陳振武，嚴 軍，蔡顯赫，周祖昊

（1.華北水利水電大學，鄭州 450046；2.中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038）

長江干線航道上起云南省水富市，下至長江口，全長2838 km，是我國內河唯一貫穿東、中、西部地區(qū)的水運大通道，在國民經(jīng)濟和區(qū)域發(fā)展總體格局中具有重要戰(zhàn)略地位［1］.多年來，為促進長江水運經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國在長江干線航道先后開展了系列整治工程，航道通航條件得到全面改善，極大地提高了貨運能力和效率.然而在過去較長一段時間內，航道整治工程多注重航道條件的改善而較少顧及相應工程的生態(tài)影響，因此在一定程度上加劇了河流生態(tài)環(huán)境的惡化程度.研究表明，丁壩、鎖壩、順壩等筑壩工程會改變河流岸灘形態(tài)，導致魚類及底棲生物生境喪失［2］；護岸、護灘、護底等守護工程大量使用混凝土、漿砌石等硬質材料，覆蓋了岸坡植被生長地，阻隔了沿岸水體與岸坡土體之間的有機聯(lián)系，造成水體自凈能力降低，同時原有植被形成的水生生物棲息地和產黏性卵魚類的產卵場消失［3-4］；疏浚和炸礁工程往往改變河流局部水文水動力特性，使得魚類“三場”及洄游通道遭到破壞，而施工時產生的大量懸浮物也會導致局部水質惡化，影響魚類及浮游生物生存［5］.在長江生態(tài)環(huán)境形勢日益嚴峻的背景下，航道整治工程給河流帶來的不利影響更加受到人們關注，如何平衡好航道建設和生態(tài)保護之間的關系，從而促進長江航運的可持續(xù)發(fā)展，成為亟須解決的問題.

黨的十八大將“建設社會主義生態(tài)文明”寫入黨章，凸顯生態(tài)文明建設的重要戰(zhàn)略地位及其緊迫性.此后，中共中央、國務院就長江航運的可持續(xù)發(fā)展多次作出重要指示并出臺相關指導文件，提出依托黃金水道推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展的重大戰(zhàn)略，并且明確長江航運應走“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”之路，要把修復長江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置［6］.在此背景下，長江航運迎來了新的重大發(fā)展機遇，而航道生態(tài)化建設也成為眾多研究者關注的重要課題.本文深入探析了生態(tài)航道概念、生態(tài)目標、任務等基本問題，梳理了近年來長江航道整治采取的主要生態(tài)技術，并就亟須進行的相關研究與實踐進行展望，旨在為更好地推動長江及其他內河生態(tài)航道建設提供借鑒.

1 生態(tài)航道基本問題研究

1.1 概念

國外對于生態(tài)航道的關注起源于現(xiàn)代硬質護岸對河流生態(tài)系統(tǒng)造成的影響.20世紀40年代，德國學者提出“近自然河溪整治”的概念，隨后在50年代德國又創(chuàng)立“近自然河道治理工程學”，并將其用于指導萊茵河生態(tài)護岸實踐.而后，歐美國家以及日本等國基于生態(tài)理念紛紛對本國河流進行修復和治理，并促進這一研究領域的長足發(fā)展［7］.盡管國外研究人員在河流生態(tài)治理研究方面已經(jīng)取得系列成果，但關于生態(tài)航道相關概念很少有明確闡述.在我國，何謂“生態(tài)航道”目前也尚無定論.2010年，許鵬山等［8］提出甘肅省生態(tài)航道建設初步設想，并對其概念進行了闡述，即將自然生態(tài)與航道建設協(xié)調統(tǒng)一，尋求兩者之間的客觀聯(lián)系，以維持可持續(xù)發(fā)展的軌道.劉欣怡［9］認為生態(tài)航道建設是將傳統(tǒng)航道的通航功能與水生態(tài)系統(tǒng)相結合，使其既能發(fā)揮安全、便捷、暢通、高效的水運通航基礎功能，又具有合理平衡的生態(tài)系統(tǒng)結構，穩(wěn)定的自我調節(jié)恢復能力以及令人賞心悅目的整體景觀效果.薛智博［10］指出生態(tài)航道就是維持河流原有自然狀態(tài)，并且能夠滿足通航需要的河道.倪晉仁在《長江中游荊江河段生態(tài)航道建設關鍵技術研究》中對生態(tài)航道的定義是：滿足河流航運功能，兼顧與河流其他功能（如供水、自凈、景觀、生態(tài)、發(fā)電等）協(xié)調，在不同階段自我調整，實現(xiàn)河流生態(tài)系統(tǒng)自然良性循環(huán)的航道［11-12］.

以上學者就“生態(tài)航道”概念提出了各自見解，可以明確：生態(tài)航道建設摒棄了傳統(tǒng)航道建設與生態(tài)保護之間對立的觀念，而將兩者統(tǒng)一起來，在航道建設與生態(tài)保護之間尋找平衡點.但有關表述更多地強調的是在航道整治過程中融入生態(tài)理念和采取相應保護措施以維系河流生態(tài)系統(tǒng)組成、結構和功能.事實上，建設生態(tài)航道需要在航道規(guī)劃、建設、運行、管理、養(yǎng)護等各個環(huán)節(jié)都考慮生態(tài)因素，使其既滿足航運及其發(fā)展的需要，又兼顧河流生態(tài)健康.此外，根據(jù)“生態(tài)”一詞的含義，“生態(tài)”還可表示“顯露美好的姿態(tài)、生動的意態(tài)”，因此，在滿足航道基本功能及實現(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)保護的同時，有必要融入景觀學原理以盡可能豐富沿線自然風景，實現(xiàn)航運、生態(tài)、景觀的和諧統(tǒng)一與融合發(fā)展.

1.2 生態(tài)目標

造成河流生態(tài)系統(tǒng)破壞的因素多樣，如水利工程建設、航道開發(fā)、生產和生活污水亂排亂放、水生生物過度捕撈、水資源不合理利用等，在迫切保護和修復河流生態(tài)系統(tǒng)的當下，至少在航道開發(fā)過程中要盡可能減小其生態(tài)影響，以維系生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展.近年來，在黨中央高度關切和推動下，長江流域水環(huán)境質量持續(xù)改善，干流水質穩(wěn)定維持在優(yōu)良水平，但水生態(tài)保護形勢依然嚴峻且迫切，眾多水生生物瀕臨滅絕（表1）.建設生態(tài)航道需要實現(xiàn)如下幾方面目標：①保護和改善水環(huán)境質量，其中包括飲用水取水口、水源保護區(qū)及濕地等生態(tài)保護紅線區(qū)；②保護瀕危物種、珍稀特有物種和重要經(jīng)濟物種及其適宜生境，其中包括水生生物自然保護區(qū)、水產種質資源保護區(qū)（表2）、魚類“三場”（產卵場、索餌場和越冬場）及魚類洄游通道等；③干流岸線資源得到合理、有序利用；④沿線自然景觀進一步豐富.

表1 長江流域水生保護動物現(xiàn)狀Tab.1 Current status of aquatic protected animals in the Yangtze River basin

表2 長江干線航道自然保護區(qū)、水產種質資源保護區(qū)分布情況Tab.2 Distribution of nature reserves and the aquatic germplasm resource reserves in the Yangtze River main channel

1.3 任務

基于以上表述，生態(tài)航道建設應重點做好如下幾方面工作：

1）減小船舶運行生態(tài)影響.一是淘汰老舊、污染大的船舶，大力研發(fā)、推廣采用新能源、清潔能源（如液化天然氣、太陽能、生物質能、電能等）提供動力的船舶；二是通過優(yōu)化船型、創(chuàng)新設計生態(tài)型船舶等手段，減小船行波對河道岸坡的侵蝕、航行噪聲、船舶漏油及旋槳對魚類的損傷等；三是加強運輸物管理，減少甚至禁止有毒、有害、污染大物質上船，以防止可能出現(xiàn)的生態(tài)安全事故.

2）遵循生態(tài)友好、經(jīng)濟實用等原則，研發(fā)新材料，創(chuàng)新施工技術、工藝，實現(xiàn)整治工程的生態(tài)化，最大程度落實生態(tài)保護目標.同時，施工時應盡量避開魚類保護區(qū)、魚類產卵繁殖期（4—6月份）、索餌育肥期（5—7月份）及重要物種活動高峰期（5—9月份），嚴控施工范圍，以減小施工給魚類帶來的不利影響.

3）基于生態(tài)學、景觀學原理，結合周邊自然環(huán)境，盡可能實現(xiàn)生態(tài)整治工程（如生態(tài)護岸、護灘）的良好景觀效果；同時，維護好工程所在地原有自然景觀.自然景觀的豐富不僅有助于緩解長途行船人員的視覺疲勞、愉悅船員心情，還能進一步推動長江生態(tài)旅游業(yè)的發(fā)展.

4）完善生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，做好生態(tài)監(jiān)測工作.利用信息技術（如遙感衛(wèi)星、監(jiān)控攝像系統(tǒng)、傳感器等）獲取河流生態(tài)實時數(shù)據(jù)，其中包括水文、水質相關數(shù)據(jù)、重要物種活動區(qū)域、生存狀況、種群規(guī)模等，建立數(shù)據(jù)存儲、處理、應用綜合管理平臺，為生態(tài)保護、修復及生態(tài)工程效果評價提供依據(jù).

5）健全生態(tài)應急管理體系.一方面要提升航運信息化水平，減少航行事故發(fā)生頻率；另一方面要加強船舶運行監(jiān)控，及時、快速應對因航運交通事故、運輸物泄漏、船舶擱淺而造成的生態(tài)事故，最大程度減少進而彌補生態(tài)損失.此外，生態(tài)應急管理還應包括及時、有效救助因工程建設和航運而損傷的重要保護魚類.

6）通過教育培訓、海報宣傳、發(fā)放環(huán)保手冊等增強施工人員生態(tài)保護意識，規(guī)范施工人員行為、施工作業(yè)流程和施工場地占用等.

2 長江干線生態(tài)航道建設技術及其應用

目前，長江干線生態(tài)航道建設采用的主要生態(tài)技術有生態(tài)護岸、生態(tài)護灘、生態(tài)壩體和人工魚巢等.

1）生態(tài)護岸.利用自然或人工材料對河岸進行加固、支撐和防護的守護工程，既能滿足護岸基本功能（如防洪、排澇、引水、航運），又兼具自然護岸的生態(tài)性、景觀性、滲透性和硬質護岸的結構穩(wěn)定性［13］.生態(tài)護岸形式多樣，關于其分類目前尚未統(tǒng)一.不同的護岸形式適用于不同的工程需要和岸坡環(huán)境.目前，長江中下游整治工程中已有相當一部分河段采用鋼絲網(wǎng)石籠墊、三維土工網(wǎng)墊、聯(lián)鎖式生態(tài)磚、鋼絲網(wǎng)石籠擋土墻［14］、格狀石籠壓載植生墊結構、生態(tài)立體網(wǎng)狀護岸結構［15］、生態(tài)型魚槽磚［16］和生態(tài)植草等護岸結構，其中應用最廣泛的是鋼絲網(wǎng)石籠墊（圖1），該結構外部采用雙絞合六邊形鍍鋅鋼絲網(wǎng)編制成籠，內部用石料填充，不僅具有耐腐蝕、強度高、適應性強、透水性和抗沖性好等特性，還能促進泥沙落淤，有利植被生長，而生長后的植被可成為產黏性卵魚類的產卵基質.

2）生態(tài)護灘.為防止塌灘而在灘岸線上做的工程，同時滿足生態(tài)、自然、景觀等需求.長江南京以下狼山沙、白茆沙高灘上蘆葦生長茂盛，為留住這片綠色，在兩地分別采用大網(wǎng)格土工格柵+拼接咬合型十字塊壓護結構、隔室模袋混凝土護坡+混凝土連鎖塊軟體排護底對其進行保護［15］，不僅保護了原有植被的生長，還起到了良好的生態(tài)修復作用.加筋三維鋼絲網(wǎng)墊［17］是一種高效促淤護灘結構，具有適應性強、強度高、整體性好、利于植物生長等優(yōu)點，現(xiàn)已應用于安慶航道整治工程中.在中游荊江航道邊灘護灘工程中，一種新型的結構——仿生水草墊［18］得到應用，該結構以聚丙烯細絲作為柔性材料，通過一定的工藝手段制作而成.結構應用后，其上下游流速均有所減緩，促進了守護區(qū)域的整體淤積，取得了良好的工程效果.同樣應用于荊江航道護灘工程的還有四面體透水框架（圖2），該結構不僅具有良好的減速促淤效果，還能營造魚類喜好的水流紊動強度、流場［19］，因此該結構也被設計成“人工魚礁”而廣泛應用.

圖1 鋼絲網(wǎng)石籠墊現(xiàn)場布置形式Fig.1 Field layout of steel wire mesh cage cushion

圖2 荊江航道整治工程中四面體透水框架現(xiàn)場布置形式Fig.2 Field layout of tetrahedron permeable frame in Jingjiang waterway regulation project

3）生態(tài)壩體.天津水運工程科學研究所、南京水利科學研究院等科研院所提出了多種生態(tài)型丁壩，此類丁壩具有若干透水結構，不僅具有傳統(tǒng)丁壩同樣的整治效果，而且還能營造多種水流形態(tài)，可為魚類提供適宜生境以及滿足其他水生生物的吸附和生存.如長江南京以下12.5 m深水航道二期工程布置了總長為250 m的生態(tài)丁壩，該結構采用15%開孔率梯形空心堤身結構，可改變工程區(qū)域上升流、背渦流流場結構，從而營造有利于魚類索餌、產卵和避難的水流環(huán)境，同時其結構本身也能成為眾多水生生物的棲息地.總體來看，目前長江干線航道整治工程中生態(tài)壩體應用較少，多為不透水壩體，建議進一步研究并推廣應用.

4）人工魚巢.針對產黏性卵魚類特性，在保護區(qū)淺水區(qū)等水流較緩區(qū)域投放人工魚巢，為其創(chuàng)造有利的產卵繁殖條件.人工魚巢由浮動框架和魚卵附著基質組成，浮動框架一般采用毛竹和鋼絲搭建而成，并通過錨樁固定于一定水域，可適應水位漲落；附著基質多選用聚乙烯網(wǎng)片、棕櫚皮等材料，捆扎后通過細繩系與竹框下方.一種人工魚巢現(xiàn)場布置形式如圖3所示.

近年來部分航道整治工程中生態(tài)工程實施情況如表3所示.

圖3 一種人工魚巢現(xiàn)場布置形式Fig.3 An artificial fish nest site layout

表3 近年來部分航道整治工程中生態(tài)工程實施情況Tab.3 Ecological engineering implementation in some waterway regulation projects in recent years

3 結論與展望

在我國“五位一體”總體布局和要求下，傳統(tǒng)的航道建設方式已不再適應經(jīng)濟社會的發(fā)展，內河航道走“生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展”之路已成為航道發(fā)展的必然要求.生態(tài)航道建設要求平衡好航道開發(fā)與生態(tài)保護之間關系，在航道規(guī)劃、建設、管理、養(yǎng)護等各個環(huán)節(jié)都考慮生態(tài)因素，從而實現(xiàn)航運與生態(tài)的和諧發(fā)展.目前，長江干線生態(tài)航道建設已經(jīng)取得一定技術成果，但由于相關研究起步較晚，現(xiàn)多處于探索和試驗階段.生態(tài)航道建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，既涉及生態(tài)學、景觀學、材料學、動植物學、航道工程學等多個學科，又涉及交通運輸部、生態(tài)環(huán)境部、農業(yè)農村部、水利部等多個部門，建議建立多學科交流、多部門聯(lián)合決策、管理平臺.此外，就理論研究和工程實踐而言，未來還應在以下幾方面展開深入探究.

1）完善生態(tài)航道評價體系.評價體系是檢驗通過工程手段、非工程手段（如調整運輸結構、提升服務質量、創(chuàng)新建管理念、出臺法律法規(guī)等）產生效益的衡量標準，包括指標體系構建、指標權重賦予、標準等級劃分、建模計算等內容［20］，現(xiàn)有的評價體系主要衡量基于工程手段的航道改善情況，而未將非工程手段及其效益納入其中，因此未來需進一步研究并確定.

2）生態(tài)護岸、護灘工程在多種因素作用下的受損機理及相應改進技術研究.現(xiàn)有的生態(tài)護岸、護灘結構由于多采用新技術、新材料、新工藝制造而成，且應用時間較短，人們對其受損機理認識不足.造成結構受損的因素多種多樣，外在因素包括水位漲落、水流沖刷、河床演變、岸坡變形、徑流侵蝕、船行波等；內在因素包括材料老化、變形等，且受損往往是在多種因素共同作用下完成.各因素的受損機理研究可通過物理模型試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測及長期監(jiān)測等手段進行，重點探究發(fā)生頻率高、作用時間長的主要因素，按照先單一因素后組合因素的探究順序開展相關研究.基于受損機理研究成果，有針對性地開展改進技術研究，如結構和布置形式優(yōu)化、材料和工藝創(chuàng)新等.

3）生態(tài)效益定量評價體系研究.對工程產生生態(tài)效益進行定量評價有助于優(yōu)化和更好地選擇工程措施，從而提高河流整體生態(tài)服務水平.現(xiàn)階段針對生態(tài)工程效益的評價多為定性分析，已有的相關研究也多局限于量化截留地表徑流污染及凈化水質效果［7、21］，缺乏如改善小氣候、維護物種多樣性、增加種群數(shù)量、提高水流豐富度、減速促淤效果等方面的量化評價，而這些都直接體現(xiàn)工程產生的生態(tài)效益.應深入探究各類生態(tài)工程對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響機理和過程，在此基礎上，構建指標完整、賦權客觀、等級合理的評價體系.

4）已有生態(tài)工程現(xiàn)狀調查和可持續(xù)利用機制研究.生態(tài)護岸、護灘、壩體的運行效果往往需要通過長期監(jiān)測才能做出合理判斷，而實際中有相當數(shù)量的生態(tài)工程自建設后便缺少應有的管理、維護和運行監(jiān)測，導致其不僅難以持續(xù)有效發(fā)揮生態(tài)作用，而且缺失相應工程對生態(tài)系統(tǒng)影響過程的認識.一是要通過走訪臨河、臨江居民、現(xiàn)場觀察、詢問有關部門等方式廣泛開展已有生態(tài)工程現(xiàn)狀調查，記錄工程細節(jié)、運行情況、演變過程，分析受損原因，初步形成對各類工程措施的基本認識，以避免在往后的規(guī)劃、建設中走彎路和浪費；二是要從建而不管轉變?yōu)榻ü芙Y合，設置管理、維護、監(jiān)測專項資金和專門崗位，探索有公眾參與的生態(tài)工程可持續(xù)利用機制.

5）流域尺度的生態(tài)設計.進行流域尺度的生態(tài)設計有利于提高流域生態(tài)系統(tǒng)整體性、穩(wěn)定性.要加強航道各段、河流與周邊環(huán)境的生態(tài)聯(lián)系，避免將復雜的生態(tài)系統(tǒng)簡單割裂，造成流域生態(tài)系統(tǒng)的碎片化.