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，是山川林田湖草性命配合體的主要組成部門。在一個流域生態系統中，湖泊是整個生態系統中物質的匯，其生態質量反應了整個性命配合體的整體質量。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年夜、藍藻水華加劇、服務效能降落等。開展長期定位觀測與野外模擬試驗相結合的生態學研討，是認知湖泊生態環境演變機理、破解保護與管理技術瓶頸的主要手腕。

由于生態系統相對封閉，物質和能量流動不難定會議室出租量，湖泊生態學研討在推動生態系統理論發展中發揮了主要的感化。設立野外站，通過持續觀測和系統模擬，提醒生態學基礎理共享空間論，是國際湖沼學研討的基礎手腕。例如，americanHutchinson學科組在生態系統概念和理論構建方面獲得的結果，年夜都是基于湖泊生態系統的教學長期觀測獲得的。2004年，american“我總不能把你們兩個留在這裡一輩子吧？再過幾年你們總會結婚的，我得學著去藍在前面。”藍玉華逗著兩個女孩笑道。國家科學基金會（NSF）發布了專門針對湖泊生態系統研討的全球湖泊生態觀測網絡項目（GLEON）。今朝，GLE瑜伽場地ON已經發展為全球50多個湖泊野外站、800多名湖泊野內科研任務者參與的國際生態研討網絡，推動了信息技術的生態學應用、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討始自1949年朱樹屏和楊光圻對太湖水體理化性質的周年觀測。光、溫、水動力、水文等物理條件變化是湖泊生態系統演替的主要驅動力。光照決定了淺水湖泊水生植被類型，影響浮游植物生產力；溫度影響水體生物生長，對水體物理分層、內源淨化物釋放起到感化；水文水動力則惹起湖泊生態系統的空間分異，影響藍藻水華等生態災害構成；河湖交換、湖泊水體連通性等湖泊水文條件過程對魚類、鳥類等主要生物的棲息地質量影響甚年夜。淺水湖泊對于我國的湖泊資源應用和生態服務效能需求而言也意義嚴重，這怎麼發生的？他們都決定同意解除婚約，但為什麼交流習家改變了主意？莫非席家看穿了他們的計謀，決定將他們化為軍隊，利長江、淮河、黃河中下流生齒濃密地區的湖泊均為淺水湖泊；這些湖泊既是主要生物棲息地，也在漁業生產、游玩休閑、城市水資源供給瑜伽場地等方面發揮著主要效能，是我國湖泊保護與管理的重點。是以，構建年夜型淺水湖泊野外原位生態模擬實驗平臺，對湖泊生態理論研討、國家生態管理技術支撐意義嚴重。

國際上，湖泊物理模子實驗平臺很是少，重要是一些水體生態實驗場。丹麥奧胡斯年夜學在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。法國國家科學研討中間樹立了由16個面積為360m2的人工湖（長24 m×寬15 m）組成的湖泊生態私密空間過程模擬系統。中國在河道、湖泊的水動力物理過程模擬方面有大批積累。例如，水利部路況運輸部國家動力局南京水利科學研討院制作的三峽工程模子，已經應用近20年，并在相關工程舞蹈教室技術計劃制訂方面發揮了主要感化。近年來，該院還樹立了一個太湖物理模子，重要用于太湖風會議室出租生流等動力過程模擬研討。由于建在室內，該模子系統在生態方面的模擬才能較弱。

在中國科學院野外站網絡重點科技基礎設施建設項目標支撐下，中國科學院太湖湖泊生態系統研討站（以下簡稱“太湖站”）于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），被用來開展湖泊收支流淨化擴散動力學過程、湖體海浪家教擾動過程、湖泊物質遷移堆積過程、水生動植物與水體物理環境因子彼此感化等關鍵過程模擬研討。LAMP于2020年11月16日完成專家驗收，今朝已經支撐開展湖泊物理條件的生態學效應、藍藻水華構成與致災機理、水生植物退步機制與修復技術等關鍵瑜伽場地科學問題研討和工程參數獲取，既服務于湖泊科學發展，也支撐水環境的管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：“該年夜型物理模子實驗平臺集成了收支流把持、造波、采集等智能數控系統，是一個實驗數據采集才能強、實驗受控水平高的智能化平臺，是一個支撐湖泊生態系統研討的主要科技基礎設施。”中國工程院院士楊志峰在LAMP驗收時指出：“依附物理模子和綜合生物生態過程模擬實驗能夠獲取更扎實的水文和生態參數，使得我們的湖泊水動力-生態模子的數值模子架構和參數選取加倍科學公道，模擬結果加倍精準。” 

LAMP建設的目標、難點及解決計劃

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討中物理模擬及數值剖析需求，建成具有多通道收支流把持系統、水動力模擬實驗系統的淺水湖泊物理模子，構建湖泊物理-生態數值模子，構成基礎數據采集才能強、野外受控試驗設施全、生態治理支撐程度高的年夜型基礎科研設施，晉陞中國科學院生態系統研討網絡在湖泊生態系統理論研討及湖泊管理修復技術開發方面的科研設施支撐才能。

建設難點及解決計劃

年夜型淺水湖泊宏大的面積與極淺的水深，是引發風浪發育充足、界面物質交換強烈及生態結構空間迥異的主要緣由。但在淺水湖泊生態過程的物理模子構建上，程度尺寸與水深之間的比例尺設定成為模子構建的難點。淺水湖泊的收支流眾多，水流滯緩，收支流量模擬的參數設定也成為模子構建的難點。LAMP在設計中戰勝了比例尺問題、收支流參數化問題和數值模子構建等困難，為類似模子的構建供給借鑒。

（1）捉住關鍵物理生態過程模擬需求確定模子比例尺參數。LAMP選址在教學場地太湖之濱，服務于太湖關鍵生態過程的模擬研討是該平臺的主要效能。是以將太湖這一典範年夜型淺水湖泊作為物理模子的立體外廓，湖泊物理模子參考太湖關鍵參數，同時考慮模擬目標和水體生態系統環境研討需求，選取分歧比例尺的程度和垂向參數。由于太湖面積年夜，考慮到竺山灣、梅梁灣、貢湖灣、胥口灣、東太湖等重要湖灣的生態結構差異年夜，模子的程度比例尺確定為1∶1000；教學垂向水深采用可調的方法，垂向比例尺1∶1—1∶5不等，最洪流深2 m，選擇這樣的深度可兼顧邊界阻力感化、水-個人空間泥界面動力擾動過程、年夜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求，凸顯LAMP生態模擬效能。

（小樹屋2）改進控水系統進步湖泊收支湖模擬把持精度。淺水湖泊年夜都地處平原，收支流眾多，但流速極慢。是以，低流速收支流的精準模擬是LAMP構建的技術難點。為此，LAMP設計建造了緊密泵房把持系統（圖1），模擬設置15條收支湖河道，通過FUCA水泵教學上位把持系統，精確把持每條河道的收支湖流量。為了達到精確把持流量目標，在管道上加裝了自動三通閥和壓力傳感器，一旦超越流量，傳感器會通過軟件自動把持，由自動三通閥將多余的水或許空氣消除，以確保模擬流量的精度。收支流把持系統可以根據特定的模擬對象，調整輸進河流的數量及河流輸進流量，從而滿足我國分歧湖泊類型的水文水動力模擬請求。

（3）構建淺水湖泊水動力的是，早上，媽媽還在硬塞著一萬兩銀票作為私房送給了她，那捆銀票現在已經在她的懷裡了。-生態耦合數值模子，強化治理應用支撐。物理模子與數值模子相結合，能夠年夜幅晉陞物理模擬計劃的設計程度，強化物理模子模擬獲得認知規律的應用。LAMP平臺加載了太湖水動力-生態數值模子（DYTHE）。DYTHE模子是針對太湖等年夜型淺水湖泊的水動力、水生態特點，基于過程的確定性模子，模擬湖流、海浪等多個主要的物理、化學和生物學過程，與物理模子相配套，極年夜增強了LAMP的治理應用支撐。

LAMP組成與效能

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，占地12000m2，由模子水池、配套調節水池、水面造波系統、收支流自動化把持系統、數據采集系統、水體參加監控系統等組成，是LAMP的焦點部門。

湖泊模子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。配套調節水池包含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

型天然塘廓清池1個、30m×40m型尾水池1個。造波系統可根據實驗模擬需求調整海浪標的目的，造波機固定在池底的鋼筋砼底座上，向特定湖灣、湖區標的目的輸出設計海浪。收支流自動化系統可以同時允許多達15條河道進行試驗，流量把持實現全自動化，把持精度達0.5%，可以模擬洪水期間很是工況下進出水流攜帶營養鹽在進湖家教河口的擴散情況；同時，配備了進出水流量100 m3/h水泵，實現模子的水位自動調控。水面上架設3套水質參數自動監測傳感器，地面架設4套高清監控視頻，秋風在輕柔的秋風下搖曳、飄揚，十分美麗。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、生物學表征指標。

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于毗鄰太湖站的太湖水面上（圖3）。該子平臺是一個水下面積21600 m2的綜合試驗場，包含4個半開放式水上浮橋圍隔試驗區和私密空間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、高級水生植物等食品鏈過程的多原因、多組下行效應和下行效應原位受控試驗。

湖泊物理-生態過個人空間程數值模擬子平臺

LAMP的湖泊物理-生交流態數值模擬子平臺（圖4）包含了中標準湖泊1對1教學流域天氣預報模塊、流域營養鹽徑流進湖模擬模塊、湖泊三維水動力模擬模塊、浮游植物生消模擬模塊、消融氧模擬模塊、藍藻水華與湖泛預測預警系統等；該子平臺具備模擬年夜型淺水湖泊流場、物質輸移過程、藻類生長過程、藍藻水華生消過程、消融氧時空變化過程等模擬效能，可開展年夜型湖泊藍藻水華精準模擬與預警報告發布。

LAMP的學科支撐與應用遠景

LAMP填補了我國在年夜型淺水湖泊物理生態過程模擬基礎設施方面的空缺。由于LAMP地處太湖站，湖泊模擬資料獲得方便、物理過程把持系統緊密、湖泊生物種質資源豐富、數值模擬軟件成熟，使得LAMP在支撐淺水湖泊湖沼學研討方面能夠發揮主要感化。

（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-流域彼此感化方面，可以模擬收支流時空瑜伽教室變化對湖泊水齡、泥沙、淨化物時空變化及其生態效應。在湖泊水動力的生態效應方面，可以模擬分歧強度的湖流、海浪水動力感化對湖泊生態系統的影響。在生物生態方面，可以模擬湖流、海浪、光照等物理條件對生物生長的影響。

（2）模擬確定藍藻水華把持與草型生態系統重構的生態修復技術參數。當前，我國淺水湖泊水環境管理與水生態修復技術上仍存在大批未確定的工程技術參數。例如，雖然近年來對湖泊實施了漁業捕撈管控，可是對分歧地輿佈景湖泊中魚類群落結構該若何調控，學界存在宏大的爭論。應用LAMP能夠開展較年夜規模的魚類調控生態實驗，確定魚類種群把持比例等關鍵參數。

（3）模擬完美分歧類型湖泊的生態模子東西以滿足治理需求。基于扎實理論基礎上的預測模子則是實現科學預測未來的東西。通過物理模擬、生態實驗及數值模擬試驗等效能，LAMP可支撐湖泊生態模子的完美，根據分歧需求開發出加倍精準的統計模子和數值模擬模子，進行湖泊生態變化預測，支撐湖泊水生態修復的計劃決策。

科學研討成效與未來計劃

科學研討成效

（1）支撐了水動力-生態模子參數率定和優化。LAMP建成以來，已經在太湖海浪擾動的水質效應、藍藻水華顆粒物的空間湊集、太湖水動力-生態模子的參數優化等方面發揮了感化，支撐了國家嚴重科技專項水體淨化把持與管理專項（以下簡稱“國家水專項”）太湖梅梁灣項目“面向梅梁灣藍藻肅清治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應用技術與示范”課題的完成。應用LAMP摸索年夜型淺水湖泊風生水體運動特征過程中，樹立了適用于淺水湖泊風浪和湖流模擬的三維波流雙向耦合數值模子（WCCM），湖流精度比國際主流數值模子均勻進步42.9%（圖5），為我國樹立具有自立知識產權的高精度淺瑜伽教室水湖泊生態系統數值模子供給保證。

（2）支撐了淺水湖泊食品鏈結構研討及生態修復技術開發。應用LAMP的生態模擬實驗子平臺，已經開展了高級水生生物與浮游植物群落演替之間關系、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交互影響食品鏈結構與生態修復技術試驗（圖6），支撐了國家天然科學基金重點項目“長江中下流地區富營養淺水湖泊生態恢復機理研討”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范”課題等項目完成。研討發現，濾食性魚類和貝類組合的濾食感化能顯著下降水體中浮游植物的總生物量，是潛在的生態修復東西；鳑鲏等野雜魚的分泌對水體營養鹽內循環產生不成低估的貢獻，而教學場地沉水植物生長則對鳑鲏的營養鹽效應產生明顯的克制感化。

（3）LAMP還吸引了多個研討項目落地太湖站。例如，“氣候變化對湖庫無害藻華影響戰略研討” “基于生態系統-環境脅迫關系研討沉水植物個體形態與群落分布格式演變及其驅動因子”“淺水湖泊風浪譜機構對藻類垂向混雜是影響研討”等多個國家天然科學基金項目因LAMP平臺支撐獲得資助，中國科學院科研儀器設備研制項目“地基（岸基）多光譜水質遙感儀器研制”也落地太湖站。

未來研討計劃

（1）在物理湖泊學理論研討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，通過對分歧進流強度、分歧泥沙含量的進流過程在流場、海浪彼此感化下泥沙的沉降進行模擬，研發三維黏性泥沙傳輸模子；開展海浪對湖灣、岸邊帶淤積影響的模擬實驗，研討海浪對太湖地形的塑造；開展波流彼此感化對淺水湖泊生態因子空間分異的影響實驗，探討海浪對水生植物的機械損傷和光克制等間接影響。

（2）在淺水湖泊生態修復技術摸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，摸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；開展水位調控對高級水生植物生長的模擬實驗，提出分歧種類水草恢復的水文節律需求參數。

（3）打造我國分歧類型淺水湖泊生態環境模擬研討的支撐平臺。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教學場地境的各種模擬任務基礎上，慢慢拓展開展長江中下流地區其他湖泊生態環境方面的應用。例如，通過分歧的分隔方式與實驗資料，對物理模子進行模塊化改革，可以開展湖泊換水周期變化對泥沙輸移及營養鹽遷移擴散的影響實驗。

運行與治理辦法

（1）運行治理機制。① 資產治理方面，平臺由中國科學院南京地輿與湖泊研討所行政資產處與太湖站統一治理，制訂相關的崗位責任制，儀器設備負責人負責維護、運行年夜型儀器及發展相關實驗技術。② 運行治理方面，出臺了平臺的治理辦法，制訂了平臺的操縱瑜伽教室流程，周全記錄平臺、保養、維修等相關運行痕跡。③ 數據治理方面交流，平臺的應用者是數據的第一產權人，擁有平臺數據的所有的權利，太湖站對一切平臺產生數據及運行記錄數據進行收拾保留，征得產權人批準的情況下按期開放。

（2）一起配合共享機制。LAMP在穩定運行后，將面向國內外湖泊研討人員開放。平臺應用和預約系統掛靠在國家野內科學觀測研討站數據庫平臺，研討人1對1教學員注冊申請后即可上網檢查預約時間，根據項目需求預約應用。

（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；沈睿杰，中國科學院；閔屾，中國科瑜伽場地學院；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）