模型黃河：賦能幸福河建設的“大國重器”

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，黃河進入封河關鍵期。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支撐。2023年3 月，鄭州模型黃河試驗基地開展萬家寨水庫冰凌模型試驗；5 月，開展黃河下游小浪底至陶城鋪河段洪水預演實體模型試驗，對河勢變化及可能發(fā)生的險情進行科學預測，彰顯模型黃河在幸福河建設中的硬核力量。

打開科技治河的一扇窗

黃河下游有兩大模型試驗基地，均隸屬于黃河水利科學研究院（以下簡稱黃科院），一個是鄭州模型黃河試驗基地，位于河南省鄭州市金水區(qū)國基路，基地總面積約18.7 萬平方米，總建筑面積9 萬平方米；另一個是東營黃河河口模型試驗基地，位于山東省東營市東營區(qū)勝利大街，占地面積約32.1 萬平方米，試驗大廳建筑面積4.5 萬平方米。

河南位于黃河中下游，歷史上是黃河決口泛濫的重災區(qū)，也是歷朝歷代黃河治理的重點區(qū)。大河之治看河口，黃河河口作為水沙承泄區(qū)域，是世界上最為復雜難治的河口，在黃河保護治理大局中地位十分重要。

兩大模型黃河試驗基地坐落在黃河中下游的咽喉之地，以科技之力守護大河歲歲安瀾，在洪水防御、重大水利工程建設論證、河道整治、河口治理、水工程調(diào)度和水沙運動及河床演變規(guī)律探索等方面，發(fā)揮了支撐與引領作用。

為實現(xiàn)黃河的長治久安，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，提升治黃體系和治理能力現(xiàn)代化水平。

如果說數(shù)字黃河是把黃河“裝進”計算機，那么，模型黃河就是把黃河“放進”實驗室。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、黃委關于數(shù)字孿生黃河建設的決策部署，黃科院對模型黃河進行了數(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90 年代開始。1991 年，在黃委黨組推動下，經(jīng)水利部批準、河南省人民政府同意，鄭州模型黃河試驗基地開工建設，先后建成了多座試驗技術先進的大型試驗廳。2006年，東營黃河河口模型試驗基地在東營市開工建設，基地大廳、實驗樓和廳內(nèi)模型先后竣工，成為東營市區(qū)東南部城市新地標。

一路櫛風沐雨，一朝春華秋實。經(jīng)過30 多年發(fā)展，模型黃河試驗基地已經(jīng)建成了水土流失試驗廳、水庫試驗廳（包括萬家寨庫區(qū)試驗廳、三門峽庫區(qū)試驗廳和小浪底庫區(qū)試驗廳）、下游河道試驗廳、黃河口試驗廳以及基礎研究試驗廳、水工試驗廳、抗震實驗室、抗磨實驗室、綜合實驗樓等一批基礎科研設施。

科技治黃從“演練場”走向“主陣地”

黃河是一條多泥沙河流，黃河保護治理離不開生產(chǎn)實踐和科學實驗。為更好地服務于黃河保護治理實踐需要，黃科院構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、壩系相對平衡機理、溝道重力侵蝕規(guī)律及治理方案等；二是水庫模型，主要用于研究水庫運用方式、庫區(qū)沖淤演變規(guī)律、水沙調(diào)控機理及調(diào)水調(diào)沙運用方式等；三是河道模型，主要研究河床演變規(guī)律、河道整治方案、洪水演進預報等；四是河口模型，主要承擔河口演變規(guī)律及綜合治理方案的研究任務。

模型黃河承載著科研人“智匯黃河、科技報國”的光榮使命，運行初期，就在重大工程規(guī)劃論證、防洪防凌支撐以及服務流域區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展等方面發(fā)揮了支撐作用。

說起支撐重大水利工程規(guī)劃建設，不得不提黃河小浪底水利樞紐。經(jīng)過幾代治黃人的夢想接力，1991 年，小浪底水利樞紐工程開工建設。

黃科院發(fā)揮模型試驗的優(yōu)勢，對小浪底水庫建設及運行中各種技術難題進行跟蹤研究，僅水工模型試驗就開展了100 多項，還針對樞紐布置、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，模型黃河在水庫調(diào)度方案、異重流排沙等方面繼續(xù)提供全方位技術支撐，彰顯出科技的硬核力量。

從2016 年7 月開始，鄭州模型黃河試驗基地連續(xù)8 年開展黃河下游洪水演進預報試驗。科研人員根據(jù)汛前黃河水沙情勢，選擇確定汛期黃河下游可能出現(xiàn)的典型大洪水過程，預測河勢變化及可能發(fā)生的險情；同時，通過物理模型、數(shù)學模型手段，做好試驗成果分析，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)凌汛災害，影響到黃河下游人民群眾生命財產(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基地開展萬家寨水庫冰凌模型試驗。

此次試驗以本年度凌汛期凌情監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，原型觀測數(shù)據(jù)、實體模型、二維冰水動力學數(shù)學模型“三條黃河”深度聯(lián)動，對開河期萬家寨庫尾卡冰結(jié)壩風險進行預測。科研人員加班加點，連續(xù)開展3 組次試驗，模擬實際河道中冰水輸移演變過程和冰塞冰壩的形成過程，為萬家寨水庫防凌調(diào)度提供決策建議，以確保萬家寨庫尾河段防凌安全。

黃河是世界上最為復雜難治的河流，開展模型黃河試驗，通過相似性模擬，是探索自然界水沙復雜運動規(guī)律和潛在機理的重要研究手段。

黃科院充分發(fā)揮模型黃河功能，在黃河水沙相關機理類實驗原創(chuàng)性研究方面發(fā)揮了不可替代的作用，有力支撐了多項國家級和省部級科研項目的實施。

利用水土流失試驗廳，開展國家自然科學基金課題“典型黃土丘陵區(qū)坡面水流侵蝕產(chǎn)沙的動力學機理模擬試驗”，為坡面水土保持措施優(yōu)化配置提供理論依據(jù)；開展國家重點研發(fā)計劃課題“砒砂巖區(qū)多動力復合侵蝕時空分異規(guī)律”研究，為揭示復合侵蝕過程發(fā)生發(fā)展的過程與機理等提供模擬觀測手段。

利用三門峽庫區(qū)試驗廳，開展國家自然科學基金項目“基于水溫與泥沙濃度分異的水庫分層流動機制及應用研究”，黃河水科學研究聯(lián)合基金項目“黃河下游主槽不均衡調(diào)整過程及動態(tài)調(diào)控”，水利部公益性行業(yè)科研專項“利用桃汛洪水沖刷降低潼關高程試驗研究”等，研究成果在治黃實踐中發(fā)揮了決策支撐作用。

利用小浪底庫區(qū)試驗廳，開展國家自然科學基金項目“水庫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“小浪底水庫淤積形態(tài)優(yōu)選與調(diào)控的理論及關鍵技術”等項目，大量的研究成果為小浪底水庫優(yōu)化運行提供了重要參考依據(jù)。

利用下游河道試驗廳，開展國家重點研發(fā)計劃課題“沙波床面邊界層分離臨界條件對渾水動力的響應機制研究”，揭示邊界層內(nèi)外摻混強度及分布對水沙動力及坡面邊界的響應規(guī)律。開展鄭州大學院士團隊科研啟動基金“黃河流域地質(zhì)環(huán)境演化及其生態(tài)地質(zhì)效應研究”，探究了不同水沙動力條件下“地上懸河”的地貌演化特征及河道調(diào)整規(guī)律。

利用黃河口試驗廳，開展國家重點研發(fā)計劃項目、自然基金項目、中國博士后面上基金項目等，闡明了黃河三角洲海岸形態(tài)調(diào)整與流域水沙、海洋波流動力耦合作用的定量關系，確立新時期河口系統(tǒng)治理總體布局。“刁口河河道及局部海域物理模型”試驗研究已納入水利部批復的“刁口河入海流路綜合治理提升工程可行性研究”。

習近平總書記強調(diào)，要“把論文寫在祖國的大地上，把科研成果應用在全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的偉大事業(yè)中”。模型黃河立足黃河，面向流域，放眼全國，從試驗大廳走向田間地頭，從實物模擬穿越數(shù)字空間，用“智慧河”澆灌“報國夢”。

一是服務于流域區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展。在新疆，開展提孜那甫河莫莫克水庫實體模型試驗；在陜西，開展榆林黃河東線馬鎮(zhèn)飲水工程黃池溝水庫淤積形態(tài)物理模型試驗及河道模型試驗；在河南，開展九峰山抽水蓄能電站水工模型試驗；在河北，開展南水北調(diào)中線北拒馬河北支、南支暗渠防洪修復加固工程消能防沖水工模型試驗及河道模型試驗；在黑龍江，開展十六道崗水庫仿生態(tài)魚道模型試驗等。

二是服務于水陸交通工程防洪影響評價。開展咸陽市彩虹一路跨渭河大橋模型試驗、京滬黃河大橋冰凌模型試驗、烏海黃河特大橋冰凌模型試驗、風陵渡黃河大橋及連接項目實體模型試驗等，為橋梁工程設計優(yōu)化及建設提供支撐。

三是服務于重大水利水電工程水工和水機磨蝕防護及修復。在黃河流域，開展萬家寨、青銅峽等水電站水輪機的輪轉(zhuǎn)、活動導葉等過流部件磨蝕規(guī)律研究和抗磨蝕修復施工；在長江流域，開展葛洲壩、銅街子等水電站水輪機關鍵過流部件抗沖磨修復材料和產(chǎn)品的現(xiàn)場施工；在臺灣地區(qū)，開展石門水庫排沙隧洞抗沖磨修復現(xiàn)場施工；在歐洲，與安德里茨集團合作研究水泵磨蝕—空蝕規(guī)律、抗沖磨材料及智慧一體化施工技術方案，并成功應用至共建“一帶一路”國家。

四是服務需要的地方。在服務好國內(nèi)市場的同時，黃科院積極拓展國際市場，讓水工模型試驗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 水電站等多項國際項目的模型試驗研究，奠定了模型試驗進軍國際市場的基礎。近期，開展了馬來西亞Baleh 水電站低位洞水工模型試驗和數(shù)值模擬計算，優(yōu)化了設計體型，為工程設計和運行調(diào)度提供了重要技術支撐，受到了國際專家的高度贊賞。

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、民主、創(chuàng)新、超越的精神，把模型黃河試驗基地打造成為集科研、宣傳和愛國主義教育于一體的多元化中心，成為人們認識黃河、解鎖黃河客觀規(guī)律的密鑰。

一直以來，黃委高度重視科普工作，把科學普及與科技創(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、護黃河。

以此為契機，模型黃河試驗基地扛起新時代的使命擔當，打造升級版科技治黃展示平臺和愛國主義宣教陣地，建設樣板間黃河文化長廊。每年科技活動周期間，模型黃河試驗基地都會開展多層次、全維度的科普活動。近年來，中國科協(xié)，河南省水利廳，清華大學、武漢大學，鄭州市緯五路第一小學、河南省實驗幼兒園等，先后到模型基地，或參觀考察，或?qū)嵙曆袑W，近距離接觸黃河保護治理科技工作。行業(yè)交流、社會互動，讓黃河科研得到了更多社會關注和支持。

2021 年全國科技活動周期間，鄭州模型黃河試驗基地共接待了5 批次研學團隊，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，引導和培養(yǎng)他們對科學的興趣。

在鄭州模型黃河試驗基地，河南衛(wèi)視拍攝了《危機大調(diào)查》節(jié)目，針對山區(qū)泥石流災害防治進行科教宣傳；湖南衛(wèi)視拍攝了《新聞大求真》，解讀大洪水實體模型試驗過程。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式現(xiàn)代化治水中的責任和擔當。錄制“黃河博士講黃河”短視頻，打造生動活潑的黃河文化弘揚窗口。目前，黃科院正在加快推進模型黃河試驗基地文化長廊建設，增強在黃河文化、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和知名度。

當前，數(shù)字中國建設如火如荼，數(shù)字孿生水利已成為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要標志。

《中華人民共和國黃河保護法》明確要求，“加強黃河保護監(jiān)督管理能力建設，提高科技化、信息化水平”。

2022 年5 月，黃委印發(fā)了《數(shù)字孿生黃河建設規(guī)劃（2022—2025）》，旨在為黃河流域水利智能業(yè)務應用提供數(shù)字化場景和智慧化模擬支撐。

2023 年4 月，水利部黨組書記、部長李國英率調(diào)研組調(diào)研鄭州模型黃河試驗基地，深入了解模型黃河建設運行發(fā)展情況。調(diào)研組強調(diào)：要大力強化模型黃河發(fā)展和運用，積極運用現(xiàn)代數(shù)字、智能、測驗、感知、信息技術迭代升級，不斷提升模型黃河建設的科技水平，實現(xiàn)模型黃河數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化。

2023 年10 月，黃委黨組書記、主任祖雷鳴率調(diào)研組到山東東營調(diào)研，深入了解河口綜合治理及河口模型建設、數(shù)字孿生黃河應用等工作。調(diào)研組指出：要堅持全河“一盤棋”，團結(jié)協(xié)作、緊密配合，加快推進河口綜合治理研究、重大工程方案論證及河口模型試驗。

水利部在2023 年9 月份召開的推進黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展工作領導小組會議上要求，“持續(xù)推進原型黃河、模型黃河、數(shù)字孿生黃河建設，全力保障黃河長治久安”，模型黃河建設迎來了發(fā)展的黃金機遇期。

為全面貫徹落實水利部、黃委工作要求，黃科院黨委領導班子吃透精神、把握核心、細化任務、卡控節(jié)點，明確了新時代模型黃河發(fā)展目標——推進實現(xiàn)模型制作機械化、要素測控自動化、過程模擬智能化、試驗結(jié)果精準化、試驗環(huán)境人文化，讓模型黃河在服務國家重大工程和流域區(qū)域經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展中發(fā)揮科技支撐引領的肱膂之力。

大河波浪涌，科技顯神威。在習近平新時代中國特色社會主義思想指引下，黃科院將乘勢而上、自強自立，加快模型黃河改造提升，推進原型黃河、模型黃河、數(shù)字孿生黃河聯(lián)動升級，努力揮展科技創(chuàng)新之翼，飛躍幸福河建設的新高峰。