【摘 要】本文就研究河道重大、復(fù)雜的問題時，必須采取結(jié)合模型試驗的綜合研究手段，建立探求某河道或河系自然規(guī)律的綜合科技研究系統(tǒng)，為河道或河系治理開發(fā)方案的決策提供科學(xué)依據(jù)。 　　

【關(guān)鍵詞】河道，模型理論，基礎(chǔ)設(shè)施，機(jī)制

河道問題的復(fù)雜性和特殊性，決定了在研究河道時，尤其對一些重大、復(fù)雜問題的研究，必須采取結(jié)合模型試驗或以模型試驗為主的綜合研究手段，建立起能夠適應(yīng)用于河道問題特性需要的綜合性科技平臺――河道模型。 　　

1. 模型理論總體范疇 　　

“河道模型”主要是通過實體模型試驗的手段對河道自然現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)演、模擬試驗，以探求某河道或河系的自然規(guī)律，為河道或河系治理開發(fā)方案的決策提供科學(xué)依據(jù)，是促進(jìn)治水現(xiàn)代化的重要科技平臺。實體模型試驗是人們基于相似的概念和理論，對某些自然現(xiàn)象進(jìn)行模擬，并據(jù)此定量或定性提示自然現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律，以滿足工程設(shè)計和理論研究需要的一種科學(xué)方法。實體模型試驗可以抓住研究對象的主要影響因子，在較短時間內(nèi)復(fù)演研究對象某一演化或運動過程及趨勢，乃至演示某一重要因子發(fā)生變化后所產(chǎn)生的影響，并動態(tài)直觀地反映一些數(shù)學(xué)方法還難以模擬的自然現(xiàn)象的復(fù)雜過程。 　　
在目前嚴(yán)峻的防汛形勢下，只有構(gòu)建功能齊全、體系完善的“模型河道”，才可能充分和全面發(fā)揮現(xiàn)代科學(xué)試驗的作用，進(jìn)一步促進(jìn)科學(xué)技術(shù)向現(xiàn)實生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，從而為河道的綜合治理開發(fā)提供強(qiáng)大的科技支撐。 　　

2. “模型河道”理論研究初探 　　

2.1 “模型河道”建設(shè)體系。 　　
“模型河道”工程建設(shè)的任務(wù)主要包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、測控系統(tǒng)設(shè)施建設(shè)、實體模型系統(tǒng)建設(shè)等。 　　
2.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目。 　　
基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目主要有模型試驗大廳和試驗區(qū)設(shè)施。 　　
2.1.2 測控系統(tǒng)工程。 　　
測控系統(tǒng)工程主要由山區(qū)模型、水庫模型、游蕩段河道模型、蜿蜒段河道模型等測控子系統(tǒng)構(gòu)成，并以測控中心作為其連接樞紐，與“數(shù)字河道”進(jìn)行集成，形成“模型河道”與“數(shù)字河道”聯(lián)動的“橋梁”。通過測控系統(tǒng)建設(shè)，對“模型河道”的各監(jiān)控點進(jìn)行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、模擬控制，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析，建立起“模型河道”工程信息數(shù)據(jù)庫，將工程信息數(shù)據(jù)庫與地理信息數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，與“數(shù)字河道”、“原型河道”的有關(guān)數(shù)據(jù)耦合，建立各種三維模型，并以先進(jìn)的軟件技術(shù)做支持，實現(xiàn)“模型河道”的數(shù)字化。 　　
2.1.3 實體模型系統(tǒng)建設(shè)。 　　
針對河道存在的主要問題，“模型河道”體系的構(gòu)建應(yīng)包括四個方面的內(nèi)容，即水土流失區(qū)模型、水庫模型、游蕩段河道模型、蜿蜒段河道模型。 　　
2.1.3.1 水土流失區(qū)模型在水土流失區(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，可以分別就某造沙區(qū)域建立物理模型，首先對其侵蝕的機(jī)理進(jìn)行分析模擬，找出其侵蝕的基本規(guī)律，對各種可能的治理方案進(jìn)行試驗，在此基礎(chǔ)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。 　　
2.1.3.2 水庫模型確定上游水庫運用的方式，試驗研究在不同進(jìn)庫水條件、不同運用水位及不同出庫水條件下，從而提出庫區(qū)以下河道河勢變化及其治理的工程布局。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)，明流排沙、相機(jī)降低水位沖刷水庫的條件、降水沖刷開展概化試驗研究及其對下游河道的影響，在不對下游河道造成負(fù)面影響的情況下，優(yōu)化塑造庫區(qū)淤積形態(tài)，論證確定不同時期水庫運用的科學(xué)方式，尤其要加強(qiáng)中小流量的沖刷運用問題的研究。 　　
2.1.3.3 游蕩段河道模型建立游蕩段河道模型的目的主要應(yīng)用于分析研究河床演變規(guī)律、確定河道整治方案、河道沿程洪峰流量及洪水位預(yù)報、灘區(qū)淹沒范圍預(yù)報等。重點研究內(nèi)容主要包括河床演變規(guī)律；游蕩性河段河道整治方案；挖河疏浚理順河勢關(guān)鍵技術(shù)；岳城水庫攔沙后期河道上游沖刷下游淤積演變試驗；河道洪水演進(jìn)預(yù)演預(yù)報等。在對洪水演進(jìn)預(yù)演過程中，還可對下游灘區(qū)或滯洪區(qū)淹沒范圍、淹沒深度、淹沒歷時等情況進(jìn)行預(yù)報，為灘區(qū)或滯洪區(qū)安全建設(shè)和群眾的安全撤離提供科學(xué)依據(jù)。 　　
（1）分析研究河床演變規(guī)律。 　　
著重就不同歷時、不同流量、不同含沙量及其組合的各種水沙條件對河床演變的影響進(jìn)行分析研究，探求河床變形、河勢變化及河型轉(zhuǎn)化等情況發(fā)生的主要邊界條件和規(guī)律，對河床下切、展寬或淤積、斜河、橫河、滾河、工程脫導(dǎo)等情況及其變化趨勢做出預(yù)測。 　　
（2）確定河道整治方案。 　　
游蕩性河道不易得到有效的控制，河槽寬淺散亂，主流擺動頻繁，斜河、橫河、滾河現(xiàn)象時有發(fā)生。通過河道模型試驗，研究確定各個河段具體的整治方案、控導(dǎo)工程布局、結(jié)構(gòu)型式及其他有關(guān)參數(shù)（如設(shè)計流量、排洪寬度、治導(dǎo)線等）。 　　
（3）提出河道疏浚淤背方案。 　　
根據(jù)上游河道不同河段的河床演變特性、河勢變化特點、整治工程布局、堤防標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)進(jìn)程等情況，通過模型試驗提出具體河段的疏浚河槽、淤背固堤方案及其實施部位和時機(jī)。如在游蕩性河道，通過試驗確定最有利于改善河勢、加強(qiáng)防洪的疏浚方案及其實施時機(jī)；在持續(xù)沖刷的河段，利用試驗提出防沖方案，以最大限度地減少工程基礎(chǔ)懸吊。 　　
（4）淤灘成槽規(guī)律。 　　
模擬分析清水溝流路不同階段歷史流路的發(fā)生條件和發(fā)育過程，重點研究淤灘成槽、沖刷擴(kuò)展，找出不同流路擴(kuò)槽的內(nèi)在機(jī)理。模擬不同水沙條件和不同邊界條件下清水溝流路沿程的沖淤變化、形態(tài)變化、河勢擺動、流路歷時、行洪排沙能力變化、造陸速率等，找出淤積延伸與水沙及其邊界條件之間的關(guān)系。 
2.1.3.4 蜿蜒段河道模型。 　　
河道蜿蜒段河段其主要特點：上游沖刷嚴(yán)重，下游淤積嚴(yán)重；上游工程基礎(chǔ)懸吊嚴(yán)重，嚴(yán)重影響工程效益發(fā)揮；上游防汛形勢嚴(yán)竣，下游灌溉抗旱形勢嚴(yán)竣。 　　
（1）河道洪水演進(jìn)、洪峰流量及洪水位預(yù)報。 　　
利用河道模型對不同量級的洪水進(jìn)行演進(jìn)并對沿程洪峰流量和洪水位進(jìn)行預(yù)報，對防洪決策具有重大的現(xiàn)實意義。具體操作時，河道模型可與洪水警報預(yù)報系統(tǒng)相結(jié)合，當(dāng)洪水預(yù)報系統(tǒng)提出某斷面可能發(fā)生的洪峰流量時，可把這一流量在河道模型上進(jìn)行演進(jìn)，從而可對沿程各個斷面的洪峰流量及洪水位做出預(yù)報。 　　
（2）灘區(qū)、滯洪區(qū)淹沒范圍預(yù)報。 　　
利用河道模型試驗進(jìn)行下游灘區(qū)淹沒范圍、淹沒深度、淹沒歷時等情況的預(yù)報，將對灘區(qū)安全建設(shè)和洪水期灘區(qū)群眾的安全撤離提供科學(xué)依據(jù)。 　　

2.2 開展“模型河道”理論研究需具備的基礎(chǔ)和條件。 　　
2.2.1 理論支持?jǐn)?shù)學(xué)模型模擬技術(shù)應(yīng)用理論研究；測控儀器系統(tǒng)理論研究；信息技術(shù)系統(tǒng)研究。 　　
2.2.2 專項研究野外坡面、溝道和小流域試驗區(qū)和室內(nèi)人工降雨動床比尺實體侵蝕模型；水庫實體模型、河流小流域?qū)嶓w動床比尺模型；極細(xì)模型沙的基本特性及選配方法；基于ＧＩＳ技術(shù)的自動化塑制模型地形的技術(shù)；多泥沙水庫降水沖刷運用的試驗相似條件及模擬技術(shù)；大尺度、長模型水力相似的穩(wěn)定性及誤差評估理論與方法；河工動床模型試驗測控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 　　

3.“模型河道”研究機(jī)制的建立 　　

要以“分析研究河道自然規(guī)律，提出河道治理科學(xué)方案”為目標(biāo)，以“科學(xué)、系統(tǒng)、先進(jìn)、實用”為原則，進(jìn)行“模型河道”工程建設(shè)的總體設(shè)計。全面規(guī)劃，分步推進(jìn)。要特別重視提高“模型河道”工程建設(shè)中的高科技含量，試驗設(shè)備（特別是各種觀測設(shè)備）、運行操作、成果形成及顯示等，要由一套高效、準(zhǔn)確、快捷的自動化系統(tǒng)來完成，避免由人工觀測和操作引起的誤差，提高試驗成果的科學(xué)性和準(zhǔn)確率。 　　
各級領(lǐng)導(dǎo)及業(yè)務(wù)部門要樹立科學(xué)決策的意識，培養(yǎng)和造就一流的科研人才隊伍，建立穩(wěn)定且順暢的投資渠道 　　
“模型河道”的建設(shè)與運行，需要大量的相關(guān)基礎(chǔ)資料，如河道地形條件、來水來沙條件、工程布局條件、庫區(qū)測驗資料等，而這些條件及資料的提供分布在不同的業(yè)務(wù)部門，因此，城要建立一套行之有效的協(xié)同配合機(jī)制。