長江生態(tài)航道技術(shù)研究進展與展望

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(1.長江航道局，湖北 武漢 430010； 2.國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430040； 3.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430040)

1 研究背景

長江干線航道自云南省水富縣起至長江口50號燈船，全長2 838 km，是唯一橫貫我國東、中、西部地區(qū)的水運主通道，也是世界上運量最大、運輸最繁忙的天然航道。依托黃金水道推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展，打造沿江綠色生態(tài)廊道和綜合立體交通走廊，為中國經(jīng)濟增長創(chuàng)造新的支撐，長江航道在其中扮演了至關(guān)重要的角色。長江自然條件復(fù)雜，其上、中、下游及河口段的河道特性差異性很大，導(dǎo)致航道條件也各不相同，水位、水深、流速、泥沙等要素變動頻繁，通航環(huán)境十分復(fù)雜[1]，具有制約因素多、治理難度大的特點。針對長江航道的礙航問題，特別是三峽蓄水后的新變化與新問題，“九五”以來相關(guān)部門對長江干線航道進行了大規(guī)模整治。經(jīng)過20余年的航道整治建設(shè)，長江干線航道全部建成Ⅲ級以上高等級航道，主要礙航問題得到解決，通過能力與貨運量實現(xiàn)大幅度提升，達到世界領(lǐng)先水平。

但是傳統(tǒng)的炸礁、疏浚、筑壩、守護等航道整治工程對河流生態(tài)有一定影響[2-3]。炸礁與疏浚工程會擾動河床底質(zhì)和水體，產(chǎn)生懸浮顆粒物，影響水生生物的棲息空間；筑壩與守護工程改變水體天然流態(tài)和河床基質(zhì)，破壞魚類的索餌肥育及繁殖場所，干擾植物生長[4-5]。而且以往的航道治理還大量采用硬化覆蓋的方式，增加了河床不透水面積，不僅切斷了水體中的生物鏈，還對微生物的生存環(huán)境和生存空間造成毀滅性破壞，破壞生態(tài)平衡，使河流的自我凈化能力顯著降低。黨的十九大報告將建設(shè)生態(tài)文明納入了中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計，提出流域經(jīng)濟發(fā)展要把生態(tài)保護擺在壓倒性位置。在此背景下，長江航道建設(shè)在流域生態(tài)恢復(fù)與保護方面的壓力與日俱增，生態(tài)航道建設(shè)將是長江航道建設(shè)的重點發(fā)展方向。因此，對長江生態(tài)航道技術(shù)進行系統(tǒng)梳理和研究十分重要。

2 生態(tài)航道的概念

生態(tài)航道是在生態(tài)學(xué)、水生態(tài)學(xué)及相關(guān)學(xué)科研究的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，歐美國家關(guān)于生態(tài)航道的研究與應(yīng)用較早。1965年德國就開始采用種植植被的方式對萊茵河進行生態(tài)護岸[6]，1983年，德國學(xué)者Seifert[7]提出一種考慮構(gòu)建自然景觀的河流治理理念，稱為“近自然河溪整治”(Near Natural Torrent Control)，在這一理念引導(dǎo)下，萊茵河在航道整治中開始采用無混凝土或混凝土和植被相結(jié)合的護坡材料與結(jié)構(gòu)。實踐表明，這種護坡方式不僅能滿足河道整治需求，還能帶來較高的生態(tài)景觀價值，同時也減少了后期的維護修繕費用[8]。20世紀90年代初，美國科學(xué)家將天然植物和人工材料相結(jié)合應(yīng)用到土木工程當(dāng)中，提出了生態(tài)護坡的概念[9-11]。從2001年開始，美國密西西比河管理單位在多個航道整治工程中建造了一種特殊的“V”型壩結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅能滿足深化航道和減少疏浚的需求，還能提高河流物理水生生物棲息地的多樣性。研究表明，圣路易斯港河段建造的“V”型壩顯著增加了魚類的越冬棲息地、淺水棲息地和物理水生生境多樣性[12]。日本學(xué)者在20世紀末提出了生態(tài)河堤理念，針對其國內(nèi)中小河流為主的特點，發(fā)展形成了自然型、半自然型和人工型3類生態(tài)護岸技術(shù)，在工程中大量采用自然植被、石材和木料構(gòu)建河堤, 有效促進了地下水的滲透和水的良性循環(huán)，提高了水邊環(huán)境的自然凈化功能[13-14]。

我國水生態(tài)治理及生態(tài)航道發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：① 上個世紀八十年代以前，河流的環(huán)境管理主要是依靠監(jiān)測河流的物理和化學(xué)水質(zhì)指標，這種不考慮水文指標和生物指標的環(huán)境理念，并不適用于河流生態(tài)系統(tǒng)的管理[15]；② 2005年左右，基于“河流健康”評價的河流生態(tài)管理在我國開始流行，“河流健康”[16]既包含了河流的生態(tài)功能健康，也包括了河流的水利、航運、防洪等社會功能完整性，但河流的航道功能并非該方法的重點內(nèi)容，長江水利委員會建立的健康長江評價體系[17]便是代表之一；③ 到2008年，專門針對我國內(nèi)河航道生態(tài)建設(shè)與保護的理念開始形成，“生態(tài)航道”的概念被正式提出。國內(nèi)學(xué)者對生態(tài)航道也開展了大量研究。董哲仁從用水需求和生態(tài)系統(tǒng)的完整性出發(fā)，將水工學(xué)和水生態(tài)學(xué)相結(jié)合，提出了“生態(tài)水工學(xué)”(Eco-Hydraulic Engineering)的概念[18]；長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院初步提出了長江生態(tài)航道基本定義和科學(xué)內(nèi)涵[19]；倪晉仁等綜合航運功能、生態(tài)功能和河流其他社會服務(wù)功能的相互關(guān)系，初步建立了生態(tài)航道理論框架[20]；我國在西江航道也開展了一系列生態(tài)航道研究，在生態(tài)疏浚施工方面提出了一套完善的施工過程控制措施，并在工程實踐當(dāng)中取得了較好效果[21]。

通過歸納總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)航道的相關(guān)研究，可以看出生態(tài)航道在暢通安全的基礎(chǔ)上具有綠色低碳、和諧生境、生態(tài)文化等內(nèi)涵。生態(tài)航道通過協(xié)調(diào)河流的航道功能、生態(tài)功能以及其他社會服務(wù)功能的關(guān)系，維護生物多樣性，可實現(xiàn)生態(tài)服務(wù)效益的最大化，保障河流生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)性，在保障通航能力的同時也產(chǎn)生良好的生態(tài)效益。但是國外基本無大型護灘、護底的工程，缺少大江大河的生態(tài)航道整治經(jīng)驗。因此，我國長江生態(tài)航道建設(shè)要充分考慮自身特點和需求，發(fā)展能適應(yīng)綠色發(fā)展要求的生態(tài)航道技術(shù)。

3 長江生態(tài)航道技術(shù)進展與實踐

長江生態(tài)航道技術(shù)發(fā)展迅速，在生態(tài)航道架構(gòu)與評價體系、生態(tài)航道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)、航道生態(tài)監(jiān)測與修復(fù)技術(shù)、航道建、管、養(yǎng)生態(tài)理念等方面取得了一系列技術(shù)成果。在全面推進生態(tài)文明建設(shè)的新形勢下，長江干線航道整治工程堅持以“生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展”為導(dǎo)向，堅持在工程實踐中優(yōu)先使用生態(tài)航道技術(shù)。在荊江一期航道整治工程、長江南京以下12.5 m深水航道工程和武漢至安慶段航道工程等大型整治工程中，采用了大量新型生態(tài)環(huán)保材料和結(jié)構(gòu)、環(huán)保施工技術(shù)、生境營造和環(huán)境修復(fù)等生態(tài)技術(shù)，實現(xiàn)了社會效益與生態(tài)效益相統(tǒng)一[22]。

3.1 長江生態(tài)航道技術(shù)進展

3.1.1建立了生態(tài)航道理論框架與評價體系

依托國家重點研發(fā)項目，建立了長江生態(tài)航道的架構(gòu)與評價體系[23-25]。生態(tài)航道的理論框架包括空間、過程和功能3方面的內(nèi)容。在空間上，航道-河道-河流-流域形成了一個緊密的整體，生態(tài)航道評價的研究對象不能局限于狹義的航道本身，而應(yīng)關(guān)注具有航運功能的河流生態(tài)系統(tǒng)健康水平；在過程上，航運功能提升對生態(tài)功能的影響是按照通量-生境-生物-生態(tài)的過程產(chǎn)生的，航道整治工程主要通過影響生境來影響生物和生態(tài)狀況；在功能上，航運功能與發(fā)電、輸水泄洪、輸沙、供水、自凈、生態(tài)、景觀娛樂等功能之間是相互聯(lián)系、相互影響、相互制約的，任何一項功能的衰退都可能導(dǎo)致整個河流生態(tài)系統(tǒng)的失衡[26]。生態(tài)航道研究需要將航運功能置于整個河流生態(tài)系統(tǒng)中，關(guān)注航運功能與河流其它諸功能兩兩之間的關(guān)系，尤其是與生態(tài)功能的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出了生態(tài)航道的概念：“在航道設(shè)計、建設(shè)、維護過程中，除滿足高效、安全的航道航運功能外，還能夠科學(xué)地協(xié)調(diào)河流其他功能，并能夠促進河流系統(tǒng)健康和可持續(xù)發(fā)展，避免對生態(tài)系統(tǒng)的破壞，采用生態(tài)環(huán)境友好型航道整治技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)?！?/p>

基于生態(tài)航道的理論認識，針對長江干線不同河段河流系統(tǒng)功能，建立了生態(tài)航道評價方法體系。評價對象包括上游卵石段(宜賓-重慶)、中游強沖刷段(宜昌-城陵磯)、下游多分汊段(武漢-南京)，以及河口徑潮流段(南京-瀏河口)4個典型河段。結(jié)合長江各河段自身的區(qū)域功能特點，將表征河流健康的指標歸結(jié)為航運、輸水泄洪、輸沙、發(fā)電、供水、自凈、生態(tài)、景觀娛樂等指標，建立了針對4個河段的評價指標體系，對河段系統(tǒng)功能進行分析，提出各指標量化方法、評價標準閾值確定方法和指標權(quán)重確定方法，構(gòu)建了評價模型并進行評價。

3.1.2研發(fā)了一系列生態(tài)航道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

在長江生態(tài)航道建設(shè)中應(yīng)用較多的技術(shù)包括新型生態(tài)整治結(jié)構(gòu)和環(huán)保施工技術(shù)等。和傳統(tǒng)的整治結(jié)構(gòu)相比，新型生態(tài)整治結(jié)構(gòu)一般具有良好的透水性或較大的空隙率，有的還具有一定的生境營造功能，有效避免了傳統(tǒng)整治結(jié)構(gòu)硬化河床、阻礙物質(zhì)交換、破環(huán)生物生境的弊端。生態(tài)結(jié)構(gòu)主要包含3類：① 適用性強且應(yīng)用范圍廣的結(jié)構(gòu)[27]，包括鋼絲網(wǎng)石籠墊、連鎖式護坡磚、四面六邊透水框架[28-29]等結(jié)構(gòu)；② 專門針對航道整治建筑物局部水沙特性，具有透水透沙、促進淤積的航道整治建筑物新結(jié)構(gòu)，如可控式促淤網(wǎng)箱、仿生水草墊、勾連式透水框架等新結(jié)構(gòu)[30]；③ 基于河床水生生境、岸灘植被生長與航道整治工程的響應(yīng)關(guān)系，研發(fā)的新型生態(tài)壓載型結(jié)構(gòu)、植入型生態(tài)固灘結(jié)構(gòu)、植生型鋼絲網(wǎng)格護坡結(jié)構(gòu)[31]及魚巢磚[32]。

環(huán)保施工技術(shù)主要體現(xiàn)在疏浚和清礁兩方面。在疏浚施工上，提出了攔污屏技術(shù)[33]，適用于水源保護區(qū)域內(nèi)的疏浚工程，通過在保護區(qū)和施工區(qū)域的交界處設(shè)置攔污屏，抑制懸浮物向保護區(qū)擴散，控制疏浚工程的環(huán)境影響范圍。另外通過優(yōu)化升級疏浚設(shè)備，給螺旋鉸刀加裝防擴散裝置，并投加鋁鹽或鈣鹽鈍化劑，能促進疏浚后底泥污染物的沉降和穩(wěn)定，減少污染物擴散。在礁石清除上，傳統(tǒng)炸礁工程會對水體產(chǎn)生很大的擾動，產(chǎn)生的沖擊波還會對魚類以及底棲生物造成直接傷害，新型機械和水力清礁[34]的施工方式更加溫和，減少了疏浚過程中的水體擾動，降低了對生物生境的影響。

3.1.3初步提出了一套航道生態(tài)監(jiān)測、修復(fù)、補償?shù)某B(tài)化方法

在生態(tài)監(jiān)測方面，選擇長江干流10個典型斷面進行了多次多要素監(jiān)測，識別航道建設(shè)工程不同階段環(huán)境敏感點。設(shè)計水文-生境-生物匹配的監(jiān)測指標體系，選取常規(guī)水文水質(zhì)、金屬和痕量有機污染物、魚、底棲動物、藻類和微生物等多類監(jiān)測指標。制定了水樣、河流底泥樣品的采樣細則，結(jié)合國內(nèi)外監(jiān)測技術(shù)規(guī)范與方法，建立了長江生態(tài)航道環(huán)境保護的監(jiān)測-檢測方法體系。在生態(tài)修復(fù)與補償方面，提出了多種水生生物保護手段，包括魚類增殖放流、施工階段驅(qū)趕攔截和基于魚巢磚的魚類生境再造等，同時制訂了包括水陸垃圾回收、植被護坡、疏浚土[35]和削坡土[36]綜合利用等在內(nèi)的一系列生態(tài)保護措施。

3.1.4樹立了航道治理建、管、養(yǎng)全過程的生態(tài)航道理念

在航道建設(shè)方面，編制了《長江航道工程生態(tài)設(shè)計指南》和《長江生態(tài)航道施工指南》，在設(shè)計上注重生態(tài)工程的研究和布局，并首次在長江航道治理中設(shè)計建造生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，在施工中積極研發(fā)綠色疏浚和環(huán)保清礁技術(shù)，降低對水生物的影響；在航道管理方面，編制了《長江生態(tài)航道環(huán)保工作指南》，建立環(huán)境管理工作模式，總結(jié)規(guī)范環(huán)保管理工作程序，梳理環(huán)保工作思路及方法，構(gòu)建與水利部門、環(huán)保部門和地方政府的溝通協(xié)作機制，明晰各職能部門的環(huán)保工作內(nèi)容、職責(zé)及工作成果，對航道管理實行全過程環(huán)境管控；在航道養(yǎng)護方面，圍繞長江數(shù)字航道的實施，建立了新的養(yǎng)護工作思路、方式、方法和流程，制定了《長江干線重點河段航道維護跟蹤觀測分析工作管理辦法》，提升航道養(yǎng)護工作水平，降低航道養(yǎng)護過程中的環(huán)境影響和能源消耗，提高資源利用率。

3.2 長江生態(tài)航道工程實踐

3.2.1荊江一期航道整治工程

在工程選址方面，荊江一期航道整治工程[37]涉及3處國家級自然保護區(qū)，5處漂流性卵魚類產(chǎn)卵場，7處集中式生活飲用水源保護區(qū)。通過充分論證，同時開展研究協(xié)調(diào)工作，在工程選址上避開了這些生態(tài)敏感區(qū)。在工程材料方面選取環(huán)保型的工程材料，如傳統(tǒng)的黃砂、碎石、塊石等天然材料和聚丙烯軟體排、無紡布、固灘草繩等高降解、低污染的人工材料，從源頭上減少污染物的產(chǎn)生和釋放。在鐵鋪-熊家洲河段[38]生態(tài)護岸、斗湖堤水道南星洲洲尾生態(tài)護岸、周天水道新廠高灘守護、藕池口水道倒口窯心灘[39]等工程中大量采用了護岸魚巢磚、透水框架、鋼絲網(wǎng)格生態(tài)護坡、生態(tài)袋鋼絲網(wǎng)格生態(tài)護坡、植生型鋼絲網(wǎng)格生態(tài)護坡、生態(tài)護坡磚護坡、植入型生態(tài)固灘等生態(tài)工藝和結(jié)構(gòu)，積極修復(fù)了水、岸、灘的自然生態(tài)，有效保護了生物多樣性[40]。

3.2.2長江南京以下12.5m深水航道整治工程

長江南京以下12.5 m深水航道工程[41]在設(shè)計階段秉持生態(tài)理念，引入符合生態(tài)環(huán)保理念的工程結(jié)構(gòu)和技術(shù)，包括生態(tài)軟體排與壓護、生態(tài)排+植物栽種的生態(tài)修復(fù)、生態(tài)軟體排施工、消能護灘、生態(tài)護坡、生態(tài)高灘防護、人工魚巢網(wǎng)箱、空間體生態(tài)護底排、生態(tài)梯形構(gòu)件等。同時制定了多種關(guān)于取水口及水源地保護、江豚保護、水下鋪排區(qū)域生態(tài)修復(fù)的措施和手段，如在取水口周圍設(shè)置防污簾，在施工影響區(qū)域采用聲學(xué)驅(qū)趕技術(shù)及聲誘導(dǎo)技術(shù)保護魚類，建立江豚保護制度，開展底棲動物增殖放流等。另外，在生態(tài)環(huán)境保護管理制度上，制訂了《深水航道環(huán)境管理辦法》《深水航道環(huán)境保護工作管理手冊》和《深水航道環(huán)境事故風(fēng)險應(yīng)急預(yù)案》。

3.2.3武漢至安慶段6m水深航道整治工程

武漢至安慶段6 m水深航道整治工程中的生態(tài)實踐包含疏浚棄土生態(tài)化利用、生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)試點建設(shè)、生態(tài)友好型工程材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)用、生態(tài)工程水生生態(tài)監(jiān)測4個方面[42]。在疏浚棄土生態(tài)化利用方面，選擇規(guī)模較大、形態(tài)相對穩(wěn)定、高程適中、盡量靠近疏浚工程區(qū)的黃州、戴家洲、老虎灘，利用基建性疏浚棄土進行濕地營造，共設(shè)計建造濕地約146萬m2。引入蘆葦、狗牙、牛鞭草、莎草根等植物作為先鋒植被，濕地表面還利用鋼絲網(wǎng)格或生態(tài)護坡磚，采用間斷守護方式進行加強防護。在生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)試點建設(shè)方面，選擇外界環(huán)境相對寧靜、通航需求較小的張家洲水道北港、東流水道蓮花洲港兩處支汊試點建設(shè)較大范圍的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，在生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)采取增殖放流、局部生境改良、設(shè)立生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)提示牌、開展生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)宣傳等措施。在生態(tài)友好型工程材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面，采用透水結(jié)構(gòu)和魚巢磚為魚類、底棲動物、浮游動物提供生長繁殖的場所，豐富生物生境。在戴家洲河段池湖港根部護岸工程和東流水道玉帶洲護岸工程中，設(shè)計使用鋼絲網(wǎng)格、生態(tài)護坡磚，在張家洲水道[43]官洲左緣護灘帶使用了防沖促淤網(wǎng)墊、異形網(wǎng)箱塊石，在官洲夾護底帶和張家洲洲頭使用了無砂混凝土六角塊等生態(tài)結(jié)構(gòu)。在生態(tài)工程水生生態(tài)監(jiān)測方面，依托成功運行的水生生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，重點對保護區(qū)、生境修復(fù)工程實施的江段、生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)江段連續(xù)實施5 a的水生生態(tài)監(jiān)測。

4 長江生態(tài)航道技術(shù)展望

針對目前生態(tài)航道技術(shù)存在的不足，要基于長江航道生態(tài)環(huán)保需求，堅持問題導(dǎo)向，歸納總結(jié)亟待解決的技術(shù)難題，為生態(tài)航道技術(shù)的發(fā)展指明方向。結(jié)合長江生態(tài)航道技術(shù)進展與實踐來看，生態(tài)航道技術(shù)未來的發(fā)展重點主要在以下4個方面。

(1) 深入開展長江生態(tài)航道基礎(chǔ)理論研究。進一步完善生態(tài)航道評價方法體系，包括生態(tài)航道的內(nèi)涵、外延及理論框架研究，建立多種方法有機結(jié)合的生態(tài)航道評價模型，探明長江重要生物-生境對整治工程的響應(yīng)機制，研究航道生境融入及再造理論與方法。

(2) 持續(xù)推進長江生態(tài)航道建設(shè)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用。研發(fā)生態(tài)友好型工程結(jié)構(gòu)、材料、工藝及細化結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究濕地營造技術(shù)、河床底質(zhì)回補，開展生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)建設(shè)，研發(fā)推廣環(huán)保疏浚與環(huán)保礁石清除技術(shù)。

(3) 大力開發(fā)長江生態(tài)航道運維技術(shù)。建立低碳環(huán)保的長江航道運行與維護模式，研發(fā)綠色智能化航道維護船舶及裝備，推進新能源技術(shù)在長江航道維護船舶中的實船示范應(yīng)用，優(yōu)化綠色智能典型船舶的設(shè)計。

(4) 構(gòu)建完善全河段、常態(tài)化航道生態(tài)監(jiān)測分析體系。構(gòu)建航道生態(tài)監(jiān)測指標體系、方法體系與標準體系，制定覆蓋全河段、全時段、常態(tài)化的監(jiān)測機制，加強重點領(lǐng)域監(jiān)測，包括航道工程建設(shè)前后各類型監(jiān)測、科研專題監(jiān)測、水生生態(tài)監(jiān)測。