錢傲然 彭得勝 張繼群 金 鑫

完善淮河模型基地 搭建科研創(chuàng)新平臺(tái)

錢傲然 彭得勝 張繼群 金 鑫

一、概述

河流是人類文明的發(fā)祥地，河流治理開發(fā)是人類面臨的重要的、永恒的課題，因此，認(rèn)識(shí)、模擬河流的演變特性進(jìn)而掌握其演變規(guī)律對(duì)于河流的合理開發(fā)利用意義重大。長(zhǎng)期以來(lái)，通過(guò)對(duì)河流水情工情的觀測(cè)分析，建立了一定數(shù)理基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)河流的特性模擬和治理開發(fā)起到了關(guān)鍵性作用。由于受流域氣象水文、自然地理以及人類活動(dòng)等影響，加上流域下墊面變化、河流演變的復(fù)雜性，在研究河流變化演變過(guò)程中，僅僅依靠單獨(dú)分析和數(shù)學(xué)建模方法無(wú)法準(zhǔn)確地解決實(shí)際問題，因此，人們研制出將河流按相似原理縮小成實(shí)體模型，在模型內(nèi)研究各種因素在各種情況下變化規(guī)律的河工模型技術(shù)。

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、測(cè)控等信息技術(shù)的發(fā)展，河工模型技術(shù)研究工作已取得重大進(jìn)展，成果在研究水利工程建設(shè)，河道開發(fā)整治，港口河岸利用諸多方面中發(fā)揮了重要作用。目前，河工模型技術(shù)已成為河流模擬研究各類復(fù)雜水文及水工問題的重要手段，這種研究手段有著數(shù)學(xué)模型不可替代的地位。

二、國(guó)內(nèi)外實(shí)體模型發(fā)展?fàn)顩r

1875年法國(guó)學(xué)者法格進(jìn)行了最早的物理模型實(shí)驗(yàn)。1885年英國(guó)學(xué)者雷諾采用了變態(tài)模型的研究方法分析了利物浦市墨塞河口潮汐的影響。1891年恩格斯在德國(guó)德累斯頓工科大學(xué)建立了世界上第一個(gè)水工實(shí)驗(yàn)室。1913年以后，河工模型的應(yīng)用技術(shù)得到普遍認(rèn)可，并迅速傳遍世界各地。此后的幾十年里，歐洲以及其他一些國(guó)家的水利水電事業(yè)進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期。

我國(guó)河工模型的研發(fā)工作開始于20世紀(jì)30年代。1931年進(jìn)行了有關(guān)黃河束窄堤距的河工模型實(shí)驗(yàn)，論證了明代潘季馴束水攻沙的理論付諸于實(shí)際工程的可能性。新中國(guó)建立以后，在國(guó)內(nèi)主要河流的河道治理以及大型水利工程建設(shè)中，河工模型發(fā)揮了重要作用。

長(zhǎng)江流域河工模型實(shí)驗(yàn)最早始于1935年，20世紀(jì)50年代，多處河段變態(tài)模型先后研究并建造；60年代研究建造了荊江、漢江部分重點(diǎn)問題河段的模型；70年代，葛洲壩工程壩區(qū)模型的研制，為解決壩區(qū)樞紐布置、航道規(guī)劃、泄洪沖沙等重大問題提供技術(shù)指導(dǎo)；80年代后隨著三峽工程的準(zhǔn)備與開工，大量長(zhǎng)江中下游河段模型先后建成投入使用并取得了大量的研究成果。

黃河流域河工模型實(shí)驗(yàn)在國(guó)內(nèi)最早開始于20世紀(jì)40年代。50年代，前蘇聯(lián)以及國(guó)內(nèi)諸多專家學(xué)者針對(duì)黃河泥沙問題開展了許多方面的模型模擬研究。60年代至今，黃河流域同長(zhǎng)江流域一樣，為解決重點(diǎn)水利樞紐建設(shè)中遇到的難題，也采用研制河工模型的方法。例如小浪底水利樞紐移民安置區(qū)的河道整治問題、花園口河段防洪排沙及河道整治問題、南水北調(diào)中線工程穿黃部分的隧洞渡槽設(shè)計(jì)方案等。

淮河流域20世紀(jì)80年代末至90年代初建立的部分河道分段河工模型，對(duì)研究淮河防洪除澇綜合治理問題發(fā)揮了重要作用。

三、淮河防洪除澇減災(zāi)實(shí)體模型及關(guān)鍵技術(shù)

為進(jìn)一步深入研究并提出淮河中游防洪除澇等突出問題的解決方案，2012年利用世行貸款項(xiàng)目淮河流域重點(diǎn)平原洼地治理工程子項(xiàng)淮河流域洪澇災(zāi)情評(píng)估及減災(zāi)決策支持系統(tǒng)建成淮河模型基地,其中包含淮河防洪除澇減災(zāi)實(shí)體模型。

1.模型概況

淮河防洪除澇減災(zāi)實(shí)體模型研究河段為淮河干流正陽(yáng)關(guān)至渦河口，模擬河段全長(zhǎng)約144.5km，模型水平比尺為1∶300，垂直比尺為1∶60，模型范圍淮河以北以淮北大堤為界，淮河以南以27.0m高程或相應(yīng)城市圈堤、防洪堤為界，邊界內(nèi)淮河兩側(cè)所有行洪區(qū)與生產(chǎn)圩均在模擬范圍內(nèi)。河段主要入?yún)R支流包括潁河、東淝河、茨淮新河、渦河等，沿程分布有壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、湯漁湖、荊山湖、洛河洼等八個(gè)行洪區(qū)以及東淝閘右圩等14個(gè)生產(chǎn)圩。

模型研究河段河勢(shì)復(fù)雜，支流入?yún)R集中，行洪區(qū)與生產(chǎn)圩區(qū)密集分布，分洪河道參與泄洪，支流、行洪區(qū)、生產(chǎn)圩區(qū)及分洪河道與淮干水流相互影響，邊界條件十分復(fù)雜。為保證復(fù)雜邊界條件下的試驗(yàn)精度，本段河道模型應(yīng)用量測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)，構(gòu)建一套測(cè)控精度高、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、自動(dòng)化程度高的測(cè)控系統(tǒng)。包括四大內(nèi)容即：現(xiàn)地測(cè)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、中央監(jiān)控系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)?，F(xiàn)地測(cè)控系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，其中現(xiàn)地服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、工控機(jī)、接口箱、打印機(jī)等布設(shè)在現(xiàn)地監(jiān)控中心內(nèi)，其余儀器設(shè)備均安裝在模型現(xiàn)場(chǎng)。不同工控機(jī)分別用于水位和流速采集、入流流量和尾水控制、閘門與口門控制等。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為星型層次化結(jié)構(gòu)，分為兩級(jí)。主干網(wǎng)采用千兆以太網(wǎng)，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用100M快速交換以太網(wǎng)，各PC機(jī)通過(guò)100M速率直接與二級(jí)交換機(jī)相連。中央監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及基地各處運(yùn)行情況的“遙視”功能。軟件系統(tǒng)主要包括測(cè)控模塊軟件和操作應(yīng)用界面。

2.模型的關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)實(shí)體模型研制中所遇到的不同的技術(shù)難題采取合理巧妙的解決辦法：

一是在變態(tài)模型口門泄流模擬技術(shù)研究中，將原型不規(guī)則的口門簡(jiǎn)化成模型階梯形口門，確保口門處模型泄流過(guò)程和流態(tài)與原型相似。

二是在變態(tài)模型閘堰泄流模擬技術(shù)研究中，采用復(fù)合變態(tài)的外形模擬方法，在順?biāo)鞣较蛏喜捎门c垂直比尺相同的長(zhǎng)度比尺，而在垂直水流的平面寬度上仍采用平面比尺。

三是在模型主要入流、邊界控制條件研究中，各級(jí)別洪水工況下都對(duì)每個(gè)出入流邊界的水位、流量進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，以確保模型各出入流邊界水位、流量保持同步對(duì)應(yīng)關(guān)系。

四是在行洪區(qū)糙率模擬技術(shù)研究中，采用十字片梅花加糙技術(shù)，其糙率值較大，糙體自身體積小、排列密度小、對(duì)于不同方向水流糙率各向均勻性較好，對(duì)模型槽蓄量影響較小，能滿足淮河實(shí)體模型行洪區(qū)大糙率加糙要求。

五是在模型開展非恒定流試驗(yàn)研究時(shí)，可對(duì)淮干及各支流流量及尾門開度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)控制，對(duì)各控制點(diǎn)水位及河道與行洪區(qū)流速進(jìn)行同步檢測(cè)。本河段實(shí)體模型共布置入流數(shù)字量水堰5套，差動(dòng)式尾門2套，閘堰控制裝置10套，自動(dòng)口門20套，河道流速觀測(cè)斷面23個(gè)，水位觀測(cè)點(diǎn)32個(gè)，行洪區(qū)粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)8套等，組成了一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。

四、實(shí)體模型完善及應(yīng)用研究

目前，淮河流域防洪除澇減災(zāi)體系已初步形成，但與淮河流域在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的戰(zhàn)略地位對(duì)水利發(fā)展的要求相比仍需進(jìn)一步完善。淮河流域綜合規(guī)劃中確定了在淮河中下游開展平原洼地治理、沿淮行蓄洪區(qū)調(diào)整、淮河入海水道二期工程建設(shè)等項(xiàng)目。為更好地實(shí)施這些項(xiàng)目，需要針對(duì)項(xiàng)目中一些關(guān)鍵難題（如干支流洪水影響、洪澇水影響、行蓄洪區(qū)啟用影響、河湖關(guān)系等）采用河工模型技術(shù)進(jìn)一步論證研究，因此需對(duì)現(xiàn)有的實(shí)體模型作進(jìn)一步完善，并盡快著手開展模型應(yīng)用研究。

1.實(shí)體模型完善

今后一段時(shí)間內(nèi)，可利用水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心—淮委合肥水利科研基地分中心這個(gè)平臺(tái)，可將已建成的淮河河工模型實(shí)驗(yàn)設(shè)施資源充分利用起來(lái)，以淮河模型基地為主，結(jié)合各科研院所以及高校關(guān)于淮河的河工模型建設(shè)和研究成果，擴(kuò)充淮河實(shí)體模型的模擬范圍，完善其功能，將模型基地建成淮河的科研基地，建立起一個(gè)為治淮重大技術(shù)問題研究提供更為先進(jìn)方案的試驗(yàn)平臺(tái)，為淮河流域防洪除澇減災(zāi)、水資源綜合開發(fā)利用、重大工程建設(shè)方案論證等重要決策提供更加科學(xué)的依據(jù)。

2.模型應(yīng)用研究

實(shí)體模型建成后，在淮河流域防洪除澇調(diào)度、流域綜合治理規(guī)劃、流域資源的合理應(yīng)用以及流域生態(tài)文明建設(shè)等方面可開展研究工作。

（1）通過(guò)模擬研究不同洪水條件下正陽(yáng)關(guān)至渦河口區(qū)域干流、支流洪水關(guān)系，為進(jìn)一步研究南北支流不同來(lái)水組合下的洪澇關(guān)系提供技術(shù)支持。

（2）通過(guò)研究洪水演進(jìn)特性，為優(yōu)化啟用行蓄洪區(qū)次序、啟用時(shí)機(jī)、啟用量提供參考；通過(guò)模擬大別山大型水庫(kù)不同下泄量洪水對(duì)淮北大堤的影響研究，為水庫(kù)給淮北大堤錯(cuò)峰調(diào)度提供等提供技術(shù)支撐。

（3）開展各類水流特性、泥沙沖淤特性、河勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)以及建筑物工程對(duì)河道的影響等多方面試驗(yàn)，為更好地建設(shè)河道兩岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供方案。

（4）模擬淮河中上游區(qū)域內(nèi)干流、支流出現(xiàn)需要應(yīng)急處置的水污染事件處置方案，包括可能采取的最佳水量稀釋方案，如何加快污染團(tuán)下泄速度、控制和稀釋污染團(tuán)濃度以及防止污染團(tuán)擴(kuò)散等。

（5）可結(jié)合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比研究、形成數(shù)學(xué)與物理相耦合的模擬技術(shù)，為淮河中游區(qū)域內(nèi)干流、支流以及行蓄洪區(qū)的治理（規(guī)劃、設(shè)計(jì)等）提供技術(shù)模擬平臺(tái)，同時(shí)為研究淮河中游的水問題提供一個(gè)科研創(chuàng)新平臺(tái)。

五、結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外大量研究及成果應(yīng)用表明，與數(shù)學(xué)模型一樣，河工模型是模擬河流演變的重要手段，而且有著數(shù)學(xué)模型不可替代的地位?；春诱?yáng)關(guān)至渦河口段模型主體工程已建成，具備了研究一些治淮關(guān)鍵問題以及技術(shù)難題的基礎(chǔ)，科研基地、創(chuàng)新研究平臺(tái)功能基本具備。下一步可結(jié)合淮河重大問題的研究，以及進(jìn)一步治淮規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)，需要針對(duì)項(xiàng)目中一些關(guān)鍵難題（如：干支流洪水影響、洪澇水影響，行蓄洪區(qū)啟用影響，河湖關(guān)系等）采用河工模型技術(shù)進(jìn)一步論證和深入研究，同時(shí)需對(duì)現(xiàn)有的實(shí)體模型作進(jìn)一步完善。

河工模型對(duì)于淮河流域綜合規(guī)劃治理具有極高的戰(zhàn)略意義。隨著模型即將投入使用，各類項(xiàng)目合作前期工作也已經(jīng)開始準(zhǔn)備籌劃，相信淮河模型基地在今后的治淮事業(yè)發(fā)展中將扮演至關(guān)重要的角色，為治淮事業(yè)貢獻(xiàn)力量，成為真正的科研創(chuàng)新基地■

（作者單位：淮河水利委員會(huì)綜合事業(yè)發(fā)展中心 233001）