王永興，周俊偉

(1.廣西壯族自治區(qū)港航發(fā)展中心，廣西 南寧 530029；2.交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津 濱海新區(qū) 300456)

內(nèi)河航運作為河流水資源綜合利用的重要手段，以其占地少、耗能低、污染小、成本低、運量大的優(yōu)勢，在現(xiàn)代綜合交通運輸體系中具有不可替代的重要地位。但是傳統(tǒng)的航道建設會對局部河段河勢及水沙、邊界條件帶來一定改變，從而對局部水生態(tài)帶來不利影響[1]。

新形勢下，進行內(nèi)河生態(tài)航道建設是解決上述問題的有效方案[2]。內(nèi)河生態(tài)航道建設將傳統(tǒng)航道功能與河流自然生態(tài)功能協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使河道在發(fā)揮航運基本功能的同時具有合理的生態(tài)系統(tǒng)結構、良好的整體景觀效果和穩(wěn)定的自我恢復能力[3]。內(nèi)河生態(tài)航道建設的核心是尋求內(nèi)河航道建設與河湖生態(tài)系統(tǒng)之間的客觀聯(lián)系，確定響應關系，通過運用生態(tài)技術，開發(fā)航道整治新材料、新結構，合理規(guī)劃工程設施布局等措施，實現(xiàn)航道建設與生態(tài)保護的協(xié)同發(fā)展。

歐美發(fā)達國家已逐漸發(fā)展形成“近自然河流治理”的觀念，強調(diào)遵循河流生態(tài)系統(tǒng)的自然規(guī)律，注重航道建設與運行過程中的生態(tài)環(huán)境恢復與保護。中國學者就內(nèi)河生態(tài)航道建設提出了植被固灘、開發(fā)生態(tài)護岸新結構、設計建設魚道、開發(fā)替代生境等一系列具體措施。本文從內(nèi)河生態(tài)航道建設的理論框架、生態(tài)航道工程調(diào)查與評價、內(nèi)河生態(tài)航道設計與建設技術3個方面介紹內(nèi)河生態(tài)航道建設，并結合內(nèi)河生態(tài)航道建設的發(fā)展現(xiàn)狀，對今后的研究工作提出展望。

1 內(nèi)河生態(tài)航道建設理論框架

國內(nèi)外內(nèi)河生態(tài)航道建設是伴隨著河流水環(huán)境治理和生態(tài)恢復展開的。國際上，西方國家在二戰(zhàn)后工業(yè)急劇發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，導致河流嚴重污染，20世紀50年代起，西方國家展開了以水污染控制為重點的河流水質(zhì)恢復工作。至80年代初期，河流污染問題緩解，河流保護工作逐漸從改善水質(zhì)轉換到小型和山區(qū)河流的生態(tài)恢復，一些內(nèi)河生態(tài)航道建設的理論框架相繼提出：如德國、瑞士等國家提出的“近自然河流治理”理論，日本提出的“近自然工事”理論和美國開展的“自然河道設計技術”等。到80年代末期，發(fā)展出以單一物種恢復為標志的大型河流恢復工程，如歐洲萊茵河“鮭魚-2000計劃”和美國“密蘇里河再自然化工程”等。90年代以來，發(fā)展為流域尺度的河流生態(tài)整體性恢復，例如“歐盟水框架指令”。

中國的內(nèi)河航道生態(tài)建設理論起步較晚，隨著河流管理逐漸從水污染治理到水生態(tài)修復轉變，近年來得到了逐步發(fā)展和重視。唐濤等[4]總結我國有關河流水質(zhì)狀況的研究主要借助化學手段，指出河流生態(tài)系統(tǒng)健康理論及評價體系應成為河流管理的主要依據(jù)。董哲仁[5]指出水利工程在滿足人類社會需求的同時，應兼顧淡水生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)性需求，首次提出“生態(tài)水工學”概念。王薇等[6]認為我國河流生態(tài)修復的研究與實踐多偏重于污染水體修復，注重水質(zhì)改善，強調(diào)應加強河流生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的修復研究。嚴登華等[7]提出在內(nèi)河生態(tài)航道建設中要對河流生態(tài)系統(tǒng)進行系統(tǒng)性、持續(xù)性監(jiān)測。王俊仕[8]則再一次強調(diào)內(nèi)河生態(tài)航道建設需要按照航道安全、生態(tài)環(huán)境、水資源利用、航道文化、航道區(qū)域等多方面進行評價，建立相應指標，研究內(nèi)河生態(tài)航道的等級劃分。

目前，內(nèi)河生態(tài)航道建設理論的初步框架已基本形成，包括理論研究、規(guī)劃設計、工程措施、監(jiān)測評估、管理維護和投資建設6個方面，見圖1。

圖1 內(nèi)河生態(tài)航道建設理論框架

2 生態(tài)航道工程調(diào)查與評價

2.1 航道工程生態(tài)調(diào)查

針對當前內(nèi)河航道工程水生態(tài)環(huán)境影響、珍稀瀕危水生生物保護、生物入侵等生態(tài)環(huán)境問題，以環(huán)境生化指標和水生生物(底棲動物)為對象，逐漸形成從生態(tài)護岸到航道水體的水陸一體的航道生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查監(jiān)測方法[9]。航道工程生態(tài)調(diào)查有助于全面掌握工程前、施工期、工程后的比較情況，觀測點一般涵蓋航道工程上游、工程結構關鍵位置、工程下游3個主要區(qū)域。監(jiān)測內(nèi)容包括：生物指標、生境指標、人為干擾指標、陸域生態(tài)現(xiàn)狀指標、生態(tài)環(huán)境敏感性指標、水環(huán)境敏感目標等；相關的監(jiān)測方法有：人工計數(shù)法、物理觀測法、化學試驗法等[10]。

2.2 航道水生態(tài)模擬技術

數(shù)學模型方面，航道水生態(tài)模擬從航道水力模擬的基礎上發(fā)展而來，在研究整治河段指示生物所需的生境因子(范圍)的基礎上，通過構建生境因子適宜度模型，模擬各生境參數(shù)的空間分布。近年來，關注流速適宜度、水深適宜度的二維水生態(tài)模擬方法已日趨成熟，新近的航道整治工程生態(tài)影響研究向溫度適宜度、含沙量適宜度、底質(zhì)適宜度等方向拓展，逐步從二維向三維模型發(fā)展，如航道三維水溫結構模擬模型、三維水沙-生態(tài)動力學模型等。

物理模型方面，航道水生態(tài)模擬可分為水槽試驗和縮尺試驗[11-12]。水槽試驗邊界條件簡單，多用以研究特定生態(tài)構型的基本物理特性、受保護魚類的行為學特征等，如研究生態(tài)護坡的抗沖刷能力、生態(tài)溝渠植被的局部水頭損失系數(shù)、典型魚類游泳特性等[13-15]?？s尺試驗根據(jù)研究區(qū)地形及河床特征建立正態(tài)模型，可準確模擬研究區(qū)流場分布，多用以特定河段的生態(tài)功能的評價和優(yōu)化[16]。縮尺物理模型結合棲息地適宜度指數(shù)、流速多樣性指數(shù)等，可模擬不同來流條件下的生態(tài)特征分布[17]。

2.3 航道工程影響評價

航道工程評價對象的類型有：渠化工程、整治工程、疏浚吹填工程、航道清礁工程等。不同類型航道工程引起的生態(tài)效應的廣度具有很大的差異，如渠化樞紐工程生態(tài)效應涉及的范圍較為廣泛，而整治工程、疏浚清礁工程生態(tài)效應的范圍相對較小且歷時短。

不同工程評價對象因規(guī)劃目標和約束邊界的不同而具有不同的生態(tài)功能要求，因此，相應的評價指標和標準應依據(jù)航道建設等級、建設階段及河流生態(tài)功能分區(qū)的差異，分階段、分對象構建。一般情況下，航道工程建設分為規(guī)劃可研、工程設計和工程施工3個階段；工程實施按類型可分為平面布置、渠化工程、整治工程、清礁工程、疏浚工程、設備工藝等內(nèi)容。航道工程水生態(tài)指標體系見圖2。

圖2 航道工程水生態(tài)指標體系

在航道工程水生態(tài)指標體系的基礎上，航道工程影響評價需要進行量化評估。根據(jù)對評價指標間邏輯關系的理解和各項指標閾值的測定，建立評價數(shù)學模型或指標敏感性分析方法對評價結果進行分等定級，最終完成生態(tài)航道的量化評價。相應的等級數(shù)學模型有：線性等級模型、階梯等級模型、梯形等級模型等。

3 內(nèi)河生態(tài)航道設計與建設技術

3.1 生態(tài)岸坡整治新結構

生態(tài)岸坡整治新結構兼顧航道整治功能和河流生態(tài)修復保護功能，研究成果主要集中在各類魚槽磚、生態(tài)岸坡材料、植被固灘構型等領域[18]。與傳統(tǒng)岸坡相比，生態(tài)型岸坡額外考慮結構自身透水性、多樣流態(tài)營造能力、促淤和微生境營造方面的能力[19]。其材料以天然竹、木、卵石、貝殼和石材等天然材料為主，或者采用生態(tài)型混凝土、防腐耐磨的鍍高爾凡鋼絲和其他可降解的人工材料等[20]，這些材料有一定的透水性、易附著、可作為有機生長基質(zhì)，有利于河濱帶植物、底棲、浮游生物、魚類等的生長和棲息。

目前，歐洲萊茵—美因—多瑙運河、中國長江、京杭運河等主要通航河流上已經(jīng)應用了許多透空形、自帶孔隙和孔洞的混凝土預制構件，或合金鋼絲石籠網(wǎng)等適宜生物附著、隱蔽、繁殖產(chǎn)卵和具備植物生長基質(zhì)的結構形式，在應用河段起到了積極效果，改善了河濱淺水生境。圖3是德國斯普雷河上的板樁復合護岸。

圖3 德國斯普雷河板樁復合護岸

3.2 生態(tài)護灘(底)、生態(tài)壩體新結構

生態(tài)護灘(底)技術相比于傳統(tǒng)硬質(zhì)護灘結構，通過優(yōu)化橫斷面布置、鏤空混凝土塊體結構、鋪設大孔土工格柵等方式給植被留以充分生長空間，能有效保護灘地生態(tài)環(huán)境[21]。相關研究主要集中在耐淹植物挑選、植物護灘結構設計、新型混凝土塊結構設計等方面[22]。其中，大孔土工格柵加十字聯(lián)鎖塊壓載護底的新型生態(tài)護灘結構在長江中下游航道整治工程中應用廣泛[23]。相比于傳統(tǒng)剛性護灘結構，生態(tài)護灘結構堅固美觀、對環(huán)境影響小[24]。采用生態(tài)型護灘能減少石材用量，降低施工成本，產(chǎn)生額外的經(jīng)濟效益。

生態(tài)壩體新結構的研究主要集中在大壩泄水消能降噪和對傳統(tǒng)混凝土面板堆石壩面的生態(tài)化改造上[25]。泄水降噪能顯著降低航電樞紐泄水運行的噪聲污染，促成水生態(tài)、人文、社會的進一步和諧。泄流結構優(yōu)化設計、水工模型試驗是實現(xiàn)大壩泄水降噪的主要研究手段。生態(tài)壩面改造技術主要用來改善傳統(tǒng)的混凝土面板堆石壩壩面無土壤附著，植物、微生物生長條件差的現(xiàn)狀，目前應用較廣的方案有植生袋和固土種植2種[26]?，F(xiàn)有的生態(tài)壩坡技術能在保證大壩壩坡不變且不影響大壩主體結構安全、穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)傳統(tǒng)混凝土壩與環(huán)境融合，但仍存在保水性較差、管護成本高的問題。

3.3 疏浚土資源化利用

疏浚土包括清礁工程產(chǎn)生的礁石碎渣和疏浚工程產(chǎn)生的疏浚泥。清礁工程產(chǎn)生的礁石碎渣是天然的石材，可用于河床底質(zhì)恢復、邊灘生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)營造、局部流態(tài)改善和石籠充填料等方面。疏浚泥的資源化利用主要有2類：一類是利用疏浚土吹填造陸，為鳥類、野生動物營造島、灘、濕地等的棲息場所，見圖4；另一類是以疏浚泥為主要原料制備人工塊體，輔以機械力和水化等作用提高密實度和強度，通過添加纖維、減縮劑等提高強度，如何降低制備成本是這類研究的關鍵問題[27]。

圖4 美國密蘇里河疏浚土吹填造島(灘)

3.4 魚道與過魚設施

航電樞紐阻隔水生生物洄游通道，給洄游型魚類的繁衍造成了嚴重不利影響[28]。魚道與過魚設施是恢復河流生物洄游通道的生態(tài)保護措施，魚類行為學研究是過魚設施的設計基礎。與過魚設施相關的魚類行為特征主要是魚的游泳能力，指標包括感應流速、持續(xù)游泳速度、耐久游泳速度、臨界游泳速度、突進游泳速度等。

過魚設施按類型可分為：升魚機、集運魚移動平臺、仿自然通道、豎縫魚道等。將過魚設施水力學特征與魚類洄游行為特征相匹配是保障過魚效率的關鍵，包括魚道進口位置的選擇、魚道運行的流速、流量等。此外，近年來基于聲、光、電技術開發(fā)的集魚、誘魚、驅魚技術逐漸成為除過魚通道水力環(huán)境優(yōu)化以外的重要過魚輔助手段。

3.5 內(nèi)河生態(tài)航道設計與布局

內(nèi)河生態(tài)航道設計與布局需要兼顧多目標如行洪、通航、生態(tài)、景觀等的綜合需求，結合河勢和岸線的特點，因地制宜地從布局上制定工程方案，其本質(zhì)是從規(guī)劃階段對河流行洪空間、生物棲息空間和航行空間進行合理配置。我國河流生態(tài)修復的研究與實踐多偏重于污染水體的修復，注重水質(zhì)的改善，而不強調(diào)河流生態(tài)系統(tǒng)結構、功能的修復，此類研究在我國實際應用仍較少[29]，相關設計與布局方式可學習歐美發(fā)達國家的經(jīng)驗。

圖5是萊茵河上游的一段航道，德國卡爾斯魯厄市通過在右側河流凸岸10條整治丁壩群壩身上設置缺口，制造連線的過流通道，實現(xiàn)了壩田區(qū)破碎生境的連接，形成了近岸幼魚洄游通道，擴大了壩田區(qū)魚類棲息生境。這一布局同時滿足了主航道2 000噸級單船和4 000噸級頂推船隊的通航需求，以及壩田區(qū)魚類、野鴨、天鵝的棲息需求，航道改善與棲息地保護相得益彰。

圖5 萊茵河德國卡爾斯魯厄河段航道工程布局

圖6是美國密西西比河上一種布置于航槽一側的鈍頭V字壩。壩后可形成半封閉的靜水區(qū)域，為魚類棲息提供庇護場地；壩后淤積水下淺灘，水深較淺，光照充足，水溫適宜，利于水生植物生長。這類內(nèi)河生態(tài)航道的設計主要是通過航道整治建筑物自身特點，改善局部流態(tài)，營造水域棲息空間，從而實現(xiàn)航道工程生態(tài)保護的目的。

圖6 美國密西西比河鈍頭V字壩

4 結論與建議

1)內(nèi)河生態(tài)航道相關研究包括理論研究、規(guī)劃設計、工程措施、監(jiān)測評估、管理維護和投資建設6個方面，內(nèi)河生態(tài)航道建設有利于傳統(tǒng)航道功能與河流自然生態(tài)功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2)近年來，國內(nèi)對內(nèi)河生態(tài)航道建設理論與技術積極探索，取得了一定進展，但生態(tài)航道建設技術水平還不適應航道擴能升級的需要，下一步需要重點開展生態(tài)航道架構及評價方法、生態(tài)整治新材料新結構、生態(tài)修復、生態(tài)航道影響與效應監(jiān)測、工程效果評價和疏浚土資源化利用方面的理論與技術研究。

3)內(nèi)河生態(tài)航道建設方興未艾，代表著內(nèi)河航道的發(fā)展趨勢，下階段應緊密跟蹤生態(tài)航道技術前沿，主動謀劃綠色航運發(fā)展規(guī)劃，加強國內(nèi)外生態(tài)航道前沿技術的交流與合作，提升生態(tài)航道建設水平。