河道模型理论研究初探

本文就研究河道重大、复杂的问题时，必须采取结合模型试验的综合研究手段，建立探求某河道或河系自然规律的综合科技研究系统，为河道或河系治理开发方案的决策提供科学依据。 　　

河道问题的复杂性和特殊性，决定了在研究河道时，尤其对一些重大、复杂问题的研究，必须采取结合模型试验或以模型试验为主的综合研究手段，建立起能够适应用于河道问题特性需要的综合性科技平台――河道模型。

1. 模型理论总体范畴 　　

“河道模型”主要是通过实体模型试验的手段对河道自然现象进行复演、模拟试验，以探求某河道或河系的自然规律，为河道或河系治理开发方案的决策提供科学依据，是促进治水现代化的重要科技平台。实体模型试验是人们基于相似的概念和理论，对某些自然现象进行模拟，并据此定量或定性提示自然现象的内在规律，以满足工程设计和理论研究需要的一种科学方法。实体模型试验可以抓住研究对象的主要影响因子，在较短时间内复演研究对象某一演化或运动过程及趋势，乃至演示某一重要因子发生变化后所产生的影响，并动态直观地反映一些数学方法还难以模拟的自然现象的复杂过程。 　　在目前严峻的防汛形势下，只有构建功能齐全、体系完善的“模型河道”，才可能充分和全面发挥现代科学试验的作用，进一步促进科学技术向现实生产力的转化，从而为河道的综合治理开发提供强大的科技支撑。

2. “模型河道”理论研究初探 　　

2.1 “模型河道”建设体系。 　　“模型河道”工程建设的任务主要包括基础设施建设、测控系统设施建设、实体模型系统建设等。 　　2.1.1 基础设施建设项目。 　　基础设施建设项目主要有模型试验大厅和试验区设施。 　　2.1.2 测控系统工程。 　　测控系统工程主要由山区模型、水库模型、游荡段河道模型、蜿蜒段河道模型等测控子系统构成，并以测控中心作为其连接枢纽，与“数字河道”进行集成，形成“模型河道”与“数字河道”联动的“桥梁”。通过测控系统建设，对“模型河道”的各监控点进行实时数据监测、模拟控制，进行相关数据统计、分析，建立起“模型河道”工程信息数据库，将工程信息数据库与地理信息数据库相结合，与“数字河道”、“原型河道”的有关数据耦合，建立各种三维模型，并以先进的软件技术做支持，实现“模型河道”的数字化。 　　2.1.3 实体模型系统建设。 　　针对河道存在的主要问题，“模型河道”体系的构建应包括四个方面的内容，即水土流失区模型、水库模型、游荡段河道模型、蜿蜒段河道模型。 　　2.1.3.1 水土流失区模型在水土流失区不同的区域，由于其小气候特征、地形、地貌、土壤等因素存在着一定的差异，可以分别就某造沙区域建立物理模型，首先对其侵蚀的机理进行分析模拟，找出其侵蚀的基本规律，对各种可能的治理方案进行试验，在此基础上，提出某一支沟的治理方案，并将试验研究推荐的治理方案付诸于具体的治理实践中。 　　2.1.3.2 水库模型确定上游水库运用的方式，试验研究在不同进库水条件、不同运用水位及不同出库水条件下，从而提出库区以下河道河势变化及其治理的工程布局。试验研究不同边界条件下的库区纵向与横向发展调整及其影响范围、库区淤积形态，明流排沙、相机降低水位冲刷水库的条件、降水冲刷开展概化试验研究及其对下游河道的影响，在不对下游河道造成负面影响的情况下，优化塑造库区淤积形态，论证确定不同时期水库运用的科学方式，尤其要加强中小流量的冲刷运用问题的研究。 　　2.1.3.3 游荡段河道模型建立游荡段河道模型的目的主要应用于分析研究河床演变规律、确定河道整治方案、河道沿程洪峰流量及洪水位预报、滩区淹没范围预报等。重点研究内容主要包括河床演变规律；游荡性河段河道整治方案；挖河疏浚理顺河势关键技术；岳城水库拦沙后期河道上游冲刷下游淤积演变试验；河道洪水演进预演预报等。在对洪水演进预演过程中，还可对下游滩区或滞洪区淹没范围、淹没深度、淹没历时等情况进行预报，为滩区或滞洪区安全建设和群众的安全撤离提供科学依据。 　　（1）分析研究河床演变规律。 　　着重就不同历时、不同流量、不同含沙量及其组合的各种水沙条件对河床演变的影响进行分析研究，探求河床变形、河势变化及河型转化等情况发生的主要边界条件和规律，对河床下切、展宽或淤积、斜河、横河、滚河、工程脱导等情况及其变化趋势做出预测。 　　（2）确定河道整治方案。 　　游荡性河道不易得到有效的控制，河槽宽浅散乱，主流摆动频繁，斜河、横河、滚河现象时有发生。通过河道模型试验，研究确定各个河段具体的整治方案、控导工程布局、结构型式及其他有关参数（如设计流量、排洪宽度、治导线等）。 　　（3）提出河道疏浚淤背方案。 　　根据上游河道不同河段的河床演变特性、河势变化特点、整治工程布局、堤防标准化建设进程等情况，通过模型试验提出具体河段的疏浚河槽、淤背固堤方案及其实施部位和时机。如在游荡性河道，通过试验确定最有利于改善河势、加强防洪的疏浚方案及其实施时机；在持续冲刷的河段，利用试验提出防冲方案，以最大限度地减少工程基础悬吊。 　　（4）淤滩成槽规律。 　　模拟分析清水沟流路不同阶段历史流路的发生条件和发育过程，重点研究淤滩成槽、冲刷扩展，找出不同流路扩槽的内在机理。模拟不同水沙条件和不同边界条件下清水沟流路沿程的冲淤变化、形态变化、河势摆动、流路历时、行洪排沙能力变化、造陆速率等，找出淤积延伸与水沙及其边界条件之间的关系。2.1.3.4 蜿蜒段河道模型。 　　河道蜿蜒段河段其主要特点：上游冲刷严重，下游淤积严重；上游工程基础悬吊严重，严重影响工程效益发挥；上游防汛形势严竣，下游灌溉抗旱形势严竣。 　　（1）河道洪水演进、洪峰流量及洪水位预报。 　　利用河道模型对不同量级的洪水进行演进并对沿程洪峰流量和洪水位进行预报，对防洪决策具有重大的现实意义。具体操作时，河道模型可与洪水警报预报系统相结合，当洪水预报系统提出某断面可能发生的洪峰流量时，可把这一流量在河道模型上进行演进，从而可对沿程各个断面的洪峰流量及洪水位做出预报。 　　（2）滩区、滞洪区淹没范围预报。 　　利用河道模型试验进行下游滩区淹没范围、淹没深度、淹没历时等情况的预报，将对滩区安全建设和洪水期滩区群众的安全撤离提供科学依据。 　　

2.2 开展“模型河道”理论研究需具备的基础和条件。 　　2.2.1 理论支持数学模型模拟技术应用理论研究；测控仪器系统理论研究；信息技术系统研究。 　　2.2.2 专项研究野外坡面、沟道和小流域试验区和室内人工降雨动床比尺实体侵蚀模型；水库实体模型、河流小流域实体动床比尺模型；极细模型沙的基本特性及选配方法；基于ＧＩＳ技术的自动化塑制模型地形的技术；多泥沙水库降水冲刷运用的试验相似条件及模拟技术；大尺度、长模型水力相似的稳定性及误差评估理论与方法；河工动床模型试验测控系统的关键技术。 　　

3.“模型河道”研究机制的建立 　　

要以“分析研究河道自然规律，提出河道治理科学方案”为目标，以“科学、系统、先进、实用”为原则，进行“模型河道”工程建设的总体设计。全面规划，分步推进。要特别重视提高“模型河道”工程建设中的高科技含量，试验设备（特别是各种观测设备）、运行操作、成果形成及显示等，要由一套高效、准确、快捷的自动化系统来完成，避免由人工观测和操作引起的误差，提高试验成果的科学性和准确率。