水利工程论文-建设“模型黄河”工程.doc

水利工程论文-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”（以下简称“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。（一）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（如修建治沟骨干工程和淤地坝系）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。（二）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。（三）河道模型20世纪3040年代，德国H.Engels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，H.Engels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