摘要：在人类活动强烈扰动地球水循环的背景下，传统自然水循环范式难以刻画人‑水‑生态复杂交互关系，自然‑社会二元水循环将人类社会纳入水循环系统，但仍将生态系统更多视为被动用水对象，对生态系统的水文反馈刻画不足。本文基于生态水文学、社会水文学、蓝‑绿水理论等已有研究，梳理水循环研究范式演进，阐释自然‑生态‑社会三元水循环的理论内涵、子系统构成、多维耦合机制，厘清三元水循环与蓝水‑绿水‑白水‑灰水‑虚拟水等概念的层次关系，剖析工程、土地利用、技术、制度的调控作用。研究表明，三元水循环以自然水循环为物理基础、生态水循环体现生命系统双向反馈、社会水循环代表人类主动调控过程，三组子系统形成多向闭环耦合；工程等属于调控层而非独立循环类型，蓝、绿、白、灰水及虚拟水是水循环不同维度的表征工具。三元水循环突破单一水量分配思维，推动水资源管理向全水循环系统管护转型，可为山水林田湖草沙一体化治理、四水四定、生态产品价值实现、美丽中国建设、水‑能‑碳协同、流域水安全评估提供统一分析框架。当前该框架尚处在概念构建阶段，未来需要推进定量化模型开发、指标体系构建与典型流域实证，实现从概念框架走向可计算、可评估的实践工具。

关键词：三元水循环；生态水循环；社会水文学；蓝‑绿水；耦合机制；生态文明；水治理

0 引言

水循环是地球系统物质循环的基础，维系陆地生态系统、人类社会生存发展。传统水文学聚焦降水、径流、蒸发、地下水等自然水文过程，将生态系统、人类活动作为外部边界条件处理，支撑了水利工程与传统水资源管理体系的建立。随着工业化、城镇化推进，水库、跨流域调水、地下水大规模开采、城市硬化显著改变流域产汇流条件，人类已经成为驱动水循环演变的重要力量。在此背景下，国内提出自然‑社会二元水循环理论，将取水、供水、耗水、排水等社会水循环作为系统内部过程；国际上兴起社会水文学，重点研究人与水系统的双向协同演化关系。

与此同时，生态水文学研究证实，森林、草地、湿地、河湖并非水循环的静态下垫面，植被截留、根系入渗、生态蒸腾、湿地调蓄、地下水‑植被互馈，能够显著改变流域径流、土壤水补给与区域蒸散发，生态系统既是水文过程的受影响对象，也是水循环重要的调节主体。二元水循环框架中，生态用水多作为外部约束条件输入，难以完整刻画“人类取水‑生态胁迫‑生态退化‑流域水源涵养能力衰减‑反作用于社会用水”这一闭环反馈链条，在生态脆弱流域、地下水超采区应用时存在局限。

如何将自然水文、生态生命过程、人类社会经济过程统一到一个完整水循环框架，成为当代水文学面向人类世需要解决的科学命题。已有研究分别从蓝‑绿水、虚拟水、水足迹、生态‑社会复合系统等角度开展探索，但缺少能够整合水量‑水质‑生态‑社会多要素的综合分析框架。本文结合已有文献与概念模型，系统阐述自然‑生态‑社会三元水循环理论框架、耦合机理，辨析相关概念的层级关系，并探讨该框架在我国生态文明水治理体系下的应用路径与未来研究方向。

1 水循环研究范式的演进

1.1 传统自然水循环范式

传统自然水循环以太阳辐射为驱动力，刻画海洋‑大气‑陆地‑海洋之间蒸发、水汽输送、降水、地表径流、入渗、地下水运动完整物理过程，回答水的来源、储存、迁移、平衡与灾害形成等科学问题，奠定现代水利科学基础。该范式的显著局限是将人类社会、生态系统作为外部扰动项，植被只作为下垫面参数，人类用水作为边界取水项，适合人类扰动较弱的自然流域，面对高强度人为干扰流域解释力不足。

1.2 自然‑社会二元水循环范式

二元水循环将人类活动从外部扰动转为系统内部子过程。社会水循环完整链条为：取水→供水→生产生活耗水→排水→污水处理→再生回用→回归自然水体；同时存在人口‑经济‑需水增长‑水资源开发‑环境压力‑社会政策响应的反馈链条。二元水循环实现水文学从纯自然研究走向人水耦合系统研究，广泛支撑我国水资源规划、水量分配、最严格水资源管理制度。 但二元水循环框架下，生态系统总体处于被动地位：一般采用“天然来水扣除社会用水得到生态可用水量”的静态水量分配逻辑，较少刻画生态系统退化反过来改变产汇流、地下水补给的反向反馈效应，难以反映生态系统状态变化对流域水资源本底的长期影响。

1.3 生态水文学带来的理论拓展

生态水文学核心是揭示水‑生态双向作用：水文条件决定植被群落、湿地格局；反过来植被冠层截留、根系改良土壤入渗、生态系统蒸腾蒸发，改变流域水循环通量与调蓄能力。生态系统不再仅仅是“需要多少生态水”的用水单元，而是水循环的主动参与者。这一认识为在二元框架之外，增设独立的生态水循环子系统提供理论依据，推动向三元水循环范式演进。

2 自然‑生态‑社会三元水循环理论框架

2.1 概念内涵

自然‑生态‑社会三元水循环，是以水循环为纽带，由自然水文过程、生态系统过程、社会经济过程三个相互嵌套子系统构成的复合水系统；依靠水量、水质、物质、能量、信息交换实现相互作用；工程、土地利用、技术进步、制度治理属于人类调控层，不属于第四类水循环子系统。 三元水循环不是三套独立水循环简单叠加，三组子系统之间形成多向双向反馈：自然水循环↔生态水循环、生态水循环↔社会水循环、自然水循环↔社会水循环。其核心逻辑：自然是物理基础，生态是生命反馈层，社会是人类主动调控主体。

2.2 三大子系统

（1）自然水循环子系统

包含降水、蒸发、地表径流、土壤入渗、地下水补给、河湖水体交换、海陆水汽交换等物理水文过程，承担水的储存、相变、迁移，是整个三元系统的物质与能量基础。

（2）生态水循环子系统

代表水与生命系统耦合过程，主要包括冠层截留、土壤蓄水、根系吸水、植被蒸腾、湿地水量调蓄、地下水‑植被相互作用、水生态系统物质循环等过程。生态水循环不等同于“生态需水”，重点突出生态系统对水循环的主动调节与非线性反馈，干旱区植被退化导致基流衰减就是典型的生态水循环反馈效应。生态水循环同时消耗蓝水（河湖、地下水）与绿水（土壤水），其中绿水是陆地生态系统最主要水分来源。

（3）社会水循环子系统

涵盖取水、供水、工农业与生活用水、耗水、排水、再生水利用，同时包含水库调度、跨流域调水、水市场、水资源管理制度等人类调控行为。社会水循环主要开发利用蓝水资源，通过灌溉等方式将蓝水转化为农田绿水；退水回归自然水体，改变流域水量与水质条件。

2.3 调控层：工程‑土地利用‑技术‑制度

水库、渠道、海绵城市、生态补水工程等各类水利、生态工程，是社会水循环实施调控的载体，作用于自然与生态子系统，但本身不是独立水循环。土地利用变化改变下垫面，技术进步改变用水效率，制度政策约束人类取水排污行为，四者共同构成三元水循环的外部调控层，避免概念无限膨胀为四元、五元水循环体系。不同工程类型对三元水循环的调控效果如表1。

表1 不同工程类型对三元水循环的调控作用

3 三元水循环耦合机制与概念表达

3.1 三组双向耦合关系

1）自然‑生态耦合：降水、地下水补给供给生态系统；植被通过截留、蒸腾、入渗改变径流与地下水补给。典型权衡：干旱区造林提升固碳，但蒸腾耗水增加，消耗绿水进而挤压河道蓝水，生态修复必须与区域水禀赋相匹配。2）自然‑社会耦合：人类从自然系统取水，通过水库、地下水开采改变径流节律与地下储水；退水又改变河湖水量水质，是二元水循环已经刻画成熟的耦合关系。3）生态‑社会耦合：健康生态系统输出水源涵养、洪水调蓄等生态服务，支撑社会福祉；人类生产建设、地下水超采、污染排放对生态水循环施加胁迫；形成“生态系统‑生态服务‑社会价值‑保护投入‑生态恢复”的正负反馈链条。

3.2 概念水量平衡表达

三元水循环概念方程重在体现子系统之间耦合交换项，而非一套已经率定完成的标准化求解方程组。设S_N、S_E、S_S分别为自然、生态、社会子系统储水量；F_i代表外部输入；C_{ij}代表子系统i与j之间耦合交换项；L_i代表系统输出，则通用形式：\frac{dS_i}{dt}=F_i+\sum_{j}C_{ij}-L_i分别对自然、生态、社会子系统列水平衡，耦合项C_{ij}就是三元区别于简单三套独立水量平衡的关键，包含取水、生态耗水交换、退水补给、生态水文反馈等过程。未来可以拓展纳入水质、碳、能量变量，构建水‑碳‑能‑生态‑社会多要素耦合方程组。

3.3 时空尺度错配特征

时间尺度上：自然水文过程是小时‑季节‑年际；生态演化为生长季‑数十年；社会决策、工程生命周期可达几十年。地下水超采的生态滞后效应、工程长周期运行与短时间暴雨过程，存在显著时间尺度错配。 空间尺度上：自然水循环服从流域边界；生态水循环表现为景观斑块尺度；社会水循环叠加行政边界，虚拟水贸易进一步延伸至全球经济网络。治理实践需要破解流域‑行政区‑生态单元边界不一致带来的管理矛盾。

4 三元水循环与蓝‑绿‑白‑灰水、虚拟水的概念辨析

蓝水、绿水、白水、灰水、虚拟水不属于和自然‑生态‑社会并列的循环子系统，而是从通量形态、污染压力、经济转移角度对三元水循环内部过程的表征工具，二者分属不同理论层级。

1）蓝水、绿水：蓝水代表河湖、地下水液态径流，主要连接自然‑社会水循环；绿水为土壤水以及植被蒸腾、土壤蒸发通量，主要连接自然‑生态水循环。蓝‑绿水之间可以相互转化，三元水循环要求实现蓝‑绿水协同管控，改变过去只重视蓝水资源的传统思维。2）白水：指大气水汽与云水降水，是整个系统的上游输入源；目前国际尚未形成统一标准定义，建议优先使用“大气水”表述。生态系统蒸腾向大气输送水汽，参与局地大气水循环。3）灰水：并非实体水体，是水足迹体系中把污染物稀释到达标浓度所需的理论等效水量，用来表征水质压力，拓展三元水循环从单纯水量走向水量‑水质耦合。4）虚拟水、水足迹：虚拟水刻画商品贸易背后隐含的水资源空间转移，是社会水循环在经济网络层面的延伸；水足迹是评价人类活动水资源环境压力的综合评价工具。

表2 三元水循环相关概念层级关系

5 三元水循环对我国生态文明水治理的支撑作用

三元水循环提供了从“管理水资源”升级到管理全水循环系统的理论工具，打通水循环机理与国家生态文明各项治理实践的内在逻辑。

5.1 支撑山水林田湖草沙一体化系统治理

山水林田湖草沙是生命共同体的空间对象体系，三元水循环揭示各生态要素之间水文纽带机制：山主导产流涵养；林改变截留蒸腾；田消耗土壤绿水；湖承担调蓄；草维持土壤入渗；沙区生态高度受地下水约束。各类修复工程均会改变蓝‑绿水分配，三元水循环可以定量评估生态修复的流域水文权衡，规避干旱区盲目扩绿耗损地下水的风险，落实“以水定绿、适水适绿”原则，为山水工程方案比选与成效评估提供定量支撑。

5.2 深化四水四定与水资源刚性约束

传统承载力多为静态评估，假设生态系统状态不变。三元水循环识别“社会取水→生态退化→水源涵养能力下降→可利用水资源衰减”的恶性循环，将以水定生态从定性转向定量约束，同时兼顾蓝水与绿水，实现动态水资源承载力评估。在地下水管控、生态流量调度中，不只管控河道流量，同步考虑地下水埋深、土壤水分等生态水文阈值，防范水生态系统稳态转换。

5.3 支撑绿水青山就是金山银山与生态产品价值实现

从三元框架可以梳理链条：自然水循环→生态水循环→生态系统功能→生态产品→社会经济价值。水源涵养、洪水调蓄等调节类生态产品的形成完全依托生态水循环。三元水循环可以区分生态系统维持自身生存的耗水与对外输出的生态服务水量，修正静态GEP核算的高估偏差；量化保护或破坏水循环带来生态资产增减，为横向生态补偿、水权交易提供水文物质量基础，助力生态产品价值实现机制落地。

5.4 服务绿色低碳与水‑能‑碳‑生态协同治理

社会水循环取水、输水、污水处理消耗大量能源；生态水循环中水分胁迫直接决定林草湿地碳汇上限。三元水循环框架下可以开展水‑能‑碳‑生态耦合分析，评估扩绿增汇行动的水资源可行性，避免大规模绿化造成水资源透支，服务减污、降碳、扩绿、增长协同推进。

5.5 完善水安全内涵，识别水循环系统失衡风险

传统水安全侧重供水安全、洪旱灾害、水污染。三元水循环拓展水安全内涵，提出三元水循环安全概念，即自然水循环安全、生态水循环安全、社会水循环安全以及三者之间协调稳定。所谓“水资源破产”本质是三元系统长期失衡，表现为地下水位持续下降、河湖湿地萎缩、生态生产力衰减、社会用水成本抬升等连锁后果。解决水危机不能只依靠开源增水，需要同步调节社会用水模式，保护自然恢复能力，维系生态水循环健康状态。

5.6 指导城市与农业水系统优化

城市是社会水循环高度集聚区域，三元视角下城市是自然‑生态‑社会耦合复合体，海绵城市、生态河道、再生水利用本质是重构三者耦合关系；农业同时消耗蓝水与绿水，农业节水不能只关注灌溉蓝水，还需要提升降水‑土壤绿水利用效率，优化种植结构，协调粮食生产与流域生态保护。

6 讨论与展望

6.1 理论定位

三元水循环并不否定、取代自然水循环、二元水循环、生态水文学、社会水文学，而是对已有理论的整合。其创新点不在于命名新的水循环，而在于转变研究问题导向：从“水如何运动？”“人类如何改变水？”升级为“自然‑生态‑社会三者如何相互反馈，共同塑造流域水系统状态”。在湿润流域、常规水资源规划场景，二元水循环仍然具备实用性；三元框架优先适用于人类扰动强、生态脆弱的流域，作为补充增强工具。

6.2 当前存在的主要挑战

1）概念层面。不同研究对生态水循环系统边界尚未完全统一，生态‑水文非线性阈值、滞后效应的观测证据不足；2）定量化层面：耦合方程仍停留在概念阶段，缺少标准化模型；多源观测数据（土壤水、地下水‑植被长序列观测）稀缺，参数不确定性较高；3）实践转化层面：尚未纳入水利行业规范，距离业务化应用存在差距。

6.3 未来研究方向

1）完善理论体系。厘清系统边界，构建三元水循环指标体系与综合评价指数；2）模型研发。发展弱耦合、强耦合两类模拟工具，开展不确定性分析；3）实证研究。选取黄河、西北内陆河、海河流域等典型区域开展案例应用，检验框架解释力；4）治理转化。探索将三元水循环理念融入生态修复、水资源配置、GEP核算的技术路径，实现从概念走向实践。

7 结论

（1）自然‑生态‑社会三元水循环是水循环科学面向人类世的综合拓展框架，由自然、生态、社会三大子系统构成，三者之间形成多向双向反馈；工程、土地利用、技术、制度属于人类调控层，不设置第四水循环。（2）蓝水‑绿水‑白水‑灰水、虚拟水、水足迹与三元水循环分属不同概念层级，前者是通量表征与评价工具，后者描述水循环参与主体与耦合关系，不可混为一谈。（3）三元水循环把生态系统从被动用水对象转变为具备内生反馈的子系统，推动水资源管理由静态水量分配转向全水循环系统管护，为山水林田湖草沙系统治理、四水四定、生态产品价值实现、水‑能‑碳协同、流域水安全评估提供统一的水科学支撑。（4）该框架目前以概念研究为主，下一步重点推进定量化建模、指标构建与典型流域实证，逐步发展成为可计算、可评价、可支撑生态文明水治理的实用工具。

参考文献

（略）

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