内河生态航道建设综述*

2022-09-16王永兴周俊伟

水运工程 2022年9期

王永兴，周俊伟

(1.广西壮族自治区港航发展中心，广西南宁 530029；2.交通运输部天津水运工程科学研究院，天津滨海新区 300456)

内河航运作为河流水资源综合利用的重要手段，以其占地少、耗能低、污染小、成本低、运量大的优势，在现代综合交通运输体系中具有不可替代的重要地位。但是传统的航道建设会对局部河段河势及水沙、边界条件带来一定改变，从而对局部水生态带来不利影响[1]。

新形势下，进行内河生态航道建设是解决上述问题的有效方案[2]。内河生态航道建设将传统航道功能与河流自然生态功能协调统一，使河道在发挥航运基本功能的同时具有合理的生态系统结构、良好的整体景观效果和稳定的自我恢复能力[3]。内河生态航道建设的核心是寻求内河航道建设与河湖生态系统之间的客观联系，确定响应关系，通过运用生态技术，开发航道整治新材料、新结构，合理规划工程设施布局等措施，实现航道建设与生态保护的协同发展。

欧美发达国家已逐渐发展形成“近自然河流治理”的观念，强调遵循河流生态系统的自然规律，注重航道建设与运行过程中的生态环境恢复与保护。中国学者就内河生态航道建设提出了植被固滩、开发生态护岸新结构、设计建设鱼道、开发替代生境等一系列具体措施。本文从内河生态航道建设的理论框架、生态航道工程调查与评价、内河生态航道设计与建设技术3个方面介绍内河生态航道建设，并结合内河生态航道建设的发展现状，对今后的研究工作提出展望。

1 内河生态航道建设理论框架

国内外内河生态航道建设是伴随着河流水环境治理和生态恢复展开的。国际上，西方国家在二战后工业急剧发展，城市规模不断扩大，导致河流严重污染，20世纪50年代起，西方国家展开了以水污染控制为重点的河流水质恢复工作。至80年代初期，河流污染问题缓解，河流保护工作逐渐从改善水质转换到小型和山区河流的生态恢复，一些内河生态航道建设的理论框架相继提出：如德国、瑞士等国家提出的“近自然河流治理”理论，日本提出的“近自然工事”理论和美国开展的“自然河道设计技术”等。到80年代末期，发展出以单一物种恢复为标志的大型河流恢复工程，如欧洲莱茵河“鲑鱼-2000计划”和美国“密苏里河再自然化工程”等。90年代以来，发展为流域尺度的河流生态整体性恢复，例如“欧盟水框架指令”。

中国的内河航道生态建设理论起步较晚，随着河流管理逐渐从水污染治理到水生态修复转变，近年来得到了逐步发展和重视。唐涛等[4]总结我国有关河流水质状况的研究主要借助化学手段，指出河流生态系统健康理论及评价体系应成为河流管理的主要依据。董哲仁[5]指出水利工程在满足人类社会需求的同时，应兼顾淡水生态系统健康与可持续性需求，首次提出“生态水工学”概念。王薇等[6]认为我国河流生态修复的研究与实践多偏重于污染水体修复，注重水质改善，强调应加强河流生态系统结构和功能的修复研究。严登华等[7]提出在内河生态航道建设中要对河流生态系统进行系统性、持续性监测。王俊仕[8]则再一次强调内河生态航道建设需要按照航道安全、生态环境、水资源利用、航道文化、航道区域等多方面进行评价，建立相应指标，研究内河生态航道的等级划分。

目前，内河生态航道建设理论的初步框架已基本形成，包括理论研究、规划设计、工程措施、监测评估、管理维护和投资建设6个方面，见图1。

图1 内河生态航道建设理论框架

2 生态航道工程调查与评价

2.1 航道工程生态调查

针对当前内河航道工程水生态环境影响、珍稀濒危水生生物保护、生物入侵等生态环境问题，以环境生化指标和水生生物(底栖动物)为对象，逐渐形成从生态护岸到航道水体的水陆一体的航道生态系统调查监测方法[9]。航道工程生态调查有助于全面掌握工程前、施工期、工程后的比较情况，观测点一般涵盖航道工程上游、工程结构关键位置、工程下游3个主要区域。监测内容包括：生物指标、生境指标、人为干扰指标、陆域生态现状指标、生态环境敏感性指标、水环境敏感目标等；相关的监测方法有：人工计数法、物理观测法、化学试验法等[10]。

2.2 航道水生态模拟技术

数学模型方面，航道水生态模拟从航道水力模拟的基础上发展而来，在研究整治河段指示生物所需的生境因子(范围)的基础上，通过构建生境因子适宜度模型，模拟各生境参数的空间分布。近年来，关注流速适宜度、水深适宜度的二维水生态模拟方法已日趋成熟，新近的航道整治工程生态影响研究向温度适宜度、含沙量适宜度、底质适宜度等方向拓展，逐步从二维向三维模型发展，如航道三维水温结构模拟模型、三维水沙-生态动力学模型等。

物理模型方面，航道水生态模拟可分为水槽试验和缩尺试验[11-12]。水槽试验边界条件简单，多用以研究特定生态构型的基本物理特性、受保护鱼类的行为学特征等，如研究生态护坡的抗冲刷能力、生态沟渠植被的局部水头损失系数、典型鱼类游泳特性等[13-15]。缩尺试验根据研究区地形及河床特征建立正态模型，可准确模拟研究区流场分布，多用以特定河段的生态功能的评价和优化[16]。缩尺物理模型结合栖息地适宜度指数、流速多样性指数等，可模拟不同来流条件下的生态特征分布[17]。

2.3 航道工程影响评价

航道工程评价对象的类型有：渠化工程、整治工程、疏浚吹填工程、航道清礁工程等。不同类型航道工程引起的生态效应的广度具有很大的差异，如渠化枢纽工程生态效应涉及的范围较为广泛，而整治工程、疏浚清礁工程生态效应的范围相对较小且历时短。

不同工程评价对象因规划目标和约束边界的不同而具有不同的生态功能要求，因此，相应的评价指标和标准应依据航道建设等级、建设阶段及河流生态功能分区的差异，分阶段、分对象构建。一般情况下，航道工程建设分为规划可研、工程设计和工程施工3个阶段；工程实施按类型可分为平面布置、渠化工程、整治工程、清礁工程、疏浚工程、设备工艺等内容。航道工程水生态指标体系见图2。

图2 航道工程水生态指标体系

在航道工程水生态指标体系的基础上，航道工程影响评价需要进行量化评估。根据对评价指标间逻辑关系的理解和各项指标阈值的测定，建立评价数学模型或指标敏感性分析方法对评价结果进行分等定级，最终完成生态航道的量化评价。相应的等级数学模型有：线性等级模型、阶梯等级模型、梯形等级模型等。

3 内河生态航道设计与建设技术

3.1 生态岸坡整治新结构

生态岸坡整治新结构兼顾航道整治功能和河流生态修复保护功能，研究成果主要集中在各类鱼槽砖、生态岸坡材料、植被固滩构型等领域[18]。与传统岸坡相比，生态型岸坡额外考虑结构自身透水性、多样流态营造能力、促淤和微生境营造方面的能力[19]。其材料以天然竹、木、卵石、贝壳和石材等天然材料为主，或者采用生态型混凝土、防腐耐磨的镀高尔凡钢丝和其他可降解的人工材料等[20]，这些材料有一定的透水性、易附着、可作为有机生长基质，有利于河滨带植物、底栖、浮游生物、鱼类等的生长和栖息。

目前，欧洲莱茵—美因—多瑙运河、中国长江、京杭运河等主要通航河流上已经应用了许多透空形、自带孔隙和孔洞的混凝土预制构件，或合金钢丝石笼网等适宜生物附着、隐蔽、繁殖产卵和具备植物生长基质的结构形式，在应用河段起到了积极效果，改善了河滨浅水生境。图3是德国斯普雷河上的板桩复合护岸。

图3 德国斯普雷河板桩复合护岸

3.2 生态护滩(底)、生态坝体新结构

生态护滩(底)技术相比于传统硬质护滩结构，通过优化横断面布置、镂空混凝土块体结构、铺设大孔土工格栅等方式给植被留以充分生长空间，能有效保护滩地生态环境[21]。相关研究主要集中在耐淹植物挑选、植物护滩结构设计、新型混凝土块结构设计等方面[22]。其中，大孔土工格栅加十字联锁块压载护底的新型生态护滩结构在长江中下游航道整治工程中应用广泛[23]。相比于传统刚性护滩结构，生态护滩结构坚固美观、对环境影响小[24]。采用生态型护滩能减少石材用量，降低施工成本，产生额外的经济效益。

生态坝体新结构的研究主要集中在大坝泄水消能降噪和对传统混凝土面板堆石坝面的生态化改造上[25]。泄水降噪能显著降低航电枢纽泄水运行的噪声污染，促成水生态、人文、社会的进一步和谐。泄流结构优化设计、水工模型试验是实现大坝泄水降噪的主要研究手段。生态坝面改造技术主要用来改善传统的混凝土面板堆石坝坝面无土壤附着，植物、微生物生长条件差的现状，目前应用较广的方案有植生袋和固土种植2种[26]。现有的生态坝坡技术能在保证大坝坝坡不变且不影响大坝主体结构安全、稳定性的前提下，实现传统混凝土坝与环境融合，但仍存在保水性较差、管护成本高的问题。

3.3 疏浚土资源化利用

疏浚土包括清礁工程产生的礁石碎渣和疏浚工程产生的疏浚泥。清礁工程产生的礁石碎渣是天然的石材，可用于河床底质恢复、边滩生态涵养区营造、局部流态改善和石笼充填料等方面。疏浚泥的资源化利用主要有2类：一类是利用疏浚土吹填造陆，为鸟类、野生动物营造岛、滩、湿地等的栖息场所，见图4；另一类是以疏浚泥为主要原料制备人工块体，辅以机械力和水化等作用提高密实度和强度，通过添加纤维、减缩剂等提高强度，如何降低制备成本是这类研究的关键问题[27]。

图4 美国密苏里河疏浚土吹填造岛(滩)

3.4 鱼道与过鱼设施

航电枢纽阻隔水生生物洄游通道，给洄游型鱼类的繁衍造成了严重不利影响[28]。鱼道与过鱼设施是恢复河流生物洄游通道的生态保护措施，鱼类行为学研究是过鱼设施的设计基础。与过鱼设施相关的鱼类行为特征主要是鱼的游泳能力，指标包括感应流速、持续游泳速度、耐久游泳速度、临界游泳速度、突进游泳速度等。

过鱼设施按类型可分为：升鱼机、集运鱼移动平台、仿自然通道、竖缝鱼道等。将过鱼设施水力学特征与鱼类洄游行为特征相匹配是保障过鱼效率的关键，包括鱼道进口位置的选择、鱼道运行的流速、流量等。此外，近年来基于声、光、电技术开发的集鱼、诱鱼、驱鱼技术逐渐成为除过鱼通道水力环境优化以外的重要过鱼辅助手段。

3.5 内河生态航道设计与布局

内河生态航道设计与布局需要兼顾多目标如行洪、通航、生态、景观等的综合需求，结合河势和岸线的特点，因地制宜地从布局上制定工程方案，其本质是从规划阶段对河流行洪空间、生物栖息空间和航行空间进行合理配置。我国河流生态修复的研究与实践多偏重于污染水体的修复，注重水质的改善，而不强调河流生态系统结构、功能的修复，此类研究在我国实际应用仍较少[29]，相关设计与布局方式可学习欧美发达国家的经验。

图5是莱茵河上游的一段航道，德国卡尔斯鲁厄市通过在右侧河流凸岸10条整治丁坝群坝身上设置缺口，制造连线的过流通道，实现了坝田区破碎生境的连接，形成了近岸幼鱼洄游通道，扩大了坝田区鱼类栖息生境。这一布局同时满足了主航道2 000吨级单船和4 000吨级顶推船队的通航需求，以及坝田区鱼类、野鸭、天鹅的栖息需求，航道改善与栖息地保护相得益彰。