水利工程論文-建設(shè)“模型黃河”工程.doc

水利工程論文-建設(shè)“模型黃河”工程摘要：建設(shè)“模型黃河”，一方面直接為“原型黃河”提供治理開(kāi)發(fā)方案，另一方面為“數(shù)字黃河”工程建設(shè)提供物理參數(shù)。同時(shí)，“模型黃河”還應(yīng)成為“數(shù)字黃河”通過(guò)模擬分析提出“原型黃河”治理開(kāi)發(fā)方案的中試環(huán)節(jié)。通過(guò)“數(shù)字黃河”與“模型黃河”的聯(lián)合運(yùn)用，確保各種治理開(kāi)發(fā)方案在“原型黃河”上實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全有效的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：模型黃河工程“原型黃河”或“自然黃河”，是我們治理開(kāi)發(fā)和管理的對(duì)象，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“四個(gè)不”，即“堤防不決口，河道不斷流，水質(zhì)不超標(biāo)，河床不抬高”，最終實(shí)現(xiàn)黃河的長(zhǎng)治久安。要建設(shè)好“原型黃河”，還必須建設(shè)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(jiǎn)稱“模型黃河”）?！澳Ｐ忘S河”可對(duì)“原型黃河”所反映的自然現(xiàn)象進(jìn)行反演、模擬和試驗(yàn)，從而揭示“原型黃河”內(nèi)在的自然規(guī)律。“模型黃河”有三個(gè)明顯的特點(diǎn)：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(guān)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(kāi)發(fā)方案的結(jié)果，使科學(xué)決策便捷、準(zhǔn)確。建設(shè)“模型黃河”，一方面直接為“原型黃河”提供治理開(kāi)發(fā)方案，另一方面為“數(shù)字黃河”工程建設(shè)提供物理參數(shù)。同時(shí)，“模型黃河”還應(yīng)成為“數(shù)字黃河”通過(guò)模擬分析提出“原型黃河”治理開(kāi)發(fā)方案的中試環(huán)節(jié)。通過(guò)“數(shù)字黃河”與“模型黃河”的聯(lián)合運(yùn)用，確保各種治理開(kāi)發(fā)方案在“原型黃河”上實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全有效的目標(biāo)。一、構(gòu)建完整的“模型黃河”體系針對(duì)黃河存在的主要問(wèn)題，“模型黃河”體系的構(gòu)建應(yīng)包括四個(gè)方面的內(nèi)容，即黃土高原模型、水庫(kù)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(zhǔn)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(jì)，20世紀(jì)70年代以來(lái)，三門峽以上一般年份來(lái)沙量減少了3億噸，其中淤地壩及水庫(kù)減沙占90以上。同時(shí)，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(dāng)?shù)剞r(nóng)民群眾的歡迎。治溝骨干工程和淤地壩系建設(shè)的理論依據(jù)是“相對(duì)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(zhǔn)面，使溝坡相對(duì)高度和坡度逐漸減小，當(dāng)壩地面積與控制流域面積的比例足夠大、溝坡相對(duì)高度和坡度達(dá)到某一值時(shí)，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(zhǎng)。目前，壩系“相對(duì)平衡理論”尚不成熟，尤其是對(duì)壩系相對(duì)穩(wěn)定的前提條件，以及如何確定建壩座數(shù)、最佳攔沙庫(kù)容和滯洪壩高等問(wèn)題，尚缺乏系統(tǒng)和深入的研究。只有解決了壩系建設(shè)的一系列理論問(wèn)題，并由此指導(dǎo)廣大群眾的實(shí)踐活動(dòng)，才有可能大大提高其安全性，避免農(nóng)民群眾自發(fā)建設(shè)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(shí)又收到攔蓄泥沙的良好效果，并最終實(shí)現(xiàn)遏制溝道重力道侵蝕的“相對(duì)平衡”目標(biāo)。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(duì)平衡”的條件是不一樣的。基于以上考慮，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(duì)其侵蝕的機(jī)理進(jìn)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(jìn)模型里，本著最終實(shí)現(xiàn)“相對(duì)平衡”的目標(biāo)，對(duì)各種可能的治理方案進(jìn)行試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，提出某一支溝的治理方案，并將試驗(yàn)研究推薦的治理方案付諸于具體的治理實(shí)踐中。如此，一條溝一條溝地進(jìn)行試驗(yàn)研究，治理的生產(chǎn)任務(wù)也對(duì)應(yīng)著一條溝一條溝地進(jìn)行安排，把試驗(yàn)研究成果變成現(xiàn)實(shí)。長(zhǎng)此以往，我們就可以建立起黃土高原治理的“相對(duì)平衡”理論，并用以指導(dǎo)整個(gè)黃土高原的水土流失治理。不可否認(rèn)，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(duì)未來(lái)某一水平年的減沙效益的測(cè)算都帶有經(jīng)驗(yàn)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(guò)反復(fù)的試驗(yàn)研究將工程布局的規(guī)劃及其減沙效益進(jìn)行量化分析，大大提高治理規(guī)劃的科技含量和對(duì)減沙效益預(yù)測(cè)的可信度。但是，也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，此類模型的構(gòu)建具有相當(dāng)?shù)碾y度。截至目前，國(guó)際上尚沒(méi)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(duì)模擬面蝕、淺溝流失等現(xiàn)象的。如比利時(shí)地理實(shí)驗(yàn)室、希臘雅典農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)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(guān)系。美國(guó)研究水土流失的部分機(jī)構(gòu)有：密西西比泥沙實(shí)驗(yàn)室、中南地區(qū)水土管理研究室、印地安納國(guó)家水土流失實(shí)驗(yàn)室、東北流域研究實(shí)驗(yàn)室、得克薩斯草地水土研究實(shí)驗(yàn)室等，這些機(jī)構(gòu)基本上都是利用大型實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)研究坡降、地表水徑流量、地下水、泥沙粒徑、土壤結(jié)構(gòu)、表層覆蓋、表層糙率、降雨等因素對(duì)水土流失的影響。我國(guó)中科院楊陵水土保持實(shí)驗(yàn)室，主要是模擬黃土高原面蝕、淺溝流失現(xiàn)象，對(duì)于重力侵蝕則多是分析研究原型觀測(cè)資料。由此看來(lái)，建立試驗(yàn)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(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的工作。（二）水庫(kù)模型在黃河上修建水庫(kù)，將會(huì)使天然河床的邊界條件發(fā)生很大變化。對(duì)水庫(kù)上游來(lái)說(shuō)，抬高了侵蝕基準(zhǔn)面，對(duì)水庫(kù)下游來(lái)說(shuō)，改變了來(lái)水來(lái)沙條件。河流環(huán)境的改變，將引起上下游河道及庫(kù)區(qū)河型的轉(zhuǎn)化和河床的變化調(diào)整。水庫(kù)模型的建設(shè)，就是通過(guò)廣泛而深入的試驗(yàn)研究，探索其變化和調(diào)整的規(guī)律。黃河水庫(kù)模型至少應(yīng)用于以下方面。1.提出三門峽庫(kù)區(qū)治理方案試驗(yàn)研究在不同進(jìn)庫(kù)水沙條件、不同運(yùn)用水位及不同出庫(kù)水沙條件下，三門峽庫(kù)區(qū)的沖淤變化規(guī)律。從而提出潼關(guān)以下庫(kù)區(qū)河道河勢(shì)變化及其治理的工程布局、潼關(guān)高程變化分析及其改善措施、潼關(guān)以上庫(kù)區(qū)的治理方案等。2.確定小浪底水庫(kù)運(yùn)用方式試驗(yàn)研究不同邊界條件下的庫(kù)區(qū)縱向與橫向發(fā)展調(diào)整及其影響范圍、庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)，異重流排沙、明流排沙、相機(jī)降低水位沖刷水庫(kù)的條件及其對(duì)下游河道的影響，在不對(duì)下游河道造成負(fù)面影響的情況下，優(yōu)化塑造庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)，論證確定不同時(shí)期小浪底水庫(kù)科學(xué)的運(yùn)用方式。3.擬建水庫(kù)的淤積形態(tài)設(shè)計(jì)擬建的古賢、磧口水庫(kù)，均位于黃河干流上?？赏ㄟ^(guò)模型試驗(yàn)研究水庫(kù)特征水位及其泄流規(guī)模、水庫(kù)運(yùn)用方式、庫(kù)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(kù)設(shè)計(jì)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(yùn)用機(jī)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(kù)，遠(yuǎn)期還有河口村、古賢和磧口水庫(kù)加入。對(duì)于進(jìn)入黃河下游的水沙，都將由上述調(diào)控體系聯(lián)合運(yùn)用來(lái)進(jìn)行控制，如何根據(jù)不同的來(lái)水來(lái)沙條件，科學(xué)確定調(diào)控體系各個(gè)組成部分之間的責(zé)任分配，需要通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行研究確定。近期可就三門峽水庫(kù)與小浪底水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用，特別是通過(guò)三門峽水庫(kù)的調(diào)水調(diào)沙人工塑造小浪底水庫(kù)庫(kù)區(qū)的異重流進(jìn)行試驗(yàn)研究。（三）河道模型20世紀(jì)3040年代，德國(guó)H.Engels利用河道模型試驗(yàn)研究黃河下游游蕩性河道的演變，這是世界上首例關(guān)于黃河的河道模型試驗(yàn)，H.Engels因此被譽(yù)為水利科研界的卓越先驅(qū)。在此以后的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)學(xué)者開(kāi)展了大量的黃河河道模型試驗(yàn)，取得了極其寶貴的研究成果。然而，由于黃河問(wèn)題的復(fù)雜性，到目前為止，我們對(duì)黃河自身固有的自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)還很膚淺，再加之新情況、新問(wèn)題不斷出現(xiàn)，迫切需要我們無(wú)論是在范圍和規(guī)模上，還是在試驗(yàn)研究的深度上去建設(shè)和運(yùn)行黃河的河道模型。河道