中國網/中國發展門戶網訊 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。在一個流域生態系統中，湖泊是整個生態系統中物質的匯，其生態質量反映了整個生命共同體的整體質量。全球湖泊面臨嚴峻的生態挑戰，如氣候變化對湖泊的生態系統壓力增大、藍藻水華加劇、服務功能下降等。開展長期定位觀測與野外模擬試驗相結合的生態學研究，是認知湖泊生態環境演化機理、破解保護與治理技術瓶頸的重要手段。
由於生態系統相對封閉，物質和能量流動容易定量，湖泊生態學研究在推動生態系統理論發展中發揮了重要的作用。設立野外站，透過持續觀測和系統模擬，揭示生態學基本理論，是國際湖沼學研究的基本手段。例如，美國Hutchinson學科組在生態系統概念和理論構建方面取得的成果，大都是基於湖泊生態系統的長期觀測獲得的。2004年，美國國家科學基金會（NSF）推出了專門針對湖泊生態系統研究的全球湖泊生態觀測網路專案（GLEON）。目前，GLEON已經發展為全球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研究網路，推動了資訊科技的生態學應用、生態系統高頻自動監測技術及生態系統模擬技術發展。
我國現代湖泊學野外觀測研究始自1949年朱樹屏和楊光圻對太湖水體理化性質的週年觀測。光、溫、水動力、水文等物理條件變化是湖泊生態系統演替的重要驅動力。光照決定了淺水湖泊水生植被型別，影響浮游植物生產力；溫度影響水體生物生長，對水體物理分層、內源汙染物釋放起到作用；水文水動力則引起湖泊生態系統的空間分異，影響藍藻水華等生態災害形成；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量影響甚大。淺水湖泊對於我國的湖泊資源利用和生態服務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，也在漁業生產、旅遊休閒、城市水資源供給等方面發揮著重要功能，是我國湖泊保護與治理的重點。因此，構建大型淺水湖泊野外原位生態模擬實驗平臺，對湖泊生態理論研究、國家生態治理技術支撐意義重大。
國際上，湖泊物理模型實驗平臺非常少，主要是一些水體生態實驗場。丹麥奧胡斯大學在Lemming實驗基地構建了由24個實驗人工池組成的氣候變化對湖泊生態系統影響模擬系統。法國國家科學研究中心建立了由16個面積為360m2的人工湖（長24 m×寬15 m）組成的湖泊生態過程模擬系統。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，水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院製作的三峽工程模型，已經應用近20年，並在相關工程技術方案制定方面發揮了重要作用。近年來，該院還建立了一個太湖物理模型，主要用於太湖風生流等動力過程模擬研究。由於建在室內，該模型系統在生態方面的模擬能力較弱。
在中國科學院野外站網路重點科技基礎設施建設專案的支援下，中國科學院太湖湖泊生態系統研究站（以下簡稱“太湖站”）於2016年開始建設“淺水湖泊物理-生態過程模擬平臺”（Lake Modeling Platform），簡稱“湖泊模擬平臺”（LAMP），被用來開展湖泊出入流汙染擴散動力學過程、湖體波浪擾動過程、湖泊物質遷移堆積過程、水生動植物與水體物理環境因子相互作用等關鍵過程模擬研究。LAMP於2020年11月16日完成專家驗收，目前已經支撐開展湖泊物理條件的生態學效應、藍藻水華形成與致災機理、水生植物退化機制與修復技術等關鍵科學問題研究和工程引數獲取，既服務於湖泊科學發展，也支撐水環境的治理技術研發等國家需求。
中國科學院院士王會軍在LAMP驗收時評價：“該大型物理模型實驗平臺集成了出入流控制、造波、採集等智慧數控系統，是一個實驗資料採集能力強、實驗受控程度高的智慧化平臺，是一個支撐湖泊生態系統研究的重要科技基礎設施。”中國工程院院士楊志峰在LAMP驗收時指出：“依靠物理模型和綜合生物生態過程模擬實驗能夠獲取更紮實的水文和生態引數，使得我們的湖泊水動力-生態模型的數值模型架構和引數選取更加科學合理，模擬結果更加精準。”
LAMP建設的目標、難點及解決方案
建設目標
LAMP瞄準淺水湖泊動力過程影響下物理、化學、生物要素的響應與演變機制研究中物理模擬及數值分析需求，建成具有多通道出入流控制系統、水動力模擬實驗系統的淺水湖泊物理模型，構建湖泊物理-生態數值模型，形成基礎資料採集能力強、野外受控試驗設施全、生態管理支撐水平高的大型基礎科研設施，提升中國科學院生態系統研究網路在湖泊生態系統理論研究及湖泊治理修復技術開發方面的科研設施支撐能力。
建設難點及解決方案
大型淺水湖泊巨大的面積與極淺的水深，是引發風浪發育充分、介面物質交換強烈及生態結構空間迥異的重要原因。但在淺水湖泊生態過程的物理模型構建上，水平尺寸與水深之間的比例尺設定成為模型構建的難點。淺水湖泊的出入流眾多，水流滯緩，出入流量模擬的引數設定也成為模型構建的難點。LAMP在設計中克服了比例尺問題、出入流引數化問題和數值模型構建等困難，為類似模型的構建提供借鑑。
（1）抓住關鍵物理生態過程模擬需求確定模型比例尺引數。LAMP選址在太湖之濱，服務於太湖關鍵生態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鍵引數，同時考慮模擬目標和水體生態系統環境研究需求，選取不同比例尺的水平和垂向引數。由於太湖面積大，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結構差異大，模型的水平比例尺確定為1∶1000；垂向水深採用可調的方式，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-泥介面動力擾動過程、大型維束管植物生態效應、浮游生物和底棲生物生長過程、魚類生態過程等模擬需要，凸顯LAMP生態模擬功能。
（2）改進控水系統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模擬是LAMP構建的技術難點。為此，LAMP設計建造了精密泵房控制系統（圖1），模擬設定15條出入湖河流，透過FUCA水泵上位控制系統，精確控制每條河流的出入湖流量。為了達到精確控制流量目的，在管道上加裝了自動三通閥和壓力感測器，一旦超出流量，感測器會透過軟體自動控制，由自動三通閥將多餘的水或者空氣排除，以確保模擬流量的精度。出入流控制系統可以根據特定的模擬物件，調整輸入河道的數量及河道輸入流量，從而滿足我國不同湖泊型別的水文水動力模擬要求。
（3）構建淺水湖泊水動力-生態耦合數值模型，強化管理應用支撐。物理模型與數值模型相結合，能夠大幅提升物理模擬方案的設計水平，強化物理模型模擬獲得認知規律的應用。LAMP平臺載入了太湖水動力-生態數值模型（DYTHE）。DYTHE模型是針對太湖等大型淺水湖泊的水動力、水生態特點，基於過程的確定性模型，模擬湖流、波浪等多個重要的物理、化學和生物學過程，與物理模型相配套，極大增強了LAMP的管理應用支撐。
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）建設在太湖站蘇州分部，佔地12000m2，由模型水池、配套調節水池、水面造波系統、出入流自動化控制系統、資料採集系統、水體參加監控系統等組成，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
的模擬實驗水泥池組成。配套調節水池包括3m×3m型水泥實驗水池12個、20m×15m型水泥實驗水池2個、30m×40m型水泥實驗標準池1個、40m×40m
型自然塘澄清池1個、30m×40m型尾水池1個。造波系統可根據實驗模擬需要調整波浪方向，造波機固定在池底的鋼筋砼底座上，向特定湖灣、湖區方向輸出設計波浪。出入流自動化系統可以同時允許多達15條河流進行試驗，流量控制實現全自動化，控制精度達0.5%，可以模擬洪水期間非常工況下進出水流攜帶營養鹽在入湖河口的擴散情況；同時，配備了進出水流量100 m3/h水泵，實現模型的水位自動調控。水面上架設3套水質引數自動監測感測器，高空架設4套高畫質監控影片，可以實時監測水體濁度、浮游植物葉綠素a濃度等多種湖泊物理、化學、生物學表徵指標。
湖泊生態過程模擬與試驗子平臺
LAMP的湖泊生態過程模擬與試驗子平臺位於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的綜合試驗場，包括4個半開放式水上浮橋圍隔試驗區和1個湖濱試驗場，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、多組上行效應和下行效應原位受控試驗。
湖泊物理-生態過程數值模擬子平臺
LAMP的湖泊物理-生態數值模擬子平臺（圖4）包括了中尺度湖泊流域天氣預報模組、流域營養鹽徑流入湖模擬模組、湖泊三維水動力模擬模組、浮游植物生消模擬模組、溶解氧模擬模組、藍藻水華與湖泛預測預警系統等；該子平臺具備模擬大型淺水湖泊流場、物質輸移過程、藻類生長過程、藍藻水華生消過程、溶解氧時空變化過程等模擬功能，可開展大型湖泊藍藻水華精準模擬與預警報告發布。
LAMP的學科支撐與應用前景
LAMP填補了我國在大型淺水湖泊物理生態過程模擬基礎設施方面的空白。由於LAMP地處太湖站，湖泊模擬材料獲得便利、物理過程控制系統精密、湖泊生物種質資源豐富、數值模擬軟體成熟，使得LAMP在支撐淺水湖泊湖沼學研究方面能夠發揮重要作用。
（1）模擬認知物理環境變化對湖泊生態系統的影響規律。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、汙染物時空變化及其生態效應。在湖泊水動力的生態效應方面，可以模擬不同強度的湖流、波浪水動力作用對湖泊生態系統的影響。在生物生態方面，可以模擬湖流、波浪、光照等物理條件對生物生長的影響。
（2）模擬確定藍藻水華控制與草型生態系統重構的生態修復技術引數。當前，我國淺水湖泊水環境治理與水生態修復技術上仍存在大量未確定的工程技術引數。例如，雖然近年來對湖泊實施了漁業捕撈管控，但是對不同地理背景湖泊中魚類群落結構該如何調控，學界存在巨大的爭論。利用LAMP能夠開展較大規模的魚類調控生態實驗，確定魚類種群控制比例等關鍵引數。
（3）模擬完善不同型別湖泊的生態模型工具以滿足管理需求。基於紮實理論基礎上的預測模型則是實現科學預測未來的工具。透過物理模擬、生態實驗及數值模擬試驗等功能，LAMP可支撐湖泊生態模型的完善，根據不同需求開發出更加精準的統計模型和數值模擬模型，進行湖泊生態變化預測，支撐湖泊水生態修復的方案決策。
科學研究成效與未來計劃
科學研究成效
（1）支撐了水動力-生態模型引數率定和最佳化。LAMP建成以來，已經在太湖波浪擾動的水質效應、藍藻水華顆粒物的空間聚集、太湖水動力-生態模型的引數最佳化等方面發揮了作用，支撐了國家重大科技專項水體汙染控制與治理專項（以下簡稱“國家水專項”）太湖梅梁灣專案“面向梅梁灣藍藻清除管理的水華預測預警技術研發”子課題及國家重點研發計劃“湖泊淤積防控及淤泥資源化利用技術與示範”課題的完成。利用LAMP探索大型淺水湖泊風生水體運動特徵過程中，建立了適用於淺水湖泊風浪和湖流模擬的三維波流雙向耦合數值模型（WCCM），湖流精度比國際主流數值模型平均提高42.9%（圖5），為我國建立具有自主智慧財產權的高精度淺水湖泊生態系統數值模型提供保障。
（2）支撐了淺水湖泊食物鏈結構研究及生態修復技術開發。利用LAMP的生態模擬實驗子平臺，已經開展了高等水生生物與浮游植物群落演替之間關係、濾食性魚類對浮游植物群落演變規律的影響、濾食性魚類與濾食性貝類對浮游植物群落演變的互動影響食物鏈結構與生態修復技術試驗（圖6），支撐了國家自然科學基金重點專案“長江中下游地區富營養淺水湖泊生態恢復機理研究”及國家水專項“濱湖城市湖泊草型生態系統重構技術與工程示範”課題等專案完成。研究發現，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，是潛在的生態修復工具；鰟鮍等野雜魚的排洩對水體營養鹽內迴圈產生不可低估的貢獻，而沉水植物生長則對鰟鮍的營養鹽效應產生明顯的抑制作用。
（3）LAMP還吸引了多個研究專案落地太湖站。例如，“氣候變化對湖庫有害藻華影響戰略研究”“基於生態系統-環境脅迫關係研究沉水植物個體形態與群落分佈格局演變及其驅動因子”“淺水湖泊風浪譜機構對藻類垂向混合是影響研究”等多個國家自然科學基金專案因LAMP平臺支撐獲得資助，中國科學院科研儀器裝置研製專案“地基（岸基）多光譜水質遙感儀器研製”也落地太湖站。
未來研究計劃
（1）在物理湖泊學理論研究中開展一系列關鍵過程模擬實驗。開展淺水湖泊水沙動力學過程模擬，透過對不同入流強度、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行模擬，研發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驗，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因子空間分異的影響實驗，探究波浪對水生植物的機械損傷和光抑制等間接影響。
（2）在淺水湖泊生態修復技術探索中開展系列關鍵生態過程模擬實驗。開展根據藍藻空間遷移的生態效應模擬實驗，探索藍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構變化的影響；開展水位調控對高等水生植物生長的模擬實驗，提出不同種類水草恢復的水文節律需求引數。
（3）打造我國不同型別淺水湖泊生態環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支撐平臺。未來將在太湖生態與環境的各種模擬工作基礎上，逐步拓展開展長江中下游地區其他湖泊生態環境方面的應用。例如，透過不同的分隔方法與實驗材料，對物理模型進行模組化改造，可以開展湖泊換水週期變化對泥沙輸移及營養鹽遷移擴散的影響實驗。
執行與管理辦法
（1）執行管理機制。①資產管理方面，平臺由中國科學院南京地理與湖泊研究所行政資產處與太湖站統一管理，制定相關的崗位責任制，儀器裝置負責人負責維護、執行大型儀器及發展相關實驗技術。②執行管理方面，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、維修等相關執行痕跡。③資料管理方面，平臺的使用者是資料的第一產權人，擁有平臺數據的全部權利，太湖站對所有平臺產生資料及執行記錄資料進行整理儲存，徵得產權人同意的情況下定期開放。
（2）合作共享機制。LAMP在穩定執行後，將面向國內外湖泊研究人員開放。平臺使用和預約系統掛靠在國家野外科學觀測研究站資料庫平臺，研究人員註冊申請後即可上網檢視預約時間，根據專案需求預約使用。
（作者：朱廣偉，中國科學院；楊宏偉，中國科學院；吳挺峰，中國科學院；李未，中國科學院；李寬意，中國科學院；沈睿傑，中國科學院；閔屾，中國科學院；鄧建明，中國科學院；秦伯強，中國科學院。《中國科學院院刊》供稿）
