4月27日，中國地理學會公布2023年度“中國地理科學十大研究進展”，“長江模擬器研發(fā)及其應(yīng)用”位居榜首。中國科學院水生生物研究所負責研發(fā)長江模擬器的生態(tài)環(huán)境板塊。

圖1 中國地理科學十大研究進展證書

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而研發(fā)的流域模擬系統(tǒng)及科學裝置。長江流域模擬器強調(diào)長江上、中、下游以及湖庫－岸線－城市群的互聯(lián)互動，強調(diào)長江洪水防御、水力發(fā)電與水生生物保護等的聯(lián)合調(diào)度，強調(diào)長江流域保護與發(fā)展的協(xié)調(diào)，具有“監(jiān)測—模擬—評估—預警—決策—調(diào)控”一體化功能。

圖2 長江模擬器

2019年水生所王洪鑄研究員主持了中國科學院A類戰(zhàn)略性先導科技專項“美麗中國生態(tài)文明建設(shè)科技工程專項”項目四“長江經(jīng)濟帶干流水環(huán)境水生態(tài)綜合治理與應(yīng)用”課題四“長江經(jīng)濟帶干流岸線生態(tài)修復與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)” 。參加單位還有中國科學院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院、長江航道整治中心、長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院、長江武漢航道工程局。該課題負責研發(fā)其中的生態(tài)環(huán)境板塊，主要包括：水文-水動力-食物網(wǎng)模塊（王洪鑄、高文娟、班璇等）、岸線質(zhì)量評估模塊（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）、修復技術(shù)及示范（周巧紅、李明、程飛、邱東茹等）。

圖3 長江模擬器-生態(tài)環(huán)境板塊

長江模擬器水文-水動力-食物網(wǎng)模塊，模擬了三峽水庫下泄流量周年動態(tài)、棲息地與中游干流三個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的三峽水庫調(diào)度最佳參數(shù)，即：2-3月流量為6000~7000 m³/s，滿足航運需求（航運最低需求為6000 m³/s），同時盡量保持低流量，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容（日增最好小于 160 m³/s），以使植物有足夠的生長期；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：恢復河漫灘面積至關(guān)重要。相關(guān)建議得到長江水利委員會重視，相關(guān)成果獲2023年湖北省科學技術(shù)進步一等獎。

圖4 面向魚類和江豚保護的三峽水庫調(diào)度最佳參數(shù)

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

圖5 恢復3024km²河漫灘方案

長江模擬器-面源污染模塊，基于精密測量院自主開發(fā)的分布式面源污染模型（STEM-NPS），可實現(xiàn)面源污染“源頭發(fā)生量-過程截留量-入水體量”三量計算與關(guān)鍵源區(qū)的辨識。耦合其他模型集成至長江模擬器時，通過柵格-子流域尺度轉(zhuǎn)換，提高模型運算效率。模型包含面源污染、點源污染與入江負荷子模塊，覆蓋1212個子流域模擬單元，包含129個地級行政區(qū)，通過模擬氮磷面源污染負荷及入江水質(zhì)，展示其時空變化，為長江流域面源污染的監(jiān)測、評估與管理提供決策支持。

圖6 模擬1980-2018年長江流域總氮、總磷面源污染年均負荷分布

長江模擬器-景觀配置模塊，綜合利用面源污染模型模擬所得負荷和水質(zhì)數(shù)據(jù)及《長江岸線保護和開發(fā)利用規(guī)劃》中的岸線分區(qū)和水質(zhì)目標，提出面源污染削減目標。模塊進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，以盡可能達到面源污染攔截率，并對比展示攔截前后的面源污染負荷。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，以達成面源污染削減目標，促進長江干流的水環(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《長江經(jīng)濟帶國土空間規(guī)劃》的編制。

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

（建設(shè)后預計緩沖帶可攔截總磷80-90%，攔截總氮70-80%）

長江模擬器研發(fā)為長江大保護和長江經(jīng)濟帶高質(zhì)量綠色發(fā)展提供了重要科技支撐，對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和實踐意義。