中國網/中國發展門戶網訊 黨的十八大以來，黨中央把推進生態文明建設放在突出位置，2018年3月，十三屆全國人大一次會議通過憲法修正案，將新發展理念、生態文明和建設美麗中國的要求載入憲法，確立了生態文明的憲法地位。構建生態文明體系，完善生態文明領域的統籌協調機制，促進經濟社會發展的全面綠色轉型，是“十四五”期間國家發展的重要任務。

2014年，長江經濟帶建設成為新時期國家發展重大戰略。2016年、2018年、2020年、2023年，習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濟帶綠色發展座談會，確定了“共抓大保護、不搞大開發”“生態優先、綠色發展”的整體方針，突顯了長江經濟帶高質量綠色發展在國家生態文明建設中的戰略地位。2019年以來，生態環境部、國家發展和改革委員會聯合開展了長江保護修復攻堅行動計劃，流域水環境質量得到明顯改善，水生態退化得到初步遏制，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，未來長江流域生態保護形勢依然嚴峻復雜，水環境治理和水生態修復任務依然面臨巨大挑戰。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》，在科學統籌的前提下進行流域系統治理，最終實現長江流域生態優先下的高質量綠色發展，有2項重要工作需要盡快開展：國家層面的全流域協調機制要盡快建立，加強科技創新的引領作用，支撐流域生態環境修復保護和綜合管理的流域水系統模擬調控裝置需要盡快建設。

針對全球變化帶來的生態與環境問題，國內外學者提出和發展了一系列地球系統模型（ESMs）。以全球大氣動力學模式為基礎，耦合海洋、陸地、冰凍圈等動力學模式，旨在預測、重構和深入理解全球氣候變化過程，評估氣候變化對生態和環境的影響。2002年3月，日本建成地球模擬器（ES），目前已發展至ES4版本。2012年，美國國家大氣海洋局地球物理流體動力學實驗室開發了地球系統模型（ESMs）。2018年，美國能源部主導發布了E級能源地球系統模型（E3SM），關注點除氣候變化預測外，還將評估氣候變化對能源基礎設施帶來的壓力。2020年，瑞士大氣和氣候科學研究所發展了一個模塊化地球系統模擬器（MESMER）。2010年，曾慶存等針對國際上地球系統動力模式研究的趨勢，提出發展我國的地球系統動力學模式。2022年10月，中國科學院大氣物理研究所聯合清華大學，正式建成“地球系統數值模擬裝置”，對深入理解氣候變化對全球及中國區域環境的影響意義重大。2021年，于貴瑞等提出打造“陸地生態系統數值模擬器”，發展基于“多源數據分析—生態過程模擬—時空格局評估—生態預測預警”于一體的大陸尺度的陸地生態系統模擬分析裝置，作為中國國家生態系統觀測研究網絡的重大基礎設施建設內容。但現有的地球系統模擬器側重于整個地球系統的刻畫，空間分辨率較粗。例如，“地球系統數值模擬裝置”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水文過程的影響，而這些過程的精細模擬對流域水環境水生態的評估、預警、調控必不可少。

2019年初，中國科學院啟動了“美麗中國生態文明科技建設工程”戰略性先導科技專項（A類），其中項目4“長江經濟帶干流水環境水生態綜合治理與應用”主要針對以水為紐帶的長江經濟帶高質量綠色發展所亟待解決的水生態和水環境問題。研究團隊率先提出“長江模擬器”構想，在流域信息空天地一體化監測基礎上，發展流域水系統綜合模擬系統，為流域水系統調控和統籌管理提供綜合的技術方案。本文主要針對長江流域水生態問題進行剖析，介紹了長江模擬器在流域水生態調度方面的研究和模擬實踐，期望為長江流域水生態調度管理提供參考。

長江流域水生態現狀與主要問題

長江水系具有十分重要的生態服務功能，是中華民族永續發展的重要支撐。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，是十分重要的種質資源庫，支撐流域淡水魚產量超過全國的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域水資源短缺、水污染嚴重、水生態受損等問題，成為制約區域社會可持續發展的重要因素。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特征和水生生物棲息地環境。

長江流域水生態的主要問題，突出表現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，江湖捕魚產量近50年下降了近80%；江豚數量近20年減少了80%，現僅存1 249頭。長江流域水生態問題在上中下游有不同的表現，概括為4個方面。

上游梯級水庫群引起的水生態問題

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建成，為國家經濟社會發展提供了穩定的能源支持。但梯級水庫群建設也顯著改變了水生生物的生境，突出表現為2個主要問題。

總溶解氣體過飽和問題對魚類的影響持續存在。高壩運行使得總溶解氣體（TDG）過飽和成為一個嚴重的水環境問題。2014年，溪洛渡壩下持續1周多的TDG過飽和水流導致下游向家壩庫區10×104 kg魚類死亡。而梯級水庫群聯合調度可導致TDG過飽和持續時間長，以及過飽和水平較高的累積效應。采用流動動力學模型模擬預測TDG過飽和的發生分布，優化水電站發電模式和運行調度方式，是目前解決梯級水庫群高壩泄流TDG過飽和問題的最優方式。

梯級水庫群對魚類生物多樣性的不利影響持續存在。梯級水庫群建設導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宜賓段的調查結果表明，原有36個產卵場中，功能部分退化、嚴重退化的占到了61%。修建過魚設施、建設保護區和人工產卵場、水庫生態調度、生境替代等措施的綜合采用，將是建設綠色水電和魚類保護相結合的最好模式。

三峽庫區水生態問題

三峽水庫因防洪、發電等需要，其水位調節強度和頻度都比較強烈，產生了一系列的水環境水生態問題。主要體現為庫區消落帶、支流回水區和庫區本身3個方面。

庫區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、反季節水位波動頻繁，導致原有植被大規模退化，產生了較嚴重的水土流失問題。近年來通過一系列的生態修復與工程治理措施，消落帶生態系統健康絕大部分呈現出逐年穩定與改善的趨勢，但庫首和庫尾消落帶治理仍需加強。

庫區支流回水區水華問題。三峽工程蓄水后，支流回水區因營養鹽輸入及水文情勢的改變，即出現水華問題。改變庫灣水動力及生境條件，三峽水庫采用潮汐式生態調度，成為抑制庫灣區水華的有效方式。但庫區水華預測預警、支流水體營養鹽控制仍需加強。

庫區魚類生物多樣性衰減問題。水庫蓄水后，原有部分產卵場被淹沒，庫區魚種資源不斷減少。據調查，庫區干流魚種數由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，仍需深入研究其成因及恢復機制。

中下游水生態問題

中下游地區水生態系統深受水利工程、河湖采砂、圍墾造田等人類活動的影響，其水生態問題突出表現為3個方面。

河湖水文情勢改變及對水生生態系統的不利影響。水庫調蓄及其導致的河床下切改變了干流和通江湖泊的水文節律，對水生生態系統產生了重要影響。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卵和發育條件，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，導致水鳥和魚類棲息地發生較大改變，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，水生生境異質性降低，降低水生生物多樣性。

湖泊圍墾破壞了水生生態系統的完整性。湖泊的不斷圍墾和泥沙淤積及沿湖建設，導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源污染的能力，破壞了湖泊生態系統完整性。

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問題

長江中下游淺水湖泊歷史上均與干流相通，構成江湖復合生態系統，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的側向水文連通，只剩下洞庭湖、鄱陽湖保持通江狀態。目前，洞庭湖、鄱陽湖受水利工程調蓄、湖泊圍墾等人類開發行為的影響，湖泊濕地大規模喪失，江湖水沙交換關系和江湖水動力學特征發生較大改變，進而影響到湖泊水生態系統的完整性，造成生物多樣性下降和湖泊水質下降等嚴峻的水生態問題，主要表現為4個方面。

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

沉水植被大幅度減少。受水面萎縮影響，通江湖泊部分湖區水生生境向陸生生境演替，沉水植被面積大幅縮減，群落結構簡單化、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，江豚數量也呈上漲趨勢。但受近年來頻繁低枯水及旱澇急轉影響，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。

長江流域水生態調度主要實踐與問題

三峽水庫蓄水以來，科研人員即開始關注水庫的生態調度問題。程根偉等提出保持河流洪水節律、維持上下游輸沙平衡、促進庫區水量交換、實現防洪補償調節的生態調度目標。郭文獻等從壩下河道環境流量、中華鱘產卵期水文水動力需求、四大家魚產卵期需求進行了量化分析，討論了三峽水庫生態調度目標。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調度試驗。除2016年、2020年生態調度期間沒有出現大規模繁殖以外，其他年份生態調度的實施對促進產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-王甫洲區間開展了3次生態調度試驗，針對伊樂藻等沉水植物過度生長，在保障北調水量的前提下，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的水草增長。

從三峽水庫的生態調度實踐看，其調度目標仍比較單一，僅考慮四大家魚的產卵需求。實際上，除產卵外，魚類資源恢復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境。因此，未來流域生態調度還應考慮以滿足多數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。

長江模擬器的研發與河道水生態調度設想

長江模擬器的研發

長江模擬器，是指以長江流域為對象，以流域水循環為紐帶，將自然過程與人文過程相耦合的流域模擬系統及科學裝置。長江模擬器強調長江上、中、下游及湖庫—岸線—城市群的互聯互動，強調防洪、發電與水生生物保護等目標相結合的聯合調度，以“了解過去長江、認識現在長江、展望未來長江”為目標，具有“監測—模擬—評估—預警—決策—調控”一體化功能。經過近5年的探索，基本形成了長江模擬器建設的系統框架（圖1），并從感知體系、模擬體系和服務體系建設著眼，形成了長江模擬器的初代產品。

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

在模型體系建設方面，構建了長江干流水系統綜合模擬與調控平臺。發展了流域分布式生態水文模擬模型、流域面源污染模擬模型、三峽水庫水動力-水質-調度耦合模型、長江中下游干流水動力-水質耦合模型、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模擬模型、長江干流典型城市水系統模型等專業模型。專業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個關鍵斷面，流量、水位模擬的納什效率系數達到0.70以上，模型耦合模擬精度達到了預期。

在各專業模型的開發基礎上，研發了長江模擬器軟件平臺，分專業版和決策版（圖2）。軟件平臺專業版中，各模型既可獨立運行，也提供各模型耦合模擬定制化環境。軟件平臺決策版中，實現了長江模擬器“監測—模擬—評估—預警—決策—調控”一體化功能，已開發了監測監控、面源污染、水循環、水生態、岸線、城市群、調控決策7個模塊。監測監控模塊中，實現了項目示范區和三個湖泊試驗站實時在線水質監測數據的接入展示，接入了全流域水文實時監測數據。水循環模塊中，模擬分析了近40年和未來30年全流域水文循環的時空變化特征；基于15天短期天氣預報數據，實現了流域水文情勢的滾動預報，可預報各水文響應單元的產流、土壤濕度、蒸散發變化，預報干支流關鍵斷面的流量、水位變化，預報鄱陽湖、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，并應用于長江流域國土空間配置規劃。水生態模塊中，建立了典型河段的水文-水動力-食物鏈關系模型，聯合流域水文模型、三峽調度模型、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調度方案。城市水系統模塊中，實現了長江中游城市群、成渝城市群的降雨—產流—用水—排水—產污過程耦合模擬；針對典型城市（重慶、武漢）開展了城市化的水文效應模擬、城市內澇模擬；針對基于未來24 h逐時天氣預報數據，實現了武漢市建成區內澇趨勢的滾動預報，并可應用于長江流域各級城市。決策調控模塊中，建立了流域綠色發展評價模型，評估地級市尺度的綠色發展不同維度的時空差異，提出地級市尺度的綠色發展調控方案，并可模擬分析不同調控方案下流域面源污染的可能變化及其對干流水質變化的可能貢獻。

在服務體系研發方面，針對公眾服務、數據應用、政府決策、綜合治理技術等方面開展了工作。開發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；建設了長江模擬器綜合數據庫，支撐長江模擬器專業版、決策版、公眾版平臺，并為長江流域科學數據共享服務打下了基礎；政府決策服務方面，通過咨詢報告等為行業及區域管理提供了重要的決策咨詢建議；流域綜合治理技術服務方面，構建了典型湖泊/湖區水生態修復關鍵技術、城市水環境水生態綜合治理關鍵技術、長江干流岸線生態修復及調控技術等，初步形成了長江模擬器的服務體系。

長江模擬器服務于科研用戶、公眾和政府決策的研發理念及其研發進展，得到了重慶市政府的認可。在中國科學院與重慶市政府戰略合作協議框架下，重慶市政府將長江模擬器落地建設作為支撐重慶和整個長江流域生態文明建設的科技利器。支持長江模擬器研發與落地建設寫入了2021年3月重慶市政府印發的《重慶市國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》和2022年重慶市政府印發的《重慶市科技創新“十四五”規劃（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、流域水系統演變模擬平臺、流域綜合調控管理決策支持平臺，成為生態環境領域又一個國家級重大科技基礎設施。

長江模擬器的水生態調度設計

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

基于長江模擬器的干流河道水生態調度研究

干流河道水生態調度模型構建

長江模擬器的干流河道水生態調度模型，以生態系統服務目標所需的水文周期波動過程為基礎，從現階段的流量目標靜態化轉向為動態化，從刺激四大家魚產卵向滿足魚類全生活史過程需求轉變。該調度模型由長江模擬器中的流域水文模型、三峽水庫調度模型、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-食物網模型聯合模擬完成，具體流程見附錄。模型輸入參數為三峽水庫出庫周年日流量，輸出參數為多個典型河段基礎生物（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量。基礎生物資源量估算，基于各基礎生物對水流生境因子（水深、流速）的需求，結合典型河段二維水動力模型得出基礎生物適宜面積，該面積乘以生物量得到河段基礎生物的資源量。通過比較不同方案的模擬結果，分析環境變化下河道水生態效應，即高級生物對水文、棲息地等環境條件的需求，并用于優化三峽水庫的生態調度。

基于三峽調度下的干流河道水生態模型應用

三峽水庫蓄水后實際運行方式的水生態效應模擬。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。與無庫情形相比，三峽水庫實際運行方式會導致魚類和江豚數量減少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，導致漫灘濕生植物萌發面積減??；汛前消落期（5月25日—6月10日）短期內大量放水（6月10日庫水位降至145 m），導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，導致中下游河床沖刷加劇，底質不穩定，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調度可行的最佳參數。① 通過對不同調度方案進行比選，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系，初步確定了三峽水庫生態調度的基本參數（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），同時應盡量保持低流量，以使漫灘植物有足夠的萌發面積；4月下泄流量區間保持為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，應盡可能地慢速騰庫容（日增小于160 m3/s），使濕生植物有足夠的生長期；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卵需求，日漲水量大于2 000 m3/s，漲水次數約5次，總漲水量大于10 000 m3/s（短期的持續漲水對漫灘植物不會造成很大影響）。本方案已經向長江水利委員會和三峽水利樞紐梯級調度通信中心作了專門匯報。目前確立的三峽水庫生態調度方案，除考慮魚類產卵需求外，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，制造洪峰促進產漂流性卵魚類產卵，魚卵孵化后形成的仔稚魚需要到緩流區（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境。對于產粘性卵魚類（如鯉、鯽、翹嘴鮊）需要植物體、砂石等作為粘卵基質，若產卵期水體沒有合適的基質，則需要水位上升以便親魚到水陸交錯區產卵。因此，若要提高魚類總資源量，生態調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效應

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，刻畫水面動態的干濕變化過程?？蓱诓煌瑲夂蜃兓腿祟惢顒佑绊懴?，江湖關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，為湖泊水生態和濕地生態研究提供湖泊水文水動力要素時空變化數據集。以鄱陽湖為例，2006年枯水期水深時空分布模擬結果，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控效應

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，并表現為常態化、趨勢化。建設鄱陽湖水利樞紐工程，被當地認為是一個“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，需關注流速降低、換水周期延長等可能帶來的水環境風險。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，建閘主要影響湖區北部、中部及東部，對湖區西部和南部影響較小。對水動力的影響主要集中在河道區，河道流速整體減小，閘前流速降幅較大；洲灘區域，本身流速偏小、流向不定，對水利樞紐的響應不如河道區敏感。

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，基于湖泊水動力模型輸出的水深計算結果，通過設定水深閾值，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時間?；诓煌湫湍?、不同水情條件的水動力模擬結果，可計算相應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中部河口、自然保護區及淺水湖灣（圖5a），模擬結果與以往報道相符。水利樞紐建成運行后，水深條件發生變化，潛在棲息地空間分布格局發生了相應調整，其中湖區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。

小結與建議

小結

長江模擬器考慮大型水庫調度對下游河道和通江湖泊水文情勢的影響，構建了基于能流-食物鏈關系的河道水生態模型，可評估不同調度方式下河道水生生物的響應，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調度方案，深化了三峽生態調度的內涵。但三峽調度涉及防洪、發電、航運、生態、環境等多個方面，涉及多部門之間溝通合作問題，模型開發中發電和航運調度模塊相對簡單，未來需要進一步深化。而三峽以上梯級水庫的聯合調度，如何在考慮防洪、發電的基礎上，進行逐級的生態調度實踐，既需要梯級水庫水量的聯合調度，也需要針對具體河段的水生生物的基本需求和水生態保護目標，需進一步深入研究，開發相應的水動力-水生態耦合模擬模塊。

長江中下游通江湖泊的水生態問題，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合生態調度深度研究。例如鄱陽湖的水生態調度，不僅僅涉及三峽調度，也涉及贛江流域上游水利工程的聯合調度。在通江湖泊水動力模型研發基礎上開發的候鳥棲息地適宜性評估模型，可模擬分析不同調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-水質耦合模擬能力，尚不能模擬分析水動力環境改變對湖泊水質影響的時空分異特征，水生態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-水生態耦合模擬將是一個重要方向，可在目前水情預測的基礎上，擴展通江湖泊水動力模型的功能和應用領域。而處于面源污染模型下游的通江湖泊水質模擬有賴于面源污染模擬的精度。長江模擬器初步開發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，識別污染物關鍵源區和關鍵時段，能直接對接管理防控需求，但限于水質監測資料的共享限制、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。

當前研發的長江模擬器，只能算是大型流域模擬的初代裝置，與規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調度方面的能力提升，還需要在描述能力、計算能力、大數據匯聚和處理能力、人文過程模型化、調控決策智慧化等方面加大力度。在科技創新領域，專業模型和模塊的不斷發展完善，將是長江模擬器研發面臨的長期任務。在流域綜合治理與政府決策輔助方面，要發展針對不同部門、不同層級的應用實例，深入把握用戶需求，完善應用功能開發。在公眾教育與參與領域，進一步理解公眾需求，針對性開發公眾版相關功能，是長江流域生態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調、流域統籌在長江流域生態保護中的重要性，而缺乏強有力的科技支撐，是長江流域水生態保護面臨的關鍵問題。

建議盡早將長江模擬器列入國家重大科技基礎設施建設。發揮科技創新的引領作用，是推動長江流域系統治理與綠色發展的關鍵。流域模擬器已成為國際水文協會（IAHS）第3個十年計劃的重要創新方向。長江模擬器是國際上首個大型流域模擬裝置，有中國科學院、高校、部門研究機構等10余家研究單位參與，是科教資源優化組合和協同創新配合的重要體現，提升了流域水系統科學的原始創新能力。長江模擬器基于流域水系統綜合監測信息，可實現對流域水系統不同時段和不同子區域水系統狀態的有效診斷和評價；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、城市鄉村、工程措施與非工程措施等的影響，有助于實現流域“源頭治理”與“系統治理”相結合，采用標本兼治的方法系統解決流域水環境問題，促進流域綠色可持續發展。國家在支持長江模擬器重大基礎設施建設中，可依托長江模擬器建成長江流域科學數據中心，實現不同行業、不同類型數據的互聯互通，打破行業數據共享壁壘；通過耦合不同的監測技術、模型方法、治理及災害管理技術等，實現跨越不同行業和部門的模型融合，打造一個具有開放性和可拓展性的耦合集成大科學裝置，提升流域水系統科學研究的創新能力，服務于長江經濟帶高質量綠色發展。

建議開展三峽水庫、上游水庫以及兩湖流域水庫的聯合生態調度研究和實驗?？紤]到三峽生態調度對兩湖影響具有較強的時空異質性，在東洞庭湖和鄱陽湖北部等區域效果相對顯著，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合生態調度研究和實驗。此外，兩湖大范圍的洪泛洲灘濕地作為產粘性卵魚類產卵場和越冬候鳥重要棲息地，會隨著水體淹沒或出露動態變化，開展生態調度時，洲灘面積及水位變化情況也需要密切關注。未來聯合生態調度對水文連通、水體交換和水環境等影響疊加的生態效應研究仍需要深化。

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調度試驗?！伴L江模擬器”已耦合三峽調度模型、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調度試驗。但因河流、水庫高精度水下地形數據分散且難以獲得，故建議整合全國優勢力量，集中研發“水文-水動力-食物網”模型，為持續完善生態調度工作提供科學支撐。

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