模型黃河：賦能幸福河建設(shè)的“大國(guó)重器”

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。回顧這一年，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(yàn)基地開展萬(wàn)家寨水庫(kù)冰凌模型試驗(yàn)；5 月，開展黃河下游小浪底至陶城鋪河段洪水預(yù)演實(shí)體模型試驗(yàn)，對(duì)河勢(shì)變化及可能發(fā)生的險(xiǎn)情進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)，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(yàn)基地，均隸屬于黃河水利科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱黃科院），一個(gè)是鄭州模型黃河試驗(yàn)基地，位于河南省鄭州市金水區(qū)國(guó)基路，基地總面積約18.7 萬(wàn)平方米，總建筑面積9 萬(wàn)平方米；另一個(gè)是東營(yíng)黃河河口模型試驗(yàn)基地，位于山東省東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)勝利大街，占地面積約32.1 萬(wàn)平方米，試驗(yàn)大廳建筑面積4.5 萬(wàn)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(diǎn)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(yàn)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)黃河的長(zhǎng)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(dòng)，提升治黃體系和治理能力現(xiàn)代化水平。

如果說(shuō)數(shù)字黃河是把黃河“裝進(jìn)”計(jì)算機(jī)，那么，模型黃河就是把黃河“放進(jìn)”實(shí)驗(yàn)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(yàn)基地開工建設(shè)，先后建成了多座試驗(yàn)技術(shù)先進(jìn)的大型試驗(yàn)廳。2006年，東營(yíng)黃河河口模型試驗(yàn)基地在東營(yíng)市開工建設(shè)，基地大廳、實(shí)驗(yàn)樓和廳內(nèi)模型先后竣工，成為東營(yíng)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(shí)。經(jīng)過(guò)30 多年發(fā)展，模型黃河試驗(yàn)基地已經(jīng)建成了水土流失試驗(yàn)廳、水庫(kù)試驗(yàn)廳（包括萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)試驗(yàn)廳、三門峽庫(kù)區(qū)試驗(yàn)廳和小浪底庫(kù)區(qū)試驗(yàn)廳）、下游河道試驗(yàn)廳、黃河口試驗(yàn)廳以及基礎(chǔ)研究試驗(yàn)廳、水工試驗(yàn)廳、抗震實(shí)驗(yàn)室、抗磨實(shí)驗(yàn)室、綜合實(shí)驗(yàn)樓等一批基礎(chǔ)科研設(shè)施。

科技治黃從“演練場(chǎng)”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(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)。為更好地服務(wù)于黃河保護(hù)治理實(shí)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(duì)平衡機(jī)理、溝道重力侵蝕規(guī)律及治理方案等；二是水庫(kù)模型，主要用于研究水庫(kù)運(yùn)用方式、庫(kù)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(yùn)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(bào)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(bào)國(guó)”的光榮使命，運(yùn)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(huì)發(fā)展等方面發(fā)揮了支撐作用。

說(shuō)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(guò)幾代治黃人的夢(mèng)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(yàn)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)小浪底水庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行中各種技術(shù)難題進(jìn)行跟蹤研究，僅水工模型試驗(yàn)就開展了100 多項(xiàng)，還針對(duì)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(kù)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(yàn)基地連續(xù)8 年開展黃河下游洪水演進(jìn)預(yù)報(bào)試驗(yàn)?？蒲腥藛T根據(jù)汛前黃河水沙情勢(shì)，選擇確定汛期黃河下游可能出現(xiàn)的典型大洪水過(guò)程，預(yù)測(cè)河勢(shì)變化及可能發(fā)生的險(xiǎn)情；同時(shí)，通過(guò)物理模型、數(shù)學(xué)模型手段，做好試驗(yàn)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(cái)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(yàn)基地開展萬(wàn)家寨水庫(kù)冰凌模型試驗(yàn)。

此次試驗(yàn)以本年度凌汛期凌情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，原型觀測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)體模型、二維冰水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型“三條黃河”深度聯(lián)動(dòng)，對(duì)開河期萬(wàn)家寨庫(kù)尾卡冰結(jié)壩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。科研人員加班加點(diǎn)，連續(xù)開展3 組次試驗(yàn)，模擬實(shí)際河道中冰水輸移演變過(guò)程和冰塞冰壩的形成過(guò)程，為萬(wàn)家寨水庫(kù)防凌調(diào)度提供決策建議，以確保萬(wàn)家寨庫(kù)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(yàn)，通過(guò)相似性模擬，是探索自然界水沙復(fù)雜運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)國(guó)家級(jí)和省部級(jí)科研項(xiàng)目的實(shí)施。

利用水土流失試驗(yàn)廳，開展國(guó)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(dòng)力學(xué)機(jī)理模擬試驗(yàn)”，為坡面水土保持措施優(yōu)化配置提供理論依據(jù)；開展國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“砒砂巖區(qū)多動(dòng)力復(fù)合侵蝕時(shí)空分異規(guī)律”研究，為揭示復(fù)合侵蝕過(guò)程發(fā)生發(fā)展的過(guò)程與機(jī)理等提供模擬觀測(cè)手段。

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

利用小浪底庫(kù)區(qū)試驗(yàn)廳，開展國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“水庫(kù)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(xiàng)“小浪底水庫(kù)淤積形態(tài)優(yōu)選與調(diào)控的理論及關(guān)鍵技術(shù)”等項(xiàng)目，大量的研究成果為小浪底水庫(kù)優(yōu)化運(yùn)行提供了重要參考依據(jù)。

利用下游河道試驗(yàn)廳，開展國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“沙波床面邊界層分離臨界條件對(duì)渾水動(dòng)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(duì)水沙動(dòng)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(duì)科研啟動(dòng)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(dòng)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(yàn)廳，開展國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、自然基金項(xiàng)目、中國(guó)博士后面上基金項(xiàng)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(dòng)力耦合作用的定量關(guān)系，確立新時(shí)期河口系統(tǒng)治理總體布局?！暗罂诤雍拥兰熬植亢Ｓ蛭锢砟Ｐ汀痹囼?yàn)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(guó)的大地上，把科研成果應(yīng)用在全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的偉大事業(yè)中”。模型黃河立足黃河，面向流域，放眼全國(guó)，從試驗(yàn)大廳走向田間地頭，從實(shí)物模擬穿越數(shù)字空間，用“智慧河”澆灌“報(bào)國(guó)夢(mèng)”。

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(kù)實(shí)體模型試驗(yàn)；在陜西，開展榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)飲水工程黃池溝水庫(kù)淤積形態(tài)物理模型試驗(yàn)及河道模型試驗(yàn)；在河南，開展九峰山抽水蓄能電站水工模型試驗(yàn)；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(yàn)及河道模型試驗(yàn)；在黑龍江，開展十六道崗水庫(kù)仿生態(tài)魚道模型試驗(yàn)等。

二是服務(wù)于水陸交通工程防洪影響評(píng)價(jià)。開展咸陽(yáng)市彩虹一路跨渭河大橋模型試驗(yàn)、京滬黃河大橋冰凌模型試驗(yàn)、烏海黃河特大橋冰凌模型試驗(yàn)、風(fēng)陵渡黃河大橋及連接項(xiàng)目實(shí)體模型試驗(yàn)等，為橋梁工程設(shè)計(jì)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(wàn)家寨、青銅峽等水電站水輪機(jī)的輪轉(zhuǎn)、活動(dòng)導(dǎo)葉等過(guò)流部件磨蝕規(guī)律研究和抗磨蝕修復(fù)施工；在長(zhǎng)江流域，開展葛洲壩、銅街子等水電站水輪機(jī)關(guān)鍵過(guò)流部件抗沖磨修復(fù)材料和產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)施工；在臺(tái)灣地區(qū)，開展石門水庫(kù)排沙隧洞抗沖磨修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)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(guó)家。

四是服務(wù)需要的地方。在服務(wù)好國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的同時(shí)，黃科院積極拓展國(guó)際市場(chǎng)，讓水工模型試驗(yàn)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(xiàng)國(guó)際項(xiàng)目的模型試驗(yàn)研究，奠定了模型試驗(yàn)進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)的基礎(chǔ)。近期，開展了馬來(lái)西亞Baleh 水電站低位洞水工模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，優(yōu)化了設(shè)計(jì)體型，為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)度提供了重要技術(shù)支撐，受到了國(guó)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(yàn)基地打造成為集科研、宣傳和愛國(guó)主義教育于一體的多元化中心，成為人們認(rèn)識(shí)黃河、解鎖黃河客觀規(guī)律的密鑰。

一直以來(lái)，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(yàn)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(yàn)基地扛起新時(shí)代的使命擔(dān)當(dāng)，打造升級(jí)版科技治黃展示平臺(tái)和愛國(guó)主義宣教陣地，建設(shè)樣板間黃河文化長(zhǎng)廊。每年科技活動(dòng)周期間，模型黃河試驗(yàn)基地都會(huì)開展多層次、全維度的科普活動(dòng)。近年來(lái)，中國(guó)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(shí)驗(yàn)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(huì)互動(dòng)，讓黃河科研得到了更多社會(huì)關(guān)注和支持。

2021 年全國(guó)科技活動(dòng)周期間，鄭州模型黃河試驗(yàn)基地共接待了5 批次研學(xué)團(tuán)隊(duì)，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(duì)科學(xué)的興趣。

在鄭州模型黃河試驗(yàn)基地，河南衛(wèi)視拍攝了《危機(jī)大調(diào)查》節(jié)目，針對(duì)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(shí)體模型試驗(yàn)過(guò)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(guó)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(dòng)活潑的黃河文化弘揚(yáng)窗口。目前，黃科院正在加快推進(jìn)模型黃河試驗(yàn)基地文化長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(chǎng)景和智慧化模擬支撐。

2023 年4 月，水利部黨組書記、部長(zhǎng)李國(guó)英率調(diào)研組調(diào)研鄭州模型黃河試驗(yàn)基地，深入了解模型黃河建設(shè)運(yùn)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(yùn)用，積極運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字、智能、測(cè)驗(yàn)、感知、信息技術(shù)迭代升級(jí)，不斷提升模型黃河建設(shè)的科技水平，實(shí)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(yíng)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(jiān)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(yàn)。

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(huì)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(zhǎng)治久安”，模型黃河建設(shè)迎來(lái)了發(fā)展的黃金機(jī)遇期。

為全面貫徹落實(shí)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(diǎn)，明確了新時(shí)代模型黃河發(fā)展目標(biāo)——推進(jìn)實(shí)現(xiàn)模型制作機(jī)械化、要素測(cè)控自動(dòng)化、過(guò)程模擬智能化、試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)化、試驗(yàn)環(huán)境人文化，讓模型黃河在服務(wù)國(guó)家重大工程和流域區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想指引下，黃科院將乘勢(shì)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(dòng)升級(jí)，努力揮展科技創(chuàng)新之翼，飛躍幸福河建設(shè)的新高峰。