中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 黨的十八大以來，黨中央把推進生態(tài)文明建設(shè)放在突出位置，2018年3月，十三屆全國人大一次會議通過憲法修正案，將新發(fā)展理念、生態(tài)文明和建設(shè)美麗中國的要求載入憲法，確立了生態(tài)文明的憲法地位。構(gòu)建生態(tài)文明體系，完善生態(tài)文明領(lǐng)域的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機制，促進經(jīng)濟社會發(fā)展的全面綠色轉(zhuǎn)型，是“十四五”期間國家發(fā)展的重要任務(wù)。

2014年，長江經(jīng)濟帶建設(shè)成為新時期國家發(fā)展重大戰(zhàn)略。2016年、2018年、2020年、2023年，習(xí)近平總書記先后在重慶、武漢、南京、南昌主持召開推動長江經(jīng)濟帶綠色發(fā)展座談會，確定了“共抓大保護、不搞大開發(fā)”“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的整體方針，突顯了長江經(jīng)濟帶高質(zhì)量綠色發(fā)展在國家生態(tài)文明建設(shè)中的戰(zhàn)略地位。2019年以來，生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合開展了長江保護修復(fù)攻堅行動計劃，流域水環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善，水生態(tài)退化得到初步遏制，但面源污染控制不力、湖泊濕地萎縮、生物多樣性損失等問題依然突出。受氣候變化和人類活動的影響，未來長江流域生態(tài)保護形勢依然嚴峻復(fù)雜，水環(huán)境治理和水生態(tài)修復(fù)任務(wù)依然面臨巨大挑戰(zhàn)。2021年3月1日，《中華人民共和國長江保護法》正式實施。貫徹落實《長江保護法》，在科學(xué)統(tǒng)籌的前提下進行流域系統(tǒng)治理，最終實現(xiàn)長江流域生態(tài)優(yōu)先下的高質(zhì)量綠色發(fā)展，有2項重要工作需要盡快開展：國家層面的全流域協(xié)調(diào)機制要盡快建立，加強科技創(chuàng)新的引領(lǐng)作用，支撐流域生態(tài)環(huán)境修復(fù)保護和綜合管理的流域水系統(tǒng)模擬調(diào)控裝置需要盡快建設(shè)。

針對全球變化帶來的生態(tài)與環(huán)境問題，國內(nèi)外學(xué)者提出和發(fā)展了一系列地球系統(tǒng)模型（ESMs）。以全球大氣動力學(xué)模式為基礎(chǔ)，耦合海洋、陸地、冰凍圈等動力學(xué)模式，旨在預(yù)測、重構(gòu)和深入理解全球氣候變化過程，評估氣候變化對生態(tài)和環(huán)境的影響。2002年3月，日本建成地球模擬器（ES），目前已發(fā)展至ES4版本。2012年，美國國家大氣海洋局地球物理流體動力學(xué)實驗室開發(fā)了地球系統(tǒng)模型（ESMs）。2018年，美國能源部主導(dǎo)發(fā)布了E級能源地球系統(tǒng)模型（E3SM），關(guān)注點除氣候變化預(yù)測外，還將評估氣候變化對能源基礎(chǔ)設(shè)施帶來的壓力。2020年，瑞士大氣和氣候科學(xué)研究所發(fā)展了一個模塊化地球系統(tǒng)模擬器（MESMER）。2010年，曾慶存等針對國際上地球系統(tǒng)動力模式研究的趨勢，提出發(fā)展我國的地球系統(tǒng)動力學(xué)模式。2022年10月，中國科學(xué)院大氣物理研究所聯(lián)合清華大學(xué)，正式建成“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”，對深入理解氣候變化對全球及中國區(qū)域環(huán)境的影響意義重大。2021年，于貴瑞等提出打造“陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)值模擬器”，發(fā)展基于“多源數(shù)據(jù)分析—生態(tài)過程模擬—時空格局評估—生態(tài)預(yù)測預(yù)警”于一體的大陸尺度的陸地生態(tài)系統(tǒng)模擬分析裝置，作為中國國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)的重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)內(nèi)容。但現(xiàn)有的地球系統(tǒng)模擬器側(cè)重于整個地球系統(tǒng)的刻畫，空間分辨率較粗。例如，“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”的最高空間分辨率目前為5 km，不能精細刻畫地面生態(tài)水文過程，也不能精細刻畫人為活動與管理措施對流域生態(tài)水文過程的影響，而這些過程的精細模擬對流域水環(huán)境水生態(tài)的評估、預(yù)警、調(diào)控必不可少。

2019年初，中國科學(xué)院啟動了“美麗中國生態(tài)文明科技建設(shè)工程”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類），其中項目4“長江經(jīng)濟帶干流水環(huán)境水生態(tài)綜合治理與應(yīng)用”主要針對以水為紐帶的長江經(jīng)濟帶高質(zhì)量綠色發(fā)展所亟待解決的水生態(tài)和水環(huán)境問題。研究團隊率先提出“長江模擬器”構(gòu)想，在流域信息空天地一體化監(jiān)測基礎(chǔ)上，發(fā)展流域水系統(tǒng)綜合模擬系統(tǒng)，為流域水系統(tǒng)調(diào)控和統(tǒng)籌管理提供綜合的技術(shù)方案。本文主要針對長江流域水生態(tài)問題進行剖析，介紹了長江模擬器在流域水生態(tài)調(diào)度方面的研究和模擬實踐，期望為長江流域水生態(tài)調(diào)度管理提供參考。

長江流域水生態(tài)現(xiàn)狀與主要問題

長江水系具有十分重要的生態(tài)服務(wù)功能，是中華民族永續(xù)發(fā)展的重要支撐。長江流域水生生物多樣性甚高，有魚類400余種（淡水348種，特有166種）、兩棲動物145種（特有49種）、軟體動物296種（特有197種）、水生維管束植物298種，是十分重要的種質(zhì)資源庫，支撐流域淡水魚產(chǎn)量超過全國的70%，為世界的40%。受強烈的人類活動和氣候變化的綜合影響，長江流域正面臨著部分區(qū)域水資源短缺、水污染嚴重、水生態(tài)受損等問題，成為制約區(qū)域社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。5萬余座水庫總庫容占到了全流域地表徑流總量的37%，極大地改變了長江流域水循環(huán)特征和水生生物棲息地環(huán)境。

長江流域水生態(tài)的主要問題，突出表現(xiàn)為水生生物多樣性下降。目前，長江流域白鱀豚、白鱘等珍稀物種基本滅絕，不少魚類（約30%）、鳥類、貝類等動物瀕危；中華鱘、達氏鱘、胭脂魚、四大家魚等卵苗量大幅減少，江湖捕魚產(chǎn)量近50年下降了近80%；江豚數(shù)量近20年減少了80%，現(xiàn)僅存1 249頭。長江流域水生態(tài)問題在上中下游有不同的表現(xiàn)，概括為4個方面。

上游梯級水庫群引起的水生態(tài)問題

長江上游流域水能資源豐富，金沙江中下游梯級水庫群、雅礱江流域梯級水庫群已陸續(xù)建成，為國家經(jīng)濟社會發(fā)展提供了穩(wěn)定的能源支持。但梯級水庫群建設(shè)也顯著改變了水生生物的生境，突出表現(xiàn)為2個主要問題。

總?cè)芙鈿怏w過飽和問題對魚類的影響持續(xù)存在。高壩運行使得總?cè)芙鈿怏w（TDG）過飽和成為一個嚴重的水環(huán)境問題。2014年，溪洛渡壩下持續(xù)1周多的TDG過飽和水流導(dǎo)致下游向家壩庫區(qū)10×104 kg魚類死亡。而梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度可導(dǎo)致TDG過飽和持續(xù)時間長，以及過飽和水平較高的累積效應(yīng)。采用流動動力學(xué)模型模擬預(yù)測TDG過飽和的發(fā)生分布，優(yōu)化水電站發(fā)電模式和運行調(diào)度方式，是目前解決梯級水庫群高壩泄流TDG過飽和問題的最優(yōu)方式。

梯級水庫群對魚類生物多樣性的不利影響持續(xù)存在。梯級水庫群建設(shè)導(dǎo)致上游河道水文情勢顯著改變（包括流速降低、水溫分層改變等）、魚類洄游通道阻斷、魚類生境破碎化等問題持續(xù)存在，魚類多樣性顯著降低。溪洛渡和向家壩電站運行后，綏江斷面魚類物種數(shù)由54種下降至35種。2018年在長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū)宜賓段的調(diào)查結(jié)果表明，原有36個產(chǎn)卵場中，功能部分退化、嚴重退化的占到了61%。修建過魚設(shè)施、建設(shè)保護區(qū)和人工產(chǎn)卵場、水庫生態(tài)調(diào)度、生境替代等措施的綜合采用，將是建設(shè)綠色水電和魚類保護相結(jié)合的最好模式。

三峽庫區(qū)水生態(tài)問題

三峽水庫因防洪、發(fā)電等需要，其水位調(diào)節(jié)強度和頻度都比較強烈，產(chǎn)生了一系列的水環(huán)境水生態(tài)問題。主要體現(xiàn)為庫區(qū)消落帶、支流回水區(qū)和庫區(qū)本身3個方面。

庫區(qū)消落帶水土流失與植被退化問題。消落帶水位落差高達30 m、水淹時間長、反季節(jié)水位波動頻繁，導(dǎo)致原有植被大規(guī)模退化，產(chǎn)生了較嚴重的水土流失問題。近年來通過一系列的生態(tài)修復(fù)與工程治理措施，消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康絕大部分呈現(xiàn)出逐年穩(wěn)定與改善的趨勢，但庫首和庫尾消落帶治理仍需加強。

庫區(qū)支流回水區(qū)水華問題。三峽工程蓄水后，支流回水區(qū)因營養(yǎng)鹽輸入及水文情勢的改變，即出現(xiàn)水華問題。改變庫灣水動力及生境條件，三峽水庫采用潮汐式生態(tài)調(diào)度，成為抑制庫灣區(qū)水華的有效方式。但庫區(qū)水華預(yù)測預(yù)警、支流水體營養(yǎng)鹽控制仍需加強。

庫區(qū)魚類生物多樣性衰減問題。水庫蓄水后，原有部分產(chǎn)卵場被淹沒，庫區(qū)魚種資源不斷減少。據(jù)調(diào)查，庫區(qū)干流魚種數(shù)由20世紀80年代的140—200種下降至2013—2015年的84種。魚類資源的衰減與恢復(fù)，仍需深入研究其成因及恢復(fù)機制。

中下游水生態(tài)問題

中下游地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)深受水利工程、河湖采砂、圍墾造田等人類活動的影響，其水生態(tài)問題突出表現(xiàn)為3個方面。

河湖水文情勢改變及對水生生態(tài)系統(tǒng)的不利影響。水庫調(diào)蓄及其導(dǎo)致的河床下切改變了干流和通江湖泊的水文節(jié)律，對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響。三峽水庫運行后，壩下年徑流總量降低了6%—10%，壩下年均輸沙量減少了63%—80%。出庫泥沙偏細，導(dǎo)致壩下河床沖刷下切，大通河段汛期同流量水位下降0.1—1 m。顯著改變的河湖水文情勢和水溫體制，破壞了水生植物生長條件及魚類洄游產(chǎn)卵和發(fā)育條件，并降低了水體自凈能力。三峽水庫壩下干流春季水位的快速上升影響濕生和挺水植物的萌發(fā)，導(dǎo)致水鳥和魚類棲息地發(fā)生較大改變，從而影響魚類和水鳥等動物資源。中游河道的堤防工程、裁彎取直工程、堵叉工程、洲灘種樹工程，使得河道渠化，減少了水生生物的棲息地面積，水生生境異質(zhì)性降低，降低水生生物多樣性。

湖泊圍墾破壞了水生生態(tài)系統(tǒng)的完整性。湖泊的不斷圍墾和泥沙淤積及沿湖建設(shè)，導(dǎo)致湖泊濕地面積不斷萎縮、湖濱帶功能退化，水生和沿岸植被衰退，降低了湖岸帶污染物攔截和消減內(nèi)源污染的能力，破壞了湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性。

河湖采砂和航道整治對水生生物棲息地的破壞。河湖采砂和航道整治顯著改變河湖水文地貌和水文過程，破壞了底部棲息地，對底棲動物和水生植物造成巨大影響。采砂導(dǎo)致的懸浮物濃度增加，降低了水體透明度，對浮游生物和水生植物都有較大影響。

典型通江湖泊的水生態(tài)問題

長江中下游淺水湖泊歷史上均與干流相通，構(gòu)成江湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，從而成為世界罕有的淡水物種資源庫。但是，20世紀50年代以來，江湖筑壩建閘嚴重影響了江湖系統(tǒng)的側(cè)向水文連通，只剩下洞庭湖、鄱陽湖保持通江狀態(tài)。目前，洞庭湖、鄱陽湖受水利工程調(diào)蓄、湖泊圍墾等人類開發(fā)行為的影響，湖泊濕地大規(guī)模喪失，江湖水沙交換關(guān)系和江湖水動力學(xué)特征發(fā)生較大改變，進而影響到湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的完整性，造成生物多樣性下降和湖泊水質(zhì)下降等嚴峻的水生態(tài)問題，主要表現(xiàn)為4個方面。

局部湖區(qū)藻華風(fēng)險較高。鄱陽湖都昌、軍山湖、康山湖、撮箕湖、戰(zhàn)備湖等湖區(qū)水面均觀測到大面積的藍藻聚集。尤其是東部湖灣，相對其他湖區(qū)而言，水流較緩而總磷、總氮濃度較高，已發(fā)生多次水華聚集現(xiàn)象。東洞庭湖也因水流緩慢而面臨較高的水華風(fēng)險。

沉水植被大幅度減少。受水面萎縮影響，通江湖泊部分湖區(qū)水生生境向陸生生境演替，沉水植被面積大幅縮減，群落結(jié)構(gòu)簡單化、多樣性降低。

底棲動物多樣性、完整性下降。鄱陽湖底棲動物優(yōu)勢種由大型軟體動物逐漸演變成小型軟體動物和昆蟲類，多樣性下降明顯；而洞庭湖底棲動物完整性也呈顯著下降趨勢。

干旱脅迫下魚類和江豚受到威脅。全面禁漁之后，捕撈壓力減小，魚類資源量增加，江豚數(shù)量也呈上漲趨勢。但受近年來頻繁低枯水及旱澇急轉(zhuǎn)影響，通江湖泊退水速率加快、水位驟降，使得部分來不及回退的江豚和魚類滯留于低洼水體，干涸而死。

長江流域水生態(tài)調(diào)度主要實踐與問題

三峽水庫蓄水以來，科研人員即開始關(guān)注水庫的生態(tài)調(diào)度問題。程根偉等提出保持河流洪水節(jié)律、維持上下游輸沙平衡、促進庫區(qū)水量交換、實現(xiàn)防洪補償調(diào)節(jié)的生態(tài)調(diào)度目標。郭文獻等從壩下河道環(huán)境流量、中華鱘產(chǎn)卵期水文水動力需求、四大家魚產(chǎn)卵期需求進行了量化分析，討論了三峽水庫生態(tài)調(diào)度目標。2011—2020年，長江水利委員會在三峽水庫共開展了14次促進壩下江段四大家魚自然繁殖的生態(tài)調(diào)度試驗。除2016年、2020年生態(tài)調(diào)度期間沒有出現(xiàn)大規(guī)模繁殖以外，其他年份生態(tài)調(diào)度的實施對促進產(chǎn)漂流性卵魚類繁殖起到了積極的作用。2020—2021年，漢江水利水電集團在丹江口-王甫洲區(qū)間開展了3次生態(tài)調(diào)度試驗，針對伊樂藻等沉水植物過度生長，在保障北調(diào)水量的前提下，采取加大下泄流量的方法，對沉水植被生長進行擾動，有效抑制了王甫洲庫區(qū)的水草增長。

從三峽水庫的生態(tài)調(diào)度實踐看，其調(diào)度目標仍比較單一，僅考慮四大家魚的產(chǎn)卵需求。實際上，除產(chǎn)卵外，魚類資源恢復(fù)還必需足夠大的餌料生物豐富的肥育水域。剛孵化的魚苗必需到浮游動物豐富的緩流或靜水環(huán)境，否則魚苗到幼魚（10—20 cm）的成活率相差成千上萬倍。食性轉(zhuǎn)換后的幼魚、亞成魚和成魚攝食浮游生物、底棲動物或水生植物，其水文需求與餌料生物的類似，也需要流速較低的環(huán)境。因此，未來流域生態(tài)調(diào)度還應(yīng)考慮以滿足多數(shù)魚類生活史全過程及所需餌料生物（主要是漫灘植物）的水文過程需求為目標。

長江模擬器的研發(fā)與河道水生態(tài)調(diào)度設(shè)想

長江模擬器的研發(fā)

長江模擬器，是指以長江流域為對象，以流域水循環(huán)為紐帶，將自然過程與人文過程相耦合的流域模擬系統(tǒng)及科學(xué)裝置。長江模擬器強調(diào)長江上、中、下游及湖庫—岸線—城市群的互聯(lián)互動，強調(diào)防洪、發(fā)電與水生生物保護等目標相結(jié)合的聯(lián)合調(diào)度，以“了解過去長江、認識現(xiàn)在長江、展望未來長江”為目標，具有“監(jiān)測—模擬—評估—預(yù)警—決策—調(diào)控”一體化功能。經(jīng)過近5年的探索，基本形成了長江模擬器建設(shè)的系統(tǒng)框架（圖1），并從感知體系、模擬體系和服務(wù)體系建設(shè)著眼，形成了長江模擬器的初代產(chǎn)品。

在感知體系建設(shè)方面，初步形成了流域空天地一體化監(jiān)測監(jiān)控體系。研發(fā)了基于連續(xù)精細吸收光譜的接觸式水下原位水質(zhì)探測系統(tǒng)和基于反射式高光譜成像技術(shù)的空、地基水質(zhì)探測系統(tǒng)，目前已在三峽庫區(qū)香溪河站和鄱陽湖區(qū)實現(xiàn)了實時水質(zhì)指標的在線連續(xù)高頻觀測。采用遙感解譯的方式，獲取了鄱陽湖、洞庭湖、太湖、洪湖1987—2021年長序列水質(zhì)時空變化數(shù)據(jù)，獲取了武漢、重慶、上海、長沙等典型城市黑臭水體數(shù)據(jù)，制作了長江干流水質(zhì)月尺度解譯產(chǎn)品，獲取了近40年來長江干流岸線的時空變化數(shù)據(jù)。與環(huán)境監(jiān)測部門初步建立了數(shù)據(jù)共享合作機制，聯(lián)合打造長江流域水生態(tài)水環(huán)境監(jiān)測信息平臺。

在模型體系建設(shè)方面，構(gòu)建了長江干流水系統(tǒng)綜合模擬與調(diào)控平臺。發(fā)展了流域分布式生態(tài)水文模擬模型、流域面源污染模擬模型、三峽水庫水動力-水質(zhì)-調(diào)度耦合模型、長江中下游干流水動力-水質(zhì)耦合模型、鄱陽湖及洞庭湖二維水動力模型、長江干流典型河段水生態(tài)模擬模型、長江干流典型城市水系統(tǒng)模型等專業(yè)模型。專業(yè)模型耦合模擬的精度得到了檢驗，在清溪場、萬縣、城陵磯、漢口、湖口、大通6個關(guān)鍵斷面，流量、水位模擬的納什效率系數(shù)達到0.70以上，模型耦合模擬精度達到了預(yù)期。

在各專業(yè)模型的開發(fā)基礎(chǔ)上，研發(fā)了長江模擬器軟件平臺，分專業(yè)版和決策版（圖2）。軟件平臺專業(yè)版中，各模型既可獨立運行，也提供各模型耦合模擬定制化環(huán)境。軟件平臺決策版中，實現(xiàn)了長江模擬器“監(jiān)測—模擬—評估—預(yù)警—決策—調(diào)控”一體化功能，已開發(fā)了監(jiān)測監(jiān)控、面源污染、水循環(huán)、水生態(tài)、岸線、城市群、調(diào)控決策7個模塊。監(jiān)測監(jiān)控模塊中，實現(xiàn)了項目示范區(qū)和三個湖泊試驗站實時在線水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入展示，接入了全流域水文實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。水循環(huán)模塊中，模擬分析了近40年和未來30年全流域水文循環(huán)的時空變化特征；基于15天短期天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了流域水文情勢的滾動預(yù)報，可預(yù)報各水文響應(yīng)單元的產(chǎn)流、土壤濕度、蒸散發(fā)變化，預(yù)報干支流關(guān)鍵斷面的流量、水位變化，預(yù)報鄱陽湖、洞庭湖的水情變化。湖庫模塊中，模擬了洞庭湖、鄱陽湖近40年和未來30年湖泊水文水動力過程，并可模擬鄱陽湖建閘的水文情勢變化及其對候鳥棲息地的影響。岸線模塊中，獲取了中下游干流陸向和水向岸線質(zhì)量演變特征；建立了基于旗艦物種江豚生境需求的水向岸線質(zhì)量評估模型；建立了陸向岸線污染物攔截空間配置模型，確立了不同類型的陸向岸線的空間配置方案，并應(yīng)用于長江流域國土空間配置規(guī)劃。水生態(tài)模塊中，建立了典型河段的水文-水動力-食物鏈關(guān)系模型，聯(lián)合流域水文模型、三峽調(diào)度模型、干流水動力模型，首次確立了考慮水生生物食物鏈需求的三峽水庫生態(tài)調(diào)度方案。城市水系統(tǒng)模塊中，實現(xiàn)了長江中游城市群、成渝城市群的降雨—產(chǎn)流—用水—排水—產(chǎn)污過程耦合模擬；針對典型城市（重慶、武漢）開展了城市化的水文效應(yīng)模擬、城市內(nèi)澇模擬；針對基于未來24 h逐時天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了武漢市建成區(qū)內(nèi)澇趨勢的滾動預(yù)報，并可應(yīng)用于長江流域各級城市。決策調(diào)控模塊中，建立了流域綠色發(fā)展評價模型，評估地級市尺度的綠色發(fā)展不同維度的時空差異，提出地級市尺度的綠色發(fā)展調(diào)控方案，并可模擬分析不同調(diào)控方案下流域面源污染的可能變化及其對干流水質(zhì)變化的可能貢獻。

在服務(wù)體系研發(fā)方面，針對公眾服務(wù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用、政府決策、綜合治理技術(shù)等方面開展了工作。開發(fā)了長江模擬器公眾版小程序，為公眾宣傳與公眾參與長江大保護奠定了基礎(chǔ)；建設(shè)了長江模擬器綜合數(shù)據(jù)庫，支撐長江模擬器專業(yè)版、決策版、公眾版平臺，并為長江流域科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)打下了基礎(chǔ)；政府決策服務(wù)方面，通過咨詢報告等為行業(yè)及區(qū)域管理提供了重要的決策咨詢建議；流域綜合治理技術(shù)服務(wù)方面，構(gòu)建了典型湖泊/湖區(qū)水生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)、城市水環(huán)境水生態(tài)綜合治理關(guān)鍵技術(shù)、長江干流岸線生態(tài)修復(fù)及調(diào)控技術(shù)等，初步形成了長江模擬器的服務(wù)體系。

長江模擬器服務(wù)于科研用戶、公眾和政府決策的研發(fā)理念及其研發(fā)進展，得到了重慶市政府的認可。在中國科學(xué)院與重慶市政府戰(zhàn)略合作協(xié)議框架下，重慶市政府將長江模擬器落地建設(shè)作為支撐重慶和整個長江流域生態(tài)文明建設(shè)的科技利器。支持長江模擬器研發(fā)與落地建設(shè)寫入了2021年3月重慶市政府印發(fā)的《重慶市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標綱要》和2022年重慶市政府印發(fā)的《重慶市科技創(chuàng)新“十四五”規(guī)劃（2021—2025年）》，雙方將爭取把長江模擬器打造為流域信息綜合集成平臺、流域水系統(tǒng)演變模擬平臺、流域綜合調(diào)控管理決策支持平臺，成為生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域又一個國家級重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

長江模擬器的水生態(tài)調(diào)度設(shè)計

在長江模擬器研發(fā)過程中，考慮了兩個大型通江湖泊洞庭湖、鄱陽湖的生態(tài)水位需求，干流河道典型江段底棲動物、魚類、漫灘植被對河道水文節(jié)律（流量、流速）的響應(yīng)關(guān)系，河口壓咸流量需求，以防洪、發(fā)電、航運需求為約束條件，以現(xiàn)有三峽水庫調(diào)度方案為基礎(chǔ)，建立了三峽水庫生態(tài)調(diào)度模型。設(shè)置了6種水庫出庫控制方式，包括假設(shè)無庫、現(xiàn)有優(yōu)化調(diào)度方式、規(guī)劃設(shè)計調(diào)度方式、壩前水位控制方式、下泄流量控制方式、生態(tài)調(diào)度方式。通過三峽水庫不同調(diào)度方式與流域分布式水文模型、流域面源污染模型、干流水動力水質(zhì)模型、通江湖泊水動力模型、河道水生態(tài)模型聯(lián)合模擬，模擬分析不同調(diào)度方式下干流及通江湖泊水質(zhì)、水文、水生態(tài)過程的變化特征，以及水生生物生境的可能變化及食物鏈的不同響應(yīng)，從而確定三峽水庫適宜的水生態(tài)調(diào)度方案。

基于長江模擬器的干流河道水生態(tài)調(diào)度研究

干流河道水生態(tài)調(diào)度模型構(gòu)建

長江模擬器的干流河道水生態(tài)調(diào)度模型，以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)目標所需的水文周期波動過程為基礎(chǔ)，從現(xiàn)階段的流量目標靜態(tài)化轉(zhuǎn)向為動態(tài)化，從刺激四大家魚產(chǎn)卵向滿足魚類全生活史過程需求轉(zhuǎn)變。該調(diào)度模型由長江模擬器中的流域水文模型、三峽水庫調(diào)度模型、干流一維水動力模型、典型江段二維水動力模型和多個典型河段水文-食物網(wǎng)模型聯(lián)合模擬完成，具體流程見附錄。模型輸入?yún)?shù)為三峽水庫出庫周年日流量，輸出參數(shù)為多個典型河段基礎(chǔ)生物（濕生植物、挺水植物、浮游植物、浮游動物和底棲動物）資源量、魚類資源量和江豚潛在數(shù)量。基礎(chǔ)生物資源量估算，基于各基礎(chǔ)生物對水流生境因子（水深、流速）的需求，結(jié)合典型河段二維水動力模型得出基礎(chǔ)生物適宜面積，該面積乘以生物量得到河段基礎(chǔ)生物的資源量。通過比較不同方案的模擬結(jié)果，分析環(huán)境變化下河道水生態(tài)效應(yīng)，即高級生物對水文、棲息地等環(huán)境條件的需求，并用于優(yōu)化三峽水庫的生態(tài)調(diào)度。

基于三峽調(diào)度下的干流河道水生態(tài)模型應(yīng)用

三峽水庫蓄水后實際運行方式的水生態(tài)效應(yīng)模擬。本研究模擬分析了無庫和有庫條件（實際運行模式）下干流河段水生生物的響應(yīng)。與無庫情形相比，三峽水庫實際運行方式會導(dǎo)致魚類和江豚數(shù)量減少2.8%（0.5%—4.9%）、濕生植物資源量減少3%（0—5.8%）、挺水植物減少5%（0.4%—8%）、底棲動物減少0.6%（0—2.2%）、浮游生物影響不大。主要原因是枯水期（2—3月）為滿足航運需求增高水位，導(dǎo)致漫灘濕生植物萌發(fā)面積減小；汛前消落期（5月25日—6月10日）短期內(nèi)大量放水（6月10日庫水位降至145 m），導(dǎo)致河道水位快速升高，不利于漫灘濕生植物生長。此外，三峽出庫泥沙偏細，導(dǎo)致中下游河床沖刷加劇，底質(zhì)不穩(wěn)定，底棲動物資源量減少，也是影響魚類資源的一個重要因素。

提出了三峽水庫生態(tài)調(diào)度可行的最佳參數(shù)。① 通過對不同調(diào)度方案進行比選，在滿足防洪和航運需求的前提下，考慮干流河段水生生物與河流水文情勢之間的關(guān)系，初步確定了三峽水庫生態(tài)調(diào)度的基本參數(shù)（圖3）。2—3月下泄流量為6 000—7 000 m3/s，可滿足航運需求（航運最低需求為6 000 m3/s），同時應(yīng)盡量保持低流量，以使漫灘植物有足夠的萌發(fā)面積；4月下泄流量區(qū)間保持為7 000—8 000 m3/s、5月為8 000—13 000 m3/s、6月為13 000—18 000 m3/s，既可滿足防汛需求，也對水生生物影響較小。其中，4月15日—6月15日，三峽防汛騰庫時，應(yīng)盡可能地慢速騰庫容（日增小于160 m3/s），使?jié)裆参镉凶銐虻纳L期；5—6月，水溫達到18℃—30℃（最適18℃—24℃）時，制造洪峰以滿足四大家魚產(chǎn)卵需求，日漲水量大于2 000 m3/s，漲水次數(shù)約5次，總漲水量大于10 000 m3/s（短期的持續(xù)漲水對漫灘植物不會造成很大影響）。本方案已經(jīng)向長江水利委員會和三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心作了專門匯報。目前確立的三峽水庫生態(tài)調(diào)度方案，除考慮魚類產(chǎn)卵需求外，還考慮了魚類全生活史各個階段的水文過程需求。春末夏初，制造洪峰促進產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵，魚卵孵化后形成的仔稚魚需要到緩流區(qū)（流速<0.03 m/s）（河漫灘、通江湖泊等）攝食浮游動物，此時淹沒的植物可營造低流速的生境。食性轉(zhuǎn)換后的幼魚、亞成魚和成魚攝食浮游生物、底棲動物或水生植物，也需要流速較低的環(huán)境。對于產(chǎn)粘性卵魚類（如鯉、鯽、翹嘴鮊）需要植物體、砂石等作為粘卵基質(zhì)，若產(chǎn)卵期水體沒有合適的基質(zhì)，則需要水位上升以便親魚到水陸交錯區(qū)產(chǎn)卵。因此，若要提高魚類總資源量，生態(tài)調(diào)度需滿足魚類全生活史各個階段的需求。

通江湖泊典型水情模擬及生態(tài)效應(yīng)

通江湖泊水動力模型，基于通江湖泊精細地形高程和出入流流量水位等輸入信息，能夠反映通江湖泊與長江之間的出流、頂托和倒灌作用，模擬湖泊流域和長江來水共同作用下的湖泊水動力變化，刻畫水面動態(tài)的干濕變化過程。可應(yīng)于不同氣候變化和人類活動影響下，江湖關(guān)系變化對通江湖泊水動力的影響，捕捉典型水文年、典型水文階段的湖泊水動力場，為湖泊水生態(tài)和濕地生態(tài)研究提供湖泊水文水動力要素時空變化數(shù)據(jù)集。以鄱陽湖為例，2006年枯水期水深時空分布模擬結(jié)果，很好地刻畫了鄱陽湖河道深水、洲灘淺水以及北部深、南部淺的分布格局（圖4）。湖泊水動力場的精細模擬，可用于航道規(guī)劃、候鳥和其他水生生物棲息地適宜性評估。

通江湖泊水利樞紐工程調(diào)控效應(yīng)

近20年來，鄱陽湖枯水位降低、枯水期提前、枯水歷時延長等問題日益凸顯，并表現(xiàn)為常態(tài)化、趨勢化。建設(shè)鄱陽湖水利樞紐工程，被當?shù)卣J為是一個“根本性”解決方案。為滿足鄱陽湖擬建水利樞紐工程的影響評估需求，鄱陽湖水動力模塊專門增加了樞紐功能的定義與邊界刻畫，可分別進行現(xiàn)狀條件和建閘情況下的評估計算。

考慮水利樞紐有效增加水資源的同時，需關(guān)注流速降低、換水周期延長等可能帶來的水環(huán)境風(fēng)險。本研究選取2011年（枯水年）、2016年（豐水年）和2017年（平水年）3個典型年份，開展了建閘前后湖泊水文水動力變化評估。從影響時段看，9月蓄水期和退水初期影響最大，枯水年全湖平均水位建閘后相比建閘前提升了1.52 m，豐水年平均水位提升了1.07 m；12月份水位平均提升幅度均小于0.5 m。從空間影響來看，建閘主要影響湖區(qū)北部、中部及東部，對湖區(qū)西部和南部影響較小。對水動力的影響主要集中在河道區(qū)，河道流速整體減小，閘前流速降幅較大；洲灘區(qū)域，本身流速偏小、流向不定，對水利樞紐的響應(yīng)不如河道區(qū)敏感。

通江湖泊候鳥棲息地潛在生境模擬

候鳥棲息地潛在生境模型以通江湖泊水動力模型為基礎(chǔ)，基于湖泊水動力模型輸出的水深計算結(jié)果，通過設(shè)定水深閾值，自動提取候鳥潛在生境。通江湖泊候鳥棲息地水深閾值設(shè)置為50 cm，基本包含了通江湖泊所有候鳥類型棲息地適宜的水深。考慮通江湖泊候鳥的遷徙和停留時間，主要計算時段為每年的1—2月和11—12月，同時兼顧適宜水深的持續(xù)時間。基于不同典型年、不同水情條件的水動力模擬結(jié)果，可計算相應(yīng)條件下全年潛在適宜的候鳥棲息地空間分布及變化情況。

以2006年為例，鄱陽湖適宜候鳥的潛在棲息地空間主要分布在湖區(qū)中部河口、自然保護區(qū)及淺水湖灣（圖5a），模擬結(jié)果與以往報道相符。水利樞紐建成運行后，水深條件發(fā)生變化，潛在棲息地空間分布格局發(fā)生了相應(yīng)調(diào)整，其中湖區(qū)中部和東部面積略有減少，西部面積大為增加（圖5b）。即針對極端枯水年，建閘后的水位抬升，使得原本部分干涸灘地淹沒成為淺水洲灘，可有效增大候鳥棲息地適宜范圍。

小結(jié)與建議

小結(jié)

長江模擬器考慮大型水庫調(diào)度對下游河道和通江湖泊水文情勢的影響，構(gòu)建了基于能流-食物鏈關(guān)系的河道水生態(tài)模型，可評估不同調(diào)度方式下河道水生生物的響應(yīng)，首次建立了考慮河道魚類生長史全過程水文需求的三峽水庫生態(tài)調(diào)度方案，深化了三峽生態(tài)調(diào)度的內(nèi)涵。但三峽調(diào)度涉及防洪、發(fā)電、航運、生態(tài)、環(huán)境等多個方面，涉及多部門之間溝通合作問題，模型開發(fā)中發(fā)電和航運調(diào)度模塊相對簡單，未來需要進一步深化。而三峽以上梯級水庫的聯(lián)合調(diào)度，如何在考慮防洪、發(fā)電的基礎(chǔ)上，進行逐級的生態(tài)調(diào)度實踐，既需要梯級水庫水量的聯(lián)合調(diào)度，也需要針對具體河段的水生生物的基本需求和水生態(tài)保護目標，需進一步深入研究，開發(fā)相應(yīng)的水動力-水生態(tài)耦合模擬模塊。

長江中下游通江湖泊的水生態(tài)問題，還受下游流域多個水利工程的綜合作用，需要開展三峽水庫與下游水利工程的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度深度研究。例如鄱陽湖的水生態(tài)調(diào)度，不僅僅涉及三峽調(diào)度，也涉及贛江流域上游水利工程的聯(lián)合調(diào)度。在通江湖泊水動力模型研發(fā)基礎(chǔ)上開發(fā)的候鳥棲息地適宜性評估模型，可模擬分析不同調(diào)度方式和建閘與否對通江湖泊水文情勢和候鳥棲息地的可能影響。目前湖泊模型尚缺乏水動力-水質(zhì)耦合模擬能力，尚不能模擬分析水動力環(huán)境改變對湖泊水質(zhì)影響的時空分異特征，水生態(tài)過程的模擬也僅僅考慮了候鳥棲息地，相對簡化。未來湖泊水動力-水質(zhì)-水生態(tài)耦合模擬將是一個重要方向，可在目前水情預(yù)測的基礎(chǔ)上，擴展通江湖泊水動力模型的功能和應(yīng)用領(lǐng)域。而處于面源污染模型下游的通江湖泊水質(zhì)模擬有賴于面源污染模擬的精度。長江模擬器初步開發(fā)了流域面源和點源污染模擬模型，可精細表達徑流路徑差異對污染物遷移過程的影響，識別污染物關(guān)鍵源區(qū)和關(guān)鍵時段，能直接對接管理防控需求，但限于水質(zhì)監(jiān)測資料的共享限制、點源污染源精細分布空間信息掌握不足，其模擬精度還有很大的提升空間。

當前研發(fā)的長江模擬器，只能算是大型流域模擬的初代裝置，與規(guī)劃的目標與理論框架之間的距離還很遠。長江模擬器在水生態(tài)調(diào)度方面的能力提升，還需要在描述能力、計算能力、大數(shù)據(jù)匯聚和處理能力、人文過程模型化、調(diào)控決策智慧化等方面加大力度。在科技創(chuàng)新領(lǐng)域，專業(yè)模型和模塊的不斷發(fā)展完善，將是長江模擬器研發(fā)面臨的長期任務(wù)。在流域綜合治理與政府決策輔助方面，要發(fā)展針對不同部門、不同層級的應(yīng)用實例，深入把握用戶需求，完善應(yīng)用功能開發(fā)。在公眾教育與參與領(lǐng)域，進一步理解公眾需求，針對性開發(fā)公眾版相關(guān)功能，是長江流域生態(tài)保護需要開展的一項重要工作，也是長江模擬器的重要使命。

建議

長江模擬器研發(fā)過程中，《中華人民共和國長江保護法》頒布實施，我們深刻體會到部門和政府間協(xié)調(diào)、流域統(tǒng)籌在長江流域生態(tài)保護中的重要性，而缺乏強有力的科技支撐，是長江流域水生態(tài)保護面臨的關(guān)鍵問題。

建議盡早將長江模擬器列入國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。發(fā)揮科技創(chuàng)新的引領(lǐng)作用，是推動長江流域系統(tǒng)治理與綠色發(fā)展的關(guān)鍵。流域模擬器已成為國際水文協(xié)會（IAHS）第3個十年計劃的重要創(chuàng)新方向。長江模擬器是國際上首個大型流域模擬裝置，有中國科學(xué)院、高校、部門研究機構(gòu)等10余家研究單位參與，是科教資源優(yōu)化組合和協(xié)同創(chuàng)新配合的重要體現(xiàn)，提升了流域水系統(tǒng)科學(xué)的原始創(chuàng)新能力。長江模擬器基于流域水系統(tǒng)綜合監(jiān)測信息，可實現(xiàn)對流域水系統(tǒng)不同時段和不同子區(qū)域水系統(tǒng)狀態(tài)的有效診斷和評價；通過對流域人文和自然過程的耦合模擬，綜合考慮流域上下游、左右岸、干支流、城市鄉(xiāng)村、工程措施與非工程措施等的影響，有助于實現(xiàn)流域“源頭治理”與“系統(tǒng)治理”相結(jié)合，采用標本兼治的方法系統(tǒng)解決流域水環(huán)境問題，促進流域綠色可持續(xù)發(fā)展。國家在支持長江模擬器重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，可依托長江模擬器建成長江流域科學(xué)數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)不同行業(yè)、不同類型數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，打破行業(yè)數(shù)據(jù)共享壁壘；通過耦合不同的監(jiān)測技術(shù)、模型方法、治理及災(zāi)害管理技術(shù)等，實現(xiàn)跨越不同行業(yè)和部門的模型融合，打造一個具有開放性和可拓展性的耦合集成大科學(xué)裝置，提升流域水系統(tǒng)科學(xué)研究的創(chuàng)新能力，服務(wù)于長江經(jīng)濟帶高質(zhì)量綠色發(fā)展。

建議開展三峽水庫、上游水庫以及兩湖流域水庫的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度研究和實驗。考慮到三峽生態(tài)調(diào)度對兩湖影響具有較強的時空異質(zhì)性，在東洞庭湖和鄱陽湖北部等區(qū)域效果相對顯著，但短期的作用效果有限，建議開展三峽水庫、上游及兩湖流域水庫的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度研究和實驗。此外，兩湖大范圍的洪泛洲灘濕地作為產(chǎn)粘性卵魚類產(chǎn)卵場和越冬候鳥重要棲息地，會隨著水體淹沒或出露動態(tài)變化，開展生態(tài)調(diào)度時，洲灘面積及水位變化情況也需要密切關(guān)注。未來聯(lián)合生態(tài)調(diào)度對水文連通、水體交換和水環(huán)境等影響疊加的生態(tài)效應(yīng)研究仍需要深化。

盡快依托長江模擬器開展面向魚類和江豚保護的三峽水庫生態(tài)調(diào)度試驗。“長江模擬器”已耦合三峽調(diào)度模型、長江中下游干流一維水動力模型及典型江段水文-水動力-食物網(wǎng)模型、湖泊水動力模型和候鳥棲息地潛在生境模型，可作為依托開展長江流域的生態(tài)調(diào)度試驗。但因河流、水庫高精度水下地形數(shù)據(jù)分散且難以獲得，故建議整合全國優(yōu)勢力量，集中研發(fā)“水文-水動力-食物網(wǎng)”模型，為持續(xù)完善生態(tài)調(diào)度工作提供科學(xué)支撐。

（作者：夏軍，武漢大學(xué) 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所；林忠輝、占車生，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所；高文娟、王洪鑄，中國科學(xué)院水生生物研究所；李云良、姚靜，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所；曾思棟，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院；黃仁勇，長江科學(xué)院；編審：楊柳春；《中國科學(xué)院院刊》供稿）