生态航道系统内涵及评价方法

刘金林, 张世宝, 王二平

(华北水利水电大学,河南 郑州 450046)

航道工程担负着我国航运、发电、灌溉、旅游、渔业等方面经济建设的使命。传统的航道建设主要在于开辟安全航道,仅考虑航道等级、河床演变、通航保证率、浅滩类型等与航道整治相关的因素[1]。党的十八大以来,我国将生态文明建设作为五位一体总体布局的重要组成部分,从战略高度加以推进。航道建设也向生态化发展,多种概念和理论、评价方法、整治措施并举。例如依托国家重点研发项目,开展了对长江荆江段、南京至浏河口等河段的生态航道技术研究。李天宏等[2-3]认为目前国内外对于生态航道评价体系研究基本上仍处于空白,并针对长江荆江段进行了该方面的研究;匡舒雅等[4]针对长江南京至浏河口段构建了生态航道评价指标体系;刘怀汉等[5]对长江生态航道的整治和管理技术进行了分析和概述。目前,国内对生态航道的定义缺乏统一界定。本文将综合分析国内对生态航道的定义,提出生态航道系统的概念,并分析其评价方法,最后提出若干整治措施。

1 生态航道系统理论

1.1 生态航道发展悖论

生态指的是生物在一定自然环境下生存和发展的状态。生态环境则是指生物或种群周围的生物和非生物成分的总和。在无人类活动的自然状态下的原始河道中,通常保持着良好的生态环境,进行航道工程的建设必然对河道的原始生态环境造成一定的破坏。而对已建设航道工程的河道进行生态化建设,通过一定的方法、措施和手段使河道恢复其原有的生态环境,则不利于航道工程的经济化、社会化发展。从逻辑学上看,航道发展与生态发展是一对矛盾,因此出现了生态航道发展的悖论,或者说是航道生态化发展的悖论。但从唯物辩证法的角度来看,航道发展与生态发展相互联系、相互影响只是其发展的外因,而内在矛盾才是二者发展的内因,二者具有对立统一规律[6]。因此,应寻找某种平衡点或某种方法,既满足河道中航道经济化、社会化建设的需要,又满足河道生态恢复、人水和谐的需要。

1.2 生态航道系统的概念

目前,国内对生态航道的定义并无统一的界定,已有的定义中更着重于对生态建设与航道建设关系层面的阐述。比如刘均卫[7]在2015年提出,生态航道是在传统航道整治中引入生态学原理,根据河道的现状与功能进行生态设计,在满足通航、防洪、排涝等需求的同时,兼顾生态系统健康的需求,实现河道生态系统不断趋向更高水平的平衡。此定义着重强调了生态航道的原理和发展目标,但缺乏概念上的前后对应,生态航道应属航道的一种或具有某种特点的航道。薛智博[1]在2018年提出,生态航道是指在保证航道安全、畅通的前提下,以修复河道生态系统为目标,通过建设生态护岸等工程技术手段,维系和重塑一个相对自然稳定和健康开放的河流生态系统,以实现河流生态系统的可持续发展,构建人水和谐理想环境的通航航道。此定义除强调生态航道的发展目标外,还强调了实现手段,依旧缺乏对生态航道特点的描述。

航道一词既具有航道工程的广义概念,又具有河道内通航水体的狭义概念。对于河道内用于通航部分的水体的生态建设,实质上只是减少因通航对水体造成的负面影响,若要完全进行生态建设即完全消除负面影响,则会对通航造成不利。而航道的实质,不应单纯局限于部分水体及河底,还应包括河道边坡和岸边部分土地,即航道工程。生态治理措施应着重放在航道工程中除通航水体外的部分。因此,基于航道的广义层次,提出生态航道系统的概念。

生态航道系统指的是,河道中的水体通航部分、相关航道建筑物及维护设施对自然的影响降到最低,通航水体周边范围的河道通过一定方法恢复或维持其原有生态环境，达到“人水和谐”状态的河道系统。

1.3 生态航道系统的内涵

1.3.1 降低通航对水体的影响

为了保障河流的通航功能和水运的经济发展,对于河道内通航水体,虽无法完全消除人类活动的影响,也应着重采取相应措施来降低因通航、疏浚等人为因素对水体造成的影响。如何对这部分水体的优化程度进行评价,还需要进一步的理论研究和生产实践。

1.3.2 改善和维持岸边生态环境

对于河道岸边及岸旁的土地,应以恢复原始生态环境为目标,灵活运用治理手段。对于生态环境较好的岸边,应注重维持和管理,避免因人类活动而造成不利影响。若要发展旅游、人水和谐文化,相关部门需统筹规划,严格管理,使岸边生态环境总体积极发展。

1.3.3 水体与岸边生态建设相统一

对于整个生态航道系统来说,应遵从总体趋向生态化而局部开发的原则。河道岸边的生态化建设要与河道内通航水体的减污、净化等措施结合起来,避免出现治理轻、污染重的情况,保证生态治理趋于良性循环。

2 生态航道评价方法

2.1 生态足迹法

MATHIS Wackernagel等在1999年提出了生态足迹的概念[8],任何已知人口的生态足迹是生产他们所消费的所有资源和吸纳他们所产生的所有废弃物所需要的生物生产土地的总面积和水资源量[9]。建立生态航道系统的生态足迹模型,有助于充分了解对河道航运功能的需求与河道所能提供的生态服务之间的差距。生态足迹模型主要包括工程直接占用土地和能源消耗两部分内容,根据张志强等在2000年提出的生态足迹计算公式[9],对其在生态航道系统中做出适配,得到生态航道系统生态足迹的计算公式:

Fe=Nfe=N∑(ai)=N∑(Ci/Pi)。

式中:Fe为生态航道系统生态足迹总和;N为人口数;fe为人均生态足迹;ai为人均第i种航运生产类型所占用的河体或土地面积;Pi为第i种航运生产类型的平均生产能力;Ci为第i种航运生产类型的人均受益量 。

利用上式,可根据人类利用资源的能力动态地得出生态足迹指标。但该模型只考虑了经济因素对环境的影响,而忽略了河体或土地利用中其他的影响因素,故计算结果可能超出生态航道系统的实际生态状况。

2.2 灰色关联法

根据邓聚龙教授在1983年提出的灰色系统(Grey System)理论[10]可类比分析得出,生态航道系统评价中已知的特性比如生物种类、平均年降雨量、平均年径流量、某一时段的平均通航量等为白色系统,而未知的特性比如生态承载力、经济发展可持续能力、河床演变新水沙条件下的航道承载力等为黑色系统。生态航道系统中既有白色的特性,又有黑色的特性,构成了生态航道灰色体系。

根据生态航道灰色体系,可针对某一项建设工程比如生态护坡治理或河流水质治理,也可针对宏观的生态航道系统,通过层层细化再统筹结合的方式来建立综合评价指标体系。可将该评价指标体系分为3层:目标层、子目标层、指标层。目标层为生态航道系统中某工程建设的最优化状态；子目标层则为构筑该最优化状态的若干特性；指标层则为评价子目标中特性的若干指标。评价指标体系构建后，对指标层各指标依据工程需要进行权重分配与评价等级划分,不同评价等级所对应的分数[11]乘以其所占的权重即为某指标的特征值。指标层的特征值可形成原始决策矩阵[12]:

式中:B为原始决策矩阵;m为生态建设工程的待选方案数;n为评价指标体系中的指标数;bij为原始决策矩阵B中第i项方案的第j项评价指标数据。

使用灰色关联法模型可以在几种生态航道系统建设方案中找出最优方案；然而其指标层特征值的确定是基于模糊集理论,各指标的特征值越精确,得出的解就会越优。

生态足迹法与灰色关联法各有其特点,两种方法可以互补使用,从而对生态航道系统进行更加科学的综合评价。由于生态足迹法重点考虑的是经济因素对环境的影响,故在进行综合评价时,可将灰色体系中的相关指标提取出来,结合生态足迹法来进行评价。这样既解决了生态足迹法评价因素不全面的问题,也能使灰色体系中黑色模糊指标的特征值趋于精确。

3 生态航道系统整治措施

3.1 生态护岸

生态护岸是一种利用植物根系或天然材料来维持河岸结构稳定,实现人类活动与自然和谐统一的护岸形式[13]。它代替了传统的混凝土整体护砌形式, 减轻或避免了对土壤环境的改变以及对动植物栖息地的破坏。

可以通过种植芦苇、柳树等耐水植物来满足护岸结构稳定要求和抗冲刷要求。种植时,可同时施播天然无公害肥料,促使植物根系快速生长;还应注意植株间隔,避免过密影响植物光合作用或过疏影响根系对岸坡的保护作用。

3.2 生态挡土墙

目前,国内生态挡土墙的主要形式有生态混凝土挡土墙、土工格室挡土墙、生态袋挡土墙、自嵌式植生挡土墙和石笼网格挡土墙[14]。在生态建设方面,生态袋挡土墙能够提供植物生长足够的土壤厚度;生态混凝土挡土墙中提供了植物生长所需的土和肥料,更利于植被以及护岸生态系统的形成;石笼网格挡土墙与自嵌式植生挡土墙的透水性能好,更有利于浮游生物的生长。在结构稳定方面,土工格挡土墙耐久性良好,结构更稳定,其格室上亦可进行植物种植。针对具体的生态治理工程,可在充分调研的基础上,因地制宜,综合选用合适的生态挡土墙。

3.3 水体污染治理措施

对于河道内水体污染的治理,要管控与治理相结合。

首先,河道生态管理机制要明确,可结合当前“河长制”的管理体系[15],将具有通航功能的河道,针对其特殊性纳入“河长制”管理体系中,在通航水体治理的同时,严格把控河道沿岸工业、农业、生活污水的排放。航道工程相关的管理部门应严格把控通航频率,淘汰排放超标、污染严重的船只,禁止船只的餐饮、卫生用水和垃圾等向航道内直排。

其次,结合多科学多领域建立长效的水生态恢复机制。针对不同的污染源研究治理措施,使水体内氮、磷、重金属等的含量降至安全水平,逐渐恢复水生态系统的生物多样性。

4 结语

生态航道系统的建设是满足经济发展需求与生态发展需求相结合的必然要求,其过程并不是全局生态化,而是在对自然环境产生的影响最低的基础上只进行局部开发。对河道通航水体、航道工程相关建筑物及岸边部分土地进行生态化发展,不同的区域采取不同的标准和措施。对各类工程措施和现有生态航道系统进行科学评价,采取最优化的方案,从而使整个航道系统总体向生态化发展,以满足现代工程发展的趋势。