基于流域系统科学的黄河下游河道系统治理研究

江恩慧， 屈博， 王远见， 田世民,3， 李军华， 曹永涛,3

(1.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003； 2.河南省湖库功能恢复与维持工程技术研究中心，河南 郑州 450003； 3.河南省黄河水生态环境工程技术研究中心，河南 郑州 450003)

黄河下游河道因剧烈的游荡特性与悬河特征使其治理成为世界性难题[1]，历史上平均三年两决口、百年一改道，给中华民族带来了沉重灾难。人民治黄以来，围绕防洪保安全的战略目标，国家投入大量人力物力，开展了大规模的河道治理工作，基本实现了河势稳定，保障了伏秋大汛岁岁安澜。然而，近年来随着进入黄河下游水沙条件、两岸社会经济发展状况等发生的显著变化，特别是国家明确提出了实施河道和滩区综合提升治理工程之后，黄河下游河道治理目标已由单一的防洪安全提升为行洪输沙-社会经济-生态环境多维功能的协调发挥[2]。然而，由于人们认知水平的限制，传统河流治理思维局限于水、沙、河道边界等河道行洪输沙要素，已经不能适应新时代发展的需求[3-6]。因此，未来黄河下游河道治理迫切需要以更加系统全面的治理思维为引导，把黄河下游河流系统中的行洪输沙、社会经济和生态环境等各组成单元作为一个有机的整体统筹考虑。

河流治理与国家的经济社会发展水平密切联系。欧美发达国家已于21世纪初率先迈入河流综合治理阶段，不再单纯追求水资源利用、水环境治理、水生态修复等自然维度的河流治理，开始强调自然-社会-经济复合价值的实现，为我国河流治理带来了重要的借鉴与参考。我国河流治理理论与实践相对落后，但发展迅速，近年来许多学者已经从河流系统的角度在水资源配置与河流生态系统方面开展了大量研究[7-11]。针对复杂难治的黄河下游，江恩慧等[12]以系统理论与方法为引领，基于近10年的探索与实践，提出了流域系统科学的概念，并构建了一套全新的黄河下游河道滩槽协同治理理论与技术体系，为实施黄河下游河道和滩区综合提升治理工程提供了重要的技术支撑。

本文将从梳理发达国家河流的治理历程及经验入手，阐释黄河下游河道系统治理的必然性与必要性，并分析其系统治理的战略需求，进而探索流域系统科学及其在黄河下游河道滩槽协同治理中的应用价值，旨在为破解黄河下游河道和滩区综合提升技术难题、促进黄河流域生态保护和高质量发展提供方向指引和科学支撑。

1 发达国家河流治理历程及启示

1.1 发达国家河流治理历程

河流是人类社会发展的生命线。几千年来，人类傍水而居，从事农牧业生产，水进人退、水退人进，河流自身演变主导了人水关系。近百年来，随着工业化和城市化进程加速，人类对河流的干扰不断增强，水利水电工程开始遍地开花。据统计，百余年人类工程改造的结果超过了几千年历史记载的河流变迁的总和[13]。

自20世纪初，欧美等发达国家率先在全球范围内掀起了修筑大坝工程的热潮，但在初期受技术水平限制，修筑的主要是低坝，水电开发水平很低。20年代后，高坝技术逐渐成熟，发达国家开始大量修坝进行河流梯级开发，并在50年代达到高峰期。70年代后，随着社会环保呼声越来越大，加之对水电能源的依赖性减小，发达国家开始着手治理河流污染，恢复河流生态功能。进入21世纪，发达国家进一步提出了更加多元化的治理目标，不仅涉及水资源、水环境、水生态等河流自然功能的良性维持，还涉及区域经济发展等河流社会服务功能的综合发挥。根据治理思想的变化与差异，本文将发达国家河流治理的历程划分为工程开发、环境治理、生态修复和综合治理4个发展阶段，具体见表1。

表1 发达国家河流治理的发展阶段

1.1.1 工程开发阶段

工程开发阶段起始于20世纪初，主要以水旱灾害防御、水资源开发利用为治理目标，通过工程技术手段对河流水资源进行重新配置，实现“除水患、兴水利”的目的，保障和提高人民生存所需的生存空间和生活生产用水等。在该阶段，人们面对水问题从消极躲避的思想转变为依靠工程技术手段解决，包括修堤、筑坝、建库、凿井、开渠等工程形式，并强化对河流的影响和控制，侧重点在于改造自然、征服自然[14]。该阶段水利工程的规划主要从经济效益出发，基本不考虑对环境和社会的影响。世界上第一座超大型水坝——胡佛水坝、美国最大的发电和灌溉两用水坝——大古力水坝等均兴建于这一阶段，产生了巨大的防洪、灌溉、发电、航运、供水等综合效益。

然而，随着社会经济发展与科学技术进步，人们逐渐意识到水利工程带来的益处常以付出高昂的环境和社会成本为代价[15]。大坝阻断河流廊道的连续性，对河流的水力学特征、泥沙的输移以及水生生物的栖息和迁移都会造成巨大的负面影响，如美西地区水坝群打乱了可以保持生态平衡的大自然涌旱规律，使得科罗拉多河的部分河道因为断流而淤塞，同时也造成无数鲑鱼因无法入海而死亡；密西西比河水运工程和沿岸堤防的建设阻碍了夏汛期间水沙向邻近沼泽地的漫流，使得泥沙淤积严重[16]。

1.1.2 环境治理阶段

环境治理阶段兴起于20世纪中叶，主要是针对日益严峻的水污染问题，以加强环境保护、改善人居环境为指导思想，对河流水体污染进行控制和治理。在该阶段，人们对待河流逐渐从粗暴的掠夺关系转变为开发利用关系，治理目标从以水旱灾害防御为主转变为以水资源开发利用为主，并开始考虑水利工程建设的环境效益和社会效益。但从本质上来讲，该阶段侧重于采用人工调控措施[17]，包括排污管控、疏挖底泥、引水冲淤等技术时段，仍以追求水资源产生的经济效益为主，属于改造自然阶段。1948年，美国颁布了《水污染防治法案》，是赋予联邦政府介入水污染防治问题权利的首项法律，随后进行了修订完善，相继颁布了《水污染防治法案修正案》(1956)、《水质量法案》(1965)、《联邦水污染控制法案》等[18]。欧洲成立了保护莱茵河国际委员会(ICPR)，并于1963年签订《莱茵河保护公约》，以解决莱茵河日益严重的环境污染和水污染问题。

1.1.3 生态修复阶段

生态修复阶段是环境治理阶段的发展和延伸，但二者又有本质的区别。在该阶段，河流治理目标呈现多元化，考虑水资源利用、水环境治理、水生态修复统筹兼顾，人与河流的关系表现为依存。同时，治理手段也是区别于前2个阶段的主要特征，该阶段倡导“自然力量”而不是人为调控，通过拆除水坝、堤防自然化、河道重新弯曲化等措施，将河流恢复到相对天然状态，以减轻人类活动对河流的影响，维持河流环境的多样性、物种多样性以及河流生态系统平衡，侧重点在于尊重自然和保护自然。

发达国家河流生态修复的时间略有不同，1965年Ernst Bittmann在莱茵河用芦苇和柳树进行生态护岸试验，成为最早的河流生态修复实践[19]。1980年，美国启动基西米河生态恢复工程，旨在恢复洪泛平原的整个生态系统[20]。1987年，ICPR提出了莱茵河行动计划，以生态系统恢复作为莱茵河重建的主要指标，目标是在2000年实现鲑鱼重返莱茵河[21]。1990年，日本提出河川治理“多自然型建设工法”，逐步恢复河道及河岸的自然状态[22]。欧盟于2000年通过了《欧盟水框架指令》，指导欧洲河流生态保护与修复[23]。

1.1.4 综合治理阶段

综合治理阶段开始于21世纪初，最显著的特点是河流治理更加趋于多目标和综合化，强调自然-社会-经济复合价值的实现。在该阶段，不再单纯追求水资源利用、水环境治理、水生态修复等自然维度的河流治理，开始统筹考虑流域自然、社会、经济等更高维度的综合化和平衡化，通过自然途径和人工措施的协同作用，实现人与自然的和谐共处。

1992年6月，联合国环境与发展大会讨论并通过了《里约环境与发展宣言》(又称地球宪章)与《21世纪议程》等纲领性文件，明确指出人类应与自然和谐一致、可持续发展并为后代提供良好的生存发展空间。1993年，英国Gardiner正式提出以流域可持续发展为目标的流域综合治理理念，使得以流域资源可持续利用、生态环境建设和社会经济协调发展为目标的流域综合治理在美国、澳大利亚和英国等发达国家广泛兴起[24]。

1.2 发达国家河流治理经验与启示

纵观发达国家百年来河流治理的发展历程和实践经验可以看出，随着经济社会发展水平不断提高，人们对河流服务功能的需求逐步调整，对河流治理的认识也不断加深，普遍经历了“先开发后保护”、“先污染后治理”、“先破坏后修复”、“先单一后综合”的过程[25]，水生态环境状况也经历了从良好到恶化再到改善恢复的曲折过程。发达国家在河流治理进程中的主要做法和经验，为我国提供了重要启示，本文将其概括为以下3个方面。

1.2.1 人水关系和谐化

发达国家河流治理历程表明，人水矛盾是始终存在的，无论是单纯考虑人类力量的“人进水退”，还是单纯考虑自然力量的“水进人退”都是行不通的。因此，必须正确认识人与自然的关系，把握“人水和谐”在河流治理中的指导思想地位，注重自然和人类力量的共同作用，不断完善河流治理保护的发展理念。

1.2.2 治理目标多元化

河流问题与国家的经济社会发展水平密切联系。在社会经济发展中，必将逐渐从传统的单一问题转向现代综合型问题、从局部性问题转向流域性(区域性)问题，如图1所示。因此，必须正确把握河流问题的属性和尺度，积极推进治理目标向多元化、全面化转变，不断调整河流治理发展思路与战略重点，推动实现流域(区域)自然-社会-经济协调发展。

图1 发达国家河流问题与治理目标演化过程

1.2.3 治理思想综合化

河流治理所面临的各种问题不是孤立的，流域内各自然要素与社会、经济、人口等要素，以及上下游、左右岸各区段之间存在着共生和因果联系，任一要素的变化或某一区段的局部性调整均将对整个流域产生重要影响[26]。必须跳出流域内部任何一个单元或区段的治理，将流域看作一个由各级河流健康、生态环境持续、社会经济发展协同组成的复杂巨系统，实施统筹协调和系统治理，促进流域生态保护和高质量发展。

2 新时代黄河下游河道系统治理的战略需求

2.1 黄河下游河道基本情况

黄河下游河道由主河槽与滩地共同构成，是典型的“宽滩窄槽”复式断面，滩槽关系十分复杂，历来是最复杂、最难治理的河段，河道滩槽结构如图2所示。

图2 黄河下游河道复杂滩槽结构示意图

1)游荡性最剧烈。黄河下游游荡性河段起于河南孟津白鹤，止于山东东明高村，河道全长299 km，流经洛阳、焦作、郑州、新乡、开封、菏泽、濮阳等地市。河道主流摆动频繁、摆动幅度巨大，在低限以下到高耸河段，摆动范围最大的时候可以达7～8 km，是世界上游荡性最为剧烈的河段。河床沙洲密布，水流宽、浅、散、乱，横河、斜河时有发生，严重的时候还要发生滚河。

2)临背高差最大。黄河水沙沙多，水沙不协调，致使下游河道淤积严重。历史上泥沙日积月累、年复一年的淤积，使得河床逐步抬高，黄河下游成为当今世界悬河形势最为严峻的河段。根据测算，现状黄河下游临背高差(临背高差指大堤之内河床和大堤之外地面的高差)达4～6 m。更甚者，近年来黄河下游主槽淤积加重，逐步形成了滩唇高仰、堤根低洼的“二级悬河”，进一步加剧了大堤溃决的风险。

3)大堤间距最宽。黄河下游陶城铺以上河段的大堤间距达5～20 km，其中最宽的地方约24 km，是世界上堤距最宽的河段。河道内的滩地总面积3 544 km2，占河道面积的84%，涉及河南、山东两省14个市44个县(区)，滩区内有耕地25万hm2，村庄2 056个，人口接近200万。滩区既是行洪、滞洪、沉沙场所，又是广大群众生产生活家园，长期积累的治河与滩区社会经济发展的矛盾日益凸显，群众生产生活水平低下，已经成为豫鲁两省最贫穷的地带之一。

4)大堤决口最频繁。黄河下游是世界上大堤决口最为频繁的河段，历史上素有“三年两决口、百年一改道”的说法。目前，洪水风险依然是黄河下游的最大威胁，一旦决口，直接危及豫、鲁、皖、苏、冀5省所属的110个县(市)，范围达12万km2，耕地1.12亿亩，人口8 755万，将造成巨大的经济损失和生态灾害。

2.2 黄河下游河道治理现状

人民治黄以来，王化云等新中国第一代治黄人融数千年治黄经验与现代科技思想为一体，先后创造性地提出了“宽河固堤”、“蓄水拦沙”、“上拦下排、两岸分滞”等治黄新方略，极大改变了下游的防洪形势，保障了伏秋大汛岁岁安澜，确保了人民生命财产安全。

近年来，随着来水来沙的大幅减少，以及小浪底水库及其上游水库群联合调控能力的增强和水沙调控技术的提高，进入黄河下游的水沙过程已基本成为人为控制的过程；另一方面，国家提出了进一步稳定主槽、实现黄河下游防洪安全与滩区高质量发展双赢的新要求，这些都极大推动了黄河下游河道治理目标的调整，并引起了国内外学者对黄河下游治理方略进一步发展的争论。目前主要有两种观点[27]：一种主张延续“宽河固堤”方略，要求废除生产堤，加强滩区建设、政策补偿，力求恢复原来的面貌；另一种主张在保留大堤的同时，不废除生产堤，而是对生产堤进行加固升级形成防护堤，使滩区在某一标准洪水下可保安全，并衍生出许多类似的分区治理策略[28]。

由于缺乏科学系统的理论与方法，这些观点或是局限于水、沙、河道边界等河道行洪输沙要素，而对与之协同互馈的社会经济和生态环境要素以及上、中、下、河口等不同区段的关联关系考虑较少，极容易陷入“只见树木，不见森林”的泥潭；或是基于一些定性的描述结果，只能给出相对笼统的可行性方案，缺少一定的说服力。因此，在持久的争论中始终无法达成共识，难以为黄河下游河道治理保护与工程实践提供强有力的支撑。

2.3 黄河下游河道系统治理的战略需求

黄河下游河道治理是一个复杂的系统工程，在这个系统中是以抗御洪水为主导、自然环境为依托、土地资源为命脉、社会文化为经络，不但受系统外社会、环境和上下游边界条件约束，还受系统内滩与槽关系的强力制约，自然、经济、社会各种因素交织影响、错综复杂[29]。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明确提出，“要更加注重保护和治理的系统性、整体性、协同性”，即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。

在此情势下，黄河下游河道的治理亟需以系统理论为指导，统筹考虑河道的滩与槽、上-中-下-河口不同区段和行洪输沙-社会经济-生态环境多维功能，通过河道整治的宏观问题和河流泥沙动力学的微观问题有机联系、社会科学问题与自然科学问题有机结合的途径，开展定量化、模型化和择优化研究，达到黄河下游河流系统整体的最优状态，实现流域-区域生态保护和高质量发展。

3 流域系统科学及其在黄河下游河道治理中的应用

3.1 流域系统科学的提出及其内涵

与欧美等发达国家相比，我国河流治理的理论与实践起步较晚。但进入21世纪以来，尤其是新时代生态文明思想和十六字治水思路的提出，河流系统治理的理论与技术迅速发展，目前已接轨国际前沿水平。

近年来，得益于系统科学的发展及其在地球科学、生态学中的成功应用，国内外学者开始尝试将其进一步拓展至河流治理研究中，并由此促成了流域科学[30]、区域生态学[31-32]、自然-社会二元水循环理论体系[33]、社会水文学[34]、流域水系统理论[35]等新的学科方向，为研究自然-社会-经济各组成单元之间的相互关系、突破流域协调发展问题提供了有益借鉴。但需要注意的是，这些研究成果大多侧重于河流的资源属性，强调水资源与社会、经济、生态等组成单元的供给关系。

对于洪水风险依然巨大的黄河下游，江恩慧等基于近10年的探索与实践，提出了流域系统科学的理论与方法体系，为黄河下游系统治理和社会经济高质量发展的战略布局与协同推进提供有力的研究工具和坚实的科学支撑[12]。该学科从河流系统功能的角度，将黄河下游河道划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和维持滩槽生态环境健康的生态环境子系统，认为3个子系统协同作用推动黄河下游河流系统的存在、发展和演化。其基础研究需求包括各子系统内部演化过程与机理、各子系统间相互作用关系与协同演化机制、流域系统协调发展策略与战略布局3个层次，研究方法也相应分为基础支撑学科方法体系、系统科学理论与方法、流域系统治理集成研讨厅3类。流域系统科学的基本框架如图3所示，更多相关信息可参见文献[12]。

图3 流域系统科学的基本框架

3.2 流域系统科学在黄河下游河道滩槽协同治理中的应用

近年来，江恩慧等在“十二五”国家科技支撑计划课题“黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能及滩区减灾技术研究”、国家自然科学基金重点项目“游荡性河道河势演变与稳定控制系统理论”、“十三五”国家重点研发计划“黄河干支流骨干枢纽群泥沙动态调控关键技术”、流域水治理重大科技问题研究项目“黄河下游滩区与河口治理战略研究”等项目的持续支持下，围绕黄河下游游荡性河道河势稳定、滩区防洪安全与高质量发展等目标，全面开展了黄河下游河道系统治理研究与实践，形成了流域系统科学这一新的学科方向，并构建了一套适应新时代需求的黄河下游河道滩槽协同治理理论与技术体系，为破解黄河下游河道和滩区综合提升治理技术难题提供了有力支撑。

3.2.1 黄河下游河道滩槽协同治理理论

1)厘清了黄河下游河道滩槽协同治理的多维约束因子与广义目标函数。通过海量数据的整理分析，厘定了黄河下游河道行洪输沙、社会经济和生态环境3个子系统内影响系统演变的29个约束因子，如图4所示。以“实现滩槽本身行洪输沙功能的同时，兼顾区域内社会经济、生态环境的协同发展”为滩槽协同治理目标，选取主槽平滩流量、河相系数、滩地平均横比降与河道纵比降比值、洪水受灾人数、洪水受灾损失、洪水淹没面积和淹没历时等7个指标建立了包含行洪输沙功能、社会经济功能和生态环境功能的黄河下游河道滩槽协同治理的广义目标函数。

图4 黄河下游河道滩槽协同治理的多维约束因子

2)揭示了黄河下游行洪输沙-社会经济-生态环境多维子系统调控因子与目标函数的驱动-响应关系。通过多维因子相关性分析，确定了黄河下游河道治理的2个主控因子——年均流量和游荡型河段工程密度，建立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，推算出滩槽协同治理模式下的主控因子阈值，即在花园口年均流量大于1 058 m3/s、河道控导工程密度大于0.72条件下，通过科学调度与管理，可将河道河势稳定控制、社会经济稳定发展、生态环境良性维持的代表性指标均控制在合理阈值内，实现河流三大子系统的协同发展[36]。

3)建立了黄河下游河道河势稳定控制与滩槽协同治理效应评价模型。基于水沙统筹、时间统筹和空间统筹评价原则，利用协同学原理和Pareto最优解原理，构建了黄河下游河道滩槽协同治理效应四层三维评价指标体系及模型，实现了对黄河下游河流健康总体治理目标长远效应的综合评价，如图5所示。

图5 黄河下游河道滩槽协同治理效应评价指标体系

3.2.2 黄河下游河道滩槽协同治理技术体系

1)提出了游荡性河道河势稳定控制“三级流路”优化技术。基于洪枯兼顾的控制原则，利用水沙输移与河床演变的自适应原理，提出了能够适应长期枯水、兼顾中水及大洪水河势稳定的黄河下游河道“三级流路”总体布局技术，优化了黄河下游河道整治工程群组布局参数，如图6所示。该成果已直接应用于黄河下游河道整治等重大生产实践，取得了巨大的社会经济和生态环境效益[37]。

图6 黄河下游河道“三级流路”总体布局

2)提出了黄河下游河道滩槽协同治理模式与框架方案。设计了“宽河固堤”现状模式的现状生产堤方案和生产堤全部破除方案、“宽河固堤”防护堤模式的防护堤不同间距(1.5、2.5、3.5 km)和不同标准(6 000、8 000、10 000 m3/s)组合方案、“窄河固堤”模式下不同堤距(3.5、5.0 km)方案等多组次黄河下游河道治理框架方案。基于准二维数学模型，对比分析了不同方案下宽滩区淹没情况及其对洪水演进、滞洪沉沙功能的影响。结果表明，3.5 km堤距、6 000～8 000 m3/s标准防护堤方案是相对最优，该方案既能实现中小流量高效输沙，又能在大洪水时充分发挥滩区滞洪沉沙功能，对于黄河下游洪、中、枯水沙过程均能适应。

3)提出了黄河下游滩区功能区划。根据滩槽的不同分区，充分考虑地方区域经济发展规划，提出了滩区功能区划，即从黄河大堤以内的主槽和滩地依次为：“高效输沙主河槽”、“嫩滩生态涵养区”、“二滩耕作区”、“高滩居民区”，如图7所示。

图7 黄河下游滩区功能区划

3.2.3 黄河下游流域与区域协同发展的管控机制

1)厘清了黄河下游滩区自然-经济-社会复合系统协同发展关联机制。基于灰色关联分析方法，建立了滩区土地利用与经济社会发展的关联性，发现二、三产业的发展是推动滩区土地利用结构变动的主要因素；基于协调度模型，评价了黄河下游土地利用与社会经济协调发展的综合水平，结果表明总体处于发展不协调的状态，当前滩区土地利用的开发程度远达不到经济发展的需求。

2)提出了新形势下滩区自然-经济-社会可持续发展优化模式。梳理了滩区经济社会发展的各反馈回路，建立了滩区自然-经济-社会协同发展系统动力学模型并开展仿真模拟。结果发现，高标准防护方案虽然提高了黄河下游滩区的防洪标准和滩区居民生产生活保障水平，但宜农宜居的环境对人口的吸引力也逐渐增大，形成了对人口增加的一种变相鼓励，这又将加剧滩区土地利用与滩区防洪滞沙功能之间的矛盾。因此,实施更加积极的人口管理，稳定未来滩区人口增速，是实现滩区自然-经济-社会协同可持续发展的必要措施[38]，如图8所示。

图8 黄河下游流域与区域协同发展的管控机制

3)提出了流域与区域协同发展的滩区管理对策。主要包括3项对策措施和2项政策建议，分别为：探索宽滩区分类分区管理和土地用途管制制度、划定滩区管理边界并明晰各方管理范围与职责和完善滩区经济社会发展统计监测和动态跟踪，建立健全合作协调机制和属地责任制和建立滩区土地利用保障机制。

4 结语

欧美等发达国家百年来的河流治理历程和实践经验为我国带来重要启示：随着社会经济发展水平的不断提高，河流系统治理是必然的和必要的。必须把握“人水和谐”在河流治理中的指导思想地位，积极推进河流治理目标向多元化、全面化转变，实施多维协调发展和系统治理。

当前，黄河下游河道治理目标已由单一的防洪安全提升为行洪输沙-社会经济-生态环境多维功能的协同发挥，传统单一的研究思维已无法适应时代发展的需求。因此，迫切需要以系统理论为引领，统筹考虑黄河下游河道的滩与槽、上-中-下-河口不同区段以及行洪输沙-社会经济-生态环境多维功能，开展黄河下游河道系统治理研究。

面对新的挑战，江恩慧等在“十二五”科技支撑计划、国家自然科学基金重点项目、“十三五”重点研发计划等项目的持续支持下，运用系统理论方法开展了探索性研究与实践，形成了流域系统科学这一新的学科方向，并构建了一套适应新时代需求的黄河下游河道滩槽协同治理理论与技术体系，从理论、技术和管控机制3个层面为破解黄河下游河道和滩区综合提升治理技术难题提供了有力支撑，社会效益和生态效益显著。