|
点击“模型黄河”建设的主页
唐华 赵宝华
页面:“模型黄河”浮出水面
随着经济社会的发展,特别是科学技术的突飞猛进,人们对水的认识也有了根本的改变。水资源的开发和利用问题已成为一个将自然环境、科学技术和经济社会紧密联系在一起的庞大而复杂的系统工程。由传统水利向现代水利、可持续发展水利转变,是新时期我国治水思路的重大调整。人民治黄以来,黄河治理开发形成了一套相对独立和较为成熟的体系,但随着社会的发展,治黄新方略与时俱进的紧迫感又萦绕在每个治黄人的心头。
早在1996年人民治黄50周年,黄河的治理开发取得举世瞩目的丰功伟绩之时,人们就提出这样一个问题:如何保证下一个50年、100年黄河岁岁安澜?
1999年,江泽民总书记视察黄河时提出要抓紧思考一个问题:在即将到来的21世纪,我们如何从战略的高度,进一步把黄河的事情办好?
2001年,水利部部长汪恕诚在黄河水利委员会提出了黄河治理开发要做到“堤防不决口、河道不断流、水质不超标、河床不抬高”,为未来黄河的治理开发确定了目标。
如何实现上述目标,特别是如何采取最经济、最科学的方式实现黄河的长治久安,这是黄河水利委员会党组所要面对和思考的大事。“三条黄河”的思想理念也就是在对这一系列重大问题的思索中逐渐凸现、明晰、成型的。
“三条黄河”指的是“原型黄河”、“数字黄河”和“模型黄河”。“模型黄河”主要是通过实体模型对“原型黄河”自然现象进行反演、试验,是探索黄河自然规律的一种科研手段。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实体模拟,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。黄河是一条流域侵蚀环境特殊、水沙运行规律复杂、河床演变剧烈的河流,也是世界上比较难治的河流,因而,实体模型试验在黄河治理开发的科学研究中具有难以替代的作用。目前,有不少重大治黄科学技术问题的研究需要通过实体模型试验来实现。
系统链接:“模型黄河”与“原型黄河”“数字黄河”相互关联
“三条黄河”建设是一项宏大的、系统的、复杂的工程。其中“模型黄河”工程建设是促进治黄科技水平不断提升的保障,是建设其他两条“黄河”的科技支撑。“模型黄河”可对“原型黄河”所反映的自然现象进行反演、模拟和试验,从而探求和揭示“原型黄河”内在的自然规律。同时,通过模型试验还可以就人们对黄河演化基本理论问题的认识、判断和假设进行验证,不断提升对黄河自然规律认知水平。利用“模型黄河”可以研究黄河诸多自然因素及社会因素中各单项因素的作用及其相互之间的关系,可以使黄河各种抽象的现象具体化甚至量化,可以对黄河的河床演变等问题进行预测、预演,可以直观呈现黄河不同治理开发方案的结果,论证方案的合理性,使决策科学、便捷、准确。另外,“模型黄河”还可以为“数字黄河”的建设提供物理参数,并对模拟结果进行佐证,不断提高数学模型的模拟技术和水平。
“三条黄河”相互关联,互为作用。“数字黄河”是“原型黄河”的虚拟对照体,“模型黄河”是研究“原型黄河”演变基本规律的手段,也是检验治理开发方案的中试环节。“数字黄河”和“模型黄河”都是研究黄河的手段、工具,不是黄河治理开发的最终目的。借助于这些手段和工具可以更好地研究“原型黄河”,认识“原型黄河”。通过这种手段的联合运用,实现各种治理开发方案在“原型黄河”上技术先进、经济合理、安全有效的目标。
页面设置:“模型黄河”规划编制
“模型黄河”可以通俗地称为试验室中的黄河,它是一个由实体模型组成、用来研究黄河流域演变规律和治理开发中关键技术问题以及各种治理方案的模型体系。2002年全河工作会议上,黄河水利委员会党组把“三条黄河”中的“模型黄河”建设作为黄委会的重点工作之一,要求黄河水利科学研究院根据实现“四个不”的目标要求和“三条黄河”建设的总体构架,2002年内完成《“模型黄河”工程建设规划意见》及《“模型黄河”实施计划》报告的编写工作,并启动“模型黄河”建设。
为编制好《“模型黄河”工程建设规划意见》和《“模型黄河”实施计划》,黄河水利科学研究院专门成立了“模型黄河”建设领导小组和规划编制工作小组,先后邀请国内有关高等院校及科研院所的专家、学者,黄河水利委员会有关专家、领导以及山东、河南两河务局专家,分别召开了“模型黄河”建设座谈会和咨询会,广泛听取意见和建议。2002年2月1日和2002年4月25日,黄河水利委员会分别组织机关有关部门负责同志和专家对规划意见和实施计划进行了讨论,并对编制工作提出了具体的指导性意见,在此工作的基础上,经过认真仔细的修订,完成了《“模型黄河”工程建设规划意见及实施计划》报告。
系统查看:“模型黄河”建设体系、目标和功能
黄河治理开发中突出存在的重大科学技术问题主要包括黄土高原多沙粗沙区重力侵蚀治理关键技术、小浪底水库运用方式及其与三门峡水库等干流工程调控体系的联合运用、黄河下游游荡性河段河道整治方案、黄河河口的综合治理等。这些问题的解决对于达到“四个不”的治理目标,实现黄河的长治久安,具有重要的战略意义。因而,这些问题也是治黄科研工作所必须尽快攻克的带有战略性和前瞻性的重大科技难题。由此,也就必然决定了“模型黄河”体系具有庞大和复杂的特点。“模型黄河”体系主要包括四个部分,即:黄土高原沟道坝系模型、水库模型、河道模型和河口模型。
“模型黄河”建设的主要目标首先是解决治黄中的重大关键技术问题,试验论证黄河治理方案。例如,黄河中游多沙粗沙区治沟骨干工程和淤地坝系的总体布局方案、小浪底水库运用方式、河道整治及工程布局方案、河口综合治理方案等等,使“模型黄河”起到科学中试作用,指导黄河治理开发的科学决策。其次是通过模型试验研究黄河的基本规律、治河基本理论和应用技术,提升对黄河自然规律的认知水平,从而为黄河治理开发方略、方针和措施的制定提供理论依据。第三,通过模型试验,可以为“数字黄河”建设提供物理参数,推动“数字黄河”工程的进展。第四,通过“模型黄河”建设,可以提高实体模型模拟技术,逐步建立起黄河实体模型的模拟理论体系,并可提高高含沙水流河工动床模型量测精度和测控自动化水平。第五是以“模型黄河”工程建设为契机,逐步形成黄河问题研究基地,并努力建成国家重点实验室,从而吸引国内外众多专家学者参与黄河重大问题的研究,不断促进治黄科技发展,使治黄科技整体水平居于国际领先地位。
“模型黄河”是研究“原型黄河”演变基本规律的手段,也是检验治理开发方案的中试环节。“模型黄河”有三个明显的特点:一是可以系统联系黄河的一系列零散因素,并直观反映它们之间的相互关系;二是可以使黄河各种抽象的现象具体化甚至量化;三是可以直观呈现黄河不同治理开发方案的结果,使决策更科学、便捷、准确。另外,与“原型黄河”相比,它还具有以下功能:事件可重复功能、事件可预测功能、实现事件过程的完整性、因素可分离功能、边界条件可调控功能、丰富测验数据等。
视窗一:“6·25”重大决定
2002年6月25日,黄河水利委员会召开主任办公会议,对黄河水利科学研究院提交的《“模型黄河”工程建设规划意见及实施计划》进行了专题研究。针对“模型黄河”工程建设规划,与会领导和专家提出了具体的指导意见和建议。黄河水利委员会主任李国英强调:“模型黄河”的建设一定要与“数字黄河”和“原型黄河”中急需解决的难点和问题相结合,要突出重点,在总体规划中要提出年度具体操作计划,并根据计划落实责任制;要加强组织建设和管理,成立“模型黄河”工程建设领导小组,确保“模型黄河”工程建设顺利进行;根据工作需要,科学整合黄河水利委员会科研机构的科研力量,形成合力,进行专题攻关研究,提高“模型黄河”工程建设的科技含量;要确保资金投入,建立稳定且顺畅的投资渠道;要严格按照基本建设程序,抓紧进行“模型黄河”工程的立项工作。黄河水利科学研究院作为“模型黄河”工程建设的主要实施单位,把这项工程作为下一步工作的重中之重,组成专门的班子和人员,制定了细致的工作计划,落实了责任制,加大了对“模型黄河”的宣传力度,广泛宣传这项工作的必要性、重要性和发展前景,以期通过建设一个高科技含量的“模型黄河”工程,吸引国内外有识之士和有志之士投身于伟大的治黄事业,为黄河治理开发和实现现代化管理贡献力量。
视窗二:“调水调沙”与“模型黄河”建设
2002年7月4日,随着冲天的“水龙”从小浪底水利枢纽咆哮而出,奔腾而下,治黄人梦中久盼的黄河首次调水调沙试验终于正式启动,付诸实施。本次试验不仅在“原型黄河”上开了世界水利史上最大规模人工原型试验的先河,与之同步进行的“数字黄河”应用和“模型黄河”试验也历史性地首次结合,实现联动。根据黄河水利委员会2002年小浪底水库调水调沙调度运用工作总体安排,黄河水利科学研究院承担了调水调沙模型验证试验工作,其主要工作内容是利用现有库区及黄河下游河道物理模型,按要求进行小浪底水库调水调沙运用的模型验证。经过充分准备,7月19日下午,黄河水利科学研究院在小浪底库区模型上成功地完成了小浪底水库调水调沙试验库区模型验证工作。在7月23日进行的黄河首次调水调沙试验下游河道游荡性河道实体模型试验启动仪式上,黄委会主任李国英作了重要讲话,他指出:从“原型黄河”调水调沙试验过程来看,大部分试验物理参数都在预案范围之内,但在局部河段也暴露出一些我们事先没有估计到的问题,比如,局部河段的漫滩流量不是我们试验前估计的流量,人造洪峰的演进时间滞后于我们事先估计的时间;从某种意义上说,试验暴露出的问题越多,我们对黄河的认识就越深化,说明这次调水调沙试验的价值就越大。
实体模型,即“模型黄河”,是“原型黄河”的相似体。既然“原型黄河”发生了重大变化,那么就要利用变化了的“原型黄河”测验数据去校验“模型黄河”,也就是说,用“原型黄河”的试验结果来率定“模型黄河”的物理参数,从而使“模型黄河”能够更加准确地模拟“原型黄河”,以便将来更加准确地利用“模型黄河”去反演“原型黄河”的自然现象,更好地研究“原型黄河”的自然规律。众所周知,进行1∶1的“原型黄河”试验可以获得非常珍贵的第一手资料,但是“原型黄河”试验所付出的成本很高,而且时间较长,不易操作。所以,“原型黄河”试验在历经一定阶段后要转入仿真试验阶段,“模型黄河”要担负起仿真试验的重任,我们可以借助“模型黄河”成本低、耗时少、易复演的特性,去高效率地研究黄河的自然规律,以便利用黄河的自然规律,为黄河的治理开发和管理服务。
对实体模型来讲,这次调水调沙是一次难得的机遇,更是一次严峻的挑战。通过模型试验,可以全面检验“模型黄河”的准确性,同时对黄河河工模型相似理论也是一次全面的验证,将大大丰富和促进模拟理论的更快发展。从总体上讲,本次模型试验无论对模型还是对原型,意义都十分重大,通过复演试验,“原型黄河”和“模型黄河”起到了互相印证、相互补充的作用。
启动运行:基础条件及保障措施
“模型黄河”的主体部分建在黄河水利科学研究院沙门试验基地,地处黄河水利委员会机关和黄河防洪重点段花园口的中间位置,有土地面积18hm2。
目前,试验基地已建有黄河小浪底库区模型和小浪底至苏泗庄河段河道模型,黄土高原坝系模型、黄河河口模型以及堤防预警抢险模型正在规划中。由于现有的小浪底库区模型和小浪底至苏泗庄河段河道模型的模拟范围还很有限,不能满足治黄科研要求,拟适当进行延长;此外,库区模型体系中还拟建三门峡水库库区模型,河道模型体系中拟建山东河段河道模型、渭河下游河道模型和小北干流河道模型。
作为治黄科研的重要手段,“模型黄河”无疑将对促进治黄科技进步、加大治黄科技含量起到重大的作用。黄河水利科学研究院经过几十年的模型试验实践,取得了大量科研成果,培养了一支模型试验研究骨干力量,库区模型和河道模型的试验技术相对比较成熟。但黄土高原模型试验和黄河河口模型试验均属开创性工作,模拟理论、模拟技术、测控方法和测控技术都需要认真研究。因此,“模型黄河”建设将是一项艰巨的任务,在“模型黄河”建设规划、运行和实施中,要坚持高起点,统筹兼顾,全面规划,做到人才一流、技术一流、设施一流、机制一流。
“模型黄河”建设运行将整合黄河水利委员会现有科研力量,将有关科研人员都纳入其中。黄土高原沟道坝系实体模型的建设,将联合黄河上中游管理局及其下属三个水保科研试验站的科技骨干,完成原型资料观测及沟道坝系关键技术研究;黄河河口实体模型的建设,将聘请国内一流专家为客座研究员,共同研究河口模型的模拟技术,并与黄河河口管理局河口研究所科技人员组成攻关组,开展黄河河口冲淤观测、河口演变规律及综合治理措施研究;黄河水利委员会水文局及小浪底水利枢纽管理局、三门峡水利枢纽管理局将参加库区模型建设,开展小浪底水库及三门峡水库库区冲淤观测、水库调水调沙运用方式研究等;河南黄河河务局、山东黄河河务局的有关科技人员,将参与黄河下游河道模型建设,开展联合攻关。
另外,“模型黄河”建设还将充分发挥黄河水利委员会以外专家的力量,尤其是在模拟技术、测控技术等方面,充分利用高等院校及其他科研院所的理论和技术优势。总之,要以“模型黄河”建设为纽带,建立“开放、流动、竞争、协作”的管理运行机制,逐步建成黄河泥沙问题研究中心、泥沙运动基本理论及河流模拟技术国家重点实验室,更好地为黄河的治理开发提供科技支撑。
(作者单位:水利部黄河水利委员会黄河水利科学研究院)
责任编辑 唐 瑾
|
