长江干线生态航道建设探析

陈振武，严 军，蔡显赫，周祖昊

（1.华北水利水电大学，郑州 450046；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

长江干线航道上起云南省水富市，下至长江口，全长2838 km，是我国内河唯一贯穿东、中、西部地区的水运大通道，在国民经济和区域发展总体格局中具有重要战略地位［1］.多年来，为促进长江水运经济的快速发展，我国在长江干线航道先后开展了系列整治工程，航道通航条件得到全面改善，极大地提高了货运能力和效率.然而在过去较长一段时间内，航道整治工程多注重航道条件的改善而较少顾及相应工程的生态影响，因此在一定程度上加剧了河流生态环境的恶化程度.研究表明，丁坝、锁坝、顺坝等筑坝工程会改变河流岸滩形态，导致鱼类及底栖生物生境丧失［2］；护岸、护滩、护底等守护工程大量使用混凝土、浆砌石等硬质材料，覆盖了岸坡植被生长地，阻隔了沿岸水体与岸坡土体之间的有机联系，造成水体自净能力降低，同时原有植被形成的水生生物栖息地和产黏性卵鱼类的产卵场消失［3-4］；疏浚和炸礁工程往往改变河流局部水文水动力特性，使得鱼类“三场”及洄游通道遭到破坏，而施工时产生的大量悬浮物也会导致局部水质恶化，影响鱼类及浮游生物生存［5］.在长江生态环境形势日益严峻的背景下，航道整治工程给河流带来的不利影响更加受到人们关注，如何平衡好航道建设和生态保护之间的关系，从而促进长江航运的可持续发展，成为亟须解决的问题.

党的十八大将“建设社会主义生态文明”写入党章，凸显生态文明建设的重要战略地位及其紧迫性.此后，中共中央、国务院就长江航运的可持续发展多次作出重要指示并出台相关指导文件，提出依托黄金水道推动长江经济带发展的重大战略，并且明确长江航运应走“生态优先、绿色发展”之路，要把修复长江生态环境摆在压倒性位置［6］.在此背景下，长江航运迎来了新的重大发展机遇，而航道生态化建设也成为众多研究者关注的重要课题.本文深入探析了生态航道概念、生态目标、任务等基本问题，梳理了近年来长江航道整治采取的主要生态技术，并就亟须进行的相关研究与实践进行展望，旨在为更好地推动长江及其他内河生态航道建设提供借鉴.

1 生态航道基本问题研究

1.1 概念

国外对于生态航道的关注起源于现代硬质护岸对河流生态系统造成的影响.20世纪40年代，德国学者提出“近自然河溪整治”的概念，随后在50年代德国又创立“近自然河道治理工程学”，并将其用于指导莱茵河生态护岸实践.而后，欧美国家以及日本等国基于生态理念纷纷对本国河流进行修复和治理，并促进这一研究领域的长足发展［7］.尽管国外研究人员在河流生态治理研究方面已经取得系列成果，但关于生态航道相关概念很少有明确阐述.在我国，何谓“生态航道”目前也尚无定论.2010年，许鹏山等［8］提出甘肃省生态航道建设初步设想，并对其概念进行了阐述，即将自然生态与航道建设协调统一，寻求两者之间的客观联系，以维持可持续发展的轨道.刘欣怡［9］认为生态航道建设是将传统航道的通航功能与水生态系统相结合，使其既能发挥安全、便捷、畅通、高效的水运通航基础功能，又具有合理平衡的生态系统结构，稳定的自我调节恢复能力以及令人赏心悦目的整体景观效果.薛智博［10］指出生态航道就是维持河流原有自然状态，并且能够满足通航需要的河道.倪晋仁在《长江中游荆江河段生态航道建设关键技术研究》中对生态航道的定义是：满足河流航运功能，兼顾与河流其他功能（如供水、自净、景观、生态、发电等）协调，在不同阶段自我调整，实现河流生态系统自然良性循环的航道［11-12］.

以上学者就“生态航道”概念提出了各自见解，可以明确：生态航道建设摒弃了传统航道建设与生态保护之间对立的观念，而将两者统一起来，在航道建设与生态保护之间寻找平衡点.但有关表述更多地强调的是在航道整治过程中融入生态理念和采取相应保护措施以维系河流生态系统组成、结构和功能.事实上，建设生态航道需要在航道规划、建设、运行、管理、养护等各个环节都考虑生态因素，使其既满足航运及其发展的需要，又兼顾河流生态健康.此外，根据“生态”一词的含义，“生态”还可表示“显露美好的姿态、生动的意态”，因此，在满足航道基本功能及实现对生态系统保护的同时，有必要融入景观学原理以尽可能丰富沿线自然风景，实现航运、生态、景观的和谐统一与融合发展.

1.2 生态目标

造成河流生态系统破坏的因素多样，如水利工程建设、航道开发、生产和生活污水乱排乱放、水生生物过度捕捞、水资源不合理利用等，在迫切保护和修复河流生态系统的当下，至少在航道开发过程中要尽可能减小其生态影响，以维系生态系统良性发展.近年来，在党中央高度关切和推动下，长江流域水环境质量持续改善，干流水质稳定维持在优良水平，但水生态保护形势依然严峻且迫切，众多水生生物濒临灭绝（表1）.建设生态航道需要实现如下几方面目标：①保护和改善水环境质量，其中包括饮用水取水口、水源保护区及湿地等生态保护红线区；②保护濒危物种、珍稀特有物种和重要经济物种及其适宜生境，其中包括水生生物自然保护区、水产种质资源保护区（表2）、鱼类“三场”（产卵场、索饵场和越冬场）及鱼类洄游通道等；③干流岸线资源得到合理、有序利用；④沿线自然景观进一步丰富.

表1 长江流域水生保护动物现状Tab.1 Current status of aquatic protected animals in the Yangtze River basin

表2 长江干线航道自然保护区、水产种质资源保护区分布情况Tab.2 Distribution of nature reserves and the aquatic germplasm resource reserves in the Yangtze River main channel

1.3 任务

基于以上表述，生态航道建设应重点做好如下几方面工作：

1）减小船舶运行生态影响.一是淘汰老旧、污染大的船舶，大力研发、推广采用新能源、清洁能源（如液化天然气、太阳能、生物质能、电能等）提供动力的船舶；二是通过优化船型、创新设计生态型船舶等手段，减小船行波对河道岸坡的侵蚀、航行噪声、船舶漏油及旋桨对鱼类的损伤等；三是加强运输物管理，减少甚至禁止有毒、有害、污染大物质上船，以防止可能出现的生态安全事故.

2）遵循生态友好、经济实用等原则，研发新材料，创新施工技术、工艺，实现整治工程的生态化，最大程度落实生态保护目标.同时，施工时应尽量避开鱼类保护区、鱼类产卵繁殖期（4—6月份）、索饵育肥期（5—7月份）及重要物种活动高峰期（5—9月份），严控施工范围，以减小施工给鱼类带来的不利影响.

3）基于生态学、景观学原理，结合周边自然环境，尽可能实现生态整治工程（如生态护岸、护滩）的良好景观效果；同时，维护好工程所在地原有自然景观.自然景观的丰富不仅有助于缓解长途行船人员的视觉疲劳、愉悦船员心情，还能进一步推动长江生态旅游业的发展.

4）完善生态监测系统，做好生态监测工作.利用信息技术（如遥感卫星、监控摄像系统、传感器等）获取河流生态实时数据，其中包括水文、水质相关数据、重要物种活动区域、生存状况、种群规模等，建立数据存储、处理、应用综合管理平台，为生态保护、修复及生态工程效果评价提供依据.

5）健全生态应急管理体系.一方面要提升航运信息化水平，减少航行事故发生频率；另一方面要加强船舶运行监控，及时、快速应对因航运交通事故、运输物泄漏、船舶搁浅而造成的生态事故，最大程度减少进而弥补生态损失.此外，生态应急管理还应包括及时、有效救助因工程建设和航运而损伤的重要保护鱼类.

6）通过教育培训、海报宣传、发放环保手册等增强施工人员生态保护意识，规范施工人员行为、施工作业流程和施工场地占用等.

2 长江干线生态航道建设技术及其应用

目前，长江干线生态航道建设采用的主要生态技术有生态护岸、生态护滩、生态坝体和人工鱼巢等.

1）生态护岸.利用自然或人工材料对河岸进行加固、支撑和防护的守护工程，既能满足护岸基本功能（如防洪、排涝、引水、航运），又兼具自然护岸的生态性、景观性、渗透性和硬质护岸的结构稳定性［13］.生态护岸形式多样，关于其分类目前尚未统一.不同的护岸形式适用于不同的工程需要和岸坡环境.目前，长江中下游整治工程中已有相当一部分河段采用钢丝网石笼垫、三维土工网垫、联锁式生态砖、钢丝网石笼挡土墙［14］、格状石笼压载植生垫结构、生态立体网状护岸结构［15］、生态型鱼槽砖［16］和生态植草等护岸结构，其中应用最广泛的是钢丝网石笼垫（图1），该结构外部采用双绞合六边形镀锌钢丝网编制成笼，内部用石料填充，不仅具有耐腐蚀、强度高、适应性强、透水性和抗冲性好等特性，还能促进泥沙落淤，有利植被生长，而生长后的植被可成为产黏性卵鱼类的产卵基质.

2）生态护滩.为防止塌滩而在滩岸线上做的工程，同时满足生态、自然、景观等需求.长江南京以下狼山沙、白茆沙高滩上芦苇生长茂盛，为留住这片绿色，在两地分别采用大网格土工格栅+拼接咬合型十字块压护结构、隔室模袋混凝土护坡+混凝土连锁块软体排护底对其进行保护［15］，不仅保护了原有植被的生长，还起到了良好的生态修复作用.加筋三维钢丝网垫［17］是一种高效促淤护滩结构，具有适应性强、强度高、整体性好、利于植物生长等优点，现已应用于安庆航道整治工程中.在中游荆江航道边滩护滩工程中，一种新型的结构——仿生水草垫［18］得到应用，该结构以聚丙烯细丝作为柔性材料，通过一定的工艺手段制作而成.结构应用后，其上下游流速均有所减缓，促进了守护区域的整体淤积，取得了良好的工程效果.同样应用于荆江航道护滩工程的还有四面体透水框架（图2），该结构不仅具有良好的减速促淤效果，还能营造鱼类喜好的水流紊动强度、流场［19］，因此该结构也被设计成“人工鱼礁”而广泛应用.

图1 钢丝网石笼垫现场布置形式Fig.1 Field layout of steel wire mesh cage cushion

图2 荆江航道整治工程中四面体透水框架现场布置形式Fig.2 Field layout of tetrahedron permeable frame in Jingjiang waterway regulation project

3）生态坝体.天津水运工程科学研究所、南京水利科学研究院等科研院所提出了多种生态型丁坝，此类丁坝具有若干透水结构，不仅具有传统丁坝同样的整治效果，而且还能营造多种水流形态，可为鱼类提供适宜生境以及满足其他水生生物的吸附和生存.如长江南京以下12.5 m深水航道二期工程布置了总长为250 m的生态丁坝，该结构采用15%开孔率梯形空心堤身结构，可改变工程区域上升流、背涡流流场结构，从而营造有利于鱼类索饵、产卵和避难的水流环境，同时其结构本身也能成为众多水生生物的栖息地.总体来看，目前长江干线航道整治工程中生态坝体应用较少，多为不透水坝体，建议进一步研究并推广应用.

4）人工鱼巢.针对产黏性卵鱼类特性，在保护区浅水区等水流较缓区域投放人工鱼巢，为其创造有利的产卵繁殖条件.人工鱼巢由浮动框架和鱼卵附着基质组成，浮动框架一般采用毛竹和钢丝搭建而成，并通过锚桩固定于一定水域，可适应水位涨落；附着基质多选用聚乙烯网片、棕榈皮等材料，捆扎后通过细绳系与竹框下方.一种人工鱼巢现场布置形式如图3所示.

近年来部分航道整治工程中生态工程实施情况如表3所示.

图3 一种人工鱼巢现场布置形式Fig.3 An artificial fish nest site layout

表3 近年来部分航道整治工程中生态工程实施情况Tab.3 Ecological engineering implementation in some waterway regulation projects in recent years

3 结论与展望

在我国“五位一体”总体布局和要求下，传统的航道建设方式已不再适应经济社会的发展，内河航道走“生态优先，绿色发展”之路已成为航道发展的必然要求.生态航道建设要求平衡好航道开发与生态保护之间关系，在航道规划、建设、管理、养护等各个环节都考虑生态因素，从而实现航运与生态的和谐发展.目前，长江干线生态航道建设已经取得一定技术成果，但由于相关研究起步较晚，现多处于探索和试验阶段.生态航道建设是一项复杂的系统工程，既涉及生态学、景观学、材料学、动植物学、航道工程学等多个学科，又涉及交通运输部、生态环境部、农业农村部、水利部等多个部门，建议建立多学科交流、多部门联合决策、管理平台.此外，就理论研究和工程实践而言，未来还应在以下几方面展开深入探究.

1）完善生态航道评价体系.评价体系是检验通过工程手段、非工程手段（如调整运输结构、提升服务质量、创新建管理念、出台法律法规等）产生效益的衡量标准，包括指标体系构建、指标权重赋予、标准等级划分、建模计算等内容［20］，现有的评价体系主要衡量基于工程手段的航道改善情况，而未将非工程手段及其效益纳入其中，因此未来需进一步研究并确定.

2）生态护岸、护滩工程在多种因素作用下的受损机理及相应改进技术研究.现有的生态护岸、护滩结构由于多采用新技术、新材料、新工艺制造而成，且应用时间较短，人们对其受损机理认识不足.造成结构受损的因素多种多样，外在因素包括水位涨落、水流冲刷、河床演变、岸坡变形、径流侵蚀、船行波等；内在因素包括材料老化、变形等，且受损往往是在多种因素共同作用下完成.各因素的受损机理研究可通过物理模型试验、数值模拟、现场观测及长期监测等手段进行，重点探究发生频率高、作用时间长的主要因素，按照先单一因素后组合因素的探究顺序开展相关研究.基于受损机理研究成果，有针对性地开展改进技术研究，如结构和布置形式优化、材料和工艺创新等.

3）生态效益定量评价体系研究.对工程产生生态效益进行定量评价有助于优化和更好地选择工程措施，从而提高河流整体生态服务水平.现阶段针对生态工程效益的评价多为定性分析，已有的相关研究也多局限于量化截留地表径流污染及净化水质效果［7、21］，缺乏如改善小气候、维护物种多样性、增加种群数量、提高水流丰富度、减速促淤效果等方面的量化评价，而这些都直接体现工程产生的生态效益.应深入探究各类生态工程对河流生态系统的影响机理和过程，在此基础上，构建指标完整、赋权客观、等级合理的评价体系.

4）已有生态工程现状调查和可持续利用机制研究.生态护岸、护滩、坝体的运行效果往往需要通过长期监测才能做出合理判断，而实际中有相当数量的生态工程自建设后便缺少应有的管理、维护和运行监测，导致其不仅难以持续有效发挥生态作用，而且缺失相应工程对生态系统影响过程的认识.一是要通过走访临河、临江居民、现场观察、询问有关部门等方式广泛开展已有生态工程现状调查，记录工程细节、运行情况、演变过程，分析受损原因，初步形成对各类工程措施的基本认识，以避免在往后的规划、建设中走弯路和浪费；二是要从建而不管转变为建管结合，设置管理、维护、监测专项资金和专门岗位，探索有公众参与的生态工程可持续利用机制.

5）流域尺度的生态设计.进行流域尺度的生态设计有利于提高流域生态系统整体性、稳定性.要加强航道各段、河流与周边环境的生态联系，避免将复杂的生态系统简单割裂，造成流域生态系统的碎片化.