长江深水航道整治生态护岸工程实施效果综合评估

李 晋 鹏，宣 昊，王 学 霞，李 涛

(1.交通运输部水运科学研究所，北京 100088； 2.生态环境部环境工程评估中心，北京 100012； 3.北京市农林科学院 植物营养与资源研究所，北京 100097)

0 引 言

河岸带是河流生态系统的重要组成部分，是水生和陆生生态系统之间物质、能量和生物信息传递的重要通道[1]。河流生态系统生境的连通性和连续性，生境结构的异质性，栖息地的复杂多样性是维持河流水生生物群落和生态系统健康的重要因素[2]。护岸工程作为内河航道整治工程的重要内容，长期以来多采用硬质材料，强调材料的耐久性和结构的安全稳定性，人为阻隔了河岸带的连通性和连续性，常引起河岸带生态系统退化和生物多样性的丧失[3]。近年来，生态护岸工程的建设已成为当前国内外内河航道整治工程的发展趋势，同时也是实现河岸带生物多样性保护和河流生态修复的重要实现途径[1，4-7]。

综合近年来国内外关于生态护岸评估方面的研究，主要基于河流生态系统健康的定义和特征建立了较多的评价指标体系和方法，从而对生态护岸建设、实施效果进行分析和评估[8-13]。但这些指标体系和方法大多针对河流生态建设创建，评价指标体系中反映生态护岸实施效果和植被恢复状况的指标偏少[14-16]，且不适用于内河航道生态护岸的工程特点和实施生态效果的长期跟踪评估。因此构建具有指导性且操作性强的内河航道生态护岸工程实施效果综合评估指标体系和评价方法对其工程效益、经济效益和生态效益进行综合评估具有重要的理论意义和实践价值[5，17]。本文以长江南京以下12.5 m深水航道整治生态护岸工程为例，采用层次分析法构建了内河航道生态护岸工程实施效果综合评估指标体系，并通过建立的护岸工程生态符合性指数(ECIR)实现了生态护岸工程实施效果的定量综合评价。研究结果可为内河航道生态护岸工程的结构设计、材料选择、工程建设及实施的生态效果综合评估、河岸带生态系统恢复状况的长期跟踪监测、河流生态系统保护及修复提供重要参考。

1 生态护岸的定义及内涵

护岸是指人工构筑于河岸带，以维护河道岸坡稳定的工程构筑物和植物的总称[5-6]。传统的护岸多采用硬质材料，结构形式采用直立式、斜坡式或以上两种混合型组合方式，注重结构的稳定性、耐久性与经济性[18]。20世纪50年代德国提出近自然河道治理工程学，80年代瑞士提出亲近自然河流的概念，90年代日本提出的创造多自然型河川计划，可以认为是生态护岸在国外的最早实践[5，19]。近年来，生态护岸作为绿色生态航道体系的重要组成部分，开展了多种材料和结构形式的实践，不仅满足了工程设计和通航目标，还兼顾了河流生态功能正常发挥[6，20-21]。

综合近年来国内外学者的研究，内河航道生态护岸可以定义为采用天然或人工材料，以一定的空间布局和结构形式人工构筑于河岸带，便于地表径流和地下水的流动，有利于植物生长和生物体的交流，并可为生物提供一定的栖息地，从而满足护岸工程设计和通航目标，达到结构稳定性、材料生态性、工程布置合理性、工程经济性及河岸带生态系统服务功能相统一构筑物和植物的总称[6，13-14，22]。

2 评估指标体系和方法

2.1 指标体系的构建

依据本次研究关于内河航道生态护岸的定义和内涵，并参考国内外生态护岸评价体系相关研究[8，13，15，23-24]，基于层次分析法(analysis hierarchy process，AHP)构建了内河航道生态护岸工程实施效果综合评估指标体系(见图1)。层次分析法将评估指标体系划分为目标层、准则层和子准则层3个梯级层次结构。其中，目标层为内河航道生态护岸工程实施效果综合评估指标体系；准则层对应内河航道生态护岸定义的5个方面特征，包括A1结构稳定性、A2材料生态性、A3工程布置合理性、A4工程经济性、A5生态系统服务功能共计5个指标；子准则层为准则层相应的分项指标，包括A11耐水流及船形波冲刷性、A12便于植物生长及透水性等16个分项指标。

2.2 评价指标说明

2.2.1A1结构稳定性

A11耐水流及船形波冲刷特性。工程的结构具有良好的耐久性，可以很好地抵御水流及船型波的冲刷侵蚀，从而维护岸滩和河道形态的稳定。

A12便于植物生长及透水性。工程的结构可以促进沉积物的淤积，便于河岸带物质能量交换，具有良好的通气透水性，便于植物根系的生长和地表水地下水的交换。

2.2.2A2材料生态性

A21天然材料所占比例。工程建设所需材料，辅助材料中天然材料所占的比重。

A22人工材料可自然降解性。工程建设所需人工合成材料或人工材料在自然状态下的降解周期。

2.2.3A3工程布置合理性

A31河道形态稳定性。工程平面布置对河道天然形态的影响程度，应尽可能保留河流原有的地貌和自然形态。

A32水流形态多样性。工程平面布置对河道天然水流形态的影响程度，或工程建设可以形成急流、缓流、深潭等多样化的生境或水流形态。

A33工程扰动比例。工程扰动岸线长度占河流所在区域全部自然岸线长度的比例。

2.2.4A4工程经济性

A41工程造价经济性。从工程造价程度衡量，生态护岸工程与传统护岸工程的比值。

A42施工难易程度。从工程施工难易程度衡量，生态护岸工程与传统护岸工程的比值。

A43运维难易程度。从工程运行维护难易程度衡量，生态护岸工程运维的难易程度及整体维护频率。

2.2.5A5生态系统服务功能

A51生境恢复状况。与天然河岸带相比，工程区经过1～3 a后的植被恢复情况，目测200 m范围人工痕迹所占比例。

A52生物多样性。经过1～3 a恢复，工程区植物样方调查统计盖度大于5%的植物种类数量。

A53植物根系长度。经过1～3 a恢复，工程区植物样方调查优势种植物根系的平均长度，实际观测中可以简化为根系的长度。

A54植被覆盖率。经过1～3 a恢复，植被覆盖占工程区总面积的百分比，目测法或植物样方法测定。

A55河岸带横向连通性。通过调查工程区沿着河流横向梯度高度超过80 cm连续障碍物或中断次数判断。

A56外来入侵植物。通过查询中国外来入侵物种信息系统(IASC)，观测工程区得外来入侵植物种类及覆盖程度，采用植物样方法测定。

2.3 评分准则及指标权重的确定

本次研究采用专家打分法和层次分析法确定准则层和子准则层各指标的权重，首先通过专家打分法构造判断矩阵，计算判断矩阵的权重向量和最大特征根，最后通过一致性检验。内河航道生态护岸工程实施效果综合评估指标体系准则层和子准则层各指标权重分配、量化及评分标准见详见表1。

2.4 护岸工程生态符合性指数

基于层次分析法，通过建立护岸工程生态符合性指数(ecological compliance index of riverbank，ECIR)，从而实现内河航道生态护岸工程实施效果的定量综合评价，该指数计算公式为

ECIR=∑(ZBw·ZBs)

式中：ECIR为护岸工程生态符合性指数；ZBw为子准则层该指标的权重，ZBs为子准则层该指标的赋分。

依据所计算的护岸工程生态符合性指数(ECIR)分值按照以下评价准则判断内河航道生态护岸工程实施效果。当ECIR≥4分，评价等级为优，表示该种生态护岸生态符合性很高；当3分≤ECIR<4分，评价等级为良，表示该种生态护岸生态符合性较好；当2分≤ECIR<3分，评价等级为中；表示该种生态护岸生态符合性中等；当1分≤ECIR<2分，评价等级为较差；表示该种生态护岸生态符合性较差；当ECIR<1分，评价等级为差，表示该种生态护岸生态符合性差。对于大尺度范围的内河航道生态护岸工程实施效果评估，可以分段或按照不同的生态护岸类型分别计算护岸工程生态符合性指数进行综合评估。

3 综合评估

3.1 研究区域概况

长江南京以下12.5 m深水航道二期工程(以下简称“二期工程”)是中国“十二五”和“十三五”期间内河水运投资规模最大，技术和建设环境最复杂的重点工程，涉及河段全长227 km，重点整治福姜沙水道、口岸直水道、和畅洲水道和仪征水道，工程于2015年6月开工，2017年6月交工验收。以“二期工程”口岸直河段2017年5月建成的两种典型生态护岸工程，包括立体网状栅格护岸和格状石笼压载植生垫护岸，以及传统抛石护岸为案例(见图2)。这3种护岸均位于长江口岸直河段右岸同一区域，天然河岸带生境条件基本一致。立体网状栅格护岸(见图3(a))，其结构至下而上分别为土工布、竹片编制垫和立体网状构件，立体网状构件由外框构件和内十字构件两部分组成，外框构件尺寸550 mm×550 mm，内十字构件尺寸370 mm×370 mm，高250 mm，外框构件侧壁和内十字构件翼板开孔，其材质为陶粒混凝土，质量较轻便于施工，内外构件分别整体预制成形，现场拼装；格状石笼压载植生垫护岸(见图3(b))，其结构至下而上分别为覆土(掺芦苇根系)、三维快速植生垫和格状格宾石笼，格宾石笼肋中填充石料，肋高0.4 m，肋间距2.3 m；抛石护岸的结构采用块石(见图3(c))。

“二期工程”口岸直河段生态护岸实施效果评估于2018年秋季开展，通过查阅相关工程设计文件、咨询工程建设指挥部及现场调查，参照内河航道生态护岸工程综合评估指标体系和评分标准，对这两种生态护岸工程及抛石护岸工程的各分项指标进行评分，计算这3种护岸工程的ECIR并对工程实施效果进行综合评估。

3.2 生态护岸实施效果综合评估

3种护岸工程实施效果综合评估各分项指标的具体评分结果如下：

A11耐水流及船形波冲刷特性。根据2018年秋季现场调查，在工程完工和植被恢复1 a后，立体网状栅格护岸目测200 m范围内和格状石笼压载植垫护岸试验段结构均较为稳定，仅偶发少量侵蚀，该项均评为4分；抛石护岸随着沉积物的淤积，结构也较为稳定，该项评为4分。

A12便于植物生长及透水性。查阅生态护岸工程相关设计文件及现场调查发现，立体网状栅格护岸最下层为土工布和竹片编织垫，沉积物在立体网状构件间沉积，较有利于一年生浅根性草本植物根系的生长，该项评为4分；格状石笼压载植生垫护岸则不会影响植物根系的生长，该项评为5分；抛石护岸虽然透水性较好，但不利于植物根系的生长，该项评为1分。

表1 内河航道生态护岸工程实施效果综合评估指标权重及评分标准Tab.1 The weight and scoring criteria of comprehensive evaluation index for implementation effect on ecological bank in inland waterway

A21天然材料所占比例。查阅生态护岸工程相关设计文件，立体网状栅格护岸的栅格采用陶粒混凝土制作，护底采用土工布和竹片编制垫，天然材料质量占比在25%左右，该项评2分；格状石笼压载植生垫护岸采用覆土(掺芦苇根系)、三维快速植生垫和格状格宾石笼，天然材料质量占比在80%以上，该项评4分；抛石护岸材料块石，天然材料占比100%，该项评5分。

A22人工材料可自然降解性。查阅生态护岸工程相关设计文件，立体网状栅格护岸的人工合成材料土工布的自然降解周期为15 a左右，该项评3分；格状石笼压载植生垫护岸三维快速植生垫降解周期为15 a左右，该项评3分；抛石护岸全部为天然材料，该项评5分。

A31河道形态稳定性。查阅生态护岸工程相关设计文件及现场调查发现，这3种护岸工程所处长江口岸直河段，工程实施前后该段长江河道形态基本仍保持天然状态，该项均评5分。

A32水流形态多样性。查阅生态护岸工程相关设计文件及现场调查发现，立体网状栅格生态护岸和格状石笼压载植生垫护岸均为透水结构，不会对河道天然水流形态产生影响，还会在洪水期淹没线以下形成多样化的生境和水流形态，该均项评5分；抛石护岸虽然透水，但大量石块仍会对水流形态造成较小影响，该项评3分。

A33工程扰动比例。查阅生态护岸工程相关设计文件，这3种护岸工程占用岸线长度占长江口岸直河段全部自然岸线长度的比例远小于20%，该项评5分。

A41工程造价经济性。查阅生态护岸工程相关设计文件和咨询工程建设指挥部，立体网状栅格生态护岸、格状石笼压载植生垫护岸与传统抛石护岸相比，工程造价基本是传统抛石护岸的1.5～2倍，该项均评3分；抛石护岸工程，该项评5分。

A42施工难易程度。查阅生态护岸工程相关设计文件和咨询工程建设指挥部，立体网状栅格生态护岸需铺设土工布和竹片编制垫，提前预制陶粒混凝土构件，现场人工拼装，格状石笼压载植生垫护岸需现场铺设三维快速植生垫，编制钢丝格状石笼，施工工艺的难易程度与传统抛石护岸相比，基本是传统抛石护岸的1.5～2倍，该项均评3分；抛石护岸工程，该项评5分。

A43运维难易程度。通过咨询工程建设指挥部和现场调查，立体网状栅格护岸和格状石笼压载植生垫护岸运行在1 a后结构基本完好，仅需简单少量维护，该项均评3分；传统抛石护岸工程运行期基本不需维护，该项评5分。

A51生境恢复状况。根据现场调查，经过1 a多的植被恢复，立体网状栅格护岸人工痕迹显著，目测200 m范围仅少部分恢复为自然状态，该项评3分；格状石笼压载植生垫护岸植被恢复效果较好，基本恢复为自然状态，该项评5分；抛石护岸也仅少部分恢复为自然状态，该项评1分。

A52生物多样性。根据现场植物样方调查结果，立体网状栅格护岸工程区盖度大于5%的植物种类为8种，该项评4分；格状石笼压载植生垫护岸工程区植物种类为6种，该项评3分；抛石护岸工程区植物种类为6种，该项评3分。

A53植物根系长度。根据现场植物样方调查结果，立体网状栅格护岸工程区植物种类优势种多以一年生植物为主，主要为马兰(Kalimerisindica)，碎米芥(Cardaminehirsute)等，根系长度测量结果在30～50 cm，该项评4分；格状石笼压载植生垫护岸工程区植物种类优势种以多年生的芦苇(Phragmitesaustralis)为主，根系长度测量结果在50 cm以上，该项评5分；抛石护岸工程区植物种类优势种以一年生植物为主，主要为北水苦荬(Veronicaanagallis-aquatica)，碎米芥等，根系长度测量结果<5 cm，该项评1分。

A54植被覆盖率。根据现场植物样方调查结果，立体网状栅格护岸工程区植被覆盖率为30%～35%左右，该项评3分；格状石笼压载植生垫护岸工程区植被覆盖率为75%～80%左右，该项评5分；抛石护岸工程区植被覆盖率仅为5%～10%，该项评1分。

A55河岸带横向连通性。根据现场调查，立体网状栅格护岸工程区和格状石笼压载植生垫护岸均为开孔结构，无高度超过80 cm的连续障碍，该项评5分；抛石护岸工程区无连续障碍，该项评5分。

A56外来入侵植物。根据现场植物样方调查结果，并查询中国外来生物入侵物种信息系统(IASC)，这3种护岸工程区均未发现外来入侵植物种类，该项均评5分。

依据护岸工程生态符合性指数(ECIR)的计算方法及评价准则，分别计算二期工程口岸直河段立体网状栅格护岸、格状石笼压载植生垫护岸、抛石护岸这3种护岸工程的ECIR，并进行评价分级。结果表明，格状石笼压载植生垫护岸的ECIR为4.29，评价等级为优；立体网状栅格护岸的ECIR为3.91，评价等级为良；抛石护岸的ECIR为3.64，评价等级为良。因此，二期工程口岸直河段3种护岸工程实施效果的综合评价结果，格状石笼压载植生垫护岸的生态恢复效果最好，立体网状栅格护岸的生态恢复效果次之，抛石护岸的生态恢复效果相对较差。

4 讨 论

近些年来，长江等内河航道整治在实施中先后采用了混凝土网格、钢丝网石笼、土工格栅、连锁式生态砖、新型方形薄壁生态护岸、生态型鱼巢砖等一系列新型护岸护滩结构，在内河航道生态护岸的建设方面开展了有益的探索[25-26]。内河航道整治采用不同的生态护岸工程类型其实施效果和植被恢复具有明显的差异性。本次研究选取长江深水航道整治口岸直河段的立体网状栅格护岸、格状石笼压载植生垫护岸和传统抛凑石护岸，开展实施效果评估，结果表明，格状石笼压载植生垫护岸实施效果最好，立体网状栅格护岸次之，传统抛石护岸相对较差，这一研究结论与研究区3种护岸工程陆生植被恢复研究结果保持一致[27]。从ECIR各分项指标评分结果来看，立体网状栅格护岸和格状石笼压载植生垫护岸的工程经济性均为中等，格状石笼压载植生垫护岸其结构形式有利于沉积物的淤积和营养盐的积累，不会影响植物根系的生长，研究调查其竣工1 a后格宾内有10～15 cm的淤积，特别利于多年生植物芦苇的生长，植被恢复效果表明其具有良好的生态系统服务功能，立体网状栅格护岸最下层为土工布和竹片编织垫，沉积物在立体网状构件间沉积，虽在促淤方面有一定优势，但其结构形式较有利于一年生浅根性草本植物根系的生长，不利于多年生植物的生长，生态系统服务功能次之，传统抛石护岸因其不利于多年生植物根系的生长和植被恢复，生态系统服务功能则相对较差，但其全部为天然材料，在材料生态性和工程经济性方面具有显著优势。

5 结 论

(1) 本文基于层次分析法构建了内河航道生态护岸工程实施效果综合评估指标体系及各评价指标的量化及评分标准，通过计算ECIR，实现生态护岸工程实施效果的定量综合评价。

(2) 本研究选取“二期工程”口岸直河段的两种典型生态护岸，包括立体网状栅格护岸和格状石笼压载植生垫护岸，以及传统抛石护岸，参照内河航道生态护岸工程实施效果综合评估指标体系及评分标准，对这3种护岸工程的各分项指标进行评分，计算其ECIR。结果表明，格状石笼压载植生垫护岸实施及生态恢复效果最好，立体网状栅格护岸次之，传统抛石护岸相对较差。

(3) 研究结果表明内河航道生态护岸工程实施效果综合评估指标体系及护岸工程生态符合性指数(ECIR)可以很好地应用于于内河航道生态护岸工程实施效果的长期跟踪评估。但该指标体系部分中各指标和分项指标的具体内容、权重以及评分标准还需在未来应用实践中进一步完善和优化。