基于层次分析法的黄河口入海流路运用方案研究

陈雄波，王崇浩，陈松伟，刘 娟，端木灵子，王 彤

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003； 2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003； 3.中国水利水电科学研究院，北京 100048）

1 前 言

黄河口以水少沙多、流路多变、不断淤积延伸形成新生土地而闻名于世［1］。 黄河三角洲是指自1855 年黄河铜瓦厢决口改道夺大清河入渤海以来，入海尾闾流路经9 次大的改道变迁、泥沙淤积塑造的冲积平原。刁口河流路是黄河三角洲的第9 条入海流路。 黄河口入海流路1976 年由刁口河改道至清水沟，1996 年由清水沟原河道（以下简称原河道）人工改走清8 汊。保持黄河口入海流路有序、长期使用是维持黄河口稳定和生态环境的重要保障，黄河口入海流路运用方案论证一直是相关管理部门和科研人员关注的课题［2］，目前已有大量研究成果，如：王崇浩等［3］利用数学模型计算黄河口清水沟流路的使用年限，得出各入海流路组合方案下清水沟流路使用年限为53 ～77 a 的结论；王开荣等［4-5］构建黄河口及其入海流路的系统框架，概括总结了河口系统与入海流路系统稳定之间的关系；余欣等［6］研究了黄河口演变与入海流路稳定关键技术，提出近期入海流路安排应优先考虑北汊河。现有研究为探讨黄河口入海流路运用方案提供了良好基础，但是对流路运用方案的效益量化缺乏评价标准。本文利用层次分析法（AHP）［7-8］从行洪输沙能力、生态保障、对经济社会发展影响3 个方面建立黄河口入海流路运用方案综合评价指标体系，通过对3 种入海水沙情景下4 种流路运用方案的系统评价分析，提出较优的黄河口入海流路运用方案。

2 黄河口入海流路运用方案综合评价指标体系

基于层次分析法的黄河口入海流路运用方案综合评价指标体系见图1，该体系分为目标层、准则层和指标层。 优选黄河口入海流路运用方案的主要目的是确保流路稳定使用、高效输沙、安全行洪、满足黄河口生态需水，在达到这些目的的同时要尽可能地减少流路运用对当地经济社会发展的不利影响，因此将准则层分为行洪输沙能力、生态保障以及对经济社会发展影响3 个方面。 指标层包含可定量化描述各准则层特征的若干个代表性指标。

图1 黄河口入海流路运用方案综合评价指标体系

2.1 行洪输沙能力方面的指标选取

黄河口入海流路的摆动改道和长期稳定对下游防洪、生态环境以及河口地区的经济社会发展有着深远影响，选取冲淤量、平滩流量、流路稳定性、外海输沙量作为评价流路河道行洪、输沙能力的主要指标。

（1）冲淤量。 黄河尾闾河道的冲淤演变规律可以体现其对洪水的防御能力，流路运用后河道能否减淤对黄河三角洲的防洪安全至关重要。

（2）平滩流量。 平滩流量大小能够体现河道中水河槽规模以及主河槽排洪输沙能力［9］。

（3）流路稳定性。 流路运用后需尽可能保持长期稳定，频繁更换流路不仅需投入巨额资金，还会对黄河三角洲地区的经济社会发展带来不利影响。 参考余欣等［6］构建的综合判别式对黄河口入海流路稳定性进行评价，其形式如下：

式中：H为黄河口入海流路稳定性的综合判别指标（西河口（二站）10 000 m3／s 流量对应水位）；k为与海洋动力条件和地形有关的参数，其值为0.26 ～0.27，海洋动力越强、地形越陡，k值越小；∑WS为黄河口利津站自起算年份至第n年的累计来沙量；c为与起算年份的流路河长有关的参数，其大小主要取决于流路运用时的原始河长和运用当年的流路淤积延伸长度；HC为西河口（二）站3 000 m3／s 流量对应水位与改道水位12 m（10 000 m3／s 流量对应的改道水位标准）之间的差值，其值为1.27～1.87 m；HU为计算时段内海平面和黄河三角洲沉降的相对变幅，短期内可以忽略不计，长时间尺度要予以考虑。

（4）外海输沙量。 输沙能力是决定黄河口入海泥沙空间布局、减缓黄河口淤积延伸速率的基础。 外海输沙量是指每年输送到黄河三角洲附近特定海域范围之外的泥沙量。 在黄河口不同入海流路现状条件下划分近海和外海的分界线，将入海口20 km 以外定义为外海，统计流过分界线的泥沙量来计算外海输沙量。泥沙在潮流作用下于分界线处双向流动，统计每个时刻的外海输沙量，随着时间不断累加，再除以累计入海总沙量，得到平均外海输沙量。

2.2 生态保障与对经济社会发展影响方面的指标选取

（1）满足适宜生态需水的湿地面积。 黄河三角洲国家级生态保护区是我国大江大河中保持近天然原生态状况良好的河口三角洲区域之一，但水资源匮乏等使其生态系统具有极大的脆弱性和不稳定性。 运用流路向生态保护区内的湿地进行补水，有利于黄河口的生态保护与修复，因此选取满足适宜生态需水的湿地面积作为生态保障方面的评价指标。 本研究计算的湿地面积为清水沟流路对应现状黄河口、大汶流自然保护区以及刁口河流路对应一千二（北部）保护站管理范围内的湿地面积。

（2）流路运用方案总投入。 黄河口入海流路运用方案的实施需要相应的工程措施及配套投入。 清水沟流路运用方案涉及防洪和改汊工程，刁口河流路运用方案涉及流路整治、分洪闸防洪和改汊工程等。

（3）影响人口。 工程建设会导致刁口河流路附近存在征地移民等问题，刁口河流路多年未行河，附近有较多的工矿企业设施，常住居民约6 900 人，在工程施工时应尽可能地减少移民数量，避免群体性事件发生，

维持社会稳定。

2.3 对指标归一化处理

以上7 个指标中属于发展型指标（越大越优型）的有平滩流量、流路稳定性、外海输沙量、满足适宜生态需水的湿地面积，属于制约型指标（越小越优型）的有冲淤量、流路运用方案总投入、影响人口。 为消除各指标值量纲差异的影响并统一各指标值的变化范围，对指标进行归一化处理。

对于发展型指标，归一化处理公式为

式中：x（i，j）为第i年第j个指标的归一化值；x*（i，j）为第i年第j个指标原始值；xmax（j）、xmin（j）分别为第j个指标的最小值和最大值。

2.4 指标权重与一致性检验

（1）指标权重的确定。 采用德尔菲法（也称专家调查法）确定指标权重。 在高等院校、科研院所、设计公司等选取熟知黄河口概况且具有广泛代表性的35名专家开展两轮问卷调查。 按照“非常重要、重要、一般、不重要、很不重要”分别对应分值“9、7、5、3、1”，介于“非常重要”与“重要”之间、“重要”与“一般”之间、“一般”与“不重要”之间、“不重要”与“很不重要”之间分别对应分值“8、6、4、2”，请专家对各项指标打分。为检验专家调查法确定的指标权重的正确性，利用层次分析法主流商业软件（yaahp）计算各指标的权重。经计算，专家调查法与yaahp 软件计算得到的各指标的权重差别很小，绝对差值都在0.001 以下，验证了本次专家调查法得到的各指标权重的合理性。

（2）判断矩阵一致性检验。 层次分析法是针对一些较复杂、模糊的问题做出决策的方法，该方法根据问题性质和要达到的总目标，将问题中所包含的因素划分为不同层次，形成一个多层次分析结构模型。 首先采用该方法建立一个自上而下包括目标层、准则层和指标层的多层次分析结构模型，再构造各层次中的判断矩阵并进行重要性排序，最后对判断矩阵进行一致性检验，检验指标计算公式如下：

式中：CR为一致性比率，CR＜0.1 时认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵进行适当修正；CI为一致性指标；RI为随机一致性指标；λmax为判断矩阵的最大特征值；n为指标个数，行洪输沙能力方面的指标个数n＝4，生态保障与对经济社会发展影响方面的指标个数n＝3。 不同指标个数对应的随机一致性指标值见表1，可知n＝4 时RI＝0.89，n＝3 时RI＝0.52。

表1 不同指标个数对应的随机一致性指标值

根据专家打分，构造的准则层和指标层的判断矩阵见表2～表4。

表2 准则层判断矩阵

表3 行洪输沙能力方面的指标层判断矩阵

表4 生态保障与对经济社会发展影响方面的指标层判断矩阵

对判断矩阵进行一致性检验的结果见表5，2 个准则层的一致性比率均小于0.1，说明判断矩阵通过一致性检验。

表5 一致性检验结果

3 流路运用方案综合评价与分析

3.1 流路运用方案设置

根据《黄河河口综合治理规划》以及1986 年以来黄河口入海泥沙显著减少的新水沙条件，清水沟流路尚有50 a 以上的行河潜力，清水沟流路与刁口河流路联合运用基本能实现流路稳定行河100 a 的目标［2-3，6］。 由此，对流路运用方案整体设置为“单一流路、有计划改道”模式（简称单流路模式）和“多流路、同时行河”模式（简称多流路模式）。

单流路模式按照清水沟流路（现行清8 汊、北汊、原河道）、刁口河流路顺序轮流使用，把西河口（二）站10 000 m3／s 流量对应水位达到12 m 和黄河口入海流路稳定性的综合判别指标［6］分别作为改道条件设置两个单流路模式方案（分别为方案1、方案2）。

多流路模式需在西河口（二）站附近设置控制工程（在主河道建拦河坝，在拦河坝上游左岸防洪大堤建分洪闸），开挖刁口河流路，同时使用清水沟流路（现行清8 汊、北汊、原河道）和刁口河流路，同样设置两个多流路模式方案。 根据程义吉［10］研究结果，黄河口尾闾河道流量为1 500 m3／s 及以上时基本实现河床冲刷，有利于改善河道形态进而维持较高的泄洪排沙能力。 由此，设置方案3 如下：6—10 月大河流量为3 000 m3／s以上时，按照刁口河流路1 500 m3／s 流量进行分洪，其他时段保持30 m3／s 长流水进行流路运用。 方案3 刁口河流路启用时，规划设计开挖主槽为梯形断面，过流能力为1 500 m3／s，底宽为275 m，平均挖深为2.7 m，开挖边坡为1 ∶3，在S310 省道以南，以现河道为西边界，向东开挖；在S310 省道以北，考虑规划主槽与刁口河现有河道平顺连接的要求，向西开挖到平均高潮位的长度约53 km。 设置方案4 如下：6—10 月大河流量为3 000 m3／s 以上时，按照刁口河流路分流比50%且最大流量3 000 m3／s 进行分洪，其他时段保持30 m3／s 长流水进行流路运用，以确保在小浪底水库泄洪排沙期和黄河汛期清水沟流路与刁口河流路的过流量均大于1 500 m3／s，有利于黄河口输沙入海、抑制尾闾河道淤积。 方案4 刁口河流路启用时，设计开挖主槽过流能力为3 000 m3／s，底宽为550 m，其余设计同方案3。

3.2 流路使用年限及冲淤发展预测

为预测不同流路运用方案的河道冲淤过程，量化冲淤量、平滩流量、流路稳定性、外海输沙量这4 个指标，设计流路运用时间序列长度为100 a（2017 年7月—2117 年6 月），按照黄河中游龙门站、渭河华县站、汾河河津站、北洛河头站的年均来沙量为1.5亿、3.0 亿、6.0 亿t 三种情景设计未来100 a 入黄泥沙量。采用RSS 数值模拟系统一维水动力学模型进行水库与河道冲淤计算，水沙条件为小浪底出库水沙、伊洛河来水来沙以及沁河来水来沙［11］。 此外，水库、河道和海域地形采用2017 年汛前实测断面或水下地形。

通过计算2017 年7 月—2117 年6 月100 a 内不同水沙情景、不同流路运用方案的流路尾闾河道冲淤量、外海输沙量及流路运用年限，可得上述4 个水文站年均来沙量为1.5 亿t 和3.0 亿t 情景下，清水沟流路的现行清8 汊＋北汊可运行100 a 以上（来沙量较小时，无须启用原河道）；上述4 个水文站年均来沙量为6.0 亿t 情景下，多流路模式中刁口河流路分流情况下清水沟流路的现行清8 汊＋北汊＋原河道可运行100 a以上，若使用单流路模式，该情景下清水沟流路和刁口河流路有序使用也能保证黄河口入海流路百年稳定。

3.3 各流路运用方案的综合评价结果

采用多层次分析结构模型对3 种来沙情景下不同流路运用方案进行综合评价，由于堤防加固、汊道开挖、分洪闸建设等工程都是在1 a 内完成，且改道（或改汊）当年河长变化很大，因此分年度计算各方案评价值的意义不大，选取每5 a 和每20 a 对应的评价值对流路运用方案进行综合评价。 由于每5 a 和每20 a对应的评价值结果相似，因此仅列出每5 a 对应的评价值（见图2，其中评价值越大方案越优，受工程投资等的影响，评价值曲线在流路转变时存在突变现象）。

图2 3 种来沙情景下不同流路运用方案的综合评价结果

2017 年7 月—2117 年6 月100 a 内年均1.5 亿t来沙情景下流路运用方案1、方案2、方案3、方案4 的平均评价值分别为0.551、0.547、0.477、0.518，说明在入海泥沙较少情况下现行清8 汊＋北汊流路是最有利的流路运用方案，以西河口（二）站10 000 m3／s 流量对应水位达到12 m 时改变流路为宜。 从现实过程角度分析，来沙较少时流路淤积延伸慢，对西河口（二）站水位的影响小，当前清8 汊＋北汊流路能实现稳定行河100 a，北汊流路开通运行相对简单、投入费用少，并且能确保大汶流自然保护区湿地和刁口河的生态需水量，所以方案1 是最优选择。 100 a 内年均3.0 亿t来沙情景下流路运用方案1、方案2、方案3、方案4 的平均评价值分别为0.592、0.481、0.489、0.499，同样是方案1 最优。 100 a 内年均6.0 亿t 来沙情景下流路运用方案1、方案2、方案3、方案4 的平均评价值分别为0.577、0.436、0.500、0.536，方案1 通过现行清8 汊＋北汊＋原河道流路运用能够实现百年稳定，同样为4 个方案中最优。

对每5 a 内和每20 a 内3 种来沙情景下4 个流路运用方案得到最大评价值的次数进行统计，可知每5 a内年均1.5 亿、3.0 亿、6.0 亿t 来沙情景下，方案1 得到最大评价值的次数分别为14、14、13，方案4 得到最大评价值的次数分别为6、5、7，方案2 只有1 次得到最大评价值，方案3 没有最大评价值。 每20 a 内年均1.5亿、3 亿、6 亿t 来沙情景下，同样是方案1 得到最大评价值的次数最多。

由以上结果可知，年均入海泥沙量≤3 亿t 时，方案1 为最优运用方案，即现行清8 汊＋北汊流路，以西河口（二）站10 000 m3／s 流量对应水位达到12 m 作为改道条件的运用方式可以实现稳定行河100 a，具有改道方式便捷、工程投资小、不影响当地居民生产生活、保障湿地需水的优点。 年均入海泥沙量达到6 亿t 时，方案1 仍为最优流路运用方案，同样以西河口（二）站10 000 m3／s 流量对应水位达到12 m 作为改道条件，运用现行清8 汊＋北汊＋原河道流路可实现稳定行河100 a。

4 结 论

黄河口入海流路运用方案综合评价指标体系以流路运用方案综合效益为目标层，从行洪输沙能力、生态保障、对经济社会发展影响三方面建立准则层，选取冲淤量、平滩流量、流路稳定性、外海输沙量、流路运用方案总投入、影响人口、满足适宜生态需水的湿地面积7个评价指标。 根据专家调查结果，确定各评价指标的权重，判断矩阵通过一致性检验。 黄河口入海流路运用方案综合评价结果表明，采用现行清水沟流路（现行清8 汊、北汊、原河道），以西河口（二）站10 000 m3／s 流量对应水位达到12 m 为改道标准的运用方案最好，能实现稳定行河100 a，具有改道方式便捷、工程投资小、不影响当地居民生产生活、保障湿地需水的优点。