生態(tài)航道系統(tǒng)內(nèi)涵及評價方法

劉金林, 張世寶, 王二平

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046)

航道工程擔(dān)負(fù)著我國航運、發(fā)電、灌溉、旅游、漁業(yè)等方面經(jīng)濟建設(shè)的使命。傳統(tǒng)的航道建設(shè)主要在于開辟安全航道,僅考慮航道等級、河床演變、通航保證率、淺灘類型等與航道整治相關(guān)的因素[1]。黨的十八大以來,我國將生態(tài)文明建設(shè)作為五位一體總體布局的重要組成部分,從戰(zhàn)略高度加以推進。航道建設(shè)也向生態(tài)化發(fā)展,多種概念和理論、評價方法、整治措施并舉。例如依托國家重點研發(fā)項目,開展了對長江荊江段、南京至瀏河口等河段的生態(tài)航道技術(shù)研究。李天宏等[2-3]認(rèn)為目前國內(nèi)外對于生態(tài)航道評價體系研究基本上仍處于空白,并針對長江荊江段進行了該方面的研究;匡舒雅等[4]針對長江南京至瀏河口段構(gòu)建了生態(tài)航道評價指標(biāo)體系;劉懷漢等[5]對長江生態(tài)航道的整治和管理技術(shù)進行了分析和概述。目前,國內(nèi)對生態(tài)航道的定義缺乏統(tǒng)一界定。本文將綜合分析國內(nèi)對生態(tài)航道的定義,提出生態(tài)航道系統(tǒng)的概念,并分析其評價方法,最后提出若干整治措施。

1 生態(tài)航道系統(tǒng)理論

1.1 生態(tài)航道發(fā)展悖論

生態(tài)指的是生物在一定自然環(huán)境下生存和發(fā)展的狀態(tài)。生態(tài)環(huán)境則是指生物或種群周圍的生物和非生物成分的總和。在無人類活動的自然狀態(tài)下的原始河道中,通常保持著良好的生態(tài)環(huán)境,進行航道工程的建設(shè)必然對河道的原始生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞。而對已建設(shè)航道工程的河道進行生態(tài)化建設(shè),通過一定的方法、措施和手段使河道恢復(fù)其原有的生態(tài)環(huán)境,則不利于航道工程的經(jīng)濟化、社會化發(fā)展。從邏輯學(xué)上看,航道發(fā)展與生態(tài)發(fā)展是一對矛盾,因此出現(xiàn)了生態(tài)航道發(fā)展的悖論,或者說是航道生態(tài)化發(fā)展的悖論。但從唯物辯證法的角度來看,航道發(fā)展與生態(tài)發(fā)展相互聯(lián)系、相互影響只是其發(fā)展的外因,而內(nèi)在矛盾才是二者發(fā)展的內(nèi)因,二者具有對立統(tǒng)一規(guī)律[6]。因此,應(yīng)尋找某種平衡點或某種方法,既滿足河道中航道經(jīng)濟化、社會化建設(shè)的需要,又滿足河道生態(tài)恢復(fù)、人水和諧的需要。

1.2 生態(tài)航道系統(tǒng)的概念

目前,國內(nèi)對生態(tài)航道的定義并無統(tǒng)一的界定,已有的定義中更著重于對生態(tài)建設(shè)與航道建設(shè)關(guān)系層面的闡述。比如劉均衛(wèi)[7]在2015年提出,生態(tài)航道是在傳統(tǒng)航道整治中引入生態(tài)學(xué)原理,根據(jù)河道的現(xiàn)狀與功能進行生態(tài)設(shè)計,在滿足通航、防洪、排澇等需求的同時,兼顧生態(tài)系統(tǒng)健康的需求,實現(xiàn)河道生態(tài)系統(tǒng)不斷趨向更高水平的平衡。此定義著重強調(diào)了生態(tài)航道的原理和發(fā)展目標(biāo),但缺乏概念上的前后對應(yīng),生態(tài)航道應(yīng)屬航道的一種或具有某種特點的航道。薛智博[1]在2018年提出,生態(tài)航道是指在保證航道安全、暢通的前提下,以修復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)為目標(biāo),通過建設(shè)生態(tài)護岸等工程技術(shù)手段,維系和重塑一個相對自然穩(wěn)定和健康開放的河流生態(tài)系統(tǒng),以實現(xiàn)河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,構(gòu)建人水和諧理想環(huán)境的通航航道。此定義除強調(diào)生態(tài)航道的發(fā)展目標(biāo)外,還強調(diào)了實現(xiàn)手段,依舊缺乏對生態(tài)航道特點的描述。

航道一詞既具有航道工程的廣義概念,又具有河道內(nèi)通航水體的狹義概念。對于河道內(nèi)用于通航部分的水體的生態(tài)建設(shè),實質(zhì)上只是減少因通航對水體造成的負(fù)面影響,若要完全進行生態(tài)建設(shè)即完全消除負(fù)面影響,則會對通航造成不利。而航道的實質(zhì),不應(yīng)單純局限于部分水體及河底,還應(yīng)包括河道邊坡和岸邊部分土地,即航道工程。生態(tài)治理措施應(yīng)著重放在航道工程中除通航水體外的部分。因此,基于航道的廣義層次,提出生態(tài)航道系統(tǒng)的概念。

生態(tài)航道系統(tǒng)指的是,河道中的水體通航部分、相關(guān)航道建筑物及維護設(shè)施對自然的影響降到最低,通航水體周邊范圍的河道通過一定方法恢復(fù)或維持其原有生態(tài)環(huán)境，達到“人水和諧”狀態(tài)的河道系統(tǒng)。

1.3 生態(tài)航道系統(tǒng)的內(nèi)涵

1.3.1 降低通航對水體的影響

為了保障河流的通航功能和水運的經(jīng)濟發(fā)展,對于河道內(nèi)通航水體,雖無法完全消除人類活動的影響,也應(yīng)著重采取相應(yīng)措施來降低因通航、疏浚等人為因素對水體造成的影響。如何對這部分水體的優(yōu)化程度進行評價,還需要進一步的理論研究和生產(chǎn)實踐。

1.3.2 改善和維持岸邊生態(tài)環(huán)境

對于河道岸邊及岸旁的土地,應(yīng)以恢復(fù)原始生態(tài)環(huán)境為目標(biāo),靈活運用治理手段。對于生態(tài)環(huán)境較好的岸邊,應(yīng)注重維持和管理,避免因人類活動而造成不利影響。若要發(fā)展旅游、人水和諧文化,相關(guān)部門需統(tǒng)籌規(guī)劃,嚴(yán)格管理,使岸邊生態(tài)環(huán)境總體積極發(fā)展。

1.3.3 水體與岸邊生態(tài)建設(shè)相統(tǒng)一

對于整個生態(tài)航道系統(tǒng)來說,應(yīng)遵從總體趨向生態(tài)化而局部開發(fā)的原則。河道岸邊的生態(tài)化建設(shè)要與河道內(nèi)通航水體的減污、凈化等措施結(jié)合起來,避免出現(xiàn)治理輕、污染重的情況,保證生態(tài)治理趨于良性循環(huán)。

2 生態(tài)航道評價方法

2.1 生態(tài)足跡法

MATHIS Wackernagel等在1999年提出了生態(tài)足跡的概念[8],任何已知人口的生態(tài)足跡是生產(chǎn)他們所消費的所有資源和吸納他們所產(chǎn)生的所有廢棄物所需要的生物生產(chǎn)土地的總面積和水資源量[9]。建立生態(tài)航道系統(tǒng)的生態(tài)足跡模型,有助于充分了解對河道航運功能的需求與河道所能提供的生態(tài)服務(wù)之間的差距。生態(tài)足跡模型主要包括工程直接占用土地和能源消耗兩部分內(nèi)容,根據(jù)張志強等在2000年提出的生態(tài)足跡計算公式[9],對其在生態(tài)航道系統(tǒng)中做出適配,得到生態(tài)航道系統(tǒng)生態(tài)足跡的計算公式:

Fe=Nfe=N∑(ai)=N∑(Ci/Pi)。

式中:Fe為生態(tài)航道系統(tǒng)生態(tài)足跡總和;N為人口數(shù);fe為人均生態(tài)足跡;ai為人均第i種航運生產(chǎn)類型所占用的河體或土地面積;Pi為第i種航運生產(chǎn)類型的平均生產(chǎn)能力;Ci為第i種航運生產(chǎn)類型的人均受益量 。

利用上式,可根據(jù)人類利用資源的能力動態(tài)地得出生態(tài)足跡指標(biāo)。但該模型只考慮了經(jīng)濟因素對環(huán)境的影響,而忽略了河體或土地利用中其他的影響因素,故計算結(jié)果可能超出生態(tài)航道系統(tǒng)的實際生態(tài)狀況。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)法

根據(jù)鄧聚龍教授在1983年提出的灰色系統(tǒng)(Grey System)理論[10]可類比分析得出,生態(tài)航道系統(tǒng)評價中已知的特性比如生物種類、平均年降雨量、平均年徑流量、某一時段的平均通航量等為白色系統(tǒng),而未知的特性比如生態(tài)承載力、經(jīng)濟發(fā)展可持續(xù)能力、河床演變新水沙條件下的航道承載力等為黑色系統(tǒng)。生態(tài)航道系統(tǒng)中既有白色的特性,又有黑色的特性,構(gòu)成了生態(tài)航道灰色體系。

根據(jù)生態(tài)航道灰色體系,可針對某一項建設(shè)工程比如生態(tài)護坡治理或河流水質(zhì)治理,也可針對宏觀的生態(tài)航道系統(tǒng),通過層層細(xì)化再統(tǒng)籌結(jié)合的方式來建立綜合評價指標(biāo)體系?？蓪⒃撛u價指標(biāo)體系分為3層:目標(biāo)層、子目標(biāo)層、指標(biāo)層。目標(biāo)層為生態(tài)航道系統(tǒng)中某工程建設(shè)的最優(yōu)化狀態(tài)；子目標(biāo)層則為構(gòu)筑該最優(yōu)化狀態(tài)的若干特性；指標(biāo)層則為評價子目標(biāo)中特性的若干指標(biāo)。評價指標(biāo)體系構(gòu)建后，對指標(biāo)層各指標(biāo)依據(jù)工程需要進行權(quán)重分配與評價等級劃分,不同評價等級所對應(yīng)的分?jǐn)?shù)[11]乘以其所占的權(quán)重即為某指標(biāo)的特征值。指標(biāo)層的特征值可形成原始決策矩陣[12]:

式中:B為原始決策矩陣;m為生態(tài)建設(shè)工程的待選方案數(shù);n為評價指標(biāo)體系中的指標(biāo)數(shù);bij為原始決策矩陣B中第i項方案的第j項評價指標(biāo)數(shù)據(jù)。

使用灰色關(guān)聯(lián)法模型可以在幾種生態(tài)航道系統(tǒng)建設(shè)方案中找出最優(yōu)方案；然而其指標(biāo)層特征值的確定是基于模糊集理論,各指標(biāo)的特征值越精確,得出的解就會越優(yōu)。

生態(tài)足跡法與灰色關(guān)聯(lián)法各有其特點,兩種方法可以互補使用,從而對生態(tài)航道系統(tǒng)進行更加科學(xué)的綜合評價。由于生態(tài)足跡法重點考慮的是經(jīng)濟因素對環(huán)境的影響,故在進行綜合評價時,可將灰色體系中的相關(guān)指標(biāo)提取出來,結(jié)合生態(tài)足跡法來進行評價。這樣既解決了生態(tài)足跡法評價因素不全面的問題,也能使灰色體系中黑色模糊指標(biāo)的特征值趨于精確。

3 生態(tài)航道系統(tǒng)整治措施

3.1 生態(tài)護岸

生態(tài)護岸是一種利用植物根系或天然材料來維持河岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,實現(xiàn)人類活動與自然和諧統(tǒng)一的護岸形式[13]。它代替了傳統(tǒng)的混凝土整體護砌形式, 減輕或避免了對土壤環(huán)境的改變以及對動植物棲息地的破壞。

可以通過種植蘆葦、柳樹等耐水植物來滿足護岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求和抗沖刷要求。種植時,可同時施播天然無公害肥料,促使植物根系快速生長;還應(yīng)注意植株間隔,避免過密影響植物光合作用或過疏影響根系對岸坡的保護作用。

3.2 生態(tài)擋土墻

目前,國內(nèi)生態(tài)擋土墻的主要形式有生態(tài)混凝土擋土墻、土工格室擋土墻、生態(tài)袋擋土墻、自嵌式植生擋土墻和石籠網(wǎng)格擋土墻[14]。在生態(tài)建設(shè)方面,生態(tài)袋擋土墻能夠提供植物生長足夠的土壤厚度;生態(tài)混凝土擋土墻中提供了植物生長所需的土和肥料,更利于植被以及護岸生態(tài)系統(tǒng)的形成;石籠網(wǎng)格擋土墻與自嵌式植生擋土墻的透水性能好,更有利于浮游生物的生長。在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面,土工格擋土墻耐久性良好,結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,其格室上亦可進行植物種植。針對具體的生態(tài)治理工程,可在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,因地制宜,綜合選用合適的生態(tài)擋土墻。

3.3 水體污染治理措施

對于河道內(nèi)水體污染的治理,要管控與治理相結(jié)合。

首先,河道生態(tài)管理機制要明確,可結(jié)合當(dāng)前“河長制”的管理體系[15],將具有通航功能的河道,針對其特殊性納入“河長制”管理體系中,在通航水體治理的同時,嚴(yán)格把控河道沿岸工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水的排放。航道工程相關(guān)的管理部門應(yīng)嚴(yán)格把控通航頻率,淘汰排放超標(biāo)、污染嚴(yán)重的船只,禁止船只的餐飲、衛(wèi)生用水和垃圾等向航道內(nèi)直排。

其次,結(jié)合多科學(xué)多領(lǐng)域建立長效的水生態(tài)恢復(fù)機制。針對不同的污染源研究治理措施,使水體內(nèi)氮、磷、重金屬等的含量降至安全水平,逐漸恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性。

4 結(jié)語

生態(tài)航道系統(tǒng)的建設(shè)是滿足經(jīng)濟發(fā)展需求與生態(tài)發(fā)展需求相結(jié)合的必然要求,其過程并不是全局生態(tài)化,而是在對自然環(huán)境產(chǎn)生的影響最低的基礎(chǔ)上只進行局部開發(fā)。對河道通航水體、航道工程相關(guān)建筑物及岸邊部分土地進行生態(tài)化發(fā)展,不同的區(qū)域采取不同的標(biāo)準(zhǔn)和措施。對各類工程措施和現(xiàn)有生態(tài)航道系統(tǒng)進行科學(xué)評價,采取最優(yōu)化的方案,從而使整個航道系統(tǒng)總體向生態(tài)化發(fā)展,以滿足現(xiàn)代工程發(fā)展的趨勢。