黃河流域是一個復雜的巨系統，其中要素眾多，關系復雜，既相互聯系又相互制約。人民治黃以來，流域保護治理成效顯著，但仍存在一些突出問題，流域高質量發展需要打破傳統“頭痛醫頭、腳痛醫腳”的流域治理模式，從綜合治理、系統治理、源頭治理的角度開展更深入的研究，亟需流域發展質量綜合評估的研究。本研究基于系統科學和信息論等基礎理論，提出流域發展質量綜合評估理論，構建了流域發展指數（Basin Development Index，BDI）及宏觀-中觀-微觀三層的評價體系，探索流域巨系統演變規律，為流域保護治理提供技術支撐和理論依據。研究發現，BDI總體演變規律為先降低后升高，呈現震蕩式向好趨勢；人均GDP、總沖淤量（黃河下游）、重要斷面生態基流保證率、生境質量指數為影響黃河流域巨系統的關鍵因素。
黃河是世界上最復雜難治的河流之一，治理黃河歷來是中華民族安民興邦的大事。人民治黃以來，黃河治理開發保護取得了舉世矚目的成就，但黃河是一條善淤、善決、善徙的河流，水沙關系不協調的特性決定了黃河治理工作的長期性、艱巨性和復雜性。隨著流域經濟社會快速發展、河流水沙情勢和工程情況變化、生態環境問題受到日益關注，流域發展質量及其綜合評估理論需要構建。
新時期我國確立了“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路，賦予了流域治理新內涵、新要求和新任務，為強化水治理和保障水安全指明了方向。黃河流域是一個生命共同體，其組成包括自然、經濟、社會、生態等各方面的要素，因此應以統籌“山水田林湖草沙”系統治理的思想開展流域保護治理工作。
本文從黃河流域生態保護和高質量發展頂層設計角度出發，充分考慮問題復雜性、資源多樣性、保護系統性、治理綜合性和發展適宜性五個方面的因素，將系統科學、信息論、耗散結構等經典理論與黃河流域保護治理工作實際相結合，提出以流域發展指數（BasinDevelopment Index, BDI）為決策依據的流域發展質量綜合評估理論，綜合評價流域巨系統演變狀態和發展質量，為黃河流域綜合治理、系統治理、源頭治理提供技術支撐。
流域是由河流、生態環境、社會經濟等子系統構成的開放的遠離平衡態的復雜巨系統，其本身就是或近似是耗散結構。本文利用BDI表征流域發展質量，它是基于熵值和耗散結構的綜合評價指標，表征了流域發展指標的不確定性和系統的穩定性。BDI數值越大表示流域發展質量越高，越趨于良性循環；數值越小表示流域發展質量越低，所處狀態存在一定的問題，需要加強監管，并采取一定的措施進行治理。
以系統性、全面性和可獲取性為原則，針對黃河流域生態保護和高質量發展要求，構建流域發展質量綜合評價指標體系。按照流域治理目標劃分，黃河流域巨系統可以分為河流子系統、生態環境子系統、社會經濟子系統，子系統之間相互影響、相互依存。三個子系統的指標選取如下：
1、河流子系統，以河道治理為重點，主要涉及行洪、水沙、水資源、水工程等多方面的要素。防洪一直是治黃的首要任務，其治理是涉及多方面要素的復雜問題；黃河的泥沙問題世界罕見，“二級懸河”問題突出。因此河流子系統的代表性指標選取需要從系統論的角度出發，考慮水資源、洪水、泥沙三個方面，選取年降水總量、總水量、主河槽過洪能力、來沙量、總沖淤量、來水來沙協調度六個關鍵指標。2、生態環境子系統，以生態保護為重點，黃河流域包括各類生物與環境要素，是我國重要的生態屏障，是連接青藏高原、黃土高原、華北平原的生態廊道，擁有三江源、祁連山等多個國家公園和國家重點生態功能區，同時黃河流經黃土高原水土流失區、五大沙漠沙地，沿河兩岸分布有東平湖和烏梁素海等湖泊、濕地，河口三角洲濕地生物多樣。生態環境是由生物群落及非生物自然因素組成的各種生態系統所構成的整體。長期以來，在自然因素和人為因素的共同作用下，生態環境以不同的時空尺度在發展演變。生態環境子系統的代表性指標選取需要從生態環境保護角度出發，量化研究生境質量、植被覆蓋、土地脅迫、水網濕地等相關因素。3、社會經濟子系統，包括人口、產業、經濟、文化等多方面的要素，是黃河流域經濟高質量發展的重要問題。黃河流域是我國重要的經濟地帶，黃河流域在我國經濟社會發展、脫貧攻堅等方面也具有十分重要的地位。社會經濟子系統選取的代表性指標，需要能夠反映流域居民特征、衡量居民福祉，綜合表征流域經濟發展現狀和增長活力。從人口特征、居民生活質量、經濟增長水平、地區產業結構等4個角度，選取 12個社會經濟特征指標，如常住人口，城鎮居民可支配收入，城鎮化率，夜晚燈光指數和第三產占比等。
通過熵權模型和耗散結構模型（布魯塞爾器）計算，得到如下結果。
黃河流域在1980~2019年40年間的BDI值變化及與流域內治水相關的歷史大事件關聯情況，如圖2所示。
在40年內，BDI的均值為58.5分，最低值為1996年的50.5分，最高值為2019年的66.6分，總體趨勢為先降低后升高。在20世紀80年代，我國處于改革開放初期，流域內的經濟發展屬于起步階段，流域生態環境受到人類活動的負面影響有限。在1985以前，BDI都處在均值以上的水平，流域生態環境質量較高，流域綜合發展質量相對較好。1985年以后，BDI波動性下降，1996年達到最低值。該階段流域經濟發展水平逐步提高，但由于經濟發展的同時沒有足夠重視生態環境的保護和流域承載力的維持，導致流域生態環境狀況欠佳。在1996年之后，雖然發展波動性仍然存在，但由于流域科學決策、系統治理和重大工程的積極影響，流域系統總體發展趨勢向好。尤其在最近10年間，BDI指數的波動性減小，數值也較高。結合黃河流域發生的重大歷史事件進一步分析黃河流域BDI指數變化。1982年和1984年，黃河水量豐沛，水沙關系協調度相對較好，致使河流健康指數較優，BDI受其影響較大，也相對較優。1992年8月，渭河支流發生洪水災害，花園口出現高水位、高含沙洪水，這一年黃河斷流現象加劇，其中利津斷面斷流82天。1995年，黃河全年斷流更長達122天。1996年8月，黃河發生96·8特大洪水。這一系列重大事件都導致了BDI的連續下降，至1996年達到最低值。1997年之后，隨著黃河萬家寨和小浪底水利樞紐相繼下閘蓄水，黃河水量統一科學調度初見成效，加之黃土高原水土流失治理、北方防沙帶治理及自然保護區建設等生態工程逐漸發揮作用，黃河流域BDI逐漸向好發展，至2000年左右達到了一個階段發展的高峰。2000年開始，黃河實現全線不斷流，并得到了較好的維持。2005年國家設立了三江源自然保護區，對黃河源頭區域的生態保護起到了關鍵作用，一定程度上維持了黃河總水量的穩定。2010年開始的黃土高原綜合治理工程，配合下游小浪底等水利樞紐的調水調沙，持續控制著中下游河段的來沙量，使得下游水沙關系相對和諧。這些措施都為流域內經濟社會的可持續發展創造了較好條件，BDI指數持續上升。可以看到，黃河流域BDI指數的變化規律與流域內發生的若干重大事件有很強的關聯性，存在數值和時間上的響應關系。需要特別指出的是，在近20年時間內，雖然黃河流域經過了持續不斷的治理，水沙關系和生態環境得到了一定程度的改善，但黃河復雜的自然條件、特殊的河情，決定了黃河保護治理的長期性、艱巨性和復雜性，尤其是在在消除洪水風險、保護生態環境、保障水資源等方面需要外界采取措施，持續進行治理和維護。對黃河流域發展質量綜合評價體系中各較大權重指標進行統計，結果如表2所示。40年間，評價指標體系中，權重最大指標出現頻率較高的分別是：人均GDP （14次）、總沖淤量（黃河下游）（10次）、重要斷面生態基流保證率（5次）、生境質量指數（4次）。
對上述高權重指標進行貢獻度分析，結果如圖3所示，可表征重要指標對黃河巨系統的發展質量的影響程度，從而針對關鍵指標采取相關措施，實現流域保護與治理。總體上，1980~1993年間，人均GDP貢獻值最大，隨后逐漸降低；總沖淤量（黃河下游）貢獻值前期波動較大，2000年以后，貢獻值趨于穩定，保持在5%左右；2000年以后，黃河實現全線不斷流，相應的重要斷面生態基流保證率在2004年以后較為穩定，維持在4.5%左右；生境質量指數相對比較平穩，保持在3.6%左右，是較為關鍵的影響因素。流域人均GDP代表著流域內社會經濟發展的程度，說明人類的經濟影響和產業發展在黃河流域復雜系統的發展過程中起著至關緊要的作用。在流域治理和管理過程中，需要盡可能提高流域經濟發展的質量和水平，提升流域人均GDP，同時應合理、科學地處理人與流域相互影響的關系，在利用流域提供的自然資源的同時，注重流域生態保護，實現均衡、可持續的經濟發展。水沙關系一直以來都是黃河治理中的“牛鼻子”，減少黃河下游泥沙淤積，維持中水河槽行洪輸沙功能，保障黃河下游防洪（防凌）安全是黃河保護治理的重大課題。2013年國務院批復的《黃河流域綜合規劃（2012~2030）》提出“加快古賢水利樞紐前期工作步伐，盡早開工建設”，古賢水利樞紐是黃河水沙調控體系的控制性骨干工程之一，工程建設實施對于減少黃河下游河道淤積，進一步調整和改善黃河中下游水沙關系具有積極作用。生態基流是維持河道水體生態功能的基本流量，在確定水利設施調度方案時，需要以重要斷面生態基流保證率作為約束條件，使黃河干流生態基流得到較好保障，河流生態健康逐步恢復。90年代黃河斷流對黃河鯉等土著魚類生境造成嚴重破壞，隨著“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路的實施，對黃河流域水資源進行統一調度、科學決策，加強流域上中游地區水源涵養、集約節約水資源利用，保障河道生態基流，維持河流生態功能。新發展階段要秉承創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念，應從生態系統結構、過程、功能完整性和健康狀態出發，保障黃河流域生態系統完整性和物種多樣性，提高生境質量。堅持順應自然、保護自然的發展路線，大力實施退耕還林還草還濕系統工程、下游灘區綜合提升和生態廊道建設工程、保護和修復重要野生動植物棲息地等。
本研究以黃河流域為例，從系統性、整體性角度出發，利用熵權和耗散結構對河流-生態環境-社會經濟耦合系統進行定量分析，揭示復雜系統的演變規律和內部指標體系間互反饋機制，首次提出表征流域發展質量的綜合評估指數BDI及其理論方法，為評估流域發展質量提供參考依據。研究發現：1、1980-2019年，BDI的均值為58.5分，最低值為1996年的50.5分，最高值為2019年的66.6分，總體演變規律為先降低后升高，呈現震蕩式向好趨勢，與黃河流域發生的若干重大事件關聯性較大，存在數值和時間上的響應關系；2、復雜系統各項指標的熵權存在隨時間序列的動態變化，根據1980-2019年分析結果，人均GDP、總沖淤量（黃河下游）、重要斷面生態基流保證率、生境質量指數為影響系統的關鍵因素；3、從系統狀態（耗散結構理論）研究，1980-2019年系統耗散結構指標均小于0，表明黃河流域河流-生態環境-社會經濟耦合系統的活躍度較低，但整體呈現震蕩式上升趨勢，整體趨勢與達到耗散結構的臨界條件逐漸接近。
本研究基于系統思維，深入解讀“山水林田湖草沙”綜合治理、系統治理、源頭治理，為開展流域保護治理工作、進行流域發展質量綜合評估提供了理論基礎和計算模型，對實施黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略具有重要支撐作用，將為后續國家和沿黃省區統籌考慮、綜合施策提供科學依據。黃河流域生態保護和高質量發展已經上升為重大國家戰略，為黃河流域帶來了前所未有的重大發展歷史機遇，同時也對提升新形勢下治河決策科學水平提出了更高要求。流域發展質量綜合評估理論以系統科學為指引，梳理黃河流域內河流、生態環境、社會經濟等方面各種因素的關聯性，建立具有評價和決策支持功能的系統模型，基于流域發展指數BDI綜合評估流域發展質量，為黃河流域水戰略布局及重大項目前期規劃論證提供決策依據，促進新形勢下流域協調發展。流域發展指數BDI及相關理論方法，不僅可以為表征流域發展質量提供參考依據，還可以廣泛應用于各級行政區域與重要自然地理分區的高質量發展評估工作中，補充目前以經濟指標為主的評價體系，為統籌推進新時期區域高質量發展的各項工作提供技術支撐。
