張燕青 李振山 程舒鵬 薛安 趙志杰 張紅武

摘要：基于實地考察和遙感影像解譯，借助ArcGJIS軟件提取黃河下游兩岸大堤之間的中心線作為坐標橫軸，垂直于中心線的水平方向為坐標縱軸，并以小浪底水庫出庫閘為坐標原點，建立了黃河下游空間位置相對坐標系。以此為基礎(chǔ)，對黃河下游堤防、險工和控導(dǎo)工程等典型水利工程的現(xiàn)狀及空間分布進行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：黃河下游大堤堤距變化以艾山為界分為上、下兩段，上段（小浪底水庫—艾山）平均堤距為7.46km，堤距變化存在內(nèi)包線；下段（艾山—入?？冢┢骄叹酁?.70km，存在次一級的窄堤距點（曹家圈0.55km和利津0.67km）。險工數(shù)量隨著時間變化呈現(xiàn)雙峰分布的特點，控導(dǎo)工程數(shù)量則為單峰分布；在整個黃河下游沿河方向上平均每千米分布0.27個控導(dǎo)（險工）工程，從形態(tài)上可以分為單彎型、雙彎型、多彎型和直線型四類，彎曲度均分布在0.3～1.0之間：控導(dǎo)工程與河流的平均接觸率為67%，險工與河流的平均接觸率為56%。

關(guān)鍵詞：堤防；險工；控導(dǎo)工程；統(tǒng)計特征；黃河下游

中圖分類號：TV211.3；TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379. 2018.07.007

黃河是我國第二大河，也是世界上著名的多泥沙河流。黃河下游河勢游蕩多變，決口頻率高，泥沙淤積嚴重，是著名的地上“懸河”。下游的治河工程從早期修建的簡易阻水工程逐漸發(fā)展為堤防、險工和控導(dǎo)工程等。隨著時代的發(fā)展，這些工程不論是在修建規(guī)模還是空間布局上都在不斷改進和完善。相關(guān)的研究很多，比如治河工程的結(jié)構(gòu)和布置方案的研究，工程質(zhì)量效果評價以及工程建設(shè)對周圍環(huán)境影響的研究等。目前從宏觀上對整個下游治河工程的空間分布及數(shù)量統(tǒng)計的研究較為缺乏。對于單一工程而言，修建后其位置固定不變，而河流卻在變化，工程效用就會發(fā)生變化；對于整個下游治河工程而言，由于河流變化在時間上存在周期性，空間上具有傳遞性，因此沿河總的工程效用會呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計規(guī)律。本文應(yīng)用統(tǒng)計方法研究黃河下游典型治河工程——防洪大堤、險工、控導(dǎo)工程的空間分布特征及工程效用變化規(guī)律，以期為下游治河工程建設(shè)與管理以及灘區(qū)土地合理利用提供科技支撐。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于黃河水利委員會防汛辦公室編寫的《黃河防洪T程基本資料匯編》（統(tǒng)計數(shù)據(jù)截至2015年底）、《1935-1982年黃河下游河道演變圖》以及遙感解譯數(shù)據(jù)，同時參考了1990-2016年的《中國水利年鑒》，其中記載了1989-2015年黃河流域水利工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)。遙感解譯數(shù)據(jù)包括以谷歌地球免費版軟件所提供的2015年衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)提取的小浪底水庫至黃河入海口的黃河河道淹沒線、黃河大堤、險工、控導(dǎo)工程的空間位置及數(shù)量信息。由于工程位置逐年變化不明顯，因此在沒有2015年遙感影像的區(qū)域使用2014年或2016年的影像代替。谷歌地球軟件提供的衛(wèi)星影像來自美國DigitalGlobe公司與EarthSat公司，DigitalGlobe公司資料以QuickBird（快鳥）商業(yè)衛(wèi)星影像為主。航拍部分的來源為BlueSky公司、Sanborn公司、美國IKONOS及法國SPOT5。其中：SPOT5可以提供分辨率為2.5m的影像，IKONOS可提供分辨率為1m左有的影像，快鳥可提供分辨率最高為0.61m的高精度影像，影像對應(yīng)的時間分辨率多為每年1期，部分區(qū)域達到每年多期，能夠滿足本次研究需求。

1.2研究方法

為了便于研究黃河下游各項治河工程與河流的相互作用，需要建立一個衡量工程空間位置的相對坐標參考系統(tǒng)?？紤]到河流的動態(tài)變化，河流中心線有很大的不確定性，而1949年以后黃河兩岸的堤防位置基本未發(fā)生改變，后期的修建大多是在已有堤防的基礎(chǔ)上加高幫寬、硬化堤頂?shù)缆?、進行標準化建設(shè)或者種植防浪林等，因此利用ArcGIS軟件中的Collapse Du-al Lines To Center Line 工具提取黃河下游兩岸大堤之間的中心線（簡稱大堤中心線，見圖1），作為各項治河工程空間分析的坐標參考基礎(chǔ)。以大堤中心線為坐標橫軸，以小浪底水庫出庫閘為原點，以入海口為終點，以垂直于大堤中心線的水平方向為坐標縱軸，建立空間相對坐標系。各項工程距原點的距離可以直觀地反映其空間橫向分布，距大堤中心線的距離可以反映其縱向分布情況。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果進行理論推算，設(shè)定研究參數(shù)，引入工程密度、彎曲度以及接觸率等指標，其理論推算方法如下。

黃河下游治河工程的修建，改變了黃河的自然狀態(tài)，使河流發(fā)生一定程度的變異，這種變異主要體現(xiàn)在控導(dǎo)工程和險工修建的數(shù)量和位置上。工程密度E表示一定長度L的河流上工程的數(shù)量N，單位為個/km，計算公式為

E = N/L

根據(jù)遙感解譯情況將黃河下游的控導(dǎo)工程和險工劃分類別，以工程上游起始點為原點，建立工程的相對坐標系，見圖2。根據(jù)工程兩端連線與工程自身曲線交點的個數(shù)，將黃河下游險工和控導(dǎo)工程分為I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類，分別為單彎型、雙彎型、多彎型以及直線型。I類工程兩端所連直線與工程本身曲線交點個數(shù)為0：Ⅱ類工程兩端所連直線與工程本身曲線交點為1個：Ⅲ類工程交點為2個及2個以上：Ⅳ類工程為直線，交點有無數(shù)個。

彎曲度是衡量工程形態(tài)的參數(shù)。彎曲度S定義為工程首、尾兩端所連直線長度lz與工程本身長度l的比值，即

S=lz/l

接觸率p是表征河流與_廠-程接觸程度的參數(shù)，用來衡量一個工程的效用情況，定義為工程與河流接觸長度lc，與該工程自身長度l的比值，計算公式為

2結(jié)果與分析

2.1大堤堤距變化

根據(jù)計算，黃河下游大堤總長1371km，其中：左岸747km，占整個河道長度的80%；右岸624km，占整個河道長度的65%。在小浪底水庫出庫閘至入?？谥g設(shè)置82個固定斷面，斷面與大堤中心線的交點橫坐標表示該斷面水平距離。由于1949年以后黃河兩岸的堤防位置基本沒發(fā)生改變，因此以1982年的河道圖為基礎(chǔ)量算不同斷面處的堤距，得到黃河下游大堤堤距沿河變化情況，見圖3。

由圖3可知，黃河下游堤距沿程變化較大，從最寬的馬寨斷面處14.80km到最窄的艾山斷面處0.45km，最大值與最小值之間相差32倍，整個下游堤距集中分布在1～5km范圍內(nèi)，平均堤距為5.05km。堤距變化以艾山斷面為界，可以分為A、B兩段。A段（小浪底水庫—艾山）平均堤距為7. 46 km，是堤距最寬的河段，并且存在堤距的內(nèi)包線。B段（艾山—入海口）堤距迅速減小，存在次一級的窄堤距點，可以分為B1、B2、B3三段（見表1），窄堤距點為曹家圈斷面處堤距0. 55 km、利津斷面處堤距0.67km。

將黃河下游不同斷面位置的堤距作累加計算，得到圖4。在距小浪底出庫閘450～550km范圍內(nèi)，即艾山斷面到曹家圈斷面附近河段，大堤堤距變化顯著，呈現(xiàn)大幅度增大或減小的趨勢。在此河段以上堤距變化平穩(wěn)并且堤距整體偏大，此河段以下堤距變化同樣趨于平穩(wěn)但整體堤距較窄。從堤距累計曲線變化趨勢看，堤距分布既不是正態(tài)分布，也不是呈S形曲線分布或者等距離的直線分布，而是兩段式分布，這與圖3所示規(guī)律一致。

黃河下游堤距整體沿程變化波動大，寬堤距主要出現(xiàn)在游蕩型河段，窄堤距主要出現(xiàn)在彎曲型河段。游蕩型河段河勢擺動不定，河流侵占范圍較廣，堤距一般較大，堤內(nèi)灘區(qū)面積大。彎曲型河段河勢穩(wěn)定，堤距較小，灘區(qū)面積小。有關(guān)研究表明，黃河下游河道成藕節(jié)狀分布，通常節(jié)點處河道較窄，堤距相應(yīng)也很小，因此艾山、曹家圈、利津等分界點附近的堤距極小。艾山至曹家圈河段堤距變化幅度大的主要原因是該河段由位于開封凹陷的沖積扇平原下段逐漸向位于魯西隆起的山前平原和丘陵過渡，河勢較不穩(wěn)定。由此推測，此過渡段建設(shè)相關(guān)治河T程時充分考慮了地質(zhì)因素。

2.2工程數(shù)量分布

如圖5所示：險工數(shù)量在時間上的分布呈現(xiàn)雙峰的特點，并且第二峰值小于第一峰值：控導(dǎo) 工程的數(shù)量在時間上的分布呈現(xiàn)單峰特點，并且控導(dǎo)工程的峰值高于險工的最大峰值。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，最早修建的險工是黑崗口險工，建于1625年。1855年銅瓦廂決口前修建的險工共有12處，銅瓦廂決口后到1910年共修建80處。1890-1910年險工修建數(shù)量為44處，是第一個高峰期，集中修建于1890年和1898年，修建數(shù)量分別為7、11處，此后修建數(shù)量有所下降：1950-1970年為第二個高峰期，修建數(shù)量為21處，少于第一個高峰期。至2015年，黃河下游共有險工147處、壩垛護岸5413道，工程總長度333.985km，裹護長度277.851km?？貙?dǎo)工程的始建時間比險工大約晚260a，魚山控導(dǎo)工程和舊城控導(dǎo)工程最早修建于1883年。大部分控導(dǎo)工程修建于1949年之后，1950-1970年修建數(shù)量為122處。1960-1974年平均每年修建8處，修建高峰集中在1967年和1968年，平均每年修建16處，此后控導(dǎo)工程的修建數(shù)量逐漸下降。至2015年，已建成控導(dǎo)工程233處、壩垛護岸5 204道，工程長度483.493km，裹護長度199.748km。

據(jù)史料記載，18世紀末到19世紀初河南地區(qū)頻發(fā)大水，為保護人民財產(chǎn)安全，大量修建險工，使其數(shù)量達到一個高峰期。20世紀50-70年代是河流的初級開發(fā)和治理時期，此時正值中華人民共和國成立初期，國家高度重視黃河下游河道的治理，治河工程的發(fā)展進人新的高峰。這一時期大量修建險工和控導(dǎo)工程，且控導(dǎo)工程建設(shè)的數(shù)量更多，此后險工和控導(dǎo)工程的修建形式多為改擴建，新增數(shù)量逐年下降。

2.3工程密度分布

為了研究黃河下游控導(dǎo)工程和險工的空間分布規(guī)律，采用單位長度上的工程數(shù)量來表征工程密度，為此需要確定合適的單位長度。在黃河下游沿河的方向上分別采用單位長度為50、70、90km進行試算，單位長度為90km時工程密度分布規(guī)律最為明顯，見圖6（圖中各河段的平均長度為90km）。

由圖6可知，工程密度的變化趨勢可以分為I、Ⅱ兩段，中間有下凹點。I段工程密度呈直線上升趨勢，最大密度為0.25個/km，在張莊村—段寨村之間；最小密度為0.13個/km，在小浪底—骨頭峪之間。Ⅱ段工程密度呈下降趨勢，密度最大值為0.43個/km，在小生村—大王廟村之間；密度最小值為0.18個/km，在小劉夾河村—入?？谥g。下凹點在段寨村—仲潭村之間，密度為0.24個/km。

在小浪底一段寨村之間，黃河逐漸由游蕩型向彎曲型過渡，河流逐漸流經(jīng)人口、城市密集的地區(qū)，故而對河流河勢的控制和防護程度逐漸提高。同時，河流逐漸趨于穩(wěn)定，修建的工程長度較之前游蕩嚴重的河段更短。在相同單位長度上，工程數(shù)量增多，排列更緊密，因此工程密度不斷增大。而在段寨村一仲潭村之間每個河道整治工程長度都比較長，相同單位長度的河流上工程數(shù)量減少，工程密度減小，此段河流治理工程的平均長度為2865m，有險工9處、控導(dǎo)工程12處，在工程密度分布曲線上形成了一個下凹點。在大王廟村至人?？诤佣危恿鞅容^彎曲，河勢比較穩(wěn)定，黃河兩岸人口、城市、村落相對較少，普遍為大片耕地，因此工程防護逐漸減弱，工程修建數(shù)量逐漸減少，工程密度隨之減小，呈現(xiàn)下降趨勢。

2.4工程形態(tài)

2.4.1 工程類型分布

河道整治工程的修建既要考慮黃河洪水來臨時所起到的防洪作用，同時還要考慮河流地貌，工程幾何形態(tài)的變化一定程度上反映了工程空間存在狀態(tài)以及河勢變化。

如圖7所示，黃河下游險工和控導(dǎo)工程中，單彎型（I類）的工程數(shù)量最多，共有166處，其中控導(dǎo)工程較多，占55%，險工占45%；雙彎型（Ⅱ類）工程中，險工的數(shù)量多于控導(dǎo)工程，險工占59%，控導(dǎo)工程占41%；多彎型（Ⅲ類）的工 程數(shù)量最少，共有18處，其中險工較多，占83%，控導(dǎo)T程占13%；直線型（Ⅳ類）工程中，控導(dǎo)工程較有優(yōu)勢，占73%。由圖8可知，單彎型工程分布在黃河下游河道的全段范圍內(nèi)，在距小浪底水庫出庫閘460～520 km和610～ 710km范圍內(nèi)較密集；雙彎型工程分布在距小浪底水庫出庫閘100～750km范圍內(nèi)，主要集中在500～600km范圍內(nèi)；多彎型工程主要分布在距小浪底水庫出庫閘210～ 520km范圍內(nèi)；直線型工程分布在整個黃河下游河道，但數(shù)量較少，分布較離散。

總的來說，雙彎型和多彎型險工 數(shù)量比控導(dǎo)工程多，直線型控導(dǎo)工程多于險工。險工有很多是在河勢出險的情況下為了搶險而修建的，因此很多和河流流向擺動情況相伴，險工長度較長，且蜿蜒曲折。而控導(dǎo)工程多數(shù)為了控制主流擺動而主動布設(shè)，遵循制導(dǎo)線修建，因此工程的形狀比較固定，受河流的影響較小，但是控導(dǎo)工程也不是一成不變的，一些控導(dǎo)工 程修建一段時間以后，工程與河流接觸程度發(fā)生變化，有的甚至完全脫河，這種情況下需要對控導(dǎo)工程進行改建，即修建上延或下延工程。即便是這樣，控導(dǎo)工程也很少出

現(xiàn)多彎型情況。

2.4.2工程彎曲度分布

根據(jù)前文所述彎曲度的計算方法，得到黃河下游治河工程彎曲度分布情況，見圖9?？梢钥闯?，黃河下游險工和控導(dǎo)工程的彎曲度均分布在0.3～1.0之間，并且隨著彎曲度由小到大變化，工程數(shù)量逐漸遞增。

彎曲度在0.9～1.0之間的工程最多，險工有66處，控導(dǎo)工程有86處，分別占43%和57%。彎曲度在0.4～0.8之間的險工 數(shù)量大于控導(dǎo)工程數(shù)量。工程的彎曲度可以直觀地反映工程的形態(tài)，也可以間接反映各工程防護范圍內(nèi)河勢的危險程度。工程的彎曲度越小，表示工程首尾兩端直線距離越短，工程越彎曲，一定程度上該工程防護范圍內(nèi)的河勢越復(fù)雜，危險性越大。黃河下游河道治河工程的彎曲度在空間分布上沒有明顯的規(guī)律性，也反映了工程的設(shè)計與布設(shè)過程涉及多種因素，過程比較復(fù)雜，工程的彎曲度在空間分布上呈現(xiàn)隨機性的特點（見圖10）。

2.5工程接觸率分布

接觸率是工程效用情況的一種度量：接觸率越大，工程所起的作用越大；接觸率越小，說明工程的效用越小，極端情況下工程脫河時接觸率為0。由于黃河下游近年來大水頻率減小，加之河勢游蕩多變，很多河道整治工程已經(jīng)脫河，有的甚至常年不靠河，因此從統(tǒng)計上了解工程的接觸率有重要意義。

經(jīng)過計算，目前黃河下游險工和控導(dǎo)工程總長度占河道總長的85%?？貙?dǎo)工程平均接觸率為67%，接觸率在90%以上的工程占總工程數(shù)的40%；極端情況，接觸率為0的有11處，100%與河流接觸的有32處。險工平均接觸率為56%，接觸率為0的有23處，接觸率為100%的16處。

不同河段治河工程與河流的接觸率隨著工程位置的變化呈現(xiàn)波動的情況，見圖12、圖13。除去極端值100%和0，控導(dǎo)工程的最低值為12.75%，為游蕩型河段的老田庵控導(dǎo)工程；最高值99.86%，為彎曲型河段的秦家道口控導(dǎo)工程。而彎曲型河段的最低接觸率為27.61%，高于游蕩型河段的，反映出彎曲型河段河勢較穩(wěn)定，工程接觸率較高，游蕩型河段不穩(wěn)定，工程效用有很大的不確定性。險工與河流的接觸率隨著工程位置的變化呈現(xiàn)波動性，同樣沒有很好的相關(guān)性。除去極端值，其最低值13.5%為賈莊險工，同樣出現(xiàn)在游蕩型河段：最高值99.04%則為彎曲性河段的五甲楊險工。比較之下（除去極端值），控導(dǎo)工程的最低接觸率低于險工的，而最高接觸率高于險工的。由此推測，控導(dǎo)工程的不確定性大于險工的。對于接觸率較低的治河工程，應(yīng)重新考慮其布設(shè)或改建，以適應(yīng)河勢的變化。

3結(jié)論

（1）黃河從小浪底水庫出庫閘至入?？?，堤距變化總體上波動較大，平均堤距為5.05km。堤距變化規(guī)律呈現(xiàn)分段的特點，以艾山為界分為兩段，上段（小浪底水庫—艾山）平均堤距為7.46km，堤距變化存在內(nèi)包線：下段（艾山—入?？冢┢骄叹酁?.70km，存在次一級的窄堤距點（曹家圈0.55km和利津0.67km），可以分為3小段。

（2）險工數(shù)量隨時間變化呈現(xiàn)雙峰分布的特點，并且第二峰值小于第一峰值?？貙?dǎo)工程的數(shù)量隨時間的變化呈現(xiàn)單峰分布的特點，且峰值高于險工的最大峰值。控導(dǎo)工程和險工密度的變化趨勢可以分為I、Ⅱ兩段，I段工程密度呈直線上升趨勢，Ⅱ段工程密度呈下降趨勢，中間有下凹點；整個黃河下游沿河方向上平均1km分布0.27個控導(dǎo)（險工）工程。

（3）險工與控導(dǎo)工程從形態(tài)上可以分為單彎型、雙彎型、多彎型和直線型四類。險工與控導(dǎo)工程均是單彎型最多；雙彎型和多彎型險工數(shù)量多于控導(dǎo)工程，直線型險工數(shù)量少于控導(dǎo)工程：險工和控導(dǎo)工程的彎曲度集中分布在0.3～1.0之間，在黃河下游的空間分布沒有明顯的規(guī)律性。

（4）險工和控導(dǎo)工程與河流的接觸情況為全接觸、完全脫河或者接觸率在一定范圍內(nèi)波動。控導(dǎo)工程與河流的平均接觸率為67%，險工與河流的平均接觸率為56%。