黄河下游典型岸线保护与利用方法研究
屈博 马静 郑涵之 孙一 伊晓燕
摘 要：岸线保护与利用是黄河流域生态保护和高质量发展的重点工作。针对黄河下游开展适应新形势的岸线保护与利用量化分析方法研究，结合前期相关研究成果，科学划定原阳岸线范围，并从时间和空间两个角度分析2000—2015年原阳岸线土地利用结构变化情势及驱动因素。在此基础上，根据原阳岸线防洪安全、经济发展和生态保护的多重要求，构建了权衡经济效益、社会效益和生态效益的多目标优化模型，并模拟2025年原阳岸线保护与利用情景预案。结果表明：该方法能够从数量结构上对原阳岸线保护与利用进行优化配置，并给出不同侧重（经济效益、生态效益）的情景预案，为黄河流域岸线开发利用提供一种量化的研究方法与思路。
关键词：岸线;保护与利用;多目标优化;土地利用;黄河下游
中图分类号：TV853;TV882.1 文獻标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.007
引用格式：屈博，马静，郑涵之，等.黄河下游典型岸线保护与利用方法研究[J].人民黄河，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
内河岸线是河流开发利用的主要资源之一，自古就以丰富的资源优势和良好的区位特征，成为人类傍水而居的主要活动场所。但受认识和技术水平的限制，目前在开发利用过程中普遍存在开发无序、过度开发等问题，岸线生态保护与可持续发展形势日益严峻[1]。黄河下游岸线因其特殊的功能与定位，情况更为复杂。黄河下游滩区（岸线内绝大部分区域）既是黄河滞洪沉沙的场所，也是190万群众赖以生存的家园。现状情况下防洪运用、经济发展和生态保护之间的矛盾突出，教育、医疗等基础设施较为薄弱，群众生活困苦，已成为区域发展的“短板和洼地”。
当前，在黄河流域生态保护和高质量发展战略的推进时期，国内众多学者围绕黄河下游治理和岸线开发利用进行了诸多有益的探索。田勇等[2-4]系统分析了滩区在防洪新形势下的功能作用以及支持经济社会发展的能力等，在此基础上，结合资料分析与数学模型计算成果，进一步提出了“一条宽河”前提下全面加强“高效行洪输沙通道”和“美丽生态文化廊道”建设的滩区开发利用及生态保护策略;张金良等[5]提出了“洪水分级设防，泥沙分区落淤，滩槽水沙自由交换”的生态治河方略，进而建立了黄河下游滩区生态再造与治理新模式。然而，目前研究多集中于宏观的战略层面，对于更加具体、精细尺度的黄河下游典型岸线研究则较少。
本文选取黄河下游原阳岸线为研究对象，深入分析2000—2015年原阳岸线土地利用结构及其时空演变情势，明确土地利用动态演变的驱动因素。在此基础上，综合考虑经济、社会与生态三大效益，构建原阳岸线多目标优化模型，并模拟2025年原阳岸线保护与利用情景预案，以探索适应新时代的岸线保护与利用量化分析方法，为黄河流域生态保护和高质量发展相关工作的推进提供科学依据。
1 研究区域概况与数据处理
1.1 原阳岸线范围
原阳段位于黄河下游桃花峪至高村河段的左岸、河南省新乡市境内（见图1），河道为平原河道，长65.52 km。岸线是由临水边界线和外缘边界线合围而成的区域，根据水利部《河湖岸线保护与利用规划编制指南（试行）》（以下简称《指南》），原阳岸线边界线划定如下。
（1）《指南》指出，外缘边界线可划定为堤防工程管理范围的外缘线。按照《河南省黄河河道管理办法》规定，本文采用原阳段黄河大堤背河侧30 m作为外缘边界线。
（2）《指南》指出，临水边界线可划定为：①治导线或整治方案线（一般为中水整治线）;②造床流量、平滩流量水边线或滩槽分界线（平原河道）。然而，治导线实际上是设计中理想的整治流量水边线，对于河势尚不稳定的原阳河段，两条治导线之间的区域可能小于实际中常洪水的行洪区。此外，经研究发现，受河势摆动影响，造床流量、平滩流量水边线也会随之变化。在此条件下，本文考虑采用相对稳定的滩槽分界线作为临水边界线，临水边界线以河道整治工程线为基础，其余部分主要是生产堤、道路等组成的连接线。
连接划定的外缘边界线、临水边界线以及原阳县行政区边界线，得到原阳岸线的范围，见图1。
1.2 原阳岸线概况
原阳岸线总面积约为323.69 km2，有北裹头、马庄、双井等十余处护滩控导工程，相对稳定。岸线内无自然保护区，且开发利用项目不多，有少量灌区引黄闸、跨河桥梁、管线等工程。土地利用现状以农业种植为主，近年来，与生态旅游结合的现代农业模式得到快速发展。鉴于此，可考虑在不影响防洪和取水的前提下，对原阳岸线进行控制性开发利用。
原阳岸线涉及7个乡镇202个行政村，人口20.52万人。受历史、政策及管理制度等因素制约，岸线内无法大力发展工业，经济社会发展总体相对缓慢。在国家有关部委的大力支持下，2017年印发的《河南省黄河滩区居民迁建规划》中计划用3 a时间将原阳岸线5个乡镇23个村庄6 529户，共计24 317人外迁安置。
1.3 数据收集处理
本文采用的基础数据主要包括土地利用数据、社会经济数据。其中：土地利用数据来源于国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据中心（http：//www.geodata.cn），主要包括耕地、林地、草地、水域和建设用地5种土地利用类型，空间分辨率为100 m×100 m;社会经济数据来源于《新乡市统计年鉴》以及相关政府报告等。需要注意的是，原阳岸线并非一个完整的行政区，没有专门的区域经济数据。考虑到岸线面积较大，是原阳县农业发展的重要组成部分，本文中农业、林业、牧草业和渔业产值直接采用原阳县的统计数据，而二、三产业产值通过折算处理得到。
2 原阳岸线土地利用时空演变分析
2.1 时间变化分析
2000年、2005年、2010年、2015年原陽岸线各类型土地利用面积见表1。可以看出，原阳岸线以耕地和建设用地（绝大部分是村庄）为主，这两类土地利用面积占总面积的97%以上，其中耕地面积最大，占总面积的75%～80%。
从数量来看，2000—2015年原阳岸线土地利用面积整体变化不大。其中：耕地和水域面积分别增加了7.99 km2和1.43 km2，林地和建设用地面积分别减少了2.23 km2和7.19 km2。其原因可能是随着我国城镇化发展和滩区迁建规划的实施，岸线内人口不断外流，造成建设用地面积持续减小。同时，城市建设和扩张对土地资源产生了巨大的刚性需求，为尽力满足城市工业区、基础设施等用地，以及国家对农田保有量等多方面要求，沿黄城市常常会将岸线内大量土地转化为农田。
考虑到多年来不同土地利用类型之间存在相互转化的关系，本文计算了2000—2015年原阳岸线土地利用类型每5 a的转移矩阵，见表2。
可以看出，各年份之间主要是耕地和建设用地的相互转化。从整个2000—2015年来看，共有33.87 km2耕地转化为建设用地，约占耕地面积的13.70%，同时有38.95 km2建设用地转化为耕地，约占建设用地面积的55.10%。然而，直接计算2000年和2015年的土地利用类型转移面积发现，仅有16.72 km2耕地转化为建设用地，以及23.86 km2建设用地转化为耕地。这说明岸线内存在部分区域在耕地与建设用地之间反复转化，本研究认为可能是由人口迁移聚集和经济发展活动造成的。
2.2 空间变化分析
采用ArcGIS空间分析工具，对2000—2015年原阳岸线土地利用类型空间分布变化情势进行分析，结果见图2。可以看出，2000—2005年空间分布变化很小，仅在临近河道处出现小范围的水域转化为耕地，其原因是修建的控导工程进一步减小了洪水威胁，为农业生产及发展创造了良好的条件。2005—2010年原阳岸线耕地和建设用地变化明显，在临近河道处大量耕地转化为建设用地，并呈现斑块状聚集的态势。然而2010—2015年出现几乎完全相反的情况，即临近河道处建设用地复耕。查阅遥感影像资料发现，其原因是沿河控导护岸工程以及道路等配套设施修建时，就近建设了许多非永久性辅助建筑，在工程结束后又对其进行了拆除与复耕。此外，岸线临近大堤处大量耕地转化为建设用地，而中部区域主要表现为建设用地转化为耕地。
2.3 驱动力分析
原阳岸线自然条件比较稳定，导致土地利用类型转化的驱动力主要为社会驱动力，包括人口因素、经济因素以及政策因素。其中政策因素占主导地位，包括城镇化发展和滩区迁建规划引发人口外流，防洪法规、基本农田制度、生态红线制度等限制经济发展，政府引导农业产业结构调整等。
3 原阳岸线保护与利用优化研究
3.1 多目标优化模型构建
目前，国内外土地利用优化方法众多，其中多目标优化方法能够克服目标单一的局限，其优势得到众多学者的认可，已被广泛应用于土地可持续利用规划中[6-8]。本文在综合分析原阳岸线资源特征与发展需求的基础上，综合考虑经济、社会、生态三大效益，利用多目标优化方法构建原阳岸线保护与利用优化模型。
3.1.1 目标函数
模型目标函数主要考虑经济效益和生态效益，具体如下。
（1）经济效益目标。经济效益目标函数可表示为
式中：F1为经济效益总值，万元;Bi为经济效益系数，即第i类土地利用单位面积产出，万元/km2，1～5分别对应农业、林业、牧草业、渔业和二三产业的产值;xi为第i类土地利用的规划面积，km2。
根据统计的原阳岸线各土地利用类型的面积以及对应的产业产值，计算2000—2015年的经济效益系数值，在此基础上，利用灰色模型预测得到2025年各土地利用类型的经济效益系数值。灰色模型GM （1，1） 把分散在时间轴上的离散数据看成一组连续变化的序列，并采用累加或累减的方式，弱化未知因素的影响程度，构建一个以时间为变量的连续微分方程，从而实现预测目的，具有预测精度高、运算过程简单等优点，在农村经济、工业生产等领域应用广泛[9]。
由此，可得经济效益目标函数为
（2）生态效益目标。生态效益目标函数可表示为
式中：F2为生态效益总值，万元;Ci为生态效益系数，即第i类土地利用对应的生态价值系数，万元/km2。本文采用谢高地等[10]制定的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数，见表3。
由此，可得生态效益目标函数为
3.1.2 约束条件
根据原阳岸线资源特征、经济发展和生态保护的需要，约束条件主要考虑防洪安全、岸线总面积、人口总量、土地开发强度、生态保护等社会效益目标。需要注意的是，由于相关规划尚未发布，采用的2025年数据大多为基于灰色模型GM （1，1）的预测值。
（1）防洪安全约束。依据相关法规政策，河道内禁止种植林木、发展工业项目和建设标准道路等。因此，设置林地、建设用地面积不超过2025年预测值。经计算，2025年林地和建设用地面积分别为1.45 km2和53.82 km2，则防洪安全约束条件表示为
（2）岸线总面积约束。随着黄河下游水沙调控体系的不断完善，原阳岸线的防洪安全形势得到了极大的改善。因此，设置岸线总面积不发生变化，表示为
（3）人口总量约束。根据河南省黄河滩区居民迁建规划和部署，至2025年原阳岸线总人口不超过180 916人。结合推算的2025年人口密度约为3 584人/km2（人口总量与建设用地面积的比值），则人口总量约束条件表示为
（4）土地开发强度约束。根据现有原阳县土地规划 “要确保耕地数量的稳定和质量的逐步提高” 的指导思想，同时考虑原阳岸线迁建后可能出现的土地复垦等，设置岸线耕地面积不小于现有面积（2015年）255.15 km2。此外，2019年印发的《河南省黄河滩区优质草业带建设实施方案》提出要以中牟县、原阳县等为重点把黄河滩区建成中原地区优质草业基地。然而，原阳岸线草地面积2025年预测值为0，在没有得到相对确切数值的情况下，本文初步设置草地面积不小于为1 km2，则土地开发强度约束条件表示为
（5）生态保护约束。根据原阳县“构建沿黄生态涵养带”的战略目标，设置水域、草地面积不小于2025年预测值。经计算，2025年水域面积约为5.44 km2，则土地开发强度约束条件表示为
（6）数学模型约束。数学模型中各变量非负，即
3.1.3 模型求解
相对于传统的多目标决策方法，遗传算法具有处理目标函数的间断性和多峰性等复杂问题的能力，能有效应用于多目标搜索，已被认为可能是最适合于多目标优化的方法[7，11-12]，在此不再赘述。本文选用遗传算法对构建的原阳岸线多目标优化模型进行求解。
3.2 原阳岸线保护与利用情景模拟预测
3.2.1 多目標优化模型非劣解集
基于已建立的多目标优化模型，计算2025年原阳岸线兼顾经济、生态效益综合较优水平的定量化非劣解方案，结果见表4。对比不同方案发现，从方案1到方案10经济效益目标值不断减小，其原因是在经济效益目标函数中占据较大比重的建设用地面积不断减小（方案10中减少至0.265 1 km2）;相反，生态效益目标值迅速增大，在生态效益目标函数中占据较大比重的水域（湿地）面积增大至44.600 3 km2。
3.2.2 原阳岸线保护与利用情景预案
从生态效益最大化的角度来看，方案10效果最佳，即原阳岸线2025年土地利用以耕地和水域为主导，同时该方案也符合防洪法规以及构建黄河下游生态廊道的愿景。然而，从现实角度来说，方案10中建设用地面积趋近于0，难以适应当前迁建规划下原阳岸线仍有10多万人口居住的情况，不具有现实意义。目前正处于黄河流域生态保护和高质量发展战略的推动期，根据“沿黄生态涵养带”的规划部属，未来原阳岸线人口外流可能会进一步加快，本文考虑最极端情况，即将岸线发展演变和居民迁建活动引起的建设用地减少趋势直接累加，计算得到2025年原阳岸线建设用地面积应不小于40 km2。在此情况下，按照“生态优先、绿色发展”的理念，推荐方案4作为2025年原阳岸线保护与利用情景预案，即耕地263.20 km2，林地0.21 km2，草地1.00 km2，水域19.09 km2和建设用地40.19 km2。需要注意的是，该方案中的湿地和建设用地面积变化相对较大，但在当前岸线居民迁建外流与土地流转、沿黄生态湿地公园的规划修建等因素综合作用下，仍有实现的可能。再者，近年来黄河下游岸线产业结构逐步调整，依托水域的生态种养模式（如莲藕泥鳅混养等）和休闲观光农业模式（如田园综合体等）得到了快速发展，这也促进了水域面积的大幅度增加。
4 结 论
岸线保护与利用是黄河流域生态保护和高质量发展的重点工作。本文聚焦黄河下游原阳岸线，结合防洪安全、经济发展和生态保护的多重要求，開展适应新形势的岸线保护与利用量化分析方法研究。
（1）从时间和空间两个角度分析了2000—2015年原阳岸线土地利用结构变化情势。结果发现，原阳岸线各土地利用类型面积变化不大（但多年来耕地和建设用地之间相互转化频繁），其中耕地呈增长趋势，建设用地和林地呈减少态势。从空间结构来看，临近大堤处大量耕地转化为建设用地，而中部区域主要表现为建设用地转化为耕地，临近河道处则变化相对不大。
（2）综合考虑经济效益、社会效益和生态效益，利用多目标优化方法构建了原阳岸线保护与利用优化模型，并模拟2025年原阳岸线保护与利用情景预案，给出了未来岸线开发利用的定量优化配置建议。相对于传统定性研究，该方法能够从数量结构上对原阳岸线保护与利用进行优化配置，为黄河流域岸线开发利用提供了一种量化的研究方法与思路，具有较好的应用价值和前景。
（3）受研究资料和认识水平的限制，本文对岸线内具有突出特点的高滩、二滩、嫩滩等考虑不足。未来需要加强对这些影响因素的量化表征研究，并考虑加入分区分类的思想，补充完善现有模型方法，提高方法适用性以及模拟预案准确度。另外，岸线的社会经济资料收集相对困难，不利于进一步深入开展更精确的研究。在当前积极推动黄河下游河道和滩区综合提升治理的新形势下，岸线/滩区尺度基础数据的统计工作有待加强。
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【责任编辑 许立新】
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