完善淮河模型基地 搭建科研創新平臺

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祥地，河流治理開發是人類面臨的重要的、永恒的課題，因此，認識、模擬河流的演變特性進而掌握其演變規律對于河流的合理開發利用意義重大。長期以來，通過對河流水情工情的觀測分析，建立了一定數理基礎的數學模型，對河流的特性模擬和治理開發起到了關鍵性作用。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、河流演變的復雜性，在研究河流變化演變過程中，僅僅依靠單獨分析和數學建模方法無法準確地解決實際問題，因此，人們研制出將河流按相似原理縮小成實體模型，在模型內研究各種因素在各種情況下變化規律的河工模型技術。

一個多世紀以來，隨著科學技術的發展特別是計算機、網絡、測控等信息技術的發展，河工模型技術研究工作已取得重大進展，成果在研究水利工程建設，河道開發整治，港口河岸利用諸多方面中發揮了重要作用。目前，河工模型技術已成為河流模擬研究各類復雜水文及水工問題的重要手段，這種研究手段有著數學模型不可替代的地位。

二、國內外實體模型發展狀況

1875年法國學者法格進行了最早的物理模型實驗。1885年英國學者雷諾采用了變態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建立了世界上第一個水工實驗室。1913年以后，河工模型的應用技術得到普遍認可，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進入了飛速發展時期。

我國河工模型的研發工作開始于20世紀30年代。1931年進行了有關黃河束窄堤距的河工模型實驗，論證了明代潘季馴束水攻沙的理論付諸于實際工程的可能性。新中國建立以后，在國內主要河流的河道治理以及大型水利工程建設中，河工模型發揮了重要作用。

長江流域河工模型實驗最早始于1935年，20世紀50年代，多處河段變態模型先后研究并建造；60年代研究建造了荊江、漢江部分重點問題河段的模型；70年代，葛洲壩工程壩區模型的研制，為解決壩區樞紐布置、航道規劃、泄洪沖沙等重大問題提供技術指導；80年代后隨著三峽工程的準備與開工，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驗在國內最早開始于20世紀40年代。50年代，前蘇聯以及國內諸多專家學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，為解決重點水利樞紐建設中遇到的難題，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、南水北調中線工程穿黃部分的隧洞渡槽設計方案等。

淮河流域20世紀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揮了重要作用。

三、淮河防洪除澇減災實體模型及關鍵技術

為進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年利用世行貸款項目淮河流域重點平原洼地治理工程子項淮河流域洪澇災情評估及減災決策支持系統建成淮河模型基地,其中包含淮河防洪除澇減災實體模型。

1.模型概況

淮河防洪除澇減災實體模型研究河段為淮河干流正陽關至渦河口，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高程或相應城市圈堤、防洪堤為界，邊界內淮河兩側所有行洪區與生產圩均在模擬范圍內。河段主要入匯支流包括潁河、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以及東淝閘右圩等14個生產圩。

模型研究河段河勢復雜，支流入匯集中，行洪區與生產圩區密集分布，分洪河道參與泄洪，支流、行洪區、生產圩區及分洪河道與淮干水流相互影響，邊界條件十分復雜。為保證復雜邊界條件下的試驗精度，本段河道模型應用量測技術、計算機網絡、工業自動化技術、網絡技術、多媒體技術，構建一套測控精度高、運行平穩可靠、自動化程度高的測控系統。包括四大內容即：現地測控系統、網絡系統、中央監控系統、軟件系統。現地測控系統采用分布式結構，其中現地服務器、網絡交換機、工控機、接口箱、打印機等布設在現地監控中心內，其余儀器設備均安裝在模型現場。不同工控機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。網絡系統總體結構為星型層次化結構，分為兩級。主干網采用千兆以太網，二級網絡采用100M快速交換以太網，各PC機通過100M速率直接與二級交換機相連。中央監控系統實現了試驗現場及基地各處運行情況的“遙視”功能。軟件系統主要包括測控模塊軟件和操作應用界面。

2.模型的關鍵技術

針對實體模型研制中所遇到的不同的技術難題采取合理巧妙的解決辦法：

一是在變態模型口門泄流模擬技術研究中，將原型不規則的口門簡化成模型階梯形口門，確保口門處模型泄流過程和流態與原型相似。

二是在變態模型閘堰泄流模擬技術研究中，采用復合變態的外形模擬方法，在順水流方向上采用與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、流量進行連續調節，以確保模型各出入流邊界水位、流量保持同步對應關系。

四是在行洪區糙率模擬技術研究中，采用十字片梅花加糙技術，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，能滿足淮河實體模型行洪區大糙率加糙要求。

五是在模型開展非恒定流試驗研究時，可對淮干及各支流流量及尾門開度進行實時連續控制，對各控制點水位及河道與行洪區流速進行同步檢測。本河段實體模型共布置入流數字量水堰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32個，行洪區粒子圖像測速系統8套等，組成了一個復雜的自動測控系統。

四、實體模型完善及應用研究

目前，淮河流域防洪除澇減災體系已初步形成，但與淮河流域在我國國民經濟中占有十分重要的戰略地位對水利發展的要求相比仍需進一步完善。淮河流域綜合規劃中確定了在淮河中下游開展平原洼地治理、沿淮行蓄洪區調整、淮河入海水道二期工程建設等項目。為更好地實施這些項目，需要針對項目中一些關鍵難題（如干支流洪水影響、洪澇水影響、行蓄洪區啟用影響、河湖關系等）采用河工模型技術進一步論證研究，因此需對現有的實體模型作進一步完善，并盡快著手開展模型應用研究。

1.實體模型完善

今后一段時間內，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驗設施資源充分利用起來，以淮河模型基地為主，結合各科研院所以及高校關于淮河的河工模型建設和研究成果，擴充淮河實體模型的模擬范圍，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問題研究提供更為先進方案的試驗平臺，為淮河流域防洪除澇減災、水資源綜合開發利用、重大工程建設方案論證等重要決策提供更加科學的依據。

2.模型應用研究

實體模型建成后，在淮河流域防洪除澇調度、流域綜合治理規劃、流域資源的合理應用以及流域生態文明建設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至渦河口區域干流、支流洪水關系，為進一步研究南北支流不同來水組合下的洪澇關系提供技術支持。

（2）通過研究洪水演進特性，為優化啟用行蓄洪區次序、啟用時機、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度提供等提供技術支撐。

（3）開展各類水流特性、泥沙沖淤特性、河勢發展趨勢以及建筑物工程對河道的影響等多方面試驗，為更好地建設河道兩岸經濟發展提供方案。

（4）模擬淮河中上游區域內干流、支流出現需要應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，如何加快污染團下泄速度、控制和稀釋污染團濃度以及防止污染團擴散等。

（5）可結合數學模型進行對比研究、形成數學與物理相耦合的模擬技術，為淮河中游區域內干流、支流以及行蓄洪區的治理（規劃、設計等）提供技術模擬平臺，同時為研究淮河中游的水問題提供一個科研創新平臺。

五、結語

國內外大量研究及成果應用表明，與數學模型一樣，河工模型是模擬河流演變的重要手段，而且有著數學模型不可替代的地位。淮河正陽關至渦河口段模型主體工程已建成，具備了研究一些治淮關鍵問題以及技術難題的基礎，科研基地、創新研究平臺功能基本具備。下一步可結合淮河重大問題的研究，以及進一步治淮規劃的實現，需要針對項目中一些關鍵難題（如：干支流洪水影響、洪澇水影響，行蓄洪區啟用影響，河湖關系等）采用河工模型技術進一步論證和深入研究，同時需對現有的實體模型作進一步完善。

河工模型對于淮河流域綜合規劃治理具有極高的戰略意義。隨著模型即將投入使用，各類項目合作前期工作也已經開始準備籌劃，相信淮河模型基地在今后的治淮事業發展中將扮演至關重要的角色，為治淮事業貢獻力量，成為真正的科研創新基地■

（作者單位：淮河水利委員會綜合事業發展中心 233001）