基于系统论的黄河下游河道滩槽协同治理研究进展

江恩慧，赵连军，王远见，李军华，曹永涛，许琳娟

（1.水利部黄河泥沙重点实验室，河南 郑州450003；2.黄河水利科学研究院，河南郑州450003；3.河南省湖库功能恢复与维持工程技术研究中心，河南郑州450003）

1 黄河下游河道滩槽分布基本特征

黄河下游河道具有明显的主河槽和滩地。历史上为保护两岸广大的黄淮海平原不受洪水淹没，在河道两侧修筑了临黄大堤。两岸临黄大堤堤距很宽，宽阔的河道起到了滞洪作用，并发挥了有效降低最高洪水位的作用。但是，宽阔的河道也减小了水深和流速，促使大量泥沙沉积成滩。经过多年的泥沙沉积，滩面高程逐步高于堤外地面高程，最大高差达10 m，成为著名的地上“悬河”。黄河下游河道典型横断面形态如图1所示。由于滩地广阔而肥沃，宜于耕种，因此滩区居民为了保护居住与生产，在其上筑小堤防御中小洪水，这些小堤当时称为“民埝”，即现在的“生产堤”。在中小洪水年份，因水流滞缓而使泥沙在生产堤之间大量沉积，形成“嫩滩”，习惯上将枯水河槽与“嫩滩”并称为主河槽。主河槽是中小洪水的惯常行洪输沙通道，广阔的滩地既是大洪水行洪滞洪沉沙的场所，又是滩区189万群众生活的家园。滩地面积占河道总面积的84%［1］，涉及河南、山东两省 14个地（市）44个县（区）。滩区多由大堤、河道整治工程、生产堤分区分片组割，形成120个自然滩。其中：面积大于100 km2的有7个，50～100 km2的有9个，30～50 km2的有 12个，30 km2以下的有92个。

2 黄河下游河道滩与槽治理历程简述

2.1 主河槽的河道整治研究及工程实践

黄河下游河道强烈的游荡特性对黄河防洪安全构成极大威胁。新中国成立后，国家对黄河下游河道整治非常重视，投入巨资修建了大量的河道整治工程［2］。一代又一代的治黄工作者对黄河下游的河床演变和河道整治开展了全面研究。以钱宁等［3-5］为代表的老一代科学家，针对多沙河流水沙输移与河床演变等基本规律开展了不懈探索，为治黄战略决策奠定了坚实的基础。针对黄河河床淤积抬高、位山以下河段泄洪能力太低、位山以上河槽宽浅等问题，张瑞瑾［6］指出黄河下游应实行“退堤宽滩窄槽”的方针。关于黄河下游的河道治理，谢鉴衡［7］提出应遵循黄河下游纵剖面变化规律进行河道治理，通过修建小浪底水库拦粗排细，调整水沙搭配，利用建坝的有利条件大规模引黄放淤，使整个下游的来水来沙条件得到显著改善，同时提出扩大河口三角洲范围以求抑制山东河段的上升，调整主槽横断面及降低糙率来抑制河南河段的淤积。国家“八五”计划期间，胡一三等［8］研究了黄河下游游荡型河道的河势演变规律，系统总结了山东窄河道和高村至陶城铺过渡型河道的河道整治经验，提出了游荡型河道的整治方向和整治措施；张红武等［9］对提出的整治方案开展了全面的动床模型试验验证。随后，在国家“九五”“十五”计划期间，江恩慧等［10］又通过系列模型试验，重点对河道整治工程布局长期议而不决的河段开展了局部河段工程布局研究，为游荡型河道系统整治奠定了基础，如黄河神堤至驾部河段工程布局研究，解决了大弯和小弯、两弯和四弯等方案之争；对武庄工程、顺河街工程、王庵工程、欧坦工程等的布局进行研究，确定了这4组工程所在河段的布局方案。通过黄河下游有计划的河道整治，目前白鹤至高村游荡型河段共修建河道整治工程317处、坝垛8 819道，工程长度623 km，游荡型河段的河势游荡范围得到有效控制，河道输水输沙特性有了一定改善，提高了防洪安全保障能力，有效防止了塌滩、塌村，提高了引黄取水的保证率。应该指出的是，小浪底水库修建后，黄河下游长期处于小流量清水过程，河道整治工程的适应性出现了一些新变化。

2.2 滩区安全建设研究及工程实践

黄河下游河道的早期治理受国家财力薄弱的影响，往往只注重河槽整治，滩区人民饱受洪灾之苦。早在20世纪70年代，国务院出台了“从全局和长远考虑，黄河滩区应迅速废除生产堤，修筑避水台，实行‘一水一麦’，一季留足群众全年口粮”的政策（1974年27号文）。这一政策对于解决当时滩区群众的基本生活和生产问题起到了一定作用，但与之配套的滩区安全建设在人口不断增加的情况下严重滞后。到2002年，累计修筑村台、房台、避水台7 355万m2，外迁村庄176个9.35万人，建撤退道路1 117 km。人均村台面积为40 m2，未达到人均60 m2的要求，已修建避水设施的村庄占滩区总村庄数的70%，东坝头以上大部分村庄无避水设施。同时，已修建的村台中，95%以上达到不到设计高度。由于滩区安全建设长期滞后、安全建设标准低，加之减灾政策不落实，因此群众生活水平较低，为生产生活所需，防止小洪水漫滩，滩区群众对生产堤毁而复修、破而复堵，甚至越修越多。生产堤的存在阻碍了滩槽水沙交换，进一步加速了“二级悬河”的发展，加重了滩区灾情。

黄河下游滩区面积大、滩地宽、居住人口多，根据滩区群众的耕作手段，国务院2013年3月批复的《黄河流域综合规划（2012—2030年）》［11］提出就地建大村台、临时撤离、外迁3种滩区人口安置方式，即原地避洪、转移安置避洪和村庄外迁3种方案。据此，近些年黄河下游滩区安全建设的总体布局以就地就近建设村台为主、局部外迁为辅、较低风险区临时转移的综合安置方式。其中：鼓励外迁主要指将窄河段及距堤比较近的村庄迁到滩地以外，就地避洪指在滩区村庄附近修建避水村台以及联台，把避洪标准抬高到每人60～80 m2，保证滩区居民的人身安全和重要财产安全。

随着黄河流域经济社会的快速发展，滩区群众脱贫致富的愿望越来越强烈，加之黄河实测水沙情势的变化，黄河下游滩区治理再次引起专家的关注［12-16］，国家出台了“黄河下游滩区洪水淹没补偿政策”，河南省和山东省也相应出台了滩区居民迁建规划并在稳步推进，这对黄河长治久安和滩区全面建成小康社会具有重大意义。

3 黄河下游河道滩槽协同治理的战略需求

小浪底水库建成运用以来，黄河下游河道治理的“边界条件”发生了巨大变化，突出表现在3个方面：①进入黄河下游的水沙条件发生了深刻变化，水沙俱减，来沙减少量更为显著，与较为接近天然情况的进入黄河下游的1919—1959年水沙序列相比，年均来水来沙量分别从400亿m3和16亿t锐减到近20 a来的200亿m3和3亿t左右；②水沙调控体系进一步完善，小浪底水库1999年建成并投入运行，沁河的控制性水库——河口村水库2015年竣工，使进入下游的水沙过程进一步两极分化；③国家对黄河下游滩区的经济社会发展提出了更高要求，特别是在国家区域协调发展战略、乡村振兴战略和2020年全面实现小康目标的背景下，黄河下游滩区已经成为我国最贫困的地区之一，滩区兼具的双重功能和严峻的“二级悬河”情势，使长期积累的治河与滩区社会经济发展之间的矛盾凸显。在国务院批复的《黄河流域综合规划（2012—2030年）》［11］中，明确下游河道的治理方略为“稳定主槽、调水调沙，宽河固堤、政策补偿”；2011年中央一号文件明确指出，要搞好黄河下游治理和滩区安全建设。

面对新的挑战，2004年黄委先后在北京、开封召开“黄河下游治理方略专家研讨会”［17］，多位院士专家齐聚，为黄河下游治理方略献策，钱正英、蒋树生和孙鸿烈等国家领导人和许多知名院士专家等都曾为此专程实地考察滩区，随后针对性地开展了黄河下游生产堤利弊分析研究［18］、黄河下游滩区运用补偿政策研究［19］、黄河下游滩区治理模式和安全建设研究［20］等，围绕生产堤的存与废、滩区的可持续发展，形成了一批代表性成果。如胡春宏院士［21］指出，在保障黄河下游河道防洪安全的前提下，利用现有的生产堤和河道整治工程形成新的黄河下游防洪堤，缩窄河道，使下游大部分滩区成为永久安全区，从根本上解决滩区发展与治河的矛盾；江恩慧等［22］通过模型试验等方法对黄河下游中常高含沙洪水进行模拟，建议在高村以上滩区修建高标准生产堤以保障滩区安全和经济建设，高村以下滩区实施滩区淹没补偿政策；张旭东等［23-24］也提出了对黄河下游进行河道改造的类似思路。2006年以来，在上述大背景下，黄委基于小浪底水库运用以后开展的“黄河下游游荡性河道河势演变机理及整治方案研究”项目所取得的成果，在2006年底开始了黄河下游新一轮河道整治，取得明显成效。随着生态安全和2020年全面脱贫等国家战略的推进与逐步实施，有效解决滩区发展和治河矛盾日益突出的难题，实现区域社会经济发展与黄河防洪安全大局的和谐，已成为黄河下游河道滩槽协同治理的重大战略需求。其间，许多科技工作者都从不同角度开展了相关研究［2，25-26］。

4 基于系统论的黄河下游河道滩槽协同治理理论与技术

从河流的属性和功能来讲，黄河下游河道是一个复杂的巨系统［27］。按照系统理论，该系统可定义为“以水沙输移、床岸组成和涉水工程为物理基础，以水沙资源开发利用和合理配置为核心，以河流基本功能维持（行洪输沙）、经济社会可持续发展、生态环境有效保护等为最终目标的复合系统”。该系统将河流水沙输移、经济社会发展、生态环境要素等视为一个整体，其核心理念是保障河流行洪输沙基本功能、支撑经济社会可持续发展、维持生态环境健康。针对黄河下游河道滩槽协同治理的研究，旨在探索系统内多目标之间的协同发展和整体最优，其对巨系统多目标的管理和实现过程属于非线性、多属性、多层次、多阶段、多目标的决策问题。当前，这一多目标管理面临的最突出问题是滩槽行洪输沙滞沙自然功能发挥与滩区社会经济发展之间的矛盾。

要实现黄河下游河道滩槽协同治理，江恩慧等［10，22，28-29］从理论层面揭示了黄河下游河道滩槽演化机理，量化了滩槽协同治理目标；从技术层面构建了协调防洪安全与滩区发展的滩槽协同治理技术体系，实现了滩槽水沙优化配置和滩槽协同治理效益的综合评价。二者共同构成了基于系统论的黄河下游河道滩槽协同治理理论技术体系。

4.1 黄河下游河道滩槽协同治理的水沙基本理论创新

4.1.1 考虑滩地横比降条件的滩槽水沙交换机理

传统复式河道滩槽水沙交换机理研究忽视了横比降发育对滩槽形态的反馈影响，而这在冲积性河流特别是黄河下游河道中影响显著。江恩慧等［22］从侧向二次流惯性力动量方程出发，首次考虑不同主槽边坡角度与滩区横比降对主流、二次流的影响，建立了复式断面流速横向分布理论公式，得到了主槽、过渡带和滩地流速横向分布的解析解，并得到了多场历史大洪水实测资料和水槽试验资料的验证。借此建立了不同水深、不同滩面横比降等条件下滩槽流速、含沙量分布的理论图形，直观反映了滩槽交界面处含沙量跳跃性增大和流速、含沙量横向衰减的基本特征，以及随着漫滩水深增加流速衰减速度变慢的规律，甚至堤根处流速出现的“翘尾巴”现象也得以展现，如图2所示（J为比降）。进而揭示了漫滩洪水滩槽水沙交换过程中，滩唇持续淤积抬升，现行“二级悬河”滩面横比降自然演化不可逆转的正反馈响应机制。

4.1.2 主河槽“河性行曲”及“畸形河湾”河势演变的动力学机制

为探明黄河下游河道“微弯整治”方略的理论基础，江恩慧等［28］基于70 a连续的河势观测资料和100余组大型河工模型试验结果，阐明了游荡型河道不同洪水量级不同工程约束条件下的河势演变规律，基于微观紊动涡旋和介观次生环流的耦合动力作用，揭示了“紊动涡旋是根本，次生环流是动力”的“河性行曲”机理，建立了边壁泥沙颗粒起动临界条件，诠释了边壁泥沙颗粒与水流之间的微小扰动使河流从顺直到弯曲演化的全过程。运用最小方差理论建立了游荡型河道整治河湾流路方程，引入相位滞后理论，对几十年河道整治实践总结的“水流出控导工程后会出现450 m左右的下摆距离”经验值（该经验值对实际工程平面位置布局作用重大）给出了理论解释（如图3所示）。图3中：M为河床和河岸组成物质中粉砂黏土的含量；s为河湾的弯曲系数；Φ为流量中线（河道路径）；ω为1/2的弧角；B、F为水流的最大曲率点；A、E为弯顶；C、D为拐点；λ为波长；θ为流路与平均河谷方向所成的最大夹角（距离x处的方向角）；ra为曲率半径。

4.1.3 不同水沙动力作用下滩槽关系演化规律与和谐状态

黄河下游河道滩槽关系表征了滩与槽相互依存的状态。滩槽关系和谐与否体现在主槽流路能否稳定、滩与槽水沙交换是否有利于河道形态改善、河流系统的自然功能与社会功能能否协同发挥。在此认识基础上，提出了流路相对变幅、滩槽高差、滩地横比降3个滩槽关系表征指标，阐明了长期低含沙量中小水过程河槽单调下切、一般含沙量中常洪水滩槽平面转换、高含沙中常洪水滩槽冲淤演变同向不同幅、大洪水滩淤槽冲异向的黄河下游滩槽关系演化规律；发现了流量4 000～8 000 m3/s漫滩洪水滩区淹没损失率激增（如图4所示），且无法实现有效滩槽水沙交换的基本特征；提出了滩地横比降和谐状态阈值计算公式，给出了滩地横比降和滩槽高差和谐状态阈值的沿程分布，确定了流路相对变幅和谐状态阈值为0.5。

4.2 黄河下游河道滩槽协同治理技术体系

4.2.1 游荡型河道整治“洪-中-枯”兼容的“三级流路”整治技术

基于50 a实测资料与60组模型试验资料的系统分析，研究发现黄河下游第二造床流量（枯水过程）的造床作用已大于第一造床流量（中水过程，原整治流量），暨此提出了适应新时期水沙变化“洪-中-枯”兼容的“三级流路”整治技术（如图5所示）。即：工程总体布局依照中水流路设计，稳定主槽，塑造高效排洪输沙通道；小水流路，通过下延潜坝解决排洪河宽限制问题，适当加大送流段曲率和工程长度，以加强对小水的导流、送流效果，有效避免塌滩坐弯、畸形河势的发生；大水流路，洪水可漫过下延潜坝上滩行洪，不影响滩区滞洪沉沙及漫滩水流归槽等滩槽水沙交换。

4.2.2 “节点工程”和工程布局技术方案

基于关键性控导工程对河势演变的协同控导效应的发现，提出了“节点工程”概念（如图6所示），并通过60组模型试验研究与检验，确定了铁谢至高村河段9组“节点工程”及其布局，建立了一套黄河下游游荡型河道进一步整治的指标体系，包括宏观层面的河道整治流量、整治河宽、排洪河槽宽度、工程密度、河湾跨度以及工程具体布局层面的河湾半径、有效靠溜长度、工程送流距离。

4.2.3 黄河下游滩槽水沙优化配置-协同治理效益评价技术

胡春宏等［30-32］从有利于实现黄河长治久安的角度，提出了黄河下游滩槽水沙优化配置原则、目标和评价方法，构建了滩槽水沙优化配置综合目标函数和约束条件，并研发了泥沙多目标优化配置模型。针对黄河下游7种水沙配置方式（河道输沙、引水引沙、滩区放淤、河槽冲淤、洪水淤滩、挖沙固堤、淤筑村台），推荐防护堤条件下以滩区放淤为重点的黄河下游滩槽水沙优化配置方案，据此确定宽滩区泥沙配置潜力可达35.59亿t，近期放淤能力13.65亿t。

江恩慧等［22］基于滩区自然社会的双重属性和系统论方法，遵循水沙统筹、空间统筹、时间统筹原则，提出了10个滩槽协同治理效应评价表征指标，定量识别了滩区滞洪沉沙功能与社会经济发展各表征指标的时效性、可控性及相互间的协同效应，构建了滩槽协同治理效应二维复合评价指标体系。其中：滞洪沉沙功能评价指标f1包括滞洪量、沉沙量、削峰率3个直接表征指标和主槽平滩流量、滩槽冲淤比、滩区横比降3个间接表征指标；社会经济发展评价指标f2包括宽滩区公共财产损失、个人财产损失2个直接表征指标和孙口过洪流量、艾山来沙系数2个间接表征指标。构建了基于Pareto最优解的二维评价模型，定量评价了不同标准防护堤方案、分区运用方案下宽滩区滞洪沉沙功能与滩区社会经济发展综合效益（如图7所示）。图7中：FHD表示防护堤，ZM表示闸门，WZ表示无闸，WM表示物模，WD表示无堤，FQ表示分区，“77·8”表示1977年8月的大洪水，“58·7”表示1958年7月的大洪水，10 000表示10 000 m3/s的流量，8 000表示8 000 m3/s的流量，5T表示5个滩应用，10T表示10个滩应用，纵横坐标均表示评价指标体系打分情况。以FHD-77·8-10 000-WZ为例，表示“77·8”洪水有防护堤无闸门的运用模式，防护标准为流量10 000 m3/s。图7中，区域Ⅰ内宽滩区运动方式综合减灾效益和滞洪沉沙功能均较优；区域Ⅱ内宽滩区运动方式综合减灾效益明显较高，滞洪沉沙功能较弱；区域Ⅲ内宽滩区运动方式综合减灾效益明显较高，滞洪沉沙功能均较差；区域Ⅳ内宽滩区运动方式滞洪沉沙功能明显较高，综合减灾效益较弱；蓝色虚线为“77·8”洪水的变化趋势，红色曲线为“58·7”洪水的变化趋势，紫色圆圈为“77·8”洪水和“58·7”洪水无堤的情况，绿色直线为“58·7”洪水物模情况。结果表明“宽河固堤”下的防护堤方案较“窄河”方案滞洪沉沙功能和综合减灾效应分别增加15%、8%。

4.2.4 基于滩区防护堤方案和泥沙资源利用的宽滩区洪水泥沙调控技术

在前述研究的基础上，集成提出了基于滩区防护堤方案和泥沙资源利用的宽滩区洪水泥沙调控运用技术。针对漫滩中常洪水，通过水库调控和防护堤运用保护滩区不再遭受损失，水库拦截的泥沙通过泥沙资源利用措施高效利用；大洪水时防护堤开闸乃至破堤运用。选择“77·8”典型高含沙洪水对该方案进行了定量评价，与传统调度模式相比，该方案既能充分发挥宽滩区的滞洪沉沙功能，又能保护65%的滩区免遭洪水灾害，减少淹没损失8.9亿元，可有效提高防洪减灾效益（见图7右上角的蓝点）。

5 结 语

从系统论观点看，黄河下游河道治理是一项复杂的系统工程。其不但受系统外社会、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。历史上受水沙关系和社会经济发展水平的制约，防洪减淤始终是黄河下游河道治理的关注焦点；随着当前流域自然、社会、经济条件发生深刻变化，在保障黄河防洪安全的同时，国家对下游河道治理进一步提出了“稳定主槽”“实现保障黄河安全与滩区发展的双赢”的具体要求，实现滩槽协同治理应成为新时代黄河下游河道治理的战略方向。

面对新的挑战，江恩慧等在前人和其河流泥沙研究团队前期研究基础上，以系统观点与理论为引领，在理论层面揭示了滩槽演化机理，在技术层面提出了协调防洪安全与滩区发展的滩槽协同治理技术。成果直接应用于黄河流域（片）综合规划、“二级悬河”治理、滩区补偿政策、新一轮游荡型河道整治等重大生产实践，初步实现了行洪输沙能力提升、社会经济发展、生态环境改善的良好效益，在游荡型河道稳定控制、河口生态恢复等方面成效显著。