黄河水沙实体模拟设计理论及应用

第1章绪论 1.1研究目的及意义 实体模型试验（又称物理模型试验）是在按照比例缩小或等比例制作的实物模型上对自然现象进行的相应反演模拟，以揭示某一自然现象（亦称之为原型或模拟对象）的形态、特征和本质的科学方法。通过采用适当比例和相似材料制成的与原型相似的试验物体（或构件）称为实体模型（又有称之为“物理模型”的），其具有实际物体结构的全部或部分特征。按照事先设定的不同试验方案，在模型上施加比例荷载，将模型受力后获取的相关数据还原至原型物体上，既可用以揭示模拟对象的内在规律，又可用于检查工程设计缺陷。实体模型尺寸一般要比原型小。实体模型试验以客观事物、现象和过程之间存在的相似性为客观依据（辞海编辑委员会，1999）。因而也可以说，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，并据此定量或定性揭示自然现象的内在规律，借以满足工程设计和理论研究需要的一种科学方法。 显然，实体模型试验可以抓住研究对象的主要影响因子，在较短时间内复现研究对象某一演化或运动过程，演示某一主要因子发生变化后所产生的响应，可以动态直观地反映数学方法还难以模拟的一些自然现象的复杂过程。总而言之，作为一种科学研究方法，与野外原型定位观测资料分析及数值模拟等研究方法相比，实体模型试验具有多项特殊功能，主要有：①事件可重复功能。自然界的事物运动现象复杂多变，完全相同的事件很难重复出现，但是在实体模型上可以按照需要，在一定相似程度上复现某个事件，对其进行深入研究。②事件可预测功能。实体模型可以在给定的边界条件下，对未来可能发生的事件进行预演和预测。例如，在河流模拟的洪水预测试验中，可以按照地形、地物和河道边界条件制作河流模型，通过预设的洪水过程在模型上施放径流，可以开展洪水预演试验，可直观地观测和掌握洪水演进过程、水位表现、滩区淹没状况、河道工程险情等，从而为防洪预案的制定提供参考。再如，对于河道整治方案，可以通过试验检验，论证其设计的合理性，做到事前直观了解整体效果。③实现事件过程完整性功能。对自然界中诸多物理现象即原型的观测往往受技术、经济和安全的限制，使得对有些事件的观测难以做到过程完整、详尽，从而制约了对自然现象演变基本规律的研究，实体模型对此可做有益的补充，实现事件过程观测的完整性。④因素可分离功能。自然界的物质运动往往受众多因素影响，而这些因素相互交织在一起，也就是说，各种物理、化学及生物等诸多过程往往是多种因素相互作用的结果，而这些因素又往往是相互关联或相互耦合的。由此，也就大大增加了人们对一些复杂自然规律的认识和了解的难度，从而造成人们对有些问题的认识长期不能突破。实体模型可以实现因素的分离，研究每个因素的作用及其贡献的大小。⑤边界条件及初始条件可调控功能。在实体模型上可以对边界条件进行调整，如在土壤侵蚀模型试验及小流域综合治理试验中，可以通过设计不同的地表下垫面状况（如植被覆盖度）、降雨强度及过程、地面坡度或布设不同治理方案等工况，试验研究土壤侵蚀发生发展规律，或对各种治理方案的效果进行比较并加以优选。⑥直观可视化功能。由于实体模型是对模拟对象进行三维空间的复演和预测，因而实体模型试验可以将其试验结果直观地反映出来，如河道在什么地方发生冲刷或淤积，以及冲刷体或淤积体的形态、规模等。 实体模型试验具有上述突出功能，使其在开展诸如河流演变规律及河流治理、小流域治理的应用基础和关键技术等水科学问题研究中，往往起着其他研究手段所难以替代的作用。尤其近年来，实体模型试验与数值模拟的耦合已成为试验研究手段发展的新趋势，这无疑将会进一步拓展实体模型试验这一科学方法的使用功能和应用范围。 我国*早开展的实体模型试验*早的当属20世纪30年代开展的黄河河工模型试验（屈孟浩，2005）。我国流域面积在1000km2以上的河流有1500多条，其流域面积占到陆地面积的2/3（蔡守允等，2008），河流治理与开发成为水利事业发展的重要任务。我国因幅员辽阔，地理、气候空间分异性突出，河流类型多样，具有不同演变规律，因此往往需要通过实体模型试验的方法，为江河治理开发与管理提供科技支撑。几十年来，我国在长江、黄河、珠江、淮河、汉江、赣江、湘江等河流的河床演变、河道整治、航道整治、跨河建筑物等有关问题的研究中，均开展了大量的实体模型试验；在葛洲坝、三峡、小浪底等大型水利水电工程的建设中，均配合规划、设计、施工及管理工作开展了大型的模型试验研究；在土壤侵蚀治理和流域水沙变化研究中，也开展了较多的土壤侵蚀机理、治理措施效益等方面的试验研究。特别是由于黄河问题的复杂性，诸多问题的研究更有赖于模型试验的手段。 国务院批复的《黄河流域综合规划（2012—2030年）》（水利部黄河水利委员会，2013）明确提出了科技支撑体系建设规划，其中“模型黄河”工程建设是一项重要内容。“模型黄河”工程是以黄河水沙监测数据和实体模型试验结果为基础，通过对黄河各种自然现象进行反演和试验，不断揭示黄河的内在规律和联系，为黄河治理开发保护与管理提供方案和决策依据的一种手段。《黄河流域综合规划（2012—2030年）》同时提出黄河实体模型建设的重点任务，包括黄土高原野外试验场及宁蒙河段实体模型等，以及模型试验自动化测控系统关键技术研究等，还明确提出需要进一步解决的科技问题，包括黄河下游河道演变规律、水库异重流运动规律、黄土高原土壤侵蚀机理等，通过模型试验的方法，可有效地对这些问题进行研究解决。水利部黄河水利委员会为适应治黄现代化的需求，提出了建设“三条黄河”的理念（李国英，2005），即“原型黄河”、“数字黄河”和“模型黄河”。其中制定的《“模型黄河”工程规划》已得到水利部批复，现已进入实施阶段（水利部黄河水利委员会，2004）。根据“模型黄河”工程建设规划，“模型黄河”主要由黄土高原模型、水库模型、河道模型和河口模型构成。“模型黄河”工程建设可以为研究和解决黄河诸多问题搭建有效的科学试验条件平台，从而提高治黄现代化的科技水平。 黄河是我国第二大河流，发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东九省（自治区），在山东垦利区注入渤海。干流河道全长为5464km，流域面积为79.5万km2（包括内流区4.2万km2，下同），其中上、中游地区面积占流域总面积的97.1%。黄河流域所处的地理位置和上、中、下游的流域面积分布决定其有着不同于其他江河的显著特点，主要表现在:一是流经的黄土高原水土流失严重，水流含沙量高且水沙组合差异大；二是泥沙输移形式多样；三是河床演变极为复杂。这些特殊的水沙输移形式和复杂的河床演变特性，不仅使得对黄河规律的认识非常困难，而且使得对其他一般河流的现有认识和结论大多不能直接应用于黄河上，甚至现有的一些水动力学理论也难以完全适用于求解黄河的高含沙水流等问题。从研究手段上而言，实践证明，目前还难以仅靠原型实测资料分析和数值模拟的方法完全解决黄河治理的诸多应用基础问题和关键技术。例如，鉴于黄河问题的复杂性，加上种种条件的限制，黄河的定位观测资料难以达到系统、全面，尤其是缺乏对洪水过程和水土流失过程的详细观测，很难对影响自然现象各要素的作用和它们之间的相互转换关系给出明晰的结果。另外，原型观测的周期较长。因此，仅靠原型观测资料进行分析研究，对黄河的一些基本规律还难以取得深入认识，从而直接影响治黄措施和治黄方略的重大决策。以往，在黄河治理开发中曾有过这方面的经验教训。例如，在原建设黄河花园口、位山、王旺庄等拦河坝工程时，由于对黄河水沙条件及河床演变等自然规律缺乏深入认识，没有进行必要的模型试验，前期试验论证分析不够，致使工程失败，造成人力、物力的很大程度的浪费。又如，在黄河下游河道整治初期，个别河段河道整治工程是因险而建的，前期缺乏对全河段工程规划方案的充分论证试验，加之受投资的限制，工程修建慢，致使该工程建成后仍不能有效控制河势，成为“晒太阳工程”，流路调整难以到位等。再如，一些水利工程的建设因不符合黄河多泥沙河流的特点而导致工程建成后不能正常运行，有的不断改建，有的甚至失去作用。随着流域及其相关地区经济社会发展，黄河防洪、减淤、供水、灌溉、发电和生态环境保护之间的矛盾将越来越突出，管理与决策的多目标性将更为明显。显然，仅靠已有的理论和实践经验决策各种重大的治理开发方案已满足不了现代治黄的要求。 另外，黄土高原水土流失规律异常复杂，对治理措施布局和配置的技术要求高，治理难度大，必须以模型试验的方法进行研究。尤其是在黄土高原一些典型区域，水土流失规律极为复杂。例如，面积1.67万km2的砒砂岩地区，是冻融、风力、水力、重力侵蚀的多相复合侵蚀区和黄河粗泥沙来源的核心区，生态退化严重，水土流失剧烈，目前其丘陵区侵蚀模数仍在13000t/（km2 a）以上，甚至高达18000t/（km2 a），风沙区侵蚀模数也有7000～8800t/（km2 a），尽管其面积只有黄河流域面积的2.2%，但产生的粗泥沙约占黄河下游河道多年平均淤积量的25%，年均入黄泥沙量仍有1.6亿t，较20世纪90年代的减幅不足16%（姚文艺等，2020）。因此，很难通过一般的原型观测手段揭示其复杂侵蚀规律。为筑牢黄河流域生态安全屏障，砒砂岩地区的治理既是迫切的又是*难的，因此在揭示砒砂岩地区复合侵蚀机理时，实体模型试验将成为一项有效的研究手段。 将实体模型试验与数学模型反演模拟相结合成为近年来试验研究方法的一个主要发展方向。与实体模型试验方法相比，数学模型模拟方法出现得较晚。不过自20世纪60年代起，随着电子计算机和计算方法的飞速发展，数值模拟方法与技术也取得了长足的进展。国内外开发了很多数学模型，特别是国外开发了很多具有代表性的数学模型，如美国密西西比大学国家水科学与工程计算中心的NCCHE模型、美国陆军工程兵团水文工程中心的HEC模型、丹麦水力学研究所的MIKE模型、荷兰的Delft3D模型、英国沃林福德（Wallingford）水力学研究所的模型等。这些模型在世界上很多国家的河口治理、河道整治、洪水预报、水污染防治等方面得到了广泛的应用，并在河流治理研究中逐渐形成目前的以数值模拟计算为主的技术途径。与此同时，与数学模型发展相比，实体模型试验技术的发展则相对缓慢。目前，在河床演变与河道整治的研究中，人们利用数学模型模拟的方法，在一定程度上解决了不少问题，提供了工程实践的基础数据支撑。然而，黄河的演变规律极其复杂，经模拟计算验证，国外开发的如Delft3D模型、HEC模型、GSTAR模型等数学模型用于黄河河床演变计算中均存在很多问题。可以说国内外已开发的数学模型仍不能有效地模拟黄河河床平面摆动、河势调整、工程局部变形及水库近坝区冲淤过程等二维及三维性较强的河床演变现象，难以完全满足治黄重大实践问题研究和治黄科技支撑的需要。因而，黄河治理开发的很多应用基础问题和关键技术的研究需要采取结合模型试验或以模型试验为主的综合研究手段。 黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略对水土保持工作提出了新要求新使命，水土保持事业将进入一个高质量发展的新阶段；提出了黄河中游要突出抓好水土保持的国家战略目标任务。2021年10月8日中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》把提升黄河中游水土保持作为构建国家生态安全重要屏障的战略定位目标之一，而且将黄土高原塬面保护、小流域综合治理、淤地坝建设、坡耕地综合整治等纳入国家的水土保持重点工程；《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年发展规划和2035年远景目标纲要》也进一步将“科学推进水土流失和荒漠化、石漠化综合治理”纳入推进绿色发展、促进人与自然和谐共生的重点任务之一；国家发展和改革委员会、水利部制定的《“十四五”水安全保障规划》也把“科学推进水土流失综合治理”列为“十四五”期间水安全保障8项重点任务之一。为揭示黄河流域水土流失规律，优化水土保持空间格局，科学推进水土保持与生态治理发展，土壤侵蚀实体模拟试验作为一项重