基于流域系統(tǒng)科學的黃河下游河道系統(tǒng)治理研究

江恩慧， 屈博， 王遠見， 田世民,3， 李軍華， 曹永濤,3

(1.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003； 2.河南省湖庫功能恢復與維持工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003； 3.河南省黃河水生態(tài)環(huán)境工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003)

黃河下游河道因劇烈的游蕩特性與懸河特征使其治理成為世界性難題[1]，歷史上平均三年兩決口、百年一改道，給中華民族帶來了沉重災難。人民治黃以來，圍繞防洪保安全的戰(zhàn)略目標，國家投入大量人力物力，開展了大規(guī)模的河道治理工作，基本實現(xiàn)了河勢穩(wěn)定，保障了伏秋大汛歲歲安瀾。然而，近年來隨著進入黃河下游水沙條件、兩岸社會經(jīng)濟發(fā)展狀況等發(fā)生的顯著變化，特別是國家明確提出了實施河道和灘區(qū)綜合提升治理工程之后，黃河下游河道治理目標已由單一的防洪安全提升為行洪輸沙-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境多維功能的協(xié)調(diào)發(fā)揮[2]。然而，由于人們認知水平的限制，傳統(tǒng)河流治理思維局限于水、沙、河道邊界等河道行洪輸沙要素，已經(jīng)不能適應新時代發(fā)展的需求[3-6]。因此，未來黃河下游河道治理迫切需要以更加系統(tǒng)全面的治理思維為引導，把黃河下游河流系統(tǒng)中的行洪輸沙、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境等各組成單元作為一個有機的整體統(tǒng)籌考慮。

河流治理與國家的經(jīng)濟社會發(fā)展水平密切聯(lián)系。歐美發(fā)達國家已于21世紀初率先邁入河流綜合治理階段，不再單純追求水資源利用、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復等自然維度的河流治理，開始強調(diào)自然-社會-經(jīng)濟復合價值的實現(xiàn)，為我國河流治理帶來了重要的借鑒與參考。我國河流治理理論與實踐相對落后，但發(fā)展迅速，近年來許多學者已經(jīng)從河流系統(tǒng)的角度在水資源配置與河流生態(tài)系統(tǒng)方面開展了大量研究[7-11]。針對復雜難治的黃河下游，江恩慧等[12]以系統(tǒng)理論與方法為引領(lǐng)，基于近10年的探索與實踐，提出了流域系統(tǒng)科學的概念，并構(gòu)建了一套全新的黃河下游河道灘槽協(xié)同治理理論與技術(shù)體系，為實施黃河下游河道和灘區(qū)綜合提升治理工程提供了重要的技術(shù)支撐。

本文將從梳理發(fā)達國家河流的治理歷程及經(jīng)驗入手，闡釋黃河下游河道系統(tǒng)治理的必然性與必要性，并分析其系統(tǒng)治理的戰(zhàn)略需求，進而探索流域系統(tǒng)科學及其在黃河下游河道灘槽協(xié)同治理中的應用價值，旨在為破解黃河下游河道和灘區(qū)綜合提升技術(shù)難題、促進黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展提供方向指引和科學支撐。

1 發(fā)達國家河流治理歷程及啟示

1.1 發(fā)達國家河流治理歷程

河流是人類社會發(fā)展的生命線。幾千年來，人類傍水而居，從事農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，水進人退、水退人進，河流自身演變主導了人水關(guān)系。近百年來，隨著工業(yè)化和城市化進程加速，人類對河流的干擾不斷增強，水利水電工程開始遍地開花。據(jù)統(tǒng)計，百余年人類工程改造的結(jié)果超過了幾千年歷史記載的河流變遷的總和[13]。

自20世紀初，歐美等發(fā)達國家率先在全球范圍內(nèi)掀起了修筑大壩工程的熱潮，但在初期受技術(shù)水平限制，修筑的主要是低壩，水電開發(fā)水平很低。20年代后，高壩技術(shù)逐漸成熟，發(fā)達國家開始大量修壩進行河流梯級開發(fā)，并在50年代達到高峰期。70年代后，隨著社會環(huán)保呼聲越來越大，加之對水電能源的依賴性減小，發(fā)達國家開始著手治理河流污染，恢復河流生態(tài)功能。進入21世紀，發(fā)達國家進一步提出了更加多元化的治理目標，不僅涉及水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等河流自然功能的良性維持，還涉及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展等河流社會服務功能的綜合發(fā)揮。根據(jù)治理思想的變化與差異，本文將發(fā)達國家河流治理的歷程劃分為工程開發(fā)、環(huán)境治理、生態(tài)修復和綜合治理4個發(fā)展階段，具體見表1。

表1 發(fā)達國家河流治理的發(fā)展階段

1.1.1 工程開發(fā)階段

工程開發(fā)階段起始于20世紀初，主要以水旱災害防御、水資源開發(fā)利用為治理目標，通過工程技術(shù)手段對河流水資源進行重新配置，實現(xiàn)“除水患、興水利”的目的，保障和提高人民生存所需的生存空間和生活生產(chǎn)用水等。在該階段，人們面對水問題從消極躲避的思想轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽抗こ碳夹g(shù)手段解決，包括修堤、筑壩、建庫、鑿井、開渠等工程形式，并強化對河流的影響和控制，側(cè)重點在于改造自然、征服自然[14]。該階段水利工程的規(guī)劃主要從經(jīng)濟效益出發(fā)，基本不考慮對環(huán)境和社會的影響。世界上第一座超大型水壩——胡佛水壩、美國最大的發(fā)電和灌溉兩用水壩——大古力水壩等均興建于這一階段，產(chǎn)生了巨大的防洪、灌溉、發(fā)電、航運、供水等綜合效益。

然而，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展與科學技術(shù)進步，人們逐漸意識到水利工程帶來的益處常以付出高昂的環(huán)境和社會成本為代價[15]。大壩阻斷河流廊道的連續(xù)性，對河流的水力學特征、泥沙的輸移以及水生生物的棲息和遷移都會造成巨大的負面影響，如美西地區(qū)水壩群打亂了可以保持生態(tài)平衡的大自然涌旱規(guī)律，使得科羅拉多河的部分河道因為斷流而淤塞，同時也造成無數(shù)鮭魚因無法入海而死亡；密西西比河水運工程和沿岸堤防的建設(shè)阻礙了夏汛期間水沙向鄰近沼澤地的漫流，使得泥沙淤積嚴重[16]。

1.1.2 環(huán)境治理階段

環(huán)境治理階段興起于20世紀中葉，主要是針對日益嚴峻的水污染問題，以加強環(huán)境保護、改善人居環(huán)境為指導思想，對河流水體污染進行控制和治理。在該階段，人們對待河流逐漸從粗暴的掠奪關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)利用關(guān)系，治理目標從以水旱災害防御為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐运Y源開發(fā)利用為主，并開始考慮水利工程建設(shè)的環(huán)境效益和社會效益。但從本質(zhì)上來講，該階段側(cè)重于采用人工調(diào)控措施[17]，包括排污管控、疏挖底泥、引水沖淤等技術(shù)時段，仍以追求水資源產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為主，屬于改造自然階段。1948年，美國頒布了《水污染防治法案》，是賦予聯(lián)邦政府介入水污染防治問題權(quán)利的首項法律，隨后進行了修訂完善，相繼頒布了《水污染防治法案修正案》(1956)、《水質(zhì)量法案》(1965)、《聯(lián)邦水污染控制法案》等[18]。歐洲成立了保護萊茵河國際委員會(ICPR)，并于1963年簽訂《萊茵河保護公約》，以解決萊茵河日益嚴重的環(huán)境污染和水污染問題。

1.1.3 生態(tài)修復階段

生態(tài)修復階段是環(huán)境治理階段的發(fā)展和延伸，但二者又有本質(zhì)的區(qū)別。在該階段，河流治理目標呈現(xiàn)多元化，考慮水資源利用、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復統(tǒng)籌兼顧，人與河流的關(guān)系表現(xiàn)為依存。同時，治理手段也是區(qū)別于前2個階段的主要特征，該階段倡導“自然力量”而不是人為調(diào)控，通過拆除水壩、堤防自然化、河道重新彎曲化等措施，將河流恢復到相對天然狀態(tài)，以減輕人類活動對河流的影響，維持河流環(huán)境的多樣性、物種多樣性以及河流生態(tài)系統(tǒng)平衡，側(cè)重點在于尊重自然和保護自然。

發(fā)達國家河流生態(tài)修復的時間略有不同，1965年Ernst Bittmann在萊茵河用蘆葦和柳樹進行生態(tài)護岸試驗，成為最早的河流生態(tài)修復實踐[19]。1980年，美國啟動基西米河生態(tài)恢復工程，旨在恢復洪泛平原的整個生態(tài)系統(tǒng)[20]。1987年，ICPR提出了萊茵河行動計劃，以生態(tài)系統(tǒng)恢復作為萊茵河重建的主要指標，目標是在2000年實現(xiàn)鮭魚重返萊茵河[21]。1990年，日本提出河川治理“多自然型建設(shè)工法”，逐步恢復河道及河岸的自然狀態(tài)[22]。歐盟于2000年通過了《歐盟水框架指令》，指導歐洲河流生態(tài)保護與修復[23]。

1.1.4 綜合治理階段

綜合治理階段開始于21世紀初，最顯著的特點是河流治理更加趨于多目標和綜合化，強調(diào)自然-社會-經(jīng)濟復合價值的實現(xiàn)。在該階段，不再單純追求水資源利用、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復等自然維度的河流治理，開始統(tǒng)籌考慮流域自然、社會、經(jīng)濟等更高維度的綜合化和平衡化，通過自然途徑和人工措施的協(xié)同作用，實現(xiàn)人與自然的和諧共處。

1992年6月，聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會討論并通過了《里約環(huán)境與發(fā)展宣言》(又稱地球憲章)與《21世紀議程》等綱領(lǐng)性文件，明確指出人類應與自然和諧一致、可持續(xù)發(fā)展并為后代提供良好的生存發(fā)展空間。1993年，英國Gardiner正式提出以流域可持續(xù)發(fā)展為目標的流域綜合治理理念，使得以流域資源可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境建設(shè)和社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展為目標的流域綜合治理在美國、澳大利亞和英國等發(fā)達國家廣泛興起[24]。

1.2 發(fā)達國家河流治理經(jīng)驗與啟示

縱觀發(fā)達國家百年來河流治理的發(fā)展歷程和實踐經(jīng)驗可以看出，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展水平不斷提高，人們對河流服務功能的需求逐步調(diào)整，對河流治理的認識也不斷加深，普遍經(jīng)歷了“先開發(fā)后保護”、“先污染后治理”、“先破壞后修復”、“先單一后綜合”的過程[25]，水生態(tài)環(huán)境狀況也經(jīng)歷了從良好到惡化再到改善恢復的曲折過程。發(fā)達國家在河流治理進程中的主要做法和經(jīng)驗，為我國提供了重要啟示，本文將其概括為以下3個方面。

1.2.1 人水關(guān)系和諧化

發(fā)達國家河流治理歷程表明，人水矛盾是始終存在的，無論是單純考慮人類力量的“人進水退”，還是單純考慮自然力量的“水進人退”都是行不通的。因此，必須正確認識人與自然的關(guān)系，把握“人水和諧”在河流治理中的指導思想地位，注重自然和人類力量的共同作用，不斷完善河流治理保護的發(fā)展理念。

1.2.2 治理目標多元化

河流問題與國家的經(jīng)濟社會發(fā)展水平密切聯(lián)系。在社會經(jīng)濟發(fā)展中，必將逐漸從傳統(tǒng)的單一問題轉(zhuǎn)向現(xiàn)代綜合型問題、從局部性問題轉(zhuǎn)向流域性(區(qū)域性)問題，如圖1所示。因此，必須正確把握河流問題的屬性和尺度，積極推進治理目標向多元化、全面化轉(zhuǎn)變，不斷調(diào)整河流治理發(fā)展思路與戰(zhàn)略重點，推動實現(xiàn)流域(區(qū)域)自然-社會-經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖1 發(fā)達國家河流問題與治理目標演化過程

1.2.3 治理思想綜合化

河流治理所面臨的各種問題不是孤立的，流域內(nèi)各自然要素與社會、經(jīng)濟、人口等要素，以及上下游、左右岸各區(qū)段之間存在著共生和因果聯(lián)系，任一要素的變化或某一區(qū)段的局部性調(diào)整均將對整個流域產(chǎn)生重要影響[26]。必須跳出流域內(nèi)部任何一個單元或區(qū)段的治理，將流域看作一個由各級河流健康、生態(tài)環(huán)境持續(xù)、社會經(jīng)濟發(fā)展協(xié)同組成的復雜巨系統(tǒng)，實施統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和系統(tǒng)治理，促進流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展。

2 新時代黃河下游河道系統(tǒng)治理的戰(zhàn)略需求

2.1 黃河下游河道基本情況

黃河下游河道由主河槽與灘地共同構(gòu)成，是典型的“寬灘窄槽”復式斷面，灘槽關(guān)系十分復雜，歷來是最復雜、最難治理的河段，河道灘槽結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 黃河下游河道復雜灘槽結(jié)構(gòu)示意圖

1)游蕩性最劇烈。黃河下游游蕩性河段起于河南孟津白鶴，止于山東東明高村，河道全長299 km，流經(jīng)洛陽、焦作、鄭州、新鄉(xiāng)、開封、菏澤、濮陽等地市。河道主流擺動頻繁、擺動幅度巨大，在低限以下到高聳河段，擺動范圍最大的時候可以達7～8 km，是世界上游蕩性最為劇烈的河段。河床沙洲密布，水流寬、淺、散、亂，橫河、斜河時有發(fā)生，嚴重的時候還要發(fā)生滾河。

2)臨背高差最大。黃河水沙沙多，水沙不協(xié)調(diào)，致使下游河道淤積嚴重。歷史上泥沙日積月累、年復一年的淤積，使得河床逐步抬高，黃河下游成為當今世界懸河形勢最為嚴峻的河段。根據(jù)測算，現(xiàn)狀黃河下游臨背高差(臨背高差指大堤之內(nèi)河床和大堤之外地面的高差)達4～6 m。更甚者，近年來黃河下游主槽淤積加重，逐步形成了灘唇高仰、堤根低洼的“二級懸河”，進一步加劇了大堤潰決的風險。

3)大堤間距最寬。黃河下游陶城鋪以上河段的大堤間距達5～20 km，其中最寬的地方約24 km，是世界上堤距最寬的河段。河道內(nèi)的灘地總面積3 544 km2，占河道面積的84%，涉及河南、山東兩省14個市44個縣(區(qū))，灘區(qū)內(nèi)有耕地25萬hm2，村莊2 056個，人口接近200萬。灘區(qū)既是行洪、滯洪、沉沙場所，又是廣大群眾生產(chǎn)生活家園，長期積累的治河與灘區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾日益凸顯，群眾生產(chǎn)生活水平低下，已經(jīng)成為豫魯兩省最貧窮的地帶之一。

4)大堤決口最頻繁。黃河下游是世界上大堤決口最為頻繁的河段，歷史上素有“三年兩決口、百年一改道”的說法。目前，洪水風險依然是黃河下游的最大威脅，一旦決口，直接危及豫、魯、皖、蘇、冀5省所屬的110個縣(市)，范圍達12萬km2，耕地1.12億畝，人口8 755萬，將造成巨大的經(jīng)濟損失和生態(tài)災害。

2.2 黃河下游河道治理現(xiàn)狀

人民治黃以來，王化云等新中國第一代治黃人融數(shù)千年治黃經(jīng)驗與現(xiàn)代科技思想為一體，先后創(chuàng)造性地提出了“寬河固堤”、“蓄水攔沙”、“上攔下排、兩岸分滯”等治黃新方略，極大改變了下游的防洪形勢，保障了伏秋大汛歲歲安瀾，確保了人民生命財產(chǎn)安全。

近年來，隨著來水來沙的大幅減少，以及小浪底水庫及其上游水庫群聯(lián)合調(diào)控能力的增強和水沙調(diào)控技術(shù)的提高，進入黃河下游的水沙過程已基本成為人為控制的過程；另一方面，國家提出了進一步穩(wěn)定主槽、實現(xiàn)黃河下游防洪安全與灘區(qū)高質(zhì)量發(fā)展雙贏的新要求，這些都極大推動了黃河下游河道治理目標的調(diào)整，并引起了國內(nèi)外學者對黃河下游治理方略進一步發(fā)展的爭論。目前主要有兩種觀點[27]：一種主張延續(xù)“寬河固堤”方略，要求廢除生產(chǎn)堤，加強灘區(qū)建設(shè)、政策補償，力求恢復原來的面貌；另一種主張在保留大堤的同時，不廢除生產(chǎn)堤，而是對生產(chǎn)堤進行加固升級形成防護堤，使灘區(qū)在某一標準洪水下可保安全，并衍生出許多類似的分區(qū)治理策略[28]。

由于缺乏科學系統(tǒng)的理論與方法，這些觀點或是局限于水、沙、河道邊界等河道行洪輸沙要素，而對與之協(xié)同互饋的社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境要素以及上、中、下、河口等不同區(qū)段的關(guān)聯(lián)關(guān)系考慮較少，極容易陷入“只見樹木，不見森林”的泥潭；或是基于一些定性的描述結(jié)果，只能給出相對籠統(tǒng)的可行性方案，缺少一定的說服力。因此，在持久的爭論中始終無法達成共識，難以為黃河下游河道治理保護與工程實踐提供強有力的支撐。

2.3 黃河下游河道系統(tǒng)治理的戰(zhàn)略需求

黃河下游河道治理是一個復雜的系統(tǒng)工程，在這個系統(tǒng)中是以抗御洪水為主導、自然環(huán)境為依托、土地資源為命脈、社會文化為經(jīng)絡，不但受系統(tǒng)外社會、環(huán)境和上下游邊界條件約束，還受系統(tǒng)內(nèi)灘與槽關(guān)系的強力制約，自然、經(jīng)濟、社會各種因素交織影響、錯綜復雜[29]。習近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會上明確提出，“要更加注重保護和治理的系統(tǒng)性、整體性、協(xié)同性”，即系統(tǒng)治理是解決當前黃河流域存在的各種問題的重要途徑。

在此情勢下，黃河下游河道的治理亟需以系統(tǒng)理論為指導，統(tǒng)籌考慮河道的灘與槽、上-中-下-河口不同區(qū)段和行洪輸沙-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境多維功能，通過河道整治的宏觀問題和河流泥沙動力學的微觀問題有機聯(lián)系、社會科學問題與自然科學問題有機結(jié)合的途徑，開展定量化、模型化和擇優(yōu)化研究，達到黃河下游河流系統(tǒng)整體的最優(yōu)狀態(tài)，實現(xiàn)流域-區(qū)域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展。

3 流域系統(tǒng)科學及其在黃河下游河道治理中的應用

3.1 流域系統(tǒng)科學的提出及其內(nèi)涵

與歐美等發(fā)達國家相比，我國河流治理的理論與實踐起步較晚。但進入21世紀以來，尤其是新時代生態(tài)文明思想和十六字治水思路的提出，河流系統(tǒng)治理的理論與技術(shù)迅速發(fā)展，目前已接軌國際前沿水平。

近年來，得益于系統(tǒng)科學的發(fā)展及其在地球科學、生態(tài)學中的成功應用，國內(nèi)外學者開始嘗試將其進一步拓展至河流治理研究中，并由此促成了流域科學[30]、區(qū)域生態(tài)學[31-32]、自然-社會二元水循環(huán)理論體系[33]、社會水文學[34]、流域水系統(tǒng)理論[35]等新的學科方向，為研究自然-社會-經(jīng)濟各組成單元之間的相互關(guān)系、突破流域協(xié)調(diào)發(fā)展問題提供了有益借鑒。但需要注意的是，這些研究成果大多側(cè)重于河流的資源屬性，強調(diào)水資源與社會、經(jīng)濟、生態(tài)等組成單元的供給關(guān)系。

對于洪水風險依然巨大的黃河下游，江恩慧等基于近10年的探索與實踐，提出了流域系統(tǒng)科學的理論與方法體系，為黃河下游系統(tǒng)治理和社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略布局與協(xié)同推進提供有力的研究工具和堅實的科學支撐[12]。該學科從河流系統(tǒng)功能的角度，將黃河下游河道劃分為維持主河槽基本功能的行洪輸沙子系統(tǒng)、保障灘區(qū)居民生產(chǎn)生活安全的社會經(jīng)濟子系統(tǒng)和維持灘槽生態(tài)環(huán)境健康的生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，認為3個子系統(tǒng)協(xié)同作用推動黃河下游河流系統(tǒng)的存在、發(fā)展和演化。其基礎(chǔ)研究需求包括各子系統(tǒng)內(nèi)部演化過程與機理、各子系統(tǒng)間相互作用關(guān)系與協(xié)同演化機制、流域系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展策略與戰(zhàn)略布局3個層次，研究方法也相應分為基礎(chǔ)支撐學科方法體系、系統(tǒng)科學理論與方法、流域系統(tǒng)治理集成研討廳3類。流域系統(tǒng)科學的基本框架如圖3所示，更多相關(guān)信息可參見文獻[12]。

圖3 流域系統(tǒng)科學的基本框架

3.2 流域系統(tǒng)科學在黃河下游河道灘槽協(xié)同治理中的應用

近年來，江恩慧等在“十二五”國家科技支撐計劃課題“黃河下游寬灘區(qū)滯洪沉沙功能及灘區(qū)減災技術(shù)研究”、國家自然科學基金重點項目“游蕩性河道河勢演變與穩(wěn)定控制系統(tǒng)理論”、“十三五”國家重點研發(fā)計劃“黃河干支流骨干樞紐群泥沙動態(tài)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)”、流域水治理重大科技問題研究項目“黃河下游灘區(qū)與河口治理戰(zhàn)略研究”等項目的持續(xù)支持下，圍繞黃河下游游蕩性河道河勢穩(wěn)定、灘區(qū)防洪安全與高質(zhì)量發(fā)展等目標，全面開展了黃河下游河道系統(tǒng)治理研究與實踐，形成了流域系統(tǒng)科學這一新的學科方向，并構(gòu)建了一套適應新時代需求的黃河下游河道灘槽協(xié)同治理理論與技術(shù)體系，為破解黃河下游河道和灘區(qū)綜合提升治理技術(shù)難題提供了有力支撐。

3.2.1 黃河下游河道灘槽協(xié)同治理理論

1)厘清了黃河下游河道灘槽協(xié)同治理的多維約束因子與廣義目標函數(shù)。通過海量數(shù)據(jù)的整理分析，厘定了黃河下游河道行洪輸沙、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境3個子系統(tǒng)內(nèi)影響系統(tǒng)演變的29個約束因子，如圖4所示。以“實現(xiàn)灘槽本身行洪輸沙功能的同時，兼顧區(qū)域內(nèi)社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境的協(xié)同發(fā)展”為灘槽協(xié)同治理目標，選取主槽平灘流量、河相系數(shù)、灘地平均橫比降與河道縱比降比值、洪水受災人數(shù)、洪水受災損失、洪水淹沒面積和淹沒歷時等7個指標建立了包含行洪輸沙功能、社會經(jīng)濟功能和生態(tài)環(huán)境功能的黃河下游河道灘槽協(xié)同治理的廣義目標函數(shù)。

圖4 黃河下游河道灘槽協(xié)同治理的多維約束因子

2)揭示了黃河下游行洪輸沙-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境多維子系統(tǒng)調(diào)控因子與目標函數(shù)的驅(qū)動-響應關(guān)系。通過多維因子相關(guān)性分析，確定了黃河下游河道治理的2個主控因子——年均流量和游蕩型河段工程密度，建立了主控因子與各子系統(tǒng)灘槽協(xié)同治理目標的驅(qū)動-響應關(guān)系，推算出灘槽協(xié)同治理模式下的主控因子閾值，即在花園口年均流量大于1 058 m3/s、河道控導工程密度大于0.72條件下，通過科學調(diào)度與管理，可將河道河勢穩(wěn)定控制、社會經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展、生態(tài)環(huán)境良性維持的代表性指標均控制在合理閾值內(nèi)，實現(xiàn)河流三大子系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展[36]。

3)建立了黃河下游河道河勢穩(wěn)定控制與灘槽協(xié)同治理效應評價模型?；谒辰y(tǒng)籌、時間統(tǒng)籌和空間統(tǒng)籌評價原則，利用協(xié)同學原理和Pareto最優(yōu)解原理，構(gòu)建了黃河下游河道灘槽協(xié)同治理效應四層三維評價指標體系及模型，實現(xiàn)了對黃河下游河流健康總體治理目標長遠效應的綜合評價，如圖5所示。

圖5 黃河下游河道灘槽協(xié)同治理效應評價指標體系

3.2.2 黃河下游河道灘槽協(xié)同治理技術(shù)體系

1)提出了游蕩性河道河勢穩(wěn)定控制“三級流路”優(yōu)化技術(shù)?；诤榭菁骖櫟目刂圃瓌t，利用水沙輸移與河床演變的自適應原理，提出了能夠適應長期枯水、兼顧中水及大洪水河勢穩(wěn)定的黃河下游河道“三級流路”總體布局技術(shù)，優(yōu)化了黃河下游河道整治工程群組布局參數(shù)，如圖6所示。該成果已直接應用于黃河下游河道整治等重大生產(chǎn)實踐，取得了巨大的社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境效益[37]。

圖6 黃河下游河道“三級流路”總體布局

2)提出了黃河下游河道灘槽協(xié)同治理模式與框架方案。設(shè)計了“寬河固堤”現(xiàn)狀模式的現(xiàn)狀生產(chǎn)堤方案和生產(chǎn)堤全部破除方案、“寬河固堤”防護堤模式的防護堤不同間距(1.5、2.5、3.5 km)和不同標準(6 000、8 000、10 000 m3/s)組合方案、“窄河固堤”模式下不同堤距(3.5、5.0 km)方案等多組次黃河下游河道治理框架方案?；跍识S數(shù)學模型，對比分析了不同方案下寬灘區(qū)淹沒情況及其對洪水演進、滯洪沉沙功能的影響。結(jié)果表明，3.5 km堤距、6 000～8 000 m3/s標準防護堤方案是相對最優(yōu)，該方案既能實現(xiàn)中小流量高效輸沙，又能在大洪水時充分發(fā)揮灘區(qū)滯洪沉沙功能，對于黃河下游洪、中、枯水沙過程均能適應。

3)提出了黃河下游灘區(qū)功能區(qū)劃。根據(jù)灘槽的不同分區(qū)，充分考慮地方區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，提出了灘區(qū)功能區(qū)劃，即從黃河大堤以內(nèi)的主槽和灘地依次為：“高效輸沙主河槽”、“嫩灘生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)”、“二灘耕作區(qū)”、“高灘居民區(qū)”，如圖7所示。

圖7 黃河下游灘區(qū)功能區(qū)劃

3.2.3 黃河下游流域與區(qū)域協(xié)同發(fā)展的管控機制

1)厘清了黃河下游灘區(qū)自然-經(jīng)濟-社會復合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展關(guān)聯(lián)機制?；诨疑P(guān)聯(lián)分析方法，建立了灘區(qū)土地利用與經(jīng)濟社會發(fā)展的關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)二、三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是推動灘區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變動的主要因素；基于協(xié)調(diào)度模型，評價了黃河下游土地利用與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合水平，結(jié)果表明總體處于發(fā)展不協(xié)調(diào)的狀態(tài)，當前灘區(qū)土地利用的開發(fā)程度遠達不到經(jīng)濟發(fā)展的需求。

2)提出了新形勢下灘區(qū)自然-經(jīng)濟-社會可持續(xù)發(fā)展優(yōu)化模式。梳理了灘區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的各反饋回路，建立了灘區(qū)自然-經(jīng)濟-社會協(xié)同發(fā)展系統(tǒng)動力學模型并開展仿真模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高標準防護方案雖然提高了黃河下游灘區(qū)的防洪標準和灘區(qū)居民生產(chǎn)生活保障水平，但宜農(nóng)宜居的環(huán)境對人口的吸引力也逐漸增大，形成了對人口增加的一種變相鼓勵，這又將加劇灘區(qū)土地利用與灘區(qū)防洪滯沙功能之間的矛盾。因此,實施更加積極的人口管理，穩(wěn)定未來灘區(qū)人口增速，是實現(xiàn)灘區(qū)自然-經(jīng)濟-社會協(xié)同可持續(xù)發(fā)展的必要措施[38]，如圖8所示。

圖8 黃河下游流域與區(qū)域協(xié)同發(fā)展的管控機制

3)提出了流域與區(qū)域協(xié)同發(fā)展的灘區(qū)管理對策。主要包括3項對策措施和2項政策建議，分別為：探索寬灘區(qū)分類分區(qū)管理和土地用途管制制度、劃定灘區(qū)管理邊界并明晰各方管理范圍與職責和完善灘區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展統(tǒng)計監(jiān)測和動態(tài)跟蹤，建立健全合作協(xié)調(diào)機制和屬地責任制和建立灘區(qū)土地利用保障機制。

4 結(jié)語

歐美等發(fā)達國家百年來的河流治理歷程和實踐經(jīng)驗為我國帶來重要啟示：隨著社會經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，河流系統(tǒng)治理是必然的和必要的。必須把握“人水和諧”在河流治理中的指導思想地位，積極推進河流治理目標向多元化、全面化轉(zhuǎn)變，實施多維協(xié)調(diào)發(fā)展和系統(tǒng)治理。

當前，黃河下游河道治理目標已由單一的防洪安全提升為行洪輸沙-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境多維功能的協(xié)同發(fā)揮，傳統(tǒng)單一的研究思維已無法適應時代發(fā)展的需求。因此，迫切需要以系統(tǒng)理論為引領(lǐng)，統(tǒng)籌考慮黃河下游河道的灘與槽、上-中-下-河口不同區(qū)段以及行洪輸沙-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境多維功能，開展黃河下游河道系統(tǒng)治理研究。

面對新的挑戰(zhàn)，江恩慧等在“十二五”科技支撐計劃、國家自然科學基金重點項目、“十三五”重點研發(fā)計劃等項目的持續(xù)支持下，運用系統(tǒng)理論方法開展了探索性研究與實踐，形成了流域系統(tǒng)科學這一新的學科方向，并構(gòu)建了一套適應新時代需求的黃河下游河道灘槽協(xié)同治理理論與技術(shù)體系，從理論、技術(shù)和管控機制3個層面為破解黃河下游河道和灘區(qū)綜合提升治理技術(shù)難題提供了有力支撐，社會效益和生態(tài)效益顯著。