基于層次分析法的黃河口入海流路運(yùn)用方案研究

陳雄波，王崇浩，陳松偉，劉 娟，端木靈子，王 彤

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003； 2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），河南 鄭州 450003； 3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 前 言

黃河口以水少沙多、流路多變、不斷淤積延伸形成新生土地而聞名于世［1］。 黃河三角洲是指自1855 年黃河銅瓦廂決口改道奪大清河入渤海以來，入海尾閭流路經(jīng)9 次大的改道變遷、泥沙淤積塑造的沖積平原。刁口河流路是黃河三角洲的第9 條入海流路。 黃河口入海流路1976 年由刁口河改道至清水溝，1996 年由清水溝原河道（以下簡(jiǎn)稱原河道）人工改走清8 汊。保持黃河口入海流路有序、長(zhǎng)期使用是維持黃河口穩(wěn)定和生態(tài)環(huán)境的重要保障，黃河口入海流路運(yùn)用方案論證一直是相關(guān)管理部門和科研人員關(guān)注的課題［2］，目前已有大量研究成果，如：王崇浩等［3］利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算黃河口清水溝流路的使用年限，得出各入海流路組合方案下清水溝流路使用年限為53 ～77 a 的結(jié)論；王開榮等［4-5］構(gòu)建黃河口及其入海流路的系統(tǒng)框架，概括總結(jié)了河口系統(tǒng)與入海流路系統(tǒng)穩(wěn)定之間的關(guān)系；余欣等［6］研究了黃河口演變與入海流路穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)，提出近期入海流路安排應(yīng)優(yōu)先考慮北汊河。現(xiàn)有研究為探討黃河口入海流路運(yùn)用方案提供了良好基礎(chǔ)，但是對(duì)流路運(yùn)用方案的效益量化缺乏評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本文利用層次分析法（AHP）［7-8］從行洪輸沙能力、生態(tài)保障、對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展影響3 個(gè)方面建立黃河口入海流路運(yùn)用方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過對(duì)3 種入海水沙情景下4 種流路運(yùn)用方案的系統(tǒng)評(píng)價(jià)分析，提出較優(yōu)的黃河口入海流路運(yùn)用方案。

2 黃河口入海流路運(yùn)用方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于層次分析法的黃河口入海流路運(yùn)用方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見圖1，該體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。 優(yōu)選黃河口入海流路運(yùn)用方案的主要目的是確保流路穩(wěn)定使用、高效輸沙、安全行洪、滿足黃河口生態(tài)需水，在達(dá)到這些目的的同時(shí)要盡可能地減少流路運(yùn)用對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的不利影響，因此將準(zhǔn)則層分為行洪輸沙能力、生態(tài)保障以及對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展影響3 個(gè)方面。 指標(biāo)層包含可定量化描述各準(zhǔn)則層特征的若干個(gè)代表性指標(biāo)。

圖1 黃河口入海流路運(yùn)用方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 行洪輸沙能力方面的指標(biāo)選取

黃河口入海流路的擺動(dòng)改道和長(zhǎng)期穩(wěn)定對(duì)下游防洪、生態(tài)環(huán)境以及河口地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有著深遠(yuǎn)影響，選取沖淤量、平灘流量、流路穩(wěn)定性、外海輸沙量作為評(píng)價(jià)流路河道行洪、輸沙能力的主要指標(biāo)。

（1）沖淤量。 黃河尾閭河道的沖淤演變規(guī)律可以體現(xiàn)其對(duì)洪水的防御能力，流路運(yùn)用后河道能否減淤對(duì)黃河三角洲的防洪安全至關(guān)重要。

（2）平灘流量。 平灘流量大小能夠體現(xiàn)河道中水河槽規(guī)模以及主河槽排洪輸沙能力［9］。

（3）流路穩(wěn)定性。 流路運(yùn)用后需盡可能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，頻繁更換流路不僅需投入巨額資金，還會(huì)對(duì)黃河三角洲地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來不利影響。 參考余欣等［6］構(gòu)建的綜合判別式對(duì)黃河口入海流路穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其形式如下：

式中：H為黃河口入海流路穩(wěn)定性的綜合判別指標(biāo)（西河口（二站）10 000 m3／s 流量對(duì)應(yīng)水位）；k為與海洋動(dòng)力條件和地形有關(guān)的參數(shù)，其值為0.26 ～0.27，海洋動(dòng)力越強(qiáng)、地形越陡，k值越??；∑WS為黃河口利津站自起算年份至第n年的累計(jì)來沙量；c為與起算年份的流路河長(zhǎng)有關(guān)的參數(shù)，其大小主要取決于流路運(yùn)用時(shí)的原始河長(zhǎng)和運(yùn)用當(dāng)年的流路淤積延伸長(zhǎng)度；HC為西河口（二）站3 000 m3／s 流量對(duì)應(yīng)水位與改道水位12 m（10 000 m3／s 流量對(duì)應(yīng)的改道水位標(biāo)準(zhǔn)）之間的差值，其值為1.27～1.87 m；HU為計(jì)算時(shí)段內(nèi)海平面和黃河三角洲沉降的相對(duì)變幅，短期內(nèi)可以忽略不計(jì)，長(zhǎng)時(shí)間尺度要予以考慮。

（4）外海輸沙量。 輸沙能力是決定黃河口入海泥沙空間布局、減緩黃河口淤積延伸速率的基礎(chǔ)。 外海輸沙量是指每年輸送到黃河三角洲附近特定海域范圍之外的泥沙量。 在黃河口不同入海流路現(xiàn)狀條件下劃分近海和外海的分界線，將入海口20 km 以外定義為外海，統(tǒng)計(jì)流過分界線的泥沙量來計(jì)算外海輸沙量。泥沙在潮流作用下于分界線處雙向流動(dòng)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)刻的外海輸沙量，隨著時(shí)間不斷累加，再除以累計(jì)入海總沙量，得到平均外海輸沙量。

2.2 生態(tài)保障與對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展影響方面的指標(biāo)選取

（1）滿足適宜生態(tài)需水的濕地面積。 黃河三角洲國(guó)家級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)是我國(guó)大江大河中保持近天然原生態(tài)狀況良好的河口三角洲區(qū)域之一，但水資源匱乏等使其生態(tài)系統(tǒng)具有極大的脆弱性和不穩(wěn)定性。 運(yùn)用流路向生態(tài)保護(hù)區(qū)內(nèi)的濕地進(jìn)行補(bǔ)水，有利于黃河口的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)，因此選取滿足適宜生態(tài)需水的濕地面積作為生態(tài)保障方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 本研究計(jì)算的濕地面積為清水溝流路對(duì)應(yīng)現(xiàn)狀黃河口、大汶流自然保護(hù)區(qū)以及刁口河流路對(duì)應(yīng)一千二（北部）保護(hù)站管理范圍內(nèi)的濕地面積。

（2）流路運(yùn)用方案總投入。 黃河口入海流路運(yùn)用方案的實(shí)施需要相應(yīng)的工程措施及配套投入。 清水溝流路運(yùn)用方案涉及防洪和改汊工程，刁口河流路運(yùn)用方案涉及流路整治、分洪閘防洪和改汊工程等。

（3）影響人口。 工程建設(shè)會(huì)導(dǎo)致刁口河流路附近存在征地移民等問題，刁口河流路多年未行河，附近有較多的工礦企業(yè)設(shè)施，常住居民約6 900 人，在工程施工時(shí)應(yīng)盡可能地減少移民數(shù)量，避免群體性事件發(fā)生，

維持社會(huì)穩(wěn)定。

2.3 對(duì)指標(biāo)歸一化處理

以上7 個(gè)指標(biāo)中屬于發(fā)展型指標(biāo)（越大越優(yōu)型）的有平灘流量、流路穩(wěn)定性、外海輸沙量、滿足適宜生態(tài)需水的濕地面積，屬于制約型指標(biāo)（越小越優(yōu)型）的有沖淤量、流路運(yùn)用方案總投入、影響人口。 為消除各指標(biāo)值量綱差異的影響并統(tǒng)一各指標(biāo)值的變化范圍，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。

對(duì)于發(fā)展型指標(biāo)，歸一化處理公式為

式中：x（i，j）為第i年第j個(gè)指標(biāo)的歸一化值；x*（i，j）為第i年第j個(gè)指標(biāo)原始值；xmax（j）、xmin（j）分別為第j個(gè)指標(biāo)的最小值和最大值。

2.4 指標(biāo)權(quán)重與一致性檢驗(yàn)

（1）指標(biāo)權(quán)重的確定。 采用德爾菲法（也稱專家調(diào)查法）確定指標(biāo)權(quán)重。 在高等院校、科研院所、設(shè)計(jì)公司等選取熟知黃河口概況且具有廣泛代表性的35名專家開展兩輪問卷調(diào)查。 按照“非常重要、重要、一般、不重要、很不重要”分別對(duì)應(yīng)分值“9、7、5、3、1”，介于“非常重要”與“重要”之間、“重要”與“一般”之間、“一般”與“不重要”之間、“不重要”與“很不重要”之間分別對(duì)應(yīng)分值“8、6、4、2”，請(qǐng)專家對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)打分。為檢驗(yàn)專家調(diào)查法確定的指標(biāo)權(quán)重的正確性，利用層次分析法主流商業(yè)軟件（yaahp）計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。經(jīng)計(jì)算，專家調(diào)查法與yaahp 軟件計(jì)算得到的各指標(biāo)的權(quán)重差別很小，絕對(duì)差值都在0.001 以下，驗(yàn)證了本次專家調(diào)查法得到的各指標(biāo)權(quán)重的合理性。

（2）判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。 層次分析法是針對(duì)一些較復(fù)雜、模糊的問題做出決策的方法，該方法根據(jù)問題性質(zhì)和要達(dá)到的總目標(biāo)，將問題中所包含的因素劃分為不同層次，形成一個(gè)多層次分析結(jié)構(gòu)模型。 首先采用該方法建立一個(gè)自上而下包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的多層次分析結(jié)構(gòu)模型，再構(gòu)造各層次中的判斷矩陣并進(jìn)行重要性排序，最后對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：CR為一致性比率，CR＜0.1 時(shí)認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行適當(dāng)修正；CI為一致性指標(biāo)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)，行洪輸沙能力方面的指標(biāo)個(gè)數(shù)n＝4，生態(tài)保障與對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展影響方面的指標(biāo)個(gè)數(shù)n＝3。 不同指標(biāo)個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)一致性指標(biāo)值見表1，可知n＝4 時(shí)RI＝0.89，n＝3 時(shí)RI＝0.52。

表1 不同指標(biāo)個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)一致性指標(biāo)值

根據(jù)專家打分，構(gòu)造的準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的判斷矩陣見表2～表4。

表2 準(zhǔn)則層判斷矩陣

表3 行洪輸沙能力方面的指標(biāo)層判斷矩陣

表4 生態(tài)保障與對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展影響方面的指標(biāo)層判斷矩陣

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的結(jié)果見表5，2 個(gè)準(zhǔn)則層的一致性比率均小于0.1，說明判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)。

表5 一致性檢驗(yàn)結(jié)果

3 流路運(yùn)用方案綜合評(píng)價(jià)與分析

3.1 流路運(yùn)用方案設(shè)置

根據(jù)《黃河河口綜合治理規(guī)劃》以及1986 年以來黃河口入海泥沙顯著減少的新水沙條件，清水溝流路尚有50 a 以上的行河潛力，清水溝流路與刁口河流路聯(lián)合運(yùn)用基本能實(shí)現(xiàn)流路穩(wěn)定行河100 a 的目標(biāo)［2-3，6］。 由此，對(duì)流路運(yùn)用方案整體設(shè)置為“單一流路、有計(jì)劃改道”模式（簡(jiǎn)稱單流路模式）和“多流路、同時(shí)行河”模式（簡(jiǎn)稱多流路模式）。

單流路模式按照清水溝流路（現(xiàn)行清8 汊、北汊、原河道）、刁口河流路順序輪流使用，把西河口（二）站10 000 m3／s 流量對(duì)應(yīng)水位達(dá)到12 m 和黃河口入海流路穩(wěn)定性的綜合判別指標(biāo)［6］分別作為改道條件設(shè)置兩個(gè)單流路模式方案（分別為方案1、方案2）。

多流路模式需在西河口（二）站附近設(shè)置控制工程（在主河道建攔河壩，在攔河壩上游左岸防洪大堤建分洪閘），開挖刁口河流路，同時(shí)使用清水溝流路（現(xiàn)行清8 汊、北汊、原河道）和刁口河流路，同樣設(shè)置兩個(gè)多流路模式方案。 根據(jù)程義吉［10］研究結(jié)果，黃河口尾閭河道流量為1 500 m3／s 及以上時(shí)基本實(shí)現(xiàn)河床沖刷，有利于改善河道形態(tài)進(jìn)而維持較高的泄洪排沙能力。 由此，設(shè)置方案3 如下：6—10 月大河流量為3 000 m3／s以上時(shí)，按照刁口河流路1 500 m3／s 流量進(jìn)行分洪，其他時(shí)段保持30 m3／s 長(zhǎng)流水進(jìn)行流路運(yùn)用。 方案3 刁口河流路啟用時(shí)，規(guī)劃設(shè)計(jì)開挖主槽為梯形斷面，過流能力為1 500 m3／s，底寬為275 m，平均挖深為2.7 m，開挖邊坡為1 ∶3，在S310 省道以南，以現(xiàn)河道為西邊界，向東開挖；在S310 省道以北，考慮規(guī)劃主槽與刁口河現(xiàn)有河道平順連接的要求，向西開挖到平均高潮位的長(zhǎng)度約53 km。 設(shè)置方案4 如下：6—10 月大河流量為3 000 m3／s 以上時(shí)，按照刁口河流路分流比50%且最大流量3 000 m3／s 進(jìn)行分洪，其他時(shí)段保持30 m3／s 長(zhǎng)流水進(jìn)行流路運(yùn)用，以確保在小浪底水庫泄洪排沙期和黃河汛期清水溝流路與刁口河流路的過流量均大于1 500 m3／s，有利于黃河口輸沙入海、抑制尾閭河道淤積。 方案4 刁口河流路啟用時(shí)，設(shè)計(jì)開挖主槽過流能力為3 000 m3／s，底寬為550 m，其余設(shè)計(jì)同方案3。

3.2 流路使用年限及沖淤發(fā)展預(yù)測(cè)

為預(yù)測(cè)不同流路運(yùn)用方案的河道沖淤過程，量化沖淤量、平灘流量、流路穩(wěn)定性、外海輸沙量這4 個(gè)指標(biāo)，設(shè)計(jì)流路運(yùn)用時(shí)間序列長(zhǎng)度為100 a（2017 年7月—2117 年6 月），按照黃河中游龍門站、渭河華縣站、汾河河津站、北洛河頭站的年均來沙量為1.5億、3.0 億、6.0 億t 三種情景設(shè)計(jì)未來100 a 入黃泥沙量。采用RSS 數(shù)值模擬系統(tǒng)一維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行水庫與河道沖淤計(jì)算，水沙條件為小浪底出庫水沙、伊洛河來水來沙以及沁河來水來沙［11］。 此外，水庫、河道和海域地形采用2017 年汛前實(shí)測(cè)斷面或水下地形。

通過計(jì)算2017 年7 月—2117 年6 月100 a 內(nèi)不同水沙情景、不同流路運(yùn)用方案的流路尾閭河道沖淤量、外海輸沙量及流路運(yùn)用年限，可得上述4 個(gè)水文站年均來沙量為1.5 億t 和3.0 億t 情景下，清水溝流路的現(xiàn)行清8 汊＋北汊可運(yùn)行100 a 以上（來沙量較小時(shí)，無須啟用原河道）；上述4 個(gè)水文站年均來沙量為6.0 億t 情景下，多流路模式中刁口河流路分流情況下清水溝流路的現(xiàn)行清8 汊＋北汊＋原河道可運(yùn)行100 a以上，若使用單流路模式，該情景下清水溝流路和刁口河流路有序使用也能保證黃河口入海流路百年穩(wěn)定。

3.3 各流路運(yùn)用方案的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

采用多層次分析結(jié)構(gòu)模型對(duì)3 種來沙情景下不同流路運(yùn)用方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，由于堤防加固、汊道開挖、分洪閘建設(shè)等工程都是在1 a 內(nèi)完成，且改道（或改汊）當(dāng)年河長(zhǎng)變化很大，因此分年度計(jì)算各方案評(píng)價(jià)值的意義不大，選取每5 a 和每20 a 對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)值對(duì)流路運(yùn)用方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。 由于每5 a 和每20 a對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)值結(jié)果相似，因此僅列出每5 a 對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)值（見圖2，其中評(píng)價(jià)值越大方案越優(yōu)，受工程投資等的影響，評(píng)價(jià)值曲線在流路轉(zhuǎn)變時(shí)存在突變現(xiàn)象）。

圖2 3 種來沙情景下不同流路運(yùn)用方案的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

2017 年7 月—2117 年6 月100 a 內(nèi)年均1.5 億t來沙情景下流路運(yùn)用方案1、方案2、方案3、方案4 的平均評(píng)價(jià)值分別為0.551、0.547、0.477、0.518，說明在入海泥沙較少情況下現(xiàn)行清8 汊＋北汊流路是最有利的流路運(yùn)用方案，以西河口（二）站10 000 m3／s 流量對(duì)應(yīng)水位達(dá)到12 m 時(shí)改變流路為宜。 從現(xiàn)實(shí)過程角度分析，來沙較少時(shí)流路淤積延伸慢，對(duì)西河口（二）站水位的影響小，當(dāng)前清8 汊＋北汊流路能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行河100 a，北汊流路開通運(yùn)行相對(duì)簡(jiǎn)單、投入費(fèi)用少，并且能確保大汶流自然保護(hù)區(qū)濕地和刁口河的生態(tài)需水量，所以方案1 是最優(yōu)選擇。 100 a 內(nèi)年均3.0 億t來沙情景下流路運(yùn)用方案1、方案2、方案3、方案4 的平均評(píng)價(jià)值分別為0.592、0.481、0.489、0.499，同樣是方案1 最優(yōu)。 100 a 內(nèi)年均6.0 億t 來沙情景下流路運(yùn)用方案1、方案2、方案3、方案4 的平均評(píng)價(jià)值分別為0.577、0.436、0.500、0.536，方案1 通過現(xiàn)行清8 汊＋北汊＋原河道流路運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)百年穩(wěn)定，同樣為4 個(gè)方案中最優(yōu)。

對(duì)每5 a 內(nèi)和每20 a 內(nèi)3 種來沙情景下4 個(gè)流路運(yùn)用方案得到最大評(píng)價(jià)值的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可知每5 a內(nèi)年均1.5 億、3.0 億、6.0 億t 來沙情景下，方案1 得到最大評(píng)價(jià)值的次數(shù)分別為14、14、13，方案4 得到最大評(píng)價(jià)值的次數(shù)分別為6、5、7，方案2 只有1 次得到最大評(píng)價(jià)值，方案3 沒有最大評(píng)價(jià)值。 每20 a 內(nèi)年均1.5億、3 億、6 億t 來沙情景下，同樣是方案1 得到最大評(píng)價(jià)值的次數(shù)最多。

由以上結(jié)果可知，年均入海泥沙量≤3 億t 時(shí)，方案1 為最優(yōu)運(yùn)用方案，即現(xiàn)行清8 汊＋北汊流路，以西河口（二）站10 000 m3／s 流量對(duì)應(yīng)水位達(dá)到12 m 作為改道條件的運(yùn)用方式可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行河100 a，具有改道方式便捷、工程投資小、不影響當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活、保障濕地需水的優(yōu)點(diǎn)。 年均入海泥沙量達(dá)到6 億t 時(shí)，方案1 仍為最優(yōu)流路運(yùn)用方案，同樣以西河口（二）站10 000 m3／s 流量對(duì)應(yīng)水位達(dá)到12 m 作為改道條件，運(yùn)用現(xiàn)行清8 汊＋北汊＋原河道流路可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行河100 a。

4 結(jié) 論

黃河口入海流路運(yùn)用方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以流路運(yùn)用方案綜合效益為目標(biāo)層，從行洪輸沙能力、生態(tài)保障、對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展影響三方面建立準(zhǔn)則層，選取沖淤量、平灘流量、流路穩(wěn)定性、外海輸沙量、流路運(yùn)用方案總投入、影響人口、滿足適宜生態(tài)需水的濕地面積7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。 根據(jù)專家調(diào)查結(jié)果，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)。 黃河口入海流路運(yùn)用方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，采用現(xiàn)行清水溝流路（現(xiàn)行清8 汊、北汊、原河道），以西河口（二）站10 000 m3／s 流量對(duì)應(yīng)水位達(dá)到12 m 為改道標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)用方案最好，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行河100 a，具有改道方式便捷、工程投資小、不影響當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活、保障濕地需水的優(yōu)點(diǎn)。