黄河下游治河工程空间分布的统计特征

张燕青 李振山 程舒鹏 薛安 赵志杰 张红武

摘要：基于实地考察和遥感影像解译，借助ArcGJIS软件提取黄河下游两岸大堤之间的中心线作为坐标横轴，垂直于中心线的水平方向为坐标纵轴，并以小浪底水库出库闸为坐标原点，建立了黄河下游空间位置相对坐标系。以此为基础，对黄河下游堤防、险工和控导工程等典型水利工程的现状及空间分布进行了统计分析。结果表明：黄河下游大堤堤距变化以艾山为界分为上、下两段，上段（小浪底水库—艾山）平均堤距为7.46km，堤距变化存在内包线；下段（艾山—入海口）平均堤距为2.70km，存在次一级的窄堤距点（曹家圈0.55km和利津0.67km）。险工数量随着时间变化呈现双峰分布的特点，控导工程数量则为单峰分布；在整个黄河下游沿河方向上平均每千米分布0.27个控导（险工）工程，从形态上可以分为单弯型、双弯型、多弯型和直线型四类，弯曲度均分布在0.3～1.0之间：控导工程与河流的平均接触率为67%，险工与河流的平均接触率为56%。

关键词：堤防；险工；控导工程；统计特征；黄河下游

中图分类号：TV211.3；TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379. 2018.07.007

黄河是我国第二大河，也是世界上著名的多泥沙河流。黄河下游河势游荡多变，决口频率高，泥沙淤积严重，是著名的地上“悬河”。下游的治河工程从早期修建的简易阻水工程逐渐发展为堤防、险工和控导工程等。随着时代的发展，这些工程不论是在修建规模还是空间布局上都在不断改进和完善。相关的研究很多，比如治河工程的结构和布置方案的研究，工程质量效果评价以及工程建设对周围环境影响的研究等。目前从宏观上对整个下游治河工程的空间分布及数量统计的研究较为缺乏。对于單一工程而言，修建后其位置固定不变，而河流却在变化，工程效用就会发生变化；对于整个下游治河工程而言，由于河流变化在时间上存在周期性，空间上具有传递性，因此沿河总的工程效用会呈现一定的统计规律。本文应用统计方法研究黄河下游典型治河工程——防洪大堤、险工、控导工程的空间分布特征及工程效用变化规律，以期为下游治河工程建设与管理以及滩区土地合理利用提供科技支撑。

1数据与方法

1.1数据来源

数据主要来源于黄河水利委员会防汛办公室编写的《黄河防洪T程基本资料汇编》（统计数据截至2015年底）、《1935-1982年黄河下游河道演变图》以及遥感解译数据，同时参考了1990-2016年的《中国水利年鉴》，其中记载了1989-2015年黄河流域水利工程统计数据。遥感解译数据包括以谷歌地球免费版软件所提供的2015年卫星影像为基础提取的小浪底水库至黄河入海口的黄河河道淹没线、黄河大堤、险工、控导工程的空间位置及数量信息。由于工程位置逐年变化不明显，因此在没有2015年遥感影像的区域使用2014年或2016年的影像代替。谷歌地球软件提供的卫星影像来自美国DigitalGlobe公司与EarthSat公司，DigitalGlobe公司资料以QuickBird（快鸟）商业卫星影像为主。航拍部分的来源为BlueSky公司、Sanborn公司、美国IKONOS及法国SPOT5。其中：SPOT5可以提供分辨率为2.5m的影像，IKONOS可提供分辨率为1m左有的影像，快鸟可提供分辨率最高为0.61m的高精度影像，影像对应的时间分辨率多为每年1期，部分区域达到每年多期，能够满足本次研究需求。

1.2研究方法

为了便于研究黄河下游各项治河工程与河流的相互作用，需要建立一个衡量工程空间位置的相对坐标参考系统。考虑到河流的动态变化，河流中心线有很大的不确定性，而1949年以后黄河两岸的堤防位置基本未发生改变，后期的修建大多是在已有堤防的基础上加高帮宽、硬化堤顶道路、进行标准化建设或者种植防浪林等，因此利用ArcGIS软件中的Collapse Du-al Lines To Center Line 工具提取黄河下游两岸大堤之间的中心线（简称大堤中心线，见图1），作为各项治河工程空间分析的坐标参考基础。以大堤中心线为坐标横轴，以小浪底水库出库闸为原点，以入海口为终点，以垂直于大堤中心线的水平方向为坐标纵轴，建立空间相对坐标系。各项工程距原点的距离可以直观地反映其空间横向分布，距大堤中心线的距离可以反映其纵向分布情况。在此基础上，根据统计结果进行理论推算，设定研究参数，引入工程密度、弯曲度以及接触率等指标，其理论推算方法如下。

黄河下游治河工程的修建，改变了黄河的自然状态，使河流发生一定程度的变异，这种变异主要体现在控导工程和险工修建的数量和位置上。工程密度E表示一定长度L的河流上工程的数量N，单位为个/km，计算公式为

E = N/L

根据遥感解译情况将黄河下游的控导工程和险工划分类别，以工程上游起始点为原点，建立工程的相对坐标系，见图2。根据工程两端连线与工程自身曲线交点的个数，将黄河下游险工和控导工程分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类，分别为单弯型、双弯型、多弯型以及直线型。I类工程两端所连直线与工程本身曲线交点个数为0：Ⅱ类工程两端所连直线与工程本身曲线交点为1个：Ⅲ类工程交点为2个及2个以上：Ⅳ类工程为直线，交点有无数个。

弯曲度是衡量工程形态的参数。弯曲度S定义为工程首、尾两端所连直线长度lz与工程本身长度l的比值，即

S=lz/l

接触率p是表征河流与_厂-程接触程度的参数，用来衡量一个工程的效用情况，定义为工程与河流接触长度lc，与该工程自身长度l的比值，计算公式为

2结果与分析

2.1大堤堤距变化

根据计算，黄河下游大堤总长1371km，其中：左岸747km，占整个河道长度的80%；右岸624km，占整个河道长度的65%。在小浪底水库出库闸至入海口之间设置82个固定断面，断面与大堤中心线的交点横坐标表示该断面水平距离。由于1949年以后黄河两岸的堤防位置基本没发生改变，因此以1982年的河道图为基础量算不同断面处的堤距，得到黄河下游大堤堤距沿河变化情况，见图3。

由图3可知，黄河下游堤距沿程变化较大，从最宽的马寨断面处14.80km到最窄的艾山断面处0.45km，最大值与最小值之间相差32倍，整个下游堤距集中分布在1～5km范围内，平均堤距为5.05km。堤距变化以艾山断面为界，可以分为A、B两段。A段（小浪底水库—艾山）平均堤距为7. 46 km，是堤距最宽的河段，并且存在堤距的内包线。B段（艾山—入海口）堤距迅速减小，存在次一级的窄堤距点，可以分为B1、B2、B3三段（见表1），窄堤距点为曹家圈断面处堤距0. 55 km、利津断面处堤距0.67km。

将黄河下游不同断面位置的堤距作累加计算，得到图4。在距小浪底出库闸450～550km范围内，即艾山断面到曹家圈断面附近河段，大堤堤距变化显著，呈现大幅度增大或减小的趋势。在此河段以上堤距变化平稳并且堤距整体偏大，此河段以下堤距变化同样趋于平稳但整体堤距较窄。从堤距累计曲线变化趋势看，堤距分布既不是正态分布，也不是呈S形曲线分布或者等距离的直线分布，而是两段式分布，这与图3所示规律一致。

黄河下游堤距整体沿程变化波动大，宽堤距主要出现在游荡型河段，窄堤距主要出现在弯曲型河段。游荡型河段河势摆动不定，河流侵占范围较广，堤距一般较大，堤内滩区面积大。弯曲型河段河势稳定，堤距较小，滩区面积小。有关研究表明，黄河下游河道成藕节状分布，通常节点处河道较窄，堤距相应也很小，因此艾山、曹家圈、利津等分界点附近的堤距极小。艾山至曹家圈河段堤距变化幅度大的主要原因是该河段由位于开封凹陷的冲积扇平原下段逐渐向位于鲁西隆起的山前平原和丘陵过渡，河势较不稳定。由此推测，此过渡段建设相关治河T程时充分考虑了地质因素。

2.2工程数量分布

如图5所示：险工数量在时间上的分布呈現双峰的特点，并且第二峰值小于第一峰值：控导 工程的数量在时间上的分布呈现单峰特点，并且控导工程的峰值高于险工的最大峰值。

从统计数据看，最早修建的险工是黑岗口险工，建于1625年。1855年铜瓦厢决口前修建的险工共有12处，铜瓦厢决口后到1910年共修建80处。1890-1910年险工修建数量为44处，是第一个高峰期，集中修建于1890年和1898年，修建数量分别为7、11处，此后修建数量有所下降：1950-1970年为第二个高峰期，修建数量为21处，少于第一个高峰期。至2015年，黄河下游共有险工147处、坝垛护岸5413道，工程总长度333.985km，裹护长度277.851km。控导工程的始建时间比险工大约晚260a，鱼山控导工程和旧城控导工程最早修建于1883年。大部分控导工程修建于1949年之后，1950-1970年修建数量为122处。1960-1974年平均每年修建8处，修建高峰集中在1967年和1968年，平均每年修建16处，此后控导工程的修建数量逐渐下降。至2015年，已建成控导工程233处、坝垛护岸5 204道，工程长度483.493km，裹护长度199.748km。

据史料记载，18世纪末到19世纪初河南地区频发大水，为保护人民财产安全，大量修建险工，使其数量达到一个高峰期。20世纪50-70年代是河流的初级开发和治理时期，此时正值中华人民共和国成立初期，国家高度重视黄河下游河道的治理，治河工程的发展进人新的高峰。这一时期大量修建险工和控导工程，且控导工程建设的数量更多，此后险工和控导工程的修建形式多为改扩建，新增数量逐年下降。

2.3工程密度分布

为了研究黄河下游控导工程和险工的空间分布规律，采用单位长度上的工程数量来表征工程密度，为此需要确定合适的单位长度。在黄河下游沿河的方向上分别采用单位长度为50、70、90km进行试算，单位长度为90km时工程密度分布规律最为明显，见图6（图中各河段的平均长度为90km）。

由图6可知，工程密度的变化趋势可以分为I、Ⅱ两段，中间有下凹点。I段工程密度呈直线上升趋势，最大密度为0.25个/km，在张庄村—段寨村之间；最小密度为0.13个/km，在小浪底—骨头峪之间。Ⅱ段工程密度呈下降趋势，密度最大值为0.43个/km，在小生村—大王庙村之间；密度最小值为0.18个/km，在小刘夹河村—入海口之间。下凹点在段寨村—仲潭村之间，密度为0.24个/km。

在小浪底一段寨村之间，黄河逐渐由游荡型向弯曲型过渡，河流逐渐流经人口、城市密集的地区，故而对河流河势的控制和防护程度逐渐提高。同时，河流逐渐趋于稳定，修建的工程长度较之前游荡严重的河段更短。在相同单位长度上，工程数量增多，排列更紧密，因此工程密度不断增大。而在段寨村一仲潭村之间每个河道整治工程长度都比较长，相同单位长度的河流上工程数量减少，工程密度减小，此段河流治理工程的平均长度为2865m，有险工9处、控导工程12处，在工程密度分布曲线上形成了一个下凹点。在大王庙村至人海口河段，河流比较弯曲，河势比较稳定，黄河两岸人口、城市、村落相对较少，普遍为大片耕地，因此工程防护逐渐减弱，工程修建数量逐渐减少，工程密度随之减小，呈现下降趋势。

2.4工程形态

2.4.1 工程类型分布

河道整治工程的修建既要考虑黄河洪水来临时所起到的防洪作用，同时还要考虑河流地貌，工程几何形态的变化一定程度上反映了工程空间存在状态以及河势变化。

如图7所示，黄河下游险工和控导工程中，单弯型（I类）的工程数量最多，共有166处，其中控导工程较多，占55%，险工占45%；双弯型（Ⅱ类）工程中，险工的数量多于控导工程，险工占59%，控导工程占41%；多弯型（Ⅲ类）的工 程数量最少，共有18处，其中险工较多，占83%，控导T程占13%；直线型（Ⅳ类）工程中，控导工程较有优势，占73%。由图8可知，单弯型工程分布在黄河下游河道的全段范围内，在距小浪底水库出库闸460～520 km和610～ 710km范围内较密集；双弯型工程分布在距小浪底水库出库闸100～750km范围内，主要集中在500～600km范围内；多弯型工程主要分布在距小浪底水库出库闸210～ 520km范围内；直线型工程分布在整个黄河下游河道，但数量较少，分布较离散。

总的来说，双弯型和多弯型险工 数量比控导工程多，直线型控导工程多于险工。险工有很多是在河势出险的情况下为了抢险而修建的，因此很多和河流流向摆动情况相伴，险工长度较长，且蜿蜒曲折。而控导工程多数为了控制主流摆动而主动布设，遵循制导线修建，因此工程的形状比较固定，受河流的影响较小，但是控导工程也不是一成不变的，一些控导工 程修建一段时间以后，工程与河流接触程度发生变化，有的甚至完全脱河，这种情况下需要对控导工程进行改建，即修建上延或下延工程。即便是这样，控导工程也很少出

現多弯型情况。

2.4.2工程弯曲度分布

根据前文所述弯曲度的计算方法，得到黄河下游治河工程弯曲度分布情况，见图9。可以看出，黄河下游险工和控导工程的弯曲度均分布在0.3～1.0之间，并且随着弯曲度由小到大变化，工程数量逐渐递增。

弯曲度在0.9～1.0之间的工程最多，险工有66处，控导工程有86处，分别占43%和57%。弯曲度在0.4～0.8之间的险工 数量大于控导工程数量。工程的弯曲度可以直观地反映工程的形态，也可以间接反映各工程防护范围内河势的危险程度。工程的弯曲度越小，表示工程首尾两端直线距离越短，工程越弯曲，一定程度上该工程防护范围内的河势越复杂，危险性越大。黄河下游河道治河工程的弯曲度在空间分布上没有明显的规律性，也反映了工程的设计与布设过程涉及多种因素，过程比较复杂，工程的弯曲度在空间分布上呈现随机性的特点（见图10）。

2.5工程接触率分布

接触率是工程效用情况的一种度量：接触率越大，工程所起的作用越大；接触率越小，说明工程的效用越小，极端情况下工程脱河时接触率为0。由于黄河下游近年来大水频率减小，加之河势游荡多变，很多河道整治工程已经脱河，有的甚至常年不靠河，因此从统计上了解工程的接触率有重要意义。

经过计算，目前黄河下游险工和控导工程总长度占河道总长的85%。控导工程平均接触率为67%，接触率在90%以上的工程占总工程数的40%；极端情况，接触率为0的有11处，100%与河流接触的有32处。险工平均接触率为56%，接触率为0的有23处，接触率为100%的16处。

不同河段治河工程与河流的接触率随着工程位置的变化呈现波动的情况，见图12、图13。除去极端值100%和0，控导工程的最低值为12.75%，为游荡型河段的老田庵控导工程；最高值99.86%，为弯曲型河段的秦家道口控导工程。而弯曲型河段的最低接触率为27.61%，高于游荡型河段的，反映出弯曲型河段河势较稳定，工程接触率较高，游荡型河段不稳定，工程效用有很大的不确定性。险工与河流的接触率随着工程位置的变化呈现波动性，同样没有很好的相关性。除去极端值，其最低值13.5%为贾庄险工，同样出现在游荡型河段：最高值99.04%则为弯曲性河段的五甲杨险工。比较之下（除去极端值），控导工程的最低接触率低于险工的，而最高接触率高于险工的。由此推测，控导工程的不确定性大于险工的。对于接触率较低的治河工程，应重新考虑其布设或改建，以适应河势的变化。

3结论

（1）黄河从小浪底水库出库闸至入海口，堤距变化总体上波动较大，平均堤距为5.05km。堤距变化规律呈现分段的特点，以艾山为界分为两段，上段（小浪底水库—艾山）平均堤距为7.46km，堤距变化存在内包线：下段（艾山—入海口）平均堤距为2.70km，存在次一级的窄堤距点（曹家圈0.55km和利津0.67km），可以分为3小段。

（2）险工数量随时间变化呈现双峰分布的特点，并且第二峰值小于第一峰值。控导工程的数量随时间的变化呈现单峰分布的特点，且峰值高于险工的最大峰值。控导工程和险工密度的变化趋势可以分为I、Ⅱ两段，I段工程密度呈直线上升趋势，Ⅱ段工程密度呈下降趋势，中间有下凹点；整个黄河下游沿河方向上平均1km分布0.27个控导（险工）工程。

（3）险工与控导工程从形态上可以分为单弯型、双弯型、多弯型和直线型四类。险工与控导工程均是单弯型最多；双弯型和多弯型险工数量多于控导工程，直线型险工数量少于控导工程：险工和控导工程的弯曲度集中分布在0.3～1.0之间，在黄河下游的空间分布没有明显的规律性。

（4）险工和控导工程与河流的接触情况为全接触、完全脱河或者接触率在一定范围内波动。控导工程与河流的平均接触率为67%，险工与河流的平均接触率为56%。