实体模型试验在黄河治理中的应用

几十年来，黄河实体模型一直是研究和解决黄河复杂问题的重要手段之一，利用实体模型开展了大量泥沙学科的理论基础研究和治黄科研的应用基础研究。实体模型在水利工程规划与建设、河床演变与河道整治方面的基础研究、黄河下游洪水演进预报、黄河下游河道整治方案的论证、河道整治局部工程试验、河道整治工程新技术研究、挖河固堤试验研究、小浪底水库运用方式研究、黄河调水调沙试验以及数学模型研究等方面发挥了重要的作用。但是，实体模型建设还存在诸多问题：①缺乏系统性和整体性；②模型功能不全，难以满足“三条黄河”互动要求；③已有模型厅扩展性不强，测控系统不完善，量测技术相对落后，直接影响到试验的研究水平与成果质量。     

"模型黄河"工程建设的目标、指导思想及原则

合理确定“模型黄河”工程建设的目标，科学制定建设的指导思想，并根据黄河治理开发的需要拟定建设的原则，是编制好《“模型黄河”工程规划》的重要保证。规划的近期目标是续建或建设小浪底水库全库区实体模型和小浪底至陶城铺河段河道模型、三门峡水库模型、小北干流河段河道实体模型、土壤侵蚀土槽模型和黄河河口概化模型；到2010年，完善黄河实体模型试验体系(包括建成渭河下游、宁蒙河段、陶城铺至利津河段的河道模型，河口模型及黄土高原小流域侵蚀模型等)，建成相应的现代化测控系统，实现“模型黄河”与“数字黄河”的紧密耦合，使有关的黄河重大治理方案可以在“模型黄河”和“数字黄河”集成的模拟环境下进行论证、比选和完善。规划的指导思想是：以“科学技术是第一生产力”的战略思想为指导，以服务黄河治理开发的科技需求为根本，遵循“三条黄河”的现代治黄理念，全面规划、统筹兼顾、合理安排、分期实施，采用先进的实体模拟理论和测控技术，通过“模型黄河”工程建设，构架治黄科技平台，提升治黄科技水平，实现治黄现代化的战略目标。工程建设所遵循的原则是：①立足全河，统筹规划；②需求牵引，开放共享；③突出重点，分步实施；④成熟先行，研发并举；⑤先进实用，开放扩展；⑥合理布局，交互使用。     

"模型黄河"工程的总体布局和建设任务

“模型黄河”工程由各类实体模型工程、基础设施工程和测控系统工程等组成,基础设施工程和测控系统工程都是为各类实体模型服务的。根据“模型黄河”工程建设总体目标,确定的建设总体任务是：逐步建设功能齐全、模拟精度较高的黄土高原模型、水库模型、河道模型及河口模型体系,同时建成现代化程度高、技术先进、可起到“三条黄河”联动桥梁作用的自动化测控系统,以及扩展性强、布设合理的试验厅等相关基础设施。     

"模型黄河"工程建设的可行性

建设“模型黄河”工程在实体模拟理论与技术、测控技术及基础设施等方面，都已具备较好的支撑条件。目前，黄委已有相当规模的试验基地，并已建成了三门峡水库、小浪底水库、小浪底至苏泗庄河段河道等大尺度的实体模型、基础试验水槽和土壤侵蚀土槽及与之相配套的人工降雨系统等；在多沙河流实体模型试验方面具有坚实的理论基础和丰富的实践经验，同时在黄河高含沙洪水模型的相似律等方面，亦取得了理论及技术上的突破；适用于不同含沙水流动床模型试验的进出口自动控制系统和水位地形自动采集系统等已投入运用，同时具有良好的智力支撑条件及投资渠道。因而，“模型黄河”工程建设是完全可行的。     

"模型黄河"测控系统建设

“模型黄河”自动化测控系统是“模型黄河”工程体系的重要组成部分。“模型黄河”测控自动化系统复杂庞大，是联系试验人员和实体模型的桥梁，更是实现“三条黄河”联动的桥梁。系统在逻辑上主要由采集控制层、网络层、数据层、应用层、接口层和支撑层6个部分组成，以先进性、安全性等作为建设原则，实现实时数据自动采集与自动监控、动态查询、试验过程形象化展示等功能，达到“三条黄河”相互关联、互为作用的目的。     

"模型黄河"基础设施规划简述

“模型黄河”是一个复杂而庞大的系统工程，“模型黄河”工程的正常有序运转必须有完善的基础设施保障。“模型黄河”工程主要由各类实体模型工程、基础设施工程和测控系统工程组成；基础设施工程包括模型试验场(区)、模型试验厅及配套设施等。     

黄河调水调沙

黄河下游河道淤积的主要原因在于“水少沙多，水沙不平衡”，按照黄河下游河道冲淤规律，只要把进入黄河下游河道的不平衡的水沙关系调节为协调的强大功能。小浪底水库位于控制进入黄河下游河道水沙的关键部位，该水库控制了黄河径流量的91％，控制了近100％的黄河泥沙，2002年7月4日进行的黄河首次调水调沙试验控制花园口断面流量不大于2600m^3/s，平均含沙量不大于20kg/m^3，小浪底水库泄流历时不少于10天，黄河下游河道共冲刷泥沙0．362亿t，试验达到了预期的目的。通过这次试验，共取得测验数据520万组，这为今后建立更加符合原型黄河实际的数学模型和实体模型提供了极其重要的物理参数，试验证明，利用水库调水调沙，将不协调的水沙关系调节为相协调的水沙关系，是有利于输沙入海、减轻下游河道淤积甚至冲刷下游河道的有效途径之一。     

黄河调水调沙

黄河以其多泥沙,河道善淤、善决、善徒,而著称于世,被认为是世界上最复杂,最难治理的河流。黄河泥沙主要来自黄土高原的土壤侵蚀,黄河下游河道淤积的主要原因在于“水少沙多,水沙不平衡”。按照黄河下游河道冲淤规律,只要把进入黄河下游河道的不平衡的水沙关系调节为相协调的水沙关系,完全可以使黄河下游河道实现不淤积,黄河首次调水调沙试验达到了预期的目的,通过这次试验,积累了对黄河测验的海量数据（520万组）,加深了对黄河河床演变及水沙规律的认识,为今后建立更加符合原型黄河实际的数学模型和实体模型提供了极其重要的物理参数。     

"模型黄河"是黄河口综合整治的重要科研平台

阐述了“模型黄河”建设在黄河治理开发进程中的战略地位和作用，指出实体模型建设是进行黄河河口综合整治研究的重要手段和途径，认为“模型黄河”工程规划为今后河口实体模型的建设提供了重要的科研平台，并打下了良好的工作基础。     

"模型黄河"工程规划项目综述

为推进治黄现代化进程,黄河水利委员会党组提出了加大治黄科技含量,着力建设“原型黄河”、“数字黄河”和“模型黄河”的科学治黄新理念。通过“模型黄河”工程建设,可以直观地再现“原型黄河”,从而利用实体模拟的方法对黄河的基本规律和治理方案加以研究,并可为“数字黄河”工程建设提供物理参数。“模型黄河”工程建设是一个复杂庞大的系统工程,为使“模型黄河”工程建设作到科学、合理,遵循“立足黄委、多方参与、专家咨询”的原则,编制了《“模型黄河”工程规划》。该规划是在广泛、细致调研的基础上,依据新世纪黄河治理开发与管理的重大需求编制完成的,具有科学性和可操作性,是我国第一部由流域机构制定并得到水利部批复的系统的实体模型建设规划。“模型黄河”工程体系由实体模型系统、测控系统和试验基地等基础设施所组成;其中,模型系统是“模型黄河”工程体系最重要的核心组成部分。在今后《“模型黄河”工程规划》的实施过程中,应制定合理的实施计划,建立完善的运行管理制度,建立信息资源成果共享制度,加强基础研究,加强计量认证体系和模型试验标准化体系建设。