长江上游黄金航道生态可持续发展评价

李文杰，唐伯明，杨胜发，王 皓，杜洪波，万 宇

(1. 重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2. 重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

0 引 言

长江上游黄金航道系统主要由宜宾至重庆段航道、三峡库区航道以及三峡双线五级船闸组成，是重庆建设长江上游航运中心的基础，在西部综合交通系统中发挥着重要作用。因目前正实施重庆至涪陵河段4.5 m水深航道整治工程，而涪陵以下属三峡常年库区，航道条件优越，故本次长江上游黄金航道生态可持续发展评价不包括三峡库区航道。长江上游宜宾至重庆段航道为Ⅲ级航道，枯水期仅能通行1 000吨级船舶，三峡船闸双向年通过能力为1亿吨，通过运行管理可提升至1.6亿吨[1]。但近年来川渝地区货运量增长迅速，重庆至三峡主力船舶吨级提升至5 000吨级，三峡过闸货运量超过设计通过能力，每天平均待闸船舶800多艘，平均待闸时间达到150 h，严重制约长江黄金水道效益发挥。多家单位预测三峡过闸运输需求将在2050年超过2.5～3亿吨[2-3]，国家正积极深入论证三峡水运新通道和宜宾至重庆段Ⅱ级航道建设工程，但长江上游存在四大家鱼和珍稀特有鱼类保护区，综合考虑航道开发、经济效益和生态压力进行长江上游黄金航道可持续性发展评价具有重要意义，也极为迫切。

航道开发方面，笔者计算了长江上游航道最大开发尺度[4]，现状仍具有巨大开发潜力。航道经济效益方面，笔者通过投入产出法等多方法预测航运需求[5]，进而测算航道工程经济效益[6]。生态评价方面，笔者通过大规模现场监测和室内试验分析长江上游鱼类栖息地特征[7]，也有学者通过水生生物完整性指数[8-9]评价河流健康状况，定量分析人类活动特别是工程措施对生态系统的影响[10]，为工程后生态恢复提供理论支持。可见，对于河流航道开发及其经济效益和生态影响等已有较多研究，但缺乏综合考虑航道开发-社会经济-生态压力对长江上游黄金航道生态可持续性发展进行评价。

笔者基于内河航道发展可持续性评价体系[11]，针对长江上游航道改进完善相关指标计算方法，计算了航道的开发率、一致性指数、经济效益指数以及生态压力指数等指标，考虑航道开发、经济效益和生态压力，综合评价了长江上游黄金航道开发现状，并分析宜宾至重庆段Ⅱ级航道和三峡水运新通道建设工程前后的航道可持续性，以期为长江上游黄金航道相关工程规划建设提供决策支撑。

1 内河黄金航道可持续发展评价体系

笔者主导的国家内河整治中心团队联合北京大学，构建了包括航道开发、经济效益和生态压力的内河黄金航道可持续发展评价体系，其中航道开发包括量化航道开发率以及体现运输能力与需求的一致性指数，经济效益主要是量化航道促进社会区域发展的经济效益，生态压力主要从河流形态、水文情势及水生生物等方面分析航道工程对河流生态健康的影响程度。研究分析评价体系中关键指标(一致性指数、经济效益指数、生态压力指数)与航道开发率的相互联系，提出了航道可持续发展指数SI，据此综合评价航道开发的可持续性。

1.1 关键指标计算方法

1.1.1 航道开发率

航道开发状况评价包括航道开发率以及一致性指数，将内河航道开发率ER定义为目前航道通过能力与理想通过能力的对比，其计算公式为：

(1)

式中：BC为航道通过能力；IBC为理想航道通过能力，航道通过能力以基于交通流的航道通过能力式[12]估算。考虑到长江上游存在较多控制河段影响航道通行效率，研究基于船舶排队时间量化控制河段对航道通过能力影响[13]，进而完善航道通过能力计算过程。理想航道通过能力代表航道最大通过潜力，计算中理想航道深度采用改进后稳定航深法[4]估算。

1.1.2 一致性指数

航道通过能力和运输需求之间的差异用一致性指数CI来衡量，定义为运输需求与通过能力之比，计算公式为：

(2)

式中：BC为航道通过能力；TN为航道同年运输需求；当CI大于1时，CI取值为1。

1.1.3 经济效益指数

采用经济效益指数SEI直观体现内河航道的经济效益，即航道经济效益与航道里程密度的比值，计算式为：

(3)

式中：EE为航道经济效益，包括替代陆运效益和节能减排效益等；WMD为航道里程密度，定义为航道里程与流域面积的比值。

1.1.4 生态压力指数

航道工程可对河流生态系统结构和功能造成一定影响，可将受影响的河流形态、水文情势及水生生物等细化为6个指标，即破碎性指数，湿地连通性指数，不透水面积比，径流扰动指数，鱼类丰富度指数和入侵鱼类占比的比例。笔者提出生态压力指数EPI[11]综合衡量河流生态系统健康状况：

(4)

式中：FI、WDI、FIS、FDI、FRI、PNF分别为破碎化指数、湿地不连通指数、不透水面积比、径流扰动指数、鱼类丰富度指数、非原生鱼类比；FI0、WDI0、FIS0、FDI0、FRI0、PNF0分别为生态系统不受破坏时对应指数的临界阈值。

1.2 评价标准

可持续发展指数SI定义为一致性指数、开发率、生态压力和经济效益的平均得分。SI范围在0～1，越接近于1，表明其航道发展可持续性越好。

(5)

对于航道开发率和一致性指数的评分，采用正态分布的函数来计算，如式(6)：

(6)

在经济增长和生态健康背景下，经济效益最大化和生态压力最小化是内河航道可持续发展的两个目标。因此，经济效益和生态压力与可持续发展指数成单调关系，故采用统一正态化升序数据，对经济效益和生态压力得分进行评价。

(7)

式中：SEImax、SEImin来源于长江中上游各省航道经济效益计算值；EPImax、EPImin来源于全球主要河流生态压力值[11]。

国家内河整治中心团队联合北京大学，识别包括长江、密西西比河和莱茵河等全球34条黄金航道，发现当航道开发率超过80%时，很难维持航道生态可持续性，并提出航道最优开发率为80%[11]，见图1。

图1 航道开发率与可持续发展的关系Fig. 1 Relationship between channel development rate andsustainable development

2 宜宾至重庆段Ⅱ级航道工程评价

宜宾至重庆段航道自2009年泸渝段航道整治工程完工后，航道维护尺度提升至2.7 m×50 m×560 m，航道等级由Ⅳ级提升到Ⅲ级，后续通过加强航道维护，维护水深提升至2.9 m。目前宜宾至重庆段Ⅱ级航道整治工程也进入前期项目论证阶段，预计工程实施后，枯水季节宜宾至重庆段航道将可通行3 000吨级船舶，丰水季节大型船舶可以满载运行，通航能力将大幅度提高。工程前后宜宾至重庆段航道可持续发展相关指标具体结果见表1及图2。

表1 长江航道与宜宾至重庆段航道可持续发展相关指标对比Table 1 Comparison of relevant indicators of sustainabledevelopment between Yangtze River and the waterwayfrom Yibin to Chongqing

图2 宜宾至重庆段Ⅱ级航道工程发展可持续性评价Fig. 2 Sustainable development evaluation of class Ⅱ channelproject from Yibin to Chongqing section

2.1 宜宾至重庆段现状评价

2.1.1 航道开发率及一致性指数

不同航道深度工况下，基于船舶交通流的内河航道通过能力计算式[12]，估算目前和理想状况下宜宾至重庆段航道通过能力。目前航道深度由长江上游宜宾至重庆航道分月养护水深确定，理想航道开发尺度为4.81 m[4]。在枯、中水期考虑控制河段对航道通过能力影响，其损耗系数[13]为0.81，可得目前航道条件下宜宾至重庆段年航道通过能力为2.20亿吨。在理论最大航道深度下可通航5 000吨级船舶，对应理想航道年通过能力为5.36亿吨，故目前航道开发率为41%。

基于长江海事部门进出港统计数据，将长江干线划分为4个区段(上游、研究河段、库区、中下游)，并统计区段之间水运交流量，得到工程河段水运量[2]，结果表明2020年研究河段货运量为1.99亿吨。易得到研究河段一致性指数为0.9。

2.1.2 经济效益指数

航道经济效益包括替代陆路运输效益以及节能减排效益。根据川渝地区货运周转量和货运量[14]计算得到各类运输方式平均运距，进而得到研究河段货运周转量为1 962.80亿吨公里。诱导货运周转量按现有铁路、公路运输货运平均运距比例分配，即11.53∶1，得到替代陆路运输效益328.05亿元。基于货运周转量，分析航运替代陆路运输所节约的柴油能耗[15]，并通过节约能耗量计算CO2减排量[16]，两者合计为节能减排效益17.39亿元。

综合可得长江上游宜宾至重庆段航道经济效益为345.44亿元，进而得到航道经济效益指数4 487。为分析研究河段航道经济效益得分，同时计算与研究河段发展阶段类似的长江中上游各省的航道经济效益指数，结果如表2。

表2 长江中上游各省航道经济效益指数Table 2 Channel economic benefit index of various provinces in themiddle and upper reaches of the Yangtze River

2.1.3 生态压力指数

研究河段总长363 km，以40 km为间隔，选取10个点提取破碎性指数、湿地非连通性指数、不透水面积比、径流扰动指数的数据[17]。鱼类丰富度指数、非原生鱼类比例计算所需的鱼类物种数据来源于世界淡水鱼类物种丰富度数据库[18]。进而通过式(4)计算生态压力指数，取均值作为研究河段生态压力指数，即长江上游重庆至宜宾段生态压力指数为0.33。

2.2 宜宾至重庆段Ⅱ级航道工程评价

2.2.1 航道开发率及一致性指数

宜宾至重庆段Ⅱ级航道工程完工后，航道深度将由目前Ⅲ级航道2.9 m提升至Ⅱ级航道3.5 m，3 000 吨级船舶可昼夜通航，对应通过能力为2.93亿吨，工程完工后开发率将提升至55%。

工程目前处于项目前期阶段，建设期拟为2022年—2024年，营运期初始为2025年。以研究河段2000年—2019年统计货运量为基础，通过回归分析法、弹性系数法和指数平滑法预测2025年货运量为2.38亿吨，即一致性指数降低至0.8。

2.2.2 经济效益指数

宜宾至重庆段Ⅱ级航道工程经济效益主要包括以下5个方面：船舶大型化效益、替代陆路运输效益、减少船舶转驳以及亏载效益、节能减排效益、控制河段减少效益。通过对上述项目深入分析和估算，得到运营20年宜宾至重庆段Ⅱ级航道工程经济效益为133.2亿元，增加经济效益指数1 740，合计经济效益指数6 227。

2.2.3 生态压力指数

有学者通过总结34条世界主要河流开发率与生态压力的关系，得出开发率与生态压力的关系式[11]，根据开发率55%可计算工程后生态压力指数计算值为0.47。

目前宜宾至重庆段航道开发率41%，与长江整体开发率67%以及开发阈值80%差距较大，说明开发潜力巨大。一致性指数为0.9，高于最优一致性指数0.6～0.8，说明该航段应尽快开发提高通过能力以匹配日益增加的货运需求。宜宾至重庆段Ⅱ级航道工程将航道开发率提升至55%，一致性指数由0.9降低至0.8，表明可有效缓解货运量增加压力并提升经济效益，而生态压力指标由0.33仅提升至0.47，未超过长江整体生态压力指标0.55，说明宜宾至重庆段Ⅱ级航道工程符合生态可持续发展要求。

3 三峡水运新通道评价

三峡水运新通道一次新建两线船闸，船闸闸室有效尺度为280 m×40 m×8 m，能满足吃水5.5 m的大型船舶过闸需求。工程建成后，三峡通航建筑物年单向总通过能力可达1.7亿吨左右。工程前后三峡水运新通道生态可持续发展相关指标具体结果见图3及表3。

表3 工程前后三峡水运新通道生态可持续发展相关指标对比Table 3 Comparison of relevant indicators of ecological sustainabledevelopment of Three Gorges new waterway before andafter the project

图3 三峡水运新通道生态发展可持续性评价Fig. 3 Sustainability assessment of ecological development ofthe new waterway of the Three Gorges Project

3.1 三峡船闸评价

3.1.1 开发率及一致性指数

三峡枢纽开发率定义为三峡大坝坝址横断面被工程占有比。三峡坝址横断面全长4 299 m，其中三峡坝体2 300 m，占全断面53.5%，现有升船机和双线五级船闸共278 m，占全断面6.5%，即三峡大坝开发率60%，而三峡枢纽总体开发率为68%。

三峡枢纽每天平均待闸船舶仍有800多艘，平均待闸达到150 h，拥堵已成常态，过坝运输需求已经大大超过三峡枢纽通过能力，一致性指数为1.0。

3.1.2 经济效益指数

2019年三峡枢纽通过能力达到1.46亿吨，货物周转量约1 092.40亿吨公里，计算三峡枢纽工程替代陆路运输效益为184.40亿元，节能减排效益10.16亿元，综合可得航道经济效益为194.56亿元。航道里程密度为0.046 km-1，进而得到三峡枢纽目前经济效益指数为4 230。

3.1.3 生态压力指数

三峡枢纽工程包括三峡与下游葛洲坝水电站，基于工程所处位置经纬度提取生态指标，鱼类丰富度指数与非原生鱼类比例采用长江指标值，最后取均值得到生态压力指数为0.48。

3.2 三峡水运新通道评价

3.2.1 开发率及一致性指数

根据三峡水运新通道规划，新建闸室占坝址全断面宽度约140 m，建设后的开发率略有增加至69%。国家发改委综合运输研究所等单位同步开展了三峡过坝货运量预测分析，预测2050年(远期)过坝货运量为1.95～3.1亿吨[19]，采用均值2.53亿吨作为过坝货运量。三峡水运新通道完工后，新旧船闸和升船机通过能力总和可超过3.6亿吨[19]，计算得到一致性指数为0.7。

3.2.2 经济效益指数

有学者通过分析船舶营运成本、货物运输时间价值、货物经时损失及货物运输风险等四大因素对三峡枢纽待闸成本的影响，构建分船型船舶待闸停时经济损失模型，结果显示船舶待闸年均经济损失高达30亿元[20]。水运新通道完工后，极大地提升航道通过能力，将诱导一部分陆运货物，水运低廉的运价进一步降低社会运输成本，估算效益为13.98亿元，两者合计43.86亿元，工程后经济效益指数达到5 186，增加956。

3.2.3 生态压力指数

三峡水运新通道完工后，开发率只有略微增加，根据开发率与生态压力指数关系式，生态压力指数增加至0.49。

尽管三峡水运新通道工程开发率69%略高于长江整体航道开发率67%，但小于开发阈值80%，在开发率仅增加1%的条件下，可大幅度增加三峡过坝运输能力而将一致性指数由1.0降低至0.7，可有效解决三峡船闸拥堵问题，从而减少社会运输成本。其生态压力指数0.49小于长江整体0.55，工程建设符合生态可持续发展理念。

4 结 论

基于航道生态可持续发展评价体系，综合航道开发、经济效益以及生态压力三类指标，开展了长江上游黄金航道生态可持续发展评价，得出如下结论：

1)长江航运能力已经接近饱和(一致性指数为1.0)，但整体开发率67%未达到开发阈值80%，存在进一步开发的较大空间。长江上游总体开发率较低，其生态压力指标远小于长江整体平均值，为缓解货运需求增长的压力，应决策建设生态保护优先下的航运能力提升工程，促进长江黄金水道综合效益发挥。

2)长江上游宜宾至重庆段航道开发率41%与长江整体67%差距较大，其开发潜力巨大。建议实施宜宾至重庆段Ⅱ级航道工程，航道开发率提升至55%，一致性指数降低至0.8，生态压力指数由0.33提升至0.47，仍不会超过长江整体生态压力指标0.55。从可持续发展指数来看，该工程有利于缓解货运需求增长的压力，符合生态环保要求，可提升航道高质量发展的总体可持续性。

3)三峡船闸拥堵严重，成为长江航运卡脖子瓶颈。建议实施三峡水运新通道工程，开发率由68%提升至69%，一致性指数由1.0降低至0.7，生态压力指数0.48略微增加至0.49，未达到长江整体生态压力指标。从可持续发展指数来看，该工程可大幅度增加三峡过坝运输能力，可解决船闸拥堵问题而减少社会运输成本，经济效益指数显著提升，符合生态环保要求，可提升长江航运高质量发展的总体可持续性。