完善淮河模型基地 搭建科研創(chuàng)新平臺

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

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、模擬河流的演變特性進(jìn)而掌握其演變規(guī)律對于河流的合理開發(fā)利用意義重大。長期以來，通過對河流水情工情的觀測分析，建立了一定數(shù)理基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型，對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程中，僅僅依靠單獨(dú)分析和數(shù)學(xué)建模方法無法準(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)。

一個多世紀(jì)以來，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、國內(nèi)外實(shí)體模型發(fā)展?fàn)顩r

1875年法國學(xué)者法格進(jìn)行了最早的物理模型實(shí)驗(yàn)。1885年英國學(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年恩格斯在德國德累斯頓工科大學(xué)建立了世界上第一個水工實(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家的水利水電事業(yè)進(jìn)入了飛速發(fā)展時期。

我國河工模型的研發(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。新中國建立以后，在國內(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)在國內(nèi)最早開始于20世紀(jì)40年代。50年代，前蘇聯(lián)以及國內(nèi)諸多專家學(xué)者針對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關(guān)至渦河口，模擬河段全長約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、洛河洼等八個行洪區(qū)以及東淝閘右圩等14個生產(chǎn)圩。

模型研究河段河勢復(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)用量測技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)，構(gòu)建一套測控精度高、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、自動化程度高的測控系統(tǒng)。包括四大內(nèi)容即：現(xiàn)地測控系統(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。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。主干網(wǎng)采用千兆以太網(wǎng)，二級網(wǎng)絡(luò)采用100M快速交換以太網(wǎng)，各PC機(jī)通過100M速率直接與二級交換機(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)則的口門簡化成模型階梯形口門，確?？陂T處模型泄流過程和流態(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，各級別洪水工況下都對每個出入流邊界的水位、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、對于不同方向水流糙率各向均勻性較好，對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，可對淮干及各支流流量及尾門開度進(jìn)行實(shí)時連續(xù)控制，對各控制點(diǎn)水位及河道與行洪區(qū)流速進(jìn)行同步檢測。本河段實(shí)體模型共布置入流數(shù)字量水堰5套，差動式尾門2套，閘堰控制裝置10套，自動口門20套，河道流速觀測斷面23個，水位觀測點(diǎn)32個，行洪區(qū)粒子圖像測速系統(tǒng)8套等，組成了一個復(fù)雜的自動測控系統(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國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的戰(zhàn)略地位對水利發(fā)展的要求相比仍需進(jìn)一步完善?；春恿饔蚓C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

今后一段時間內(nèi)，可利用水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心—淮委合肥水利科研基地分中心這個平臺，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，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，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）通過模擬研究不同洪水條件下正陽關(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水組合下的洪澇關(guān)系提供技術(shù)支持。

（2）通過研究洪水演進(jìn)特性，為優(yōu)化啟用行蓄洪區(qū)次序、啟用時機(jī)、啟用量提供參考；通過模擬大別山大型水庫不同下泄量洪水對淮北大堤的影響研究，為水庫給淮北大堤錯峰調(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、河勢發(fā)展趨勢以及建筑物工程對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，同時為研究淮河中游的水問題提供一個科研創(chuàng)新平臺。

五、結(jié)語

國內(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栮P(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，同時需對現(xiàn)有的實(shí)體模型作進(jìn)一步完善。

河工模型對于淮河流域綜合規(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：淮河水利委員會綜合事業(yè)發(fā)展中心 233001）