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        模型黃河:賦能幸福河建設(shè)的“大國重器”

        2023-06-12 01:26:01徐騰飛
        黃河黃土黃種人 2023年12期
        關(guān)鍵詞:模型試驗黃河基地

        徐騰飛

        最近,隨著北方氣溫持續(xù)走低,黃河內(nèi)蒙古河段流凌密度持續(xù)增加,黃河進(jìn)入封河關(guān)鍵期?;仡欉@一年,模型黃河在黃河凌汛期為決策者調(diào)整防洪防凌部署提供了重要技術(shù)支撐。2023年3 月,鄭州模型黃河試驗基地開展萬家寨水庫冰凌模型試驗;5 月,開展黃河下游小浪底至陶城鋪河段洪水預(yù)演實體模型試驗,對河勢變化及可能發(fā)生的險情進(jìn)行科學(xué)預(yù)測,彰顯模型黃河在幸福河建設(shè)中的硬核力量。

        打開科技治河的一扇窗

        黃河下游有兩大模型試驗基地,均隸屬于黃河水利科學(xué)研究院(以下簡稱黃科院),一個是鄭州模型黃河試驗基地,位于河南省鄭州市金水區(qū)國基路,基地總面積約18.7 萬平方米,總建筑面積9 萬平方米;另一個是東營黃河河口模型試驗基地,位于山東省東營市東營區(qū)勝利大街,占地面積約32.1 萬平方米,試驗大廳建筑面積4.5 萬平方米。

        河南位于黃河中下游,歷史上是黃河決口泛濫的重災(zāi)區(qū),也是歷朝歷代黃河治理的重點區(qū)。大河之治看河口,黃河河口作為水沙承泄區(qū)域,是世界上最為復(fù)雜難治的河口,在黃河保護(hù)治理大局中地位十分重要。

        兩大模型黃河試驗基地坐落在黃河中下游的咽喉之地,以科技之力守護(hù)大河歲歲安瀾,在洪水防御、重大水利工程建設(shè)論證、河道整治、河口治理、水工程調(diào)度和水沙運動及河床演變規(guī)律探索等方面,發(fā)揮了支撐與引領(lǐng)作用。

        為實現(xiàn)黃河的長治久安,黃委早在2001 年就提出了“三條黃河”(原型黃河、數(shù)字黃河、模型黃河)的治黃新理念,豐富了黃河水利科技創(chuàng)新的研究范式,以“三條黃河”互為聯(lián)動,提升治黃體系和治理能力現(xiàn)代化水平。

        如果說數(shù)字黃河是把黃河“裝進(jìn)”計算機(jī),那么,模型黃河就是把黃河“放進(jìn)”實驗室。模型黃河是原型黃河自然現(xiàn)象的模擬再現(xiàn),為原型黃河提供保護(hù)治理方案,為數(shù)字黃河推演論證提供必要的物理參數(shù),成為現(xiàn)代科技治黃的必然選擇。

        按照水利部、黃委關(guān)于數(shù)字孿生黃河建設(shè)的決策部署,黃科院對模型黃河進(jìn)行了數(shù)字孿生提升,搭建模型黃河數(shù)據(jù)底板,提高“三條黃河”深度融合,加快“三條黃河”聯(lián)動性、協(xié)同性及參證性的貫通研究。

        模型黃河是科技治黃的一張閃亮名片,打造這張名片是從20 世紀(jì)90 年代開始。1991 年,在黃委黨組推動下,經(jīng)水利部批準(zhǔn)、河南省人民政府同意,鄭州模型黃河試驗基地開工建設(shè),先后建成了多座試驗技術(shù)先進(jìn)的大型試驗廳。2006年,東營黃河河口模型試驗基地在東營市開工建設(shè),基地大廳、實驗樓和廳內(nèi)模型先后竣工,成為東營市區(qū)東南部城市新地標(biāo)。

        一路櫛風(fēng)沐雨,一朝春華秋實。經(jīng)過30 多年發(fā)展,模型黃河試驗基地已經(jīng)建成了水土流失試驗廳、水庫試驗廳(包括萬家寨庫區(qū)試驗廳、三門峽庫區(qū)試驗廳和小浪底庫區(qū)試驗廳)、下游河道試驗廳、黃河口試驗廳以及基礎(chǔ)研究試驗廳、水工試驗廳、抗震實驗室、抗磨實驗室、綜合實驗樓等一批基礎(chǔ)科研設(shè)施。

        科技治黃從“演練場”走向“主陣地”

        黃河是一條多泥沙河流,黃河保護(hù)治理離不開生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗。為更好地服務(wù)于黃河保護(hù)治理實踐需要,黃科院構(gòu)建了完善的模型黃河體系,包括四大類:一是黃土高原模型,主要用于研究黃土高原多沙粗沙區(qū)小流域侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律、壩系相對平衡機(jī)理、溝道重力侵蝕規(guī)律及治理方案等;二是水庫模型,主要用于研究水庫運用方式、庫區(qū)沖淤演變規(guī)律、水沙調(diào)控機(jī)理及調(diào)水調(diào)沙運用方式等;三是河道模型,主要研究河床演變規(guī)律、河道整治方案、洪水演進(jìn)預(yù)報等;四是河口模型,主要承擔(dān)河口演變規(guī)律及綜合治理方案的研究任務(wù)。

        模型黃河承載著科研人“智匯黃河、科技報國”的光榮使命,運行初期,就在重大工程規(guī)劃論證、防洪防凌支撐以及服務(wù)流域區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等方面發(fā)揮了支撐作用。

        說起支撐重大水利工程規(guī)劃建設(shè),不得不提黃河小浪底水利樞紐。經(jīng)過幾代治黃人的夢想接力,1991 年,小浪底水利樞紐工程開工建設(shè)。

        黃科院發(fā)揮模型試驗的優(yōu)勢,對小浪底水庫建設(shè)及運行中各種技術(shù)難題進(jìn)行跟蹤研究,僅水工模型試驗就開展了100 多項,還針對樞紐布置、潰壩危害、泄流方案等,提出建議和方案并被采用。小浪底水利樞紐工程建成后,模型黃河在水庫調(diào)度方案、異重流排沙等方面繼續(xù)提供全方位技術(shù)支撐,彰顯出科技的硬核力量。

        從2016 年7 月開始,鄭州模型黃河試驗基地連續(xù)8 年開展黃河下游洪水演進(jìn)預(yù)報試驗??蒲腥藛T根據(jù)汛前黃河水沙情勢,選擇確定汛期黃河下游可能出現(xiàn)的典型大洪水過程,預(yù)測河勢變化及可能發(fā)生的險情;同時,通過物理模型、數(shù)學(xué)模型手段,做好試驗成果分析,為黃河防汛決策指揮和調(diào)整防洪部署提供重要技術(shù)支撐。

        除了伏秋大汛,黃河凌汛同樣威脅防洪大堤,引發(fā)凌汛災(zāi)害,影響到黃河下游人民群眾生命財產(chǎn)安全。2023 年3 月,按照黃委要求,黃科院在鄭州模型黃河試驗基地開展萬家寨水庫冰凌模型試驗。

        此次試驗以本年度凌汛期凌情監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),原型觀測數(shù)據(jù)、實體模型、二維冰水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型“三條黃河”深度聯(lián)動,對開河期萬家寨庫尾卡冰結(jié)壩風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測??蒲腥藛T加班加點,連續(xù)開展3 組次試驗,模擬實際河道中冰水輸移演變過程和冰塞冰壩的形成過程,為萬家寨水庫防凌調(diào)度提供決策建議,以確保萬家寨庫尾河段防凌安全。

        黃河是世界上最為復(fù)雜難治的河流,開展模型黃河試驗,通過相似性模擬,是探索自然界水沙復(fù)雜運動規(guī)律和潛在機(jī)理的重要研究手段。

        黃科院充分發(fā)揮模型黃河功能,在黃河水沙相關(guān)機(jī)理類實驗原創(chuàng)性研究方面發(fā)揮了不可替代的作用,有力支撐了多項國家級和省部級科研項目的實施。

        利用水土流失試驗廳,開展國家自然科學(xué)基金課題“典型黃土丘陵區(qū)坡面水流侵蝕產(chǎn)沙的動力學(xué)機(jī)理模擬試驗”,為坡面水土保持措施優(yōu)化配置提供理論依據(jù);開展國家重點研發(fā)計劃課題“砒砂巖區(qū)多動力復(fù)合侵蝕時空分異規(guī)律”研究,為揭示復(fù)合侵蝕過程發(fā)生發(fā)展的過程與機(jī)理等提供模擬觀測手段。

        利用三門峽庫區(qū)試驗廳,開展國家自然科學(xué)基金項目“基于水溫與泥沙濃度分異的水庫分層流動機(jī)制及應(yīng)用研究”,黃河水科學(xué)研究聯(lián)合基金項目“黃河下游主槽不均衡調(diào)整過程及動態(tài)調(diào)控”,水利部公益性行業(yè)科研專項“利用桃汛洪水沖刷降低潼關(guān)高程試驗研究”等,研究成果在治黃實踐中發(fā)揮了決策支撐作用。

        利用小浪底庫區(qū)試驗廳,開展國家自然科學(xué)基金項目“水庫支流倒回灌淤積及其影響因素分析”,水利部公益性行業(yè)科研專項“小浪底水庫淤積形態(tài)優(yōu)選與調(diào)控的理論及關(guān)鍵技術(shù)”等項目,大量的研究成果為小浪底水庫優(yōu)化運行提供了重要參考依據(jù)。

        利用下游河道試驗廳,開展國家重點研發(fā)計劃課題“沙波床面邊界層分離臨界條件對渾水動力的響應(yīng)機(jī)制研究”,揭示邊界層內(nèi)外摻混強(qiáng)度及分布對水沙動力及坡面邊界的響應(yīng)規(guī)律。開展鄭州大學(xué)院士團(tuán)隊科研啟動基金“黃河流域地質(zhì)環(huán)境演化及其生態(tài)地質(zhì)效應(yīng)研究”,探究了不同水沙動力條件下“地上懸河”的地貌演化特征及河道調(diào)整規(guī)律。

        利用黃河口試驗廳,開展國家重點研發(fā)計劃項目、自然基金項目、中國博士后面上基金項目等,闡明了黃河三角洲海岸形態(tài)調(diào)整與流域水沙、海洋波流動力耦合作用的定量關(guān)系,確立新時期河口系統(tǒng)治理總體布局。“刁口河河道及局部海域物理模型”試驗研究已納入水利部批復(fù)的“刁口河入海流路綜合治理提升工程可行性研究”。

        習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào),要“把論文寫在祖國的大地上,把科研成果應(yīng)用在全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的偉大事業(yè)中”。模型黃河立足黃河,面向流域,放眼全國,從試驗大廳走向田間地頭,從實物模擬穿越數(shù)字空間,用“智慧河”澆灌“報國夢”。

        一是服務(wù)于流域區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展。在新疆,開展提孜那甫河莫莫克水庫實體模型試驗;在陜西,開展榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)飲水工程黃池溝水庫淤積形態(tài)物理模型試驗及河道模型試驗;在河南,開展九峰山抽水蓄能電站水工模型試驗;在河北,開展南水北調(diào)中線北拒馬河北支、南支暗渠防洪修復(fù)加固工程消能防沖水工模型試驗及河道模型試驗;在黑龍江,開展十六道崗水庫仿生態(tài)魚道模型試驗等。

        二是服務(wù)于水陸交通工程防洪影響評價。開展咸陽市彩虹一路跨渭河大橋模型試驗、京滬黃河大橋冰凌模型試驗、烏海黃河特大橋冰凌模型試驗、風(fēng)陵渡黃河大橋及連接項目實體模型試驗等,為橋梁工程設(shè)計優(yōu)化及建設(shè)提供支撐。

        三是服務(wù)于重大水利水電工程水工和水機(jī)磨蝕防護(hù)及修復(fù)。在黃河流域,開展萬家寨、青銅峽等水電站水輪機(jī)的輪轉(zhuǎn)、活動導(dǎo)葉等過流部件磨蝕規(guī)律研究和抗磨蝕修復(fù)施工;在長江流域,開展葛洲壩、銅街子等水電站水輪機(jī)關(guān)鍵過流部件抗沖磨修復(fù)材料和產(chǎn)品的現(xiàn)場施工;在臺灣地區(qū),開展石門水庫排沙隧洞抗沖磨修復(fù)現(xiàn)場施工;在歐洲,與安德里茨集團(tuán)合作研究水泵磨蝕—空蝕規(guī)律、抗沖磨材料及智慧一體化施工技術(shù)方案,并成功應(yīng)用至共建“一帶一路”國家。

        四是服務(wù)需要的地方。在服務(wù)好國內(nèi)市場的同時,黃科院積極拓展國際市場,讓水工模型試驗走向了更廣闊的天地。先后完成了赤道幾內(nèi)亞吉布洛水電站、厄瓜多爾CCS 水電站等多項國際項目的模型試驗研究,奠定了模型試驗進(jìn)軍國際市場的基礎(chǔ)。近期,開展了馬來西亞Baleh 水電站低位洞水工模型試驗和數(shù)值模擬計算,優(yōu)化了設(shè)計體型,為工程設(shè)計和運行調(diào)度提供了重要技術(shù)支撐,受到了國際專家的高度贊賞。

        模型黃河從一體化走向多元化

        在治黃使命的召喚下,一代代科研人努力踐行科學(xué)、民主、創(chuàng)新、超越的精神,把模型黃河試驗基地打造成為集科研、宣傳和愛國主義教育于一體的多元化中心,成為人們認(rèn)識黃河、解鎖黃河客觀規(guī)律的密鑰。

        一直以來,黃委高度重視科普工作,把科學(xué)普及與科技創(chuàng)新放在同等重要的位置,深度打造了黃河博物館、模型黃河試驗基地、水土保持示范園區(qū)等一批科技創(chuàng)新基地和水利科普教育基地,讓人們更好地看黃河、懂黃河、愛黃河、護(hù)黃河。

        以此為契機(jī),模型黃河試驗基地扛起新時代的使命擔(dān)當(dāng),打造升級版科技治黃展示平臺和愛國主義宣教陣地,建設(shè)樣板間黃河文化長廊。每年科技活動周期間,模型黃河試驗基地都會開展多層次、全維度的科普活動。近年來,中國科協(xié),河南省水利廳,清華大學(xué)、武漢大學(xué),鄭州市緯五路第一小學(xué)、河南省實驗幼兒園等,先后到模型基地,或參觀考察,或?qū)嵙?xí)研學(xué),近距離接觸黃河保護(hù)治理科技工作。行業(yè)交流、社會互動,讓黃河科研得到了更多社會關(guān)注和支持。

        2021 年全國科技活動周期間,鄭州模型黃河試驗基地共接待了5 批次研學(xué)團(tuán)隊,其中有一批史上最年輕的參觀者,他們最大的10 歲,最小的只有4 歲。科普教育不但要深入大眾,更要從娃娃抓起,引導(dǎo)和培養(yǎng)他們對科學(xué)的興趣。

        在鄭州模型黃河試驗基地,河南衛(wèi)視拍攝了《危機(jī)大調(diào)查》節(jié)目,針對山區(qū)泥石流災(zāi)害防治進(jìn)行科教宣傳;湖南衛(wèi)視拍攝了《新聞大求真》,解讀大洪水實體模型試驗過程。與中央新影發(fā)現(xiàn)之旅頻道合作錄制《致敬榜樣———科技賦能、黃河安瀾》,全面展示黃河科研在中國式現(xiàn)代化治水中的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)。錄制“黃河博士講黃河”短視頻,打造生動活潑的黃河文化弘揚窗口。目前,黃科院正在加快推進(jìn)模型黃河試驗基地文化長廊建設(shè),增強(qiáng)在黃河文化、科研文化和廉潔文化等方面的展示功能,提升模型黃河的品牌效應(yīng)和知名度。

        當(dāng)前,數(shù)字中國建設(shè)如火如荼,數(shù)字孿生水利已成為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要標(biāo)志。

        《中華人民共和國黃河保護(hù)法》明確要求,“加強(qiáng)黃河保護(hù)監(jiān)督管理能力建設(shè),提高科技化、信息化水平”。

        2022 年5 月,黃委印發(fā)了《數(shù)字孿生黃河建設(shè)規(guī)劃(2022—2025)》,旨在為黃河流域水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)字化場景和智慧化模擬支撐。

        2023 年4 月,水利部黨組書記、部長李國英率調(diào)研組調(diào)研鄭州模型黃河試驗基地,深入了解模型黃河建設(shè)運行發(fā)展情況。調(diào)研組強(qiáng)調(diào):要大力強(qiáng)化模型黃河發(fā)展和運用,積極運用現(xiàn)代數(shù)字、智能、測驗、感知、信息技術(shù)迭代升級,不斷提升模型黃河建設(shè)的科技水平,實現(xiàn)模型黃河數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

        2023 年10 月,黃委黨組書記、主任祖雷鳴率調(diào)研組到山東東營調(diào)研,深入了解河口綜合治理及河口模型建設(shè)、數(shù)字孿生黃河應(yīng)用等工作。調(diào)研組指出:要堅持全河“一盤棋”,團(tuán)結(jié)協(xié)作、緊密配合,加快推進(jìn)河口綜合治理研究、重大工程方案論證及河口模型試驗。

        水利部在2023 年9 月份召開的推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展工作領(lǐng)導(dǎo)小組會議上要求,“持續(xù)推進(jìn)原型黃河、模型黃河、數(shù)字孿生黃河建設(shè),全力保障黃河長治久安”,模型黃河建設(shè)迎來了發(fā)展的黃金機(jī)遇期。

        為全面貫徹落實水利部、黃委工作要求,黃科院黨委領(lǐng)導(dǎo)班子吃透精神、把握核心、細(xì)化任務(wù)、卡控節(jié)點,明確了新時代模型黃河發(fā)展目標(biāo)——推進(jìn)實現(xiàn)模型制作機(jī)械化、要素測控自動化、過程模擬智能化、試驗結(jié)果精準(zhǔn)化、試驗環(huán)境人文化,讓模型黃河在服務(wù)國家重大工程和流域區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展中發(fā)揮科技支撐引領(lǐng)的肱膂之力。

        大河波浪涌,科技顯神威。在習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想指引下,黃科院將乘勢而上、自強(qiáng)自立,加快模型黃河改造提升,推進(jìn)原型黃河、模型黃河、數(shù)字孿生黃河聯(lián)動升級,努力揮展科技創(chuàng)新之翼,飛躍幸福河建設(shè)的新高峰。

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