長江上游黃金航道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價

李文杰，唐伯明，楊勝發(fā)，王 皓，杜洪波，萬 宇

(1. 重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2. 重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

0 引 言

長江上游黃金航道系統(tǒng)主要由宜賓至重慶段航道、三峽庫區(qū)航道以及三峽雙線五級船閘組成，是重慶建設長江上游航運中心的基礎，在西部綜合交通系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。因目前正實施重慶至涪陵河段4.5 m水深航道整治工程，而涪陵以下屬三峽常年庫區(qū)，航道條件優(yōu)越，故本次長江上游黃金航道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價不包括三峽庫區(qū)航道。長江上游宜賓至重慶段航道為Ⅲ級航道，枯水期僅能通行1 000噸級船舶，三峽船閘雙向年通過能力為1億噸，通過運行管理可提升至1.6億噸[1]。但近年來川渝地區(qū)貨運量增長迅速，重慶至三峽主力船舶噸級提升至5 000噸級，三峽過閘貨運量超過設計通過能力，每天平均待閘船舶800多艘，平均待閘時間達到150 h，嚴重制約長江黃金水道效益發(fā)揮。多家單位預測三峽過閘運輸需求將在2050年超過2.5～3億噸[2-3]，國家正積極深入論證三峽水運新通道和宜賓至重慶段Ⅱ級航道建設工程，但長江上游存在四大家魚和珍稀特有魚類保護區(qū)，綜合考慮航道開發(fā)、經濟效益和生態(tài)壓力進行長江上游黃金航道可持續(xù)性發(fā)展評價具有重要意義，也極為迫切。

航道開發(fā)方面，筆者計算了長江上游航道最大開發(fā)尺度[4]，現(xiàn)狀仍具有巨大開發(fā)潛力。航道經濟效益方面，筆者通過投入產出法等多方法預測航運需求[5]，進而測算航道工程經濟效益[6]。生態(tài)評價方面，筆者通過大規(guī)?，F(xiàn)場監(jiān)測和室內試驗分析長江上游魚類棲息地特征[7]，也有學者通過水生生物完整性指數(shù)[8-9]評價河流健康狀況，定量分析人類活動特別是工程措施對生態(tài)系統(tǒng)的影響[10]，為工程后生態(tài)恢復提供理論支持?？梢?，對于河流航道開發(fā)及其經濟效益和生態(tài)影響等已有較多研究，但缺乏綜合考慮航道開發(fā)-社會經濟-生態(tài)壓力對長江上游黃金航道生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展進行評價。

筆者基于內河航道發(fā)展可持續(xù)性評價體系[11]，針對長江上游航道改進完善相關指標計算方法，計算了航道的開發(fā)率、一致性指數(shù)、經濟效益指數(shù)以及生態(tài)壓力指數(shù)等指標，考慮航道開發(fā)、經濟效益和生態(tài)壓力，綜合評價了長江上游黃金航道開發(fā)現(xiàn)狀，并分析宜賓至重慶段Ⅱ級航道和三峽水運新通道建設工程前后的航道可持續(xù)性，以期為長江上游黃金航道相關工程規(guī)劃建設提供決策支撐。

1 內河黃金航道可持續(xù)發(fā)展評價體系

筆者主導的國家內河整治中心團隊聯(lián)合北京大學，構建了包括航道開發(fā)、經濟效益和生態(tài)壓力的內河黃金航道可持續(xù)發(fā)展評價體系，其中航道開發(fā)包括量化航道開發(fā)率以及體現(xiàn)運輸能力與需求的一致性指數(shù)，經濟效益主要是量化航道促進社會區(qū)域發(fā)展的經濟效益，生態(tài)壓力主要從河流形態(tài)、水文情勢及水生生物等方面分析航道工程對河流生態(tài)健康的影響程度。研究分析評價體系中關鍵指標(一致性指數(shù)、經濟效益指數(shù)、生態(tài)壓力指數(shù))與航道開發(fā)率的相互聯(lián)系，提出了航道可持續(xù)發(fā)展指數(shù)SI，據此綜合評價航道開發(fā)的可持續(xù)性。

1.1 關鍵指標計算方法

1.1.1 航道開發(fā)率

航道開發(fā)狀況評價包括航道開發(fā)率以及一致性指數(shù)，將內河航道開發(fā)率ER定義為目前航道通過能力與理想通過能力的對比，其計算公式為：

(1)

式中：BC為航道通過能力；IBC為理想航道通過能力，航道通過能力以基于交通流的航道通過能力式[12]估算。考慮到長江上游存在較多控制河段影響航道通行效率，研究基于船舶排隊時間量化控制河段對航道通過能力影響[13]，進而完善航道通過能力計算過程。理想航道通過能力代表航道最大通過潛力，計算中理想航道深度采用改進后穩(wěn)定航深法[4]估算。

1.1.2 一致性指數(shù)

航道通過能力和運輸需求之間的差異用一致性指數(shù)CI來衡量，定義為運輸需求與通過能力之比，計算公式為：

(2)

式中：BC為航道通過能力；TN為航道同年運輸需求；當CI大于1時，CI取值為1。

1.1.3 經濟效益指數(shù)

采用經濟效益指數(shù)SEI直觀體現(xiàn)內河航道的經濟效益，即航道經濟效益與航道里程密度的比值，計算式為：

(3)

式中：EE為航道經濟效益，包括替代陸運效益和節(jié)能減排效益等；WMD為航道里程密度，定義為航道里程與流域面積的比值。

1.1.4 生態(tài)壓力指數(shù)

航道工程可對河流生態(tài)系統(tǒng)結構和功能造成一定影響，可將受影響的河流形態(tài)、水文情勢及水生生物等細化為6個指標，即破碎性指數(shù)，濕地連通性指數(shù)，不透水面積比，徑流擾動指數(shù)，魚類豐富度指數(shù)和入侵魚類占比的比例。筆者提出生態(tài)壓力指數(shù)EPI[11]綜合衡量河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況：

(4)

式中：FI、WDI、FIS、FDI、FRI、PNF分別為破碎化指數(shù)、濕地不連通指數(shù)、不透水面積比、徑流擾動指數(shù)、魚類豐富度指數(shù)、非原生魚類比；FI0、WDI0、FIS0、FDI0、FRI0、PNF0分別為生態(tài)系統(tǒng)不受破壞時對應指數(shù)的臨界閾值。

1.2 評價標準

可持續(xù)發(fā)展指數(shù)SI定義為一致性指數(shù)、開發(fā)率、生態(tài)壓力和經濟效益的平均得分。SI范圍在0～1，越接近于1，表明其航道發(fā)展可持續(xù)性越好。

(5)

對于航道開發(fā)率和一致性指數(shù)的評分，采用正態(tài)分布的函數(shù)來計算，如式(6)：

(6)

在經濟增長和生態(tài)健康背景下，經濟效益最大化和生態(tài)壓力最小化是內河航道可持續(xù)發(fā)展的兩個目標。因此，經濟效益和生態(tài)壓力與可持續(xù)發(fā)展指數(shù)成單調關系，故采用統(tǒng)一正態(tài)化升序數(shù)據，對經濟效益和生態(tài)壓力得分進行評價。

(7)

式中：SEImax、SEImin來源于長江中上游各省航道經濟效益計算值；EPImax、EPImin來源于全球主要河流生態(tài)壓力值[11]。

國家內河整治中心團隊聯(lián)合北京大學，識別包括長江、密西西比河和萊茵河等全球34條黃金航道，發(fā)現(xiàn)當航道開發(fā)率超過80%時，很難維持航道生態(tài)可持續(xù)性，并提出航道最優(yōu)開發(fā)率為80%[11]，見圖1。

圖1 航道開發(fā)率與可持續(xù)發(fā)展的關系Fig. 1 Relationship between channel development rate andsustainable development

2 宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程評價

宜賓至重慶段航道自2009年瀘渝段航道整治工程完工后，航道維護尺度提升至2.7 m×50 m×560 m，航道等級由Ⅳ級提升到Ⅲ級，后續(xù)通過加強航道維護，維護水深提升至2.9 m。目前宜賓至重慶段Ⅱ級航道整治工程也進入前期項目論證階段，預計工程實施后，枯水季節(jié)宜賓至重慶段航道將可通行3 000噸級船舶，豐水季節(jié)大型船舶可以滿載運行，通航能力將大幅度提高。工程前后宜賓至重慶段航道可持續(xù)發(fā)展相關指標具體結果見表1及圖2。

表1 長江航道與宜賓至重慶段航道可持續(xù)發(fā)展相關指標對比Table 1 Comparison of relevant indicators of sustainabledevelopment between Yangtze River and the waterwayfrom Yibin to Chongqing

圖2 宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程發(fā)展可持續(xù)性評價Fig. 2 Sustainable development evaluation of class Ⅱ channelproject from Yibin to Chongqing section

2.1 宜賓至重慶段現(xiàn)狀評價

2.1.1 航道開發(fā)率及一致性指數(shù)

不同航道深度工況下，基于船舶交通流的內河航道通過能力計算式[12]，估算目前和理想狀況下宜賓至重慶段航道通過能力。目前航道深度由長江上游宜賓至重慶航道分月養(yǎng)護水深確定，理想航道開發(fā)尺度為4.81 m[4]。在枯、中水期考慮控制河段對航道通過能力影響，其損耗系數(shù)[13]為0.81，可得目前航道條件下宜賓至重慶段年航道通過能力為2.20億噸。在理論最大航道深度下可通航5 000噸級船舶，對應理想航道年通過能力為5.36億噸，故目前航道開發(fā)率為41%。

基于長江海事部門進出港統(tǒng)計數(shù)據，將長江干線劃分為4個區(qū)段(上游、研究河段、庫區(qū)、中下游)，并統(tǒng)計區(qū)段之間水運交流量，得到工程河段水運量[2]，結果表明2020年研究河段貨運量為1.99億噸。易得到研究河段一致性指數(shù)為0.9。

2.1.2 經濟效益指數(shù)

航道經濟效益包括替代陸路運輸效益以及節(jié)能減排效益。根據川渝地區(qū)貨運周轉量和貨運量[14]計算得到各類運輸方式平均運距，進而得到研究河段貨運周轉量為1 962.80億噸公里。誘導貨運周轉量按現(xiàn)有鐵路、公路運輸貨運平均運距比例分配，即11.53∶1，得到替代陸路運輸效益328.05億元?；谪涍\周轉量，分析航運替代陸路運輸所節(jié)約的柴油能耗[15]，并通過節(jié)約能耗量計算CO2減排量[16]，兩者合計為節(jié)能減排效益17.39億元。

綜合可得長江上游宜賓至重慶段航道經濟效益為345.44億元，進而得到航道經濟效益指數(shù)4 487。為分析研究河段航道經濟效益得分，同時計算與研究河段發(fā)展階段類似的長江中上游各省的航道經濟效益指數(shù)，結果如表2。

表2 長江中上游各省航道經濟效益指數(shù)Table 2 Channel economic benefit index of various provinces in themiddle and upper reaches of the Yangtze River

2.1.3 生態(tài)壓力指數(shù)

研究河段總長363 km，以40 km為間隔，選取10個點提取破碎性指數(shù)、濕地非連通性指數(shù)、不透水面積比、徑流擾動指數(shù)的數(shù)據[17]。魚類豐富度指數(shù)、非原生魚類比例計算所需的魚類物種數(shù)據來源于世界淡水魚類物種豐富度數(shù)據庫[18]。進而通過式(4)計算生態(tài)壓力指數(shù)，取均值作為研究河段生態(tài)壓力指數(shù)，即長江上游重慶至宜賓段生態(tài)壓力指數(shù)為0.33。

2.2 宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程評價

2.2.1 航道開發(fā)率及一致性指數(shù)

宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程完工后，航道深度將由目前Ⅲ級航道2.9 m提升至Ⅱ級航道3.5 m，3 000 噸級船舶可晝夜通航，對應通過能力為2.93億噸，工程完工后開發(fā)率將提升至55%。

工程目前處于項目前期階段，建設期擬為2022年—2024年，營運期初始為2025年。以研究河段2000年—2019年統(tǒng)計貨運量為基礎，通過回歸分析法、彈性系數(shù)法和指數(shù)平滑法預測2025年貨運量為2.38億噸，即一致性指數(shù)降低至0.8。

2.2.2 經濟效益指數(shù)

宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程經濟效益主要包括以下5個方面：船舶大型化效益、替代陸路運輸效益、減少船舶轉駁以及虧載效益、節(jié)能減排效益、控制河段減少效益。通過對上述項目深入分析和估算，得到運營20年宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程經濟效益為133.2億元，增加經濟效益指數(shù)1 740，合計經濟效益指數(shù)6 227。

2.2.3 生態(tài)壓力指數(shù)

有學者通過總結34條世界主要河流開發(fā)率與生態(tài)壓力的關系，得出開發(fā)率與生態(tài)壓力的關系式[11]，根據開發(fā)率55%可計算工程后生態(tài)壓力指數(shù)計算值為0.47。

目前宜賓至重慶段航道開發(fā)率41%，與長江整體開發(fā)率67%以及開發(fā)閾值80%差距較大，說明開發(fā)潛力巨大。一致性指數(shù)為0.9，高于最優(yōu)一致性指數(shù)0.6～0.8，說明該航段應盡快開發(fā)提高通過能力以匹配日益增加的貨運需求。宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程將航道開發(fā)率提升至55%，一致性指數(shù)由0.9降低至0.8，表明可有效緩解貨運量增加壓力并提升經濟效益，而生態(tài)壓力指標由0.33僅提升至0.47，未超過長江整體生態(tài)壓力指標0.55，說明宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展要求。

3 三峽水運新通道評價

三峽水運新通道一次新建兩線船閘，船閘閘室有效尺度為280 m×40 m×8 m，能滿足吃水5.5 m的大型船舶過閘需求。工程建成后，三峽通航建筑物年單向總通過能力可達1.7億噸左右。工程前后三峽水運新通道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展相關指標具體結果見圖3及表3。

表3 工程前后三峽水運新通道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展相關指標對比Table 3 Comparison of relevant indicators of ecological sustainabledevelopment of Three Gorges new waterway before andafter the project

圖3 三峽水運新通道生態(tài)發(fā)展可持續(xù)性評價Fig. 3 Sustainability assessment of ecological development ofthe new waterway of the Three Gorges Project

3.1 三峽船閘評價

3.1.1 開發(fā)率及一致性指數(shù)

三峽樞紐開發(fā)率定義為三峽大壩壩址橫斷面被工程占有比。三峽壩址橫斷面全長4 299 m，其中三峽壩體2 300 m，占全斷面53.5%，現(xiàn)有升船機和雙線五級船閘共278 m，占全斷面6.5%，即三峽大壩開發(fā)率60%，而三峽樞紐總體開發(fā)率為68%。

三峽樞紐每天平均待閘船舶仍有800多艘，平均待閘達到150 h，擁堵已成常態(tài)，過壩運輸需求已經大大超過三峽樞紐通過能力，一致性指數(shù)為1.0。

3.1.2 經濟效益指數(shù)

2019年三峽樞紐通過能力達到1.46億噸，貨物周轉量約1 092.40億噸公里，計算三峽樞紐工程替代陸路運輸效益為184.40億元，節(jié)能減排效益10.16億元，綜合可得航道經濟效益為194.56億元。航道里程密度為0.046 km-1，進而得到三峽樞紐目前經濟效益指數(shù)為4 230。

3.1.3 生態(tài)壓力指數(shù)

三峽樞紐工程包括三峽與下游葛洲壩水電站，基于工程所處位置經緯度提取生態(tài)指標，魚類豐富度指數(shù)與非原生魚類比例采用長江指標值，最后取均值得到生態(tài)壓力指數(shù)為0.48。

3.2 三峽水運新通道評價

3.2.1 開發(fā)率及一致性指數(shù)

根據三峽水運新通道規(guī)劃，新建閘室占壩址全斷面寬度約140 m，建設后的開發(fā)率略有增加至69%。國家發(fā)改委綜合運輸研究所等單位同步開展了三峽過壩貨運量預測分析，預測2050年(遠期)過壩貨運量為1.95～3.1億噸[19]，采用均值2.53億噸作為過壩貨運量。三峽水運新通道完工后，新舊船閘和升船機通過能力總和可超過3.6億噸[19]，計算得到一致性指數(shù)為0.7。

3.2.2 經濟效益指數(shù)

有學者通過分析船舶營運成本、貨物運輸時間價值、貨物經時損失及貨物運輸風險等四大因素對三峽樞紐待閘成本的影響，構建分船型船舶待閘停時經濟損失模型，結果顯示船舶待閘年均經濟損失高達30億元[20]。水運新通道完工后，極大地提升航道通過能力，將誘導一部分陸運貨物，水運低廉的運價進一步降低社會運輸成本，估算效益為13.98億元，兩者合計43.86億元，工程后經濟效益指數(shù)達到5 186，增加956。

3.2.3 生態(tài)壓力指數(shù)

三峽水運新通道完工后，開發(fā)率只有略微增加，根據開發(fā)率與生態(tài)壓力指數(shù)關系式，生態(tài)壓力指數(shù)增加至0.49。

盡管三峽水運新通道工程開發(fā)率69%略高于長江整體航道開發(fā)率67%，但小于開發(fā)閾值80%，在開發(fā)率僅增加1%的條件下，可大幅度增加三峽過壩運輸能力而將一致性指數(shù)由1.0降低至0.7，可有效解決三峽船閘擁堵問題，從而減少社會運輸成本。其生態(tài)壓力指數(shù)0.49小于長江整體0.55，工程建設符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展理念。

4 結 論

基于航道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價體系，綜合航道開發(fā)、經濟效益以及生態(tài)壓力三類指標，開展了長江上游黃金航道生態(tài)可持續(xù)發(fā)展評價，得出如下結論：

1)長江航運能力已經接近飽和(一致性指數(shù)為1.0)，但整體開發(fā)率67%未達到開發(fā)閾值80%，存在進一步開發(fā)的較大空間。長江上游總體開發(fā)率較低，其生態(tài)壓力指標遠小于長江整體平均值，為緩解貨運需求增長的壓力，應決策建設生態(tài)保護優(yōu)先下的航運能力提升工程，促進長江黃金水道綜合效益發(fā)揮。

2)長江上游宜賓至重慶段航道開發(fā)率41%與長江整體67%差距較大，其開發(fā)潛力巨大。建議實施宜賓至重慶段Ⅱ級航道工程，航道開發(fā)率提升至55%，一致性指數(shù)降低至0.8，生態(tài)壓力指數(shù)由0.33提升至0.47，仍不會超過長江整體生態(tài)壓力指標0.55。從可持續(xù)發(fā)展指數(shù)來看，該工程有利于緩解貨運需求增長的壓力，符合生態(tài)環(huán)保要求，可提升航道高質量發(fā)展的總體可持續(xù)性。

3)三峽船閘擁堵嚴重，成為長江航運卡脖子瓶頸。建議實施三峽水運新通道工程，開發(fā)率由68%提升至69%，一致性指數(shù)由1.0降低至0.7，生態(tài)壓力指數(shù)0.48略微增加至0.49，未達到長江整體生態(tài)壓力指標。從可持續(xù)發(fā)展指數(shù)來看，該工程可大幅度增加三峽過壩運輸能力，可解決船閘擁堵問題而減少社會運輸成本，經濟效益指數(shù)顯著提升，符合生態(tài)環(huán)保要求，可提升長江航運高質量發(fā)展的總體可持續(xù)性。