基于層次分析法的黃河口入海流路運用方案研究

陳雄波，王崇浩，陳松偉，劉 娟，端木靈子，王 彤

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003； 2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室（籌），河南 鄭州 450003； 3.中國水利水電科學研究院，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（以下簡稱原河道）人工改走清8 汊。保持黃河口入海流路有序、長期使用是維持黃河口穩定和生態環境的重要保障，黃河口入海流路運用方案論證一直是相關管理部門和科研人員關注的課題［2］，目前已有大量研究成果，如：王崇浩等［3］利用數學模型計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 的結論；王開榮等［4-5］構建黃河口及其入海流路的系統框架，概括總結了河口系統與入海流路系統穩定之間的關系；余欣等［6］研究了黃河口演變與入海流路穩定關鍵技術，提出近期入海流路安排應優先考慮北汊河。現有研究為探討黃河口入海流路運用方案提供了良好基礎，但是對流路運用方案的效益量化缺乏評價標準。本文利用層次分析法（AHP）［7-8］從行洪輸沙能力、生態保障、對經濟社會發展影響3 個方面建立黃河口入海流路運用方案綜合評價指標體系，通過對3 種入海水沙情景下4 種流路運用方案的系統評價分析，提出較優的黃河口入海流路運用方案。

2 黃河口入海流路運用方案綜合評價指標體系

基于層次分析法的黃河口入海流路運用方案綜合評價指標體系見圖1，該體系分為目標層、準則層和指標層。 優選黃河口入海流路運用方案的主要目的是確保流路穩定使用、高效輸沙、安全行洪、滿足黃河口生態需水，在達到這些目的的同時要盡可能地減少流路運用對當地經濟社會發展的不利影響，因此將準則層分為行洪輸沙能力、生態保障以及對經濟社會發展影響3 個方面。 指標層包含可定量化描述各準則層特征的若干個代表性指標。

圖1 黃河口入海流路運用方案綜合評價指標體系

2.1 行洪輸沙能力方面的指標選取

黃河口入海流路的擺動改道和長期穩定對下游防洪、生態環境以及河口地區的經濟社會發展有著深遠影響，選取沖淤量、平灘流量、流路穩定性、外海輸沙量作為評價流路河道行洪、輸沙能力的主要指標。

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

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

（3）流路穩定性。 流路運用后需盡可能保持長期穩定，頻繁更換流路不僅需投入巨額資金，還會對黃河三角洲地區的經濟社會發展帶來不利影響。 參考余欣等［6］構建的綜合判別式對黃河口入海流路穩定性進行評價，其形式如下：

式中：H為黃河口入海流路穩定性的綜合判別指標（西河口（二站）10 000 m3／s 流量對應水位）；k為與海洋動力條件和地形有關的參數，其值為0.26 ～0.27，海洋動力越強、地形越陡，k值越小；∑WS為黃河口利津站自起算年份至第n年的累計來沙量；c為與起算年份的流路河長有關的參數，其大小主要取決于流路運用時的原始河長和運用當年的流路淤積延伸長度；HC為西河口（二）站3 000 m3／s 流量對應水位與改道水位12 m（10 000 m3／s 流量對應的改道水位標準）之間的差值，其值為1.27～1.87 m；HU為計算時段內海平面和黃河三角洲沉降的相對變幅，短期內可以忽略不計，長時間尺度要予以考慮。

（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。 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，統計流過分界線的泥沙量來計算外海輸沙量。泥沙在潮流作用下于分界線處雙向流動，統計每個時刻的外海輸沙量，隨著時間不斷累加，再除以累計入海總沙量，得到平均外海輸沙量。

2.2 生態保障與對經濟社會發展影響方面的指標選取

（1）滿足適宜生態需水的濕地面積。 黃河三角洲國家級生態保護區是我國大江大河中保持近天然原生態狀況良好的河口三角洲區域之一，但水資源匱乏等使其生態系統具有極大的脆弱性和不穩定性。 運用流路向生態保護區內的濕地進行補水，有利于黃河口的生態保護與修復，因此選取滿足適宜生態需水的濕地面積作為生態保障方面的評價指標。 本研究計算的濕地面積為清水溝流路對應現狀黃河口、大汶流自然保護區以及刁口河流路對應一千二（北部）保護站管理范圍內的濕地面積。

（2）流路運用方案總投入。 黃河口入海流路運用方案的實施需要相應的工程措施及配套投入。 清水溝流路運用方案涉及防洪和改汊工程，刁口河流路運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。 工程建設會導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設施，常住居民約6 900 人，在工程施工時應盡可能地減少移民數量，避免群體性事件發生，

維持社會穩定。

2.3 對指標歸一化處理

以上7 個指標中屬于發展型指標（越大越優型）的有平灘流量、流路穩定性、外海輸沙量、滿足適宜生態需水的濕地面積，屬于制約型指標（越小越優型）的有沖淤量、流路運用方案總投入、影響人口。 為消除各指標值量綱差異的影響并統一各指標值的變化范圍，對指標進行歸一化處理。

對于發展型指標，歸一化處理公式為

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

2.4 指標權重與一致性檢驗

（1）指標權重的確定。 采用德爾菲法（也稱專家調查法）確定指標權重。 在高等院校、科研院所、設計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查。 按照“非常重要、重要、一般、不重要、很不重要”分別對應分值“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”之間分別對應分值“8、6、4、2”，請專家對各項指標打分。為檢驗專家調查法確定的指標權重的正確性，利用層次分析法主流商業軟件（yaahp）計算各指標的權重。經計算，專家調查法與yaahp 軟件計算得到的各指標的權重差別很小，絕對差值都在0.001 以下，驗證了本次專家調查法得到的各指標權重的合理性。

（2）判斷矩陣一致性檢驗。 層次分析法是針對一些較復雜、模糊的問題做出決策的方法，該方法根據問題性質和要達到的總目標，將問題中所包含的因素劃分為不同層次，形成一個多層次分析結構模型。 首先采用該方法建立一個自上而下包括目標層、準則層和指標層的多層次分析結構模型，再構造各層次中的判斷矩陣并進行重要性排序，最后對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗指標計算公式如下：

式中：CR為一致性比率，CR＜0.1 時認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應對判斷矩陣進行適當修正；CI為一致性指標；RI為隨機一致性指標；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為指標個數，行洪輸沙能力方面的指標個數n＝4，生態保障與對經濟社會發展影響方面的指標個數n＝3。 不同指標個數對應的隨機一致性指標值見表1，可知n＝4 時RI＝0.89，n＝3 時RI＝0.52。

表1 不同指標個數對應的隨機一致性指標值

根據專家打分，構造的準則層和指標層的判斷矩陣見表2～表4。

表2 準則層判斷矩陣

表3 行洪輸沙能力方面的指標層判斷矩陣

表4 生態保障與對經濟社會發展影響方面的指標層判斷矩陣

對判斷矩陣進行一致性檢驗的結果見表5，2 個準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。

表5 一致性檢驗結果

3 流路運用方案綜合評價與分析

3.1 流路運用方案設置

根據《黃河河口綜合治理規劃》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合運用基本能實現流路穩定行河100 a 的目標［2-3，6］。 由此，對流路運用方案整體設置為“單一流路、有計劃改道”模式（簡稱單流路模式）和“多流路、同時行河”模式（簡稱多流路模式）。

單流路模式按照清水溝流路（現行清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 流量對應水位達到12 m 和黃河口入海流路穩定性的綜合判別指標［6］分別作為改道條件設置兩個單流路模式方案（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，同時使用清水溝流路（現行清8 汊、北汊、原河道）和刁口河流路，同樣設置兩個多流路模式方案。 根據程義吉［10］研究結果，黃河口尾閭河道流量為1 500 m3／s 及以上時基本實現河床沖刷，有利于改善河道形態進而維持較高的泄洪排沙能力。 由此，設置方案3 如下：6—10 月大河流量為3 000 m3／s以上時，按照刁口河流路1 500 m3／s 流量進行分洪，其他時段保持30 m3／s 長流水進行流路運用。 方案3 刁口河流路啟用時，規劃設計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，以現河道為西邊界，向東開挖；在S310 省道以北，考慮規劃主槽與刁口河現有河道平順連接的要求，向西開挖到平均高潮位的長度約53 km。 設置方案4 如下：6—10 月大河流量為3 000 m3／s 以上時，按照刁口河流路分流比50%且最大流量3 000 m3／s 進行分洪，其他時段保持30 m3／s 長流水進行流路運用，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，設計開挖主槽過流能力為3 000 m3／s，底寬為550 m，其余設計同方案3。

3.2 流路使用年限及沖淤發展預測

為預測不同流路運用方案的河道沖淤過程，量化沖淤量、平灘流量、流路穩定性、外海輸沙量這4 個指標，設計流路運用時間序列長度為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 三種情景設計未來100 a 入黃泥沙量。采用RSS 數值模擬系統一維水動力學模型進行水庫與河道沖淤計算，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 年汛前實測斷面或水下地形。

通過計算2017 年7 月—2117 年6 月100 a 內不同水沙情景、不同流路運用方案的流路尾閭河道沖淤量、外海輸沙量及流路運用年限，可得上述4 個水文站年均來沙量為1.5 億t 和3.0 億t 情景下，清水溝流路的現行清8 汊＋北汊可運行100 a 以上（來沙量較小時，無須啟用原河道）；上述4 個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行清8 汊＋北汊＋原河道可運行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定。

3.3 各流路運用方案的綜合評價結果

采用多層次分析結構模型對3 種來沙情景下不同流路運用方案進行綜合評價，由于堤防加固、汊道開挖、分洪閘建設等工程都是在1 a 內完成，且改道（或改汊）當年河長變化很大，因此分年度計算各方案評價值的意義不大，選取每5 a 和每20 a 對應的評價值對流路運用方案進行綜合評價。 由于每5 a 和每20 a對應的評價值結果相似，因此僅列出每5 a 對應的評價值（見圖2，其中評價值越大方案越優，受工程投資等的影響，評價值曲線在流路轉變時存在突變現象）。

圖2 3 種來沙情景下不同流路運用方案的綜合評價結果

2017 年7 月—2117 年6 月100 a 內年均1.5 億t來沙情景下流路運用方案1、方案2、方案3、方案4 的平均評價值分別為0.551、0.547、0.477、0.518，說明在入海泥沙較少情況下現行清8 汊＋北汊流路是最有利的流路運用方案，以西河口（二）站10 000 m3／s 流量對應水位達到12 m 時改變流路為宜。 從現實過程角度分析，來沙較少時流路淤積延伸慢，對西河口（二）站水位的影響小，當前清8 汊＋北汊流路能實現穩定行河100 a，北汊流路開通運行相對簡單、投入費用少，并且能確保大汶流自然保護區濕地和刁口河的生態需水量，所以方案1 是最優選擇。 100 a 內年均3.0 億t來沙情景下流路運用方案1、方案2、方案3、方案4 的平均評價值分別為0.592、0.481、0.489、0.499，同樣是方案1 最優。 100 a 內年均6.0 億t 來沙情景下流路運用方案1、方案2、方案3、方案4 的平均評價值分別為0.577、0.436、0.500、0.536，方案1 通過現行清8 汊＋北汊＋原河道流路運用能夠實現百年穩定，同樣為4 個方案中最優。

對每5 a 內和每20 a 內3 種來沙情景下4 個流路運用方案得到最大評價值的次數進行統計，可知每5 a內年均1.5 億、3.0 億、6.0 億t 來沙情景下，方案1 得到最大評價值的次數分別為14、14、13，方案4 得到最大評價值的次數分別為6、5、7，方案2 只有1 次得到最大評價值，方案3 沒有最大評價值。 每20 a 內年均1.5億、3 億、6 億t 來沙情景下，同樣是方案1 得到最大評價值的次數最多。

由以上結果可知，年均入海泥沙量≤3 億t 時，方案1 為最優運用方案，即現行清8 汊＋北汊流路，以西河口（二）站10 000 m3／s 流量對應水位達到12 m 作為改道條件的運用方式可以實現穩定行河100 a，具有改道方式便捷、工程投資小、不影響當地居民生產生活、保障濕地需水的優點。 年均入海泥沙量達到6 億t 時，方案1 仍為最優流路運用方案，同樣以西河口（二）站10 000 m3／s 流量對應水位達到12 m 作為改道條件，運用現行清8 汊＋北汊＋原河道流路可實現穩定行河100 a。

4 結 論

黃河口入海流路運用方案綜合評價指標體系以流路運用方案綜合效益為目標層，從行洪輸沙能力、生態保障、對經濟社會發展影響三方面建立準則層，選取沖淤量、平灘流量、流路穩定性、外海輸沙量、流路運用方案總投入、影響人口、滿足適宜生態需水的濕地面積7個評價指標。 根據專家調查結果，確定各評價指標的權重，判斷矩陣通過一致性檢驗。 黃河口入海流路運用方案綜合評價結果表明，采用現行清水溝流路（現行清8 汊、北汊、原河道），以西河口（二）站10 000 m3／s 流量對應水位達到12 m 為改道標準的運用方案最好，能實現穩定行河100 a，具有改道方式便捷、工程投資小、不影響當地居民生產生活、保障濕地需水的優點。