長(zhǎng)江模擬器的理論方法與實(shí)踐探索

夏 軍，占車生，曾思棟，鄒 磊，佘敦先，左其亭

（1．武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2．中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3．中國(guó)科學(xué)院 重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；4．鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 研究背景

長(zhǎng)江是中國(guó)第一大河，世界第三大河，擁有豐富的水資源儲(chǔ)量和水生生物資源，在國(guó)家區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展總體格局中具有重要戰(zhàn)略地位［1］。自2014年國(guó)務(wù)院發(fā)布 《關(guān)于依托黃金水道推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的指導(dǎo)意見》以來(lái)，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶在推動(dòng)國(guó)家區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略地位愈來(lái)愈凸顯［2］。但是，流域可持續(xù)發(fā)展面對(duì)的生態(tài)與環(huán)境問題，包括面源及總磷污染、河湖萎縮和生物多樣性損失等也非常突出。究其原因，長(zhǎng)江保護(hù)與修復(fù)工作亟待加強(qiáng)流域系統(tǒng)層面的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)機(jī)制和強(qiáng)有力的科技支撐［3］。受全球氣候變化和流域經(jīng)濟(jì)開發(fā)等人類活動(dòng)影響，未來(lái)長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)形勢(shì)依然嚴(yán)峻復(fù)雜，水環(huán)境和水生態(tài)改善任務(wù)依然面臨巨大挑戰(zhàn)。2016年1月，在重慶召開的推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展座談會(huì)上，習(xí)近平總書記提出要 “共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)”，走 “生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”之路。新形勢(shì)下，亟需貫徹落實(shí) 《長(zhǎng)江保護(hù)法》，盡早建立長(zhǎng)江流域?qū)嵸|(zhì)性運(yùn)行協(xié)調(diào)機(jī)制，部署研發(fā)支撐流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綜合管理的系統(tǒng)模擬裝置，為推動(dòng)長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展提供有力保障。

近年來(lái)，圍繞地球系統(tǒng)或流域系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、模擬、評(píng)估和決策等問題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開展了大量研究。如曾慶存等［4］提出的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)置 “地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”，主要研究地球系統(tǒng)大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈的物理、化學(xué)、生物過(guò)程及其相互作用，探究上述相互作用對(duì)地球系統(tǒng)整體和我國(guó)區(qū)域氣候和生態(tài)環(huán)境的影響。于貴瑞等［5］提出了以自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，集 “多源數(shù)據(jù)分析-生態(tài)過(guò)程模擬-時(shí)空格局評(píng)估-生態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)警”為一體，主要用于宏觀生態(tài)系統(tǒng)模擬分析的 “陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)值模擬器”概念。Holden等［6］開發(fā)了 “PALEO-PGEM v1．0（Paleoclimate PLASIM-GENIE）”模擬器，可重建上新世—更新世時(shí)期的古氣候。Beusch等［7］構(gòu)建了具有空間分辨輸出的模塊化地球系統(tǒng)模擬器（MESMER），并提出了MAGICC-MESMER（排放驅(qū)動(dòng)模擬器-空間解析模擬器）耦合模擬器，可對(duì)區(qū)域內(nèi)多種排放路徑的影響進(jìn)行評(píng)估。Nath等［8］在現(xiàn)有年度尺度地球系統(tǒng)模擬器（MESMER）的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加月度降尺度模塊，提出了MESMER-M模擬器。上述眾多模擬器多側(cè)重于整個(gè)地球系統(tǒng)或者是某一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，從廣度上來(lái)說(shuō)，面向整個(gè)地球系統(tǒng)，其分辨率往往較粗，不足以刻畫一個(gè)具體流域的詳細(xì)過(guò)程；從深度上來(lái)說(shuō)，上述模擬裝置多關(guān)注某一個(gè)或者幾個(gè)過(guò)程之間的耦合及關(guān)聯(lián)分析，對(duì)涉及到以水為核心、綜合考慮水文、地理、資源、環(huán)境、生態(tài)、自然災(zāi)害、公共管理、人類健康等多個(gè)跨學(xué)科的過(guò)程認(rèn)識(shí)仍然考慮不足。

圍繞 “美麗中國(guó)”生態(tài)文明建設(shè)的目標(biāo)和任務(wù)，為了科學(xué)刻畫 “美麗中國(guó)”生態(tài)文明建設(shè)“2035目標(biāo)”和 “2050愿景”科學(xué)藍(lán)圖與實(shí)施途徑，中國(guó)科學(xué)院于2019年啟動(dòng)了 “美麗中國(guó)生態(tài)文明科技建設(shè)工程”專項(xiàng)，其中項(xiàng)目四 “長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶干流水環(huán)境水生態(tài)綜合治理與應(yīng)用”主要針對(duì)以水為紐帶的長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶 “湖庫(kù)-岸線-城市群”綠色發(fā)展所面臨亟待解決的生態(tài)環(huán)境問題。筆者的研究團(tuán)隊(duì)于2019年率先提出了 “長(zhǎng)江模擬器”構(gòu)想，以此為抓手，完善流域 “空-天-地”一體化立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集成流域水環(huán)境綜合治理技術(shù)，提出流域系統(tǒng)調(diào)控和管理技術(shù)方案，為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)支撐。經(jīng)過(guò)3年對(duì)長(zhǎng)江模擬器的聯(lián)合研究，取得了一些初步成果。本文在總結(jié)前期研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹長(zhǎng)江模擬器的內(nèi)涵、理論體系、方法體系和服務(wù)體系等主要內(nèi)容。

2 長(zhǎng)江模擬器的概念與系統(tǒng)框架

2．1 長(zhǎng)江模擬器的概念與內(nèi)涵 長(zhǎng)江模擬器，是指以長(zhǎng)江流域?yàn)閷?duì)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(tǒng)及科學(xué)裝置。長(zhǎng)江流域模擬器強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)江上、中、下游以及湖庫(kù)-岸線-城市群的互聯(lián)互動(dòng)，強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)江洪水防御、水力發(fā)電與水生生物保護(hù)等的聯(lián)合調(diào)度，強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)江流域保護(hù)與發(fā)展的協(xié)調(diào)，具有 “監(jiān)測(cè)—模擬—評(píng)估—預(yù)警—決策—調(diào)控”一體化功能?？梢哉f(shuō)，長(zhǎng)江模擬器是一般 “流域模擬器”在長(zhǎng)江流域應(yīng)用的一個(gè)范例。反過(guò)來(lái)，長(zhǎng)江模擬器也為一般流域模擬器建設(shè)提供一個(gè)可以移植與應(yīng)用的范式。當(dāng)然，由于地理 “水、土、氣、生和人地關(guān)系”的空間分異特征，每個(gè)具體的流域模擬器都需要針對(duì)各自流域的特色研發(fā)和建立。

基于對(duì)長(zhǎng)江模擬器概念解讀和認(rèn)識(shí)，將其內(nèi)涵概括為以下5個(gè)方面：

（1）是以流域水循環(huán)為紐帶，多過(guò)程耦合模擬的大科學(xué)裝置。長(zhǎng)江模擬器是以流域水循環(huán)為紐帶，綜合考慮流域上、中、下游和左岸、右岸以及陸海統(tǒng)籌的自然過(guò)程與人文過(guò)程以及其子過(guò)程的多過(guò)程相互作用，耦合模擬多過(guò)程作用，構(gòu)建的一個(gè)大科學(xué)裝置，不僅有 “軟件”開發(fā)而且需要建設(shè)監(jiān)測(cè)、服務(wù)等 “硬件”工程。

（2）是多源海量數(shù)據(jù)融合共享平臺(tái)。構(gòu)建基于水利、生態(tài)環(huán)境、自然資源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城建等部門以及不同單位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享機(jī)制，推動(dòng)不同層級(jí)、不同職能部門多源數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)共享。長(zhǎng)江模擬器應(yīng)打造這樣一個(gè)數(shù)據(jù)融合共享平臺(tái)及機(jī)制，即不以占有其他單位或個(gè)人的數(shù)據(jù)為導(dǎo)向，更加注重?cái)?shù)據(jù)之間的調(diào)用（非占有）。

（3）是集成不同專業(yè)模型的 “大腦”中樞。集成水系統(tǒng)、土地利用、大氣、生物、城市、農(nóng)業(yè)、工程規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)、工程運(yùn)行調(diào)度、災(zāi)害（包括洪澇、干旱、地震、泥石流等）和公共管理等不同專業(yè)模型，形成模擬器的 “大腦”中樞。在模擬器研發(fā)和建設(shè)中，不宜關(guān)注占有或?qū)W會(huì)其他單位或個(gè)人的模型，而要注重模型之間的調(diào)用或集成使用（非占有）。

（4）是技術(shù)方法與人工經(jīng)驗(yàn)集成的應(yīng)用系統(tǒng)。研發(fā)長(zhǎng)江模擬器是一項(xiàng)十分復(fù)雜的科學(xué)工程，必然要采用或攻克一大批相關(guān)技術(shù)，特別需要吸收大量人工經(jīng)驗(yàn)，它是一個(gè)深度集成技術(shù)方法與人工經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用系統(tǒng)。

（5）是面向不同需求的開放可拓展服務(wù)系統(tǒng)。推動(dòng)建立一個(gè)具有開放性、可拓展性的耦合集成系統(tǒng)，可為不同學(xué)科的科學(xué)技術(shù)人員、不同層級(jí)的政府管理與決策部門等，提供科學(xué)、及時(shí)、有效和準(zhǔn)確的服務(wù)。

2．2 長(zhǎng)江模擬器的功能和系統(tǒng)框架

2．2．1 長(zhǎng)江模擬器功能 長(zhǎng)江模擬器以 “了解過(guò)去長(zhǎng)江、認(rèn)識(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)江、展望未來(lái)長(zhǎng)江”為目標(biāo)，將著重實(shí)現(xiàn)6大功能。

（1）監(jiān)測(cè)：為模擬器獲取信息途徑的統(tǒng)稱，主要包括流域水文、氣象、環(huán)境、生態(tài)、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、土地利用、工程建設(shè)等人類活動(dòng)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)要素等。監(jiān)測(cè)手段多樣，比如遙感監(jiān)測(cè)（衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、飛艇）、水文和水環(huán)境監(jiān)測(cè)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)要素調(diào)查統(tǒng)計(jì)等，重點(diǎn)要打通各行業(yè)部門間數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的共享壁壘，建立 “我為人人，人人為我”的多贏共享機(jī)制。

（2）模擬：為模擬器根據(jù)輸入信息進(jìn)行的各種模擬工作，是模擬器的核心工作。其模擬的內(nèi)容很多，比如，模擬流域水循環(huán)過(guò)程、地表植被動(dòng)態(tài)過(guò)程與生物地球化學(xué)過(guò)程、陸氣耦合過(guò)程、氣象要素演變過(guò)程、水生生物種群動(dòng)態(tài)及空間進(jìn)化和演變過(guò)程、地殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程、污染物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化、工程影響過(guò)程與作用大小、受自然-人文過(guò)程影響的疫情傳播過(guò)程等。

（3）評(píng)估：應(yīng)用模擬器評(píng)估流域地理環(huán)境變遷、地質(zhì)板塊運(yùn)動(dòng)、湖泊演化及發(fā)展過(guò)程，評(píng)估流域不同子流域和全區(qū)域水系統(tǒng)健康狀態(tài)，評(píng)估不同區(qū)域綠色發(fā)展水平，評(píng)估工程建設(shè)等人類活動(dòng)的影響作用與后果等。

（4）預(yù)警：基于模擬器運(yùn)用，可以對(duì)流域旱澇災(zāi)害預(yù)警、環(huán)境污染預(yù)警、河湖水生態(tài)退化預(yù)警、泥石流災(zāi)害預(yù)警以及疫情等公共事件預(yù)警等。

（5）決策：基于模擬器運(yùn)用，可以實(shí)施溯源歸因分析，進(jìn)而對(duì)重大工程建設(shè)方案選擇、水資源管理、污染治理及管控、災(zāi)害防控及減災(zāi)、疫情防控管理等方面進(jìn)行科學(xué)決策。

（6）調(diào)控：基于模擬器運(yùn)用，可以開展水系統(tǒng)宏觀調(diào)控、工程規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)、水網(wǎng)優(yōu)化布局、面源污染防治、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、疫情防控等工作。

2．2．2 長(zhǎng)江模擬器的系統(tǒng)框架 長(zhǎng)江模擬器由感知體系、模擬體系、服務(wù)體系3大體系組成（如圖1）。感知體系是長(zhǎng)江模擬器的信息來(lái)源，包括多源信息監(jiān)測(cè) “硬件”建設(shè)和信息收集 “軟件”建設(shè)，有立體監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)共享等功能或內(nèi)容，具有4大數(shù)據(jù)源，即水-土-氣-生監(jiān)測(cè)、地形地貌地質(zhì)觀測(cè)、主要人類活動(dòng)監(jiān)控、經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。模擬體系是長(zhǎng)江模擬器 “大腦”中樞，其功能目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)虛擬長(zhǎng)江、數(shù)字長(zhǎng)江、模型長(zhǎng)江、仿真長(zhǎng)江、智慧長(zhǎng)江，開展3大過(guò)程模擬，包括物理過(guò)程、生物地球化學(xué)過(guò)程、人文過(guò)程（物理過(guò)程、生物地球化學(xué)過(guò)程屬于自然過(guò)程）。服務(wù)體系是長(zhǎng)江模擬器發(fā)揮重要作用的服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn) “了解過(guò)去長(zhǎng)江、認(rèn)識(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)江、展望未來(lái)長(zhǎng)江”的目標(biāo)，具有6大服務(wù)，即科技創(chuàng)新服務(wù)、綜合治理服務(wù)、政府決策服務(wù)、應(yīng)急管理服務(wù)、公眾文化服務(wù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。

圖1 長(zhǎng)江模擬器的概念與框架描述

3 長(zhǎng)江模擬器的理論體系

3．1 長(zhǎng)江模擬器建設(shè)的難點(diǎn)科學(xué)問題 長(zhǎng)江模擬器是一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)，隨著其建設(shè)的推進(jìn)將面臨一些關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難點(diǎn)需要研究、探索和解決。目前已認(rèn)識(shí)到的主要有：

（1）自然過(guò)程、人文過(guò)程變化機(jī)理及定量表達(dá)問題。不同過(guò)程或系統(tǒng)之間存在高時(shí)空變異性、強(qiáng)不確定性［9］以及非線性，認(rèn)識(shí)各過(guò)程變化與要素的定量表達(dá)是破解長(zhǎng)江模擬器建設(shè)的根本與基礎(chǔ)，也是難點(diǎn)科學(xué)問題。

（2）自然過(guò)程、人文過(guò)程及其子過(guò)程的多過(guò)程互饋耦合問題。長(zhǎng)江模擬器是認(rèn)識(shí)多過(guò)程復(fù)雜系統(tǒng)變化規(guī)律以及系統(tǒng)調(diào)控的重要手段和科學(xué)基礎(chǔ)，涉及到多過(guò)程耦合模擬，尤其不同過(guò)程之間的耦合與解耦，是建設(shè)長(zhǎng)江模擬器的核心與關(guān)鍵，也是難點(diǎn)科學(xué)問題。

（3）空間多尺度、時(shí)間多尺度的耦合模擬問題。隨著尺度、維度的增加，系統(tǒng)的復(fù)雜性與不確定性愈突出，表現(xiàn)在：空間變異性、單元與系統(tǒng)不一致性、模型的參數(shù)化及不同尺度模型的耦合問題。長(zhǎng)江模擬器建設(shè)不可避免要解決國(guó)家-流域-不同分區(qū)等空間多尺度、地質(zhì)年代-年-月-日時(shí)間多尺度的耦合模擬問題，也是難點(diǎn)科學(xué)問題。

3．2 長(zhǎng)江模擬器的理論體系 長(zhǎng)江模擬器具有多學(xué)科交叉融合、研究體系復(fù)雜又相互聯(lián)系等特點(diǎn)。建設(shè)如此浩大的科學(xué)工程，需要構(gòu)建一個(gè)相對(duì)完善的理論體系。長(zhǎng)江模擬器涉及的學(xué)科包括基礎(chǔ)學(xué)科和相關(guān)專業(yè)學(xué)科兩大類以及他們的交叉學(xué)科。其中，基礎(chǔ)學(xué)科有數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、地球科學(xué)等；相關(guān)專業(yè)學(xué)科有水利工程、環(huán)境科學(xué)、安全工程、管理學(xué)等。交叉學(xué)科涉及到地球系統(tǒng)科學(xué)（地球系統(tǒng)的水圈、大氣圈、土壤圈、巖石圈、生物圈以及人類圈等多圈層交叉）和流域系統(tǒng)科學(xué)（包括現(xiàn)代地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)學(xué)、信息學(xué)、水科學(xué)的多學(xué)科交叉）。因此，這些學(xué)科的主要理論都應(yīng)該納入長(zhǎng)江模擬器的理論基礎(chǔ)。當(dāng)然，針對(duì)長(zhǎng)江模擬器的特點(diǎn)，需要重點(diǎn)發(fā)展以下基本理論。

（1）地球系統(tǒng)科學(xué)理論。長(zhǎng)江模擬器的核心基礎(chǔ)是地球系統(tǒng)科學(xué)理論。近年來(lái)，地球科學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)研究無(wú)論在深度上、廣度上均取得了快速的發(fā)展［10］。長(zhǎng)江模擬器涉及到的學(xué)科或理論包括大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、陸地表層自然地理過(guò)程、陸地生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學(xué)過(guò)程、水文學(xué)、空間科學(xué)等。

（2）經(jīng)濟(jì)社會(huì)科學(xué)理論。自然系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)之間具有共同演進(jìn)和相互依存的關(guān)系，經(jīng)濟(jì)社會(huì)行為是自然生態(tài)系統(tǒng)不可缺少的組成部分并會(huì)重塑整個(gè)系統(tǒng)。長(zhǎng)江模擬器需要加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)科學(xué)及其相關(guān)理論在地球科學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域的交叉應(yīng)用與綜合集成。

（3）信息科學(xué)理論。長(zhǎng)江模擬器的感知體系、模擬體系、服務(wù)體系都需要大量的先進(jìn)信息技術(shù)作支撐；迫切需要將傳統(tǒng)的水文、環(huán)境、地質(zhì)等觀測(cè)手段與當(dāng)前的新技術(shù)，包括大量使用傳感器網(wǎng)絡(luò)及不同尺度的信息觀測(cè)技術(shù)相結(jié)合；需要基于先進(jìn)模擬軟件和精準(zhǔn)快捷的系統(tǒng)平臺(tái)。

4 長(zhǎng)江模擬器的方法體系

4．1 方法體系概述 長(zhǎng)江模擬器致力于解決流域復(fù)雜的自然過(guò)程與人文過(guò)程相互作用的系統(tǒng)問題，其建設(shè)涉及到多學(xué)科的融合交叉，需要貫徹系統(tǒng)科學(xué)思想、學(xué)科交叉思想，需要以一系列的方法體系為支撐，為長(zhǎng)江模擬器的建設(shè)提供技術(shù)保障。從長(zhǎng)江模擬器的概念和內(nèi)涵出發(fā)，在長(zhǎng)江模擬器的理論體系和功能框架的基礎(chǔ)上，分別從感知體系、模擬體系、服務(wù)體系研發(fā)的需求角度，提出了長(zhǎng)江模擬器的方法體系，包括五大類關(guān)鍵技術(shù)、四大類主要方法，如圖2。

圖2 長(zhǎng)江模擬器的理論方法體系

4．2 五大類關(guān)鍵技術(shù)

（1）智能感知技術(shù)。面向長(zhǎng)江流域水文、水環(huán)境、水生態(tài)、河道監(jiān)測(cè)、水文預(yù)報(bào)、水庫(kù)調(diào)度、水資源配置、泥沙演變、產(chǎn)業(yè)布局、人口遷移、公共安全事件變化等多種現(xiàn)實(shí)需求，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、遙測(cè)、遙感、5G加北斗等先進(jìn)技術(shù)手段，構(gòu)建長(zhǎng)江模擬器的空-天-地一體化智能感知平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析、服務(wù)等的信息化、全面化、自動(dòng)化發(fā)展［11］，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、資料數(shù)據(jù)化、模型定量化、決策智能化、管理信息化和政策制度標(biāo)準(zhǔn)化［12］。

（2）數(shù)據(jù)融合技術(shù)。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是指對(duì)各種信息源給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、綜合、分析，從中提取出表達(dá)準(zhǔn)確、現(xiàn)勢(shì)性好、精度高、內(nèi)容全的要素進(jìn)行整合，從而構(gòu)建新的數(shù)據(jù)集，以便輔助人們進(jìn)行態(tài)勢(shì)或環(huán)境判定、規(guī)劃、探測(cè)、驗(yàn)證、診斷［13-14］。數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合3類，數(shù)據(jù)層融合是直接對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合與分析，特征層融合是對(duì)原始數(shù)據(jù)的特征信息進(jìn)行綜合分析和處理，決策層融合是對(duì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理后進(jìn)行決策判決，獲得最終推斷結(jié)果。

（3）計(jì)算支撐技術(shù)。構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜且高度集成的流域模擬器，需要計(jì)算支撐技術(shù)在其中起到關(guān)鍵性作用［15］。具體的內(nèi)容可分為海量數(shù)據(jù)的收集與處理、流域業(yè)務(wù)的機(jī)理模擬、模型的高效計(jì)算、智慧平臺(tái)的搭建、業(yè)務(wù)化的應(yīng)用等［16］。長(zhǎng)江模擬器在云計(jì)算、霧計(jì)算、邊緣計(jì)算、集成計(jì)算等算法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多模型耦合高性能的一體化計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用業(yè)務(wù)的部署［17-18］。

（4）應(yīng)急處理技術(shù)。針對(duì)洪澇災(zāi)害、干旱災(zāi)害、泥石流災(zāi)害、污染事件、公共衛(wèi)生事件等應(yīng)急事件，需要應(yīng)用一系列應(yīng)急處理技術(shù)［19］，及時(shí)做出應(yīng)急處置預(yù)案和指揮指令。比如，污染事件快速應(yīng)對(duì)處理，包括污染過(guò)程和范圍模擬及危害預(yù)判、物理處理法、物理化學(xué)處理法和生物化學(xué)處理法等處置方案制定；洪澇災(zāi)害應(yīng)急處置，包括預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)案、預(yù)演等技術(shù)。

（5）服務(wù)構(gòu)建技術(shù)。以多元化服務(wù)為導(dǎo)向，以多元化信息服務(wù)為抓手，運(yùn)用移動(dòng)互聯(lián)、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)分析等研發(fā)技術(shù)，構(gòu)建長(zhǎng)江模擬器服務(wù)體系，提升全社會(huì)感水、治水、節(jié)水、管水服務(wù)水平，實(shí)現(xiàn)人與人、人與水、水與水之間的互聯(lián)互通。

4．3 四大類主要方法

（1）計(jì)算資源調(diào)配方法。長(zhǎng)江模擬器將進(jìn)行大規(guī)模的模型耦合，需要輸入大量數(shù)據(jù)和耗費(fèi)大量機(jī)時(shí)，因此需要合理地調(diào)配計(jì)算資源。計(jì)算資源調(diào)配包括資源調(diào)度、并行計(jì)算、耦合器引用等方法。資源調(diào)度方法主要是節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的CPU資源，通過(guò)確定執(zhí)行順序，實(shí)現(xiàn)資源共享［20］。并行計(jì)算方法主要是采用查找表方法和其他近似技術(shù)并行計(jì)算，減少計(jì)算工作的時(shí)間、空間冗余，實(shí)現(xiàn)多個(gè)核心的負(fù)載平衡［21］。耦合器通過(guò)子模型單向或雙向耦合的方式，改善潛在的子模型時(shí)空尺度不匹配問題，提高模擬器的適用性和高分辨率模擬［22-23］。

（2）數(shù)值模擬計(jì)算方法。通過(guò)長(zhǎng)江模擬器的數(shù)值模擬計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人類活動(dòng)和氣候變化雙重影響下水體污染動(dòng)態(tài)、焦點(diǎn)物種棲息地狀況、政策決策和社會(huì)活動(dòng)綜合影響的評(píng)價(jià)，為管理機(jī)構(gòu)和上級(jí)機(jī)關(guān)進(jìn)行科學(xué)合理的決策提供支撐，為正確引導(dǎo)社會(huì)輿情提供科學(xué)依據(jù)。

（3）人工智能模擬方法。與傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)方法相比，人工智能可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析情況，不斷調(diào)整計(jì)算方法，以適應(yīng)執(zhí)行結(jié)果的變化［24］，因此人工智能模擬方法可對(duì)長(zhǎng)江模擬器生成的海量數(shù)據(jù)的信息挖掘與應(yīng)用提供重要支撐。典型的人工智能模擬方法包括但不限于：支持向量機(jī)、邏輯回歸、決策樹、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)等［24］。

（4）優(yōu)化決策調(diào)控方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，多目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法、系統(tǒng)分析方法、人工智能算法等均被用于支持優(yōu)化決策調(diào)控［25］，決策調(diào)控也從以往單一目標(biāo)、單一規(guī)則，逐步向多目標(biāo)、多規(guī)則、多用戶、多階段的系統(tǒng)整體優(yōu)化方向發(fā)展。長(zhǎng)江模擬器大量運(yùn)用多種優(yōu)化決策調(diào)控方法。

5 長(zhǎng)江模擬器的服務(wù)體系及應(yīng)用實(shí)踐

5．1 長(zhǎng)江模擬器服務(wù)體系 長(zhǎng)江模擬器隨時(shí)為客服提供個(gè)性化訂單式服務(wù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)精準(zhǔn)投遞，滿足不同方面的服務(wù)需求。按照長(zhǎng)江模擬器的功能劃分，可歸納為六大服務(wù)，分別是科技創(chuàng)新服務(wù)、綜合治理服務(wù)、政府決策服務(wù)、應(yīng)急管理服務(wù)、公眾文化服務(wù)和數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。每大類服務(wù)中又包括很多具體服務(wù)內(nèi)容，如圖3。

圖3 長(zhǎng)江模擬器的服務(wù)體系

（1）科技創(chuàng)新服務(wù)。這是長(zhǎng)江模擬器支撐各類基礎(chǔ)研究的高效平臺(tái)，包括基礎(chǔ)研究服務(wù)、模擬研究服務(wù)、開放平臺(tái)服務(wù)等。長(zhǎng)江模擬器是一個(gè)集成多學(xué)科、多方向的基礎(chǔ)研究開放平臺(tái)，為長(zhǎng)江流域的基礎(chǔ)科學(xué)及應(yīng)用研究提供有力支撐。

（2）綜合治理服務(wù)。這是長(zhǎng)江模擬器支撐流域綜合治理的技術(shù)庫(kù)，包括治理技術(shù)服務(wù)、對(duì)策模擬服務(wù)、方案制定服務(wù)等。通過(guò)長(zhǎng)江模擬器平臺(tái)，對(duì)流域 “山、水、林、田、湖、草、沙”自然與人類相互作用的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)治理提供關(guān)鍵技術(shù)。

（3）政府決策服務(wù)。這是長(zhǎng)江模擬器支撐政府宏觀決策的重要工具，包括戰(zhàn)略決策服務(wù)、行業(yè)管理服務(wù)、政策推演服務(wù)等。通過(guò)長(zhǎng)江模擬器模擬與調(diào)控，為政府包括水利、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、交通、國(guó)土空間規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)布局等多部門、跨區(qū)域的協(xié)調(diào)管理與政策制定提供有效對(duì)策。

（4）應(yīng)急管理服務(wù)。這是長(zhǎng)江模擬器面向防災(zāi)減災(zāi)重大需求的有力武器，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)、災(zāi)害預(yù)警服務(wù)、調(diào)度預(yù)案服務(wù)等。通過(guò)長(zhǎng)江模擬器模擬與決策，能夠有效地對(duì)各類突發(fā)事件包括山洪、地震、污染、滑坡、泥石流等事件進(jìn)行預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案，達(dá)到應(yīng)急管理的目的。

（5）公共文化服務(wù)。這是長(zhǎng)江模擬器完善社會(huì)公眾參與的有效手段，包括信息查詢服務(wù)、科普教育服務(wù)、文化傳播服務(wù)等。通過(guò)長(zhǎng)江模擬器提供的服務(wù)，可以為廣大公眾提供可靠的基礎(chǔ)信息、科學(xué)分析結(jié)果、正確文化方向。

（6）數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。這是長(zhǎng)江模擬器最基礎(chǔ)的一類服務(wù)內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)、數(shù)據(jù)調(diào)用服務(wù)等。通過(guò)長(zhǎng)江模擬器數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，為不同用戶提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析結(jié)果以及不易公開或不易獲取數(shù)據(jù)的調(diào)用等服務(wù)。

5．2 應(yīng)用實(shí)踐 自2019年，依托中國(guó)科學(xué)院 “美麗中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)科技工程”A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng) “長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶干流水環(huán)境水生態(tài)綜合治理與應(yīng)用”項(xiàng)目，筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了 “長(zhǎng)江模擬器1．0”，針對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶干流水環(huán)境水生態(tài)問題，聚焦長(zhǎng)江干流與湖庫(kù)-岸線-城市群的江湖關(guān)系、江城關(guān)系、岸線演變，開展了長(zhǎng)江干流感知體系、模擬體系和服務(wù)體系初步內(nèi)容的研發(fā)，內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 長(zhǎng)江模擬器1．0內(nèi)容結(jié)構(gòu)

按照長(zhǎng)江模擬器框架，本次研發(fā)的模擬器同樣包括感知體系、模擬體系、服務(wù)體系。感知體系以監(jiān)測(cè)體系建設(shè)為主。

在感知體系研發(fā)方面，針對(duì)長(zhǎng)江干流與湖庫(kù)、岸線、城市群互動(dòng)關(guān)系研究需求，初步構(gòu)建了長(zhǎng)江干流湖庫(kù)-岸線-城市群的 “空-天-地”一體化綜合立體監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系，包括 “空”GEO/MEO/LEO衛(wèi)星、“天”飛機(jī)/飛艇/氣球/無(wú)人機(jī)、“地”水下機(jī)器人/無(wú)人船/潛艇。研發(fā)水文氣象要素和水環(huán)境觀測(cè)技術(shù)與裝備，包括北斗/GNSS-R反射測(cè)量及激光測(cè)高等、水質(zhì)分析儀、高光譜成像儀等；利用 “空-天-地”一體化觀測(cè)反演長(zhǎng)江水生態(tài)水環(huán)境參數(shù)；構(gòu)建與不同行業(yè)部門現(xiàn)有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的共享合作機(jī)制，聯(lián)合打造長(zhǎng)江水生態(tài)水環(huán)境一體化監(jiān)測(cè)體系與信息平臺(tái)。

在模擬體系研發(fā)方面，構(gòu)建了長(zhǎng)江干流水系統(tǒng)綜合模擬與調(diào)控平臺(tái)，涉及陸氣耦合模型、流域分布式水文模擬模型、流域面源模擬模型、三峽水庫(kù)水動(dòng)力-水質(zhì)-調(diào)度耦合模型、長(zhǎng)江中下游干流水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型、鄱陽(yáng)湖及洞庭湖二維水動(dòng)力模型、長(zhǎng)江干流典型斷面水生態(tài)模擬模型、長(zhǎng)江干流典型城市水系統(tǒng)模型等。該集成模型在水文過(guò)程、水動(dòng)力過(guò)程、三峽水庫(kù)調(diào)度、城市水系統(tǒng)等模擬方面得到了檢驗(yàn)，在以三峽水庫(kù)為核心的長(zhǎng)江上游水庫(kù)調(diào)度影響下長(zhǎng)江中下游干流江湖關(guān)系的演變、典型斷面水生態(tài)指標(biāo)的變化、武漢城市水系統(tǒng)的相互作用等方面得到應(yīng)用。

在服務(wù)體系研發(fā)方面，公共文化服務(wù)體系與廣陽(yáng)島大河文明館同步建設(shè)公眾教育平臺(tái)；科技創(chuàng)新服務(wù)方面，建設(shè)了長(zhǎng)江干流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)、模擬模型平臺(tái)，為基礎(chǔ)研究、應(yīng)用服務(wù)打下了基礎(chǔ)；政府決策服務(wù)方面，通過(guò)咨詢報(bào)告等為行業(yè)及區(qū)域管理提供了重要的決策咨詢建議；流域綜合治理服務(wù)方面，構(gòu)建了典型湖泊/湖區(qū)水生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)、城市水環(huán)境水生態(tài)綜合治理關(guān)鍵技術(shù)、長(zhǎng)江干流岸線生態(tài)修復(fù)及調(diào)控技術(shù)等，初步實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)服務(wù)體系。

6 結(jié)論與展望

本文針對(duì)以水為紐帶的長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶 “湖庫(kù)-岸線-城市群”綠色發(fā)展所面臨亟待解決的生態(tài)環(huán)境問題，提出通過(guò)構(gòu)建以長(zhǎng)江流域?yàn)閷?duì)象，以流域水循環(huán)為紐帶，將自然過(guò)程與人文過(guò)程相耦合的流域模擬系統(tǒng)及其科學(xué)裝置，研發(fā)長(zhǎng)江模擬器。本文系統(tǒng)介紹了長(zhǎng)江模擬器的概念與內(nèi)涵，從理論體系、方法體系和服務(wù)體系三個(gè)方面詳細(xì)闡述了長(zhǎng)江模擬器建設(shè)的主要內(nèi)容。

與一般的流域模型或數(shù)值模擬裝置相比，長(zhǎng)江模擬器具有以下明顯特色或優(yōu)勢(shì)：長(zhǎng)江模擬器是以流域水循環(huán)為紐帶，耦合多過(guò)程模擬，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的大科學(xué)裝置；通過(guò)建立不同層次、不同部門之間的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同行業(yè)、不同類型數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，打破行業(yè)數(shù)據(jù)共享壁壘；通過(guò)耦合不同的監(jiān)測(cè)技術(shù)、模型方法、治理及災(zāi)害管理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)跨越不同行業(yè)和部門的模型融合，打造一個(gè)具有開放性和可拓展性的耦合集成大科學(xué)裝置；特別強(qiáng)調(diào)其服務(wù)體系，為不同層級(jí)的政府管理和決策部門提供科學(xué)、及時(shí)、有效和準(zhǔn)確的服務(wù)。

長(zhǎng)江模擬器是一個(gè)大科學(xué)裝置以及將監(jiān)測(cè)監(jiān)控、多過(guò)程模擬、決策與應(yīng)用對(duì)象（即長(zhǎng)江湖庫(kù)-岸線-城市群等）實(shí)體耦合的系統(tǒng)，涉及的學(xué)科多、部門多、人員多，投入大，非本文幾位作者所能完成的。目前的研究成果是集長(zhǎng)江沿線多個(gè)中國(guó)科學(xué)院研究所/院以及相關(guān)高校和企業(yè)聯(lián)合的一個(gè)龐大團(tuán)隊(duì)的集體成果。向參加長(zhǎng)江模擬器建設(shè)的所有團(tuán)隊(duì)成員和單位表示感謝，感謝中國(guó)科學(xué)院美麗中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)科技工程專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的支持。

目前研發(fā)的長(zhǎng)江模擬器只能算上是初代產(chǎn)品，還遠(yuǎn)不能達(dá)到本文描繪的長(zhǎng)江模擬器框架，估計(jì)需要廣大科技工作者花費(fèi)數(shù)十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的努力，來(lái)不斷改進(jìn)和完善長(zhǎng)江模擬器，具體包括：（1）加強(qiáng)地球系統(tǒng)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)科學(xué)和信息科學(xué)等學(xué)科的交叉融合，攻克智能感知、數(shù)據(jù)融合、計(jì)算支撐、應(yīng)急處理和服務(wù)構(gòu)建等技術(shù)瓶頸，大力發(fā)展計(jì)算資源調(diào)配、數(shù)值模擬計(jì)算、人工智能模擬和優(yōu)化決策調(diào)控等方法及其耦合技術(shù)；（2）圍繞感知體系、模擬體系和服務(wù)體系建設(shè)，逐步實(shí)現(xiàn)從對(duì)流域水-土-氣-生及人地系統(tǒng)的模擬，跨越式發(fā)展到具備全流域感知體系、全流域模擬體系；（3）全面建成科技創(chuàng)新、綜合治理、政府決策、應(yīng)急管理、公眾文化以及數(shù)據(jù)應(yīng)用等服務(wù)體系的流域一體化大科學(xué)裝置。