完善淮河模型基地 搭建科研创新平台

钱傲然 彭得胜 张继群 金 鑫

完善淮河模型基地 搭建科研创新平台

钱傲然 彭得胜 张继群 金 鑫

一、概述

河流是人类文明的发祥地，河流治理开发是人类面临的重要的、永恒的课题，因此，认识、模拟河流的演变特性进而掌握其演变规律对于河流的合理开发利用意义重大。长期以来，通过对河流水情工情的观测分析，建立了一定数理基础的数学模型，对河流的特性模拟和治理开发起到了关键性作用。由于受流域气象水文、自然地理以及人类活动等影响，加上流域下垫面变化、河流演变的复杂性，在研究河流变化演变过程中，仅仅依靠单独分析和数学建模方法无法准确地解决实际问题，因此，人们研制出将河流按相似原理缩小成实体模型，在模型内研究各种因素在各种情况下变化规律的河工模型技术。

一个多世纪以来，随着科学技术的发展特别是计算机、网络、测控等信息技术的发展，河工模型技术研究工作已取得重大进展，成果在研究水利工程建设，河道开发整治，港口河岸利用诸多方面中发挥了重要作用。目前，河工模型技术已成为河流模拟研究各类复杂水文及水工问题的重要手段，这种研究手段有着数学模型不可替代的地位。

二、国内外实体模型发展状况

1875年法国学者法格进行了最早的物理模型实验。1885年英国学者雷诺采用了变态模型的研究方法分析了利物浦市墨塞河口潮汐的影响。1891年恩格斯在德国德累斯顿工科大学建立了世界上第一个水工实验室。1913年以后，河工模型的应用技术得到普遍认可，并迅速传遍世界各地。此后的几十年里，欧洲以及其他一些国家的水利水电事业进入了飞速发展时期。

我国河工模型的研发工作开始于20世纪30年代。1931年进行了有关黄河束窄堤距的河工模型实验，论证了明代潘季驯束水攻沙的理论付诸于实际工程的可能性。新中国建立以后，在国内主要河流的河道治理以及大型水利工程建设中，河工模型发挥了重要作用。

长江流域河工模型实验最早始于1935年，20世纪50年代，多处河段变态模型先后研究并建造；60年代研究建造了荆江、汉江部分重点问题河段的模型；70年代，葛洲坝工程坝区模型的研制，为解决坝区枢纽布置、航道规划、泄洪冲沙等重大问题提供技术指导；80年代后随着三峡工程的准备与开工，大量长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。

黄河流域河工模型实验在国内最早开始于20世纪40年代。50年代，前苏联以及国内诸多专家学者针对黄河泥沙问题开展了许多方面的模型模拟研究。60年代至今，黄河流域同长江流域一样，为解决重点水利枢纽建设中遇到的难题，也采用研制河工模型的方法。例如小浪底水利枢纽移民安置区的河道整治问题、花园口河段防洪排沙及河道整治问题、南水北调中线工程穿黄部分的隧洞渡槽设计方案等。

淮河流域20世纪80年代末至90年代初建立的部分河道分段河工模型，对研究淮河防洪除涝综合治理问题发挥了重要作用。

三、淮河防洪除涝减灾实体模型及关键技术

为进一步深入研究并提出淮河中游防洪除涝等突出问题的解决方案，2012年利用世行贷款项目淮河流域重点平原洼地治理工程子项淮河流域洪涝灾情评估及减灾决策支持系统建成淮河模型基地,其中包含淮河防洪除涝减灾实体模型。

1.模型概况

淮河防洪除涝减灾实体模型研究河段为淮河干流正阳关至涡河口，模拟河段全长约144.5km，模型水平比尺为1∶300，垂直比尺为1∶60，模型范围淮河以北以淮北大堤为界，淮河以南以27.0m高程或相应城市圈堤、防洪堤为界，边界内淮河两侧所有行洪区与生产圩均在模拟范围内。河段主要入汇支流包括颍河、东淝河、茨淮新河、涡河等，沿程分布有寿西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、汤渔湖、荆山湖、洛河洼等八个行洪区以及东淝闸右圩等14个生产圩。

模型研究河段河势复杂，支流入汇集中，行洪区与生产圩区密集分布，分洪河道参与泄洪，支流、行洪区、生产圩区及分洪河道与淮干水流相互影响，边界条件十分复杂。为保证复杂边界条件下的试验精度，本段河道模型应用量测技术、计算机网络、工业自动化技术、网络技术、多媒体技术，构建一套测控精度高、运行平稳可靠、自动化程度高的测控系统。包括四大内容即：现地测控系统、网络系统、中央监控系统、软件系统。现地测控系统采用分布式结构，其中现地服务器、网络交换机、工控机、接口箱、打印机等布设在现地监控中心内，其余仪器设备均安装在模型现场。不同工控机分别用于水位和流速采集、入流流量和尾水控制、闸门与口门控制等。网络系统总体结构为星型层次化结构，分为两级。主干网采用千兆以太网，二级网络采用100M快速交换以太网，各PC机通过100M速率直接与二级交换机相连。中央监控系统实现了试验现场及基地各处运行情况的“遥视”功能。软件系统主要包括测控模块软件和操作应用界面。

2.模型的关键技术

针对实体模型研制中所遇到的不同的技术难题采取合理巧妙的解决办法：

一是在变态模型口门泄流模拟技术研究中，将原型不规则的口门简化成模型阶梯形口门，确保口门处模型泄流过程和流态与原型相似。

二是在变态模型闸堰泄流模拟技术研究中，采用复合变态的外形模拟方法，在顺水流方向上采用与垂直比尺相同的长度比尺，而在垂直水流的平面宽度上仍采用平面比尺。

三是在模型主要入流、边界控制条件研究中，各级别洪水工况下都对每个出入流边界的水位、流量进行连续调节，以确保模型各出入流边界水位、流量保持同步对应关系。

四是在行洪区糙率模拟技术研究中，采用十字片梅花加糙技术，其糙率值较大，糙体自身体积小、排列密度小、对于不同方向水流糙率各向均匀性较好，对模型槽蓄量影响较小，能满足淮河实体模型行洪区大糙率加糙要求。

五是在模型开展非恒定流试验研究时，可对淮干及各支流流量及尾门开度进行实时连续控制，对各控制点水位及河道与行洪区流速进行同步检测。本河段实体模型共布置入流数字量水堰5套，差动式尾门2套，闸堰控制装置10套，自动口门20套，河道流速观测断面23个，水位观测点32个，行洪区粒子图像测速系统8套等，组成了一个复杂的自动测控系统。

四、实体模型完善及应用研究

目前，淮河流域防洪除涝减灾体系已初步形成，但与淮河流域在我国国民经济中占有十分重要的战略地位对水利发展的要求相比仍需进一步完善。淮河流域综合规划中确定了在淮河中下游开展平原洼地治理、沿淮行蓄洪区调整、淮河入海水道二期工程建设等项目。为更好地实施这些项目，需要针对项目中一些关键难题（如干支流洪水影响、洪涝水影响、行蓄洪区启用影响、河湖关系等）采用河工模型技术进一步论证研究，因此需对现有的实体模型作进一步完善，并尽快着手开展模型应用研究。

1.实体模型完善

今后一段时间内，可利用水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心—淮委合肥水利科研基地分中心这个平台，可将已建成的淮河河工模型实验设施资源充分利用起来，以淮河模型基地为主，结合各科研院所以及高校关于淮河的河工模型建设和研究成果，扩充淮河实体模型的模拟范围，完善其功能，将模型基地建成淮河的科研基地，建立起一个为治淮重大技术问题研究提供更为先进方案的试验平台，为淮河流域防洪除涝减灾、水资源综合开发利用、重大工程建设方案论证等重要决策提供更加科学的依据。

2.模型应用研究

实体模型建成后，在淮河流域防洪除涝调度、流域综合治理规划、流域资源的合理应用以及流域生态文明建设等方面可开展研究工作。

（1）通过模拟研究不同洪水条件下正阳关至涡河口区域干流、支流洪水关系，为进一步研究南北支流不同来水组合下的洪涝关系提供技术支持。

（2）通过研究洪水演进特性，为优化启用行蓄洪区次序、启用时机、启用量提供参考；通过模拟大别山大型水库不同下泄量洪水对淮北大堤的影响研究，为水库给淮北大堤错峰调度提供等提供技术支撑。

（3）开展各类水流特性、泥沙冲淤特性、河势发展趋势以及建筑物工程对河道的影响等多方面试验，为更好地建设河道两岸经济发展提供方案。

（4）模拟淮河中上游区域内干流、支流出现需要应急处置的水污染事件处置方案，包括可能采取的最佳水量稀释方案，如何加快污染团下泄速度、控制和稀释污染团浓度以及防止污染团扩散等。

（5）可结合数学模型进行对比研究、形成数学与物理相耦合的模拟技术，为淮河中游区域内干流、支流以及行蓄洪区的治理（规划、设计等）提供技术模拟平台，同时为研究淮河中游的水问题提供一个科研创新平台。

五、结语

国内外大量研究及成果应用表明，与数学模型一样，河工模型是模拟河流演变的重要手段，而且有着数学模型不可替代的地位。淮河正阳关至涡河口段模型主体工程已建成，具备了研究一些治淮关键问题以及技术难题的基础，科研基地、创新研究平台功能基本具备。下一步可结合淮河重大问题的研究，以及进一步治淮规划的实现，需要针对项目中一些关键难题（如：干支流洪水影响、洪涝水影响，行蓄洪区启用影响，河湖关系等）采用河工模型技术进一步论证和深入研究，同时需对现有的实体模型作进一步完善。

河工模型对于淮河流域综合规划治理具有极高的战略意义。随着模型即将投入使用，各类项目合作前期工作也已经开始准备筹划，相信淮河模型基地在今后的治淮事业发展中将扮演至关重要的角色，为治淮事业贡献力量，成为真正的科研创新基地■

（作者单位：淮河水利委员会综合事业发展中心 233001）