中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 湖泊是我國極其珍貴的地表水資源，是山水林田湖草生命共同體的重要組成部分。在一個流域生態(tài)系統(tǒng)中，湖泊是整個生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)的匯，其生態(tài)質(zhì)量反映了整個生命共同體的整體質(zhì)量。全球湖泊面臨嚴(yán)峻的生態(tài)挑戰(zhàn)，如氣候變化對湖泊的生態(tài)系統(tǒng)壓力增大、藍(lán)藻水華加劇、服務(wù)功能下降等。開展長期定位觀測與野外模擬試驗(yàn)相結(jié)合的生態(tài)學(xué)研究，是認(rèn)知湖泊生態(tài)環(huán)境演化機(jī)理、破解保護(hù)與治理技術(shù)瓶頸的重要手段。

由于生態(tài)系統(tǒng)相對封閉，物質(zhì)和能量流動容易定量，湖泊生態(tài)學(xué)研究在推動生態(tài)系統(tǒng)理論發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。設(shè)立野外站，通過持續(xù)觀測和系統(tǒng)模擬，揭示生態(tài)學(xué)基本理論，是國際湖沼學(xué)研究的基本手段。例如，美國Hutchinson學(xué)科組在生態(tài)系統(tǒng)概念和理論構(gòu)建方面取得的成果，大都是基于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的長期觀測獲得的。2004年，美國國家科學(xué)基金會（NSF）推出了專門針對湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究的全球湖泊生態(tài)觀測網(wǎng)絡(luò)項目（GLEON）。目前，GLEON已經(jīng)發(fā)展為全球50多個湖泊野外站、800多名湖泊野外科研工作者參與的國際生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)，推動了信息技術(shù)的生態(tài)學(xué)應(yīng)用、生態(tài)系統(tǒng)高頻自動監(jiān)測技術(shù)及生態(tài)系統(tǒng)模擬技術(shù)發(fā)展。

我國現(xiàn)代湖泊學(xué)野外觀測研究始自1949年朱樹屏和楊光圻對太湖水體理化性質(zhì)的周年觀測。光、溫、水動力、水文等物理條件變化是湖泊生態(tài)系統(tǒng)演替的重要驅(qū)動力。光照決定了淺水湖泊水生植被類型，影響浮游植物生產(chǎn)力；溫度影響水體生物生長，對水體物理分層、內(nèi)源污染物釋放起到作用；水文水動力則引起湖泊生態(tài)系統(tǒng)的空間分異，影響藍(lán)藻水華等生態(tài)災(zāi)害形成；河湖交換、湖泊水體連通性等湖泊水文條件過程對魚類、鳥類等重要生物的棲息地質(zhì)量影響甚大。淺水湖泊對于我國的湖泊資源利用和生態(tài)服務(wù)功能需求而言也意義重大，長江、淮河、黃河中下游人口稠密地區(qū)的湖泊均為淺水湖泊；這些湖泊既是重要生物棲息地，也在漁業(yè)生產(chǎn)、旅游休閑、城市水資源供給等方面發(fā)揮著重要功能，是我國湖泊保護(hù)與治理的重點(diǎn)。因此，構(gòu)建大型淺水湖泊野外原位生態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺，對湖泊生態(tài)理論研究、國家生態(tài)治理技術(shù)支撐意義重大。

國際上，湖泊物理模型實(shí)驗(yàn)平臺非常少，主要是一些水體生態(tài)實(shí)驗(yàn)場。丹麥奧胡斯大學(xué)在Lemming實(shí)驗(yàn)基地構(gòu)建了由24個實(shí)驗(yàn)人工池組成的氣候變化對湖泊生態(tài)系統(tǒng)影響模擬系統(tǒng)。法國國家科學(xué)研究中心建立了由16個面積為360m²的人工湖（長24 m×寬15 m）組成的湖泊生態(tài)過程模擬系統(tǒng)。中國在河流、湖泊的水動力物理過程模擬方面有大量積累。例如，水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院制作的三峽工程模型，已經(jīng)應(yīng)用近20年，并在相關(guān)工程技術(shù)方案制定方面發(fā)揮了重要作用。近年來，該院還建立了一個太湖物理模型，主要用于太湖風(fēng)生流等動力過程模擬研究。由于建在室內(nèi)，該模型系統(tǒng)在生態(tài)方面的模擬能力較弱。

在中國科學(xué)院野外站網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目的支持下，中國科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站（以下簡稱“太湖站”）于2016年開始建設(shè)“淺水湖泊物理-生態(tài)過程模擬平臺”（Lake Modeling  Platform），簡稱“湖泊模擬平臺”（LAMP），被用來開展湖泊出入流污染擴(kuò)散動力學(xué)過程、湖體波浪擾動過程、湖泊物質(zhì)遷移堆積過程、水生動植物與水體物理環(huán)境因子相互作用等關(guān)鍵過程模擬研究。LAMP于2020年11月16日完成專家驗(yàn)收，目前已經(jīng)支撐開展湖泊物理條件的生態(tài)學(xué)效應(yīng)、藍(lán)藻水華形成與致災(zāi)機(jī)理、水生植物退化機(jī)制與修復(fù)技術(shù)等關(guān)鍵科學(xué)問題研究和工程參數(shù)獲取，既服務(wù)于湖泊科學(xué)發(fā)展，也支撐水環(huán)境的治理技術(shù)研發(fā)等國家需求。

中國科學(xué)院院士王會軍在LAMP驗(yàn)收時評價：“該大型物理模型實(shí)驗(yàn)平臺集成了出入流控制、造波、采集等智能數(shù)控系統(tǒng)，是一個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集能力強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)受控程度高的智能化平臺，是一個支撐湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究的重要科技基礎(chǔ)設(shè)施。”中國工程院院士楊志峰在LAMP驗(yàn)收時指出：“依靠物理模型和綜合生物生態(tài)過程模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@取更扎實(shí)的水文和生態(tài)參數(shù)，使得我們的湖泊水動力-生態(tài)模型的數(shù)值模型架構(gòu)和參數(shù)選取更加科學(xué)合理，模擬結(jié)果更加精準(zhǔn)。” 

LAMP建設(shè)的目標(biāo)、難點(diǎn)及解決方案

建設(shè)目標(biāo)

LAMP瞄準(zhǔn)淺水湖泊動力過程影響下物理、化學(xué)、生物要素的響應(yīng)與演變機(jī)制研究中物理模擬及數(shù)值分析需求，建成具有多通道出入流控制系統(tǒng)、水動力模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的淺水湖泊物理模型，構(gòu)建湖泊物理-生態(tài)數(shù)值模型，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集能力強(qiáng)、野外受控試驗(yàn)設(shè)施全、生態(tài)管理支撐水平高的大型基礎(chǔ)科研設(shè)施，提升中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)在湖泊生態(tài)系統(tǒng)理論研究及湖泊治理修復(fù)技術(shù)開發(fā)方面的科研設(shè)施支撐能力。

建設(shè)難點(diǎn)及解決方案

大型淺水湖泊巨大的面積與極淺的水深，是引發(fā)風(fēng)浪發(fā)育充分、界面物質(zhì)交換強(qiáng)烈及生態(tài)結(jié)構(gòu)空間迥異的重要原因。但在淺水湖泊生態(tài)過程的物理模型構(gòu)建上，水平尺寸與水深之間的比例尺設(shè)定成為模型構(gòu)建的難點(diǎn)。淺水湖泊的出入流眾多，水流滯緩，出入流量模擬的參數(shù)設(shè)定也成為模型構(gòu)建的難點(diǎn)。LAMP在設(shè)計中克服了比例尺問題、出入流參數(shù)化問題和數(shù)值模型構(gòu)建等困難，為類似模型的構(gòu)建提供借鑒。

（1）抓住關(guān)鍵物理生態(tài)過程模擬需求確定模型比例尺參數(shù)。LAMP選址在太湖之濱，服務(wù)于太湖關(guān)鍵生態(tài)過程的模擬研究是該平臺的重要功能。因此將太湖這一典型大型淺水湖泊作為物理模型的平面外廓，湖泊物理模型參考太湖關(guān)鍵參數(shù)，同時考慮模擬目標(biāo)和水體生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境研究需求，選取不同比例尺的水平和垂向參數(shù)。由于太湖面積大，考慮到竺山灣、梅梁灣、貢湖灣、胥口灣、東太湖等主要湖灣的生態(tài)結(jié)構(gòu)差異大，模型的水平比例尺確定為1∶1000；垂向水深采用可調(diào)的方式，垂向比例尺1∶1—1∶5不等，最大水深2 m，選擇這樣的深度可兼顧邊界阻力作用、水-泥界面動力擾動過程、大型維束管植物生態(tài)效應(yīng)、浮游生物和底棲生物生長過程、魚類生態(tài)過程等模擬需要，凸顯LAMP生態(tài)模擬功能。

（2）改進(jìn)控水系統(tǒng)提高湖泊出入湖模擬控制精度。淺水湖泊大都地處平原，出入流眾多，但流速極慢。因此，低流速出入流的精準(zhǔn)模擬是LAMP構(gòu)建的技術(shù)難點(diǎn)。為此，LAMP設(shè)計建造了精密泵房控制系統(tǒng)（圖1），模擬設(shè)置15條出入湖河流，通過FUCA水泵上位控制系統(tǒng)，精確控制每條河流的出入湖流量。為了達(dá)到精確控制流量目的，在管道上加裝了自動三通閥和壓力傳感器，一旦超出流量，傳感器會通過軟件自動控制，由自動三通閥將多余的水或者空氣排除，以確保模擬流量的精度。出入流控制系統(tǒng)可以根據(jù)特定的模擬對象，調(diào)整輸入河道的數(shù)量及河道輸入流量，從而滿足我國不同湖泊類型的水文水動力模擬要求。

（3）構(gòu)建淺水湖泊水動力-生態(tài)耦合數(shù)值模型，強(qiáng)化管理應(yīng)用支撐。物理模型與數(shù)值模型相結(jié)合，能夠大幅提升物理模擬方案的設(shè)計水平，強(qiáng)化物理模型模擬獲得認(rèn)知規(guī)律的應(yīng)用。LAMP平臺加載了太湖水動力-生態(tài)數(shù)值模型（DYTHE）。DYTHE模型是針對太湖等大型淺水湖泊的水動力、水生態(tài)特點(diǎn)，基于過程的確定性模型，模擬湖流、波浪等多個重要的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程，與物理模型相配套，極大增強(qiáng)了LAMP的管理應(yīng)用支撐。

LAMP組成與功能

湖泊物理過程模擬子平臺

LAMP的湖泊物理過程模擬子平臺（圖2）建設(shè)在太湖站蘇州分部，占地12000m²，由模型水池、配套調(diào)節(jié)水池、水面造波系統(tǒng)、出入流自動化控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水體參加監(jiān)控系統(tǒng)等組成，是LAMP的核心部分。

湖泊模型是由一個類似太湖形狀輪廓的60m×60 m

的模擬實(shí)驗(yàn)水泥池組成。配套調(diào)節(jié)水池包括3m×3m 型水泥實(shí)驗(yàn)水池12個、20m×15m型水泥實(shí)驗(yàn)水池 2個、30m×40m型水泥實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)池1個、40m×40m

型自然塘澄清池1個、30m×40m型尾水池1個。造波系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M需要調(diào)整波浪方向，造波機(jī)固定在池底的鋼筋砼底座上，向特定湖灣、湖區(qū)方向輸出設(shè)計波浪。出入流自動化系統(tǒng)可以同時允許多達(dá)15條河流進(jìn)行試驗(yàn)，流量控制實(shí)現(xiàn)全自動化，控制精度達(dá)0.5%，可以模擬洪水期間非常工況下進(jìn)出水流攜帶營養(yǎng)鹽在入湖河口的擴(kuò)散情況；同時，配備了進(jìn)出水流量100 m³/h水泵，實(shí)現(xiàn)模型的水位自動調(diào)控。水面上架設(shè)3套水質(zhì)參數(shù)自動監(jiān)測傳感器，高空架設(shè)4套高清監(jiān)控視頻，可以實(shí)時監(jiān)測水體濁度、浮游植物葉綠素a濃度等多種湖泊物理、化學(xué)、生物學(xué)表征指標(biāo)。

湖泊生態(tài)過程模擬與試驗(yàn)子平臺

LAMP的湖泊生態(tài)過程模擬與試驗(yàn)子平臺位于毗鄰太湖站的太湖水面上（圖3）。該子平臺是一個水上面積21600 m²的綜合試驗(yàn)場，包括4個半開放式水上浮橋圍隔試驗(yàn)區(qū)和1個湖濱試驗(yàn)場，能夠同時開展浮游植物、浮游動物、魚類、底棲生物、高等水生植物等食物鏈過程的多因素、多組上行效應(yīng)和下行效應(yīng)原位受控試驗(yàn)。

湖泊物理-生態(tài)過程數(shù)值模擬子平臺

LAMP的湖泊物理-生態(tài)數(shù)值模擬子平臺（圖4）包括了中尺度湖泊流域天氣預(yù)報模塊、流域營養(yǎng)鹽徑流入湖模擬模塊、湖泊三維水動力模擬模塊、浮游植物生消模擬模塊、溶解氧模擬模塊、藍(lán)藻水華與湖泛預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)等；該子平臺具備模擬大型淺水湖泊流場、物質(zhì)輸移過程、藻類生長過程、藍(lán)藻水華生消過程、溶解氧時空變化過程等模擬功能，可開展大型湖泊藍(lán)藻水華精準(zhǔn)模擬與預(yù)警報告發(fā)布。

LAMP的學(xué)科支撐與應(yīng)用前景

LAMP填補(bǔ)了我國在大型淺水湖泊物理生態(tài)過程模擬基礎(chǔ)設(shè)施方面的空白。由于LAMP地處太湖站，湖泊模擬材料獲得便利、物理過程控制系統(tǒng)精密、湖泊生物種質(zhì)資源豐富、數(shù)值模擬軟件成熟，使得LAMP在支撐淺水湖泊湖沼學(xué)研究方面能夠發(fā)揮重要作用。

（1）模擬認(rèn)知物理環(huán)境變化對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響規(guī)律。在湖泊-流域相互作用方面，可以模擬出入流時空變化對湖泊水齡、泥沙、污染物時空變化及其生態(tài)效應(yīng)。在湖泊水動力的生態(tài)效應(yīng)方面，可以模擬不同強(qiáng)度的湖流、波浪水動力作用對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響。在生物生態(tài)方面，可以模擬湖流、波浪、光照等物理條件對生物生長的影響。

（2）模擬確定藍(lán)藻水華控制與草型生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)參數(shù)。當(dāng)前，我國淺水湖泊水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)技術(shù)上仍存在大量未確定的工程技術(shù)參數(shù)。例如，雖然近年來對湖泊實(shí)施了漁業(yè)捕撈管控，但是對不同地理背景湖泊中魚類群落結(jié)構(gòu)該如何調(diào)控，學(xué)界存在巨大的爭論。利用LAMP能夠開展較大規(guī)模的魚類調(diào)控生態(tài)實(shí)驗(yàn)，確定魚類種群控制比例等關(guān)鍵參數(shù)。

（3）模擬完善不同類型湖泊的生態(tài)模型工具以滿足管理需求。基于扎實(shí)理論基礎(chǔ)上的預(yù)測模型則是實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)測未來的工具。通過物理模擬、生態(tài)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬試驗(yàn)等功能，LAMP可支撐湖泊生態(tài)模型的完善，根據(jù)不同需求開發(fā)出更加精準(zhǔn)的統(tǒng)計模型和數(shù)值模擬模型，進(jìn)行湖泊生態(tài)變化預(yù)測，支撐湖泊水生態(tài)修復(fù)的方案決策。

科學(xué)研究成效與未來計劃

科學(xué)研究成效

（1）支撐了水動力-生態(tài)模型參數(shù)率定和優(yōu)化。LAMP建成以來，已經(jīng)在太湖波浪擾動的水質(zhì)效應(yīng)、藍(lán)藻水華顆粒物的空間聚集、太湖水動力-生態(tài)模型的參數(shù)優(yōu)化等方面發(fā)揮了作用，支撐了國家重大科技專項水體污染控制與治理專項（以下簡稱“國家水專項”）太湖梅梁灣項目“面向梅梁灣藍(lán)藻清除管理的水華預(yù)測預(yù)警技術(shù)研發(fā)”子課題及國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“湖泊淤積防控及淤泥資源化利用技術(shù)與示范”課題的完成。利用LAMP探索大型淺水湖泊風(fēng)生水體運(yùn)動特征過程中，建立了適用于淺水湖泊風(fēng)浪和湖流模擬的三維波流雙向耦合數(shù)值模型（WCCM），湖流精度比國際主流數(shù)值模型平均提高42.9%（圖5），為我國建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)數(shù)值模型提供保障。

（2）支撐了淺水湖泊食物鏈結(jié)構(gòu)研究及生態(tài)修復(fù)技術(shù)開發(fā)。利用LAMP的生態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)子平臺，已經(jīng)開展了高等水生生物與浮游植物群落演替之間關(guān)系、濾食性魚類對浮游植物群落演變規(guī)律的影響、濾食性魚類與濾食性貝類對浮游植物群落演變的交互影響食物鏈結(jié)構(gòu)與生態(tài)修復(fù)技術(shù)試驗(yàn)（圖6），支撐了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目“長江中下游地區(qū)富營養(yǎng)淺水湖泊生態(tài)恢復(fù)機(jī)理研究”及國家水專項“濱湖城市湖泊草型生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)與工程示范”課題等項目完成。研究發(fā)現(xiàn)，濾食性魚類和貝類組合的濾食作用能顯著降低水體中浮游植物的總生物量，是潛在的生態(tài)修復(fù)工具；鳑鲏等野雜魚的排泄對水體營養(yǎng)鹽內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生不可低估的貢獻(xiàn)，而沉水植物生長則對鳑鲏的營養(yǎng)鹽效應(yīng)產(chǎn)生明顯的抑制作用。

（3）LAMP還吸引了多個研究項目落地太湖站。例如，“氣候變化對湖庫有害藻華影響戰(zhàn)略研究” “基于生態(tài)系統(tǒng)-環(huán)境脅迫關(guān)系研究沉水植物個體形態(tài)與群落分布格局演變及其驅(qū)動因子”“淺水湖泊風(fēng)浪譜機(jī)構(gòu)對藻類垂向混合是影響研究”等多個國家自然科學(xué)基金項目因LAMP平臺支撐獲得資助，中國科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項目“地基（岸基）多光譜水質(zhì)遙感儀器研制”也落地太湖站。

未來研究計劃

（1）在物理湖泊學(xué)理論研究中開展一系列關(guān)鍵過程模擬實(shí)驗(yàn)。開展淺水湖泊水沙動力學(xué)過程模擬，通過對不同入流強(qiáng)度、不同泥沙含量的入流過程在流場、波浪相互作用下泥沙的沉降進(jìn)行模擬，研發(fā)三維黏性泥沙傳輸模型；開展波浪對湖灣、岸邊帶淤積影響的模擬實(shí)驗(yàn)，研究波浪對太湖地形的塑造；開展波流相互作用對淺水湖泊生態(tài)因子空間分異的影響實(shí)驗(yàn)，探究波浪對水生植物的機(jī)械損傷和光抑制等間接影響。

（2）在淺水湖泊生態(tài)修復(fù)技術(shù)探索中開展系列關(guān)鍵生態(tài)過程模擬實(shí)驗(yàn)。開展根據(jù)藍(lán)藻空間遷移的生態(tài)效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)，探索藍(lán)藻遷移堆積對濾食性魚類攝食行為的影響；開展湖泊禁捕對魚類群落結(jié)構(gòu)變化的影響；開展水位調(diào)控對高等水生植物生長的模擬實(shí)驗(yàn)，提出不同種類水草恢復(fù)的水文節(jié)律需求參數(shù)。

（3）打造我國不同類型淺水湖泊生態(tài)環(huán)境模擬研究的支撐平臺。LAMP是一個淺水湖泊通用型的模擬試驗(yàn)支撐平臺。未來將在太湖生態(tài)與環(huán)境的各種模擬工作基礎(chǔ)上，逐步拓展開展長江中下游地區(qū)其他湖泊生態(tài)環(huán)境方面的應(yīng)用。例如，通過不同的分隔方法與實(shí)驗(yàn)材料，對物理模型進(jìn)行模塊化改造，可以開展湖泊換水周期變化對泥沙輸移及營養(yǎng)鹽遷移擴(kuò)散的影響實(shí)驗(yàn)。

運(yùn)行與管理辦法

（1）運(yùn)行管理機(jī)制。① 資產(chǎn)管理方面，平臺由中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所行政資產(chǎn)處與太湖站統(tǒng)一管理，制定相關(guān)的崗位責(zé)任制，儀器設(shè)備負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)維護(hù)、運(yùn)行大型儀器及發(fā)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。② 運(yùn)行管理方面，出臺了平臺的管理辦法，制訂了平臺的操作流程，全面記錄平臺、保養(yǎng)、維修等相關(guān)運(yùn)行痕跡。③ 數(shù)據(jù)管理方面，平臺的使用者是數(shù)據(jù)的第一產(chǎn)權(quán)人，擁有平臺數(shù)據(jù)的全部權(quán)利，太湖站對所有平臺產(chǎn)生數(shù)據(jù)及運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行整理保存，征得產(chǎn)權(quán)人同意的情況下定期開放。

（2）合作共享機(jī)制。LAMP在穩(wěn)定運(yùn)行后，將面向國內(nèi)外湖泊研究人員開放。平臺使用和預(yù)約系統(tǒng)掛靠在國家野外科學(xué)觀測研究站數(shù)據(jù)庫平臺，研究人員注冊申請后即可上網(wǎng)查看預(yù)約時間，根據(jù)項目需求預(yù)約使用。

（作者：朱廣偉，中國科學(xué)院；楊宏偉，中國科學(xué)院；吳挺峰，中國科學(xué)院；李未，中國科學(xué)院；李寬意，中國科學(xué)院；沈睿杰，中國科學(xué)院；閔屾，中國科學(xué)院；鄧建明，中國科學(xué)院；秦伯強(qiáng)，中國科學(xué)院。《中國科學(xué)院院刊》供稿）

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