基于矩陣式方法的航道整治工程生態(tài)影響研究

劉懷湘 朱明成

摘要：在長(zhǎng)江等重點(diǎn)航道的開(kāi)發(fā)中，針對(duì)航道整治工程的生態(tài)影響研究的重要性與日俱增。本文采用了一種矩陣式方法，對(duì)生態(tài)影響進(jìn)行了兩個(gè)維度的二元?jiǎng)澐郑春降拦こ填?lèi)型、棲息地環(huán)境因子的組合構(gòu)成了多要素影響矩陣;再基于環(huán)境因子影響分析的權(quán)重組合，進(jìn)一步歸納工程各階段對(duì)各類(lèi)水生生物的影響，從而有利于開(kāi)展更為標(biāo)準(zhǔn)化的工程綜合對(duì)策研究。

關(guān)鍵詞：航道;整治工程;生態(tài)影響

中圖分類(lèi)號(hào)：X826 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

長(zhǎng)江航道流經(jīng)云南、四川、重慶、湖南、湖北、江西、安徽、江蘇、上海七省二市，連接了重慶、武漢、南京、上海等大型交通樞紐城市以及其他33 個(gè)中小城市，是我國(guó)唯一貫穿東、中、西部地區(qū)的水路運(yùn)輸大動(dòng)脈[1]。其中長(zhǎng)江干線航道自云南水富至長(zhǎng)江入海口計(jì)，全長(zhǎng)2838 km。長(zhǎng)江作為構(gòu)建長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通走廊的主骨架，在航運(yùn)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和巨大發(fā)展?jié)摿Γ诹饔蚪?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的地位極其重要。隨著加快長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展和長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展等國(guó)家戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，加強(qiáng)長(zhǎng)江航道治理已成為長(zhǎng)江流域發(fā)展的重點(diǎn)工作。

根據(jù)長(zhǎng)江航道歷年實(shí)施的航道整治工程來(lái)看，主要工程類(lèi)型包括炸礁工程[2]、疏浚工程[3]、守護(hù)工程（含護(hù)灘、護(hù)底、護(hù)岸等相似性質(zhì)的工程）、筑壩工程（含不同高度、角度、相對(duì)位置的潛壩、順壩、丁壩等工程）。此外，在航道整治工程完工后的運(yùn)行、維護(hù)階段，往往會(huì)帶來(lái)另一種間接的人類(lèi)活動(dòng)影響，即航運(yùn)變化，一般包括航運(yùn)船只噸位的提升和船只數(shù)量、頻次的增加。當(dāng)然，偶然也可能出現(xiàn)反向變化，即航運(yùn)量的減小，一般出現(xiàn)在主航道線路調(diào)整的整治工程中，如分汊河道中采用其他汊道作為主航道。相比于其他“靜態(tài)”的工程，這種航運(yùn)變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響其實(shí)也是比較顯著的，是航道從天然河流向人工水道轉(zhuǎn)變的重要環(huán)節(jié)。且由于其一般不附屬于具體單一類(lèi)別的航道整治工程，而是某一河段多種航道整治工程綜合作用的結(jié)果，常在一些同類(lèi)生態(tài)研究中被忽視。故為全面分析起見(jiàn)，本次研究也將其作為一種工程類(lèi)型看待。

除了工程中船只、器械等對(duì)生物體直接接觸所造成的破壞以外，航道工程對(duì)周邊河流生態(tài)的影響一般是通過(guò)改變生物棲息地而間接發(fā)生的[4]。隨著航道整治工程實(shí)施中、實(shí)施后，生物棲息地各種環(huán)境因子[5]的變化，使得棲息地內(nèi)原有適宜生存的生物可能無(wú)法適應(yīng)新的環(huán)境條件，從而死亡、遷徙或是被新物種替代等。

1 矩陣式研究方法概述

研究航道工程帶來(lái)的生態(tài)影響，首先需厘清工程對(duì)生物棲息地環(huán)境因子的改變作用。重要的基本環(huán)境因子一般包括水動(dòng)力條件（流速、水深、紊流強(qiáng)度）、泥沙條件（含沙量、輸沙量、底質(zhì)）、水環(huán)境因子（水質(zhì)）等。

工程對(duì)生物棲息地環(huán)境因子的影響總體上可分為影響范圍與影響程度兩個(gè)維度，這種劃分相比于僅區(qū)分影響“大小”的一元式的劃分方式更為科學(xué)，即客觀上存在范圍廣但微弱的影響，或范圍集中但劇烈的影響?？梢员磉_(dá)為下面的矩陣形式：

式中，Eij為工程類(lèi)型i對(duì)生物棲息地環(huán)境因子j的影響，ea，ij、eb，ij分別為其中的影響范圍與影響程度。

影響范圍中，可用“局部”表示工程影響僅限于施工區(qū)域或其周邊較小的距離內(nèi);“不定”則表示工程影響范圍取決于工程規(guī)模，一般較大的工程總量、單位時(shí)間內(nèi)的施工強(qiáng)度會(huì)顯著增大影響范圍。影響程度中，“較小”表示該工程應(yīng)存在一定影響，但實(shí)際對(duì)環(huán)境因子的作用并不明顯或后果不嚴(yán)重;“較大”表示工程影響較為嚴(yán)重;“中等”介于前兩者之間;“不定”表示工程影響程度同樣取決于工程規(guī)模。

基于以上不同類(lèi)型航道工程對(duì)生物棲息地環(huán)境因子的影響范圍、影響程度的分析，可進(jìn)一步歸納工程對(duì)各類(lèi)水生生物的影響。同樣的，有

式中，Cik為工程類(lèi)型i對(duì)生物類(lèi)別k的影響，ca，ik、cb，ik分別為其中的影響范圍與影響程度，其計(jì)算可參考下式：

式中，tjk為生物棲息地環(huán)境因子j對(duì)生物類(lèi)別k的權(quán)重因子。例如，對(duì)底棲生物較為重要的環(huán)境因子有底質(zhì)、水深等，對(duì)浮游生物較為重要的環(huán)境因子有含沙量等，對(duì)游泳生物較為重要的環(huán)境因子有流速、水深等。

2 航道整治工程對(duì)生境影響分析

2.1 航道工程施工階段

炸礁工程：工程施工對(duì)周邊水動(dòng)力場(chǎng)的影響范圍較小，且由于持續(xù)時(shí)間非常短，故對(duì)流速、水深、紊流強(qiáng)度等環(huán)境因子的影響程度是較小的;炸礁時(shí)礁石碎片可能四處飛逸，但由于其顆粒粒徑較大，水中阻力也較大，碎片應(yīng)主要散布在工程區(qū)域周邊且迅速落淤，一些較近的細(xì)顆粒河床可能因震動(dòng)而產(chǎn)生小范圍泥沙起懸，但因缺乏工程后續(xù)作用，懸浮時(shí)間也不會(huì)很長(zhǎng)，故工程施工對(duì)含沙量的影響可能最多達(dá)到中等、而較短的懸浮時(shí)間對(duì)河段輸沙量的影響較小。由于原有巖性礁石的爆破，工程區(qū)域底質(zhì)的瞬間變化是較大的，原有底棲生物的棲息地突然部分消失。含沙量的增大短暫影響了水體的透明度，但礁石總體表面積小于細(xì)顆粒泥沙，其吸附的化學(xué)污染物質(zhì)應(yīng)較少，對(duì)水體其他水質(zhì)指標(biāo)的影響不大。

疏浚工程：工程施工時(shí)間一般相對(duì)較長(zhǎng)，但由于其一般采用船只順流拖曳的形式，對(duì)周邊水動(dòng)力場(chǎng)的影響應(yīng)當(dāng)是局部且程度較小的，受疏浚的區(qū)域附近可能出現(xiàn)一定程度的紊流。與之相對(duì)的，疏浚工程的作業(yè)方式、工程量、疏浚位置都可能對(duì)施工期河道含沙量、輸沙量造成截然不同的影響。顯然，對(duì)底床的擾動(dòng)越劇烈、疏浚總量越大、疏浚區(qū)水動(dòng)力強(qiáng)度越大，河道含沙量、輸沙量的變化范圍與程度也越大。疏浚過(guò)程中底質(zhì)的變化也是較大的，劇烈的泥沙運(yùn)動(dòng)使得疏浚區(qū)底床的穩(wěn)定性受到極大削弱。疏浚工程施工期間河道水質(zhì)的變化很大程度來(lái)自于泥沙的起懸，使得水體透明度降低，細(xì)顆粒泥沙吸附污染物隨之的內(nèi)源釋放等，故也與工程規(guī)模有較大關(guān)系。

守護(hù)工程：護(hù)灘、護(hù)底、護(hù)岸等工程一般是補(bǔ)償性質(zhì)的，即減緩、保護(hù)原有侵蝕下切的河道單元，故一般對(duì)河床形態(tài)沒(méi)有大的改變，相應(yīng)的流速、水深、紊流強(qiáng)度在施工大部分時(shí)間內(nèi)變化程度或范圍應(yīng)較小，或僅出現(xiàn)短時(shí)間的大幅變化，拋投的施工方式總體上影響一般大于鋪排。對(duì)于含沙量、輸沙量與水質(zhì)，當(dāng)采用大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的施工方式時(shí)，是有可能造成較大影響的，此時(shí)由于施工船舶數(shù)量、頻次的增加，還可能存在人為的廢水、廢油等水質(zhì)問(wèn)題。

筑壩工程：同樣采用拋投施工方式時(shí)，筑壩工程與守護(hù)工程對(duì)環(huán)境因子的影響是比較相近的。最大的不同在于，筑壩工程的施工在空間位置上一般更為集中，高度也可能更大，因此有可能在施工過(guò)程中就改變周邊的流場(chǎng)（特別是流速）、減小壩體區(qū)的水深等。總體上往往造成比守護(hù)工程更大程度的影響（但范圍未必更大）。

基于以上分析及式（1）可得到表1、表2。

2.2 航道工程維護(hù)階段

在航道工程維護(hù)階段，分析結(jié)果可同樣歸納如下表所示。

3 航道整治工程對(duì)水生物影響分析

3.1 航道工程施工階段

基于表1、2及式（2）、（3）可得到表5、6。

炸礁工程：工程施工時(shí)，對(duì)于影響范圍內(nèi)的絕大部分生物基本上都是毀滅性的，故影響程度都較大;對(duì)于稍遠(yuǎn)范圍的生物，也可能令其致傷，不過(guò)總體上影響范圍有限。

疏浚工程：如前所述，疏浚工程施工時(shí)除影響局部疏浚區(qū)的底質(zhì)從而破壞底棲生物棲息地外，還可能影響大范圍的含沙量、輸沙量等泥沙條件。對(duì)此，將影響浮游生物與水生植被的光合作用，對(duì)于部分脆弱的物種可能致死，含沙量的升高會(huì)影響范圍內(nèi)的游泳生物呼吸，甚至威脅仔魚(yú)的生存。

守護(hù)工程：與疏浚工程類(lèi)似，工程施工直接破壞工程區(qū)局部底棲生物棲息地，并可能造成一定范圍內(nèi)的懸沙濃度升高而影響相關(guān)生物。對(duì)于一般的守護(hù)工程而言，后者比疏浚工程影響要小。

筑壩工程：施工期對(duì)底棲生物棲息地的破壞和工程懸沙濃度的升高與守護(hù)工程基本一致。

3.2 航道工程維護(hù)階段

在航道工程維護(hù)階段，同樣可得到結(jié)果如下表所示。

4 結(jié)論

本文對(duì)航道工程生態(tài)影響進(jìn)行了更為準(zhǔn)確的“范圍”與“程度”兩個(gè)維度的二元?jiǎng)澐?。按航道工程?lèi)型（炸礁、疏浚、守護(hù)、筑壩）、主要生物棲息地環(huán)境因子（流速、水深、紊流強(qiáng)度、含沙量、底質(zhì)、水質(zhì)等）的組合構(gòu)成了多要素影響矩陣。基于環(huán)境因子影響分析的權(quán)重組合，進(jìn)一步歸納出了工程各階段（以施工、維護(hù)階段為例）對(duì)各類(lèi)水生生物的影響。

在此基礎(chǔ)上，未來(lái)再結(jié)合各種水生生物的重要性、開(kāi)展保護(hù)的可能性與成本（如炸礁工程中爆破范圍內(nèi)生物幾乎不可能保護(hù)），可歸納總結(jié)出航道工程生態(tài)保護(hù)與建設(shè)的一般性對(duì)策。比如，影響程度為“較大”的工程-生物組合項(xiàng)應(yīng)盡量預(yù)先進(jìn)行其影響范圍內(nèi)的定量影響分析與方案優(yōu)化、開(kāi)展工程后的生態(tài)修復(fù)等，影響程度為“不定”的工程-生物組合項(xiàng)，應(yīng)開(kāi)展影響程度定性分析、定量計(jì)算（影響范圍確定時(shí)）或仿真模擬（影響范圍不定時(shí)），根據(jù)影響范圍與程度制定相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)策略。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.中國(guó)水運(yùn)建設(shè)60年（建設(shè)技術(shù)卷）[R].交通運(yùn)輸部，2011.

[2]陳勇康，胡江，宋丹丹，等.長(zhǎng)江銅鑼?shí){河段炸礁整治數(shù)學(xué)模型計(jì)算及驗(yàn)證[J].水運(yùn)工程，2015（6）：131-136.

[3]謝孝如.新常態(tài)下長(zhǎng)江航道綠色疏浚發(fā)展?fàn)顩r研究[J].中國(guó)水運(yùn)，2019（6）：15-17.

[4]李強(qiáng)，劉銳，李冰凍，等.航道整治丁壩對(duì)城區(qū)中小河流魚(yú)類(lèi)棲息地的影響研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（19）：57-62.

[5]馬巍，彭靜，彭文啟，等.河流棲息地適合度曲線與分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2016，14（1）：23-28.

收稿日期：2020-01-19

基金項(xiàng)目：本文受?chē)?guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2016YFC0402102）。

作者簡(jiǎn)介：劉懷湘，男，漢族，研究方向?yàn)樗\(yùn)工程生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估。