长江模拟器的理论方法与实践探索

夏 军，占车生，曾思栋，邹 磊，佘敦先，左其亭

（1．武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2．中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101；3．中国科学院 重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714；4．郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001）

1 研究背景

长江是中国第一大河，世界第三大河，拥有丰富的水资源储量和水生生物资源，在国家区域协调发展总体格局中具有重要战略地位［1］。自2014年国务院发布 《关于依托黄金水道推动长江经济带发展的指导意见》以来，长江经济带在推动国家区域经济社会可持续发展的战略地位愈来愈凸显［2］。但是，流域可持续发展面对的生态与环境问题，包括面源及总磷污染、河湖萎缩和生物多样性损失等也非常突出。究其原因，长江保护与修复工作亟待加强流域系统层面的统一与协调机制和强有力的科技支撑［3］。受全球气候变化和流域经济开发等人类活动影响，未来长江流域生态环境保护形势依然严峻复杂，水环境和水生态改善任务依然面临巨大挑战。2016年1月，在重庆召开的推动长江经济带发展座谈会上，习近平总书记提出要 “共抓大保护、不搞大开发”，走 “生态优先、绿色发展”之路。新形势下，亟需贯彻落实 《长江保护法》，尽早建立长江流域实质性运行协调机制，部署研发支撑流域生态环境保护和综合管理的系统模拟装置，为推动长江流域生态环境与经济社会协调发展提供有力保障。

近年来，围绕地球系统或流域系统的监测、模拟、评估和决策等问题，国内外众多学者开展了大量研究。如曾庆存等［4］提出的国家重大科技基础设置 “地球系统数值模拟装置”，主要研究地球系统大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈的物理、化学、生物过程及其相互作用，探究上述相互作用对地球系统整体和我国区域气候和生态环境的影响。于贵瑞等［5］提出了以自然-社会-经济复合生态系统为研究对象，集 “多源数据分析-生态过程模拟-时空格局评估-生态预测预警”为一体，主要用于宏观生态系统模拟分析的 “陆地生态系统数值模拟器”概念。Holden等［6］开发了 “PALEO-PGEM v1．0（Paleoclimate PLASIM-GENIE）”模拟器，可重建上新世—更新世时期的古气候。Beusch等［7］构建了具有空间分辨输出的模块化地球系统模拟器（MESMER），并提出了MAGICC-MESMER（排放驱动模拟器-空间解析模拟器）耦合模拟器，可对区域内多种排放路径的影响进行评估。Nath等［8］在现有年度尺度地球系统模拟器（MESMER）的基础上，通过增加月度降尺度模块，提出了MESMER-M模拟器。上述众多模拟器多侧重于整个地球系统或者是某一个学科领域，从广度上来说，面向整个地球系统，其分辨率往往较粗，不足以刻画一个具体流域的详细过程；从深度上来说，上述模拟装置多关注某一个或者几个过程之间的耦合及关联分析，对涉及到以水为核心、综合考虑水文、地理、资源、环境、生态、自然灾害、公共管理、人类健康等多个跨学科的过程认识仍然考虑不足。

围绕 “美丽中国”生态文明建设的目标和任务，为了科学刻画 “美丽中国”生态文明建设“2035目标”和 “2050愿景”科学蓝图与实施途径，中国科学院于2019年启动了 “美丽中国生态文明科技建设工程”专项，其中项目四 “长江经济带干流水环境水生态综合治理与应用”主要针对以水为纽带的长江经济带 “湖库-岸线-城市群”绿色发展所面临亟待解决的生态环境问题。笔者的研究团队于2019年率先提出了 “长江模拟器”构想，以此为抓手，完善流域 “空-天-地”一体化立体监测系统，集成流域水环境综合治理技术，提出流域系统调控和管理技术方案，为长江经济带高质量发展提供科学支撑。经过3年对长江模拟器的联合研究，取得了一些初步成果。本文在总结前期研究成果的基础上，系统介绍长江模拟器的内涵、理论体系、方法体系和服务体系等主要内容。

2 长江模拟器的概念与系统框架

2．1 长江模拟器的概念与内涵 长江模拟器，是指以长江流域为对象，以流域水循环为纽带，将自然过程与人文过程相耦合而研发的流域模拟系统及科学装置。长江流域模拟器强调长江上、中、下游以及湖库-岸线-城市群的互联互动，强调长江洪水防御、水力发电与水生生物保护等的联合调度，强调长江流域保护与发展的协调，具有 “监测—模拟—评估—预警—决策—调控”一体化功能。可以说，长江模拟器是一般 “流域模拟器”在长江流域应用的一个范例。反过来，长江模拟器也为一般流域模拟器建设提供一个可以移植与应用的范式。当然，由于地理 “水、土、气、生和人地关系”的空间分异特征，每个具体的流域模拟器都需要针对各自流域的特色研发和建立。

基于对长江模拟器概念解读和认识，将其内涵概括为以下5个方面：

（1）是以流域水循环为纽带，多过程耦合模拟的大科学装置。长江模拟器是以流域水循环为纽带，综合考虑流域上、中、下游和左岸、右岸以及陆海统筹的自然过程与人文过程以及其子过程的多过程相互作用，耦合模拟多过程作用，构建的一个大科学装置，不仅有 “软件”开发而且需要建设监测、服务等 “硬件”工程。

（2）是多源海量数据融合共享平台。构建基于水利、生态环境、自然资源、农业、林业、城建等部门以及不同单位监测数据的共享机制，推动不同层级、不同职能部门多源数据融合和数据共享。长江模拟器应打造这样一个数据融合共享平台及机制，即不以占有其他单位或个人的数据为导向，更加注重数据之间的调用（非占有）。

（3）是集成不同专业模型的 “大脑”中枢。集成水系统、土地利用、大气、生物、城市、农业、工程规划设计与建设、工程运行调度、灾害（包括洪涝、干旱、地震、泥石流等）和公共管理等不同专业模型，形成模拟器的 “大脑”中枢。在模拟器研发和建设中，不宜关注占有或学会其他单位或个人的模型，而要注重模型之间的调用或集成使用（非占有）。

（4）是技术方法与人工经验集成的应用系统。研发长江模拟器是一项十分复杂的科学工程，必然要采用或攻克一大批相关技术，特别需要吸收大量人工经验，它是一个深度集成技术方法与人工经验的应用系统。

（5）是面向不同需求的开放可拓展服务系统。推动建立一个具有开放性、可拓展性的耦合集成系统，可为不同学科的科学技术人员、不同层级的政府管理与决策部门等，提供科学、及时、有效和准确的服务。

2．2 长江模拟器的功能和系统框架

2．2．1 长江模拟器功能 长江模拟器以 “了解过去长江、认识现在长江、展望未来长江”为目标，将着重实现6大功能。

（1）监测：为模拟器获取信息途径的统称，主要包括流域水文、气象、环境、生态、地形地貌、地质构造、土地利用、工程建设等人类活动以及经济社会要素等。监测手段多样，比如遥感监测（卫星、无人机、飞艇）、水文和水环境监测、经济社会要素调查统计等，重点要打通各行业部门间数据监测的共享壁垒，建立 “我为人人，人人为我”的多赢共享机制。

（2）模拟：为模拟器根据输入信息进行的各种模拟工作，是模拟器的核心工作。其模拟的内容很多，比如，模拟流域水循环过程、地表植被动态过程与生物地球化学过程、陆气耦合过程、气象要素演变过程、水生生物种群动态及空间进化和演变过程、地壳运动过程、污染物质迁移转化、工程影响过程与作用大小、受自然-人文过程影响的疫情传播过程等。

（3）评估：应用模拟器评估流域地理环境变迁、地质板块运动、湖泊演化及发展过程，评估流域不同子流域和全区域水系统健康状态，评估不同区域绿色发展水平，评估工程建设等人类活动的影响作用与后果等。

（4）预警：基于模拟器运用，可以对流域旱涝灾害预警、环境污染预警、河湖水生态退化预警、泥石流灾害预警以及疫情等公共事件预警等。

（5）决策：基于模拟器运用，可以实施溯源归因分析，进而对重大工程建设方案选择、水资源管理、污染治理及管控、灾害防控及减灾、疫情防控管理等方面进行科学决策。

（6）调控：基于模拟器运用，可以开展水系统宏观调控、工程规划设计与建设、水网优化布局、面源污染防治、产业结构调整、疫情防控等工作。

2．2．2 长江模拟器的系统框架 长江模拟器由感知体系、模拟体系、服务体系3大体系组成（如图1）。感知体系是长江模拟器的信息来源，包括多源信息监测 “硬件”建设和信息收集 “软件”建设，有立体监测、大数据传输和存储、大数据分析、数据融合、数据共享等功能或内容，具有4大数据源，即水-土-气-生监测、地形地貌地质观测、主要人类活动监控、经济社会统计数据。模拟体系是长江模拟器 “大脑”中枢，其功能目标是实现虚拟长江、数字长江、模型长江、仿真长江、智慧长江，开展3大过程模拟，包括物理过程、生物地球化学过程、人文过程（物理过程、生物地球化学过程属于自然过程）。服务体系是长江模拟器发挥重要作用的服务平台，实现 “了解过去长江、认识现在长江、展望未来长江”的目标，具有6大服务，即科技创新服务、综合治理服务、政府决策服务、应急管理服务、公众文化服务、数据应用服务。

图1 长江模拟器的概念与框架描述

3 长江模拟器的理论体系

3．1 长江模拟器建设的难点科学问题 长江模拟器是一个复杂巨系统，随着其建设的推进将面临一些关键科学问题和技术难点需要研究、探索和解决。目前已认识到的主要有：

（1）自然过程、人文过程变化机理及定量表达问题。不同过程或系统之间存在高时空变异性、强不确定性［9］以及非线性，认识各过程变化与要素的定量表达是破解长江模拟器建设的根本与基础，也是难点科学问题。

（2）自然过程、人文过程及其子过程的多过程互馈耦合问题。长江模拟器是认识多过程复杂系统变化规律以及系统调控的重要手段和科学基础，涉及到多过程耦合模拟，尤其不同过程之间的耦合与解耦，是建设长江模拟器的核心与关键，也是难点科学问题。

（3）空间多尺度、时间多尺度的耦合模拟问题。随着尺度、维度的增加，系统的复杂性与不确定性愈突出，表现在：空间变异性、单元与系统不一致性、模型的参数化及不同尺度模型的耦合问题。长江模拟器建设不可避免要解决国家-流域-不同分区等空间多尺度、地质年代-年-月-日时间多尺度的耦合模拟问题，也是难点科学问题。

3．2 长江模拟器的理论体系 长江模拟器具有多学科交叉融合、研究体系复杂又相互联系等特点。建设如此浩大的科学工程，需要构建一个相对完善的理论体系。长江模拟器涉及的学科包括基础学科和相关专业学科两大类以及他们的交叉学科。其中，基础学科有数学、物理学、化学、地球科学等；相关专业学科有水利工程、环境科学、安全工程、管理学等。交叉学科涉及到地球系统科学（地球系统的水圈、大气圈、土壤圈、岩石圈、生物圈以及人类圈等多圈层交叉）和流域系统科学（包括现代地理学、生态学、经济社会学、信息学、水科学的多学科交叉）。因此，这些学科的主要理论都应该纳入长江模拟器的理论基础。当然，针对长江模拟器的特点，需要重点发展以下基本理论。

（1）地球系统科学理论。长江模拟器的核心基础是地球系统科学理论。近年来，地球科学学科的基础研究无论在深度上、广度上均取得了快速的发展［10］。长江模拟器涉及到的学科或理论包括大气科学、海洋科学、陆地表层自然地理过程、陆地生态系统和生物地球化学过程、水文学、空间科学等。

（2）经济社会科学理论。自然系统和经济社会活动之间具有共同演进和相互依存的关系，经济社会行为是自然生态系统不可缺少的组成部分并会重塑整个系统。长江模拟器需要加强经济社会科学及其相关理论在地球科学、生物科学等领域的交叉应用与综合集成。

（3）信息科学理论。长江模拟器的感知体系、模拟体系、服务体系都需要大量的先进信息技术作支撑；迫切需要将传统的水文、环境、地质等观测手段与当前的新技术，包括大量使用传感器网络及不同尺度的信息观测技术相结合；需要基于先进模拟软件和精准快捷的系统平台。

4 长江模拟器的方法体系

4．1 方法体系概述 长江模拟器致力于解决流域复杂的自然过程与人文过程相互作用的系统问题，其建设涉及到多学科的融合交叉，需要贯彻系统科学思想、学科交叉思想，需要以一系列的方法体系为支撑，为长江模拟器的建设提供技术保障。从长江模拟器的概念和内涵出发，在长江模拟器的理论体系和功能框架的基础上，分别从感知体系、模拟体系、服务体系研发的需求角度，提出了长江模拟器的方法体系，包括五大类关键技术、四大类主要方法，如图2。

图2 长江模拟器的理论方法体系

4．2 五大类关键技术

（1）智能感知技术。面向长江流域水文、水环境、水生态、河道监测、水文预报、水库调度、水资源配置、泥沙演变、产业布局、人口迁移、公共安全事件变化等多种现实需求，充分利用物联网、大数据、云计算、遥测、遥感、5G加北斗等先进技术手段，构建长江模拟器的空-天-地一体化智能感知平台，实现长江流域数据采集、传输、存储、分析、服务等的信息化、全面化、自动化发展［11］，实现监测自动化、资料数据化、模型定量化、决策智能化、管理信息化和政策制度标准化［12］。

（2）数据融合技术。数据融合技术是指对各种信息源给出的数据进行采集、传输、综合、分析，从中提取出表达准确、现势性好、精度高、内容全的要素进行整合，从而构建新的数据集，以便辅助人们进行态势或环境判定、规划、探测、验证、诊断［13-14］。数据融合技术主要包括数据层融合、特征层融合和决策层融合3类，数据层融合是直接对原始数据进行综合与分析，特征层融合是对原始数据的特征信息进行综合分析和处理，决策层融合是对数据关联处理后进行决策判决，获得最终推断结果。

（3）计算支撑技术。构建一个复杂且高度集成的流域模拟器，需要计算支撑技术在其中起到关键性作用［15］。具体的内容可分为海量数据的收集与处理、流域业务的机理模拟、模型的高效计算、智慧平台的搭建、业务化的应用等［16］。长江模拟器在云计算、雾计算、边缘计算、集成计算等算法的基础上实现多模型耦合高性能的一体化计算，最终实现应用业务的部署［17-18］。

（4）应急处理技术。针对洪涝灾害、干旱灾害、泥石流灾害、污染事件、公共卫生事件等应急事件，需要应用一系列应急处理技术［19］，及时做出应急处置预案和指挥指令。比如，污染事件快速应对处理，包括污染过程和范围模拟及危害预判、物理处理法、物理化学处理法和生物化学处理法等处置方案制定；洪涝灾害应急处置，包括预报、预警、预案、预演等技术。

（5）服务构建技术。以多元化服务为导向，以多元化信息服务为抓手，运用移动互联、虚拟现实、大数据分析等研发技术，构建长江模拟器服务体系，提升全社会感水、治水、节水、管水服务水平，实现人与人、人与水、水与水之间的互联互通。

4．3 四大类主要方法

（1）计算资源调配方法。长江模拟器将进行大规模的模型耦合，需要输入大量数据和耗费大量机时，因此需要合理地调配计算资源。计算资源调配包括资源调度、并行计算、耦合器引用等方法。资源调度方法主要是节点网络中的CPU资源，通过确定执行顺序，实现资源共享［20］。并行计算方法主要是采用查找表方法和其他近似技术并行计算，减少计算工作的时间、空间冗余，实现多个核心的负载平衡［21］。耦合器通过子模型单向或双向耦合的方式，改善潜在的子模型时空尺度不匹配问题，提高模拟器的适用性和高分辨率模拟［22-23］。

（2）数值模拟计算方法。通过长江模拟器的数值模拟计算，可以实现对人类活动和气候变化双重影响下水体污染动态、焦点物种栖息地状况、政策决策和社会活动综合影响的评价，为管理机构和上级机关进行科学合理的决策提供支撑，为正确引导社会舆情提供科学依据。

（3）人工智能模拟方法。与传统大数据方法相比，人工智能可以根据数据分析情况，不断调整计算方法，以适应执行结果的变化［24］，因此人工智能模拟方法可对长江模拟器生成的海量数据的信息挖掘与应用提供重要支撑。典型的人工智能模拟方法包括但不限于：支持向量机、逻辑回归、决策树、卷积神经网络、长短期记忆网络等［24］。

（4）优化决策调控方法。随着计算机技术发展，多目标动态规划方法、系统分析方法、人工智能算法等均被用于支持优化决策调控［25］，决策调控也从以往单一目标、单一规则，逐步向多目标、多规则、多用户、多阶段的系统整体优化方向发展。长江模拟器大量运用多种优化决策调控方法。

5 长江模拟器的服务体系及应用实践

5．1 长江模拟器服务体系 长江模拟器随时为客服提供个性化订单式服务，实现服务精准投递，满足不同方面的服务需求。按照长江模拟器的功能划分，可归纳为六大服务，分别是科技创新服务、综合治理服务、政府决策服务、应急管理服务、公众文化服务和数据应用服务。每大类服务中又包括很多具体服务内容，如图3。

图3 长江模拟器的服务体系

（1）科技创新服务。这是长江模拟器支撑各类基础研究的高效平台，包括基础研究服务、模拟研究服务、开放平台服务等。长江模拟器是一个集成多学科、多方向的基础研究开放平台，为长江流域的基础科学及应用研究提供有力支撑。

（2）综合治理服务。这是长江模拟器支撑流域综合治理的技术库，包括治理技术服务、对策模拟服务、方案制定服务等。通过长江模拟器平台，对流域 “山、水、林、田、湖、草、沙”自然与人类相互作用的复杂生态系统的修复治理提供关键技术。

（3）政府决策服务。这是长江模拟器支撑政府宏观决策的重要工具，包括战略决策服务、行业管理服务、政策推演服务等。通过长江模拟器模拟与调控，为政府包括水利、生态环境、农业、交通、国土空间规划、产业布局等多部门、跨区域的协调管理与政策制定提供有效对策。

（4）应急管理服务。这是长江模拟器面向防灾减灾重大需求的有力武器，包括实时监控服务、灾害预警服务、调度预案服务等。通过长江模拟器模拟与决策，能够有效地对各类突发事件包括山洪、地震、污染、滑坡、泥石流等事件进行预报、预警、预演、预案，达到应急管理的目的。

（5）公共文化服务。这是长江模拟器完善社会公众参与的有效手段，包括信息查询服务、科普教育服务、文化传播服务等。通过长江模拟器提供的服务，可以为广大公众提供可靠的基础信息、科学分析结果、正确文化方向。

（6）数据应用服务。这是长江模拟器最基础的一类服务内容，包括数据查询服务、数据分析服务、数据调用服务等。通过长江模拟器数据共享平台，为不同用户提供监测数据、数据分析结果以及不易公开或不易获取数据的调用等服务。

5．2 应用实践 自2019年，依托中国科学院 “美丽中国生态文明建设科技工程”A类战略性先导科技专项 “长江经济带干流水环境水生态综合治理与应用”项目，笔者团队研发了 “长江模拟器1．0”，针对长江经济带干流水环境水生态问题，聚焦长江干流与湖库-岸线-城市群的江湖关系、江城关系、岸线演变，开展了长江干流感知体系、模拟体系和服务体系初步内容的研发，内容结构如图4。

图4 长江模拟器1．0内容结构

按照长江模拟器框架，本次研发的模拟器同样包括感知体系、模拟体系、服务体系。感知体系以监测体系建设为主。

在感知体系研发方面，针对长江干流与湖库、岸线、城市群互动关系研究需求，初步构建了长江干流湖库-岸线-城市群的 “空-天-地”一体化综合立体监测监控体系，包括 “空”GEO/MEO/LEO卫星、“天”飞机/飞艇/气球/无人机、“地”水下机器人/无人船/潜艇。研发水文气象要素和水环境观测技术与装备，包括北斗/GNSS-R反射测量及激光测高等、水质分析仪、高光谱成像仪等；利用 “空-天-地”一体化观测反演长江水生态水环境参数；构建与不同行业部门现有监测网络的共享合作机制，联合打造长江水生态水环境一体化监测体系与信息平台。

在模拟体系研发方面，构建了长江干流水系统综合模拟与调控平台，涉及陆气耦合模型、流域分布式水文模拟模型、流域面源模拟模型、三峡水库水动力-水质-调度耦合模型、长江中下游干流水动力水质耦合模型、鄱阳湖及洞庭湖二维水动力模型、长江干流典型断面水生态模拟模型、长江干流典型城市水系统模型等。该集成模型在水文过程、水动力过程、三峡水库调度、城市水系统等模拟方面得到了检验，在以三峡水库为核心的长江上游水库调度影响下长江中下游干流江湖关系的演变、典型断面水生态指标的变化、武汉城市水系统的相互作用等方面得到应用。

在服务体系研发方面，公共文化服务体系与广阳岛大河文明馆同步建设公众教育平台；科技创新服务方面，建设了长江干流基础数据库平台、模拟模型平台，为基础研究、应用服务打下了基础；政府决策服务方面，通过咨询报告等为行业及区域管理提供了重要的决策咨询建议；流域综合治理服务方面，构建了典型湖泊/湖区水生态修复关键技术、城市水环境水生态综合治理关键技术、长江干流岸线生态修复及调控技术等，初步实现了各项服务体系。

6 结论与展望

本文针对以水为纽带的长江经济带 “湖库-岸线-城市群”绿色发展所面临亟待解决的生态环境问题，提出通过构建以长江流域为对象，以流域水循环为纽带，将自然过程与人文过程相耦合的流域模拟系统及其科学装置，研发长江模拟器。本文系统介绍了长江模拟器的概念与内涵，从理论体系、方法体系和服务体系三个方面详细阐述了长江模拟器建设的主要内容。

与一般的流域模型或数值模拟装置相比，长江模拟器具有以下明显特色或优势：长江模拟器是以流域水循环为纽带，耦合多过程模拟，实现人与自然和谐共生的大科学装置；通过建立不同层次、不同部门之间的数据共享机制，实现不同行业、不同类型数据的互联互通，打破行业数据共享壁垒；通过耦合不同的监测技术、模型方法、治理及灾害管理技术等，实现跨越不同行业和部门的模型融合，打造一个具有开放性和可拓展性的耦合集成大科学装置；特别强调其服务体系，为不同层级的政府管理和决策部门提供科学、及时、有效和准确的服务。

长江模拟器是一个大科学装置以及将监测监控、多过程模拟、决策与应用对象（即长江湖库-岸线-城市群等）实体耦合的系统，涉及的学科多、部门多、人员多，投入大，非本文几位作者所能完成的。目前的研究成果是集长江沿线多个中国科学院研究所/院以及相关高校和企业联合的一个庞大团队的集体成果。向参加长江模拟器建设的所有团队成员和单位表示感谢，感谢中国科学院美丽中国生态文明建设科技工程专项和国家自然科学基金重大项目的支持。

目前研发的长江模拟器只能算上是初代产品，还远不能达到本文描绘的长江模拟器框架，估计需要广大科技工作者花费数十年甚至更长时间的努力，来不断改进和完善长江模拟器，具体包括：（1）加强地球系统科学、经济社会科学和信息科学等学科的交叉融合，攻克智能感知、数据融合、计算支撑、应急处理和服务构建等技术瓶颈，大力发展计算资源调配、数值模拟计算、人工智能模拟和优化决策调控等方法及其耦合技术；（2）围绕感知体系、模拟体系和服务体系建设，逐步实现从对流域水-土-气-生及人地系统的模拟，跨越式发展到具备全流域感知体系、全流域模拟体系；（3）全面建成科技创新、综合治理、政府决策、应急管理、公众文化以及数据应用等服务体系的流域一体化大科学装置。