基于DSC模型的黃河入海流路穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其應(yīng)用*

王開榮，畢乃雙，杜小康，凡姚申，謝衛(wèi)明，于守兵

(1. 黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；2. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100； 3. 華東師范大學(xué)河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062)

黃河以水少沙多而著稱，歷史上輸沙量高達(dá)10.8億t/a，就泥沙量而言是世界第二大河，而含沙量位居全球第一[1]。高含沙水體進(jìn)入地勢(shì)平緩的下游河道發(fā)生快速淤積，形成典型的地上懸河[2-3]，導(dǎo)致河道不穩(wěn)定性加劇，尤其是入海流路，僅1855年以來就發(fā)生了10余次大規(guī)模改道[4-5](見圖1)，對(duì)中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成顯著影響[6]。研究表明：“淤積、延伸、擺動(dòng)、改道”是黃河入海流路在一定水沙條件下的自然規(guī)律[7-9]，從某種意義上而言，黃河入海流路的擺動(dòng)改道是絕對(duì)的，而穩(wěn)定則是相對(duì)的。黃河入海流路的穩(wěn)定是相對(duì)于流路改道而言的，亦即其流路失穩(wěn)的表現(xiàn)形式是以三角洲擺動(dòng)頂點(diǎn)(寧海或漁洼)為起始位置的流路大尺度遷徙，而非單一流路范圍內(nèi)的局部出汊擺動(dòng)和口門遷移。在自然狀況下，流路改道的機(jī)制與流路出汊機(jī)制并無差別，差別在于出汊點(diǎn)位置和影響范圍的不同，若出汊點(diǎn)位置在三角洲擺動(dòng)頂點(diǎn)附近，則視之為改道，若出汊點(diǎn)位置在擺動(dòng)頂點(diǎn)以下且距離口門較近，則可視之為出汊。

入海流路的穩(wěn)定問題一直是黃河河口綜合治理研究和實(shí)踐進(jìn)程中的熱點(diǎn)、難點(diǎn)和焦點(diǎn)問題，目前黃河入海流路的穩(wěn)定與以往自然演變條件下的穩(wěn)定有所不同，是受制于人工約束指標(biāo)下的穩(wěn)定，亦即西河口(二)(以下簡(jiǎn)稱西河口)站(位置見圖1)在10 000 m3/s流量時(shí)，其水位達(dá)到12 m即視為流路失去穩(wěn)定而進(jìn)入改道程序(以下簡(jiǎn)稱失穩(wěn))[10]。換言之，以往流路的“擺動(dòng)”和“改道”絕大多數(shù)是自然發(fā)生的，并沒有相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，而在20世紀(jì)50年代以后，流路的“擺動(dòng)”、“改道”乃至“出汊”則越來越受到人類實(shí)踐活動(dòng)的約束和干預(yù)影響。水位變化既是黃河河口演變變化的主要表征指標(biāo)，也是黃河入海流路實(shí)施有計(jì)劃改道的唯一依據(jù)，然而，由于河口水位變化的驅(qū)動(dòng)因子復(fù)雜繁多，且其變化十分劇烈，故單純依靠水位變化的特征值大小將難以科學(xué)和客觀評(píng)判流路所處的穩(wěn)定狀態(tài)，基于此，就十分有必要在辨識(shí)黃河入海流路失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)因子的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于黃河入海流路客觀實(shí)際的穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以期能夠?yàn)槲磥睃S河入海流路的規(guī)劃安排和綜合治理提供決策依據(jù)。

(改繪自文獻(xiàn)[5]。Modified from reference[5].)圖1 黃河入海流路概況及其改道歷史

1 黃河入海流路失穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)因子

已如前述：在自然狀況下，流路改道機(jī)制與流路的出汊機(jī)制并無本質(zhì)上的差別，因此，籍助于對(duì)歷次典型出汊過程的分析，就可以從中辨識(shí)流路改道(失穩(wěn))的驅(qū)動(dòng)主控因子。

縱觀20世紀(jì)60、70年代黃河入海流路發(fā)生的歷次自然出汊過程可以發(fā)現(xiàn)[11-12]，其出汊的發(fā)生一般會(huì)有如下四個(gè)方面的情形，一是河口沙嘴凸出加?。欢俏查偭髀窂澢觿∽枇υ龃?；三是河槽萎縮，自然懸河加重；四是遭遇漫灘洪水或風(fēng)暴潮過程；其中，前三個(gè)情形均是河床邊界條件的變化，其為出汊的發(fā)生提供了必要的外部條件，而第四種情形亦即水流動(dòng)力因素則無疑是出汊發(fā)生的主控因子，當(dāng)然，在某些特定的邊界條件下，即使沒有漫灘洪水或風(fēng)暴潮過程發(fā)生，河口尾閭河段亦有可能發(fā)生出汊，這顯然又與水流的頂沖作用方向有關(guān)，如1960年8月在四號(hào)樁上游1 km處發(fā)生的出汊、1963年7月在岔5斷面以下發(fā)生的出汊即是如此。

顯然，入海流路的出汊乃至改道是水流動(dòng)力與河床邊界條件相互約束和綜合作用的結(jié)果。由于黃河入海流路的尾端高程等同于平均海平面高程，因此，其水流動(dòng)力作用的強(qiáng)弱可以用河流水位的高低亦即其勢(shì)能大小來予以表征；同時(shí)，水流流向的不同，包括“橫、斜河”現(xiàn)象的發(fā)生也是衡量水流動(dòng)力作用的重要因素之一，其代表了水流動(dòng)力的作用方向，并在一定程度上決定了出汊點(diǎn)或改道點(diǎn)的位置。據(jù)此可以明確黃河入海流路失穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)因子及其失穩(wěn)機(jī)制(見表1)。

表1 黃河入海流路失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)因子及其失穩(wěn)機(jī)制

由表1可進(jìn)一步得出如下認(rèn)識(shí)：(1)基于河口流路不同的區(qū)段，其失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)力的來源和驅(qū)動(dòng)因子的體現(xiàn)方式并不一致；其中，徑流潮汐段與單純的徑流段相比，其驅(qū)動(dòng)因子的種類和體現(xiàn)方式更多；(2)失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)因子的影響作用和性質(zhì)也存在較大差異，徑流潮汐段的驅(qū)動(dòng)因子只會(huì)對(duì)該區(qū)段的出汊擺動(dòng)產(chǎn)生影響，而對(duì)徑流段的改道并無顯見的直接影響；(3)不管是徑流段還是徑流潮汐段，其水位和流向都是其最為重要的兩個(gè)失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)因子。然而就水流流向而言，在堤防設(shè)施日益完善的徑流河段，其河勢(shì)已逐步歸順，發(fā)生水流頂沖堤防而導(dǎo)致決口的現(xiàn)象是不現(xiàn)實(shí)和難以想象的；而在無堤防保護(hù)約束的部分徑流潮汐段，因流向變化發(fā)生小尺度的出汊和擺動(dòng)則是被允許的，因此，由這個(gè)角度出發(fā)，在入海流路失穩(wěn)的兩大重要驅(qū)動(dòng)因子中，水位因子要比流向因子更為關(guān)鍵，這也是選擇“西河口站水位在流量10 000 m3/s時(shí)達(dá)到12 m”作為現(xiàn)行流路改道標(biāo)準(zhǔn)的主要原因所在。

2 判別指標(biāo)體系構(gòu)建的理論依據(jù)

黃河入海流路穩(wěn)定判別指標(biāo)體系的構(gòu)建必須基于其明確的失穩(wěn)機(jī)制，盡管影響流路穩(wěn)定的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子是以水位高低為表征指標(biāo)的水流勢(shì)能，但并不意味著否認(rèn)河口來沙量巨大、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是造成入海流路難以長(zhǎng)期穩(wěn)定的癥結(jié)所在。水位是入海流路演變過程中的主要特征指標(biāo)，而真正導(dǎo)致水位發(fā)生變化的根源在于水沙條件、河道及海岸地貌(邊界)條件、海洋動(dòng)力條件等三者之間的綜合作用?；诖耍疚慕⒘艘杂绊懸蜃印嗌尺\(yùn)動(dòng)—地貌變化—穩(wěn)定約束邊界—失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)力—流路穩(wěn)定狀態(tài)為信息鏈的黃河入海流路失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)力響應(yīng)模型(見圖2)。該系統(tǒng)模型較清晰地反映了流路失穩(wěn)的過程與機(jī)制，可作為構(gòu)建入海流路穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的主要支撐鏈條和理論依據(jù)。

基于黃河入海流路失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)力響應(yīng)模型，可以明確得知：(1)目前，黃河入海流路的穩(wěn)定可有兩條主線路徑，其一是基于自然沖決出汊(撕裂)型的穩(wěn)定，其二是基于人工改道標(biāo)準(zhǔn)型的穩(wěn)定；(2)現(xiàn)狀清水溝流路清7斷面以下約70余km的流路尾閭河段屬于無堤防工程控制和約束的河段，在遭遇漫灘洪水、發(fā)生風(fēng)暴潮或冰壩壅塞河道并導(dǎo)致水位劇增的情況下，或在發(fā)生水流、潮浪沖擊自然堤身時(shí)，在自然堤相對(duì)薄弱的區(qū)域則極有可能發(fā)生出汊擺動(dòng)，但這并不影響實(shí)踐意義上的流路穩(wěn)定性；(3)入海流路的穩(wěn)定狀態(tài)亦即其水位狀態(tài)是多種影響驅(qū)動(dòng)因子綜合作用的結(jié)果，其中，水沙因子起主導(dǎo)作用，這種主導(dǎo)作用不僅體現(xiàn)在數(shù)量方面，還體現(xiàn)在其水沙組合、過程、動(dòng)力、流態(tài)方面。之所以如此，不僅在于水沙因子是決定河口演變基本特性、塑造河口流路地形地貌包括河床形態(tài)、沙嘴形態(tài)及流路長(zhǎng)度的首要因素，同時(shí)也是短時(shí)期內(nèi)影響河口河段水位變化的最直接因素。

圖2 黃河入海流路失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)力響應(yīng)模型

3 指標(biāo)體系的描述框架模型和組成因子

3.1描述框架模型

構(gòu)建黃河入海流路穩(wěn)定判別指標(biāo)體系需選擇合理的框架模型對(duì)其進(jìn)行描述。目前，PSR模型(Pressure-State-Response，壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型)因能較好地反映自然與社會(huì)之間的因果關(guān)系而得到廣泛應(yīng)用[13-14]。隨后又陸續(xù)出現(xiàn)了SPR模型(State-Pressure-Response, 狀態(tài)-壓力-響應(yīng)模型)[15]、DSR模型 (DrivingForce-State-Response, 驅(qū)動(dòng)力-狀態(tài)-響應(yīng)模型)[16-18]、DSIR模型(DrivingForce-State-Impact-Response, 驅(qū)動(dòng)力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)模型)[19]、DPSIR模型(DrivingForce-Pressure-State-Impact-Response, 驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)模型)[20]、DPSRC模型(DrivingForce-Pressure-State-Response-Control,驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-響應(yīng)-控制模型)[21-22]等基于PSR模型的改進(jìn)模型?？紤]黃河入海流路的改道標(biāo)準(zhǔn)以及人工干預(yù)對(duì)河口演變的影響，本文提出了一種新的PSR改進(jìn)模型，即DSC模型(DrivingForce-State-Control, 驅(qū)動(dòng)力-狀態(tài)-控制模型)對(duì)其黃河河口穩(wěn)定判別指標(biāo)體系進(jìn)行全面描述(見表2)。

表2 入海流路穩(wěn)定判別指標(biāo)體系的構(gòu)成因子

上表所列內(nèi)容是根據(jù)黃河河口流路演變的基本規(guī)律并集成了歷年來黃河河口演變與綜合治理研究的相關(guān)文獻(xiàn)而得出的[23-25]，共涉及15個(gè)要素、83個(gè)具體指標(biāo)，基本包含了對(duì)河口流路穩(wěn)定產(chǎn)生直接影響或間接影響的相關(guān)因子。其中，目標(biāo)層(A)以流路穩(wěn)定性綜合值為目標(biāo)，用以判斷和衡量流路的穩(wěn)定狀態(tài)；準(zhǔn)則層(B)包括判別指標(biāo)體系的驅(qū)動(dòng)力、狀態(tài)、控制3個(gè)方面；要素層(C) 包含了對(duì)流路穩(wěn)定性判別有影響的各類指標(biāo)類型；指標(biāo)層(D)則包含了對(duì)流路穩(wěn)定性判別有影響的各類具體指標(biāo)，并以單值指標(biāo)為主。

3.2 判別指標(biāo)體系組成因子的篩選優(yōu)化及分析

上述初設(shè)的指標(biāo)因子中，可能存在定義有交叉、指標(biāo)表征內(nèi)容重復(fù)、數(shù)量過多等問題，為便于河口流路穩(wěn)定性的相關(guān)計(jì)算和狀態(tài)判別，就需要對(duì)指標(biāo)體系中的指標(biāo)因子進(jìn)行篩選、調(diào)整、集成和優(yōu)化，具體步驟如下：(1) 從對(duì)水位影響的相關(guān)和顯著程度加以篩選，摒棄對(duì)西河口站水位變化影響作用相對(duì)微弱的相關(guān)要素，如“海洋動(dòng)力條件”、“攔門沙特征”等；(2) 選擇對(duì)水位變化具有控制性和潛在長(zhǎng)期性影響的驅(qū)動(dòng)因子；(3) 盡可能用最少量的指標(biāo)因子去反映事關(guān)流路穩(wěn)定的所有狀態(tài)信息；(4) 采用的指標(biāo)因子能夠獲得相對(duì)翔實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，且容易進(jìn)行量化操作。據(jù)此可得到5個(gè)相對(duì)獨(dú)立的對(duì)流路穩(wěn)定具有重大或控制性影響的指標(biāo)因子(見表3)。

表3 擬定的入海流路穩(wěn)定判別指標(biāo)體系的構(gòu)成因子

表3中設(shè)置了“海平面上升”指標(biāo)，主要基于如下考慮：在黃河三角洲地區(qū)，其海平面的變化可同時(shí)包括絕對(duì)海平面變化和地面沉降，二者的量級(jí)相當(dāng)，甚至地面沉降的影響更加突出[31-32]，而且地面沉降會(huì)導(dǎo)致海平面的相對(duì)上升以及海水入侵和風(fēng)暴潮災(zāi)害加劇，同時(shí)亦會(huì)對(duì)河口河段的水位乃至流路的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。不過，在10 000 m3/s流量時(shí)西河口水位達(dá)到12 m的改道標(biāo)準(zhǔn)是基于當(dāng)?shù)氐谭涝O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和河槽行洪能力的關(guān)系而制定的，只是一個(gè)相對(duì)值的概念，從某種意義上而言，在堤防和河槽共同發(fā)生沉降的情況下，這一改道標(biāo)準(zhǔn)并未發(fā)生變化。此與海平面的絕對(duì)上升所導(dǎo)致的堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)降低有著本質(zhì)區(qū)別。鑒于此，為偏于安全起見，在表3所擬定的海平面變化要素中，并未考慮地面沉降因素，而僅考慮海平面上升因素。

表3中還設(shè)置和保留了 “水位波動(dòng)值”這一指標(biāo)，設(shè)置和保留該指標(biāo)的主要緣由和依據(jù)如下：從宏觀的角度而言，黃河河口河段的水位變化將主要受制于入海流路河長(zhǎng)的變化[33]，但在一定時(shí)期內(nèi)，同一河長(zhǎng)下、同一流量級(jí)的水位并非只有一個(gè)穩(wěn)定的唯一特征值與之相對(duì)應(yīng)，而是表現(xiàn)為一個(gè)波動(dòng)區(qū)間。因此，“水位波動(dòng)值”可視為除流路河長(zhǎng)以外，其它“短時(shí)性、局部性、間歇性”驅(qū)動(dòng)因子對(duì)水位變化的影響結(jié)果。利用1965—2002年的實(shí)測(cè)資料，可以點(diǎn)繪西河口在不同年份的3 000 m3/s流量級(jí)年平均水位H與其以下河長(zhǎng)Lws間的相關(guān)關(guān)系(見圖3)。由圖3可以明顯看出：在3 000 m3/s流量級(jí)條件下，隨著河長(zhǎng)增加，其水位變化的總趨勢(shì)是上升的，但對(duì)應(yīng)于同一河長(zhǎng)值，卻總存在約為0.76 m的波動(dòng)變化范圍，如果將其區(qū)分為上升和下降波動(dòng)幅度，則各為0.38 m，考慮到入海流路穩(wěn)定判別指標(biāo)體系的構(gòu)建主要用于判斷水位上升對(duì)流路穩(wěn)定的影響，因此，選擇其“上升波動(dòng)幅度”作為指標(biāo)體系的構(gòu)成因子。當(dāng)然，在入海流路的同一河床斷面，不同的流量大小會(huì)有不同的水位波動(dòng)值與之相對(duì)應(yīng)，之所以將3 000 m3/s作為流量級(jí)對(duì)其水位波動(dòng)值加以評(píng)價(jià)，其原因有二：一是在進(jìn)入河口河段的洪峰過程中，3 000 m3/s流量出現(xiàn)的頻次最高，而發(fā)生大于3 000 m3/s流量洪峰過程的幾率相對(duì)較低；二是在傳統(tǒng)的黃河水文分析計(jì)算中，3 000 m3/s的水位已被廣泛采用，且更容易從實(shí)測(cè)資料中獲取準(zhǔn)確數(shù)值。

圖3 西河口水位站3 000 m3/s流量時(shí)的水位與河長(zhǎng)關(guān)系(1965—2002)

4 判別指標(biāo)體系的構(gòu)建及應(yīng)用

基于對(duì)黃河入海流路穩(wěn)定判別指標(biāo)體系主控因子的判別和擬定，其指標(biāo)體系的構(gòu)建將主要圍繞累計(jì)來沙量、海平面上升速率、擺動(dòng)頂點(diǎn)以下的流路長(zhǎng)度、水位波動(dòng)值、河口和段堤防(改道)標(biāo)準(zhǔn)等五個(gè)指標(biāo)因子進(jìn)行。按照目標(biāo)特征值的不同，流路穩(wěn)定判別指標(biāo)體系可分為基本判別指標(biāo)體系和綜合判別指標(biāo)體系兩種，其中，基本判別指標(biāo)體系主要表征在10 000 m3/s流量時(shí)西河口的水位高低，而綜合判別指標(biāo)體系則主要用于明確流路所處的穩(wěn)定程度，如下所述：

4.1 基本判別指標(biāo)體系的構(gòu)建

已如前述，黃河河口河段的水位升高變化趨勢(shì)將主要受制于流路的河長(zhǎng)變化(見圖3)；同時(shí)，流路河長(zhǎng)的長(zhǎng)短又與累計(jì)來沙量的多寡密切相關(guān)(見圖4)。圖4中西河口以下河長(zhǎng)系利用歷年相關(guān)航片或衛(wèi)星遙感解譯資料，通過量取西河口站至口門平均高潮線的主流線長(zhǎng)度而得到的。

圖4 黃河累計(jì)輸沙量與西河口以下河長(zhǎng)關(guān)系

在河口堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)一定的情況下，黃河入海流路的穩(wěn)定性將主要取決于西河口的年水位升高速率。設(shè)定西河口起算年份10 000 m3/s流量時(shí)的水位為H0，則當(dāng)下述公式(1)成立時(shí)，則可視為入海流路處于失穩(wěn)狀態(tài)，而應(yīng)實(shí)施人工改道。

(1)

式中：ΔHi為第i(i=1……n)年份西河口水位10 000 m3/s的水位升高速率；n為流路的行河年數(shù)。

根據(jù)圖3、4所揭示的相關(guān)關(guān)系，可以構(gòu)建如公式(2)、(3)所示的判別黃河入海流路穩(wěn)定性的基本指標(biāo)體系；即當(dāng)?shù)趇年10 000 m3/s級(jí)流量水位Hi越接近于12 m時(shí)，其流路失穩(wěn)和需要實(shí)施人工改道的可能性就越大。其中，得出公式(3)的主要依據(jù)有二：一是表3所擬定的入海流路穩(wěn)定判別指標(biāo)體系的構(gòu)成因子內(nèi)容，二是圖3所顯示的水位變化與河長(zhǎng)變化響應(yīng)關(guān)系的公式表達(dá)式。

(2)

Hi=ΔH+HC+HU+C2=K1Lws2+
K2Lws+HC+HU+C2。

(3)

綜合上述分析，可構(gòu)建如圖5所示的入海流路穩(wěn)定基本判別指標(biāo)體系的構(gòu)成關(guān)系。圖中，海平面的上升(Hu)以及流路延伸所導(dǎo)致的水位升高(ΔH)，均意味著河流侵蝕基準(zhǔn)面的相應(yīng)抬高，并通過溯源淤積的形式影響西河口水位；在相對(duì)短時(shí)期內(nèi)，這種溯源影響的強(qiáng)度自下而上是逐步衰減的，但在宏觀范疇和大尺度時(shí)間范圍內(nèi)，這種影響將會(huì)波及整個(gè)沖積性河流河段，并且表現(xiàn)為近似“平行抬高”的性質(zhì)[38]。

圖5 流路穩(wěn)定基本判別指標(biāo)體系的構(gòu)成關(guān)系

4.2 綜合判別指標(biāo)體系的構(gòu)建和評(píng)價(jià)方法

上述基本判別指標(biāo)體系可以直觀地反映當(dāng)前距離流路失穩(wěn)(亦即流路改道)時(shí)的10 000 m3/s西河口水位差值，但不能綜合評(píng)判當(dāng)前流路所處的穩(wěn)定狀態(tài)；基于此，考慮基本判別指標(biāo)體系所蘊(yùn)含的主要指標(biāo)及其相互關(guān)系，以水位、河長(zhǎng)和累積來沙量三個(gè)核心指標(biāo)建立綜合判別指標(biāo)體系。

(4)

如果所有比較的結(jié)果都是準(zhǔn)確的，則應(yīng)該恒有：

αji=αiκ*ακj=αik/αjκi,j,κ=1，2，3。

(5)

這時(shí)，稱判斷矩陣A具有一致性，否則不具有一致性。

在解決實(shí)際問題時(shí)，由于客觀事物的復(fù)雜性和人們占有資料的不完全性，對(duì)事物的認(rèn)識(shí)難免帶有主觀片面性和模糊性。由此構(gòu)造的判斷矩陣要完全滿足一致性要求是困難的，經(jīng)常會(huì)帶有某種偏差，如果偏差太大，則影響決策結(jié)果，為了保證決策結(jié)果的可靠性，必需把判斷矩陣的偏差限制在一定范圍內(nèi)，為此需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)和偏差修正處理。通過重新構(gòu)造判斷矩陣，采用偏差最大項(xiàng)修改法，可以重新得到該判斷矩陣的排序權(quán)向量W=(w1，w2，w3)T=(0.746，0.167，0.087)T，隨機(jī)一致性比率(CR)等于0.007 5，小于0.01，滿足判斷矩陣的一致性要求。

在流路穩(wěn)定綜合判別指標(biāo)體系中，僅僅得出其不同指標(biāo)的權(quán)重是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)椴煌笜?biāo)間的特性、單位與數(shù)量級(jí)等存在顯著差異，無法進(jìn)行直接比較和綜合計(jì)算，因此需要對(duì)原有的指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，使每個(gè)變量都處于相對(duì)均勻化的數(shù)值范圍內(nèi)。

鑒于在黃河河口研究及實(shí)踐過程中，其水位、河長(zhǎng)和累積來沙量都有其相對(duì)明確的臨界閾值存在，因此上述指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化可以采用相對(duì)比值的方法進(jìn)行計(jì)算處理，即：

(6)

式中：X0是評(píng)價(jià)基準(zhǔn)年份實(shí)際發(fā)生的數(shù)值；Xi是評(píng)價(jià)年份當(dāng)年實(shí)際發(fā)生的數(shù)值；XC是該指標(biāo)的臨界閾值。

基于指標(biāo)權(quán)重及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化過程，就可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。定義黃河入海流路的穩(wěn)定性狀態(tài)為Φ，則：

(7)

式中:Wi是對(duì)流路穩(wěn)定影響的權(quán)重值；Ai是不同指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。顯然，當(dāng)某一指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值等于1時(shí)，即預(yù)示著單純從該指標(biāo)的角度而言，流路已達(dá)到改道標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。

4.3 現(xiàn)狀黃河入海流路穩(wěn)定狀態(tài)評(píng)價(jià)

4.3.1 評(píng)價(jià)基準(zhǔn)年份及基準(zhǔn)數(shù)值 目前行河的尾閭汊河系1996年7月開始使用的清8汊河，因此，評(píng)價(jià)基準(zhǔn)年份原則上選取1996年。由于1996年系清8改汊的初期階段，其河道沖淤及其水位、流路河長(zhǎng)變化劇烈，而且幅度較大，因此，若將1996年的相關(guān)特征值作為流路穩(wěn)定的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)年份數(shù)值，那么對(duì)流路穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行判別的準(zhǔn)確性和客觀性將會(huì)受到較大的影響；鑒于此，本次穩(wěn)定性評(píng)價(jià)基準(zhǔn)數(shù)值的選取做如下處理：初始累積來沙量采用1996年8月～1998年10月利津水文站累積來沙量，經(jīng)計(jì)算為7.38億t；初始河長(zhǎng)采用1996年7月改汊以來至1998年的平均河長(zhǎng)，采用53 km；至于初始水位，從構(gòu)建的綜合指標(biāo)體系所表達(dá)的內(nèi)涵而言，其水位應(yīng)該是指受河長(zhǎng)控制影響下的水位，而從1996年以來的河口水位持續(xù)沖刷下降的變化特征來看，其受小浪底水庫攔沙和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用的影響更為明顯，受河長(zhǎng)影響控制的作用并不顯著，因此，為保證該指標(biāo)所表達(dá)涵義的前后一致性，故初始水位可暫時(shí)依據(jù)初始河長(zhǎng)53 km(1996—1998年)采用公式(3)進(jìn)行計(jì)算，在不考慮海平面上升及地面沉降等因素的情況下，可得出西河口站3 000 m3/s的初始水位為8.69 m。同時(shí)選取3 000與10 000 m3/s水位差值為1.33 m，該值系依據(jù)曼寧公式并利用1998年10月西河口水位站附近河道地形資料以及相應(yīng)的糙率系數(shù)進(jìn)行演算而得出的；最終得到清8汊河10 000 m3/s的初始水位為10.02 m。

4.3.2 失穩(wěn)閾值 失穩(wěn)閾值主要包括改道標(biāo)準(zhǔn)水位閾值、河長(zhǎng)閾值和利津站容許的累計(jì)來沙量閾值。其中，改道標(biāo)準(zhǔn)水位閾值是十分明確的，即西河口站10 000 m3/s水位達(dá)到12 m；對(duì)于河長(zhǎng)閾值和累計(jì)來沙量閾值，以1996年為始算年份，并預(yù)期清8汊河流路在2018年的基礎(chǔ)上尚可繼續(xù)行河20余年以上，則1996—2038年海平面上升幅度約為0.15 m；同時(shí)，考慮到在達(dá)到改道標(biāo)準(zhǔn)時(shí)尾閭比降趨緩、灘地糙率增大等因素，故3 000與10 000 m3/s水位差值應(yīng)比現(xiàn)狀有所增大，選取1.5 m，據(jù)此利用公式(2)、(3)，可演算得到河長(zhǎng)閾值和累計(jì)來沙量閾值分別為85.3 km、120.8億t。

4.3.3 現(xiàn)狀10 000 m3/s水位估算 選用2018年作為現(xiàn)狀年份，利用基本判別指標(biāo)體系可以對(duì)現(xiàn)狀條件下的流路穩(wěn)定狀態(tài)亦即10 000 m3/s水位狀態(tài)作出如下估算：1996年6月～2018年10月，利津站實(shí)測(cè)ΣWs值為36.44億t，利用公式(2)得出的流路河長(zhǎng)為62.4 km；將此河長(zhǎng)代入公式(3)，并取Hc值1.33 m、Hu值0.08 m，則可得到現(xiàn)狀條件下的西河口站10 000 m3/s水位為10.52 m，距離12 m標(biāo)準(zhǔn)尚有1.48 m的上漲空間。

4.3.4 流路穩(wěn)定階段劃分 為更加科學(xué)界定和判別流路所處的穩(wěn)定狀態(tài)，可依據(jù)Φ值大小將流路的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)一步劃分為三個(gè)不同的階段，即“穩(wěn)定”、“相對(duì)穩(wěn)定”和“失穩(wěn)”階段(見圖6)。其中，“相對(duì)穩(wěn)定”的概念是基于河口河段水位所具有的波動(dòng)特性而提出的(見圖3)，其所表征的涵義是：在一特定時(shí)期內(nèi)，盡管在發(fā)生10 000 m3/s流量時(shí)西河口水位低于12 m改道標(biāo)準(zhǔn)，但由于其水位波動(dòng)上升特性的存在，此時(shí)刻水位就有可能觸及到12 m改道標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)入“相對(duì)穩(wěn)定”階段。進(jìn)入“相對(duì)穩(wěn)定”階段的評(píng)價(jià)指標(biāo)Φm可用下述方法予以確定。

圖6 流路穩(wěn)定階段劃分示意圖

擬定10 000 m3/s的水位波動(dòng)值與3 000 m3/s的水位波動(dòng)值相同，均為0.38 m，并考慮已有的相關(guān)入海流路使用年限研究成果[39-40]，取40年海平面累計(jì)上升幅度0.15 m，則可以得出當(dāng)入海流路進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其相應(yīng)的10 000 m3/s流量時(shí)的西河口水位為11.47 m(12 m-0.38 m-0.15 m=11.47 m)。需要說明的是，水位波動(dòng)幅度有隨流量增大而呈現(xiàn)逐步衰減的趨勢(shì)，因此，將10 000 m3/s的水位波動(dòng)值選取為3 000 m3/s的水位波動(dòng)值是偏于安全的。

單純依據(jù)水位的高低來判斷流路是否進(jìn)入“相對(duì)穩(wěn)定”階段還不夠全面，還需“對(duì)等”考慮另外兩個(gè)指標(biāo)即河長(zhǎng)和累計(jì)來沙量的大小來加以綜合判別。擬定進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的3 000與10 000 m3/s水位差值為1.50 m，利用公式(2)、(3)進(jìn)行演算，可以得到：當(dāng)西河口10 000 m3/s的水位在達(dá)到“相對(duì)穩(wěn)定”階段的11.47 m時(shí)，其河長(zhǎng)和累計(jì)來沙量的特征值分別為76.2 km和87.2億t。據(jù)此，即可得到Φm為0.727，見公式(8)。

(8)

4.3.5 現(xiàn)行清8汊河流路穩(wěn)性狀態(tài)評(píng)價(jià) 利用公式(6)可分別得出現(xiàn)狀條件下的水位、河長(zhǎng)及累計(jì)來沙量標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，即，水位：A1=0.251；河長(zhǎng)：A2=0.297；累計(jì)來沙量：A3=0.256。將上述計(jì)算得出的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值及其相應(yīng)的權(quán)重即W1=0.746、W2=0.167、W3=0.087分別代入公式(8)，可得到目前清8汊河流路的穩(wěn)定狀態(tài)值為0.259，見公式(9)。這說明：目前的清8汊河流路穩(wěn)定狀態(tài)良好(見圖5)。

(9)

綜合上述相關(guān)成果，可得到如下黃河入海流路穩(wěn)定判別指標(biāo)體系成果表(見表4)。

5 結(jié)語

本文基于對(duì)黃河入海流路典型出汊過程的分析，圍繞黃河入海流路的失穩(wěn)主控因子進(jìn)行了辨識(shí)；并以黃河入海流路失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)力響應(yīng)模型作為理論依據(jù)，以DSC模型作為描述框架模型，通過對(duì)15個(gè)要素、83個(gè)具體指標(biāo)因子的篩選、調(diào)整和優(yōu)化，分別構(gòu)建了具有不同穩(wěn)定目標(biāo)特征值的基本判別指標(biāo)體系和綜合判別指標(biāo)體系。利用兩種判別指標(biāo)體系對(duì)現(xiàn)狀黃河入海流路的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算判斷，結(jié)果表明：現(xiàn)狀西河口水位站在10 000 m3/s流量時(shí)水位為10.52 m，距離12 m改道標(biāo)準(zhǔn)尚有1.48 m的上漲空間，其流路綜合穩(wěn)定狀態(tài)評(píng)價(jià)值為0.259，流路穩(wěn)定狀態(tài)良好。

按照已有的規(guī)劃研究成果，現(xiàn)行清水溝流路最終可有三種不同的行河路徑，分別是清8汊河路徑、北汊河路徑和1996年前的原河道路徑。上述對(duì)流路穩(wěn)定狀態(tài)的判別評(píng)價(jià)是基于現(xiàn)行清水溝流路清8汊河路徑的現(xiàn)狀所得出的結(jié)果；至于其它兩種行河路徑，尚需根據(jù)當(dāng)時(shí)的水沙情勢(shì)和流路演變特征，依據(jù)上述指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)的判別評(píng)價(jià)。需要指出的是：清水溝流路的行河年限是上述三條路徑行河年限的綜合，換言之，只有三種路徑情況下的10 000 m3/s水位均達(dá)到12 m時(shí)，其清水溝流路才算從整體上達(dá)到失穩(wěn)改道的臨界狀態(tài)。

表4 黃河入海流路(清8汊河)穩(wěn)定判別指標(biāo)體系成果表

黃河入海流路失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)因子及其穩(wěn)定判別指標(biāo)體系的提出，可以對(duì)入海流路的穩(wěn)定狀態(tài)作出客觀判斷。然而，該指標(biāo)體系只是基于人工改道的水位標(biāo)準(zhǔn)而提出的，而對(duì)于黃河河口其它類型的穩(wěn)定諸如河口河道沖淤穩(wěn)定、口門沙嘴形態(tài)穩(wěn)定、海岸線演化與平衡穩(wěn)定等還未統(tǒng)籌考慮，此也會(huì)給全面和系統(tǒng)評(píng)判入海流路的穩(wěn)定狀態(tài)帶來局限性，亟待進(jìn)一步開展深化研究。