基于矩陣式方法的航道整治工程生態(tài)影響研究

劉懷湘 朱明成

摘要：在長江等重點航道的開發(fā)中，針對航道整治工程的生態(tài)影響研究的重要性與日俱增。本文采用了一種矩陣式方法，對生態(tài)影響進行了兩個維度的二元劃分，并按航道工程類型、棲息地環(huán)境因子的組合構(gòu)成了多要素影響矩陣;再基于環(huán)境因子影響分析的權(quán)重組合，進一步歸納工程各階段對各類水生生物的影響，從而有利于開展更為標準化的工程綜合對策研究。

關(guān)鍵詞：航道;整治工程;生態(tài)影響

中圖分類號：X826 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）03-000-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.005

The matrix style study on ecological effect of navigation channels regulation projects

Liu Huaixiang，Zhu Mingcheng

（Nanjing Hydraulic Research Institute， State Key Laboratory of Hydrology，Water Resources and Hydraulic Engineering Science，Nanjing Jiangsu 210029，China）

Abstract：Studies on ecological effect of navigation channels regulation projects became more important in Yangtze River exploitation. In this paper a matrix style method was adopted. Firstly， two dimensions of ecological effect were divided and the multi-elements matrix was formed according to combinations of different projects and aquatic habitat factors. Then the projects effects on aquatic organisms were further concluded based on weight analysis of factors. Finally， more standard studies on ecological strategies can be anticipated.

Key words：Navigation channel;Regulation projects;Ecological effect

長江航道流經(jīng)云南、四川、重慶、湖南、湖北、江西、安徽、江蘇、上海七省二市，連接了重慶、武漢、南京、上海等大型交通樞紐城市以及其他33 個中小城市，是我國唯一貫穿東、中、西部地區(qū)的水路運輸大動脈[1]。其中長江干線航道自云南水富至長江入海口計，全長2838 km。長江作為構(gòu)建長江經(jīng)濟帶綜合立體交通走廊的主骨架，在航運方面具有獨特優(yōu)勢和巨大發(fā)展?jié)摿Γ诹饔蚪?jīng)濟社會發(fā)展中的地位極其重要。隨著加快長江等內(nèi)河水運發(fā)展和長江經(jīng)濟帶發(fā)展等國家戰(zhàn)略的深入推進，加強長江航道治理已成為長江流域發(fā)展的重點工作。

根據(jù)長江航道歷年實施的航道整治工程來看，主要工程類型包括炸礁工程[2]、疏浚工程[3]、守護工程（含護灘、護底、護岸等相似性質(zhì)的工程）、筑壩工程（含不同高度、角度、相對位置的潛壩、順壩、丁壩等工程）。此外，在航道整治工程完工后的運行、維護階段，往往會帶來另一種間接的人類活動影響，即航運變化，一般包括航運船只噸位的提升和船只數(shù)量、頻次的增加。當(dāng)然，偶然也可能出現(xiàn)反向變化，即航運量的減小，一般出現(xiàn)在主航道線路調(diào)整的整治工程中，如分汊河道中采用其他汊道作為主航道。相比于其他“靜態(tài)”的工程，這種航運變化對生態(tài)環(huán)境的影響其實也是比較顯著的，是航道從天然河流向人工水道轉(zhuǎn)變的重要環(huán)節(jié)。且由于其一般不附屬于具體單一類別的航道整治工程，而是某一河段多種航道整治工程綜合作用的結(jié)果，常在一些同類生態(tài)研究中被忽視。故為全面分析起見，本次研究也將其作為一種工程類型看待。

除了工程中船只、器械等對生物體直接接觸所造成的破壞以外，航道工程對周邊河流生態(tài)的影響一般是通過改變生物棲息地而間接發(fā)生的[4]。隨著航道整治工程實施中、實施后，生物棲息地各種環(huán)境因子[5]的變化，使得棲息地內(nèi)原有適宜生存的生物可能無法適應(yīng)新的環(huán)境條件，從而死亡、遷徙或是被新物種替代等。

1 矩陣式研究方法概述

研究航道工程帶來的生態(tài)影響，首先需厘清工程對生物棲息地環(huán)境因子的改變作用。重要的基本環(huán)境因子一般包括水動力條件（流速、水深、紊流強度）、泥沙條件（含沙量、輸沙量、底質(zhì)）、水環(huán)境因子（水質(zhì)）等。

工程對生物棲息地環(huán)境因子的影響總體上可分為影響范圍與影響程度兩個維度，這種劃分相比于僅區(qū)分影響“大小”的一元式的劃分方式更為科學(xué)，即客觀上存在范圍廣但微弱的影響，或范圍集中但劇烈的影響?？梢员磉_為下面的矩陣形式：

式中，Eij為工程類型i對生物棲息地環(huán)境因子j的影響，ea，ij、eb，ij分別為其中的影響范圍與影響程度。

影響范圍中，可用“局部”表示工程影響僅限于施工區(qū)域或其周邊較小的距離內(nèi);“不定”則表示工程影響范圍取決于工程規(guī)模，一般較大的工程總量、單位時間內(nèi)的施工強度會顯著增大影響范圍。影響程度中，“較小”表示該工程應(yīng)存在一定影響，但實際對環(huán)境因子的作用并不明顯或后果不嚴重;“較大”表示工程影響較為嚴重;“中等”介于前兩者之間;“不定”表示工程影響程度同樣取決于工程規(guī)模。

基于以上不同類型航道工程對生物棲息地環(huán)境因子的影響范圍、影響程度的分析，可進一步歸納工程對各類水生生物的影響。同樣的，有

式中，Cik為工程類型i對生物類別k的影響，ca，ik、cb，ik分別為其中的影響范圍與影響程度，其計算可參考下式：

式中，tjk為生物棲息地環(huán)境因子j對生物類別k的權(quán)重因子。例如，對底棲生物較為重要的環(huán)境因子有底質(zhì)、水深等，對浮游生物較為重要的環(huán)境因子有含沙量等，對游泳生物較為重要的環(huán)境因子有流速、水深等。

2 航道整治工程對生境影響分析

2.1 航道工程施工階段

炸礁工程：工程施工對周邊水動力場的影響范圍較小，且由于持續(xù)時間非常短，故對流速、水深、紊流強度等環(huán)境因子的影響程度是較小的;炸礁時礁石碎片可能四處飛逸，但由于其顆粒粒徑較大，水中阻力也較大，碎片應(yīng)主要散布在工程區(qū)域周邊且迅速落淤，一些較近的細顆粒河床可能因震動而產(chǎn)生小范圍泥沙起懸，但因缺乏工程后續(xù)作用，懸浮時間也不會很長，故工程施工對含沙量的影響可能最多達到中等、而較短的懸浮時間對河段輸沙量的影響較小。由于原有巖性礁石的爆破，工程區(qū)域底質(zhì)的瞬間變化是較大的，原有底棲生物的棲息地突然部分消失。含沙量的增大短暫影響了水體的透明度，但礁石總體表面積小于細顆粒泥沙，其吸附的化學(xué)污染物質(zhì)應(yīng)較少，對水體其他水質(zhì)指標的影響不大。

疏浚工程：工程施工時間一般相對較長，但由于其一般采用船只順流拖曳的形式，對周邊水動力場的影響應(yīng)當(dāng)是局部且程度較小的，受疏浚的區(qū)域附近可能出現(xiàn)一定程度的紊流。與之相對的，疏浚工程的作業(yè)方式、工程量、疏浚位置都可能對施工期河道含沙量、輸沙量造成截然不同的影響。顯然，對底床的擾動越劇烈、疏浚總量越大、疏浚區(qū)水動力強度越大，河道含沙量、輸沙量的變化范圍與程度也越大。疏浚過程中底質(zhì)的變化也是較大的，劇烈的泥沙運動使得疏浚區(qū)底床的穩(wěn)定性受到極大削弱。疏浚工程施工期間河道水質(zhì)的變化很大程度來自于泥沙的起懸，使得水體透明度降低，細顆粒泥沙吸附污染物隨之的內(nèi)源釋放等，故也與工程規(guī)模有較大關(guān)系。

守護工程：護灘、護底、護岸等工程一般是補償性質(zhì)的，即減緩、保護原有侵蝕下切的河道單元，故一般對河床形態(tài)沒有大的改變，相應(yīng)的流速、水深、紊流強度在施工大部分時間內(nèi)變化程度或范圍應(yīng)較小，或僅出現(xiàn)短時間的大幅變化，拋投的施工方式總體上影響一般大于鋪排。對于含沙量、輸沙量與水質(zhì)，當(dāng)采用大范圍、長時間的施工方式時，是有可能造成較大影響的，此時由于施工船舶數(shù)量、頻次的增加，還可能存在人為的廢水、廢油等水質(zhì)問題。

筑壩工程：同樣采用拋投施工方式時，筑壩工程與守護工程對環(huán)境因子的影響是比較相近的。最大的不同在于，筑壩工程的施工在空間位置上一般更為集中，高度也可能更大，因此有可能在施工過程中就改變周邊的流場（特別是流速）、減小壩體區(qū)的水深等?？傮w上往往造成比守護工程更大程度的影響（但范圍未必更大）。

基于以上分析及式（1）可得到表1、表2。

2.2 航道工程維護階段

在航道工程維護階段，分析結(jié)果可同樣歸納如下表所示。

3 航道整治工程對水生物影響分析

3.1 航道工程施工階段

基于表1、2及式（2）、（3）可得到表5、6。

炸礁工程：工程施工時，對于影響范圍內(nèi)的絕大部分生物基本上都是毀滅性的，故影響程度都較大;對于稍遠范圍的生物，也可能令其致傷，不過總體上影響范圍有限。

疏浚工程：如前所述，疏浚工程施工時除影響局部疏浚區(qū)的底質(zhì)從而破壞底棲生物棲息地外，還可能影響大范圍的含沙量、輸沙量等泥沙條件。對此，將影響浮游生物與水生植被的光合作用，對于部分脆弱的物種可能致死，含沙量的升高會影響范圍內(nèi)的游泳生物呼吸，甚至威脅仔魚的生存。

守護工程：與疏浚工程類似，工程施工直接破壞工程區(qū)局部底棲生物棲息地，并可能造成一定范圍內(nèi)的懸沙濃度升高而影響相關(guān)生物。對于一般的守護工程而言，后者比疏浚工程影響要小。

筑壩工程：施工期對底棲生物棲息地的破壞和工程懸沙濃度的升高與守護工程基本一致。

3.2 航道工程維護階段

在航道工程維護階段，同樣可得到結(jié)果如下表所示。

4 結(jié)論

本文對航道工程生態(tài)影響進行了更為準確的“范圍”與“程度”兩個維度的二元劃分。按航道工程類型（炸礁、疏浚、守護、筑壩）、主要生物棲息地環(huán)境因子（流速、水深、紊流強度、含沙量、底質(zhì)、水質(zhì)等）的組合構(gòu)成了多要素影響矩陣?；诃h(huán)境因子影響分析的權(quán)重組合，進一步歸納出了工程各階段（以施工、維護階段為例）對各類水生生物的影響。

在此基礎(chǔ)上，未來再結(jié)合各種水生生物的重要性、開展保護的可能性與成本（如炸礁工程中爆破范圍內(nèi)生物幾乎不可能保護），可歸納總結(jié)出航道工程生態(tài)保護與建設(shè)的一般性對策。比如，影響程度為“較大”的工程-生物組合項應(yīng)盡量預(yù)先進行其影響范圍內(nèi)的定量影響分析與方案優(yōu)化、開展工程后的生態(tài)修復(fù)等，影響程度為“不定”的工程-生物組合項，應(yīng)開展影響程度定性分析、定量計算（影響范圍確定時）或仿真模擬（影響范圍不定時），根據(jù)影響范圍與程度制定相應(yīng)的生態(tài)保護與恢復(fù)策略。

參考文獻

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[3]謝孝如.新常態(tài)下長江航道綠色疏浚發(fā)展狀況研究[J].中國水運，2019（6）：15-17.

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[5]馬巍，彭靜，彭文啟，等.河流棲息地適合度曲線與分級評價標準研究[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2016，14（1）：23-28.

收稿日期：2020-01-19

基金項目：本文受國家重點研發(fā)計劃資助（2016YFC0402102）。

作者簡介：劉懷湘，男，漢族，研究方向為水利水運工程生態(tài)環(huán)境影響評估。