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

圖1 中國地理科學(xué)十大研究進(jìn)展證書(shū)

長(cháng)江模擬器，是指以長(cháng)江流域為對象，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)的流域模擬系統及科學(xué)裝置。長(cháng)江流域模擬器強調長(cháng)江上、中、下游以及湖庫－岸線(xiàn)－城市群的互聯(lián)互動(dòng)，強調長(cháng)江洪水防御、水力發(fā)電與水生生物保護等的聯(lián)合調度，強調長(cháng)江流域保護與發(fā)展的協(xié)調，具有“監測—模擬—評估—預警—決策—調控”一體化功能。

圖2 長(cháng)江模擬器

2019年水生所王洪鑄研究員主持了中國科學(xué)院A類(lèi)戰略性先導科技專(zhuān)項“美麗中國生態(tài)文明建設科技工程專(zhuān)項”項目四“長(cháng)江經(jīng)濟帶干流水環(huán)境水生態(tài)綜合治理與應用”課題四“長(cháng)江經(jīng)濟帶干流岸線(xiàn)生態(tài)修復與調控關(guān)鍵技術(shù)” 。參加單位還有中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng )新研究院、長(cháng)江航道整治中心、長(cháng)江航道規劃設計研究院、長(cháng)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(dòng)力-食物網(wǎng)模塊（王洪鑄、高文娟、班璇等）、岸線(xiàn)質(zhì)量評估模塊（王丁、梅志剛、范飛等）、面源污染模塊和景觀(guān)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(cháng)江模擬器-生態(tài)環(huán)境板塊

長(cháng)江模擬器水文-水動(dòng)力-食物網(wǎng)模塊，模擬了三峽水庫下泄流量周年動(dòng)態(tài)、棲息地與中游干流三個(gè)江段魚(yú)類(lèi)資源和江豚數量的定量關(guān)系。根據模擬結果，確定了面向魚(yú)類(lèi)和江豚保護的三峽水庫調度最佳參數，即：2-3月流量為6000~7000 m³/s，滿(mǎn)足航運需求（航運最低需求為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容（日增最好小于 160 m³/s），以使植物有足夠的生長(cháng)期；5-6月制造洪峰以滿(mǎn)足四大家魚(yú)產(chǎn)卵需求，日漲水量大于2000 m³/s，漲水次數約5次，總漲水量大于10000 m³/s。模擬結果還顯示：恢復河漫灘面積至關(guān)重要。相關(guān)建議得到長(cháng)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。

圖4 面向魚(yú)類(lèi)和江豚保護的三峽水庫調度最佳參數

長(cháng)江模擬器-岸線(xiàn)質(zhì)量評估模塊，闡明了近50年長(cháng)江河漫灘演變及其驅動(dòng)代表性水生生物長(cháng)江江豚種群瀕危的機制，制定了長(cháng)江岸線(xiàn)質(zhì)量評估指數體系，評估了不同歷史時(shí)期長(cháng)江岸線(xiàn)質(zhì)量狀況，構建了結合防洪、航運、糧食安全等多目標融合的長(cháng)江岸線(xiàn)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(cháng)江中下游大堤內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(cháng)江生物多樣性恢復的指標之一，這個(gè)漁產(chǎn)潛力可以支撐約2000頭長(cháng)江江豚生存，從而實(shí)現將江豚的干流種群數量恢復至2006年以前的水平。相關(guān)的研究結論在Science等雜志發(fā)表，推動(dòng)河漫灘質(zhì)量演變結果在農業(yè)農村部《長(cháng)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(cháng)江模擬器-面源污染模塊，基于精密測量院自主開(kāi)發(fā)的分布式面源污染模型（STEM-NPS），可實(shí)現面源污染“源頭發(fā)生量-過(guò)程截留量-入水體量”三量計算與關(guān)鍵源區的辨識。耦合其他模型集成至長(cháng)江模擬器時(shí)，通過(guò)柵格-子流域尺度轉換，提高模型運算效率。模型包含面源污染、點(diǎn)源污染與入江負荷子模塊，覆蓋1212個(gè)子流域模擬單元，包含129個(gè)地級行政區，通過(guò)模擬氮磷面源污染負荷及入江水質(zhì)，展示其時(shí)空變化，為長(cháng)江流域面源污染的監測、評估與管理提供決策支持。

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

長(cháng)江模擬器-景觀(guān)配置模塊，綜合利用面源污染模型模擬所得負荷和水質(zhì)數據及《長(cháng)江岸線(xiàn)保護和開(kāi)發(fā)利用規劃》中的岸線(xiàn)分區和水質(zhì)目標，提出面源污染削減目標。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不同江段的特定需求制定岸線(xiàn)緩沖帶配置策略，以達成面源污染削減目標，促進(jìn)長(cháng)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，并應用于《長(cháng)江經(jīng)濟帶國土空間規劃》的編制。

圖7 長(cháng)江干流陸向緩沖帶現狀與生態(tài)建設方案要點(diǎn)

（建設后預計緩沖帶可攔截總磷80-90%，攔截總氮70-80%）

長(cháng)江模擬器研發(fā)為長(cháng)江大保護和長(cháng)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 )新區域綠色發(fā)展模式具有重大的科學(xué)和實(shí)踐意義。