李文杰,唐伯明,楊勝發(fā),王 皓,杜洪波,萬 宇
(1. 重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074;2. 重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074)
長江上游黃金航道系統(tǒng)主要由宜賓至重慶段航道、三峽庫區(qū)航道以及三峽雙線五級(jí)船閘組成,是重慶建設(shè)長江上游航運(yùn)中心的基礎(chǔ),在西部綜合交通系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。因目前正實(shí)施重慶至涪陵河段4.5 m水深航道整治工程,而涪陵以下屬三峽常年庫區(qū),航道條件優(yōu)越,故本次長江上游黃金航道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)不包括三峽庫區(qū)航道。長江上游宜賓至重慶段航道為Ⅲ級(jí)航道,枯水期僅能通行1 000噸級(jí)船舶,三峽船閘雙向年通過能力為1億噸,通過運(yùn)行管理可提升至1.6億噸[1]。但近年來川渝地區(qū)貨運(yùn)量增長迅速,重慶至三峽主力船舶噸級(jí)提升至5 000噸級(jí),三峽過閘貨運(yùn)量超過設(shè)計(jì)通過能力,每天平均待閘船舶800多艘,平均待閘時(shí)間達(dá)到150 h,嚴(yán)重制約長江黃金水道效益發(fā)揮。多家單位預(yù)測(cè)三峽過閘運(yùn)輸需求將在2050年超過2.5~3億噸[2-3],國家正積極深入論證三峽水運(yùn)新通道和宜賓至重慶段Ⅱ級(jí)航道建設(shè)工程,但長江上游存在四大家魚和珍稀特有魚類保護(hù)區(qū),綜合考慮航道開發(fā)、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)壓力進(jìn)行長江上游黃金航道可持續(xù)性發(fā)展評(píng)價(jià)具有重要意義,也極為迫切。
航道開發(fā)方面,筆者計(jì)算了長江上游航道最大開發(fā)尺度[4],現(xiàn)狀仍具有巨大開發(fā)潛力。航道經(jīng)濟(jì)效益方面,筆者通過投入產(chǎn)出法等多方法預(yù)測(cè)航運(yùn)需求[5],進(jìn)而測(cè)算航道工程經(jīng)濟(jì)效益[6]。生態(tài)評(píng)價(jià)方面,筆者通過大規(guī)?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)分析長江上游魚類棲息地特征[7],也有學(xué)者通過水生生物完整性指數(shù)[8-9]評(píng)價(jià)河流健康狀況,定量分析人類活動(dòng)特別是工程措施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響[10],為工程后生態(tài)恢復(fù)提供理論支持??梢?,對(duì)于河流航道開發(fā)及其經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)影響等已有較多研究,但缺乏綜合考慮航道開發(fā)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)壓力對(duì)長江上游黃金航道生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展進(jìn)行評(píng)價(jià)。
筆者基于內(nèi)河航道發(fā)展可持續(xù)性評(píng)價(jià)體系[11],針對(duì)長江上游航道改進(jìn)完善相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法,計(jì)算了航道的開發(fā)率、一致性指數(shù)、經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)以及生態(tài)壓力指數(shù)等指標(biāo),考慮航道開發(fā)、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)壓力,綜合評(píng)價(jià)了長江上游黃金航道開發(fā)現(xiàn)狀,并分析宜賓至重慶段Ⅱ級(jí)航道和三峽水運(yùn)新通道建設(shè)工程前后的航道可持續(xù)性,以期為長江上游黃金航道相關(guān)工程規(guī)劃建設(shè)提供決策支撐。
筆者主導(dǎo)的國家內(nèi)河整治中心團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué),構(gòu)建了包括航道開發(fā)、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)壓力的內(nèi)河黃金航道可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)體系,其中航道開發(fā)包括量化航道開發(fā)率以及體現(xiàn)運(yùn)輸能力與需求的一致性指數(shù),經(jīng)濟(jì)效益主要是量化航道促進(jìn)社會(huì)區(qū)域發(fā)展的經(jīng)濟(jì)效益,生態(tài)壓力主要從河流形態(tài)、水文情勢(shì)及水生生物等方面分析航道工程對(duì)河流生態(tài)健康的影響程度。研究分析評(píng)價(jià)體系中關(guān)鍵指標(biāo)(一致性指數(shù)、經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)、生態(tài)壓力指數(shù))與航道開發(fā)率的相互聯(lián)系,提出了航道可持續(xù)發(fā)展指數(shù)SI,據(jù)此綜合評(píng)價(jià)航道開發(fā)的可持續(xù)性。
1.1.1 航道開發(fā)率
航道開發(fā)狀況評(píng)價(jià)包括航道開發(fā)率以及一致性指數(shù),將內(nèi)河航道開發(fā)率ER定義為目前航道通過能力與理想通過能力的對(duì)比,其計(jì)算公式為:
(1)
式中:BC為航道通過能力;IBC為理想航道通過能力,航道通過能力以基于交通流的航道通過能力式[12]估算??紤]到長江上游存在較多控制河段影響航道通行效率,研究基于船舶排隊(duì)時(shí)間量化控制河段對(duì)航道通過能力影響[13],進(jìn)而完善航道通過能力計(jì)算過程。理想航道通過能力代表航道最大通過潛力,計(jì)算中理想航道深度采用改進(jìn)后穩(wěn)定航深法[4]估算。
1.1.2 一致性指數(shù)
航道通過能力和運(yùn)輸需求之間的差異用一致性指數(shù)CI來衡量,定義為運(yùn)輸需求與通過能力之比,計(jì)算公式為:
(2)
式中:BC為航道通過能力;TN為航道同年運(yùn)輸需求;當(dāng)CI大于1時(shí),CI取值為1。
1.1.3 經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)
采用經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)SEI直觀體現(xiàn)內(nèi)河航道的經(jīng)濟(jì)效益,即航道經(jīng)濟(jì)效益與航道里程密度的比值,計(jì)算式為:
(3)
式中:EE為航道經(jīng)濟(jì)效益,包括替代陸運(yùn)效益和節(jié)能減排效益等;WMD為航道里程密度,定義為航道里程與流域面積的比值。
1.1.4 生態(tài)壓力指數(shù)
航道工程可對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能造成一定影響,可將受影響的河流形態(tài)、水文情勢(shì)及水生生物等細(xì)化為6個(gè)指標(biāo),即破碎性指數(shù),濕地連通性指數(shù),不透水面積比,徑流擾動(dòng)指數(shù),魚類豐富度指數(shù)和入侵魚類占比的比例。筆者提出生態(tài)壓力指數(shù)EPI[11]綜合衡量河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況:
(4)
式中:FI、WDI、FIS、FDI、FRI、PNF分別為破碎化指數(shù)、濕地不連通指數(shù)、不透水面積比、徑流擾動(dòng)指數(shù)、魚類豐富度指數(shù)、非原生魚類比;FI0、WDI0、FIS0、FDI0、FRI0、PNF0分別為生態(tài)系統(tǒng)不受破壞時(shí)對(duì)應(yīng)指數(shù)的臨界閾值。
可持續(xù)發(fā)展指數(shù)SI定義為一致性指數(shù)、開發(fā)率、生態(tài)壓力和經(jīng)濟(jì)效益的平均得分。SI范圍在0~1,越接近于1,表明其航道發(fā)展可持續(xù)性越好。
(5)
對(duì)于航道開發(fā)率和一致性指數(shù)的評(píng)分,采用正態(tài)分布的函數(shù)來計(jì)算,如式(6):
(6)
在經(jīng)濟(jì)增長和生態(tài)健康背景下,經(jīng)濟(jì)效益最大化和生態(tài)壓力最小化是內(nèi)河航道可持續(xù)發(fā)展的兩個(gè)目標(biāo)。因此,經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)壓力與可持續(xù)發(fā)展指數(shù)成單調(diào)關(guān)系,故采用統(tǒng)一正態(tài)化升序數(shù)據(jù),對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)壓力得分進(jìn)行評(píng)價(jià)。
(7)
式中:SEImax、SEImin來源于長江中上游各省航道經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算值;EPImax、EPImin來源于全球主要河流生態(tài)壓力值[11]。
國家內(nèi)河整治中心團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué),識(shí)別包括長江、密西西比河和萊茵河等全球34條黃金航道,發(fā)現(xiàn)當(dāng)航道開發(fā)率超過80%時(shí),很難維持航道生態(tài)可持續(xù)性,并提出航道最優(yōu)開發(fā)率為80%[11],見圖1。
圖1 航道開發(fā)率與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系Fig. 1 Relationship between channel development rate andsustainable development
宜賓至重慶段航道自2009年瀘渝段航道整治工程完工后,航道維護(hù)尺度提升至2.7 m×50 m×560 m,航道等級(jí)由Ⅳ級(jí)提升到Ⅲ級(jí),后續(xù)通過加強(qiáng)航道維護(hù),維護(hù)水深提升至2.9 m。目前宜賓至重慶段Ⅱ級(jí)航道整治工程也進(jìn)入前期項(xiàng)目論證階段,預(yù)計(jì)工程實(shí)施后,枯水季節(jié)宜賓至重慶段航道將可通行3 000噸級(jí)船舶,豐水季節(jié)大型船舶可以滿載運(yùn)行,通航能力將大幅度提高。工程前后宜賓至重慶段航道可持續(xù)發(fā)展相關(guān)指標(biāo)具體結(jié)果見表1及圖2。
表1 長江航道與宜賓至重慶段航道可持續(xù)發(fā)展相關(guān)指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of relevant indicators of sustainabledevelopment between Yangtze River and the waterwayfrom Yibin to Chongqing
圖2 宜賓至重慶段Ⅱ級(jí)航道工程發(fā)展可持續(xù)性評(píng)價(jià)Fig. 2 Sustainable development evaluation of class Ⅱ channelproject from Yibin to Chongqing section
2.1.1 航道開發(fā)率及一致性指數(shù)
不同航道深度工況下,基于船舶交通流的內(nèi)河航道通過能力計(jì)算式[12],估算目前和理想狀況下宜賓至重慶段航道通過能力。目前航道深度由長江上游宜賓至重慶航道分月養(yǎng)護(hù)水深確定,理想航道開發(fā)尺度為4.81 m[4]。在枯、中水期考慮控制河段對(duì)航道通過能力影響,其損耗系數(shù)[13]為0.81,可得目前航道條件下宜賓至重慶段年航道通過能力為2.20億噸。在理論最大航道深度下可通航5 000噸級(jí)船舶,對(duì)應(yīng)理想航道年通過能力為5.36億噸,故目前航道開發(fā)率為41%。
基于長江海事部門進(jìn)出港統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),將長江干線劃分為4個(gè)區(qū)段(上游、研究河段、庫區(qū)、中下游),并統(tǒng)計(jì)區(qū)段之間水運(yùn)交流量,得到工程河段水運(yùn)量[2],結(jié)果表明2020年研究河段貨運(yùn)量為1.99億噸。易得到研究河段一致性指數(shù)為0.9。
2.1.2 經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)
航道經(jīng)濟(jì)效益包括替代陸路運(yùn)輸效益以及節(jié)能減排效益。根據(jù)川渝地區(qū)貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量和貨運(yùn)量[14]計(jì)算得到各類運(yùn)輸方式平均運(yùn)距,進(jìn)而得到研究河段貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量為1 962.80億噸公里。誘導(dǎo)貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量按現(xiàn)有鐵路、公路運(yùn)輸貨運(yùn)平均運(yùn)距比例分配,即11.53∶1,得到替代陸路運(yùn)輸效益328.05億元。基于貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量,分析航運(yùn)替代陸路運(yùn)輸所節(jié)約的柴油能耗[15],并通過節(jié)約能耗量計(jì)算CO2減排量[16],兩者合計(jì)為節(jié)能減排效益17.39億元。
綜合可得長江上游宜賓至重慶段航道經(jīng)濟(jì)效益為345.44億元,進(jìn)而得到航道經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)4 487。為分析研究河段航道經(jīng)濟(jì)效益得分,同時(shí)計(jì)算與研究河段發(fā)展階段類似的長江中上游各省的航道經(jīng)濟(jì)效益指數(shù),結(jié)果如表2。
表2 長江中上游各省航道經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)Table 2 Channel economic benefit index of various provinces in themiddle and upper reaches of the Yangtze River
2.1.3 生態(tài)壓力指數(shù)
研究河段總長363 km,以40 km為間隔,選取10個(gè)點(diǎn)提取破碎性指數(shù)、濕地非連通性指數(shù)、不透水面積比、徑流擾動(dòng)指數(shù)的數(shù)據(jù)[17]。魚類豐富度指數(shù)、非原生魚類比例計(jì)算所需的魚類物種數(shù)據(jù)來源于世界淡水魚類物種豐富度數(shù)據(jù)庫[18]。進(jìn)而通過式(4)計(jì)算生態(tài)壓力指數(shù),取均值作為研究河段生態(tài)壓力指數(shù),即長江上游重慶至宜賓段生態(tài)壓力指數(shù)為0.33。
2.2.1 航道開發(fā)率及一致性指數(shù)
宜賓至重慶段Ⅱ級(jí)航道工程完工后,航道深度將由目前Ⅲ級(jí)航道2.9 m提升至Ⅱ級(jí)航道3.5 m,3 000 噸級(jí)船舶可晝夜通航,對(duì)應(yīng)通過能力為2.93億噸,工程完工后開發(fā)率將提升至55%。
工程目前處于項(xiàng)目前期階段,建設(shè)期擬為2022年—2024年,營運(yùn)期初始為2025年。以研究河段2000年—2019年統(tǒng)計(jì)貨運(yùn)量為基礎(chǔ),通過回歸分析法、彈性系數(shù)法和指數(shù)平滑法預(yù)測(cè)2025年貨運(yùn)量為2.38億噸,即一致性指數(shù)降低至0.8。
2.2.2 經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)
宜賓至重慶段Ⅱ級(jí)航道工程經(jīng)濟(jì)效益主要包括以下5個(gè)方面:船舶大型化效益、替代陸路運(yùn)輸效益、減少船舶轉(zhuǎn)駁以及虧載效益、節(jié)能減排效益、控制河段減少效益。通過對(duì)上述項(xiàng)目深入分析和估算,得到運(yùn)營20年宜賓至重慶段Ⅱ級(jí)航道工程經(jīng)濟(jì)效益為133.2億元,增加經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)1 740,合計(jì)經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)6 227。
2.2.3 生態(tài)壓力指數(shù)
有學(xué)者通過總結(jié)34條世界主要河流開發(fā)率與生態(tài)壓力的關(guān)系,得出開發(fā)率與生態(tài)壓力的關(guān)系式[11],根據(jù)開發(fā)率55%可計(jì)算工程后生態(tài)壓力指數(shù)計(jì)算值為0.47。
目前宜賓至重慶段航道開發(fā)率41%,與長江整體開發(fā)率67%以及開發(fā)閾值80%差距較大,說明開發(fā)潛力巨大。一致性指數(shù)為0.9,高于最優(yōu)一致性指數(shù)0.6~0.8,說明該航段應(yīng)盡快開發(fā)提高通過能力以匹配日益增加的貨運(yùn)需求。宜賓至重慶段Ⅱ級(jí)航道工程將航道開發(fā)率提升至55%,一致性指數(shù)由0.9降低至0.8,表明可有效緩解貨運(yùn)量增加壓力并提升經(jīng)濟(jì)效益,而生態(tài)壓力指標(biāo)由0.33僅提升至0.47,未超過長江整體生態(tài)壓力指標(biāo)0.55,說明宜賓至重慶段Ⅱ級(jí)航道工程符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展要求。
三峽水運(yùn)新通道一次新建兩線船閘,船閘閘室有效尺度為280 m×40 m×8 m,能滿足吃水5.5 m的大型船舶過閘需求。工程建成后,三峽通航建筑物年單向總通過能力可達(dá)1.7億噸左右。工程前后三峽水運(yùn)新通道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展相關(guān)指標(biāo)具體結(jié)果見圖3及表3。
表3 工程前后三峽水運(yùn)新通道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展相關(guān)指標(biāo)對(duì)比Table 3 Comparison of relevant indicators of ecological sustainabledevelopment of Three Gorges new waterway before andafter the project
圖3 三峽水運(yùn)新通道生態(tài)發(fā)展可持續(xù)性評(píng)價(jià)Fig. 3 Sustainability assessment of ecological development ofthe new waterway of the Three Gorges Project
3.1.1 開發(fā)率及一致性指數(shù)
三峽樞紐開發(fā)率定義為三峽大壩壩址橫斷面被工程占有比。三峽壩址橫斷面全長4 299 m,其中三峽壩體2 300 m,占全斷面53.5%,現(xiàn)有升船機(jī)和雙線五級(jí)船閘共278 m,占全斷面6.5%,即三峽大壩開發(fā)率60%,而三峽樞紐總體開發(fā)率為68%。
三峽樞紐每天平均待閘船舶仍有800多艘,平均待閘達(dá)到150 h,擁堵已成常態(tài),過壩運(yùn)輸需求已經(jīng)大大超過三峽樞紐通過能力,一致性指數(shù)為1.0。
3.1.2 經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)
2019年三峽樞紐通過能力達(dá)到1.46億噸,貨物周轉(zhuǎn)量約1 092.40億噸公里,計(jì)算三峽樞紐工程替代陸路運(yùn)輸效益為184.40億元,節(jié)能減排效益10.16億元,綜合可得航道經(jīng)濟(jì)效益為194.56億元。航道里程密度為0.046 km-1,進(jìn)而得到三峽樞紐目前經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)為4 230。
3.1.3 生態(tài)壓力指數(shù)
三峽樞紐工程包括三峽與下游葛洲壩水電站,基于工程所處位置經(jīng)緯度提取生態(tài)指標(biāo),魚類豐富度指數(shù)與非原生魚類比例采用長江指標(biāo)值,最后取均值得到生態(tài)壓力指數(shù)為0.48。
3.2.1 開發(fā)率及一致性指數(shù)
根據(jù)三峽水運(yùn)新通道規(guī)劃,新建閘室占?jí)沃啡珨嗝鎸挾燃s140 m,建設(shè)后的開發(fā)率略有增加至69%。國家發(fā)改委綜合運(yùn)輸研究所等單位同步開展了三峽過壩貨運(yùn)量預(yù)測(cè)分析,預(yù)測(cè)2050年(遠(yuǎn)期)過壩貨運(yùn)量為1.95~3.1億噸[19],采用均值2.53億噸作為過壩貨運(yùn)量。三峽水運(yùn)新通道完工后,新舊船閘和升船機(jī)通過能力總和可超過3.6億噸[19],計(jì)算得到一致性指數(shù)為0.7。
3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)
有學(xué)者通過分析船舶營運(yùn)成本、貨物運(yùn)輸時(shí)間價(jià)值、貨物經(jīng)時(shí)損失及貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)等四大因素對(duì)三峽樞紐待閘成本的影響,構(gòu)建分船型船舶待閘停時(shí)經(jīng)濟(jì)損失模型,結(jié)果顯示船舶待閘年均經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)30億元[20]。水運(yùn)新通道完工后,極大地提升航道通過能力,將誘導(dǎo)一部分陸運(yùn)貨物,水運(yùn)低廉的運(yùn)價(jià)進(jìn)一步降低社會(huì)運(yùn)輸成本,估算效益為13.98億元,兩者合計(jì)43.86億元,工程后經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)達(dá)到5 186,增加956。
3.2.3 生態(tài)壓力指數(shù)
三峽水運(yùn)新通道完工后,開發(fā)率只有略微增加,根據(jù)開發(fā)率與生態(tài)壓力指數(shù)關(guān)系式,生態(tài)壓力指數(shù)增加至0.49。
盡管三峽水運(yùn)新通道工程開發(fā)率69%略高于長江整體航道開發(fā)率67%,但小于開發(fā)閾值80%,在開發(fā)率僅增加1%的條件下,可大幅度增加三峽過壩運(yùn)輸能力而將一致性指數(shù)由1.0降低至0.7,可有效解決三峽船閘擁堵問題,從而減少社會(huì)運(yùn)輸成本。其生態(tài)壓力指數(shù)0.49小于長江整體0.55,工程建設(shè)符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展理念。
基于航道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)體系,綜合航道開發(fā)、經(jīng)濟(jì)效益以及生態(tài)壓力三類指標(biāo),開展了長江上游黃金航道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià),得出如下結(jié)論:
1)長江航運(yùn)能力已經(jīng)接近飽和(一致性指數(shù)為1.0),但整體開發(fā)率67%未達(dá)到開發(fā)閾值80%,存在進(jìn)一步開發(fā)的較大空間。長江上游總體開發(fā)率較低,其生態(tài)壓力指標(biāo)遠(yuǎn)小于長江整體平均值,為緩解貨運(yùn)需求增長的壓力,應(yīng)決策建設(shè)生態(tài)保護(hù)優(yōu)先下的航運(yùn)能力提升工程,促進(jìn)長江黃金水道綜合效益發(fā)揮。
2)長江上游宜賓至重慶段航道開發(fā)率41%與長江整體67%差距較大,其開發(fā)潛力巨大。建議實(shí)施宜賓至重慶段Ⅱ級(jí)航道工程,航道開發(fā)率提升至55%,一致性指數(shù)降低至0.8,生態(tài)壓力指數(shù)由0.33提升至0.47,仍不會(huì)超過長江整體生態(tài)壓力指標(biāo)0.55。從可持續(xù)發(fā)展指數(shù)來看,該工程有利于緩解貨運(yùn)需求增長的壓力,符合生態(tài)環(huán)保要求,可提升航道高質(zhì)量發(fā)展的總體可持續(xù)性。
3)三峽船閘擁堵嚴(yán)重,成為長江航運(yùn)卡脖子瓶頸。建議實(shí)施三峽水運(yùn)新通道工程,開發(fā)率由68%提升至69%,一致性指數(shù)由1.0降低至0.7,生態(tài)壓力指數(shù)0.48略微增加至0.49,未達(dá)到長江整體生態(tài)壓力指標(biāo)。從可持續(xù)發(fā)展指數(shù)來看,該工程可大幅度增加三峽過壩運(yùn)輸能力,可解決船閘擁堵問題而減少社會(huì)運(yùn)輸成本,經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)顯著提升,符合生態(tài)環(huán)保要求,可提升長江航運(yùn)高質(zhì)量發(fā)展的總體可持續(xù)性。