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[摘 要]本文总结国内外河工模型发展历程， 分析了河工模型在大型水利工程建设、河道治理实践、河道开发利用、河道生态保护， 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，下面就此进行详细的分析！
[关键词]河工模型 河道 治理 开发
中图分类号：TV147 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）01-0254-01
河床演变是河道水沙过程与河道边界相互作用的结果。不同河道或同一河道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，在河道治理开发与保护中，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，以解决河道治理开发与保护中的相关技术难题。
1.发展历程
河工模型试验是运用河道动力学知识，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，研究河道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。开展河工模型试验已有100多年。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。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。
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。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。
2.在河道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。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。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、黄河还是其他河道，都曾采用河工模型试验研究河道整治方案及整治技术。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實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 在河道开发利用中的作用
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、各地区都对河道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。在河道开发利用过程中，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，并对河道开发利用过程中的不利影响提出相应的改善与减免措施。
2.4 在河道生态保护中的作用
河工模型除在传统河道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道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道复杂，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。
3.关键技术难题
由于天然河道泥沙问题的复杂性，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，与天然河道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。
4.结束语
截至目前，在河道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，以解决河道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。
[关键词]河工模型 河道 治理 开发
中图分类号：TV147 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）01-0254-01
河床演变是河道水沙过程与河道边界相互作用的结果。不同河道或同一河道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，在河道治理开发与保护中，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，以解决河道治理开发与保护中的相关技术难题。
1.发展历程
河工模型试验是运用河道动力学知识，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，研究河道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。开展河工模型试验已有100多年。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。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。
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。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。
2.在河道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。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。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、黄河还是其他河道，都曾采用河工模型试验研究河道整治方案及整治技术。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實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 在河道开发利用中的作用
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、各地区都对河道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。在河道开发利用过程中，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，并对河道开发利用过程中的不利影响提出相应的改善与减免措施。
2.4 在河道生态保护中的作用
河工模型除在传统河道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道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道复杂，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。
3.关键技术难题
由于天然河道泥沙问题的复杂性，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，与天然河道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。
4.结束语
截至目前，在河道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，以解决河道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。