1 研究背景与意义

黄河下游河道由主河槽与滩地共同构成。滩区既是行洪、滞洪、沉沙场所，又是广大群众生产生活家园；河道具有典型的游荡特性及二级悬河特征，防洪安全历来是治黄的重中之重（图1~图3）。河道内的滩地总面积3544km²，由大堤、险工以及生产堤所分割，共形成120多个自然滩，占河道面积的84%；涉及河南、山东两省14个地（市）44个县（区），滩区内有耕地25万hm²，村庄2056个，人口约190万。黄河洪水频繁漫滩，严重影响滩区的生产和生活，造成了这一地区社会经济发展缓慢、群众生产生活水平低下，已经成为豫鲁两省最贫穷的地区之一；加之，滩区人口的自然增长，过去人与洪水基本不发生矛盾的“一水一麦”的生产模式根本无法满足人们“奔小康”的需求。长期积累的治河与滩区社会经济发展的矛盾日益凸显，已成为影响黄河下游河道治理的突出问题，亟待妥善解决。

图1 黄河下游河道示意图

图2 黄河下游河道游荡特征

图3 黄河下游“二级悬河”示意图

纵观千年治黄历史，黄河下游河道治理长期存在着堤与河的博弈，即宽河与窄河之争。近期，黄河下游河道治理面对的情势发生了重大改变，一是水沙条件发生显著变化,来水来沙呈大幅减少趋势；同时，随着小浪底水库及其上游水库群联合调控能力增强和水沙调控技术的提高，黄河下游水沙过程已基本成为人为控制的过程。二是随着2020 年全面建成小康社会国家战略目标的临近，下游滩区作为我国最难以脱贫的地区之一，引起了中央和各级政府的高度重视。黄河下游河道治理模式再次成为社会关注的焦点，主要有宽河固堤现状模式、宽河固堤防护堤模式、窄河固堤模式。究竟哪一种模式更优，也一直没有令人信服的结论。

黄河下游河道治理是一个复杂的系统工程，在这个系统中是以抗御洪水为主导、自然环境为依托、土地资源为命脉、社会文化为经络，不但受系统外社会、环境和上下游边界条件约束，还受系统内滩与槽关系的强力制约, 自然、经济、社会各种因素交织影响、错综复杂。如何解决好河流自然属性与社会属性的整体协调、处理好治河与滩区社会发展的矛盾是黄河下游河道治理突破的关键。

团队引入协同理论，通过资料分析、理论研究、原型观测、模型试验、数值计算等综合研究手段，从自然科学和社会科学紧密融合的角度出发，构建下游滩槽协同治理理论体系和治理效应三维评价模型；提出游荡性河道河势稳定控制技术；厘清洪水风险管理、土地资源配置、区域经济发展的关联机制，提出新形势下滩区土地利用模式和管理、运行机制，为黄河下游河道治理提供科学的决策依据，社会、经济、生态效益巨大。

2 黄河下游滩槽协同治理理论体系和治理效应三维评价模型

2.1 黄河下游河道滩槽协同治理理论与治理目标

根据黄河下游河流系统的概念和内涵，黄河下游河流系统可分解为关系到河流基本功能的行洪输沙子系统、支撑经济社会可持续发展的经济社会子系统以及与生态功能发挥密切相关的生态子系统。各个子系统之间具有密切的有机联系，共同维系黄河下游河流系统的存在、发展和演化。行洪输沙子系统包括河流河岸带、河床、水体、涉水工程等河流的自然结构，关系到河流水沙物质输移，并直接对社会经济和生态环境产生影响。经济社会子系统包括经济社会发展状况如GDP、粮食产量等以及体现河流对经济社会发展支撑功能的指标如引水量等。这里的经济社会子系统构成仅限于与河流和经济社会相互作用有关的内容，不包括历史、文化、社会关系等完全隶属于社会系统的内容。生态子系统包括河流及滨河区域的生物群落、栖息地、植被等与生态环境有关的组成部分。

厘定了黄河下游河流系统行洪输沙-社会经济-生态环境三大功能子系统协同发挥的多维约束因子（88个约束因子，14万组数据），诠释了滩槽协同治理的科学内涵，即在滩槽形态改善的同时，兼顾河道内的社会、经济、生态的协调发展，实现滩槽全面功能的协同。在此基础上，建立了黄河下游河道滩槽协同治理广义目标函数。

2.2 主控因子与滩槽协同治理目标的驱动-响应机制

厘定了黄河下游河道河流系统中行洪输沙子系统、社会经济子系统和生态环境子系统演变的主控因子（18个），提出选取平滩流量、河相系数、横纵坡降比、受灾人数及损失、漫滩面积及时长作为河流系统演变影响的控制性指标，通过主控因子相关分析定量评价了各子系统间的动态协同与竞争关系，提出了包含河流行洪输沙功能、社会经济功能和生态环境功能的黄河下游河道滩槽协同治理目标函数；建立了各子系统主控因子与治理目标的驱动-响应关系，揭示了各子系统功能目标的历史演变过程与内在驱动机理，确定了进入下游流量与过程、河道整治工程密度等主要调控因子阈值（图4）。

图4 各子系统主要调控因子与目标函数的驱动-响应关系

2.3 滩槽协同治理系统理论与评价模型

应用协同学理论，构建了黄河下游河道滩槽协同治理效应四层三维评价指标体系（图5），提出了7项底层指标、3项二层指标、3项三层指标各自的物理意义与计算方法，在此基础上构建了滩槽协同治理效应三维评价模型，实现了对黄河下游河流健康总体治理目标长远效应的综合评价，采用1958、1982、1992、1996四场洪水的实测资料对模型进行验证，结果表明：从自然-经济协同效应方面，1982年和1992年的评价较好，1996年次之，1958年得分最低，这主要是由于1958年洪水量级较大，对滩区人员和财产的损害较高，1996年发生典型的“小水大灾”，既没有起到很好的滞洪沉沙效果，也造成了较严重的灾害损失；从自然-生态协同效应方面，1958年和1982年的评价较好，，1996年次之，1992年得分最低，说明自然-生态协同效应与洪水量级相关性较高，对于长历时、大洪量的洪水过程，滩槽行洪输沙功能与生态环境功能之间有较好的一致性。从经济-生态协同效应方面，1996年的得分最高，说明该场洪水的量级适中，在社会经济和生态环境两个功能之间得到较好的平衡，1982年得分次之，1958年和1992年得分最低，这说明自然状态下，洪水量级过大或过小都会影响社会经济和生态环境协同效应之间的平衡。这些评价结果与过去定性评价的结论相符合，验证了评价模型的合理性与实用性。

图5 黄河下游河道滩槽协同治理效应四层三维评价指标体系

3 黄河下游滩槽协同治理技术与模式

3.1 有限控制边界作用下黄河下游游荡性河道河势稳定性指标

提出了有限控制边界作用下黄河下游游荡性河道河势相对稳定特征指标。采用聚类分析方法，分析了黄河下游游荡段55年来28个断面的深泓线变化，发现了各类别在河道中泓线摆动幅度、摆动速率、摆动加速度上的分异性。在此基础上，定义了游荡强度指标组成形式，并建立了黄河下游游荡性河道河势稳定状态量化指标；进一步绘制了下游游荡性河道河势稳定量化指标的空间分布，其指标等于2时河势处于稳定与不稳定的临界点，小于2稳定，反之河势游荡。从空间分布表明铁谢至秦厂、夹河滩至高村河段河势相对稳定，花园口至夹河滩河段多年平均指标有所下降，尤以辛寨—曹岗河段为典型，表明该河段最不稳定。

图6 黄河下游游荡段稳定性指标随断面分布图

3.2 有限约束条件下游荡型河道纵-横-平面形态的调整机制

通过黄河下游游荡型河道工程修建密度情况，划分了三个不同时期工程密度，其中1980以前工程密度小于42%，基本上河道受到的约束相对较小；1980至2000年河道工程密度为69%，河道受到了一定的工程约束，目前河道工程密度达96，河道已经受到较强的约束。分析其不同工程密度下河势演变表明，工程密度约束达到42%时，特定断面主流的摆动幅度明显减小，但是工程控制差的河段主流摆动幅度仍然很大，畸形河势、畸形河湾的出现增多。工程密度达到90%以上时，河势基本稳定，但枯水期畸形河势仍有一定的机率出现。

通过多组次的自塑模型试验，提出了无工程约束条件下河道河势判别临界状态指标表达式，当η大于1时河槽稳定，而η小于1时河槽将发生游荡摆动。同时得出河道稳定状态下的横比降与纵比降之比一般小于2，处于临界摆动状态河道纵比降与横比降比值介于2至4之间。

基于4种不同工程密度、多组次概化模型试验研究表明，工程密度的增大能够有效地控制游荡性河道的河势摆动。但是在密度相对较小，尤其是小于50%的时候，河段中未受控制的河湾河势演变情况非常复杂，畸形河湾出现几率有所增加；在密度相对较大，尤其是达到90%以上时，能够很好的控制河势的游荡范围，畸形河湾出现几率减小。游荡性河道断面深泓线的左右摆动范围基本相当，具有往复性，工程密度的变化不会改变这种规律；工程密度的增大能减小河段的平均摆动强度，减小幅度随含沙量的增大而增大；但受工程布置形式的影响，单个断面的摆动强度可能出现增大的现象；工程密度的增大能够减小水沙条件改变造成河势摆动强度的增大幅度。影响河道横断面形态的主要因素是水沙条件，工程密度的改变能够影响河道调整的幅度，不会改变其变化趋势。工程密度的增大有利于河道断面向窄深形态发展。

3.3 不同河道整治模式与非恒定水沙过程的和谐效应

基于黄河下游花园口水文站1950年～2015年实测数据（地理位置如图3.3-1所示），采用滑动分析法修正马氏造床流量计算方法，分析黄河下游造床流量变化规律。研究表明1986年以后黄河下游水沙关系发生了显著变化，第一造床流量明显降低，意味着洪水频次和洪峰流量显著减少；第二造床流量也显著降低，表明来水流量减少，这是造成下游河道淤积萎缩的主要原因。自1999年小浪底水库运用及调水调沙以来，下游河道发生持续冲刷，主槽过流输沙能力提高，第二造床流量增加。此时与原有中水流量相匹配的河道整治工程并不能适应两级造床流量的共同造床作用，特别是不能适应长期枯水流量下的河床演变过程。提出了黄河下游游荡型河段的和谐度计算公式，作为河道整治工程布局合理性评判依据，小浪底水库建成运用以来，长期下泄的小水已经取代中水流量成为造床能力最强的第一造床流量，第一造床流量已小于第二造床流量，此时与原有中水流量相匹配的河道整治工程并不能适应两级造床流量的共同造床作用，特别是不能适应长期枯水流量下的河床演变过程，现行河道整治工程布局与调控水沙过程的不和谐度显著增加，河道整治必须考虑这一变化并兼顾大洪水期滩槽水沙交换。

3.4 游荡型河道河势稳定控制与主槽输沙能力提升技术

提出了洪、中、枯兼容的“三级流路”河势稳定控制方法（图7），即①中水流路，按照设计流路运行，稳定主槽，塑造高效排洪输沙通道；②枯水流路，通过下延潜坝，并适当加大送流段弯曲率和工程长度，以加强对小水的导流、送流作用，主动规避塌滩坐弯、畸型河势的频繁发生；③大洪水流路，洪水漫过下延潜坝自由行洪，保障滩区行洪滞洪沉沙与漫滩水流归槽，实现充分的滩槽水沙交换。通过长河段的模型试验检验表明，河势在枯水期、中水及大洪水期对河势的作用都有所加强。

图7 洪、中、枯兼容的“三级流路”河势稳定控制方法

3.5 黄河下游河道滩槽协同治理模式及滩区功能区划

分别制定“宽河固堤”现状模式的现状生产堤方案和生产堤全部破除方案、“宽河固堤”防护堤模式的防护堤不同间距（1.5km、2.5km、3.5km）和不同标准（6000立方米/秒、8000立方米/秒、10000立方米/秒）组合方案、“窄河固堤”模式下不同堤距（3.5km、5km）方案等框架方案；基于准二维数学模型计算表明，不同方案下滩地平均淤积厚度在0.77m~1.28m之间，其中“现状无生产堤”方案滩地平均淤积厚度最小，“防护堤1.5km”方案滩地平均淤积厚度最大；“窄河固堤”方案滩地平均淤积量厚度介于“现状无生产堤”方案和“现状有生产堤”方案之间；“窄河3.5km”方案比“防护堤3.5km-10000”方案滩地平均淤积稍大；防护堤方案下，防护堤堤距越小，滩地平均淤积厚度越大；堤距相同时，防洪标准越高，滩地淤积厚度也越大。即滩地平均淤积厚度随着堤距的缩窄而增大。综合考虑，对于6000-8000m³/s标准的生产堤，3.5km堤距对于黄河下游相对较适应。

根据滩槽的不同分区，充分考虑地方区域经济发展规划，对滩区进行功能区划：将地形较高、洪水风险相对较小的高滩区，设置成适宜人居的高滩居民区，解决滩区群众居住和生活的问题；在防护堤和老滩居民区之间打造适宜种植的二滩耕作区，一方面可以解决滩区群众生产的问题，一方面可以留做后备滞洪沉沙区，承担滞洪沉沙的功能；将洪水风险较高的临河嫩滩区设置为嫩滩生态涵养区。IV区，在中水河槽内，构建一下宽度800-1000m的高效输沙通道，并控制中水与小水期的河势稳定。

图8 黄河下游滩区功能区划示意图

4 自然-社会协同的滩区可持续发展模式及管理机制

4.1 滩区自然-经济-社会复合系统协同发展关联机制

系统总结了近年来黄河滩区土地利用类型变化趋势，分析了不同滩区的土地利用变化与社会经济因素的协调发展程度。滩区土地利用类型变化总体上呈现出“三减三增”的特点，即耕地、草地、未利用地面积减少，林地、水域、建设用地面积增加；滩区的地均农业生产总值集中在2-6万元/ha之间，6万元/ha的地均农业总产值是滩区土地利用水平提升的突破点，极少数乡镇地均农业总产值低于2万元/ha；从协调发展程度看，15个滩区（河南省）中，8个是协调发展型，7个是失调发展型，滩区土地供应量大，但对社会经济发展支撑性整体较差。通过修建、强化防护堤等防洪措施，降低土地利用风险，可以大幅度提升滩区土地使用效益。

4.2 滩区自然-经济-社会协同的可持续发展模式及仿真

通过构建的滩区自然-经济-社会协同发展的系统动力学模型仿真模拟表明，在有防护堤方案中，防护堤标准越高，在不施加其他外来政策干预情况下，滩区人口增长越快，人口峰值更高，且人口峰值到来时间越晚，延续时间越长。这意味着，高标准防护方案虽然提高了黄河下游滩区的防洪标准和滩区居民生产生活保障水平，但宜农宜居的环境对人口的吸引力也逐渐增大，形成了对人口增加的一种变相鼓励，这又将加剧滩区土地利用与滩区防洪滞沙功能之间的矛盾。解决这一矛盾，必须从黄河下游滩区所在区域全局协调发展的角度，实施更加积极的人口管理，尤其把更积极的人口政策与扶贫政策结合起来，通过滩区外新建城镇、整体搬迁、人口疏解等多种方式，有序加快滩区人口外迁，通过搬迁扶贫、产业扶贫和转业扶贫等多种方式，增强区外生活吸引力，固化滩区人口外迁成效，实现在防洪标准提高和防洪功能强化的同时，最大限度减少人口因素的干扰，真正实现滩区包括人口在内的自然经济社会协调可持续发展。

图9 黄河下游滩区自然-经济-社会协调发展系统动力学流图

4.3 流域与区域协同发展的滩区管理机制与模式

理清协同发展所涉及的各种关系，找出利益相关者，分析各方需求，均衡相关利益，保护各方权益。如：中央政府，主要是在保障防洪安全的前提下，充分考虑地方区域的发展；流域机构，受中央政府委托负责黄河治理、防洪保安全和河流健康可持续发展；地方政府（主要指滩区县乡政府），作为地方利益的代表，担负着发展地方经济、保障地方福利的职能，主要以谋求地方利益和区域经济社会发展为主；行业部门，主要是水利、环保、国土、林业等部门的职能交叉；滩区群众，以个人利益为主，是受保护的对象，有强烈的脱贫致富奔小康的愿望。

在分析涉及滩区管理的政策和规划影响，掌握滩区发展的各种需求和面临形势的基础上，将滩区的土地利用与黄河防汛安全、地方社会经济发展及环境保护利益结合起来，通过对高风险区的土地资源利用进行合理地规划和管理，来提高滩区发展的可持续性，同时降低、避免灾害造成的破坏。通过立法形式科学划定滩区管理边界，明晰管理职责和范围，通过分区分类管理和制定土地用途管制制度，建立滩区土地利用保障机制等，实现自然-社会协同的滩区可持续发展模式。