水利工程論文-建設“模型黃河”工程.doc

水利工程論文-建設“模型黃河”工程摘要：建設“模型黃河”，一方面直接為“原型黃河”提供治理開發(fā)方案，另一方面為“數(shù)字黃河”工程建設提供物理參數(shù)。同時，“模型黃河”還應成為“數(shù)字黃河”通過模擬分析提出“原型黃河”治理開發(fā)方案的中試環(huán)節(jié)。通過“數(shù)字黃河”與“模型黃河”的聯(lián)合運用，確保各種治理開發(fā)方案在“原型黃河”上實現(xiàn)技術先進、經(jīng)濟合理、安全有效的目標。關鍵詞：模型黃河工程“原型黃河”或“自然黃河”，是我們治理開發(fā)和管理的對象，其目標是實現(xiàn)“四個不”，即“堤防不決口，河道不斷流，水質(zhì)不超標，河床不抬高”，最終實現(xiàn)黃河的長治久安。要建設好“原型黃河”，還必須建設另外兩條黃河，一條是“數(shù)字黃河”，另一條是“物理模型黃河”（以下簡稱“模型黃河”）?！澳Ｐ忘S河”可對“原型黃河”所反映的自然現(xiàn)象進行反演、模擬和試驗，從而揭示“原型黃河”內(nèi)在的自然規(guī)律?！澳Ｐ忘S河”有三個明顯的特點：一是可系統(tǒng)聯(lián)系黃河的一系列零散因素，并直觀看出它們相互之間的關系，二是可使黃河各種抽象的現(xiàn)象具體化甚至量化，三是可直觀呈現(xiàn)黃河不同治理開發(fā)方案的結(jié)果，使科學決策便捷、準確。建設“模型黃河”，一方面直接為“原型黃河”提供治理開發(fā)方案，另一方面為“數(shù)字黃河”工程建設提供物理參數(shù)。同時，“模型黃河”還應成為“數(shù)字黃河”通過模擬分析提出“原型黃河”治理開發(fā)方案的中試環(huán)節(jié)。通過“數(shù)字黃河”與“模型黃河”的聯(lián)合運用，確保各種治理開發(fā)方案在“原型黃河”上實現(xiàn)技術先進、經(jīng)濟合理、安全有效的目標。一、構建完整的“模型黃河”體系針對黃河存在的主要問題，“模型黃河”體系的構建應包括四個方面的內(nèi)容，即黃土高原模型、水庫模型、河道模型及河口模型。（一）黃土高原模型黃土高原的多沙粗沙區(qū)，水土流失的主要原因是重力侵蝕。因此，抬高侵蝕基準面措施（如修建治溝骨干工程和淤地壩系）的治理效果最為明顯。據(jù)統(tǒng)計，20世紀70年代以來，三門峽以上一般年份來沙量減少了3億噸，其中淤地壩及水庫減沙占90以上。同時，淤地壩形成的壩地，由于它攔蓄了徑流沖刷坡面的表層土壤，水肥條件優(yōu)越，畝產(chǎn)是坡耕地的10倍以上，因此，深受當?shù)剞r(nóng)民群眾的歡迎。治溝骨干工程和淤地壩系建設的理論依據(jù)是“相對平衡理論”。即隨著壩區(qū)淤積逐漸增加和壩體逐步加高，抬高了溝道侵蝕基準面，使溝坡相對高度和坡度逐漸減小，當壩地面積與控制流域面積的比例足夠大、溝坡相對高度和坡度達到某一值時，重力侵蝕和溝蝕量變得很小，一定頻率洪水及其挾帶的泥沙平鋪在壩地上，且水深和泥沙淤積厚度不影響壩地上農(nóng)作物的正常生長。目前，壩系“相對平衡理論”尚不成熟，尤其是對壩系相對穩(wěn)定的前提條件，以及如何確定建壩座數(shù)、最佳攔沙庫容和滯洪壩高等問題，尚缺乏系統(tǒng)和深入的研究。只有解決了壩系建設的一系列理論問題，并由此指導廣大群眾的實踐活動，才有可能大大提高其安全性，避免農(nóng)民群眾自發(fā)建設的壩系工程被洪水沖毀的現(xiàn)象，使其真正成為旱澇保收的基本農(nóng)田，同時又收到攔蓄泥沙的良好效果，并最終實現(xiàn)遏制溝道重力道侵蝕的“相對平衡”目標。特別指出，在黃土高原水土流失區(qū)不同的區(qū)域，由于其小氣候特征、地形、地貌、土壤等因素存在著一定的差異，因此，不同區(qū)域建立壩系“相對平衡”的條件是不一樣的?；谝陨峡紤]，可以分別就黃土高原多沙粗沙區(qū)的某一條小流域或其中的某一條支溝建立物理模型，首先對其侵蝕的機理進行分析模擬，找出其侵蝕的基本規(guī)律，然后將其治理的治溝骨干工程或淤地壩系擺進模型里，本著最終實現(xiàn)“相對平衡”的目標，對各種可能的治理方案進行試驗，在此基礎上，提出某一支溝的治理方案，并將試驗研究推薦的治理方案付諸于具體的治理實踐中。如此，一條溝一條溝地進行試驗研究，治理的生產(chǎn)任務也對應著一條溝一條溝地進行安排，把試驗研究成果變成現(xiàn)實。長此以往，我們就可以建立起黃土高原治理的“相對平衡”理論，并用以指導整個黃土高原的水土流失治理。不可否認，目前我們規(guī)劃的治溝骨干工程和淤地壩系的總體布局以及對未來某一水平年的減沙效益的測算都帶有經(jīng)驗性，如果建立起黃土高原水土流失治理的物理模型，就可以通過反復的試驗研究將工程布局的規(guī)劃及其減沙效益進行量化分析，大大提高治理規(guī)劃的科技含量和對減沙效益預測的可信度。但是，也應該認識到，此類模型的構建具有相當?shù)碾y度。截至目前，國際上尚沒有建立類似模擬黃土高原水土流失重力侵蝕現(xiàn)象的物理模型，現(xiàn)有的模型均是針對模擬面蝕、淺溝流失等現(xiàn)象的。如比利時地理實驗室、希臘雅典農(nóng)業(yè)大學實驗室建立的物理模型，主要是研究耕地水土流失與水流、土壤質(zhì)量、坡降、土地空間變化等關系。美國研究水土流失的部分機構有：密西西比泥沙實驗室、中南地區(qū)水土管理研究室、印地安納國家水土流失實驗室、東北流域研究實驗室、得克薩斯草地水土研究實驗室等，這些機構基本上都是利用大型實驗室，試驗研究坡降、地表水徑流量、地下水、泥沙粒徑、土壤結(jié)構、表層覆蓋、表層糙率、降雨等因素對水土流失的影響。我國中科院楊陵水土保持實驗室，主要是模擬黃土高原面蝕、淺溝流失現(xiàn)象，對于重力侵蝕則多是分析研究原型觀測資料。由此看來，建立試驗研究黃土高原重力侵蝕現(xiàn)象并提出治理措施的物理模型是一項開創(chuàng)性的工作。（二）水庫模型在黃河上修建水庫，將會使天然河床的邊界條件發(fā)生很大變化。對水庫上游來說，抬高了侵蝕基準面，對水庫下游來說，改變了來水來沙條件。河流環(huán)境的改變，將引起上下游河道及庫區(qū)河型的轉(zhuǎn)化和河床的變化調(diào)整。水庫模型的建設，就是通過廣泛而深入的試驗研究，探索其變化和調(diào)整的規(guī)律。黃河水庫模型至少應用于以下方面。1.提出三門峽庫區(qū)治理方案試驗研究在不同進庫水沙條件、不同運用水位及不同出庫水沙條件下，三門峽庫區(qū)的沖淤變化規(guī)律。從而提出潼關以下庫區(qū)河道河勢變化及其治理的工程布局、潼關高程變化分析及其改善措施、潼關以上庫區(qū)的治理方案等。2.確定小浪底水庫運用方式試驗研究不同邊界條件下的庫區(qū)縱向與橫向發(fā)展調(diào)整及其影響范圍、庫區(qū)淤積形態(tài)，異重流排沙、明流排沙、相機降低水位沖刷水庫的條件及其對下游河道的影響，在不對下游河道造成負面影響的情況下，優(yōu)化塑造庫區(qū)淤積形態(tài)，論證確定不同時期小浪底水庫科學的運用方式。3.擬建水庫的淤積形態(tài)設計擬建的古賢、磧口水庫，均位于黃河干流上。可通過模型試驗研究水庫特征水位及其泄流規(guī)模、水庫運用方式、庫區(qū)干支流形態(tài)變化規(guī)律及其影響范圍，提出滿足水庫設計需要的一系列物理參數(shù)。4.優(yōu)化中游水沙調(diào)控體系的聯(lián)合運用機制現(xiàn)狀條件，中游水沙調(diào)控體系包括三門峽、小浪底、陸渾和故縣水庫，遠期還有河口村、古賢和磧口水庫加入。對于進入黃河下游的水沙，都將由上述調(diào)控體系聯(lián)合運用來進行控制，如何根據(jù)不同的來水來沙條件，科學確定調(diào)控體系各個組成部分之間的責任分配，需要通過模型試驗進行研究確定。近期可就三門峽水庫與小浪底水庫的聯(lián)合調(diào)水調(diào)沙運用，特別是通過三門峽水庫的調(diào)水調(diào)沙人工塑造小浪底水庫庫區(qū)的異重流進行試驗研究。（三）河道模型20世紀3040年代，德國H.Engels利用河道模型試驗研究黃河下游游蕩性河道的演變，這是世界上首例關于黃河的河道模型試驗，H.Engels因此被譽為水利科研界的卓越先驅(qū)。在此以后的半個多世紀以來，我國學者開展了大量的黃河河道模型試驗，取得了極其寶貴的研究成果。然而，由于黃河問題的復雜性，到目前為止，我們對黃河自身固有的自然規(guī)律的認識還很膚淺，再加之新情況、新問題不斷出現(xiàn)，迫切需要我們無論是在范圍和規(guī)模上，還是在試驗研究的深度上去建設和運行黃河的河道模型。河道