修復功能、有維系生命充足的賦存與再生資源能源等(朱日祥等， 2019)。災害防控和生態(tài)安全無疑是黃河長久宜居的重要保障，釆取有效應對策略保障黃河流域高質(zhì)量發(fā)展和長久宜居，是黃河流域生態(tài)文明有序建設(shè)和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。必須采用多學科交叉融合的研究手段，在基于地質(zhì)安全和生態(tài)安全向宜居黃河的轉(zhuǎn)變機制研究方面取得重大突破，構(gòu)建宜居黃河框架體系，為宜居地球戰(zhàn)略研究提供研究范例。

2.1 宜居黃河科學架構(gòu)

黃河問題表象于河，形成于域，根植于地。針對于黃河流域高質(zhì)量發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)及地球科學問題特點，本文提出“宜居黃河”科學構(gòu)想(圖 7)，包括“安全黃河”、“綠色黃河”、“生態(tài)黃河”、“和諧黃河”和“智慧黃河”5大核心部分。這5個部分相互支撐融合，擬共同解決一個核心的關(guān)鍵問題：即在全球變化背景下、在人類活動驅(qū)動下，黃河流域地質(zhì)過程、生態(tài)過程和人類過程如何演化和相互影響，進而產(chǎn)生什么樣的環(huán)境災害效應，釆取什么樣的應對策略才能保障黃河流域高質(zhì)量發(fā)展和長久宜居？

其中，(1)安全黃河立足于流域地質(zhì)地表過程的災害效應與防控對策研究； (2)綠色黃河立足于流域水資源水環(huán)境變化與調(diào)控機制研究； (3)生態(tài)黃河立足于流域生態(tài)系統(tǒng)演化與保護方略研究； (4)和諧黃河立足于流域資源高效開發(fā)利用與人地和諧研究； (5)智慧黃河立足于流域大數(shù)據(jù)信息平臺與智慧決策研究。

圖 7 宜居黃河科學構(gòu)想總體框架Fig. 7 Framework of the scientific conception of the livable Yellow River

“宜居黃河”科學構(gòu)想旨在闡明黃河流域地質(zhì)地表演化過程及災害風險效應，以實現(xiàn)基于風險管控的安全黃河為基礎(chǔ)； 闡明黃河流域水資源水環(huán)境效應的水文過程及水土耦合機理，以實現(xiàn)三水平衡轉(zhuǎn)化的綠色黃河為提綱； 闡明黃河流域生態(tài)系統(tǒng)時空演化過程及其對生態(tài)屏障的作用機理，以建立基于地球關(guān)鍵帶理論的生態(tài)黃河為核心； 闡明黃河流域復雜系統(tǒng)人地協(xié)調(diào)互饋作用機理，以實現(xiàn)人地協(xié)調(diào)的和諧黃河為目的； 闡明黃河流域時空大數(shù)據(jù)深度協(xié)同融合機制，以形成多維協(xié)同的智慧黃河為提升。

2.2 宜居黃河關(guān)鍵科學問題

宜居黃河科學架構(gòu)主要面向以下3個方面的關(guān)鍵科學問題(圖 8)：

(1)關(guān)鍵科學問題1：復雜地質(zhì)地表過程如何制約流域地質(zhì)安全？

(2)關(guān)鍵科學問題2：地質(zhì)環(huán)境與生態(tài)環(huán)境如何互饋導致環(huán)境脆弱化？

(3)關(guān)鍵科學問題3：人地如何協(xié)調(diào)以建設(shè)宜居黃河？

圖 8 宜居黃河關(guān)鍵科學問題Fig. 8 Key scientific issues of the livable Yellow River

3 宜居黃河的科學內(nèi)涵及研究內(nèi)容

3.1 宜居黃河研究科學思路

圖 9 宜居黃河總體研究思路Fig. 9 General research methodology for the livable Yellow River

針對以上關(guān)鍵科學問題，從地球系統(tǒng)科學入手，建立了宜居黃河研究科學思路(圖 9)。 以安全黃河、綠色黃河、生態(tài)黃河、和諧黃河、智慧黃河5部分內(nèi)容為鏈條，從不同地球系統(tǒng)科學角度入手分析，開展多學科交叉聯(lián)合研究。(1)從工程地質(zhì)學入手，研究黃河流域地質(zhì)地表過程及其災害效應，以保障地質(zhì)安全需求，構(gòu)建安全黃河體系； (2)從水文地質(zhì)學入手，研究黃河流域水循環(huán)過程及其水土環(huán)境變化效應，構(gòu)建綠色黃河體系； (3)從環(huán)境地質(zhì)學入手，研究黃河流域生態(tài)系統(tǒng)演化規(guī)律及其生態(tài)屏障效應，構(gòu)建生態(tài)黃河體系； (4)從資源地質(zhì)學入手，研究黃河流域資源開發(fā)與人地協(xié)調(diào)的發(fā)展模式，構(gòu)建和諧黃河體系； (5)從大數(shù)據(jù)及信息學入手，集成黃河流域地學信息平臺，構(gòu)建智慧黃河體系。通過長期持續(xù)和系統(tǒng)深入的科學研究，構(gòu)建智慧、綠色、生態(tài)、和諧、智慧的黃河體系，實現(xiàn)宜居黃河愿景。

3.2 宜居黃河科學內(nèi)涵及研究方向

宜居黃河的具體科學內(nèi)涵包括5個部分：即(1)基于風險管控的安全黃河； (2)基于三水平衡轉(zhuǎn)化的綠色黃河； (3)基于地球關(guān)鍵帶理論的生態(tài)黃河； (4)基于人地協(xié)調(diào)的和諧黃河和(5)基于智慧決策的智慧黃河。每個部分的具體研究內(nèi)涵和方向如下：

圖 10 安全黃河主要研究內(nèi)容Fig. 10 Main research contents of the safe Yellow River

3.2.1 基于風險管控的“安全黃河”科學內(nèi)涵及研究方向

韌性穩(wěn)定的安全黃河就是最大發(fā)揮黃河抵御災害的潛力(可恢復性)，動態(tài)防控能力(自適應性)。首先厘清黃河流域各河段構(gòu)造活動的差異性、地形地貌的分布和演化特征、區(qū)域氣候與水文地質(zhì)條件關(guān)聯(lián)性與差異性； 其次查明地表侵蝕過程及響應特征，重點揭示地表災變效應機理與演化過程，研究流域地質(zhì)地表過程的災害效應。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建災害風險預測模型和相應的科學防控體系，通過全流域的風險預測結(jié)果，形成黃河全流域地質(zhì)災害整體可知，對重大地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)，在最大程度發(fā)揮黃河流域災害自適應性的基礎(chǔ)上，進行重點科學防控，做到黃河全流域地質(zhì)災害整體可控。

安全黃河主要研究方向和內(nèi)容如圖 10所示。針對黃河流域地質(zhì)地表過程與災害效應等關(guān)鍵科學問題，安全黃河以提供流域地質(zhì)地表過程的災害效應與防控對策為目的，從黃河流域構(gòu)造演化及區(qū)域地殼穩(wěn)定、黃河流域地質(zhì)地表過程及災害效應、黃河流域災害時空分布與風險預測、黃河流域災害風險韌性防控4個方向出發(fā)。系統(tǒng)研究黃河流域地質(zhì)地表過程的孕災背景、模式和生態(tài)危害，建立黃河流域重大災害時空分布模型，闡明地質(zhì)地表過程誘發(fā)重大災害的動力演進機制、周期響應規(guī)律、成災機理及鏈生演化機制，以及全球變化背景下黃河流域洪澇災害鏈生放大效應，提出黃河流域重大災害風險防控理論與安全對策。

3.2.2 基于三水平衡轉(zhuǎn)化的“綠色黃河”科學內(nèi)涵及研究方向

綠色黃河是指從人與自然和諧共處的共同理念，通過對黃河流域水文水資源的評價與優(yōu)化配置，結(jié)合對水土流失的評價與水土保持的合理策略，在水土保持生態(tài)保護和治理立體布局上，充分考慮流域水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間分異，考慮上中游自然和水土流失的不同特點和差異性，根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境與社會需要，應采用“因地制宜”的原則，選擇合理的水土保持策略，推動流域水土保持措施提質(zhì)增效； 同時，提高黃河流域水資源配置與利用效率，科學應對黃河流域水環(huán)境失衡等問題，努力實現(xiàn)黃土高原由黃變綠，實現(xiàn)黃河流域水文地質(zhì)清晰，水資源失衡規(guī)律可循，水資源配置合理，水環(huán)境污染可控。

圖 11 綠色黃河主要研究內(nèi)容Fig. 11 Main research contents of the green Yellow River

綠色黃河主要研究方向如圖 11所示。針對黃河流域水循環(huán)規(guī)律與水土耦合環(huán)境效應等關(guān)鍵科學問題，綠色黃河以建立流域水資源水環(huán)境變化監(jiān)測與調(diào)控機制為目的，從流域水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間分異、流域地表地下水協(xié)同循環(huán)規(guī)律、水資源合理配置與高效利用、流域水環(huán)境失衡規(guī)律與保護應對4個方向出發(fā)。系統(tǒng)研究黃河流域水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及其變異規(guī)律，建立黃河流域水安全與經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展協(xié)調(diào)機制，開展變化條件下黃河流域水安全保障體系的建設(shè)，形成黃河流域水資源配置與高效利用的技術(shù)方法與理論體系，提出流域水環(huán)境保護措施，建立基于三水平衡轉(zhuǎn)化的綠色黃河體系與黃河流域水安全與經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展協(xié)調(diào)機制，全面保障黃河流域水量安全、水質(zhì)安全和水生態(tài)安全。

3.2.3 基于地球關(guān)鍵帶理論的“生態(tài)黃河”科學內(nèi)涵及研究方向

運用科學的方法和手段評價和監(jiān)測黃河流域生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展狀態(tài)、發(fā)展水平和發(fā)展趨勢，依據(jù)流域中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能的整體性進行劃分，確定出不同等級的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)流域地質(zhì)環(huán)境空間格局與生態(tài)功能分區(qū)，明確流域生態(tài)屏障空間分異規(guī)律與優(yōu)化路徑； 從黃河流域生態(tài)系統(tǒng)出發(fā)，分析流域水土流失地質(zhì)機理，并提出水土保持方略； 加大對黃河流域生態(tài)環(huán)境保護與建設(shè)力度，提出流域生態(tài)環(huán)境保護的環(huán)境地質(zhì)對策并對一些重點地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行重點保護； 實現(xiàn)生態(tài)指標優(yōu)化，生態(tài)系統(tǒng)平衡，生態(tài)過程明晰，核心是通過科學實施生態(tài)保護，形成水-生態(tài)-社會良性整體，使黃河流域退化生態(tài)系統(tǒng)恢復功能，優(yōu)化被破壞的生態(tài)屏障，建立基于地球關(guān)鍵帶理論的生態(tài)黃河體系。

圖 12 生態(tài)黃河主要研究內(nèi)容Fig. 12 Main research contents of the ecological Yellow River

生態(tài)黃河主要研究方向如圖 12所示。針對黃河流域生態(tài)系統(tǒng)演化規(guī)律及其生態(tài)屏障效應等關(guān)鍵科學問題，生態(tài)黃河以提供流域生態(tài)系統(tǒng)演化與保護方略為目的，從流域地質(zhì)環(huán)境空間格局與生態(tài)功能分區(qū)、生態(tài)屏障空間分異規(guī)律與優(yōu)化路徑、水土流失地質(zhì)機理與保持方略、生態(tài)環(huán)境保護的環(huán)境地質(zhì)對策4個方向出發(fā)。系統(tǒng)研究黃河流域生態(tài)系統(tǒng)演化與保護方略，進行黃河流域生態(tài)功能分區(qū)，查明流域生態(tài)系統(tǒng)的自身生態(tài)功能、生態(tài)結(jié)構(gòu)特征、生態(tài)系統(tǒng)演化規(guī)律； 厘清黃河流域生態(tài)屏障空間分異規(guī)律，探明不同類型的生態(tài)系統(tǒng)與黃河流域的互饋機制，闡明流域生態(tài)系統(tǒng)影響因素及其優(yōu)化路徑； 針對黃河流域不同地域的特點，查明流域水土流失地質(zhì)機理，準確評價流域的水土流失程度及控制因素，探索系統(tǒng)綜合的生態(tài)環(huán)境保護對策； 建立基于地球關(guān)鍵帶理論的生態(tài)黃河體系，保障黃河流域的生態(tài)安全。

3.2.4 基于人地協(xié)調(diào)的“和諧黃河”科學內(nèi)涵及研究方向

以流域資源高效開發(fā)與生態(tài)安全為切入點，研究人類活動與自然資源環(huán)境之間如何相互關(guān)聯(lián)，流域城市群建設(shè)中如何提供地質(zhì)安全保障。從歷史演變的角度推演，對全域資源環(huán)境承載力資源給予測算，實現(xiàn)流域資源環(huán)境承載力優(yōu)化配置。站在人-地系統(tǒng)學科前沿，揭示人類社會活動與自然資源環(huán)境互饋機制，解決黃河流域上游城市普遍存在的自然資源承載力低，條件惡劣等問題，讓人與自然共生發(fā)展，實現(xiàn)流域資源高效開發(fā)利用與人地協(xié)調(diào)的和諧黃河。

圖 13 和諧黃河主要研究內(nèi)容Fig. 13 Main research contents of the harmonious Yellow River

和諧黃河主要研究方向如圖 13所示。針對黃河流域資源配置優(yōu)化及其人地協(xié)調(diào)策略等關(guān)鍵科學問題，和諧黃河以流域資源高效開發(fā)利用與建立人地和諧的黃河體系為目的，從流域資源高效開發(fā)與生態(tài)安全、城市群建設(shè)地質(zhì)安全保障、旅游資源開發(fā)利用與環(huán)境保護、資源環(huán)境承載力優(yōu)化配置4個方向出發(fā)。系統(tǒng)開展各個資源環(huán)境要素能夠支撐的農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)、城鎮(zhèn)化、環(huán)境變化等人類活動自然變化的適宜度評價。分析區(qū)域資源環(huán)境稟賦條件，研判國土空間和自然資源開發(fā)利用問題和風險，堅持底線思維、問題導向、因地制宜和簡便實用幾個原則，進行基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化配置，使得區(qū)域發(fā)展安全可靠、環(huán)境友好、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行。解決黃河流域上游城市普遍存在的自然資源承載力低，條件惡劣等問題，讓人與自然共生發(fā)展，實現(xiàn)流域資源高效開發(fā)利用與人地協(xié)調(diào)的和諧黃河。

3.2.5 基于智慧決策的“智慧黃河”科學內(nèi)涵及研究方向

構(gòu)建黃河流域“天-空-地”多源立體協(xié)同監(jiān)測網(wǎng)絡體系，獲取黃河流域關(guān)鍵要素的時空大數(shù)據(jù)，對多源異質(zhì)異構(gòu)時空數(shù)據(jù)在同一框架下進行集成，搭建智慧黃河大數(shù)據(jù)信息平臺?；谌诤贤蟮臍v史應用場景數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動與深度記憶網(wǎng)絡耦合的場景模型，建立面向不同應用場景的風險分析模型，實現(xiàn)在信息實時接入條件下的智能風險識別和分析問題。形成多維協(xié)同的智慧黃河，推動黃河流域高質(zhì)量發(fā)展。

智慧黃河主要研究方向如圖 14所示。針對黃河流域大數(shù)據(jù)信息平臺與智慧決策等關(guān)鍵科學問題，智慧黃河以建設(shè)流域大數(shù)據(jù)信息平臺與智慧決策為目的，從黃河流域數(shù)據(jù)采集與大數(shù)據(jù)集成、信息融合與同化、場景模擬與預測、智慧決策系統(tǒng)4個方向出發(fā)。系統(tǒng)構(gòu)建“天-空-地”多源異構(gòu)、多模態(tài)數(shù)據(jù)的信息采集與集成，突破多源異質(zhì)數(shù)據(jù)的深度融合與語義級規(guī)范化處理、面向應用場景的風險模擬以及數(shù)據(jù)-模型-知識的一體化管理與智能輔助決策等瓶頸問題，實現(xiàn)多維協(xié)同的智慧黃河。

圖 14 智慧黃河主要研究內(nèi)容Fig. 14 Main research contents of the intelligent Yellow River

4 宜居黃河愿景目標

宜居黃河科學構(gòu)想是通過長期持續(xù)和系統(tǒng)深入的科學研究，構(gòu)建智慧、綠色、生態(tài)、和諧、智慧的黃河體系。在安全黃河方面，提出高實踐性的流域地質(zhì)地表過程的災害效應與防控對策； 在綠色黃河方面，形成流域水資源水環(huán)境變化高效監(jiān)測與精準調(diào)控機制； 在生態(tài)黃河方面，建立流域生態(tài)系統(tǒng)演化骨架，形成具體保護方略； 在和諧黃河方面，使得流域資源達到高效開發(fā)利用，建立人地和諧黃河體系； 在智慧黃河方面，搭建流域大數(shù)據(jù)信息平臺與智慧決策機制。以地球系統(tǒng)科學為指導，構(gòu)建宜居黃河體系，支撐黃河流域生態(tài)環(huán)境保護與高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的安全實施，促進中華民族“黃河寧，天下平”宿愿的早日實現(xiàn)。

(1)形成創(chuàng)新理論體系、占領(lǐng)國際前沿： 在黃河流域地質(zhì)過程、生態(tài)過程和人類過程耦合災變機制方面取得重大理論創(chuàng)新，拓展我國黃河流域研究國際領(lǐng)先優(yōu)勢。

(2)突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸、構(gòu)建引領(lǐng)平臺： 以特殊地質(zhì)環(huán)境、地貌過程和脆弱的生態(tài)環(huán)境為岀發(fā)點，突破人地失調(diào)的地質(zhì)環(huán)境效應與人地協(xié)調(diào)的地質(zhì)安全保障策略，構(gòu)建減災和生態(tài)保護技術(shù)引領(lǐng)平臺。

(3)破解重大工程難題、服務國家需求： 突破黃河流域災害防控、生態(tài)保護和水資源優(yōu)化難題，為黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的實施、為建設(shè)造福人民的幸福黃河提供科技支撐。

(4)建立創(chuàng)新型人才隊伍、形成領(lǐng)先基地： 凝聚一支居國際學術(shù)前沿、為國家重大戰(zhàn)略安全科學決策服務的一帶一路科學研究人才隊伍，建立領(lǐng)先國際研究的團隊與基地。

5 結(jié) 論

黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展已經(jīng)成為國家重大戰(zhàn)略。黃河問題表象于河，形成于域，根植于地。針對于黃河流域高質(zhì)量發(fā)展面臨的地球科學問題特點及挑戰(zhàn)，本文提出了“宜居黃河”科學構(gòu)想，旨在構(gòu)建一個包括“安全黃河”、“綠色黃河”、“生態(tài)黃河”、“和諧黃河”和“智慧黃河”5大核心內(nèi)容的體系完善的宜居黃河研究科學架構(gòu)，以地球系統(tǒng)科學為指導，以夯實安全黃河為基礎(chǔ)，實現(xiàn)綠色黃河為提綱，生態(tài)黃河為核心，以和諧黃河為目的，以智慧黃河為提升，構(gòu)建宜居黃河體系。在這個科學框架的指導下，長安大學等研究機構(gòu)正在實施宜居黃河大科學計劃。建議進一步聚合優(yōu)勢研究力量進行科研攻關(guān)，以期構(gòu)建基于風險管控的安全黃河，基于三水平衡轉(zhuǎn)化的綠色黃河，基于地球關(guān)鍵帶理論的生態(tài)黃河，基于人地協(xié)調(diào)的和諧黃河，基于智慧決策的智慧黃河，從而為黃河流域生態(tài)環(huán)境保護與高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的安全實施，為最終形成造福中華民族的“幸福黃河”提供有力的科技支撐。