基于矩阵式方法的航道整治工程生态影响研究
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作者:刘怀湘 朱明成
摘要：在长江等重点航道的开发中，针对航道整治工程的生态影响研究的重要性与日俱增。本文采用了一种矩阵式方法，对生态影响进行了两个维度的二元划分，并按航道工程类型、栖息地环境因子的组合构成了多要素影响矩阵;再基于环境因子影响分析的权重组合，进一步归纳工程各阶段对各类水生生物的影响，从而有利于开展更为标准化的工程综合对策研究。
关键词：航道;整治工程;生态影响
中图分类号：X826 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）03-000-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.005
The matrix style study on ecological effect of navigation channels’ regulation projects
Liu Huaixiang，Zhu Mingcheng
（Nanjing Hydraulic Research Institute， State Key Laboratory of Hydrology，Water Resources and Hydraulic Engineering Science，Nanjing Jiangsu 210029，China）
Abstract：Studies on ecological effect of navigation channels’ regulation projects became more important in Yangtze River exploitation. In this paper a matrix style method was adopted. Firstly， two dimensions of ecological effect were divided and the multi-elements matrix was formed according to combinations of different projects and aquatic habitat factors. Then the projects’ effects on aquatic organisms were further concluded based on weight analysis of factors. Finally， more standard studies on ecological strategies can be anticipated.
Key words：Navigation channel;Regulation projects;Ecological effect
长江航道流经云南、四川、重庆、湖南、湖北、江西、安徽、江苏、上海七省二市，连接了重庆、武汉、南京、上海等大型交通枢纽城市以及其他33 个中小城市，是我国唯一贯穿东、中、西部地区的水路运输大动脉[1]。其中长江干线航道自云南水富至长江入海口计，全长2838 km。长江作为构建长江经济带综合立体交通走廊的主骨架，在航运方面具有独特优势和巨大发展潜力，在流域经济社会发展中的地位极其重要。随着加快长江等内河水运发展和长江经济带发展等国家战略的深入推进，加强长江航道治理已成为长江流域发展的重点工作。
根据长江航道历年实施的航道整治工程来看，主要工程类型包括炸礁工程[2]、疏浚工程[3]、守护工程（含护滩、护底、护岸等相似性质的工程）、筑坝工程（含不同高度、角度、相对位置的潜坝、顺坝、丁坝等工程）。此外，在航道整治工程完工后的運行、维护阶段，往往会带来另一种间接的人类活动影响，即航运变化，一般包括航运船只吨位的提升和船只数量、频次的增加。当然，偶然也可能出现反向变化，即航运量的减小，一般出现在主航道线路调整的整治工程中，如分汊河道中采用其他汊道作为主航道。相比于其他“静态”的工程，这种航运变化对生态环境的影响其实也是比较显著的，是航道从天然河流向人工水道转变的重要环节。且由于其一般不附属于具体单一类别的航道整治工程，而是某一河段多种航道整治工程综合作用的结果，常在一些同类生态研究中被忽视。故为全面分析起见，本次研究也将其作为一种工程类型看待。
除了工程中船只、器械等对生物体直接接触所造成的破坏以外，航道工程对周边河流生态的影响一般是通过改变生物栖息地而间接发生的[4]。随着航道整治工程实施中、实施后，生物栖息地各种环境因子[5]的变化，使得栖息地内原有适宜生存的生物可能无法适应新的环境条件，从而死亡、迁徙或是被新物种替代等。
1 矩阵式研究方法概述
研究航道工程带来的生态影响，首先需厘清工程对生物栖息地环境因子的改变作用。重要的基本环境因子一般包括水动力条件（流速、水深、紊流强度）、泥沙条件（含沙量、输沙量、底质）、水环境因子（水质）等。
工程对生物栖息地环境因子的影响总体上可分为影响范围与影响程度两个维度，这种划分相比于仅区分影响“大小”的一元式的划分方式更为科学，即客观上存在范围广但微弱的影响，或范围集中但剧烈的影响。可以表达为下面的矩阵形式：
式中，Eij为工程类型i对生物栖息地环境因子j的影响，ea，ij、eb，ij分别为其中的影响范围与影响程度。
影响范围中，可用“局部”表示工程影响仅限于施工区域或其周边较小的距离内;“不定”则表示工程影响范围取决于工程规模，一般较大的工程总量、单位时间内的施工强度会显著增大影响范围。影响程度中，“较小”表示该工程应存在一定影响，但实际对环境因子的作用并不明显或后果不严重;“较大”表示工程影响较为严重;“中等”介于前两者之间;“不定”表示工程影响程度同样取决于工程规模。 基于以上不同类型航道工程对生物栖息地环境因子的影响范围、影响程度的分析，可进一步归纳工程对各类水生生物的影响。同样的，有
式中，Cik为工程类型i对生物类别k的影响，ca，ik、cb，ik分别为其中的影响范围与影响程度，其计算可参考下式：
式中，tjk为生物栖息地环境因子j对生物类别k的权重因子。例如，对底栖生物较为重要的环境因子有底质、水深等，对浮游生物较为重要的环境因子有含沙量等，对游泳生物较为重要的环境因子有流速、水深等。
2 航道整治工程对生境影响分析
2.1 航道工程施工阶段
炸礁工程：工程施工对周边水动力场的影响范围较小，且由于持续时间非常短，故对流速、水深、紊流强度等环境因子的影响程度是较小的;炸礁时礁石碎片可能四处飞逸，但由于其颗粒粒径较大，水中阻力也较大，碎片应主要散布在工程区域周边且迅速落淤，一些较近的细颗粒河床可能因震动而产生小范围泥沙起悬，但因缺乏工程后续作用，悬浮时间也不会很长，故工程施工对含沙量的影响可能最多达到中等、而较短的悬浮时间对河段输沙量的影响较小。由于原有岩性礁石的爆破，工程区域底质的瞬间变化是较大的，原有底栖生物的栖息地突然部分消失。含沙量的增大短暂影响了水体的透明度，但礁石总体表面积小于细颗粒泥沙，其吸附的化学污染物质应较少，对水体其他水质指标的影响不大。
疏浚工程：工程施工时间一般相对较长，但由于其一般采用船只顺流拖曳的形式，对周边水动力场的影响应当是局部且程度较小的，受疏浚的区域附近可能出现一定程度的紊流。与之相对的，疏浚工程的作业方式、工程量、疏浚位置都可能对施工期河道含沙量、输沙量造成截然不同的影响。显然，对底床的扰动越剧烈、疏浚总量越大、疏浚区水动力强度越大，河道含沙量、输沙量的变化范围与程度也越大。疏浚过程中底质的变化也是较大的，剧烈的泥沙运动使得疏浚区底床的稳定性受到极大削弱。疏浚工程施工期间河道水质的变化很大程度来自于泥沙的起悬，使得水体透明度降低，细颗粒泥沙吸附污染物随之的内源释放等，故也与工程规模有较大关系。
守护工程：护滩、护底、护岸等工程一般是补偿性质的，即减缓、保护原有侵蚀下切的河道单元，故一般对河床形态没有大的改变，相应的流速、水深、紊流强度在施工大部分时间内变化程度或范围应较小，或仅出现短时间的大幅变化，抛投的施工方式总体上影响一般大于铺排。对于含沙量、输沙量与水质，当采用大范围、长时间的施工方式时，是有可能造成较大影响的，此时由于施工船舶数量、频次的增加，还可能存在人为的废水、废油等水质问题。
筑坝工程：同样采用抛投施工方式时，筑坝工程与守护工程对环境因子的影响是比较相近的。最大的不同在于，筑坝工程的施工在空间位置上一般更为集中，高度也可能更大，因此有可能在施工过程中就改变周边的流场（特别是流速）、减小坝体区的水深等。总体上往往造成比守护工程更大程度的影响（但范围未必更大）。
基于以上分析及式（1）可得到表1、表2。
2.2 航道工程维护阶段
在航道工程维护阶段，分析结果可同样归纳如下表所示。
3 航道整治工程对水生物影响分析
3.1 航道工程施工阶段
基于表1、2及式（2）、（3）可得到表5、6。
炸礁工程：工程施工时，对于影响范围内的绝大部分生物基本上都是毁灭性的，故影响程度都较大;对于稍远范围的生物，也可能令其致伤，不过总体上影响范围有限。
疏浚工程：如前所述，疏浚工程施工时除影响局部疏浚区的底质从而破坏底栖生物栖息地外，还可能影响大范围的含沙量、输沙量等泥沙条件。对此，将影响浮游生物与水生植被的光合作用，对于部分脆弱的物种可能致死，含沙量的升高会影响范围内的游泳生物呼吸，甚至威胁仔鱼的生存。
守护工程：与疏浚工程类似，工程施工直接破坏工程区局部底栖生物栖息地，并可能造成一定范围内的悬沙浓度升高而影响相关生物。对于一般的守護工程而言，后者比疏浚工程影响要小。
筑坝工程：施工期对底栖生物栖息地的破坏和工程悬沙浓度的升高与守护工程基本一致。
3.2 航道工程维护阶段
在航道工程维护阶段，同样可得到结果如下表所示。
4 结论
本文对航道工程生态影响进行了更为准确的“范围”与“程度”两个维度的二元划分。按航道工程类型（炸礁、疏浚、守护、筑坝）、主要生物栖息地环境因子（流速、水深、紊流强度、含沙量、底质、水质等）的组合构成了多要素影响矩阵。基于环境因子影响分析的权重组合，进一步归纳出了工程各阶段（以施工、维护阶段为例）对各类水生生物的影响。
在此基础上，未来再结合各种水生生物的重要性、开展保护的可能性与成本（如炸礁工程中爆破范围内生物几乎不可能保护），可归纳总结出航道工程生态保护与建设的一般性对策。比如，影响程度为“较大”的工程-生物组合项应尽量预先进行其影响范围内的定量影响分析与方案优化、开展工程后的生态修复等，影响程度为“不定”的工程-生物组合项，应开展影响程度定性分析、定量计算（影响范围确定时）或仿真模拟（影响范围不定时），根据影响范围与程度制定相应的生态保护与恢复策略。
参考文献
[1]中华人民共和国交通运输部.中国水运建设60年（建设技术卷）[R].交通运输部，2011.
[2]陈勇康，胡江，宋丹丹，等.长江铜锣峡河段炸礁整治数学模型计算及验证[J].水运工程，2015（6）：131-136.
[3]谢孝如.新常态下长江航道绿色疏浚发展状况研究[J].中国水运，2019（6）：15-17.
[4]李强，刘锐，李冰冻，等.航道整治丁坝对城区中小河流鱼类栖息地的影响研究[J].科学技术与工程，2016，16（19）：57-62.
[5]马巍，彭静，彭文启，等.河流栖息地适合度曲线与分级评价标准研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2016，14（1）：23-28.
收稿日期：2020-01-19
基金项目：本文受国家重点研发计划资助（2016YFC0402102）。
作者简介：刘怀湘，男，汉族，研究方向为水利水运工程生态环境影响评估。
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