黄河口流路运用方案综合评价模型系统研究

陈雄波，王崇浩，陈松伟，王 彤

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003； 2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003； 3.中国水利水电科学研究院，北京 100048）

黄河河口位于渤海湾与莱州湾交汇处，由河流进口段、三角洲及滨海区组成，土地资源丰富，黄河挟带巨量泥沙不断淤积成陆。 黄河河口淤积延伸到一定程度时，若不提前布局流路，将发生自然改道，从整体上破坏已有黄河三角洲生产力布局。 1855 年黄河铜瓦厢决口改道夺大清河入渤海以来，黄河三角洲入海尾闾流路经9 次大的改道变迁，1976 年由刁口河流路改道至清水沟流路至今已45 a。 很多学者对黄河口流路运用及流路稳定技术等进行了研究［1－4］，清水沟现行清8 汊、北汊、原河道3 条汊河与刁口河流路有计划运用，可使黄河入海流路在百年尺度内保持相对稳定，这对确保黄河河口安全与实现黄河三角洲生态保护和高质量发展具有重大意义。

然而，不同流路的人工计划性改道运用涉及黄河下游减淤、河口地区防洪输沙、生态环境、区域经济社会发展、投资费用等多方面的因素，改道论证须极为周密，改道决策须极为慎重。 由此，需要一套相对完整的黄河口流路运用方案综合评价系统。 本研究提出的黄河口流路运用方案综合评价模型系统较全面考虑了影响黄河口流路改道与运用的综合因素，选择代表性的关键评价指标，利用德尔菲法开展专家评估确定各指标权重；采 用 层 次 分 析 法［5－6］、熵 权 法［7－8］、关 联 度法［7］、主成分分析法［9］等多种方法评价计算与分析，满足不同流路治理方案效益定量化评价需要；应用研发的模型系统，开展流路方案综合评价，提出黄河口优化的流路运行方案，以期为黄河口综合治理与流路稳定提供有力的技术支撑。

1 综合评价模型系统构成和功能设计

所谓综合评价（Comprehensive Evaluation，CE），指对以多属性体系结构描述的对象系统做出全局性、整体性的评价，即对评价对象的全体，根据所给的条件，采用一定的方法给每个评价对象赋予一个评价值（又称评价指数），再据此择优或排序。 从总体上可将目前常用的综合评价方法分为以下几类：专家评价法、经济分析法、运筹学和其他数学方法、智能化评价方法［10］。

根据综合评价的应用统计，经济领域应用最为广泛，同时覆盖计算机科学、农业、工业、体育、交通等多个领域，充分显示了综合评价技术应用的普遍性及良好的兼容性，可以很好地与各个领域相结合［10］。

1.1 模型系统构成

黄河口流路运用方案综合评价模型系统主要由指标体系管理、评价方案管理、评价计算与分析等三大功能模块组成，见图1。

1.2 模型系统功能

指标体系管理功能包括指标管理、指标体系构建、指标体系维护等模块，主要实现对评价指标信息、评价指标体系的管理等。 其中：评价指标信息包括指标名称、指标计量单位、指标类型（成本型／效益型）以及指标的简短说明等；评价指标体系包括评价目标、评价准则、指标名称、指标权重以及目标、准则、指标间的关系信息等。 指标管理模块实现新指标信息的录入／导入、修改和删除已存在的指标信息等功能。 指标体系构建模块实现指标体系的导入和构建功能，可以导入遵循本系统约定的指标体系文件标准格式建立的指标体系，并以列表形式将体系所含内容、结构展示给用户进行修正和保存，也可以从系统提供的已存在的目标、准则、指标等信息中进行选择，建立关系来构建并保存指标体系。 指标体系维护模块实现对已存在的指标体系信息进行修改、删除、保存等功能。

评价方案管理功能包括评价方案录入、评价方案维护等模块，主要实现对评价方案信息的管理功能。评价方案信息包括项目名称、指标体系、指标名称、方案名称以及方案针对指标体系内各指标的数值。 评价方案录入模块实现评价方案的导入、新建、保存等功能。 评价方案维护模块实现对已存储的评价方案的数值进行修改维护的功能。

评价计算与分析功能是本系统的核心功能，集成了层次分析法、熵权法、关联度分析法、主成分分析法4 种不同算法。 针对各评价方案，可以分别给出不同方法的综合评价结果，通过对比分析，辅助决策各方案的综合评价结论。

1.3 系统登录和使用流程

点击安装目录下的“黄河口流路运用方案综合评价系统（YREPSES）.exe”文件，进入登录界面。 输入正确的账号和对应的密码，点击“登录”按钮，进入系统主界面，详见图2。 界面顶部是该系统的菜单行，主界面默认显示的是一级菜单项，包括“评价指标”“评价体系”“评价方案”“评价计算”“帮助”。 图2 还显示了用户利用黄河口流路运用方案的综合效益评价系统进行评价的流程。

（1）评价指标录入和管理。 点击菜单项“输入评价指标”，系统进入评价指标管理界面。 如果数据库中有数据，系统将自动将数据文件中存储的各指标信息以列表形式展现给用户，否则显示空表，见图3。 系统提供导入、添加、修改、删除、保存功能。

（2）指标体系构建和管理。 点击菜单项“构建评价体系”，进入指标体系构建和管理交互界面，用户可以对指标体系列表进行添加新的评价指标体系；可以在指标体系列表中选中某一指标体系，系统将自动将该评价指标体系的评价指标写入“评价指标列表”中，用户可以通过点击“指标体系明细”处的“添加”按钮，构建新的评价指标体系。 用户亦可对“指标体系列表”“指标体系明细”两个表格中的数据进行修改、删除等操作。 点击按钮“保存”，系统将表格中所有数据写入数据文件中进行存储。

（3）评价方案录入和管理。 点击菜单项“输入评价方案”，系统进入评价方案管理界面。 用户选择或录入评价项目后，根据选择的评价体系，系统自动将该评价体系所包含的评价指标相关信息写入“评价方案指标明细”，用户输入方案数量后，系统将自动给出以评价指标为纵轴、评价方案名称为横轴的表格，用户可在此表格中录入各方案相应指标的原始数值。

（4）评价计算与分析。 用户可以通过选择一级菜单“评价计算与分析”下不同的二级菜单项，对评价方案采用层次分析法、熵权法、关联度分析法、主成分分析法4 种不同计算方法进行评价计算，不同评价方法得出的评价结果进行对比分析，以辅助决策评价结论。

2 综合评价指标选择与权重确定

2.1 指标与权重确定

从局部来讲，黄河口地区流路稳定和海岸侵蚀防护涉及流路运用方式、挖河减淤、堤防加高加宽、河道整治、防潮堤加固等多种措施及其组合，同时又影响着区域经济社会发展和生态环境良性维持；从整体来讲，流路稳定和海岸侵蚀防护与黄河中游水库运用、黄河下游河道水沙演进相关，影响着河口作为黄河重要容沙区作用的发挥。 兼顾区域与整体、技术与经济、社会与生态的评价指标合理选择和科学量化，是确定黄河流路稳定运用和综合治理措施的重要内容。

综合评价模型分为目标层、准则层和指标层。 目标层是运用方案综合评价值最优；准则层将指标体系分为行洪输沙安全、生态保障与经济社会影响2 个层面；指标层是选取若干个定量化指标来进行描述，从黄河下游减淤、河口地区防洪、生态环境、区域经济社会发展、海岸减蚀、投资费用等方面初选评价指标，采用德尔菲法向熟悉黄河口情况、拥有高级工程师（或副教授、副研究员）以上职称的35 位专家（含中国科学院院士1 人、中国工程院院士1 人）发放“黄河口流路运用方案及评价指标”调查问卷，请他们打分。 经统计分析后选定尾闾河道淤积量、平滩流量、流路稳定性、外海输沙量为行洪输沙安全准则层的指标，占2／3权重；选定满足适宜生态需水的湿地面积、总投入、影响人口为生态保障与经济社会影响准则层的指标，共占1／3 权重。 各指标及权重见表1。 属于效益型（越大越好）的指标有平滩流量、流路稳定性、外海输沙量、满足适宜生态需水的湿地面积，属于成本型（越小越好）的指标有淤积量、总投入、影响人口。

表1 黄河口流路综合运用方案评价指标

2.2 正确性检验

为了检验模型系统指标权重的正确性，利用层次分析法主流商业软件（Yaahp）计算了7 个指标的权重值，结果见表1。 由表1 可见，专家调查法与Yaahp 软件计算得到的7 个指标的权重值非常接近，绝对误差都在0.001 以下，相对误差最大0.078%，平均0.030%，可见本次模型计算方法是正确的。

2.3 一致性检验

层次分析法将建立一个自上而下包括目标层、准则层和指标层等的层次结构模型，再构造判断矩阵，根据重要性排序后进行一致性检验［5－6］，结果见表2。 表2 中λmax为判断矩阵的最大特征值，n为准则层指标个数，RI为随机一致性指标，CI为一致性指标，CR为一致性比例。 当CR＜0.10 时，认为判断矩阵的一致性可以接受，否则应对判断矩阵适当修正［5］。

从表2 可见，一致性比例CR均小于0.10，因此判断矩阵满足一致性检验的要求。

表2 一致性检验结果汇总

3 综合评价模型应用

3.1 流路运用方案设置及设计水沙序列

黄河每年挟带大量的泥沙入海，可利用东部和北部海域容沙。 宋春荣沟以北、五号桩以南，可通过清水沟3 条汊河来输沙；从五号桩以北至刁口码头的北部海域，可通过刁口河流路输沙［11］。 本次评价考虑“单一流路、有计划改道”（简称“单流路模式”）和“多流路、同时行河”（简称“多流路模式”）两个模式。

单流路模式按照清水沟（现行清8 汊、北汊、原河道）、刁口河顺序轮流使用，非行河流路维持生态流量运行；同时根据西河口10 000 m3／s 时水位达到12 m（大沽高程，下同）和流路稳定指标作为改道条件设立两个方案。 多流路模式需在西河口附近设置控制工程，开挖刁口河流路，使用清水沟（现行清8 汊、北汊、原河道）和刁口河两条流路入海，每年6—10 月入海流量大于3 000 m3／s 时，刁口河按50%流量且最大3 000 m3／s 进 行 分 洪， 清 水 沟 流 路 流 量 不 小 于1 500 m3／s，以利于河口尾闾河道形态改善、维持较高的泄洪排沙能力［12］。 4 个流路运用方案见表3。

表3 流路运用方案设置

3.2 综合评价结果与分析

为消除各评价指标量纲差异的影响和统一指标变化范围，将黄河口流路运用方案综合评价模型系统确定的7 个指标原始值进行归一化处理。

效益型指标：

成本型指标：

式中：x（i，j） 为第i个方案第j个指标的归一化指标值；x∗（i，j） 为第i个方案第j个指标 的原始值；xmax（j） 、xmin（j） 分别为各方案第j个指标值的最大值和最小值。

堤防加固、汊道开挖、分洪闸等工程建设都认为是在1 a 内完成，且改道（或改汊）那一年河长变化很大，几个指标值会突变，因此分年度计算指标值意义不大，按5 a 和20 a 统计平均值，计算各指标的归一化值，再进行评价。 利用本研究提出的黄河口流路运用综合评价模型系统4 种不同的评价计算分析法评价3 个水沙情景下4 个流路运用方案，各方案评价结果最大值分布情况见表4。 表4 中的数值表示不同评价方法下在100 a 序列中每5 a 平均和每20 a 平均情况同一水沙情景不同流路运用方案间评价得分最大值出现的次数。 按照指标值的归一化处理方法可知，评价得分越高，方案越好；即百年序列中最大值分布越多，方案越好。 关联度法中不同关联系数下各方案计算结果有差别，但对排序没有影响，表4 仅列出了关联系数ρ为0.5的结果。

表4 各方案评价结果最大值分布情况

对于主成分分析法，根据给定数据计算出平滩流量这个单一指标，占总贡献值的99%以上，其他6 个指标几乎可以忽略不计，这与该领域专家调查达成的共识“流路稳定性、平滩流量、影响人口3 个指标依次排在前3 位，各因子最大权重不超过1／3”矛盾很大，与其他3 种方法成果差别也较大，本次暂不考虑主成分分析法的结果。 层次分析法、熵权法、关联度法结论相当一致，即年入黄沙量1.5 亿、3 亿、6 亿t 情景，大部分情况下均是方案1 最优。 从3 种方法计算结果进一步分析后还可以发现，对于前20 a（2017 年7 月—2037年6 月），方案1 明显优于其他方案。

在确保黄河入海流路稳定100 a 条件下，入黄沙量较少（小于3 亿t）时，方案1 为较优运用方案，即现行清8 汊流路＋北汊流路＋原河道流路，以西河口10 000 m3／s 水位达到12 m 作为改道条件的运用方式可以实现稳定行河百年，具有改道便利、工程投资小、不影响当地居民、能保障湿地需水的优点。 年入黄沙量达到6 亿t 情景，同样方案1 为较优流路运用方案，即现行清8 汊流路＋北汊流路＋原河道流路，同样以西河口10 000 m3／s 水位达到12 m 作为改道条件的运用方式可以实现稳定行河百年。

4 结 语

（1）以流路运用综合效益评价值最优为目标，通过引入综合评价指标及其权重，建立了包括层次分析法、熵权法、关联度法、主成分分析法等多种评价方法的黄河口流路运用方案综合评价模型系统，该系统紧密结合黄河河口的生产实际，可为入海流路稳定百年提供技术支撑。

（2）通过专家调查法确定的平滩流量、流路稳定性、外海输沙量、满足适宜生态需水的湿地面积4 个效益性指标和淤积量、总投入、影响人口3 个成本性指标，能基本满足流路运用综合评价需求，指标权重与主流商业软件计算结果相符。

（3）模型系统应用于不同水沙情景下黄河口各流路运用方案的综合评价，认为在西河口10 000 m3／s 水位达到12 m 为改道标准下，现行清水沟流路（包括现行清8 汊、北汊、原河道）、刁口河流路单流路依次运用方案，能实现稳定行河百年目标，具有改道便利、工程投资小、不影响当地居民、能保障湿地需水的优点，可作为未来黄河口流路运用推荐方案。

（4）黄河口流路运用方案涉及面广、社会影响大，本模型系统下一步拟丰富评价指标、优化和升级软件系统，以便更好地服务于黄河口地区生态保护与高质量发展。