长江航道发展阶段及特征分析

蔡大富，刘 清，刘怀汉，曾旭虹，李学祥，张 恒

(1.长江航道规划设计研究院，武汉 430011;2.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

一、引 言

长江历史悠久，孕育了灿烂的荆楚巴蜀文明，从古至今在货物运输、农业生产、军事应用等方面发挥了举足轻重的作用。长江横贯我国东中西，全长约2838 km，从新石器时期行舟楫之利，到21世纪的黄金水道，经历了相当长的发展历程，经历了不同的发展阶段，串起了长江的整个发展史。长江航道经过了时间、技术、需求的数次推拉，形成了具有显著分水岭的发展阶段，在不同的阶段存在着具有差异性的发展特征，这些发展特征有着鲜明的时代印记。开展长江航道发展阶段及特征的研究，有助于深化航道基础理论，加快长江航道跨越转型，推动长江航道文化建设进一步发展，对科学指导长江航道规划建设、促进国际航道基础研究交流与合作具有十分重要的意义和作用［1］。

目前，国外关于交通运输业发展的阶段划分理论，大多从技术或需求角度对其核心驱动力作细致分析，并通过经验研究总结交通运输的发展规律。国内关于交通发展理论的研究比较零散，还没有形成一个相对成熟的、系统的理论体系，对于我国交通运输发展阶段的研究较少，其他行业发展阶段划分理论尚未形成。目前，国内外对航道发展阶段划分尚没有成熟的理论和案例可以借鉴。本文根据航道发展的时间轴特性，通过对技术、需求的整合及需求的量化算法分析，给出长江航道发展阶段划分及特征描述，指引长江航道未来的发展，也为其他内河航道的阶段划分提供参考。

二、基于fisher算法的长江航道发展阶段划分

前期研究已经给出了基于时间的划分方法，基于时间、技术的划分方法，基于时间、技术、需求的划分方法，来展开内河航道发展阶段的划分［2］32-38。其中，基于时间、技术、需求的划分方法在前面两种定性分析的基础上，通过对需求指标的量化分析，能够得到更优的阶段数和更具体的划分点。在该方法的量化分析中，Fisher算法［3］是关键，它是数学最优问题的一种算法，可应用于多维问题研究。

Fisher算法又称最优分割法，就是对有序样品进行分类的一种多元统计分析方法，它开始将所有样品看成一类，然后将它们分为一类、二类等，直到分成所需的k类为止。将n个有序样品分成k类的一切可能分法有Ck-1n-1种，每一种分法，称为一种分割，在这种Ck-1n-1分割中找出一种分割，使得各种分类数k中，它的k类各段内部的样品之间差异最小，而段与段之间的差异最大。

航道的发展具有时序性，且每一个时间点都对应了不同的特征，存在一定的差异性，如技术运用的差异、航运需求的差异等。各时间点的特征具有或大或小的关联性，各时间点的差异程度也有大有小。因此，划分的阶段数会随划分时考虑的因素、要求的差异而不同。Fisher算法科学地将航道发展的差异性进行聚类分析，有效地解决了航道发展阶段的划分问题。本文从实际运用角度出发，运用Fisher算法对需求指标进行分析，得到基于需求的最优阶段划分数和划分点，结合基于时间、技术划分方法的划分结果，确定航道的阶段划分，并展开阶段特征分析。

1.需求量化指标的选择及模型的构建

(1)指标的选择及量化。航道发展具有复杂性、多维性，航道发展阶段的划分应该比较全面地反映航道发展的总体情况和特征。在双因素方法定性划分航道发展阶段的基础上，本文加入了驱动航道发展的源泉——需求因素，并对需求因素进行量化。需求因素相对于时间、技术因素更易得到科学合理的量化值。根据航道发展的整体情况，需求因素可选的量化指标包括货运量、货运周转量、船舶吨位、通航里程、航道等级等，这些指标可用X1，X2，…，Xn表示。

D(i，j) 表示的是该变量段{Xi，Xi+1，…，Xj}(j＞i)内部各变量之间的差异情况。D(i，j)越小，表示该段内变量的差异越小，或说明相互间越接近。反之，D(i，j)越大，则表示该段内变量之间的差异越大，或说明相互间越分散。

(3)定义分类的误差函数。用P(n，k)表示将n个有序航道划分变量分成k类的某种分法。常记分法 P(n，k) 为

(4)求最优划分k分段。对于给定的阶段分段数k(0＜k＜n)，可以在所有可能的划分阶段方案P(n，k)中找出使L［P(n，k)］达到极小者作为最优划分k分段，记为b(n，k)。

欲分成k段时，先找jk使式(4)达到最小，即(5)确定阶段划分数。分段数k或根据需要指定或依据L［P(n，k)］依k变化情况，结合航道阶段二维划分方法确定。本文通过作L［P(n，k)］与k的曲线关系图，曲线拐弯处的k值即为最优划分阶段数。然后将k值带入Matlab进行计算，可以得出前面Fisher算法计算的时间段的航道发展的更为具体的阶段。

2.长江航道发展阶段的划分

从航运固有特性来看，长江干线货运量最能反映长江的航运需求，因此，选取长江干线货运量作为长江航道需求的量化，运用Fisher算法进行定量划分。因资料的可获取性，本文选取1950—2011年间货运量作为航道阶段划分的指标，如表1所示。

表1 1950—2011年部分年份长江干线货运量

运用Fisher算法在进行有序样本分类之前，首先要对货运量指标进行评定，评定结果构成了一个有序样本。采用中心化无量纲方法将表中指标量作无量纲处理，计算方法如下:

采用中心化无量纲化方法对表中数据进行无量纲化处理，得到1950—2011年货运量得分，如表2所示。

表2 1950—2011年部分年份货运量无量纲得分

根据表2中得分对1950—2011年长江航道发展阶段进行划分，利用Matlab语言实现Fisher算法，得到L［P(20，k)］与k的曲线关系，如图1所示。

图1 基于货运量的长江航道阶段划分Fisher关系

从图1可以看出，当k=4时，曲线明显开始趋于平滑，因此，1950—2011年间长江航道发展阶段分为4段较优。

将k=4代入Matlab进行计算，可以得出Fisher算法计算的1950—2011年长江航道发展最优分段为:1950—1972年，1973—1994年，1995—2007年，2008—2011年。

因此，在双因素划分结果的基础上，综合考虑时间、广义的航道技术和需求三方面，可以将长江航道发展阶段划分为原始航道(1950年以前)、助航航道(1950—1972年)、标准航道(1973—1994年)、高等级航道(1995—2007年)、数字航道(2008—2015年)、智能航道(2016年以后)。将该结论与前期定性阶段划分结果比较可知，此结论与前期结论基本一致，但划分更为细致、具体［2］42-47。

三、长江航道发展阶段特征分析

航道的发展阶段既是时间的缩影，又是技术发展水平的凝结，更是运输需求的集中反映，所以本文在进行特征分析过程中，主要从运输需求、通航条件、航道工程技术及应用效果、航道管理及效果四个方面对六阶段展开分析。

1.原始航道(1950年以前)

运输需求方面:主要用于贩卖粮食、食盐、茶、布匹等生活必需品和瓷器等手工业产品，由于封建经济的自给自足，造船技术的限制，货运量水平一直不高，运输需求维持在较低的层次，1949年长江干线货运量仅为191万t。

通航条件方面:为天然状态，通航条件很差，险滩、浅滩、礁石遍布丛生，助航设施简陋，数量不足，不能夜航，只能通航小吨位船舶。

航道工程技术及应用效果方面:主要以凿治开渠，灵渠沟通长江和珠江;人工开挖运河，京杭大运河将东西和南北水运通道连接。

航道管理及效果方面:古时航道的利用水平很低，运输能力低下，无专门的航道管理机构，各时期的管理主要以征收关卡税为主，货物运输零散组织，无规模的运输船队。到了近代，管理模式初创，各项制度不相统一，执行度较低，出现了一定数量的航运企业，货运运输开始定期定点，木船、轮船同航长江。

2.助航航道(1950—1972年)

随着第一个五年计划开始实施，长江航道迎来了重要的发展机遇期，进入助航航道发展阶段。具体特征如下。

运输需求方面:货运量从1950年的232万t增加到1973年的2855万t，增长近12倍。蒸汽船和柴油机船逐步取代木船，成为长江上的主要船型，船舶吨位也逐渐增加，顶推船规模和运力逐渐扩大，一次运输可达2万t。

通航条件方面:经过航道整治、航标改革等举措，长江干线航道维护手段和水平比新中国成立前有很大提高，航标全部发光，标志覆盖率成倍增加，部分航段可夜航，通航条件有了重大改善，长江下游可通航5000吨级船舶，中上游常年可通航1000吨级船舶。［4］327-336

航道工程技术及应用效果方面:该阶段水下炸礁、爆破、筑坝等新的整治技术及挖泥船、拖耙船等机械疏浚的使用，使长江中上游航道的维护水深、宽度、曲率半径有了大的提高，卡脖子、碍航航道得到基本治理，提高了运输通过能力。

航道管理及效果方面:统一的航道管理机构长江航道局成立，航标改革初步完成，长江航标实现了标准化和统一化，并制定了航道尺度计划以及干线航道水深标准［4］315-320，使长江航道的引航能力增强，航道施工管理也日趋完善，航道维护和管理开始走向规范化、制度化、持久化。此外，国家先后对原有的船运公司进行整合和改革，国有航运企业崛起并成为航运主力，运输规模不断扩大，航运市场逐步成型。

3.标准航道(1973—1994年)

1973年《全国天然渠化河流及人工运河通航试行标准》出台，由此进入标准航道发展阶段。具体特征如下。

运输需求方面:货运量从1973年的2855万t增加到1995年的3.2亿t，增长达10倍。柴油机船成为长江上的主要船型，船舶载重量继续增加，顶推船运输能力继续扩大，驳船开始应用，同时专业化船舶开始在长江上航行。

通航条件方面:交通部先后颁布了关于加强长江航道等级化、规范化的文件，沿线各省市相继完成对航道标准的测量与建设规划，同时船型标准化也开始展开，顶推船技术被推广;引航中心成立，大吨位海船可从下游直达上游;葛洲坝三江航道船闸试航成功，使长江中上游航道维护状态明显改善;大吨位船舶和顶推船队通过能力提高。［4］522-584

航道工程技术及应用效果方面:新技术、新设备、新工艺、新材料得到广泛应用，整治的设计和施工更具科学性;航标技术更加成熟，完成从电气化、电子化到太阳能技术的跨越，实现了航标大型化、智能化;测量手段逐步现代化，微波和激光定位等先进技术被不断应用，实现了测点定位、测深、制图和数据处理的全自动化。

航道管理及效果方面:航道标准化和船型标准化开始推行;管理制度改革和管理水平逐渐提高，使长江航道的服务水平大幅提高，货运量突破1亿t大关，运输组织方式多元化，机动驳、分节驳顶推和机动驳顶推三种方式开始主导长江航运。

4.高等级航道(1995—2007年)

从“九五”开始我国交通运输现代化建设全面启动，长江航道迎来新的发展机遇，航道投资逐年翻番，航道高等级化成为这一时期的重要任务。具体特征如下。

运输需求方面:投资拉动和对外出口的经济政策刺激了航运需求的猛增，沿江七省二市成为我国经济重要的增长点，货运需求发展迅速。1988年长江干线货运量达到1亿t，2007年底突破了11亿t，增长了10倍，2010年突破了15亿t。

通航条件方面:航道标准化后，为提高长江航道等级，中下游的碍航航段继续得到维护治理，长江下游的维护水深达到10.5 m以上，中游达到2.9 m以上。三峡大坝建成蓄水使上游通航条件显著改善，千吨级船舶可直达宜宾。长江干线航道全线达到三级以上航道标准。

航道工程技术及应用效果方面:新的整治和疏浚工艺开始应用，注重自然特性，加强环保观念，浅滩淤积河段治理成效明显，支流渠化及干支协调使长江航道网逐步建立。

航道管理及效果方面:航道建设编入五年计划，长江航道发展规划出炉，内河通航标准重新修订，内河维护规范同步修订，管理趋于高效统一。船舶监控系统、应急和预警系统、VTS系统、电子航道图系统等信息系统开发建设步伐加快。航道管理体系日益完善，使航道的服务水平、服务潜力空前提高。

5.数字航道(2008—2015年)

2008年示范性工程南京—浏河口数字航道工程竣工并验收，标志着长江航道进入数字时代。具体特征如下。

运输需求方面:受扩大内需经济刺激政策的推动，虽然国际需求紧缩，但国内需求仍然保持增长态势，能源、矿石、散粮和大宗货物需求仍然旺盛，货运量由2008年的12亿t增加到2011年的16.6亿t，增长率为38%。

通航条件方面:“深下游、畅中游、延上游、通支流”航道工程启动，航道建设更加系统明确，航道通航条件进一步完善，航道通过能力有了更显著的提高。

航道工程技术及应用效果方面:长江上游宜宾至重庆水深提高到2.7 m，宜昌至城陵矶河段枯水期水深提高到3.2 m，南京以下实现12.5 m深水航道。2008年数字航道在长江下游建成并使用，2010年三峡库区数字航道开工建设，2015年将全线建成数字航道，为智能航道建设打下坚实基础。

航道管理及效果方面:《“十二五”长江航道发展规划》的颁布为长江航道的建设和发展提供了政策支持，将信息系统建设与航道测量、调度、监控、航务管理相结合，可有效提高维护质量，扩大航道的通过能力。

6.智能航道(2016年以后)

智能航道是航道发展的高级阶段，以数字航道为基础、电子航道图为载体，结合智能传感器、射频识别、无线传感网络等手段，将从空中、水面、水下实现航道要素信息全方位透彻的获取，同时，基于航道演变的模型将计算出高分辨率的航道水位、水深、流速、流态，全方位实现航道通航要素信息的精细感知。与此同时，已获得的信息将以各种方式嵌入互联网，与用户的感知工具连接，依托正在建设的多功能电子航道图系统，利用三维显示技术，实现航道信息实时、顺畅交流。

2015年长江数字航道将全部建成，以数字化平台为基础的智能航道成为长江航道的代名词。具体特征如下。

运输需求方面:将继续保持增长，船舶向大型化、节能化、自动化和智能化方向发展。

通航条件方面:高等级航道的深化及数字航道的建成，将使长江干线的船舶通过能力进一步提升，全线达到2级航道标准以上。

航道工程技术及应用效果方面:航道工程技术将会融入新能源、新材料、人工智能技术，可实现无人勘探及航道信息自动获取技术。

航道管理及效果方面:航道的利用水平更高，航道维护实现机械化、自动化和智能化，船舶通航实现智能导航，航道管理将向绿色、安全、各方协同方向发展。

四、结论与展望

长江航道由原始的天然河流发展到今天的信息数字化运输大动脉，经历了相当丰富的发展历程。其发展是一部时间史，也是一部进步史，不同的划分方法会形成不同的划分格局。以典型时间节点为划分依据，可以将长江航道划分为古代航道、近代航道、现代航道和未来航道;以时间、技术为节点，形成了天然航道、引航航道、规范航道、智能航道四个阶段;以时间、技术、需求为划分依据，长江航道经历了原始航道、助航航道、标准航道、高等级航道、数字航道、智能航道六个阶段。不同发展阶段特征揭示了航道发展的规律性及必然性，可为国内外其他河流建设与发展提供理论参考。

“十二五”期间，国家将投资215亿元用于长江航道建设，长江下游数字航道建成运营，上游数字航道建设已经启动，长江航道进入数字化发展时期。沿江经济社会发展给长江航道带来了新的机遇，预计到2020年长江年货运需求量将达到20亿t，新兴技术的开发及应用也为长江航道发展提供了强有力的技术支持，长江航道未来必将向智能航道发展。

前进的道路充满曲折，长江航道在未来的发展过程中要处理好航道通过能力提升与资源协调发展、航道发展与维护管理体系适应性、航道协调发展及干支流衔接和航道信息需求与航道感知能力适应性等问题，实现长江航道的全面、协调、可持续发展［5］。

［1］魏志刚.长江航道建设与流域经济发展［J］.交通建设与管理，2008(8):49-52.

［2］“长江航道阶段划分研究”课题组.长江航道发展阶段研究［R］.武汉:长江航道规划设计研究院，2012.

［3］柯 健.基于最优分割的中国互联网发展阶段划分［J］.统计教育，2007(1):41-42.

［4］长江航道史编委会.长江航道史［M］.北京:人民交通出版社，1993.

［5］张沛文.长江流域的航运发展与航道规划建设经验［J］.水运工程，2007(11):91-96.

［6］罗传栋.长江航运史(古代部分)［M］.北京:人民交通出版社，1991.

［7］许 可.长江航运史(现代部分)［M］.北京:人民交通出版社，1993.