4月27日，中國(guó)地理學(xué)會(huì)公布2023年度“中國(guó)地理科學(xué)十大研究進(jìn)展”，“長(zhǎng)江模擬器研發(fā)及其應(yīng)用”位居榜首。中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所負(fù)責(zé)研發(fā)長(zhǎng)江模擬器的生態(tài)環(huán)境板塊。

圖1 中國(guó)地理科學(xué)十大研究進(jìn)展證書

長(zhǎng)江模擬器，是指以長(zhǎng)江流域?yàn)閷?duì)象，以流域水循環(huán)為紐帶，將自然過(guò)程與人文過(guò)程相耦合而研發(fā)的流域模擬系統(tǒng)及科學(xué)裝置。長(zhǎng)江流域模擬器強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)江上、中、下游以及湖庫(kù)－岸線－城市群的互聯(lián)互動(dòng)，強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)江洪水防御、水力發(fā)電與水生生物保護(hù)等的聯(lián)合調(diào)度，強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)江流域保護(hù)與發(fā)展的協(xié)調(diào)，具有“監(jiān)測(cè)—模擬—評(píng)估—預(yù)警—決策—調(diào)控”一體化功能。

圖2 長(zhǎng)江模擬器

2019年水生所王洪鑄研究員主持了中國(guó)科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“美麗中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)科技工程專項(xiàng)”項(xiàng)目四“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶干流水環(huán)境水生態(tài)綜合治理與應(yīng)用”課題四“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶干流岸線生態(tài)修復(fù)與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)” 。參加單位還有中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、長(zhǎng)江航道整治中心、長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、長(zhǎng)江武漢航道工程局。該課題負(fù)責(zé)研發(fā)其中的生態(tài)環(huán)境板塊，主要包括：水文-水動(dòng)力-食物網(wǎng)模塊（王洪鑄、高文娟、班璇等）、岸線質(zhì)量評(píng)估模塊（王丁、梅志剛、范飛等）、面源污染模塊和景觀配置模塊（張亮、宋春雷、李思思等）、修復(fù)技術(shù)及示范（周巧紅、李明、程飛、邱東茹等）。

圖3 長(zhǎng)江模擬器-生態(tài)環(huán)境板塊

長(zhǎng)江模擬器水文-水動(dòng)力-食物網(wǎng)模塊，模擬了三峽水庫(kù)下泄流量周年動(dòng)態(tài)、棲息地與中游干流三個(gè)江段魚類資源和江豚數(shù)量的定量關(guān)系。根據(jù)模擬結(jié)果，確定了面向魚類和江豚保護(hù)的三峽水庫(kù)調(diào)度最佳參數(shù)，即：2-3月流量為6000~7000 m³/s，滿足航運(yùn)需求（航運(yùn)最低需求為6000 m³/s），同時(shí)盡量保持低流量，以使漫灘植物有足夠的萌發(fā)面積；4月7000-8000 m³/s 、5月8000~13000 m³/s、6月13000~18000 m³/s，4月15日至6月15日期間盡可能地慢速騰庫(kù)容（日增最好小于 160 m³/s），以使植物有足夠的生長(zhǎng)期；5-6月制造洪峰以滿足四大家魚產(chǎn)卵需求，日漲水量大于2000 m³/s，漲水次數(shù)約5次，總漲水量大于10000 m³/s。模擬結(jié)果還顯示：恢復(fù)河漫灘面積至關(guān)重要。相關(guān)建議得到長(zhǎng)江水利委員會(huì)重視，相關(guān)成果獲2023年湖北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

圖4 面向魚類和江豚保護(hù)的三峽水庫(kù)調(diào)度最佳參數(shù)

長(zhǎng)江模擬器-岸線質(zhì)量評(píng)估模塊，闡明了近50年長(zhǎng)江河漫灘演變及其驅(qū)動(dòng)代表性水生生物長(zhǎng)江江豚種群瀕危的機(jī)制，制定了長(zhǎng)江岸線質(zhì)量評(píng)估指數(shù)體系，評(píng)估了不同歷史時(shí)期長(zhǎng)江岸線質(zhì)量狀況，構(gòu)建了結(jié)合防洪、航運(yùn)、糧食安全等多目標(biāo)融合的長(zhǎng)江岸線綜合保護(hù)對(duì)策。提出了以子堤拆除、局部微水文改造等為手段的長(zhǎng)江中下游大堤內(nèi)河漫灘保護(hù)和恢復(fù)方案（~3024平方公里）。而恢復(fù)這些河漫灘，每年可固定削減總氮19000噸、總磷2400噸，增加110000噸漁產(chǎn)潛力。作為長(zhǎng)江生物多樣性恢復(fù)的指標(biāo)之一，這個(gè)漁產(chǎn)潛力可以支撐約2000頭長(zhǎng)江江豚生存，從而實(shí)現(xiàn)將江豚的干流種群數(shù)量恢復(fù)至2006年以前的水平。相關(guān)的研究結(jié)論在Science等雜志發(fā)表，推動(dòng)河漫灘質(zhì)量演變結(jié)果在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《長(zhǎng)江流域漁業(yè)生態(tài)環(huán)境公報(bào)》發(fā)布。

圖5 恢復(fù)3024km²河漫灘方案

長(zhǎng)江模擬器-面源污染模塊，基于精密測(cè)量院自主開發(fā)的分布式面源污染模型（STEM-NPS），可實(shí)現(xiàn)面源污染“源頭發(fā)生量-過(guò)程截留量-入水體量”三量計(jì)算與關(guān)鍵源區(qū)的辨識(shí)。耦合其他模型集成至長(zhǎng)江模擬器時(shí)，通過(guò)柵格-子流域尺度轉(zhuǎn)換，提高模型運(yùn)算效率。模型包含面源污染、點(diǎn)源污染與入江負(fù)荷子模塊，覆蓋1212個(gè)子流域模擬單元，包含129個(gè)地級(jí)行政區(qū)，通過(guò)模擬氮磷面源污染負(fù)荷及入江水質(zhì)，展示其時(shí)空變化，為長(zhǎng)江流域面源污染的監(jiān)測(cè)、評(píng)估與管理提供決策支持。

圖6 模擬1980-2018年長(zhǎng)江流域總氮、總磷面源污染年均負(fù)荷分布

長(zhǎng)江模擬器-景觀配置模塊，綜合利用面源污染模型模擬所得負(fù)荷和水質(zhì)數(shù)據(jù)及《長(zhǎng)江岸線保護(hù)和開發(fā)利用規(guī)劃》中的岸線分區(qū)和水質(zhì)目標(biāo)，提出面源污染削減目標(biāo)。模塊進(jìn)一步提供可自定義的緩沖帶配置，包括合理的緩沖帶寬度和占比，以盡可能達(dá)到面源污染攔截率，并對(duì)比展示攔截前后的面源污染負(fù)荷。該模塊旨在使決策者能根據(jù)不同江段的特定需求制定岸線緩沖帶配置策略，以達(dá)成面源污染削減目標(biāo)，促進(jìn)長(zhǎng)江干流的水環(huán)境質(zhì)量改善。相關(guān)建議和方案均被自然資源部采納，并應(yīng)用于《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶國(guó)土空間規(guī)劃》的編制。

圖7 長(zhǎng)江干流陸向緩沖帶現(xiàn)狀與生態(tài)建設(shè)方案要點(diǎn)

（建設(shè)后預(yù)計(jì)緩沖帶可攔截總磷80-90%，攔截總氮70-80%）

長(zhǎng)江模擬器研發(fā)為長(zhǎng)江大保護(hù)和長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量綠色發(fā)展提供了重要科技支撐，對(duì)提升流域管理水平和創(chuàng)新區(qū)域綠色發(fā)展模式具有重大的科學(xué)和實(shí)踐意義。