黄河流域是一个复杂的巨系统，其中要素众多，关系复杂，既相互联系又相互制约。人民治黄以来，流域保护治理成效显著，但仍存在一些突出问题，流域高质量发展需要打破传统“头痛医头、脚痛医脚”的流域治理模式，从综合治理、系统治理、源头治理的角度开展更深入的研究，亟需流域发展质量综合评估的研究。本研究基于系统科学和信息论等基础理论，提出流域发展质量综合评估理论，构建了流域发展指数（Basin Development Index，BDI）及宏观-中观-微观三层的评价体系，探索流域巨系统演变规律，为流域保护治理提供技术支撑和理论依据。研究发现，BDI总体演变规律为先降低后升高，呈现震荡式向好趋势；人均GDP、总冲淤量（黄河下游）、重要断面生态基流保证率、生境质量指数为影响黄河流域巨系统的关键因素。
黄河是世界上最复杂难治的河流之一，治理黄河历来是中华民族安民兴邦的大事。人民治黄以来，黄河治理开发保护取得了举世瞩目的成就，但黄河是一条善淤、善决、善徙的河流，水沙关系不协调的特性决定了黄河治理工作的长期性、艰巨性和复杂性。随着流域经济社会快速发展、河流水沙情势和工程情况变化、生态环境问题受到日益关注，流域发展质量及其综合评估理论需要构建。
新时期我国确立了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，赋予了流域治理新内涵、新要求和新任务，为强化水治理和保障水安全指明了方向。黄河流域是一个生命共同体，其组成包括自然、经济、社会、生态等各方面的要素，因此应以统筹“山水田林湖草沙”系统治理的思想开展流域保护治理工作。
本文从黄河流域生态保护和高质量发展顶层设计角度出发，充分考虑问题复杂性、资源多样性、保护系统性、治理综合性和发展适宜性五个方面的因素，将系统科学、信息论、耗散结构等经典理论与黄河流域保护治理工作实际相结合，提出以流域发展指数（BasinDevelopment Index, BDI）为决策依据的流域发展质量综合评估理论，综合评价流域巨系统演变状态和发展质量，为黄河流域综合治理、系统治理、源头治理提供技术支撑。
流域是由河流、生态环境、社会经济等子系统构成的开放的远离平衡态的复杂巨系统，其本身就是或近似是耗散结构。本文利用BDI表征流域发展质量，它是基于熵值和耗散结构的综合评价指标，表征了流域发展指标的不确定性和系统的稳定性。BDI数值越大表示流域发展质量越高，越趋于良性循环；数值越小表示流域发展质量越低，所处状态存在一定的问题，需要加强监管，并采取一定的措施进行治理。
以系统性、全面性和可获取性为原则，针对黄河流域生态保护和高质量发展要求，构建流域发展质量综合评价指标体系。按照流域治理目标划分，黄河流域巨系统可以分为河流子系统、生态环境子系统、社会经济子系统，子系统之间相互影响、相互依存。三个子系统的指标选取如下：
1、河流子系统，以河道治理为重点，主要涉及行洪、水沙、水资源、水工程等多方面的要素。防洪一直是治黄的首要任务，其治理是涉及多方面要素的复杂问题；黄河的泥沙问题世界罕见，“二级悬河”问题突出。因此河流子系统的代表性指标选取需要从系统论的角度出发，考虑水资源、洪水、泥沙三个方面，选取年降水总量、总水量、主河槽过洪能力、来沙量、总冲淤量、来水来沙协调度六个关键指标。2、生态环境子系统，以生态保护为重点，黄河流域包括各类生物与环境要素，是我国重要的生态屏障，是连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道，拥有三江源、祁连山等多个国家公园和国家重点生态功能区，同时黄河流经黄土高原水土流失区、五大沙漠沙地，沿河两岸分布有东平湖和乌梁素海等湖泊、湿地，河口三角洲湿地生物多样。生态环境是由生物群落及非生物自然因素组成的各种生态系统所构成的整体。长期以来，在自然因素和人为因素的共同作用下，生态环境以不同的时空尺度在发展演变。生态环境子系统的代表性指标选取需要从生态环境保护角度出发，量化研究生境质量、植被覆盖、土地胁迫、水网湿地等相关因素。3、社会经济子系统，包括人口、产业、经济、文化等多方面的要素，是黄河流域经济高质量发展的重要问题。黄河流域是我国重要的经济地带，黄河流域在我国经济社会发展、脱贫攻坚等方面也具有十分重要的地位。社会经济子系统选取的代表性指标，需要能够反映流域居民特征、衡量居民福祉，综合表征流域经济发展现状和增长活力。从人口特征、居民生活质量、经济增长水平、地区产业结构等4个角度，选取 12个社会经济特征指标，如常住人口，城镇居民可支配收入，城镇化率，夜晚灯光指数和第三产占比等。
通过熵权模型和耗散结构模型（布鲁塞尔器）计算，得到如下结果。
黄河流域在1980~2019年40年间的BDI值变化及与流域内治水相关的历史大事件关联情况，如图2所示。
在40年内，BDI的均值为58.5分，最低值为1996年的50.5分，最高值为2019年的66.6分，总体趋势为先降低后升高。在20世纪80年代，我国处于改革开放初期，流域内的经济发展属于起步阶段，流域生态环境受到人类活动的负面影响有限。在1985以前，BDI都处在均值以上的水平，流域生态环境质量较高，流域综合发展质量相对较好。1985年以后，BDI波动性下降，1996年达到最低值。该阶段流域经济发展水平逐步提高，但由于经济发展的同时没有足够重视生态环境的保护和流域承载力的维持，导致流域生态环境状况欠佳。在1996年之后，虽然发展波动性仍然存在，但由于流域科学决策、系统治理和重大工程的积极影响，流域系统总体发展趋势向好。尤其在最近10年间，BDI指数的波动性减小，数值也较高。结合黄河流域发生的重大历史事件进一步分析黄河流域BDI指数变化。1982年和1984年，黄河水量丰沛，水沙关系协调度相对较好，致使河流健康指数较优，BDI受其影响较大，也相对较优。1992年8月，渭河支流发生洪水灾害，花园口出现高水位、高含沙洪水，这一年黄河断流现象加剧，其中利津断面断流82天。1995年，黄河全年断流更长达122天。1996年8月，黄河发生96·8特大洪水。这一系列重大事件都导致了BDI的连续下降，至1996年达到最低值。1997年之后，随着黄河万家寨和小浪底水利枢纽相继下闸蓄水，黄河水量统一科学调度初见成效，加之黄土高原水土流失治理、北方防沙带治理及自然保护区建设等生态工程逐渐发挥作用，黄河流域BDI逐渐向好发展，至2000年左右达到了一个阶段发展的高峰。2000年开始，黄河实现全线不断流，并得到了较好的维持。2005年国家设立了三江源自然保护区，对黄河源头区域的生态保护起到了关键作用，一定程度上维持了黄河总水量的稳定。2010年开始的黄土高原综合治理工程，配合下游小浪底等水利枢纽的调水调沙，持续控制着中下游河段的来沙量，使得下游水沙关系相对和谐。这些措施都为流域内经济社会的可持续发展创造了较好条件，BDI指数持续上升。可以看到，黄河流域BDI指数的变化规律与流域内发生的若干重大事件有很强的关联性，存在数值和时间上的响应关系。需要特别指出的是，在近20年时间内，虽然黄河流域经过了持续不断的治理，水沙关系和生态环境得到了一定程度的改善，但黄河复杂的自然条件、特殊的河情，决定了黄河保护治理的长期性、艰巨性和复杂性，尤其是在在消除洪水风险、保护生态环境、保障水资源等方面需要外界采取措施，持续进行治理和维护。对黄河流域发展质量综合评价体系中各较大权重指标进行统计，结果如表2所示。40年间，评价指标体系中，权重最大指标出现频率较高的分别是：人均GDP （14次）、总冲淤量（黄河下游）（10次）、重要断面生态基流保证率（5次）、生境质量指数（4次）。
对上述高权重指标进行贡献度分析，结果如图3所示，可表征重要指标对黄河巨系统的发展质量的影响程度，从而针对关键指标采取相关措施，实现流域保护与治理。总体上，1980~1993年间，人均GDP贡献值最大，随后逐渐降低；总冲淤量（黄河下游）贡献值前期波动较大，2000年以后，贡献值趋于稳定，保持在5%左右；2000年以后，黄河实现全线不断流，相应的重要断面生态基流保证率在2004年以后较为稳定，维持在4.5%左右；生境质量指数相对比较平稳，保持在3.6%左右，是较为关键的影响因素。流域人均GDP代表着流域内社会经济发展的程度，说明人类的经济影响和产业发展在黄河流域复杂系统的发展过程中起着至关紧要的作用。在流域治理和管理过程中，需要尽可能提高流域经济发展的质量和水平，提升流域人均GDP，同时应合理、科学地处理人与流域相互影响的关系，在利用流域提供的自然资源的同时，注重流域生态保护，实现均衡、可持续的经济发展。水沙关系一直以来都是黄河治理中的“牛鼻子”，减少黄河下游泥沙淤积，维持中水河槽行洪输沙功能，保障黄河下游防洪（防凌）安全是黄河保护治理的重大课题。2013年国务院批复的《黄河流域综合规划（2012~2030）》提出“加快古贤水利枢纽前期工作步伐，尽早开工建设”，古贤水利枢纽是黄河水沙调控体系的控制性骨干工程之一，工程建设实施对于减少黄河下游河道淤积，进一步调整和改善黄河中下游水沙关系具有积极作用。生态基流是维持河道水体生态功能的基本流量，在确定水利设施调度方案时，需要以重要断面生态基流保证率作为约束条件，使黄河干流生态基流得到较好保障，河流生态健康逐步恢复。90年代黄河断流对黄河鲤等土著鱼类生境造成严重破坏，随着“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路的实施，对黄河流域水资源进行统一调度、科学决策，加强流域上中游地区水源涵养、集约节约水资源利用，保障河道生态基流，维持河流生态功能。新发展阶段要秉承创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，应从生态系统结构、过程、功能完整性和健康状态出发，保障黄河流域生态系统完整性和物种多样性，提高生境质量。坚持顺应自然、保护自然的发展路线，大力实施退耕还林还草还湿系统工程、下游滩区综合提升和生态廊道建设工程、保护和修复重要野生动植物栖息地等。
本研究以黄河流域为例，从系统性、整体性角度出发，利用熵权和耗散结构对河流-生态环境-社会经济耦合系统进行定量分析，揭示复杂系统的演变规律和内部指标体系间互反馈机制，首次提出表征流域发展质量的综合评估指数BDI及其理论方法，为评估流域发展质量提供参考依据。研究发现：1、1980-2019年，BDI的均值为58.5分，最低值为1996年的50.5分，最高值为2019年的66.6分，总体演变规律为先降低后升高，呈现震荡式向好趋势，与黄河流域发生的若干重大事件关联性较大，存在数值和时间上的响应关系；2、复杂系统各项指标的熵权存在随时间序列的动态变化，根据1980-2019年分析结果，人均GDP、总冲淤量（黄河下游）、重要断面生态基流保证率、生境质量指数为影响系统的关键因素；3、从系统状态（耗散结构理论）研究，1980-2019年系统耗散结构指标均小于0，表明黄河流域河流-生态环境-社会经济耦合系统的活跃度较低，但整体呈现震荡式上升趋势，整体趋势与达到耗散结构的临界条件逐渐接近。
本研究基于系统思维，深入解读“山水林田湖草沙”综合治理、系统治理、源头治理，为开展流域保护治理工作、进行流域发展质量综合评估提供了理论基础和计算模型，对实施黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略具有重要支撑作用，将为后续国家和沿黄省区统筹考虑、综合施策提供科学依据。黄河流域生态保护和高质量发展已经上升为重大国家战略，为黄河流域带来了前所未有的重大发展历史机遇，同时也对提升新形势下治河决策科学水平提出了更高要求。流域发展质量综合评估理论以系统科学为指引，梳理黄河流域内河流、生态环境、社会经济等方面各种因素的关联性，建立具有评价和决策支持功能的系统模型，基于流域发展指数BDI综合评估流域发展质量，为黄河流域水战略布局及重大项目前期规划论证提供决策依据，促进新形势下流域协调发展。流域发展指数BDI及相关理论方法，不仅可以为表征流域发展质量提供参考依据，还可以广泛应用于各级行政区域与重要自然地理分区的高质量发展评估工作中，补充目前以经济指标为主的评价体系，为统筹推进新时期区域高质量发展的各项工作提供技术支撑。
