陳英健　馬方凱　尹靚　趙潛宜

摘要：長江黃金水道潛力進(jìn)一步發(fā)揮需要破解“中梗阻”問題，同時需要與生態(tài)環(huán)境保護(hù)、防洪安全、河勢穩(wěn)定等要求相適應(yīng)，因此開展長江中游多目標(biāo)協(xié)同航運優(yōu)化研究迫在眉睫。針對長江中游航運存在的問題，構(gòu)建了多目標(biāo)協(xié)同的航運優(yōu)化決策模型，基于評價結(jié)果提出了“建設(shè)中游人工水道，與長江干流生態(tài)通道形成中游雙通道格局”的航運能力優(yōu)化思路。優(yōu)化決策評價結(jié)果表明：長江中游人工水道建設(shè)不僅有利于破除航運“中梗阻”等不利影響，也有利于長江中游流域生態(tài)環(huán)境的改善，使長江中游在航運發(fā)展等河流開發(fā)活動與河流健康之間趨于更高層次的平衡與協(xié)調(diào)。

關(guān)鍵詞：長江中游; 航運能力; 多目標(biāo)協(xié)同; 優(yōu)化決策; 人工水道

中圖法分類號： TV91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.001

0引 言

長江黃金水道是中國國土空間開發(fā)最重要的東西軸線，在國家區(qū)域發(fā)展總體格局中具有重要的戰(zhàn)略地位。經(jīng)過長期治理，長江航道通過能力顯著提升，成為世界上運量最大、運輸最繁忙的通航河流，內(nèi)河貨運量連續(xù)多年位居世界第一。國家提出打造“暢通、高效、平安、綠色”全流域黃金水道的長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略，對長江航運提出了更高要求。然而，目前長江中游宜昌至武漢河段的通航標(biāo)準(zhǔn)明顯低于上下游，且航道能力提升與防洪安全、河勢穩(wěn)定、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)等存在較大矛盾，“中梗阻”問題十分明顯，制約了長江黃金水道乃至長江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展。在新時代生態(tài)文明建設(shè)與長江大保護(hù)的新要求下，圍繞長江中游綠色高質(zhì)量發(fā)展需求，開展航運優(yōu)化決策與航運能力提升方案研究顯得十分必要。

從航運優(yōu)化決策分析角度來看，近年來，國外學(xué)者圍繞“綠色航道”等概念開展了一些研究，這些研究多是關(guān)注航運污染或航運風(fēng)險管理等，較少涉及河流生態(tài)[1-2];國內(nèi)學(xué)者聚焦“生態(tài)航道”這一概念，利用層次分析法、組合賦權(quán)法、五元聯(lián)系數(shù)模型等開展生態(tài)航道評價[3-6]。雖然國內(nèi)外關(guān)于多目標(biāo)協(xié)同發(fā)展的航運評價研究較少，但在與此相關(guān)的河流健康評價理論與實踐方面積累了豐富的研究成果。許多國家地區(qū)建立了成熟的調(diào)查方法和評價體系，其中以美國的生物完整性指數(shù)（Index of Biotic Integrity，IBI）[7]、英國的以河流無脊椎動物分類和預(yù)測為基礎(chǔ)合并河流生物監(jiān)測系統(tǒng)（River Invertebrate Prediction and Classification System，RIVPACS）[8]、澳大利亞基于RAVPACS改進(jìn)的監(jiān)測系統(tǒng)（Australian River Assessment System，AUSRIVAS）[9]和南非的棲息地完整性指數(shù)（Integrated Habitat Index，IHI）[10]等河流健康評價方法最具代表性。國外對河流健康的研究主要集中在水質(zhì)、水生態(tài)、水文等河流自然屬性方面。國內(nèi)自2003年起也相繼開展了黃河、長江、珠江等大型河流健康的研究，包括理論研究、評價指標(biāo)體系構(gòu)建及評價模型的研究等，為中小型河流開展健康評價實證研究提供了參考經(jīng)驗[11-14]。多指標(biāo)評價方法（包括綜合指數(shù)評價法、模糊層次綜合評價法等[15-16]）因其對于情況復(fù)雜、多層次的復(fù)合評價過程適用性較好，被廣泛用于河流健康評價。然而，現(xiàn)有河流健康評估仍存在評估不夠全面、評價指標(biāo)針對性不足、模糊性和不確定性處理能力欠佳等問題，且評價模型主要以強(qiáng)調(diào)和維持河流自然功能為核心，一定程度上忽略了河流開發(fā)這一重要的社會功能。

為維持或提升通航能力，工程上多通過航道整治來改善航道條件[17-19]。同時，通過人工水道構(gòu)筑內(nèi)陸航道網(wǎng)己成為航道體系建設(shè)的重要手段。國內(nèi)外有很多新開航運通道的成功經(jīng)驗，如德國連接美因河與多瑙河的運河體系、美國連接五大湖與紐約港的伊利運河[20]、中國的京杭大運河[21]等。水系之間通過運河相互溝通，不僅能形成四通八達(dá)的航運網(wǎng)絡(luò)，有利于貨物的直達(dá)運輸，還能構(gòu)建區(qū)域安全、綠色、生態(tài)水網(wǎng)，保障區(qū)域防洪、供水和生態(tài)安全。

因此，本文針對長江中游航運存在的問題，構(gòu)建順應(yīng)航運發(fā)展需求，且航運提升-防洪安全-河勢穩(wěn)定-生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多目標(biāo)協(xié)同的航運優(yōu)化決策模型，在評估決策基礎(chǔ)上提出了符合航運能力提升的優(yōu)化方案，使長江中游在航運發(fā)展等河流開發(fā)活動與河流健康之間趨于更高層次的平衡與協(xié)調(diào)。

1研究區(qū)概況

長江中游從湖北宜昌至江西湖口，干流長955 km，流域面積約68萬km2，屬于長江流域典型的江湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。該河段河網(wǎng)湖泊密布，與洞庭湖、鄱陽湖自然連通，銜接江漢平原、洞庭湖平原，是長江流域重要的水生生物棲息地和資源庫，具有生物多樣性保護(hù)和洪水調(diào)蓄等重要生態(tài)功能。

長江中游荊江河段多淺灘礙航，歷來是長江防洪的重要險段和航道維護(hù)的瓶頸河段。近十多年來，航道部門陸續(xù)對荊江重點礙航水道和正在向不利方向變化的水道實施了整治，航道條件得到了一定程度的改善，但該河段最小維護(hù)水深僅3.5～3.8 m，仍明顯低于上游和下游，對于枯水期而言，大型貨運船舶通行需減載、轉(zhuǎn)駁，大大降低了長江黃金水道的通航效率，不能滿足黃金水道戰(zhàn)略要求。長江宜昌至武漢段“中梗阻”問題已經(jīng)成為制約長江航運發(fā)展的關(guān)鍵。

2多目標(biāo)航運優(yōu)化決策模型構(gòu)建

2.1模型構(gòu)建思路

通過長江中游航運環(huán)境影響因素耦合分析，構(gòu)建長江中游多目標(biāo)協(xié)同航運優(yōu)化決策指標(biāo)評價體系。運用德爾菲法收集該領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)專家對指標(biāo)體系中各指標(biāo)的兩兩重要性對比情況的問卷調(diào)查結(jié)果，隨后利用層次分析法構(gòu)建各級判斷矩陣，計算一致性比例，經(jīng)過一致性檢驗后確定各指標(biāo)權(quán)重。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計各指標(biāo)在辨識框架下的置信度后，根據(jù)楊劍波法[22]的基本思想形成了引入權(quán)重的Dempster合成規(guī)則，并利用證據(jù)推理法計算出確定性評價結(jié)果，從而根據(jù)評價結(jié)果進(jìn)行航運優(yōu)化決策分析。具體流程如圖1所示。

針對決策評價指標(biāo)體系中存在較多的不確定性因素，此方法以證據(jù)推理、信息融合、模糊數(shù)學(xué)及效用理論為基礎(chǔ)構(gòu)建模型，可以較好地處理和融合多個不確定性、模糊性信息，并合理高效地從多因素角度開展分析。

2.2決策評價體系及權(quán)重

結(jié)合新時期長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略對長江生態(tài)保護(hù)與綠色發(fā)展的要求，系統(tǒng)梳理長江中游現(xiàn)狀及問題，長江中游航運優(yōu)化決策主要考慮以下幾個方面：

（1） 航運發(fā)展。長江是中國國土空間開發(fā)最重要的東西軸線，增強(qiáng)干線航運能力（特別是中游航段）是長江黃金水道建設(shè)乃至長江經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容，也是本次研究探索長江中游多目標(biāo)協(xié)同發(fā)展之路的前提。

（2） 生態(tài)保護(hù)。長江是我國重要的生態(tài)寶庫，但隨著流域經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，長江水生生物資源及水域生態(tài)環(huán)境面臨諸多威脅。長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略要求把保護(hù)和修復(fù)長江生態(tài)環(huán)境擺在首要位置，共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)。因此，在航運優(yōu)化決策中必須考慮河流生態(tài)健康狀態(tài)相關(guān)因素。

（3） 河勢穩(wěn)定及防洪安全。三峽及干支流控制性水利水電工程建成后，中下游地區(qū)防洪形勢趨于利好。但同時工程建設(shè)改變了中下游河道的來水來沙條件和河勢穩(wěn)定，對防洪安全、岸線和洲灘利用、航運發(fā)展提出了新的要求。因此在航運優(yōu)化決策問題上需要具體考慮河流情勢與防洪安全情況。

（4） 航道水資源開發(fā)利用。水資源是生命之源、生產(chǎn)之要，航運優(yōu)化決策中既要保證流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水量，還要保證周邊城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活的人均需水量。

（5） 區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況。長江中游治理開發(fā)的目的是帶動區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時依托長江黃金水道，促進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶東中西部協(xié)同發(fā)展。

綜上，本文從航道穩(wěn)定狀況、航道生態(tài)特性、生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性、航道防洪安全保障、航道水資源開發(fā)利用、航運功能、航道水文情勢變化、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等8個狀態(tài)層，選取27項評價指標(biāo)，構(gòu)建通過篩選后的長江中流多目標(biāo)協(xié)同航運優(yōu)化決策評價指標(biāo)體系，如表1所列。

2.3決策模型計算

2.3.1利用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重

采用層次分析法的1-9標(biāo)度法設(shè)計調(diào)查問卷，邀請長江各領(lǐng)域?qū)＜?，對兩兩指?biāo)的重要性賦予一定的數(shù)值。匯總整理各專家打分后，構(gòu)造出比較判斷矩陣，綜合各專家打分取幾何平均，得到各層因素間的綜合判斷矩陣，以此計算出的各指標(biāo)權(quán)重如表1所列。

2.3.2確定各指標(biāo)在辨識框架上的置信度

研究中將長江中游航道綜合評價結(jié)果劃分為5個等級，即模型的辨識為：H={H1，H2，H3，H4，H5}={差，較差，一般，好，很好}。將專家評價值P（H）利用比例尺法進(jìn)行確定，選取P（H）={P（H1），P（H2），P（H3），P（H4），P（H5）}={0.1，0.3，0.5，0.7，0.9}，各等級對應(yīng)的取值范圍如下：差，0～0.2;較差，0.2～0.4;一般，0.4～0.6;好，0.6～0.8;很好，0.8～1.0。

針對已確定權(quán)重的篩選指標(biāo)，再次邀請長江各領(lǐng)域?qū)＜遥柚鋵I(yè)知識及經(jīng)驗對長江中游現(xiàn)狀下的各項篩選指標(biāo)進(jìn)行等級評估，填寫調(diào)查問卷，匯總整理各專家打分后，按照辨識框架區(qū)間（H1～H5）進(jìn)行分布，引入不確定度H0，得出27項已知權(quán)重的篩選指標(biāo)在辨識框架上的置信度分布，如表2所列，基本概率指派如表3所列。其中，由于單個下級指標(biāo)權(quán)重不為1所產(chǎn)生的剩余概率為0.423;由于專家對指標(biāo)評價的不確定性所引起的概率為0.01。

結(jié)合基本概率指派值和歸一化系數(shù)，計算所有指標(biāo)在辨識框架上的總置信度（見表4）。

可以看出，在所有指標(biāo)上的不確定置信度為0.024，表明證據(jù)合成后形成的結(jié)果所包含的不確定性和模糊性處于較低水平。

結(jié)合評價值的比例標(biāo)尺法，得出評價總目標(biāo)的“確定性”評價值為0.491。

2.4決策模型結(jié)果分析

決策模型計算結(jié)果表明，長江中游航道現(xiàn)狀整體指標(biāo)處于“一般”的狀態(tài)。同時，由指標(biāo)體系中各指標(biāo)的綜合權(quán)重值以及它們在辨識框架上的置信度得出的基本概率指派可知，由于河床自然演變頻繁、航道水深不足、航運侵占部分水生動物的生存空間、船舶及港口污染等原因，航道穩(wěn)定狀況、生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性等方面的指標(biāo)大部分均處于“一般”及以下狀態(tài)。其中，高標(biāo)準(zhǔn)通航水深保證率、通航密度、珍稀水生物存活狀況等指標(biāo)處于“差”到“較差”范圍的值偏大，得分情況欠佳，因此在后續(xù)規(guī)劃中應(yīng)優(yōu)先考慮上述指標(biāo)情況;而河岸穩(wěn)定性、河床穩(wěn)定性、航運安全保障能力、河道水情變化率、日徑流變差系數(shù)、年徑流變化狀況、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、溶解氧量、生物多樣性指數(shù)、魚類生物完整性指數(shù)、四大家魚產(chǎn)卵量、最大排蓄洪水能力、綜合灌溉保證率、區(qū)域GDP總額、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)度、區(qū)域就業(yè)增長率、區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展水平、交通運輸業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資額等指標(biāo)主要集中在“較差”到“一般”范圍內(nèi)，得分情況一般，也需對這些指標(biāo)情況進(jìn)行綜合考量。

3長江中游多目標(biāo)協(xié)同航運優(yōu)化決策分析

3.1工程建設(shè)思路

針對長江中游現(xiàn)有航道總體發(fā)展水平不足，現(xiàn)狀評價處于“一般”狀態(tài)的問題，本次研究將以破解航道“中梗阻”為主要驅(qū)動力，以水生態(tài)、水環(huán)境保護(hù)為重要支撐點，兼顧防洪排澇與河勢穩(wěn)定，研究提出長江中游通航萬噸級船舶的綜合水利工程體系建設(shè)方案，使多目標(biāo)協(xié)同航運優(yōu)化決策評價結(jié)果更優(yōu)。

借鑒國內(nèi)外已有案例及工程經(jīng)驗，“中梗阻”破解主要有兩個思路：一是對原有航道直接進(jìn)行航道整治，提升航道標(biāo)準(zhǔn);二是考慮到江漢平原地區(qū)河網(wǎng)密布的特征，充分利用現(xiàn)有水系規(guī)劃新的航運通道。

3.1.1航道整治思路

近十多年來，航道部門陸續(xù)對荊江重點礙航水道和正在向不利方向變化的水道實施了一定程度的整治，若繼續(xù)開展大規(guī)模的航道整治工程，主要存在以下3方面的問題：① 技術(shù)難度大，而且難以維護(hù);② 大規(guī)模的、頻繁的航道整治影響河勢穩(wěn)定與防洪安全;③ 荊江河段是魚類資源和中華鱘、江豚等珍稀瀕危野生動物的天然寶庫，整治過程中的過度干擾會對這些重點保護(hù)水生動物的生存環(huán)境造成直接破壞，威脅到長江中游乃至整個流域生態(tài)系統(tǒng)。

3.1.2人工水道建設(shè)思路

受河勢、防洪、生態(tài)環(huán)境等諸多因素制約，長江中游干線航道單純通過航道整治措施大幅提升通航標(biāo)準(zhǔn)存在現(xiàn)實困難，有必要另辟蹊徑突破瓶頸。鑒于此，鈕新強(qiáng)院士團(tuán)隊研究提出了長江中游人工水道工程方案——利用江漢平原地勢平緩、水網(wǎng)密布的優(yōu)勢，打通一條連接荊州-武漢、可通航萬噸級船舶的人工水道，與長江干流形成中游“雙通道”新格局，其中人工水道將作為長江航運主通道，而長江干流則以生態(tài)環(huán)境保護(hù)為主[23]（見圖2）。

相比思路一，該方案主要有以下特點：

（1） 將破解長江“中梗阻”問題，提升長江黃金水道“主軸”作用，與三峽水運新通道建設(shè)相結(jié)合，實現(xiàn)萬噸級船舶直達(dá)重慶，經(jīng)濟(jì)社會效益巨大。通過沿線設(shè)置若干雙向船閘，可克服人工水道與中游干支流交匯處的水頭差，保障全年各時期通航安全。

（2） 人工水道建成后，大型船舶和過境船舶將經(jīng)由人工水道穿越長江中游荊州-武漢段，實現(xiàn)干流船舶有效分流，減少船舶活動對長江的污染，同時干流通航密度將逐步減少，有利于加強(qiáng)水生生境保護(hù)及生態(tài)修復(fù)，構(gòu)筑綠色生態(tài)廊道。

（3） 以人工水道為骨干渠道，結(jié)合區(qū)域地形地勢和水網(wǎng)格局，構(gòu)建由人工連通河渠、交叉建筑物、閘泵等組成的中游綜合水利工程體系，利用生態(tài)水網(wǎng)向區(qū)域內(nèi)河湖水系補(bǔ)水，保障供水安全，為洞庭湖、洪湖濕地生態(tài)修復(fù)創(chuàng)造條件。

3.2多目標(biāo)協(xié)同航運優(yōu)化決策綜合分析

3.2.1模型計算

基于建設(shè)后期相關(guān)指標(biāo)數(shù)值范圍及專家問卷打分結(jié)果，人工水道工程建設(shè)后期各項指標(biāo)在辨識框架下的權(quán)值置信度如表5所列，其中屬于防洪安全保障、水資源開發(fā)利用、航運功能等因素的指標(biāo)置信度主要集中于H4和H5，表明其有著朝利好方向發(fā)展的大體趨勢。

按照Dempster合成規(guī)則進(jìn)行證據(jù)融合，得出所有指標(biāo)在辨識框架上的基本概率指派（見表6）。

由此可知，各指標(biāo)結(jié)合不同權(quán)重的置信度在經(jīng)過Dempster合成之后，在H4上的指派概率最大，在H1上的指派概率最小。同時，單個下級指標(biāo)權(quán)重不為1所產(chǎn)生的剩余概率為0.434，專家對指標(biāo)評價的不確定性和不知道所引起的概率為0.005，較建設(shè)前期顯著下降。

由基本概率指派和歸一化系數(shù)可得出所有指標(biāo)在辨識框架上的置信度，如表7所列?？傊眯哦仍酱?，表明評估結(jié)果落于辨識框架下對應(yīng)等級的結(jié)論越可靠。而人工水道建設(shè)后，所有指標(biāo)的不確定置信度為0.009，低于建設(shè)前期的0.024，表明在證據(jù)融合的過程中減弱了數(shù)據(jù)來源具有的不確定性，也就是說模型評估效果削弱了不確定性帶來的影響。

結(jié)合評語集比例標(biāo)尺法對應(yīng)的量化值，計算出評價總目標(biāo)的“確定性”評價值為0.642，即表明證據(jù)合成后的航道體系落于“好”的區(qū)間，多目標(biāo)協(xié)同發(fā)展下的航運優(yōu)化決策效果明顯。

3.2.2結(jié)果分析

結(jié)合各指標(biāo)綜合權(quán)重值以及人工水道建設(shè)后各項指標(biāo)在辨識框架上的置信度可知，原本置信度集中于“差”到“較差”范圍內(nèi)的高標(biāo)準(zhǔn)通航水深保證率、通航密度等指標(biāo)，在人工水道建設(shè)后其置信度基本提升至“一般”到“好”的范圍內(nèi)。而原本置信度集中于“較差”到“一般”范圍內(nèi)的河岸穩(wěn)定性、河床穩(wěn)定性、航運安全保障能力、河道水情變化率、日徑流變差系數(shù)、年徑流變化狀況、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、溶解氧量、生物多樣性指數(shù)、魚類生物完整性指數(shù)、四大家魚產(chǎn)卵量、最大排蓄洪水能力、區(qū)域GDP總額、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)度、區(qū)域就業(yè)增長率、區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展水平、交通運輸業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資額等指標(biāo)，在新航道建設(shè)后其置信度也集中于“一般”至“好”的范圍內(nèi)。

針對“人工水道建設(shè)思路”的決策評價表明，人工水道建設(shè)可使長江中游整體指標(biāo)處于“好”的狀態(tài)，且人工水道建設(shè)后在所有指標(biāo)上的不確定置信度比建設(shè)前有所降低，說明長江中游人工水道建設(shè)，不僅有利于破除航運“中梗阻”等不利影響，也有利于長江中游流域生態(tài)環(huán)境的改善。

4結(jié)論與建議

本文針對長江中游航運“中梗阻”問題，結(jié)合長江大保護(hù)、區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展對長江治理開發(fā)與保護(hù)的要求，構(gòu)建了多目標(biāo)協(xié)同航運優(yōu)化決策模型，并根據(jù)評價結(jié)果提出了長江中游航運能力提升優(yōu)化方案，即建設(shè)一條連接荊州-武漢、可通航萬噸級船舶的人工水道，與長江干流形成中游“雙通道”新格局。研究結(jié)果表明：人工水道建設(shè)能有效破除航運“中梗阻”等不利影響，改善長江中游流域生態(tài)環(huán)境，使長江中游在航運發(fā)展等河流開發(fā)活動與河流健康之間趨于更高層次的平衡與協(xié)調(diào)。

鑒于長江中游人工水道在長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展中的重要性，建議盡快開展項目深化研究工作。人工水道建設(shè)涉及長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)、航運發(fā)展、水資源綜合利用和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等各個方面，建議可重點針對工程定位與任務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)、方案、效益、運行管理、投融資模式等重大問題開展深化研究，回答工程必要性、可行性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境合理性等重大問題，為項目立項決策奠定基礎(chǔ)。

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（編輯：胡旭東）