劉念 李天宏 匡舒雅

長江中下游武安段生態(tài)航道評價

劉念 李天宏?匡舒雅

水沙科學(xué)教育部重點實驗室, 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100871; ?通信作者, E-mail: lth@pku.edu.cn

基于航道建設(shè)要素與河流生態(tài)系統(tǒng)保護相協(xié)調(diào)的基本思想, 建立長江中下游武漢?安慶段生態(tài)航道評價指標(biāo)體系。利用層次分析法和能夠反映木桶效應(yīng)的綜合指數(shù)評價法, 對該河段 2018 年生態(tài)航道健康水平進行評價。結(jié)果表明, 武漢?安慶段的生態(tài)航道健康指數(shù)為 0.8145, 屬于中等水平, 該航道的自凈功能優(yōu)秀, 航運、泄洪和景觀娛樂功能良好, 生態(tài)功能較差, 后續(xù)航道建設(shè)和維護應(yīng)該加強水生態(tài)保護與修復(fù)工作。

生態(tài)航道; 武漢?安慶段; 評價體系; 層次分析法

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展, 對運輸?shù)男枨蟛粩嘣黾印Ｒ蜻\量大、占地少、成本低、污染輕和安全性高等優(yōu)勢, 河流航運受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注[1]。然而, 航道工程建設(shè)以及流域內(nèi)的人類活動對河流生態(tài)環(huán)境造成破壞[2], 因此對河流航道進行科學(xué)管理刻不容緩。德國[3]、美國[4]和英國[5]等發(fā)達國家和地區(qū)對具有航運功能河流的評價和管理尺度不斷擴展, 對河流的生態(tài)修復(fù)也從單一的結(jié)構(gòu)性修復(fù)發(fā)展為基于河流功能與動力學(xué)過程相結(jié)合的綜合性修復(fù)。在中國, 河道航運已經(jīng)跨越大規(guī)模開發(fā)建設(shè)階段, 轉(zhuǎn)而進入養(yǎng)護階段[6], 構(gòu)建綠色內(nèi)河水運體系成為當(dāng)前航道建設(shè)的重點目標(biāo)之一。許鵬山等[7]將生態(tài)學(xué)的概念引入航道建設(shè)中, 強調(diào)航道建設(shè)應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)社會經(jīng)濟與生態(tài)保護的雙贏。2015 年以來, 綠色發(fā)展被納入治國方略。在此背景下, 關(guān)于“生態(tài)航道”的概念探討與評價研究逐漸受到關(guān)注。陳華和[8]指出, 生態(tài)河道不是原生河道, 而是在一定程度的人工干預(yù)下, 具有自我修復(fù)能力和可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)河流廊道。嚴(yán)登華等[9]通過探討生態(tài)航道建設(shè)的科學(xué)內(nèi)涵和目標(biāo)以及評價航道建設(shè)工程影響河流生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵指標(biāo)體系, 提出構(gòu)建內(nèi)河生態(tài)航道建設(shè)的技術(shù)框架。

長江航道是世界上運量最大、運輸最繁忙的航道, 對長江經(jīng)濟帶的發(fā)展以及打造沿江綠色生態(tài)廊道和綜合立體交通走廊至關(guān)重要。近年來, 在流域經(jīng)濟發(fā)展要把生態(tài)保護擺在壓倒性位置的政策下, 生態(tài)航道成為長江航道建設(shè)的重點發(fā)展方向[10]。李天宏等[11]和匡舒雅等[12]分別以長江中游的荊江段和下游的南京?瀏河口段為研究對象, 借鑒倪晉仁等[13]提出的基于河流系統(tǒng)功能協(xié)調(diào)的河流健康評價思想, 提出“生態(tài)航道”的概念和評價指標(biāo)體系。武漢?安慶段(簡稱武安段)是《水運“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中重點規(guī)劃河段之一, 是連接長江中下游航運的核心樞紐。該河段多為分汊河道, 淺險礙航的灘段較多, 水深相對于下游較小, 存在航運條件無法滿足經(jīng)濟發(fā)展需要的問題。近年來, 在該河段開展十余項航道整治工程, 對其進行生態(tài)航道評價, 有助于了解航道工程建設(shè)中河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況, 掌握長江中下游的生態(tài)航道發(fā)展?fàn)顩r, 為航道的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 武安段航道概況

武安段西起武漢天興洲長江大橋, 東至安慶皖河口, 連接長江的中游和下游, 全長約 386.5km, 占長江干線航道長度的 1/7。微彎或彎曲的兩汊或多分汊的河道眾多, 洲灘沖淤、主流擺動明顯, 各汊道交替發(fā)展的河道演變現(xiàn)象突出[14]。

2018 年長江干線的年貨物通過量達到 26.9 億噸, 穩(wěn)居世界內(nèi)河首位[15]。從 2005 至 2017 年, 武安段的運輸量占長江干線總運輸量的比例從 13.4%增至 20.8%, 預(yù)測 2020 年平均貨物通過量將達到5.1 億噸。2014 年以前, 該段枯水期航道最小維護尺度為 4.0m×100m×1050m[16]。2015 年開展長江中游戴家洲河段右緣下段守護工程以及長江中游湖廣?羅湖洲河段航道整治工程后, 枯水期最小維護尺度提高至 4.5m×200m×1050m, 完成“十二五”規(guī)劃航道建設(shè)目標(biāo)[17]。但是, 下游安慶?蕪湖段的枯水期航道維護最小水深已達 6 米[18], 與之相比, 武安段的水深明顯偏低, 成為長江中游航運的“瓶頸”。為了與長江上、下游的航道水深相銜接, 充分發(fā)揮長江航運的整體效益, 交通運輸部 2016 年 3 月印發(fā)的《水運“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中提出進一步提升武安段航道的尺度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn), 打破航運瓶頸。

武安段 6 米水深航道整治工程的建設(shè)航道等級為Ⅰ級, 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為 6.0m×200m×1050m, 部分重點礙航灘段航寬不小于 110m, 保證率為 98%, 主要建設(shè)內(nèi)容包括自上而下整治湖廣?羅湖洲、沙洲、戴家洲、鯉魚山、張家洲、馬當(dāng)和東流共 7 個礙航灘段(圖 1), 工程完成后全線可通航 10000 噸級船舶。航道整治工程于 2018 年 10 月開工, 因此本研究以 2018 年為基線進行生態(tài)航道評價, 以便提供工程實施前的生態(tài)背景值, 有助于后續(xù)跟蹤研究工程實施前后的生態(tài)變化。

圖1 武安段航道整治工程位置

2 武安段生態(tài)航道評價方法

2.1 技術(shù)流程

狹義的航道指有尺度標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)標(biāo)界限的航槽, 是一個在三維空間尺度上既有要求, 又有限制的通道, 一般由可通航水域、助航設(shè)施和水域條件組成[19]。廣義的航道即河道或水道, 包括常遇洪水位線以下的基本河槽, 但不包括堤防和河漫灘。河道由河道水體和河岸帶兩部分組成, 河岸帶是河道水體的外邊界, 是河道穩(wěn)定的關(guān)鍵[20]。從河流生態(tài)系統(tǒng)保護這一目的出發(fā), 生態(tài)航道評價的對象不能局限于狹義的航道, 而應(yīng)是廣義的航道。本文采用文獻[11?12]的研究方法, 即借鑒倪晉仁等[13]基于對河流系統(tǒng)功能的分析來評價河流健康的思想, 對武安段進行生態(tài)航道評價, 以便對武安段上、下游河段生態(tài)航道的變化進行對比。如圖 2 所示, 生態(tài)航道評價的技術(shù)流程主要包括河段功能分析、指標(biāo)體系構(gòu)建、指標(biāo)權(quán)重分值計算和綜合指數(shù)計算等步驟。

2.2 評價指標(biāo)體系

武安段的主要功能包括航運功能、泄洪功能、輸沙功能、供水功能、自凈功能、生態(tài)功能和景觀娛樂功能。對該河段的生態(tài)航道評價以這七大功能為基礎(chǔ), 以科學(xué)性、代表性和可操作性為選擇指標(biāo)的主要原則, 構(gòu)建包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的生態(tài)航道評價指標(biāo)體系(圖 3)。其中, 目標(biāo)層為武安段生態(tài)航道健康水平, 準(zhǔn)則層為上述七大河流生態(tài)系統(tǒng)功能, 指標(biāo)層為表征各項功能的評價指標(biāo)。

圖2 生態(tài)航道評價技術(shù)流程

與荊江河段[11]相比, 武安段干流通航水域的水文地質(zhì)條件和地形比較簡單, 因此不采用水系連通性來描述河段的航運功能。武安段的工程實施占用一定面積的河床, 損失一部分底棲生物量, 因此在評價武安段的生態(tài)功能方面新增底棲動物多樣性指標(biāo)。同時, 為了更準(zhǔn)確地描述武安段的自凈功能, 在航道評價方面選擇了更多的水質(zhì)指標(biāo)。

2.3 數(shù)據(jù)獲取及標(biāo)準(zhǔn)劃分

基于武安段生態(tài)航道評價體系, 收集 2018 年長江中下游武安段的相關(guān)資料。

1)統(tǒng)計資料: 中華人民共和國水利部、各省水利廳、長江水利委員會、長江航道局等相關(guān)單位編制的《中國河流泥沙公報》、《2018 年中國水資源公報》、《長江泥沙公報(2018)》、《長江干線航道運行報告(2018 年度)》和其他水資源公報以及長江海事局等網(wǎng)站公布的 2018 年險情搜救統(tǒng)計數(shù)據(jù)等資料。

圖3 武安段生態(tài)航道評價體系

2)長江航道整治工程相關(guān)報告:《長江下游安慶河段航道整治二期工程竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告》、《長江下游東北水道航道整治工程竣工環(huán)境保護驗收意見》和《長江干線武安段 6 米水深航道整治工程環(huán)境影響報告》等。

3)自主監(jiān)測數(shù)據(jù): 水質(zhì)數(shù)據(jù)和魚類監(jiān)測數(shù)據(jù)由本研究組對相關(guān)斷面的實地監(jiān)測得到。

4)其他相關(guān)資料: 政府網(wǎng)站和統(tǒng)計公報中未提及的相關(guān)信息, 通過查閱文獻, 提取有效信息。

各項評價指標(biāo)的計算或獲取方法參見文獻[21]。指標(biāo)的劃分采用定性與定量相結(jié)合的方法, 盡可能保證劃分標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性和代表性。定量指標(biāo)主要依據(jù)國家相關(guān)法律、法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)文獻資料; 定性指標(biāo)主要采用專家打分的方式, 并參考相關(guān)文獻。各單項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)包括 5 個等級, 具體的劃分標(biāo)準(zhǔn)如表 1 所示。

2.4 評價指標(biāo)的權(quán)重

利用層次分析法, 對武安段生態(tài)航道評價指標(biāo)體系中各項指標(biāo)進行權(quán)重賦值。2018 年 2 月, 通過郵件和現(xiàn)場咨詢等方式發(fā)放專家調(diào)查表, 邀請行業(yè)內(nèi)專家對長江中下游生態(tài)航道指標(biāo)體系中的功能及指標(biāo)進行兩兩比較打分, 調(diào)查內(nèi)容包括航運、泄洪、輸沙、供水、自凈、生態(tài)和景觀娛樂 7 項功能以及對表征各項功能的子指標(biāo)重要程度的評估, 分值為1～10 分; 根據(jù)打分結(jié)果, 構(gòu)造 A-B 和 B-C 判斷矩陣[31], 求取判斷矩陣的最大特征值和特征向量, 計算各判斷矩陣的一致性, 利用一致性指標(biāo) C.I.和隨機一致性比例 C.R., 對判斷矩陣進行一致性檢驗。

2.5 評價模型

生態(tài)航道評價模型采用綜合指數(shù)評價法, 計算得到的生態(tài)航道健康綜合指數(shù)(waterway health in- dex, WHI)利用木桶理論[32]進行修正, 計算公式為

式中, WHIc為基于木桶理論修正的生態(tài)航道健康綜合指數(shù),I為第個指標(biāo)的得分值,w為第個指標(biāo)相對于目標(biāo)層的絕對權(quán)重。WHIc能夠反映準(zhǔn)則層(功能層)對目標(biāo)層(系統(tǒng)健康水平)貢獻的非線性特征,其計算結(jié)果為浮點數(shù), 優(yōu)、良、中、差、劣 5 個等級的區(qū)間范圍依次為{1}、(1, 0.86]、(0.86, 0.68]、(0.68, 0.43]和(0.43, 0]。

表1 武安段生態(tài)航道評價指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 評價結(jié)果與討論

3.1 評價結(jié)果及敏感性分析

根據(jù)權(quán)重計算結(jié)果(表 2), 結(jié)合各個指標(biāo)的得分, 計算得到武安段各項功能的健康指數(shù)(表 3)。武安段基于木桶修正的生態(tài)航道健康綜合指數(shù)WHIc值為 0.8145, 航道總體上處于“中等”健康水平。

由于基于多指標(biāo)進行評價生態(tài)航道, 不確定因素較多, 尤其指標(biāo)權(quán)重的優(yōu)先級由專家打分得到, 不確定性較大, 因此有必要對權(quán)重進行敏感性分析, 用于檢驗評價結(jié)果的穩(wěn)定性。本文采用 OAT (the one-at-a-time)法[33]進行敏感性分析, 每次將一種功能的權(quán)重值增加或減少 20%, 其他功能的權(quán)重值按照權(quán)重之間的比例進行調(diào)整, 保證各項權(quán)重之和始終為 1, 重新計算新權(quán)重下的生態(tài)航道健康指數(shù)。

對每種功能進行敏感性分析, 結(jié)果見表 4?？梢钥闯? 權(quán)重改變 20%后, 航道的 WHIc值變化不大, 說明武安段生態(tài)航道評價結(jié)果具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 討論

本文研究結(jié)果表明, 武安段的航運、泄洪和景觀娛樂功能都屬于“良好”水平。航運功能的 WHIc值較大(0.9508), 航標(biāo)設(shè)施完善率和船舶事故發(fā)生總數(shù)都保持在一個相對好的狀態(tài), 尤其是船舶事故發(fā)生總數(shù), 依據(jù)長江海事局的險情分布統(tǒng)計數(shù)據(jù), 武安段 2018 年共發(fā)生險情 23 件, 相比于 2008 年的139 件明顯減少。與航道泄洪能力相關(guān)的水利工程干擾方面, 依據(jù)工程環(huán)境驗收報告, 各項工程都針對可能的環(huán)境風(fēng)險和生態(tài)環(huán)境問題采取了有效的防范措施。景觀娛樂功能方面, 武安段的景觀多樣性指數(shù)較低, 這是由于該河段灘槽格局較差, 尚處于航運資源開發(fā)階段, 系統(tǒng)性的景觀建設(shè)還未開展。

武安段的輸沙功能和供水功能都屬于“中等”水平。該河段的航道整治工程主要是對河段內(nèi)的洲灘、淺灘及岸線等進行控制守護, 水文情勢變化較小, 輸沙用水量同比變化不大。區(qū)域供水功能的各項評價指標(biāo)(飲用水安全保證率、水資源開發(fā)利用率和功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)率)同比差異較小。

表2 武安段生態(tài)航道指標(biāo)權(quán)重

表3 武安段各項功能的健康指數(shù)評價結(jié)果

表4 權(quán)重值增(減) 20%時 WHIc值的變化

武安段的水體自凈功能為“優(yōu)等”。根據(jù) 2018年本研究組對長江干流主要監(jiān)測斷面的采樣分析數(shù)據(jù), 武安段監(jiān)測點的 3 項水質(zhì)指標(biāo)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3828—2002)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

2018 年武安段主要監(jiān)測斷面采樣分析數(shù)據(jù)表明, 底棲動物和魚類多樣性狀況都較差。本文研究結(jié)果表明武安段的生態(tài)功能較差, 與實際情況相符。2006—2015 年, 長江干線武漢至安慶河段共實施航道整治工程 17 項①長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院, 中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司, 長江重慶航運工程勘察設(shè)計院. 長江干線武漢至安慶段6 米水深航道整治工程初步設(shè)計. 2018 年 7 月, 沉排、拋石及疏浚等施工作業(yè)改變了生物原有棲息環(huán)境, 尤其對底棲生物影響最大, 大部分底棲生物被掩埋, 除少數(shù)存活外, 絕大多數(shù)死亡。根據(jù)調(diào)查現(xiàn)狀分析, 雖然在工程結(jié)束后, 利用人工魚礁等措施能夠恢復(fù)底棲動物的生物量, 但這些生態(tài)補償措施往往具有時滯性, 短期內(nèi)生態(tài)恢復(fù)效果不明顯, 因此有必要對底棲動物開展持續(xù)性的監(jiān)測和系統(tǒng)性的生境修復(fù)。與下游的南京?瀏河口段相比, 武安段的魚類多樣性指數(shù)較低。為了遏制水域生態(tài)環(huán)境惡化和水生生物多樣性降低的趨勢, 2018 年國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于加強長江水生生物保護工作的意見》中明確指出, 長江流域重點水域 2020 年實現(xiàn)常年禁捕。長江漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展應(yīng)當(dāng)“蓄”“養(yǎng)”并進, 一方面實施禁捕政策, 給魚類創(chuàng)造盡可能多的生存繁衍機會, 另一方面引導(dǎo)漁民退捕轉(zhuǎn)產(chǎn), 創(chuàng)新魚類養(yǎng)殖模式[34]。中華鱘、白鱘、達氏鱘和胭脂魚等長江珍稀魚類曾經(jīng)是長江中重要的捕撈對象, 如今已處于瀕危狀態(tài)[35]; 青、草、鰱、鳙“四大家魚”曾是長江最多的經(jīng)濟魚類, 如今種苗發(fā)生量不足 20 世紀(jì) 60 年代的 10%[36]。人類活動也壓縮了江豚棲息地, 使其種群分布嚴(yán)重碎片化, 通訊交流受到干擾。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 2017 年 11 月 10日至 12 月 31 日組織實施“2017 年長江江豚生態(tài)科學(xué)考察”, 結(jié)果表明長江江豚急劇下降趨勢已得到緩解, 但其數(shù)量仍在下降, 江豚極度瀕危的狀況沒有得到改善。近年來, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部陸續(xù)發(fā)布《長江江豚拯救行動計劃(2016—2025)》、《中華鱘拯救行動計劃(2015—2030)》和《長江鱘(達氏鱘)拯救行動計劃(2018—2035)》等一系列計劃, 針對珍稀物種的就地保護、遷地保護、遺傳資源保護與支撐保障 4個方面的工作將持續(xù)進行。

4 結(jié)論

本研究建立長江中下游武漢?安慶段的生態(tài)航道評價體系, 并采用層次分析法和綜合指數(shù)評價法對該河段 2018 年的生態(tài)航道健康水平進行評價。結(jié)果表明, 武安段航道 2018 年處于中等健康水平, 河段的自凈功能優(yōu)秀, 航運、泄洪和景觀娛樂功能處于良好狀態(tài), 輸沙和供水功能屬于中等水平, 但生態(tài)功能較差。后續(xù)航道整治工程中, 應(yīng)盡量采用生態(tài)工程方法, 減少對水生生物的干擾, 同時借助現(xiàn)代信息技術(shù), 加強對水體生態(tài)的動態(tài)監(jiān)測。

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Ecological Waterway Assessment of Wuhan-Anqing Reach of the Yangtze River

LIU Nian, LI Tianhong?, KUANG Shuya

Key Laboratory of Water and Sediment Sciences (MOE), College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871; ?Corresponding author, E-mail: lth@pku.edu.cn

Based on the principle of the harmonious relationship between navigation and river ecosystem protection, an evaluation indicator system for Wuhan-Anqing Reach in the middle-lower of the Yangtze River was constructed. With analytic hierarchy process (AHP) and the comprehensive evaluation index method considering the bucket effect of individual function to the whole system health, the ecological health condition of Wuhan-Anqing Reach in the year of 2018 was evaluated. The results showed that the waterway health index was 0.8145, indicating a fair level. The self-purification function graded excellent, and the navigation function, flood discharging function as well as landscape & entertainment function were good, while the ecological function was poor. The results suggested that ecological protection and rehabilitation should be strengthened in the process of future waterway regulation projects.

ecological waterway; Wuhan-Anqing Reach; assessment system; analytic hierarchy process

10.13209/j.0479-8023.2021.022

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0402102)資助

2020–03–30;

2020–04–09