论文部分内容阅读
摘 要：隨着黄河流域下垫面条件、进入黄河下游的水沙条件、区域社会经济发展等发生的一系列显著变化，特别是黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施，运用系统思想与方法来研究并实现黄河下游河道滩与槽的协同治理，成为新时代下游河道治理综合提升的重中之重。在将黄河下游河道河流系统划分为3个子系统，即维持河槽基本功能的行洪输沙子系统、保障滩区居民生产生活安全的社会经济子系统、维持滩槽生态环境健康的生态环境子系统的基础上，重点介绍各子系统滩槽协同治理目标厘定以及代表性指标的遴选结果，其中：行洪输沙子系统治理目标代表性指标包括河势稳定控制和河道过流能力指标，社会经济子系统发展目标代表性指标包括下游滩区粮食产量和河道引用水量指标，生态环境子系统治理目标代表性指标包括河道典型断面适宜流量保证率、适宜脉冲流量次数指标。藉此，分别构建了主控因子与各子系统滩槽协同治理目标的驱动—响应关系，提出了黄河下游滩槽协同治理模式下多维治理目标及其主控因子阈值。
关键词：滩槽协同治理;驱动—响应关系;河流系统分类;主控因子;治理目标;系统论;黄河下游
中图分类号：TV851;TV853;TV882.1 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.010
Abstract：With a series of significant changes in the underlying surface conditions， water and sediment conditions entering the lower reaches of the Yellow River and regional social and economic development， especially the implementation of the major national strategy of ecological protection and high-quality development in the Yellow River Basin， it has become the top priority in comprehensive control of the downstream river regulation in the new era by applying the idea of system and the method to study and implement synergistic regulation for floodplain and main channel of the Lower Yellow River. The river system in the lower Yellow River was divided into three subsystems of flood discharge and sediment transport subsystem to maintain the basic function of the main channel， social economy subsystem to ensure the production and life safety of beach residents and ecological environment subsystem to maintain the health of the ecological environment of the beach and main channel. On the basis of the three subsystems， the objectives and representative indicators of the sub-systems were mainly determined， of which， the representative indicators of flood discharge and sand transport subsystem control objectives included river regime stability and river flow capacity indicators; the representative indicators of ecological environment subsystem control objectives included appropriate flow assurance rate and appropriate flow pulse times of Huayuankou section and Lijin section; the representative indicators of social and economic subsystem control objectives included township grain output and water diversion. The driving-response relationship between the main control factors and the objectives of synergistic regulation for floodplain and main channel in each subsystem was constructed respectively and the multi-dimensional control objectives and the main controlling factor thresholds under the synergistic regulation mode of the lower Yellow River were proposed. Key words： synergistic regulation for floodplain and main channel; driving-response relationship; river system classification; main controlling factor; control objective; system theory; Lower Yellow River
1 研究背景
系统在自然界和人类社会中是普遍存在的，按不同原则可将系统划分为各种不同的类型[1]。系统论是研究现实系统或可能系统的一般规律和性质的理论，而系统方法是把研究对象作为系统进行定量化、模型化和择优化研究的科学方法，包括协同论、博弈论等方法。系统理论是当今最有影响力的科学研究与管理的思维方法，20世纪40年代，奥地利生物学家贝塔朗菲提出“一般系统论”;1977年，舒姆[2]提出了河流系统的概念;钱学森把系统分为简单系统和巨系统两大类[3]，并提出了开放的复杂巨系统理论[4-5]。
黄河下游河道是黄河流域最为复杂难治的河段，经过多年的持续治理，黄河下游防洪安全得到进一步提升，游荡型河段得到深度治理、河势趋于稳定。然而，滩区社会经济发展和黄河下游防洪安全仍存在需要协调和解决的难题。习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话中指出，目前黄河治理保护工作取得了举世瞩目的成就，但是当前黄河流域仍然存在一些突出困难和问题，如洪水风险依然是流域的最大威胁，流域生态环境脆弱等;指出系统治理是解决当前黄河流域存在的各种问题的重要途径。因此，黄河下游河道治理不仅涉及河道行洪输沙问题，还涉及河道生态流量保障、生物多样性提高以及河道内外的社会经济发展问题。在未来一定时期内，黄河流域的治理开发需要以系统理论为指导，开展流域治理开发重大问题的研究，最终达到黄河下游河流系统整体的最优状态。
目前，随着人们对水问题复杂性认知程度的提高，许多研究者开始从系统的角度开展水问题的研究[6-7]，基于河流系统在水资源配置与河流生态系统研究方面的应用也很多[8-13]。黄河下游河道治理的本质问题是河流系统中的一个多约束、多目标的优化问题。围绕这一问题，黄河水利科学研究院在十二五国家科技支撑计划、水利部公益性行业科研专项、国家自然科学基金重点项目的支持下，开展了宽滩区滞洪沉沙功能及滩区减灾技术研究、黃河泥沙资源利用成套技术研发与示范、游荡性河道河势演变与稳定控制系统理论等研究工作，初步将系统理论与方法引入黄河下游河道治理的研究之中。江恩慧等[14]进行的黄河下游滩槽协同治理架构及运行机制研究，引入系统理论与方法，构建了黄河下游滩槽协同治理理论体系和治理效应的三维评价模型，实现了对黄河下游滩槽治理效应的综合评价。
本文针对黄河水沙变化、下游河道与滩区治理存在的现实矛盾及国家社会经济发展对黄河治理提出的新要求，从河流系统的角度探讨黄河下游河道的滩槽协同治理，以行洪输沙、社会经济和生态环境协调发展为目标，应用并发展系统论方法，探索漫滩洪水和长序列枯水交互作用下滩槽协同治理主控因子与河槽形态调整、社会经济发展及生态系统演化的驱动—响应关系，明晰滩槽协同治理模式下各子系统治理目标及其主控因子的响应阈值。
2 基于系统论的黄河下游河道河流系统滩槽协同治理目标
2.1 黄河下游河道河流系统结构概述
从系统论的角度，将黄河下游河道视为一个复杂的巨系统，将河道综合治理的各种影响因素分为维持主河槽基本功能的行洪输沙子系统、保障滩区居民生产生活安全的社会经济子系统、维持滩槽生态环境健康的生态环境子系统。各个子系统之间具有密切的有机联系，共同维系黄河下游河道河流系统的存在、发展和演化（见图1）。
行洪输沙子系统包括河流河岸带、河床、水体、涉水工程等，关系到河流水沙物质输移，并直接对社会经济和生态环境产生影响;社会经济子系统包括经济社会发展状况（如GDP、粮食产量等）以及体现河流对经济社会发展支撑功能的指标（如引水量等）;生态环境子系统包括河流及滨河区域的生物群落、栖息地、植被等与生态环境有关的要素。行洪输沙子系统为社会经济子系统和生态环境子系统提供必要的水沙条件，生态环境子系统是保证河流健康发育和社会经济可持续发展的重要基础，社会经济子系统则是河流和生态环境子系统社会价值的具体体现，同时社会经济子系统也通过一定的方式对河流和生态环境子系统进行干预和修复。
2.2 基于下游河道河流系统整体性的滩槽协同治理目标
黄河下游河道河流系统的物质与能量交换，既受上下游边界条件的约束，又受行洪输沙、社会经济、生态环境3个子系统内部因子的约束，前者属外部约束，后者属内部约束。黄河下游河道是典型的复式断面，宽滩窄槽，主河槽强烈游荡，伴随着滩槽关系的剧烈调整，使其成为世界上最复杂难治的河流。下游宽滩区肩负大洪水期行洪、滞洪、沉沙的功能，又是189万滩区居民生产生活的家园，在保障黄河防洪安全的同时，长期遭受主河槽游荡摆动和洪水漫滩的双重危害。特别是“二级悬河”的形成进一步恶化了河道横断面形态，不仅加大了对黄河大堤的威胁，也平添了对滩区居民“小水大灾”的困扰。随着黄河水沙情势变化和小浪底水库运用，黄河下游河道治理具备了“实现黄河防洪安全与滩区发展双赢”的前提条件。因此，黄河下游河道必须基于河流系统的整体性，实行滩槽综合治理，达到稳定主槽、构建和谐滩槽关系的目的。开展滩槽协同治理，首先要对3个子系统的治理目标分别进行梳理，藉此建立治理目标与水沙过程、河床边界条件的驱动—响应关系。
2.2.1 行洪输沙子系统治理目标
行洪输沙子系统治理目标主要包括反映河势稳定控制、河道过流能力、滩区滞洪沉沙能力的一系列指标。其中：河势稳定控制目标包括河流弯曲系数、河湾个数、河段主流摆幅、河段宽深比等，河道过流能力目标包括典型河段平滩流量等，滩区滞洪沉沙能力目标包括滩区面积、漫滩洪水滞洪量、削峰率、沉沙量等。 2.2.2 生态环境子系统治理目标
生态环境子系统治理目标的表征指标包括河流水质、水面面积、栖息地面积、生物多样性、生态需水保障程度、植被覆盖度等，反映河流系统中各种生物的生存环境、生存范围、物种结构以及生物关键发育时期对流量、水量和河水涨落时机等一系列需求的保障和满足程度，体现河流对其生态系统的支撑程度。
2.2.3 社会经济子系统发展目标
社会经济子系统发展目标的表征指标包括滩区GDP、第一产业产值、种植面积、粮食产量、引水量等。黄河下游的用水以灌溉为主，因此在社会经济约束因子选取过程中，偏重表征农业生产方面的因子。
2.3 各子系统治理目标代表性指标遴选
河流系统各子系统的治理目标并非都是相互独立的，需要通过相关性检验遴选出代表性指标，用这些代表性指标表征各子系统的主要特征，并分析各子系统之间的相互作用关系。
2.3.1 行洪输沙子系统代表性指标
行洪输沙子系统治理目标的代表性指标为河势稳定控制指标和河道过流能力指标。通过相关性分析，确定河势稳定控制指标为河流弯曲系数、河湾个数、河段主流摆幅和宽深比，反映游荡性河道的河势变化特征;河道过流能力指标选取下游最小平滩流量。
2.3.2 生态环境子系统代表性指标
生态环境子系统治理目标的代表性指标包括花园口断面1—3月、4—6月、11—12月適宜流量保证率，4—6月适宜脉冲流量次数，利津断面1—3月、4月适宜流量保证率和4月适宜脉冲流量次数等7个因子。
2.3.3 社会经济子系统代表性指标
遴选社会经济子系统发展目标的代表性指标时，采用黄河下游各县市（各乡镇）的平均值来进行分析。社会经济各因子间的相关系数见表1。县市第一产业产值和县市粮食产量相关程度较高，县市粮食产量和县市农业人口之间的相关程度高于县市第一产业产值和农业人口的相关程度，表明农业人口对粮食产量的贡献大于其对第一产业产值的贡献。县市粮食产量与县市农业施肥量间的相关程度高于与引水量间的相关程度，表明县市粮食产量的增加主要依赖农业施肥量的增加。但乡镇粮食产量与引水量的相关系数达到了0.892，且通过了0.01水平上的显著性检验，同时与乡镇农业施肥量相关程度也较高，表明乡镇粮食产量的提高与施肥以及引水有密切关系。
3 主控因子与滩槽协同治理目标的驱动—响应关系
黄河下游河道治理主控因子指的是能够反映河道水沙条件和河道边界条件的物理量。经过一系列相关分析，确定进入黄河下游的年均流量（以花园口断面年均流量为代表）和游荡性河段控导工程密度为最重要的主控因子[14]。它们不但与大部分行洪输沙、社会经济、生态环境等子系统治理目标的代表性指标有相关关系，且相关系数较大。下面分别分析主控因子与各子系统滩槽协同治理目标间的驱动—响应关系。
3.1 主控因子与行洪输沙子系统治理目标的驱动—响应关系
整理铁谢—高村全河段的弯曲系数、河湾个数、主流摆幅与宽深比变化信息，将其与分河段对应的河势演变特征参数（因子）作相关分析，得到的相关系数见表3～表6。
由表3～表6可知，对于河湾个数和主流摆幅，全河段平均数据与各分河段的数据相关性较高（相关系数均大于0.8），因此全河段平均数据具有很强的代表性;而对于弯曲系数和宽深比数据，全河段平均数据的代表性则有所下降，尽管如此，全河段数据仍至少在两个分河段上相关系数超过0.7，且所有的相关系数均通过显著性水平为0.01的统计检验。为了便于分析，最终选择全河段平均弯曲系数、河湾个数、主流摆幅和宽深比作为初筛的河势演变代表性特征参数（因子）。
3.2 主控因子与生态环境子系统治理目标的驱动-响应关系
生态环境子系统治理目标代表性指标与花园口断面年均流量之间的对应关系见表7。当花园口断面年平均流量低于1 000 m3/s时，花园口断面1—3月、11—12月的适宜流量保证率均较低，小于50%，且4—6月适宜脉冲流量基本不会发生;利津站1—3月及4月适宜流量保证率低于50%，4月无适宜脉冲流量。
当花园口断面年平均流量为1 000～1 200 m3/s时，花园口断面1—3月、11—12月适宜流量保证率超过70%，4—6月适宜脉冲流量可发生1次;利津断面1—3月、4月适宜流量保证率超过70%。
当花园口断面年平均流量为1 200～1 300 m3/s时，花园口断面4—6月适宜流量保证率可达到100%。
当花园口断面年平均流量为1 300～1 400 m3/s时，利津断面1—3月、4月适宜流量保证率可达到100%，4月适宜脉冲流量可发生1次。
当花园口断面年平均流量大于1 400 m3/s时，花园口断面1—3月、11—12月适宜流量保证率可达到100%;大于1 500 m3/s时，利津断面4月适宜脉冲流量可发生2次;大于2 100 m3/s时，花园口断面4—6月适宜脉冲流量可发生2次以上。
综合考虑当前下游河道水资源供需矛盾及生态环境恢复的需求，选取河道典型断面流量保证率>70%、脉冲流量次数>1作为生态环境子系统治理目标阈值。
3.3 主控因子与社会经济子系统发展目标的驱动—响应关系
考虑社会经济稳定发展的需求，选取2005年以来黄河下游滩区乡镇年均粮食产量3.3万t和每年需要的引水量33.7亿m3作为社会经济子系统发展目标的代表性指标阈值。
3.4 滩槽协同治理模式下的主控因子阈值
黄河下游滩槽协同治理需满足行洪输沙、生态环境和社会经济等子系统之间的协同关系，在滩槽协同治理过程中，各子系统的治理目标尤其是相关性较高的代表性治理目标应维持在一定的阈值内。根据前述驱动—响应关系，可根据各子系统治理目标及其阈值反推滩槽协同治理模式下的主控因子阈值，见图9。 在花园口年均流量Q≥1 058 m3/s、下游河道全河段控导工程密度GM≥0.72的条件下，通过科学的水库调度和其他非工程措施配合，可将河流行洪输沙、社会经济、生态环境治理目标代表性指标均控制在合理的阈值内，实现河流三大子系统的协同发展。
需要特别指出的是，上述滩槽协同治理目标与主控因子的驱动—响应关系以及由此得到的相关阈值，是在合理简化河流系统复杂度的基础上探索各子系统协同演化发展过程的初步尝试，本研究所得的结论仅限于在宏观层面提高我们对黄河下游河道综合治理的系统性认识，精细化分析工作还有待进一步开展。
4 结 语
黄河下游河道是黄河流域内人与自然相互作用最强烈的区域，在该区域内自然、经济、社会各种因素交织影响、错综复杂。如何确保河流自然属性与社会属性的整体协调、处理好治河与滩区社会发展的矛盾，是黄河下游河道治理突破的关键。随着黄河流域下垫面条件、进入黄河下游的水沙条件、区域社会经济发展等因素的显著变化，特别是黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施，运用系统思想与方法来研究并实现黄河下游河道滩与槽的协同治理，成为新时代下游河道治理综合提升的重中之重。
本文尝试从系统角度来探讨黄河下游河道治理工作，以滩槽协同治理以及行洪输沙、社会经济和生态环境子系统协调发展为目标，厘定了各子系统滩槽协同治理目标代表性指标及其阈值，确定了黄河下游河道治理主控因子，进而构建了主控因子与各子系统滩槽协同治理目标的驱动—响应关系，据此反推滩槽协同治理模式下的主控因子阈值，以期为未来黄河下游河道治理决策提供科学依据和理论支撑。
参考文献：
[1] 钱学森.一个科学新领域：开放的复杂巨系统及其方法论[J].上海理工大学学报，2011，33（6）：526-532.
[2] SCHUMM S A. The Fluvial System[M]. New York： John Wiley and Sons， 1977：3-12.
[3] 钱学森.基础科学研究应该接受马克思主义哲学的指导[J].哲学研究，1989（10）：3-8.
[4] 钱学森，于景元，戴汝为.一个科学新领域：开放的复杂巨系统及其方法论[J].自然杂志，1990，13（1）：3-10.
[5] 卢明森.“开放的复杂巨系统”概念的形成[J].中国工程科学，2004，6（5）：17-23.
[6] 李少华，董增川，周毅.复杂巨系统视角下的水资源安全及其研究方法[J].水资源保护，2007，23（2）：1-3.
[7] 刘宁.水基系统的概念内涵与演进研究[J].水科学进展，2005，16（4）：475-481.
[8] ARMBRUSTER J T. An Infiltration Index Useful in Estimating Low-Flow Characteristics of Drainage Basins[J]. J Res USGS， 1976， 4（5）： 533-538.
[9] PETTS G E，GURNELL A M. Dams and Geomorphology： Research Progress and Future Directions[J]. Geomorphology， 2005， 71（1/2）： 27-47.
[10] RASKIN P D， HANSEN E， MARGOLIS R M. Water and Sustainability： Global Patterns and Long-Range Problems[J]. Natural Resources Forum，1996， 20（1）：1-15.
[11] 趙业安，周文浩，潘贤娣，等. 黄河下游河道演变基本规律[M].郑州：黄河水利出版社，1998： 1-210.
[12] 张红武.黄河流域生态保护和经济社会高质量发展的实现途径[J].中国水利，2019（23）：27-30.
[13] 张红武.黄河流域保护和发展存在的问题与对策[J].人民黄河，2020，42（5）：1-10，16.
[14] 张红武，张俊华，钟德钰，等.黄河下游游荡型河段的治理方略[J].水利学报，2011，42（1）：8-13.
[15] 张红武，李振山.黄河下游河道与滩区治理研究[J].中国环境管理，2018，10（1）：99-100.
[16] 张红武.黄河下游“二级悬河”成因及治理对策[C]//廖义伟.黄河下游“二级悬河”成因及治理措施学术研讨会论文集.郑州：黄河水利出版社，2003：171-178.
[17] 李国英.治理黄河思辩与践行[M].北京：中国水利水电出版社，2003：1-180.
[18] 张俊华，许雨新，张红武，等.河道整治及堤防管理[M].郑州：黄河水利出版社，
1998：70-75.
[19] 张红武，江恩惠，白咏梅，等.黄河高含沙洪水模型的相似律[M].郑州：河南科学技术出版社，1994：1-216.
[20] 胡春宏，陈建国，郭庆超，等.黄河水沙调控与下游河道中水河槽塑造[M].北京：科学出版社，2007：1-390.
[21] 何富荣.利用水力插板技术建设堤坝工程[J].港工技术，2001，2（6）：40-42.
[22] 张红武，张清. 黄河水流挟沙力的计算公式[J].人民黄河，1992，14（11）：7-9.
[23] 介玉新，刘正，杨光华，等. 基于应力空间的多重势面模型及其与邓肯-张模型的比较[J].岩土力学，2004，25（增刊2）：7-12.
[24] 张红武.警惕“利益链”羁绊海堤修建防险新技术[J].国是咨询， 2019（11）：20-22.
[25] 张红武，吕昕. 弯道水力学[M].北京：水利电力出版社，1993：1-220.
【责任编辑 张华兴】
关键词：滩槽协同治理;驱动—响应关系;河流系统分类;主控因子;治理目标;系统论;黄河下游
中图分类号：TV851;TV853;TV882.1 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.010
Abstract：With a series of significant changes in the underlying surface conditions， water and sediment conditions entering the lower reaches of the Yellow River and regional social and economic development， especially the implementation of the major national strategy of ecological protection and high-quality development in the Yellow River Basin， it has become the top priority in comprehensive control of the downstream river regulation in the new era by applying the idea of system and the method to study and implement synergistic regulation for floodplain and main channel of the Lower Yellow River. The river system in the lower Yellow River was divided into three subsystems of flood discharge and sediment transport subsystem to maintain the basic function of the main channel， social economy subsystem to ensure the production and life safety of beach residents and ecological environment subsystem to maintain the health of the ecological environment of the beach and main channel. On the basis of the three subsystems， the objectives and representative indicators of the sub-systems were mainly determined， of which， the representative indicators of flood discharge and sand transport subsystem control objectives included river regime stability and river flow capacity indicators; the representative indicators of ecological environment subsystem control objectives included appropriate flow assurance rate and appropriate flow pulse times of Huayuankou section and Lijin section; the representative indicators of social and economic subsystem control objectives included township grain output and water diversion. The driving-response relationship between the main control factors and the objectives of synergistic regulation for floodplain and main channel in each subsystem was constructed respectively and the multi-dimensional control objectives and the main controlling factor thresholds under the synergistic regulation mode of the lower Yellow River were proposed. Key words： synergistic regulation for floodplain and main channel; driving-response relationship; river system classification; main controlling factor; control objective; system theory; Lower Yellow River
1 研究背景
系统在自然界和人类社会中是普遍存在的，按不同原则可将系统划分为各种不同的类型[1]。系统论是研究现实系统或可能系统的一般规律和性质的理论，而系统方法是把研究对象作为系统进行定量化、模型化和择优化研究的科学方法，包括协同论、博弈论等方法。系统理论是当今最有影响力的科学研究与管理的思维方法，20世纪40年代，奥地利生物学家贝塔朗菲提出“一般系统论”;1977年，舒姆[2]提出了河流系统的概念;钱学森把系统分为简单系统和巨系统两大类[3]，并提出了开放的复杂巨系统理论[4-5]。
黄河下游河道是黄河流域最为复杂难治的河段，经过多年的持续治理，黄河下游防洪安全得到进一步提升，游荡型河段得到深度治理、河势趋于稳定。然而，滩区社会经济发展和黄河下游防洪安全仍存在需要协调和解决的难题。习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话中指出，目前黄河治理保护工作取得了举世瞩目的成就，但是当前黄河流域仍然存在一些突出困难和问题，如洪水风险依然是流域的最大威胁，流域生态环境脆弱等;指出系统治理是解决当前黄河流域存在的各种问题的重要途径。因此，黄河下游河道治理不仅涉及河道行洪输沙问题，还涉及河道生态流量保障、生物多样性提高以及河道内外的社会经济发展问题。在未来一定时期内，黄河流域的治理开发需要以系统理论为指导，开展流域治理开发重大问题的研究，最终达到黄河下游河流系统整体的最优状态。
目前，随着人们对水问题复杂性认知程度的提高，许多研究者开始从系统的角度开展水问题的研究[6-7]，基于河流系统在水资源配置与河流生态系统研究方面的应用也很多[8-13]。黄河下游河道治理的本质问题是河流系统中的一个多约束、多目标的优化问题。围绕这一问题，黄河水利科学研究院在十二五国家科技支撑计划、水利部公益性行业科研专项、国家自然科学基金重点项目的支持下，开展了宽滩区滞洪沉沙功能及滩区减灾技术研究、黃河泥沙资源利用成套技术研发与示范、游荡性河道河势演变与稳定控制系统理论等研究工作，初步将系统理论与方法引入黄河下游河道治理的研究之中。江恩慧等[14]进行的黄河下游滩槽协同治理架构及运行机制研究，引入系统理论与方法，构建了黄河下游滩槽协同治理理论体系和治理效应的三维评价模型，实现了对黄河下游滩槽治理效应的综合评价。
本文针对黄河水沙变化、下游河道与滩区治理存在的现实矛盾及国家社会经济发展对黄河治理提出的新要求，从河流系统的角度探讨黄河下游河道的滩槽协同治理，以行洪输沙、社会经济和生态环境协调发展为目标，应用并发展系统论方法，探索漫滩洪水和长序列枯水交互作用下滩槽协同治理主控因子与河槽形态调整、社会经济发展及生态系统演化的驱动—响应关系，明晰滩槽协同治理模式下各子系统治理目标及其主控因子的响应阈值。
2 基于系统论的黄河下游河道河流系统滩槽协同治理目标
2.1 黄河下游河道河流系统结构概述
从系统论的角度，将黄河下游河道视为一个复杂的巨系统，将河道综合治理的各种影响因素分为维持主河槽基本功能的行洪输沙子系统、保障滩区居民生产生活安全的社会经济子系统、维持滩槽生态环境健康的生态环境子系统。各个子系统之间具有密切的有机联系，共同维系黄河下游河道河流系统的存在、发展和演化（见图1）。
行洪输沙子系统包括河流河岸带、河床、水体、涉水工程等，关系到河流水沙物质输移，并直接对社会经济和生态环境产生影响;社会经济子系统包括经济社会发展状况（如GDP、粮食产量等）以及体现河流对经济社会发展支撑功能的指标（如引水量等）;生态环境子系统包括河流及滨河区域的生物群落、栖息地、植被等与生态环境有关的要素。行洪输沙子系统为社会经济子系统和生态环境子系统提供必要的水沙条件，生态环境子系统是保证河流健康发育和社会经济可持续发展的重要基础，社会经济子系统则是河流和生态环境子系统社会价值的具体体现，同时社会经济子系统也通过一定的方式对河流和生态环境子系统进行干预和修复。
2.2 基于下游河道河流系统整体性的滩槽协同治理目标
黄河下游河道河流系统的物质与能量交换，既受上下游边界条件的约束，又受行洪输沙、社会经济、生态环境3个子系统内部因子的约束，前者属外部约束，后者属内部约束。黄河下游河道是典型的复式断面，宽滩窄槽，主河槽强烈游荡，伴随着滩槽关系的剧烈调整，使其成为世界上最复杂难治的河流。下游宽滩区肩负大洪水期行洪、滞洪、沉沙的功能，又是189万滩区居民生产生活的家园，在保障黄河防洪安全的同时，长期遭受主河槽游荡摆动和洪水漫滩的双重危害。特别是“二级悬河”的形成进一步恶化了河道横断面形态，不仅加大了对黄河大堤的威胁，也平添了对滩区居民“小水大灾”的困扰。随着黄河水沙情势变化和小浪底水库运用，黄河下游河道治理具备了“实现黄河防洪安全与滩区发展双赢”的前提条件。因此，黄河下游河道必须基于河流系统的整体性，实行滩槽综合治理，达到稳定主槽、构建和谐滩槽关系的目的。开展滩槽协同治理，首先要对3个子系统的治理目标分别进行梳理，藉此建立治理目标与水沙过程、河床边界条件的驱动—响应关系。
2.2.1 行洪输沙子系统治理目标
行洪输沙子系统治理目标主要包括反映河势稳定控制、河道过流能力、滩区滞洪沉沙能力的一系列指标。其中：河势稳定控制目标包括河流弯曲系数、河湾个数、河段主流摆幅、河段宽深比等，河道过流能力目标包括典型河段平滩流量等，滩区滞洪沉沙能力目标包括滩区面积、漫滩洪水滞洪量、削峰率、沉沙量等。 2.2.2 生态环境子系统治理目标
生态环境子系统治理目标的表征指标包括河流水质、水面面积、栖息地面积、生物多样性、生态需水保障程度、植被覆盖度等，反映河流系统中各种生物的生存环境、生存范围、物种结构以及生物关键发育时期对流量、水量和河水涨落时机等一系列需求的保障和满足程度，体现河流对其生态系统的支撑程度。
2.2.3 社会经济子系统发展目标
社会经济子系统发展目标的表征指标包括滩区GDP、第一产业产值、种植面积、粮食产量、引水量等。黄河下游的用水以灌溉为主，因此在社会经济约束因子选取过程中，偏重表征农业生产方面的因子。
2.3 各子系统治理目标代表性指标遴选
河流系统各子系统的治理目标并非都是相互独立的，需要通过相关性检验遴选出代表性指标，用这些代表性指标表征各子系统的主要特征，并分析各子系统之间的相互作用关系。
2.3.1 行洪输沙子系统代表性指标
行洪输沙子系统治理目标的代表性指标为河势稳定控制指标和河道过流能力指标。通过相关性分析，确定河势稳定控制指标为河流弯曲系数、河湾个数、河段主流摆幅和宽深比，反映游荡性河道的河势变化特征;河道过流能力指标选取下游最小平滩流量。
2.3.2 生态环境子系统代表性指标
生态环境子系统治理目标的代表性指标包括花园口断面1—3月、4—6月、11—12月適宜流量保证率，4—6月适宜脉冲流量次数，利津断面1—3月、4月适宜流量保证率和4月适宜脉冲流量次数等7个因子。
2.3.3 社会经济子系统代表性指标
遴选社会经济子系统发展目标的代表性指标时，采用黄河下游各县市（各乡镇）的平均值来进行分析。社会经济各因子间的相关系数见表1。县市第一产业产值和县市粮食产量相关程度较高，县市粮食产量和县市农业人口之间的相关程度高于县市第一产业产值和农业人口的相关程度，表明农业人口对粮食产量的贡献大于其对第一产业产值的贡献。县市粮食产量与县市农业施肥量间的相关程度高于与引水量间的相关程度，表明县市粮食产量的增加主要依赖农业施肥量的增加。但乡镇粮食产量与引水量的相关系数达到了0.892，且通过了0.01水平上的显著性检验，同时与乡镇农业施肥量相关程度也较高，表明乡镇粮食产量的提高与施肥以及引水有密切关系。
3 主控因子与滩槽协同治理目标的驱动—响应关系
黄河下游河道治理主控因子指的是能够反映河道水沙条件和河道边界条件的物理量。经过一系列相关分析，确定进入黄河下游的年均流量（以花园口断面年均流量为代表）和游荡性河段控导工程密度为最重要的主控因子[14]。它们不但与大部分行洪输沙、社会经济、生态环境等子系统治理目标的代表性指标有相关关系，且相关系数较大。下面分别分析主控因子与各子系统滩槽协同治理目标间的驱动—响应关系。
3.1 主控因子与行洪输沙子系统治理目标的驱动—响应关系
整理铁谢—高村全河段的弯曲系数、河湾个数、主流摆幅与宽深比变化信息，将其与分河段对应的河势演变特征参数（因子）作相关分析，得到的相关系数见表3～表6。
由表3～表6可知，对于河湾个数和主流摆幅，全河段平均数据与各分河段的数据相关性较高（相关系数均大于0.8），因此全河段平均数据具有很强的代表性;而对于弯曲系数和宽深比数据，全河段平均数据的代表性则有所下降，尽管如此，全河段数据仍至少在两个分河段上相关系数超过0.7，且所有的相关系数均通过显著性水平为0.01的统计检验。为了便于分析，最终选择全河段平均弯曲系数、河湾个数、主流摆幅和宽深比作为初筛的河势演变代表性特征参数（因子）。
3.2 主控因子与生态环境子系统治理目标的驱动-响应关系
生态环境子系统治理目标代表性指标与花园口断面年均流量之间的对应关系见表7。当花园口断面年平均流量低于1 000 m3/s时，花园口断面1—3月、11—12月的适宜流量保证率均较低，小于50%，且4—6月适宜脉冲流量基本不会发生;利津站1—3月及4月适宜流量保证率低于50%，4月无适宜脉冲流量。
当花园口断面年平均流量为1 000～1 200 m3/s时，花园口断面1—3月、11—12月适宜流量保证率超过70%，4—6月适宜脉冲流量可发生1次;利津断面1—3月、4月适宜流量保证率超过70%。
当花园口断面年平均流量为1 200～1 300 m3/s时，花园口断面4—6月适宜流量保证率可达到100%。
当花园口断面年平均流量为1 300～1 400 m3/s时，利津断面1—3月、4月适宜流量保证率可达到100%，4月适宜脉冲流量可发生1次。
当花园口断面年平均流量大于1 400 m3/s时，花园口断面1—3月、11—12月适宜流量保证率可达到100%;大于1 500 m3/s时，利津断面4月适宜脉冲流量可发生2次;大于2 100 m3/s时，花园口断面4—6月适宜脉冲流量可发生2次以上。
综合考虑当前下游河道水资源供需矛盾及生态环境恢复的需求，选取河道典型断面流量保证率>70%、脉冲流量次数>1作为生态环境子系统治理目标阈值。
3.3 主控因子与社会经济子系统发展目标的驱动—响应关系
考虑社会经济稳定发展的需求，选取2005年以来黄河下游滩区乡镇年均粮食产量3.3万t和每年需要的引水量33.7亿m3作为社会经济子系统发展目标的代表性指标阈值。
3.4 滩槽协同治理模式下的主控因子阈值
黄河下游滩槽协同治理需满足行洪输沙、生态环境和社会经济等子系统之间的协同关系，在滩槽协同治理过程中，各子系统的治理目标尤其是相关性较高的代表性治理目标应维持在一定的阈值内。根据前述驱动—响应关系，可根据各子系统治理目标及其阈值反推滩槽协同治理模式下的主控因子阈值，见图9。 在花园口年均流量Q≥1 058 m3/s、下游河道全河段控导工程密度GM≥0.72的条件下，通过科学的水库调度和其他非工程措施配合，可将河流行洪输沙、社会经济、生态环境治理目标代表性指标均控制在合理的阈值内，实现河流三大子系统的协同发展。
需要特别指出的是，上述滩槽协同治理目标与主控因子的驱动—响应关系以及由此得到的相关阈值，是在合理简化河流系统复杂度的基础上探索各子系统协同演化发展过程的初步尝试，本研究所得的结论仅限于在宏观层面提高我们对黄河下游河道综合治理的系统性认识，精细化分析工作还有待进一步开展。
4 结 语
黄河下游河道是黄河流域内人与自然相互作用最强烈的区域，在该区域内自然、经济、社会各种因素交织影响、错综复杂。如何确保河流自然属性与社会属性的整体协调、处理好治河与滩区社会发展的矛盾，是黄河下游河道治理突破的关键。随着黄河流域下垫面条件、进入黄河下游的水沙条件、区域社会经济发展等因素的显著变化，特别是黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施，运用系统思想与方法来研究并实现黄河下游河道滩与槽的协同治理，成为新时代下游河道治理综合提升的重中之重。
本文尝试从系统角度来探讨黄河下游河道治理工作，以滩槽协同治理以及行洪输沙、社会经济和生态环境子系统协调发展为目标，厘定了各子系统滩槽协同治理目标代表性指标及其阈值，确定了黄河下游河道治理主控因子，进而构建了主控因子与各子系统滩槽协同治理目标的驱动—响应关系，据此反推滩槽协同治理模式下的主控因子阈值，以期为未来黄河下游河道治理决策提供科学依据和理论支撑。
参考文献：
[1] 钱学森.一个科学新领域：开放的复杂巨系统及其方法论[J].上海理工大学学报，2011，33（6）：526-532.
[2] SCHUMM S A. The Fluvial System[M]. New York： John Wiley and Sons， 1977：3-12.
[3] 钱学森.基础科学研究应该接受马克思主义哲学的指导[J].哲学研究，1989（10）：3-8.
[4] 钱学森，于景元，戴汝为.一个科学新领域：开放的复杂巨系统及其方法论[J].自然杂志，1990，13（1）：3-10.
[5] 卢明森.“开放的复杂巨系统”概念的形成[J].中国工程科学，2004，6（5）：17-23.
[6] 李少华，董增川，周毅.复杂巨系统视角下的水资源安全及其研究方法[J].水资源保护，2007，23（2）：1-3.
[7] 刘宁.水基系统的概念内涵与演进研究[J].水科学进展，2005，16（4）：475-481.
[8] ARMBRUSTER J T. An Infiltration Index Useful in Estimating Low-Flow Characteristics of Drainage Basins[J]. J Res USGS， 1976， 4（5）： 533-538.
[9] PETTS G E，GURNELL A M. Dams and Geomorphology： Research Progress and Future Directions[J]. Geomorphology， 2005， 71（1/2）： 27-47.
[10] RASKIN P D， HANSEN E， MARGOLIS R M. Water and Sustainability： Global Patterns and Long-Range Problems[J]. Natural Resources Forum，1996， 20（1）：1-15.
[11] 趙业安，周文浩，潘贤娣，等. 黄河下游河道演变基本规律[M].郑州：黄河水利出版社，1998： 1-210.
[12] 张红武.黄河流域生态保护和经济社会高质量发展的实现途径[J].中国水利，2019（23）：27-30.
[13] 张红武.黄河流域保护和发展存在的问题与对策[J].人民黄河，2020，42（5）：1-10，16.
[14] 张红武，张俊华，钟德钰，等.黄河下游游荡型河段的治理方略[J].水利学报，2011，42（1）：8-13.
[15] 张红武，李振山.黄河下游河道与滩区治理研究[J].中国环境管理，2018，10（1）：99-100.
[16] 张红武.黄河下游“二级悬河”成因及治理对策[C]//廖义伟.黄河下游“二级悬河”成因及治理措施学术研讨会论文集.郑州：黄河水利出版社，2003：171-178.
[17] 李国英.治理黄河思辩与践行[M].北京：中国水利水电出版社，2003：1-180.
[18] 张俊华，许雨新，张红武，等.河道整治及堤防管理[M].郑州：黄河水利出版社，
1998：70-75.
[19] 张红武，江恩惠，白咏梅，等.黄河高含沙洪水模型的相似律[M].郑州：河南科学技术出版社，1994：1-216.
[20] 胡春宏，陈建国，郭庆超，等.黄河水沙调控与下游河道中水河槽塑造[M].北京：科学出版社，2007：1-390.
[21] 何富荣.利用水力插板技术建设堤坝工程[J].港工技术，2001，2（6）：40-42.
[22] 张红武，张清. 黄河水流挟沙力的计算公式[J].人民黄河，1992，14（11）：7-9.
[23] 介玉新，刘正，杨光华，等. 基于应力空间的多重势面模型及其与邓肯-张模型的比较[J].岩土力学，2004，25（增刊2）：7-12.
[24] 张红武.警惕“利益链”羁绊海堤修建防险新技术[J].国是咨询， 2019（11）：20-22.
[25] 张红武，吕昕. 弯道水力学[M].北京：水利电力出版社，1993：1-220.
【责任编辑 张华兴】