河工模型在河流治理开发与保护中的作用

　　摘要: 在总结国内外河工模型发展历程的基础上, 简要论述了河工模型在大型水利工程建设、河道治理实践、河流开发利用、河流生态保护, 以及河口海岸治理与开发利用中的作用, 并提出了河工模型试验中需进一步研究解决的模拟关键技术问题, 包括河工模型的变态问题、河床阻力相似、模型选沙问题、模型量测技术问题等。

　　关键词: 河工模型; 河流治理; 河流开发; 河流保护

　　中图法分类号: TV147 文献标志码: A 文章编号: 1001-4179(2010) 09- 0073-04

　　河床演变是河道水沙过程与河道边界相互作用的结果。不同河流或同一河流不同河段的水沙过程与河道边界均随时空而发生变化, 形成不同类型的河道。至今关于河道演变规律的认识基本局限于定性描述上, 定量研究成果尚不多见。因为河床演变过程的复杂性, 在河流治理开发与保护中, 针对大型水利工程的泥沙问题或具体河段的演变趋势及治理工程的影响程度还不能完全依靠分析与数学模型计算的手段较好地加以解决, 而须借助于河工模型试验来进行较为深入的研究, 以解决河流治理开发与保护中的相关技术难题。新中国成立以来, 特别是改革开放以来, 河工模型试验在我国的主要河流, 例如长江、黄河、珠江、淮河等河流治理开发与保护中发挥着十分重要的作用。本文在简述河工模型的发展历程基础上, 重点介绍河工模型在我国特别是长江流域大型水利水电工程建设、河道治理开发与保护及河口海岸开发利用等方面发挥的重要作用, 并指出需进一步研究解决的关键技术问题。

　　1 发展历程

　　河工模型试验是运用河流动力学知识, 根据水流和泥沙运动的力学相似原理, 模拟与原型相似的边界条件和动力性条件, 研究河流在天然情况下或在有水工建筑物的情况下水流结构、河床演变过程和工程方案效果的一种方法[ 1] 。开展河工模型试验已有100多年。早在1686年, 牛顿就在《自然哲学的数学原理》一书中讨论了流体运动相似的条件, 并预见了相似论这一学科的创立。1875年, 法国学者法格为整治波尔多市的加龙河进行了最早的物理模型试验, 为水平与垂向比例均为1：100的河道动床试验, 模型河岸固定,河底铺沙, 没有几何变态问题。1885年, 英国学者雷诺进行了利物浦市墨塞河口潮汐影响试验, 采用了水平、垂直向比尺相差约3倍的变态模型。1891德国德累斯顿工科大学教授恩格斯建立了世界第一个水工试验室, 在玻璃水槽内进行水工模型试验。1913 年起,恩格斯建成规模更大的河工试验室, 在此进行了几十年的关于河道综合整治的模型试验, 其中包括黄河河工模型试验。20世纪初是欧洲水电事业快速发展的时期, 也是其水利科学研究快速发展的时期。河工模型试验作为研究解决水利工程问题的有效手段, 以其出色的应用价值获得普遍重视, 很快从德国传播到世界各地, 一些国家开始设立水工程研究机构和水工试验室[ 2] 。

　　1932年6~ 10月, 恩格斯在德国开展了黄河束窄堤距模型试验, 以研究明代潘季驯提出的“束水攻沙”理论付诸于工程实施的可能性。这一试验推动了中国建立水工试验机构的进程。长江作为世界第三大河和中国最大的河流, 开展河工模型试验始于1935年, 由中央水工试验所先后进行了长江下游马垱河段整治模型试验、镇江水道整治模型试验。1944~ 1945年又进行了长江上游干流的筲箕背和小南海两滩险河段整治工程的模型试验。新中国成立后, 随着长江水利工程建设事业的发展, 为做好长江流域的规划设计提供科学依据, 河工模型试验研究得到继续发展。1950年长江水利委员会与武汉大学合作, 开展了荆江分洪工程河工模型试验, 进行冲刷试验研究。20世纪50年代,长江科学院围绕防洪、航运、水电开发及河道综合整治研究工作, 先后建造了三斗坪至城陵矶河段变态模型、三斗坪至宜昌河段正态模型、下荆江系统裁弯模型等。60年代, 结合重点河段防洪与整治, 开展了荆江河段、荆北放淤工程, 下荆江裁弯工程及汉江裁弯工程等模型试验; 结合三峡工程开展了库尾大规模试验; 为研究荆江蜿蜒形河流的演变规律和成因, 开展了自然河工模型试验。70年代, 随着葛洲坝水利工程的兴建, 为解决枢纽布置、泥沙处理、航道整治、泥沙过机等问题,国内科研院所和高校共建了4座坝区模型、1座库尾模型等。80年代以来, 围绕三峡工程论证与建设, 提出了许多新的泥沙问题。国内科研院所和高校以不同的比尺、不同的模型沙, 分别做了3 座枢纽模型、9座库尾模型和几座坝下游不同河段的模型, 取得了大量的科研成果, 保证了三峡工程建设的需要。除葛洲坝工程及三峡工程外, 随着社会经济的迅速发展, 国内科研院校还进行了其他枢纽模型、河道综合整治模型、航道整治模型、桥渡模型、电站取水口模型、港口码头模型、洲滩利用模型、长江口整治模型、基础研究模型及防洪模型等, 取得了大量的试验研究成果, 为各项工程的建设提供了科学依据, 保证了各项工程的顺利实施,促进了长江流域经济的发展[ 3- 4] 。

　　由于模型类型丰富, 不同重率和粒径的模型沙的研制与应用, 以及先进的模型测量仪器、控制设备、计算机自动化系统的大量应用, 使得模型理论与实践得到了进一步的提高和发展[ 5- 10 ] 。在治理开发与保护我国大江大河与河口海岸的各项工程中进行的或正在开展的大量的河工模型试验研究, 居于世界领先地位,已出版了不少论文和专著, 对国民经济建设起到了重要作用[ 11- 13 ] 。

　　2 在河流治理开发与保护中的作用

　　2. 1 在大型水利工程建设中的作用

　　我国水电资源丰富, 资源集中, 可开发储量, 装机容量5. 26亿kW, 相应年发电量2. 24万亿kW·h, 每年可代替7亿t标准煤。建国前, 全国建成或部分建成水电站共42座, 装机容量360MW。新中国成立以后, 水电建设事业得到了较快的发展, 建设了一大批骨干水电站, 其中最大的为长江干流上的三峡水利枢纽工程, 总装机容量为1 820万kW, 在长江、黄河及其他河流的干支流上正逐步由建成与拟建的多座水库形成梯级水库。在这些大型水利工程论证与建设过程中,提出了许多新的泥沙问题, 而泥沙问题又直接影响水库寿命, 库区淹没, 库尾段航道、港区的演变, 坝区船闸、电站的正常运用, 以及枢纽下游的河床演变及防洪和航运安全等, 是这些大型水利工程建设与运行中的关键技术问题之一。围绕水利枢纽工程泥沙问题, 长江科学院先后以不同的比尺、不同的模型沙建立了葛洲坝枢纽坝区河工模型、三峡工程坝区与库尾河工模型、长江小南海水利枢纽坝区河工模型、嘉陵江亭子口枢纽坝区河工模型、汉江兴隆枢纽河工模型等。

　　我国水电资源虽然丰富, 但其分布很不均匀, 各地的降水量和径流量差异很大。长江流域及其以南地区, 水资源占全国的82% 以上, 耕地占36%, 水多地少。长江以北地区, 耕地占64%, 水资源不足18%, 地多水少, 其中粮食增产潜力最大的黄淮海流域的耕地占全国的41. 8%, 而水资源不到5. 7%。为了解决水资源分布不均的难题, 我国兴建或正在兴建的许多长距离大型调水工程, 如引黄济青工程、引黄济津工程、万家寨引黄入晋工程、南水北调中线与东线工程等。这些长距离大型调水工程建设过程中经常遇到穿过河流、跨越铁路或翻过障碍物等技术难题。针对这些技术难题, 国内科研院校建立了南水北调中线总干渠穿漳河河工模型、南水北调中线总干渠穿黄河河工模型、南水北调中线与安阳河交叉工程河工模型、南水北调中线一期工程总干渠安阳河渠道倒虹吸河工模型、南水北调中线引江济汉取水口河工模型等。这些模型试验成果在确定和优化交叉建筑物结构型式、保证工程安全、认识工程附近河床泥沙冲淤变化规律及其对洪水和河势影响方面发挥了重要作用。

　　2. 2 在河道整治实践中的作用

　　自然条件下, 河道尤其是平原河道的泥沙冲淤演变较为复杂, 河道存在纵横向变形。为了充分发挥河道的防洪、航运及综合服务功能, 需调控河势与实施河道综合整治。河道综合整治中与防洪有关的工程措施主要有护岸、裁弯、堵汊、局部河段扩卡和河势调整等。在河道整治实践中, 无论长江、黄河还是其他河流, 都曾采用河工模型试验研究河道整治方案及整治技术。例如, 在长江干流重点河段河道整治规划与治理的工程措施和方案中, 曾采用河工模型试验对重庆主城区河段、上荆江河段、下荆江河段、岳阳河段、武汉河段、九江河段、安庆河段、铜陵河段、芜裕河段、马鞍山河段、南京河段、镇扬河段、扬中河段、澄通河段、长江口河段等进行研究。通过模型试验研究, 揭示了这些重点河段在一定的空间与时间范围内的某些演变过程及其发展趋势以及河道整治工程措施实施后的作用和影响程度, 为研究河段规划、设计和综合治理提供了科学依据。

　　2. 3 在河流开发利用中的作用

　　河道岸线与洲滩均是有限的宝贵资源, 在沿江经济发展中发挥越来越重要的作用。随着长江经济带的建设发展和我国西部大开发战略的实施, 沿江各部门、各地区都对河流资源开发利用提出了新的更高要求。河道岸线开发利用主要有堤防护岸、跨河桥梁、隧道、取水口、排水口、港口码头、过江水底电缆等。在河流开发利用过程中, 经常采用河工模型试验的技术手段研究拟建工程河段在工程前后的水流特性、泥沙冲淤特性以及拟建工程对防洪、河势及航道的影响, 同时根据模型试验成果对岸线资源利用和工程设计方案进行优化, 并对河流开发利用过程中的不利影响提出相应的改善与减免措施。围绕河流开发利用, 长江科学院曾利用河工模型对长江上游川江部分河段、武汉、黄石、九江、铜陵、芜湖等河段岸线利用和跨江桥梁、武汉和南京过江隧道、红花套穿江管道、寸滩和涪陵等港口码头等进行了试验研究, 为工程设计及防洪影响评价提供了技术支撑。

　　2. 4 在河流生态保护中的作用

　　河工模型除在传统河流开发利用领域发挥作用外, 还在河道浓度场、温度场、污染物扩散和防止钉螺扩散及河流生态修复工程等生态与环境问题相关试验研究方面发挥作用。围绕这些新兴领域带来的关键技术问题, 国内外相关科研机构先后开展了国电泰州电厂、南京大陆马渡电厂、岳阳电厂、国电铜陵电厂、华电芜湖电厂、马鞍山第三电厂等温排水河工模型、攀煤集团污水排放口工程河工模型、引江济汉取水口工程涵闸的水流特性及其对钉螺扩散影响的河工模型、德国莱茵河和美国密西西比河生态修复工程等试验研究,这些研究成果均被应用到科研、规划、工程设计和决策管理中。

　　2. 5 在河口海岸利用中的作用

　　新中国成立后, 我国的河口海岸利用取得了重大发展, 新建和在建的深水航道和港口有长江口深水航道、神华黄骅港、上海洋山深水港、河北曹妃甸港、江苏如东港等, 这些港口自然条件复杂, 其中泥沙问题是必须要解决的重大问题。河口海岸水沙运动虽比河流复杂, 但只要利用河工模型抓住所研究问题的关键, 往往可获得较数学模型更为接近实际的结论。我国先后做过长江口、射阳河口、甬江口、钱塘江口、深圳河河口、上海洋山深水港模型、唐山曹妃甸港、天津和厦门深水港河工模型, 针对河口航运问题、滩涂利用和港池泥沙淤积对航运带来的不利影响等关键技术问题开展了研究, 为河口海岸问题的研究和解决提供依据, 给河口海岸河工模型提供了可贵的经验, 并对河口海岸学科的发展起了很大的作用。

　　2. 6 长江防洪实体模型

　　以三峡水库为核心的长江上游干支流水库修建后, 长江中下游的防洪能力将大为提高, 但河道安全泄量与上游来量不相适应的矛盾仍然存在, 以及由于水库调节作用, 改变了坝下游河道的来水来沙条件, 长江中下游江、湖水沙关系及演变等将发生重大变化, 给中下游防洪带来一系列新问题。为了应对长江上游水库群对长江中下游防洪、航运及生态与环境等方面的影响, 2003年经国家计委批准立项由长江水利委员会长江科学院组织实施的重大科研项目——长江防洪模型项目, 总投资约2. 0 亿元人民币, 目前已兴建了约6万m2的模型试验大厅, 制作了长江干流枝城至螺山河段(长约400 km)及洞庭湖区(含荆江三口分流道)的河工模型, 配备先进的试验测量控制系统与数字仿真系统。截止目前, 已利用该模型开展了荆江水流运动特性、典型洪水年洪水演进特性、三峡工程运用初期荆江河段冲淤变化试验等, 其成果已在荆江应急工程设计、航道整治中得到了应用。下一步将利用该模型开展江湖关系变化、江湖演变与治理研究, 为长江中游江湖治理与防洪等提供强有力的技术支撑。

　　3 关键技术难题

　　由于天然河流泥沙问题的复杂性, 河工模型试验中还存在不少关键技术问题影响其精度, 主要包括:①河工模型的变态问题。主要包括几何变态和时间变态, 变态河工模型相似目前在理论上只能做到近似相似, 因此, 模型试验成果也只能是一种近似的预测, 与天然河流或多或少存在一些偏离。②河床阻力相似。在河工模型设计及试验中, 流态及流速分布相似是河工模型泥沙运动相似的前提, 而阻力相似又是保证流速及流速分布相似的重要因素。③模型选沙问题。为保证河工模型的试验成果与天然情况相似, 模型沙的选择以满足泥沙运动相似为主要条件, 是河工模型试验中的一项关键技术, 直接关系到模型泥沙运动和河床变形的相似性及试验预报精度, 关系到模型试验成败。④模型量测技术问题。在河工模型试验中,对流量、含沙量和水位的控制精度要求高, 测定水位、流速、含沙量、波高等水力要素工作量亦大, 因此需要一整套相应完善的测量控制仪器设备与先进的量测技术, 以确保模型试验的测试精度和成果质量, 缩短模型试验周期, 提高科研水平, 适应现代化建设的需要[3, 10- 15] 。

　　4 结论

　　天然河流因受来水来沙条件、河床边界条件及出口侵蚀基准面等因素的影响而呈现非常复杂的演变过程。截至目前, 在河流治理开发与保护中针对大型水利工程的泥沙问题或具体河段的演变趋势及治理工程的影响程度还不能完全依靠分析与数学模型计算的手段较好解决, 而须借助河工模型试验手段进行较为深入的研究, 以解决河流治理开发与保护中的相关技术难题。

　　我国长江流域沿线经济新的发展和要求, 给河工模型试验的发展带来契机, 使河工模型的模拟精度和测试技术提高到一个新的水平。同时, 随着我国水利水电建设事业的蓬勃发展, 河工模型设计理论和试验技术均获得了显著的成就, 并具有自身特点, 现已成为解决各种水利工程问题的一种普遍公认的有效工具,其在河流治理开发与保护中的作用也愈来愈大。

　　参考文献:

　　[1] 钱宁, 万兆惠. 泥沙运动力学[M ] . 北京: 科学出版社, 2003.

　　[2] 谭徐明. 中国第一水工试验所的前世今生——中国水科院院史溯源之一[EB/OL] . (2008- 04 - 25) [ 2010 - 05 - 14 ] . http://www. iw h r. com /iw h r99 /books/txbdlall- lw. asp? id= 825

　　[ 3] 余文畴, 卢金友. 长江河道演变与治理[M ] . 北京: 中国水利水电出版社, 2005.

　　[ 4] 卢金友. 变态河工模型模拟技术研究报告[ R ] . 武汉: 长江科学院, 2007.

　　[ 5] 李保如. 我国河工动床模型的设计方法[ J] . 水利学报, 1993,(12) : 18- 25.

　　[ 6] 张红武. 河工动床模型相似律研究进展[ J] . 水科学进展, 2003, 12 (2) : 256 - 263.

　　[ 7] 毛野, 王勇华. 河工动床模型研究述评[ J ]. 河海大学学报(自然科学版) , 2003, 31(2) : 124- 127.

　　[ 8] 李远发, 陈俊杰, 朱超, 等. 河工模型试验模拟技术探讨[ J] . 人民黄河, 2005, 27 (12) : 18 - 19.

　　[ 9] 陈诚, 唐洪武, 陈红, 等. 国内河工模型地形测量方法研究综述[J] . 水利水电科技进展, 2009, 29( 2 ) : 76- 79, 94.

　　[ 10 ] 张红武, 冯顺新. 河工动床模型存在问题及其解决途径[J] . 水科学进展, 2001, 12( 3) : 418- 423.

　　[ 11 ] 尹亚敏. 定床河工模型的设计制作研究[J] . Experiment Science and Technology, 2004, ( 2) : 12 - 13.

　　[ 12 ] 姚仕明, 张玉琴, 李会云. 实体模型变率研究[ J] . 长江科学院院报, 1999, 16 ( 5) : 1- 4.

　　[ 13 ] 渠庚, 郭熙灵, 龙超平, 等. 泥沙实体模型时间变态问题的研究[ J] . 水利学报, 2007, 38( 11 ): 1318- 1323.

　　[ 14 ] 胡艳芬, 余明辉, 吴卫民. 变态对河工模型中弯道水流相似性的影响[ J] . 水科学进展, 2007, 18(11) : 63- 67.

　　[ 15 ] 吕列民. 新型河工模型自动测控系统[ J] . 人民黄河, 2005, 27( 8) : 12 - 13, 39.

　　作者简介: 姚仕明, 男, 副所长, 高级工程师, 博士, 主要从事河流模拟、河道演变与治理研究。