屈博 馬靜 鄭涵之 孫一 伊曉燕

摘 要：岸線保護與利用是黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展的重點工作。針對黃河下游開展適應新形勢的岸線保護與利用量化分析方法研究，結合前期相關研究成果，科學劃定原陽岸線范圍，并從時間和空間兩個角度分析2000—2015年原陽岸線土地利用結構變化情勢及驅動因素。在此基礎上，根據(jù)原陽岸線防洪安全、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護的多重要求，構建了權衡經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的多目標優(yōu)化模型，并模擬2025年原陽岸線保護與利用情景預案。結果表明：該方法能夠從數(shù)量結構上對原陽岸線保護與利用進行優(yōu)化配置，并給出不同側重（經(jīng)濟效益、生態(tài)效益）的情景預案，為黃河流域岸線開發(fā)利用提供一種量化的研究方法與思路。

關鍵詞：岸線;保護與利用;多目標優(yōu)化;土地利用;黃河下游

中圖分類號：TV853;TV882.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.007

引用格式：屈博，馬靜，鄭涵之，等.黃河下游典型岸線保護與利用方法研究[J].人民黃河，2021，43（8）：39-43，47.

Abstract： The protection and utilization of water front is the essential part of ecological protection and high quality development of the Yellow River Basin. Focusing on the lower reaches of the Yellow River， this paper conducted a study on quantitative methods of water front protection and utilization， which could meet the new developing requirements. We scientifically determined the scope of Yuanyang water front on the basis of previous relevant research， and deeply analyzed the changes of land use structure of Yuanyang water front in 2000-2015 and its drive mechanisms in time and space. Then， we built a multi-objective optimization model after balancing economic， social and ecological benefits， in accordance with the multiple demands on flood control， economic development and ecological protection for Yuanyang water front. And further we predicted a scene plan of water front protection and utilization in 2025. The results demonstrate that this method is able to optimize the protection and utilization of Yuanyang water front in term of quantity and provide a wide range of scene plans with consideration of different emphasis on economic or ecological benefits. And it offers a quantitative method for water front exploitation of the Yellow River Basin.

Key words： water front; protection and utilization; multi-objective optimization; land use; Lower Yellow River

內河岸線是河流開發(fā)利用的主要資源之一，自古就以豐富的資源優(yōu)勢和良好的區(qū)位特征，成為人類傍水而居的主要活動場所。但受認識和技術水平的限制，目前在開發(fā)利用過程中普遍存在開發(fā)無序、過度開發(fā)等問題，岸線生態(tài)保護與可持續(xù)發(fā)展形勢日益嚴峻[1]。黃河下游岸線因其特殊的功能與定位，情況更為復雜。黃河下游灘區(qū)（岸線內絕大部分區(qū)域）既是黃河滯洪沉沙的場所，也是190萬群眾賴以生存的家園?，F(xiàn)狀情況下防洪運用、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護之間的矛盾突出，教育、醫(yī)療等基礎設施較為薄弱，群眾生活困苦，已成為區(qū)域發(fā)展的“短板和洼地”。

當前，在黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展戰(zhàn)略的推進時期，國內眾多學者圍繞黃河下游治理和岸線開發(fā)利用進行了諸多有益的探索。田勇等[2-4]系統(tǒng)分析了灘區(qū)在防洪新形勢下的功能作用以及支持經(jīng)濟社會發(fā)展的能力等，在此基礎上，結合資料分析與數(shù)學模型計算成果，進一步提出了“一條寬河”前提下全面加強“高效行洪輸沙通道”和“美麗生態(tài)文化廊道”建設的灘區(qū)開發(fā)利用及生態(tài)保護策略;張金良等[5]提出了“洪水分級設防，泥沙分區(qū)落淤，灘槽水沙自由交換”的生態(tài)治河方略，進而建立了黃河下游灘區(qū)生態(tài)再造與治理新模式。然而，目前研究多集中于宏觀的戰(zhàn)略層面，對于更加具體、精細尺度的黃河下游典型岸線研究則較少。

本文選取黃河下游原陽岸線為研究對象，深入分析2000—2015年原陽岸線土地利用結構及其時空演變情勢，明確土地利用動態(tài)演變的驅動因素。在此基礎上，綜合考慮經(jīng)濟、社會與生態(tài)三大效益，構建原陽岸線多目標優(yōu)化模型，并模擬2025年原陽岸線保護與利用情景預案，以探索適應新時代的岸線保護與利用量化分析方法，為黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展相關工作的推進提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 原陽岸線范圍

原陽段位于黃河下游桃花峪至高村河段的左岸、河南省新鄉(xiāng)市境內（見圖1），河道為平原河道，長65.52 km。岸線是由臨水邊界線和外緣邊界線合圍而成的區(qū)域，根據(jù)水利部《河湖岸線保護與利用規(guī)劃編制指南（試行）》（以下簡稱《指南》），原陽岸線邊界線劃定如下。

（1）《指南》指出，外緣邊界線可劃定為堤防工程管理范圍的外緣線。按照《河南省黃河河道管理辦法》規(guī)定，本文采用原陽段黃河大堤背河側30 m作為外緣邊界線。

（2）《指南》指出，臨水邊界線可劃定為：①治導線或整治方案線（一般為中水整治線）;②造床流量、平灘流量水邊線或灘槽分界線（平原河道）。然而，治導線實際上是設計中理想的整治流量水邊線，對于河勢尚不穩(wěn)定的原陽河段，兩條治導線之間的區(qū)域可能小于實際中常洪水的行洪區(qū)。此外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，受河勢擺動影響，造床流量、平灘流量水邊線也會隨之變化。在此條件下，本文考慮采用相對穩(wěn)定的灘槽分界線作為臨水邊界線，臨水邊界線以河道整治工程線為基礎，其余部分主要是生產堤、道路等組成的連接線。

連接劃定的外緣邊界線、臨水邊界線以及原陽縣行政區(qū)邊界線，得到原陽岸線的范圍，見圖1。

1.2 原陽岸線概況

原陽岸線總面積約為323.69 km2，有北裹頭、馬莊、雙井等十余處護灘控導工程，相對穩(wěn)定。岸線內無自然保護區(qū)，且開發(fā)利用項目不多，有少量灌區(qū)引黃閘、跨河橋梁、管線等工程。土地利用現(xiàn)狀以農業(yè)種植為主，近年來，與生態(tài)旅游結合的現(xiàn)代農業(yè)模式得到快速發(fā)展。鑒于此，可考慮在不影響防洪和取水的前提下，對原陽岸線進行控制性開發(fā)利用。

原陽岸線涉及7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)202個行政村，人口20.52萬人。受歷史、政策及管理制度等因素制約，岸線內無法大力發(fā)展工業(yè)，經(jīng)濟社會發(fā)展總體相對緩慢。在國家有關部委的大力支持下，2017年印發(fā)的《河南省黃河灘區(qū)居民遷建規(guī)劃》中計劃用3 a時間將原陽岸線5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)23個村莊6 529戶，共計24 317人外遷安置。

1.3 數(shù)據(jù)收集處理

本文采用的基礎數(shù)據(jù)主要包括土地利用數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。其中：土地利用數(shù)據(jù)來源于國家科技基礎條件平臺——國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心（http：//www.geodata.cn），主要包括耕地、林地、草地、水域和建設用地5種土地利用類型，空間分辨率為100 m×100 m;社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《新鄉(xiāng)市統(tǒng)計年鑒》以及相關政府報告等。需要注意的是，原陽岸線并非一個完整的行政區(qū)，沒有專門的區(qū)域經(jīng)濟數(shù)據(jù)?？紤]到岸線面積較大，是原陽縣農業(yè)發(fā)展的重要組成部分，本文中農業(yè)、林業(yè)、牧草業(yè)和漁業(yè)產值直接采用原陽縣的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而二、三產業(yè)產值通過折算處理得到。

2 原陽岸線土地利用時空演變分析

2.1 時間變化分析

2000年、2005年、2010年、2015年原陽岸線各類型土地利用面積見表1?？梢钥闯觯柊毒€以耕地和建設用地（絕大部分是村莊）為主，這兩類土地利用面積占總面積的97%以上，其中耕地面積最大，占總面積的75%～80%。

從數(shù)量來看，2000—2015年原陽岸線土地利用面積整體變化不大。其中：耕地和水域面積分別增加了7.99 km2和1.43 km2，林地和建設用地面積分別減少了2.23 km2和7.19 km2。其原因可能是隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展和灘區(qū)遷建規(guī)劃的實施，岸線內人口不斷外流，造成建設用地面積持續(xù)減小。同時，城市建設和擴張對土地資源產生了巨大的剛性需求，為盡力滿足城市工業(yè)區(qū)、基礎設施等用地，以及國家對農田保有量等多方面要求，沿黃城市常常會將岸線內大量土地轉化為農田。

考慮到多年來不同土地利用類型之間存在相互轉化的關系，本文計算了2000—2015年原陽岸線土地利用類型每5 a的轉移矩陣，見表2。

可以看出，各年份之間主要是耕地和建設用地的相互轉化。從整個2000—2015年來看，共有33.87 km2耕地轉化為建設用地，約占耕地面積的13.70%，同時有38.95 km2建設用地轉化為耕地，約占建設用地面積的55.10%。然而，直接計算2000年和2015年的土地利用類型轉移面積發(fā)現(xiàn)，僅有16.72 km2耕地轉化為建設用地，以及23.86 km2建設用地轉化為耕地。這說明岸線內存在部分區(qū)域在耕地與建設用地之間反復轉化，本研究認為可能是由人口遷移聚集和經(jīng)濟發(fā)展活動造成的。

2.2 空間變化分析

采用ArcGIS空間分析工具，對2000—2015年原陽岸線土地利用類型空間分布變化情勢進行分析，結果見圖2?？梢钥闯?，2000—2005年空間分布變化很小，僅在臨近河道處出現(xiàn)小范圍的水域轉化為耕地，其原因是修建的控導工程進一步減小了洪水威脅，為農業(yè)生產及發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。2005—2010年原陽岸線耕地和建設用地變化明顯，在臨近河道處大量耕地轉化為建設用地，并呈現(xiàn)斑塊狀聚集的態(tài)勢。然而2010—2015年出現(xiàn)幾乎完全相反的情況，即臨近河道處建設用地復耕。查閱遙感影像資料發(fā)現(xiàn)，其原因是沿河控導護岸工程以及道路等配套設施修建時，就近建設了許多非永久性輔助建筑，在工程結束后又對其進行了拆除與復耕。此外，岸線臨近大堤處大量耕地轉化為建設用地，而中部區(qū)域主要表現(xiàn)為建設用地轉化為耕地。

2.3 驅動力分析

原陽岸線自然條件比較穩(wěn)定，導致土地利用類型轉化的驅動力主要為社會驅動力，包括人口因素、經(jīng)濟因素以及政策因素。其中政策因素占主導地位，包括城鎮(zhèn)化發(fā)展和灘區(qū)遷建規(guī)劃引發(fā)人口外流，防洪法規(guī)、基本農田制度、生態(tài)紅線制度等限制經(jīng)濟發(fā)展，政府引導農業(yè)產業(yè)結構調整等。

3 原陽岸線保護與利用優(yōu)化研究

3.1 多目標優(yōu)化模型構建

目前，國內外土地利用優(yōu)化方法眾多，其中多目標優(yōu)化方法能夠克服目標單一的局限，其優(yōu)勢得到眾多學者的認可，已被廣泛應用于土地可持續(xù)利用規(guī)劃中[6-8]。本文在綜合分析原陽岸線資源特征與發(fā)展需求的基礎上，綜合考慮經(jīng)濟、社會、生態(tài)三大效益，利用多目標優(yōu)化方法構建原陽岸線保護與利用優(yōu)化模型。

3.1.1 目標函數(shù)

模型目標函數(shù)主要考慮經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，具體如下。

（1）經(jīng)濟效益目標。經(jīng)濟效益目標函數(shù)可表示為

式中：F1為經(jīng)濟效益總值，萬元;Bi為經(jīng)濟效益系數(shù)，即第i類土地利用單位面積產出，萬元/km2，1～5分別對應農業(yè)、林業(yè)、牧草業(yè)、漁業(yè)和二三產業(yè)的產值;xi為第i類土地利用的規(guī)劃面積，km2。

根據(jù)統(tǒng)計的原陽岸線各土地利用類型的面積以及對應的產業(yè)產值，計算2000—2015年的經(jīng)濟效益系數(shù)值，在此基礎上，利用灰色模型預測得到2025年各土地利用類型的經(jīng)濟效益系數(shù)值?；疑Ｐ虶M （1，1） 把分散在時間軸上的離散數(shù)據(jù)看成一組連續(xù)變化的序列，并采用累加或累減的方式，弱化未知因素的影響程度，構建一個以時間為變量的連續(xù)微分方程，從而實現(xiàn)預測目的，具有預測精度高、運算過程簡單等優(yōu)點，在農村經(jīng)濟、工業(yè)生產等領域應用廣泛[9]。

由此，可得經(jīng)濟效益目標函數(shù)為

（2）生態(tài)效益目標。生態(tài)效益目標函數(shù)可表示為

式中：F2為生態(tài)效益總值，萬元;Ci為生態(tài)效益系數(shù)，即第i類土地利用對應的生態(tài)價值系數(shù)，萬元/km2。本文采用謝高地等[10]制定的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值系數(shù)，見表3。

由此，可得生態(tài)效益目標函數(shù)為

3.1.2 約束條件

根據(jù)原陽岸線資源特征、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護的需要，約束條件主要考慮防洪安全、岸線總面積、人口總量、土地開發(fā)強度、生態(tài)保護等社會效益目標。需要注意的是，由于相關規(guī)劃尚未發(fā)布，采用的2025年數(shù)據(jù)大多為基于灰色模型GM （1，1）的預測值。

（1）防洪安全約束。依據(jù)相關法規(guī)政策，河道內禁止種植林木、發(fā)展工業(yè)項目和建設標準道路等。因此，設置林地、建設用地面積不超過2025年預測值。經(jīng)計算，2025年林地和建設用地面積分別為1.45 km2和53.82 km2，則防洪安全約束條件表示為

（2）岸線總面積約束。隨著黃河下游水沙調控體系的不斷完善，原陽岸線的防洪安全形勢得到了極大的改善。因此，設置岸線總面積不發(fā)生變化，表示為

（3）人口總量約束。根據(jù)河南省黃河灘區(qū)居民遷建規(guī)劃和部署，至2025年原陽岸線總人口不超過180 916人。結合推算的2025年人口密度約為3 584人/km2（人口總量與建設用地面積的比值），則人口總量約束條件表示為

（4）土地開發(fā)強度約束。根據(jù)現(xiàn)有原陽縣土地規(guī)劃 “要確保耕地數(shù)量的穩(wěn)定和質量的逐步提高” 的指導思想，同時考慮原陽岸線遷建后可能出現(xiàn)的土地復墾等，設置岸線耕地面積不小于現(xiàn)有面積（2015年）255.15 km2。此外，2019年印發(fā)的《河南省黃河灘區(qū)優(yōu)質草業(yè)帶建設實施方案》提出要以中牟縣、原陽縣等為重點把黃河灘區(qū)建成中原地區(qū)優(yōu)質草業(yè)基地。然而，原陽岸線草地面積2025年預測值為0，在沒有得到相對確切數(shù)值的情況下，本文初步設置草地面積不小于為1 km2，則土地開發(fā)強度約束條件表示為

（5）生態(tài)保護約束。根據(jù)原陽縣“構建沿黃生態(tài)涵養(yǎng)帶”的戰(zhàn)略目標，設置水域、草地面積不小于2025年預測值。經(jīng)計算，2025年水域面積約為5.44 km2，則土地開發(fā)強度約束條件表示為

（6）數(shù)學模型約束。數(shù)學模型中各變量非負，即

3.1.3 模型求解

相對于傳統(tǒng)的多目標決策方法，遺傳算法具有處理目標函數(shù)的間斷性和多峰性等復雜問題的能力，能有效應用于多目標搜索，已被認為可能是最適合于多目標優(yōu)化的方法[7，11-12]，在此不再贅述。本文選用遺傳算法對構建的原陽岸線多目標優(yōu)化模型進行求解。

3.2 原陽岸線保護與利用情景模擬預測

3.2.1 多目標優(yōu)化模型非劣解集

基于已建立的多目標優(yōu)化模型，計算2025年原陽岸線兼顧經(jīng)濟、生態(tài)效益綜合較優(yōu)水平的定量化非劣解方案，結果見表4。對比不同方案發(fā)現(xiàn)，從方案1到方案10經(jīng)濟效益目標值不斷減小，其原因是在經(jīng)濟效益目標函數(shù)中占據(jù)較大比重的建設用地面積不斷減?。ǚ桨?0中減少至0.265 1 km2）;相反，生態(tài)效益目標值迅速增大，在生態(tài)效益目標函數(shù)中占據(jù)較大比重的水域（濕地）面積增大至44.600 3 km2。

3.2.2 原陽岸線保護與利用情景預案

從生態(tài)效益最大化的角度來看，方案10效果最佳，即原陽岸線2025年土地利用以耕地和水域為主導，同時該方案也符合防洪法規(guī)以及構建黃河下游生態(tài)廊道的愿景。然而，從現(xiàn)實角度來說，方案10中建設用地面積趨近于0，難以適應當前遷建規(guī)劃下原陽岸線仍有10多萬人口居住的情況，不具有現(xiàn)實意義。目前正處于黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展戰(zhàn)略的推動期，根據(jù)“沿黃生態(tài)涵養(yǎng)帶”的規(guī)劃部屬，未來原陽岸線人口外流可能會進一步加快，本文考慮最極端情況，即將岸線發(fā)展演變和居民遷建活動引起的建設用地減少趨勢直接累加，計算得到2025年原陽岸線建設用地面積應不小于40 km2。在此情況下，按照“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的理念，推薦方案4作為2025年原陽岸線保護與利用情景預案，即耕地263.20 km2，林地0.21 km2，草地1.00 km2，水域19.09 km2和建設用地40.19 km2。需要注意的是，該方案中的濕地和建設用地面積變化相對較大，但在當前岸線居民遷建外流與土地流轉、沿黃生態(tài)濕地公園的規(guī)劃修建等因素綜合作用下，仍有實現(xiàn)的可能。再者，近年來黃河下游岸線產業(yè)結構逐步調整，依托水域的生態(tài)種養(yǎng)模式（如蓮藕泥鰍混養(yǎng)等）和休閑觀光農業(yè)模式（如田園綜合體等）得到了快速發(fā)展，這也促進了水域面積的大幅度增加。

4 結 論

岸線保護與利用是黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展的重點工作。本文聚焦黃河下游原陽岸線，結合防洪安全、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護的多重要求，開展適應新形勢的岸線保護與利用量化分析方法研究。

（1）從時間和空間兩個角度分析了2000—2015年原陽岸線土地利用結構變化情勢。結果發(fā)現(xiàn)，原陽岸線各土地利用類型面積變化不大（但多年來耕地和建設用地之間相互轉化頻繁），其中耕地呈增長趨勢，建設用地和林地呈減少態(tài)勢。從空間結構來看，臨近大堤處大量耕地轉化為建設用地，而中部區(qū)域主要表現(xiàn)為建設用地轉化為耕地，臨近河道處則變化相對不大。

（2）綜合考慮經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益，利用多目標優(yōu)化方法構建了原陽岸線保護與利用優(yōu)化模型，并模擬2025年原陽岸線保護與利用情景預案，給出了未來岸線開發(fā)利用的定量優(yōu)化配置建議。相對于傳統(tǒng)定性研究，該方法能夠從數(shù)量結構上對原陽岸線保護與利用進行優(yōu)化配置，為黃河流域岸線開發(fā)利用提供了一種量化的研究方法與思路，具有較好的應用價值和前景。

（3）受研究資料和認識水平的限制，本文對岸線內具有突出特點的高灘、二灘、嫩灘等考慮不足。未來需要加強對這些影響因素的量化表征研究，并考慮加入分區(qū)分類的思想，補充完善現(xiàn)有模型方法，提高方法適用性以及模擬預案準確度。另外，岸線的社會經(jīng)濟資料收集相對困難，不利于進一步深入開展更精確的研究。在當前積極推動黃河下游河道和灘區(qū)綜合提升治理的新形勢下，岸線/灘區(qū)尺度基礎數(shù)據(jù)的統(tǒng)計工作有待加強。

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【責任編輯 許立新】