李文杰，唐伯明，楊勝發(fā)，王 皓，杜洪波，萬 宇

(1. 重慶交通大學 國家內(nèi)河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2. 重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

0 引 言

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船閘組成，是重慶建設長江上游航運中心的基礎，在西部綜合交通系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。因目前正實施重慶至涪陵河段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)展評價不包括三峽庫區(qū)航道。長江上游宜賓至重慶段航道為Ⅲ級航道，枯水期僅能通行1 000噸級船舶，三峽船閘雙向年通過能力為1億噸，通過運行管理可提升至1.6億噸[1]。但近年來川渝地區(qū)貨運量增長迅速，重慶至三峽主力船舶噸級提升至5 000噸級，三峽過閘貨運量超過設計通過能力，每天平均待閘船舶800多艘，平均待閘時間達到150 h，嚴重制約長江黃金水道效益發(fā)揮。多家單位預測三峽過閘運輸需求將在2050年超過2.5～3億噸[2-3]，國家正積極深入論證三峽水運新通道和宜賓至重慶段Ⅱ級航道建設工程，但長江上游存在四大家魚和珍稀特有魚類保護區(qū)，綜合考慮航道開發(fā)、經(jīng)濟效益和生態(tài)壓力進行長江上游黃金航道可持續(xù)性發(fā)展評價具有重要意義，也極為迫切。

航道開發(fā)方面，筆者計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)濟效益方面，筆者通過投入產(chǎn)出法等多方法預測航運需求[5]，進而測算航道工程經(jīng)濟效益[6]。生態(tài)評價方面，筆者通過大規(guī)模現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)試驗分析長江上游魚類棲息地特征[7]，也有學者通過水生生物完整性指數(shù)[8-9]評價河流健康狀況，定量分析人類活動特別是工程措施對生態(tài)系統(tǒng)的影響[10]，為工程后生態(tài)恢復提供理論支持?？梢姡瑢τ诤恿骱降篱_發(fā)及其經(jīng)濟效益和生態(tài)影響等已有較多研究，但缺乏綜合考慮航道開發(fā)-社會經(jīng)濟-生態(tài)壓力對長江上游黃金航道生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展進行評價。

筆者基于內(nèi)河航道發(fā)展可持續(xù)性評價體系[11]，針對長江上游航道改進完善相關指標計算方法，計算了航道的開發(fā)率、一致性指數(shù)、經(jīng)濟效益指數(shù)以及生態(tài)壓力指數(shù)等指標，考慮航道開發(fā)、經(jīng)濟效益和生態(tài)壓力，綜合評價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級航道和三峽水運新通道建設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工程規(guī)劃建設提供決策支撐。

1 內(nèi)河黃金航道可持續(xù)發(fā)展評價體系

筆者主導的國家內(nèi)河整治中心團隊聯(lián)合北京大學，構建了包括航道開發(fā)、經(jīng)濟效益和生態(tài)壓力的內(nèi)河黃金航道可持續(xù)發(fā)展評價體系，其中航道開發(fā)包括量化航道開發(fā)率以及體現(xiàn)運輸能力與需求的一致性指數(shù)，經(jīng)濟效益主要是量化航道促進社會區(qū)域發(fā)展的經(jīng)濟效益，生態(tài)壓力主要從河流形態(tài)、水文情勢及水生生物等方面分析航道工程對河流生態(tài)健康的影響程度。研究分析評價體系中關鍵指標(一致性指數(shù)、經(jīng)濟效益指數(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)此綜合評價航道開發(fā)的可持續(xù)性。

1.1 關鍵指標計算方法

1.1.1 航道開發(fā)率

航道開發(fā)狀況評價包括航道開發(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比，其計算公式為：

(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，研究基于船舶排隊時間量化控制河段對航道通過能力影響[13]，進而完善航道通過能力計算過程。理想航道通過能力代表航道最大通過潛力，計算中理想航道深度采用改進后穩(wěn)定航深法[4]估算。

1.1.2 一致性指數(shù)

航道通過能力和運輸需求之間的差異用一致性指數(shù)CI來衡量，定義為運輸需求與通過能力之比，計算公式為：

(2)

式中：BC為航道通過能力；TN為航道同年運輸需求；當CI大于1時，CI取值為1。

1.1.3 經(jīng)濟效益指數(shù)

采用經(jīng)濟效益指數(shù)SEI直觀體現(xiàn)內(nèi)河航道的經(jīng)濟效益，即航道經(jīng)濟效益與航道里程密度的比值，計算式為：

(3)

式中：EE為航道經(jīng)濟效益，包括替代陸運效益和節(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)

航道工程可對河流生態(tài)系統(tǒng)結構和功能造成一定影響，可將受影響的河流形態(tài)、水文情勢及水生生物等細化為6個指標，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)不受破壞時對應指數(shù)的臨界閾值。

1.2 評價標準

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)

對于航道開發(fā)率和一致性指數(shù)的評分，采用正態(tài)分布的函數(shù)來計算，如式(6)：

(6)

在經(jīng)濟增長和生態(tài)健康背景下，經(jīng)濟效益最大化和生態(tài)壓力最小化是內(nèi)河航道可持續(xù)發(fā)展的兩個目標。因此，經(jīng)濟效益和生態(tài)壓力與可持續(xù)發(fā)展指數(shù)成單調(diào)關系，故采用統(tǒng)一正態(tài)化升序數(shù)據(jù)，對經(jīng)濟效益和生態(tài)壓力得分進行評價。

(7)

式中：SEImax、SEImin來源于長江中上游各省航道經(jīng)濟效益計算值；EPImax、EPImin來源于全球主要河流生態(tài)壓力值[11]。

國家內(nèi)河整治中心團隊聯(lián)合北京大學，識別包括長江、密西西比河和萊茵河等全球34條黃金航道，發(fā)現(xiàn)當航道開發(fā)率超過80%時，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)展的關系Fig. 1 Relationship between channel development rate andsustainable development

2 宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程評價

宜賓至重慶段航道自2009年瀘渝段航道整治工程完工后，航道維護尺度提升至2.7 m×50 m×560 m，航道等級由Ⅳ級提升到Ⅲ級，后續(xù)通過加強航道維護，維護水深提升至2.9 m。目前宜賓至重慶段Ⅱ級航道整治工程也進入前期項目論證階段，預計工程實施后，枯水季節(jié)宜賓至重慶段航道將可通行3 000噸級船舶，豐水季節(jié)大型船舶可以滿載運行，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)展相關指標具體結果見表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)展相關指標對比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級航道工程發(fā)展可持續(xù)性評價Fig. 2 Sustainable development evaluation of class Ⅱ channelproject from Yibin to Chongqing section

2.1 宜賓至重慶段現(xiàn)狀評價

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噸級船舶，對應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出港統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將長江干線劃分為4個區(qū)段(上游、研究河段、庫區(qū)、中下游)，并統(tǒng)計區(qū)段之間水運交流量，得到工程河段水運量[2]，結果表明2020年研究河段貨運量為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)濟效益指數(shù)

航道經(jīng)濟效益包括替代陸路運輸效益以及節(jié)能減排效益。根據(jù)川渝地區(qū)貨運周轉量和貨運量[14]計算得到各類運輸方式平均運距，進而得到研究河段貨運周轉量為1 962.80億噸公里。誘導貨運周轉量按現(xiàn)有鐵路、公路運輸貨運平均運距比例分配，即11.53∶1，得到替代陸路運輸效益328.05億元?；谪涍\周轉量，分析航運替代陸路運輸所節(jié)約的柴油能耗[15]，并通過節(jié)約能耗量計算CO2減排量[16]，兩者合計為節(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)濟效益為345.44億元，進而得到航道經(jīng)濟效益指數(shù)4 487。為分析研究河段航道經(jīng)濟效益得分，同時計算與研究河段發(fā)展階段類似的長江中上游各省的航道經(jīng)濟效益指數(shù)，結果如表2。

表2 長江中上游各省航道經(jīng)濟效益指數(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個點提取破碎性指數(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]。進而通過式(4)計算生態(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 宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程評價

2.2.1 航道開發(fā)率及一致性指數(shù)

宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程完工后，航道深度將由目前Ⅲ級航道2.9 m提升至Ⅱ級航道3.5 m，3 000 噸級船舶可晝夜通航，對應通過能力為2.93億噸，工程完工后開發(fā)率將提升至55%。

工程目前處于項目前期階段，建設期擬為2022年—2024年，營運期初始為2025年。以研究河段2000年—2019年統(tǒng)計貨運量為基礎，通過回歸分析法、彈性系數(shù)法和指數(shù)平滑法預測2025年貨運量為2.38億噸，即一致性指數(shù)降低至0.8。

2.2.2 經(jīng)濟效益指數(shù)

宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程經(jīng)濟效益主要包括以下5個方面：船舶大型化效益、替代陸路運輸效益、減少船舶轉駁以及虧載效益、節(jié)能減排效益、控制河段減少效益。通過對上述項目深入分析和估算，得到運營20年宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程經(jīng)濟效益為133.2億元，增加經(jīng)濟效益指數(shù)1 740，合計經(jīng)濟效益指數(shù)6 227。

2.2.3 生態(tài)壓力指數(shù)

有學者通過總結34條世界主要河流開發(fā)率與生態(tài)壓力的關系，得出開發(fā)率與生態(tài)壓力的關系式[11]，根據(jù)開發(fā)率55%可計算工程后生態(tài)壓力指數(shù)計算值為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，說明該航段應盡快開發(fā)提高通過能力以匹配日益增加的貨運需求。宜賓至重慶段Ⅱ級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量增加壓力并提升經(jīng)濟效益，而生態(tài)壓力指標由0.33僅提升至0.47，未超過長江整體生態(tài)壓力指標0.55，說明宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展要求。

3 三峽水運新通道評價

三峽水運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1.7億噸左右。工程前后三峽水運新通道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展相關指標具體結果見圖3及表3。

表3 工程前后三峽水運新通道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展相關指標對比Table 3 Comparison of relevant indicators of ecological sustainabledevelopment of Three Gorges new waterway before andafter the project

圖3 三峽水運新通道生態(tài)發(fā)展可持續(xù)性評價Fig. 3 Sustainability assessment of ecological development ofthe new waterway of the Three Gorges Project

3.1 三峽船閘評價

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)有升船機和雙線五級船閘共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，平均待閘達到150 h，擁堵已成常態(tài)，過壩運輸需求已經(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)濟效益指數(shù)

2019年三峽樞紐通過能力達到1.46億噸，貨物周轉量約1 092.40億噸公里，計算三峽樞紐工程替代陸路運輸效益為184.40億元，節(jié)能減排效益10.16億元，綜合可得航道經(jīng)濟效益為194.56億元。航道里程密度為0.046 km-1，進而得到三峽樞紐目前經(jīng)濟效益指數(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，魚類豐富度指數(shù)與非原生魚類比例采用長江指標值，最后取均值得到生態(tài)壓力指數(shù)為0.48。

3.2 三峽水運新通道評價

3.2.1 開發(fā)率及一致性指數(shù)

根據(jù)三峽水運新通道規(guī)劃，新建閘室占壩址全斷面寬度約140 m，建設后的開發(fā)率略有增加至69%。國家發(fā)改委綜合運輸研究所等單位同步開展了三峽過壩貨運量預測分析，預測2050年(遠期)過壩貨運量為1.95～3.1億噸[19]，采用均值2.53億噸作為過壩貨運量。三峽水運新通道完工后，新舊船閘和升船機通過能力總和可超過3.6億噸[19]，計算得到一致性指數(shù)為0.7。

3.2.2 經(jīng)濟效益指數(shù)

有學者通過分析船舶營運成本、貨物運輸時間價值、貨物經(jīng)時損失及貨物運輸風險等四大因素對三峽樞紐待閘成本的影響，構建分船型船舶待閘停時經(jīng)濟損失模型，結果顯示船舶待閘年均經(jīng)濟損失高達30億元[20]。水運新通道完工后，極大地提升航道通過能力，將誘導一部分陸運貨物，水運低廉的運價進一步降低社會運輸成本，估算效益為13.98億元，兩者合計43.86億元，工程后經(jīng)濟效益指數(shù)達到5 186，增加956。

3.2.3 生態(tài)壓力指數(shù)

三峽水運新通道完工后，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)關系式，生態(tài)壓力指數(shù)增加至0.49。

盡管三峽水運新通道工程開發(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，從而減少社會運輸成本。其生態(tài)壓力指數(shù)0.49小于長江整體0.55，工程建設符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展理念。

4 結 論

基于航道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價體系，綜合航道開發(fā)、經(jīng)濟效益以及生態(tài)壓力三類指標，開展了長江上游黃金航道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價，得出如下結論：

1)長江航運能力已經(jīng)接近飽和(一致性指數(shù)為1.0)，但整體開發(fā)率67%未達到開發(fā)閾值80%，存在進一步開發(fā)的較大空間。長江上游總體開發(fā)率較低，其生態(tài)壓力指標遠小于長江整體平均值，為緩解貨運需求增長的壓力，應決策建設生態(tài)保護優(yōu)先下的航運能力提升工程，促進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。建議實施宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程，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，仍不會超過長江整體生態(tài)壓力指標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)三峽船閘擁堵嚴重，成為長江航運卡脖子瓶頸。建議實施三峽水運新通道工程，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，未達到長江整體生態(tài)壓力指標。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輸能力，可解決船閘擁堵問題而減少社會運輸成本，經(jīng)濟效益指數(shù)顯著提升，符合生態(tài)環(huán)保要求，可提升長江航運高質(zhì)量發(fā)展的總體可持續(xù)性。