建设模型黄河工程.docx

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建设模型黄河工程

建设“模型黄河”工程

　　摘要：

建设“模型黄河”，一方面直接为“原型黄河”提供治理开发方案，另一方面为“数字黄河”工程建设提供物理参数。

同时，“模型黄河”还应成为“数字黄河”通过模拟分析提出“原型黄河”治理开发方案的中试环节。

通过“数字黄河”与“模型黄河”的联合运用，确保各种治理开发方案在“原型黄河”上实现技术先进、经济合理、安全有效的目标。

关键词：

模型黄河工程

“原型黄河”或“自然黄河”，是我们治理开发和管理的对象，其目标是实现“四个不”，即“堤防不决口，河道不断流，水质不超标，河床不抬高”，最终实现黄河的长治久安。

要建设好“原型黄河”，还必须建设另外两条黄河，一条是“数字黄河”，另一条是“物理模型黄河”。

“模型黄河”可对“原型黄河”所反映的自然现象进行反演、模拟和试验，从而揭示“原型黄河”内在的自然规律。

“模型黄河”有三个明显的特点：

一是可系统联系黄河的一系列零散因素，并直观看出它们相互之间的关系，二是可使黄河各种抽象的现象具体化甚至量化，三是可直观呈现黄河不同治理开发方案的结果，使科学决策便捷、准确。

建设“模型黄河”，一方面直接为“原型黄河”提供治理开发方案，另一方面为“数字黄河”工程建设提供物理参数。

同时，“模型黄河”还应成为“数字黄河”通过模拟分析提出“原型黄河”治理开发方案的中试环节。

通过“数字黄河”与“模型黄河”的联合运用，确保各种治理开发方案在“原型黄河”上实现技术先进、经济合理、安全有效的目标。

一、构建完整的“模型黄河”体系

针对黄河存在的主要问题，“模型黄河”体系的构建应包括四个方面的内容，即黄土高原模型、水库模型、河道模型及河口模型。

黄土高原模型

黄土高原的多沙粗沙区，水土流失的主要原因是重力侵蚀。

因此，抬高侵蚀基准面措施的治理效果最为明显。

据统计，20世纪70年代以来，三门峡以上一般年份来沙量减少了3亿吨，其中淤地坝及水库减沙占90％以上。

同时，淤地坝形成的坝地，由于它拦蓄了径流冲刷坡面的表层土壤，水肥条件优越，亩产是坡耕地的10倍以上，因此，深受当地农民群众的欢迎。

治沟骨干工程和淤地坝系建设的理论依据是“相对平衡理论”。

即随着坝区淤积逐渐增加和坝体逐步加高，抬高了沟道侵蚀基准面，使沟坡相对高度和坡度逐渐减小，当坝地面积与控制流域面积的比例足够大、沟坡相对高度和坡度达到某一值时，重力侵蚀和沟蚀量变得很小，一定频率洪水及其挟带的泥沙平铺在坝地上，且水深和泥沙淤积厚度不影响坝地上农作物的正常生长。

目前，坝系“相对平衡理论”尚不成熟，尤其是对坝系相对稳定的前提条件，以及如何确定建坝座数、最佳拦沙库容和滞洪坝高等问题，尚缺乏系统和深入的研究。

只有解决了坝系建设的一系列理论问题，并由此指导广大群众的实践活动，才有可能大大提高其安全性，避免农民群众自发建设的坝系工程被洪水冲毁的现象，使其真正成为旱涝保收的基本农田，同时又收到拦蓄泥沙的良好效果，并最终实现遏制沟道重力道侵蚀的“相对平衡”目标。

特别指出，在黄土高原水土流失区不同的区域，由于其小气候特征、地形、地貌、土壤等因素存在着一定的差异，因此，不同区域建立坝系“相对平衡”的条件是不一样的。

基于以上考虑，可以分别就黄土高原多沙粗沙区的某一条小流域或其中的某一条支沟建立物理模型，首先对其侵蚀的机理进行分析模拟，找出其侵蚀的基本规律，然后将其治理的治沟骨干工程或淤地坝系摆进模型里，本着最终实现“相对平衡”的目标，对各种可能的治理方案进行试验，在此基础上，提出某一支沟的治理方案，并将试验研究推荐的治理方案付诸于具体的治理实践中。

如此，一条沟一条沟地进行试验研究，治理的生产任务也对应着一条沟一条沟地进行安排，把试验研究成果变成现实。

长此以往，我们就可以建立起黄土高原治理的“相对平衡”理论，并用以指导整个黄土高原的水土流失治理。

不可否认，目前我们规划的治沟骨干工程和淤地坝系的总体布局以及对未来某一水平年的减沙效益的测算都带有经验性，如果建立起黄土高原水土流失治理的物理模型，就可以通过反复的试验研究将工程布局的规划及其减沙效益进行量化分析，大大提高治理规划的科技含量和对减沙效益预测的可信度。

但是，也应该认识到，此类模型的构建具有相当的难度。

截至目前，国际上尚没有建立类似模拟黄土高原水土流失重力侵蚀现象的物理模型，现有的模型均是针对模拟面蚀、浅沟流失等现象的。

如比利时地理实验室、希腊雅典农业大学实验室建立的物理模型，主要是研究耕地水土流失与水流、土壤质量、坡降、土地空间变化等关系。

美国研究水土流失的部分机构有：

密西西比泥沙实验室、中南地区水土管理研究室、印地安纳国家水土流失实验室、东北流域研究实验室、得克萨斯草地水土研究实验室等，这些机构基本上都是利用大型实验室，试验研究坡降、地表水径流量、地下水、泥沙粒径、土壤结构、表层覆盖、表层糙率、降雨等因素对水土流失的影响。

我国中科院杨陵水土保持实验室，主要是模拟黄土高原面蚀、浅沟流失现象，对于重力侵蚀则多是分析研究原型观测资料。

由此看来，建立试验研究黄土高原重力侵蚀现象并提出治理措施的物理模型是一项开创性的工作。

水库模型

在黄河上修建水库，将会使天然河床的边界条件发生很大变化。

对水库上游来说，抬高了侵蚀基准面，对水库下游来说，改变了来水来沙条件。

河流环境的改变，将引起上下游河道及库区河型的转化和河床的变化调整。

水库模型的建设，就是通过广泛而深入的试验研究，探索其变化和调整的规律。

黄河水库模型至少应用于以下方面。

1.提出三门峡库区治理方案

试验研究在不同进库水沙条件、不同运用水位及不同出库水沙条件下，三门峡库区的冲淤变化规律。

从而提出潼关以下库区河道河势变化及其治理的工程布局、潼关高程变化分析及其改善措施、潼关以上库区的治理方案等。

2.确定小浪底水库运用方式

试验研究不同边界条件下的库区纵向与横向发展调整及其影响范围、库区淤积形态，异重流排沙、明流排沙、相机降低水位冲刷水库的条件及其对下游河道的影响，在不对下游河道造成负面影响的情况下，优化塑造库区淤积形态，论证确定不同时期小浪底水库科学的运用方式。

3.拟建水库的淤积形态设计

拟建的古贤、碛口水库，均位于黄河干流上。

可通过模型试验研究水库特征水位及其泄流规模、水库运用方式、库区干支流形态变化规律及其影响范围，提出满足水库设计需要的一系列物理参数。

4.优化中游水沙调控体系的联合运用机制

现状条件，中游水沙调控体系包括三门峡、小浪底、陆浑和故县水库，远期还有河口村、古贤和碛口水库加入。

对于进入黄河下游的水沙，都将由上述调控体系联合运用来进行控制，如何根据不同的来水来沙条件，科学确定调控体系各个组成部分之间的责任分配，需要通过模型试验进行研究确定。

近期可就三门峡水库与小浪底水库的联合调水调沙运用，特别是通过三门峡水库的调水调沙人工塑造小浪底水库库区的异重流进行试验研究。

河道模型

20世纪30～40年代，德国利用河道模型试验研究黄河下游游荡性河道的演变，这是世界上首例关于黄河的河道模型试验，因此被誉为水利科研界的卓越先驱。

在此以后的半个多世纪以来，我国学者开展了大量的黄河河道模型试验，取得了极其宝贵的研究成果。

然而，由于黄河问题的复杂性，到目前为止，我们对黄河自身固有的自然规律的认识还很肤浅，再加之新情况、新问题不断出现，迫切需要我们无论是在范围和规模上，还是在试验研究的深度上去建设和运行黄河的河道模型。

河道模型主要应用于分析研究河床演变规律、确定河道整治方案、提出适宜黄河下游河道排沙入海的小浪底水库调水调沙方案、河道沿程洪峰流量及洪水位预报、滩区淹没范围预报等。

1.分析研究河床演变规律

着重就不同历时、不同流量、不同含沙量及其组合的各种水沙条件对河床演变的影响进行分析研究，探求河床变形、河势变化及河型转化等情况发生的主要边界条件和规律，对河床下切、展宽或淤积、斜河、横河、滚河、工程着溜或脱溜等情况及其变化趋势作出预测。

2.确定河道整治方案

目前，黄河下游还有299公里的游荡性河道尚未得到有效的控制，河槽宽浅散乱，主流摆动频繁，斜河、横河、滚河现象时有发生。

因此，尽早确定黄河下游游荡性河道的整治方案并付诸实施，显得十分必要。

要通过河道模型试验，研究确定各个河段具体的整治方案、控导工程布局、结构型式及其它有关参数。

3.提出适宜下游河道排沙入海的小浪底水库调水调沙方案

首先通过对黄河下游河道输沙特性的模型试验，找出黄河下游河道排沙入海的最优水沙组合过程，这种水沙组合，在排沙入海的过程中，既不使河床发生淤积，也不致使输沙水流的能量过剩。

然后，就此向小浪底水库提出调水调沙的具体要求，即要求小浪底水库下泄的流量大小及历时、含沙量、泥沙级配等，符合黄河下游河道排沙入海的最优水沙组合要求。

4.河道洪水演进、洪峰流量及洪水位预报

利用河道模型对不同量级的洪水进行演进并对沿程洪峰流量和洪水位进行预报，对防洪决策具有重大的现实意义。

具体操作时，河道模型可与小花间洪水警报预报系统相结合，当洪水预报系统提出花园口断面可能发生的洪峰流量时，可把这一流量在河道模型上进行演进，从而可对沿程各个断面的洪峰流量及洪水位做出预报。

美国建立的密西西比河流域露天模型，范围包括密西西比河干支流及墨西哥湾，试验的目的就是预报洪峰流量和洪水位。

如1952年，支流密苏里河大水，模型预报了洪水演进。

1973年密西西比河大水，模型预报了干支流的水位及流量，为防洪决策提供了很好的服务。

5.滩区淹没范围预报

利用河道模型试验进行下游滩区淹没范围、淹没深度、淹没历时等情况的预报，将对滩区安全建设和洪水期滩区群众的安全撤离提供科学依据。

通过“数字黄河”工程的建设，将建立基于地理信息系统的洪水演进和风险决策支持系统，而这一系统的建立，则需要河道模型的反复运行为其提供下游滩区洪水演进的诸多物理参数。

河口模型

黄河河口水流宽深比很大，流态多变，泥沙既有径流挟运，也有潮流从海域带来，并因径流与潮流比值不同而形成口门处的拦门沙。

经过长距离运移，黄河河口地区的泥沙大都为细颗粒泥沙，且具有往复流特征，其絮凝沉降和启动特性十分复杂，这些都将使黄河河口的模型设计尤其是模型沙的选取具有相当的困难，而且加沙方法及其设备还将大大增加试验的难度。

正因为如此，相对于河道模型试验，黄河河口的模型试验做的很少，到目前为止，仅进行过一些小尺度的物理模拟研究。

黄河河口的治理，在确保实现黄河下游“河床不抬高”、“堤防不决口”的目标中占有重要的地位。

因此，建设并运行黄河河口模型是必要的。

黄河河口模型，主要用于分析研究河口演变规律，提出科学合理的河口治理方案。

1.分析研究河口演变规律

模拟分析清水沟流路不同阶段历史流路的发生条件和发育过程，重点研究淤滩成槽阶段、冲刷扩展阶段和淤积延伸阶段，找出各阶段流路形成及变化的内在机理。

模拟不同水沙条件和不同边界条件下清水沟流路沿程的冲淤变化、形态变化、河势摆动、流路历时、行洪排沙能力变化、造陆速率等，找出河口淤积延伸与水沙及其边界条件之间的关系。

试验研究海洋动力对河口输沙的影响，分析海洋动力与河口排沙能力的关系，并以此反求小浪底水库调水调沙运用的时机。

试验研究拦门沙的发生条件、发展模式、发育地点和过程、对河口输沙的影响，重点分析拦门沙的产生、发展与上游河道来水来沙及海域来沙的关系，研究减少拦门沙淤积的途径和措施。

2.提出河口治理方案

在分析研究河口演变规律的基础上，提出各种可能的治理方案，比如，疏浚尾闾河槽、截支强干、加大行洪排沙能力的方案，建导流堤将河口泥沙直接送入渤海的方案，现行入海流路的改道方案，引海水冲刷河口的方案等，将这些方案摆到模型里进行试验研究，本着“降低淤积面高程，有利于河道行洪排沙入海”的原则，结合考虑河口地区的具体情况，提出科学合理的河口治理方案，供决策参考。

　　二、“模型黄河”建设与运行的保障机制

建设“模型黄河”，是一种手段，是一种工具，而不是最终目的。

其目的在于借助它更好地研究黄河，认识黄河，在此基础上提出科学合理的治理方案。

因此，只有将其付诸运行，才能充分发挥这一重要手段的作用。

那么，怎样才能确保“模型黄河”的运行呢？

1.做好“模型黄河”工程建设的总体设计

要以“分析研究黄河自然规律，提出黄河治理科学方案”为目标，以“科学、系统、先进、便捷”为原则，进行“模型黄河”工程建设的总体设计。

全面规划，分步推进。

要特别重视提高“模型黄河”工程建设中的高科技含量，试验设备、运行操作、成果形成及显示等，要由一套高效、准确、快捷的自动化系统来完成。

彻底改变以往由人工观测和操作的方式，避免误差，提高试验成果的科学性和准确率。

2.建立稳定且顺畅的投资渠道

要充分认识到，“模型黄河”的最终用户是黄河水利委员会。

因此，黄委要建立使“模型黄河”正常运行的稳定的投资渠道，黄河水利科学研究院是“模型黄河”的建设和运行单位，黄委直接而不是再经第三个单位向黄河水利科学研究院拨付专门供“模型黄河”运行的资金，“模型黄河”的试验研究结果直接对黄委负责。

3.各级领导及业务部门要树立科学决策的意识

这种科学决策的意识，反映在黄河的治理开发方案付诸实施之前，一定要有“模型黄河”的试验结果，而且要充分尊重和利用试验结果。

例如，某一游荡性河段的河道整治方案的确定，不能仅仅停留在各方不同意见的相互争论之中，一定要在“模型黄河”上对拟定方案进行运转，凡是模型试验不成功的方案必须放弃。

对于黄河下游的挖河方案也是如此，在没有经模型试验的情况下，决不可盲目实施，以免造成决策失误。

只有各级领导及业务部门树立了科学决策的意识，对“模型黄河”的需求才能源源不断。

有了诸多需求的牵引，“模型黄河”才会不断地运行起来。

4.“模型黄河”的运行需要多部门的协同配合

“模型黄河”的建设与运行，需要大量的相关基础资料，如河道地形条件、来水来沙条件、工程布局条件、库区测验资料等，而这些条件及资料的提供分布在不同的业务部门，因此，必须建立起一套行之有效的协同配合机制。

5.培养和造就一流的科研人才队伍

建设和运行一流的“模型黄河”，需要有一流的科研人才队伍作保证。

要着力培育有利于优秀科研人才脱颖而出的环境和氛围。

从事与“模型黄河”有关的基础研究和应用研究的科研队伍，既要相对稳定，又要建立和完善一套激励机制，优胜劣汰。

培养和造就一流的科研人才队伍，要与“模型黄河”的建设和运行同步，最终实现一流成果和一流人才的双丰收。

要善于用事业吸引人才。

大凡优秀的科研人才，他们都有远大的志向和对事业的执着追求，无不看重实现自身抱负的宏大事业。

黄河是世界上公认的最复杂、最难以治理的河流，“模型黄河”的建设与运行，将成为攻克黄河复杂问题的重要途径之一，可以为那些有志于在河流泥沙和治河研究方面有所建树的科研人员提供施展才华的舞台。