長江中游多目標協同航運優化研究

陳英健　馬方凱　尹靚　趙潛宜

摘要：長江黃金水道潛力進一步發揮需要破解“中梗阻”問題，同時需要與生態環境保護、防洪安全、河勢穩定等要求相適應，因此開展長江中游多目標協同航運優化研究迫在眉睫。針對長江中游航運存在的問題，構建了多目標協同的航運優化決策模型，基于評價結果提出了“建設中游人工水道，與長江干流生態通道形成中游雙通道格局”的航運能力優化思路。優化決策評價結果表明：長江中游人工水道建設不僅有利于破除航運“中梗阻”等不利影響，也有利于長江中游流域生態環境的改善，使長江中游在航運發展等河流開發活動與河流健康之間趨于更高層次的平衡與協調。

關鍵詞：長江中游; 航運能力; 多目標協同; 優化決策; 人工水道

中圖法分類號： TV91

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.001

0引 言

長江黃金水道是中國國土空間開發最重要的東西軸線，在國家區域發展總體格局中具有重要的戰略地位。經過長期治理，長江航道通過能力顯著提升，成為世界上運量最大、運輸最繁忙的通航河流，內河貨運量連續多年位居世界第一。國家提出打造“暢通、高效、平安、綠色”全流域黃金水道的長江經濟帶發展戰略，對長江航運提出了更高要求。然而，目前長江中游宜昌至武漢河段的通航標準明顯低于上下游，且航道能力提升與防洪安全、河勢穩定、水生態環境保護等存在較大矛盾，“中梗阻”問題十分明顯，制約了長江黃金水道乃至長江經濟帶的發展。在新時代生態文明建設與長江大保護的新要求下，圍繞長江中游綠色高質量發展需求，開展航運優化決策與航運能力提升方案研究顯得十分必要。

從航運優化決策分析角度來看，近年來，國外學者圍繞“綠色航道”等概念開展了一些研究，這些研究多是關注航運污染或航運風險管理等，較少涉及河流生態[1-2];國內學者聚焦“生態航道”這一概念，利用層次分析法、組合賦權法、五元聯系數模型等開展生態航道評價[3-6]。雖然國內外關于多目標協同發展的航運評價研究較少，但在與此相關的河流健康評價理論與實踐方面積累了豐富的研究成果。許多國家地區建立了成熟的調查方法和評價體系，其中以美國的生物完整性指數（Index of Biotic Integrity，IBI）[7]、英國的以河流無脊椎動物分類和預測為基礎合并河流生物監測系統（River Invertebrate Prediction and Classification System，RIVPACS）[8]、澳大利亞基于RAVPACS改進的監測系統（Australian River Assessment System，AUSRIVAS）[9]和南非的棲息地完整性指數（Integrated Habitat Index，IHI）[10]等河流健康評價方法最具代表性。國外對河流健康的研究主要集中在水質、水生態、水文等河流自然屬性方面。國內自2003年起也相繼開展了黃河、長江、珠江等大型河流健康的研究，包括理論研究、評價指標體系構建及評價模型的研究等，為中小型河流開展健康評價實證研究提供了參考經驗[11-14]。多指標評價方法（包括綜合指數評價法、模糊層次綜合評價法等[15-16]）因其對于情況復雜、多層次的復合評價過程適用性較好，被廣泛用于河流健康評價。然而，現有河流健康評估仍存在評估不夠全面、評價指標針對性不足、模糊性和不確定性處理能力欠佳等問題，且評價模型主要以強調和維持河流自然功能為核心，一定程度上忽略了河流開發這一重要的社會功能。

為維持或提升通航能力，工程上多通過航道整治來改善航道條件[17-19]。同時，通過人工水道構筑內陸航道網己成為航道體系建設的重要手段。國內外有很多新開航運通道的成功經驗，如德國連接美因河與多瑙河的運河體系、美國連接五大湖與紐約港的伊利運河[20]、中國的京杭大運河[21]等。水系之間通過運河相互溝通，不僅能形成四通八達的航運網絡，有利于貨物的直達運輸，還能構建區域安全、綠色、生態水網，保障區域防洪、供水和生態安全。

因此，本文針對長江中游航運存在的問題，構建順應航運發展需求，且航運提升-防洪安全-河勢穩定-生態環境保護等多目標協同的航運優化決策模型，在評估決策基礎上提出了符合航運能力提升的優化方案，使長江中游在航運發展等河流開發活動與河流健康之間趨于更高層次的平衡與協調。

1研究區概況

長江中游從湖北宜昌至江西湖口，干流長955 km，流域面積約68萬km2，屬于長江流域典型的江湖復合生態系統。該河段河網湖泊密布，與洞庭湖、鄱陽湖自然連通，銜接江漢平原、洞庭湖平原，是長江流域重要的水生生物棲息地和資源庫，具有生物多樣性保護和洪水調蓄等重要生態功能。

長江中游荊江河段多淺灘礙航，歷來是長江防洪的重要險段和航道維護的瓶頸河段。近十多年來，航道部門陸續對荊江重點礙航水道和正在向不利方向變化的水道實施了整治，航道條件得到了一定程度的改善，但該河段最小維護水深僅3.5～3.8 m，仍明顯低于上游和下游，對于枯水期而言，大型貨運船舶通行需減載、轉駁，大大降低了長江黃金水道的通航效率，不能滿足黃金水道戰略要求。長江宜昌至武漢段“中梗阻”問題已經成為制約長江航運發展的關鍵。

2多目標航運優化決策模型構建

2.1模型構建思路

通過長江中游航運環境影響因素耦合分析，構建長江中游多目標協同航運優化決策指標評價體系。運用德爾菲法收集該領域內相關專家對指標體系中各指標的兩兩重要性對比情況的問卷調查結果，隨后利用層次分析法構建各級判斷矩陣，計算一致性比例，經過一致性檢驗后確定各指標權重。在此基礎上，統計各指標在辨識框架下的置信度后，根據楊劍波法[22]的基本思想形成了引入權重的Dempster合成規則，并利用證據推理法計算出確定性評價結果，從而根據評價結果進行航運優化決策分析。具體流程如圖1所示。

針對決策評價指標體系中存在較多的不確定性因素，此方法以證據推理、信息融合、模糊數學及效用理論為基礎構建模型，可以較好地處理和融合多個不確定性、模糊性信息，并合理高效地從多因素角度開展分析。

2.2決策評價體系及權重

結合新時期長江經濟帶發展戰略對長江生態保護與綠色發展的要求，系統梳理長江中游現狀及問題，長江中游航運優化決策主要考慮以下幾個方面：

（1） 航運發展。長江是中國國土空間開發最重要的東西軸線，增強干線航運能力（特別是中游航段）是長江黃金水道建設乃至長江經濟帶高質量發展的重要內容，也是本次研究探索長江中游多目標協同發展之路的前提。

（2） 生態保護。長江是我國重要的生態寶庫，但隨著流域經濟社會的快速發展，長江水生生物資源及水域生態環境面臨諸多威脅。長江經濟帶發展戰略要求把保護和修復長江生態環境擺在首要位置，共抓大保護，不搞大開發。因此，在航運優化決策中必須考慮河流生態健康狀態相關因素。

（3） 河勢穩定及防洪安全。三峽及干支流控制性水利水電工程建成后，中下游地區防洪形勢趨于利好。但同時工程建設改變了中下游河道的來水來沙條件和河勢穩定，對防洪安全、岸線和洲灘利用、航運發展提出了新的要求。因此在航運優化決策問題上需要具體考慮河流情勢與防洪安全情況。

（4） 航道水資源開發利用。水資源是生命之源、生產之要，航運優化決策中既要保證流域內農業灌溉用水量，還要保證周邊城鎮生產生活的人均需水量。

（5） 區域經濟發展情況。長江中游治理開發的目的是帶動區域經濟發展，同時依托長江黃金水道，促進長江經濟帶東中西部協同發展。

綜上，本文從航道穩定狀況、航道生態特性、生態環境適應性、航道防洪安全保障、航道水資源開發利用、航運功能、航道水文情勢變化、區域經濟發展狀況等8個狀態層，選取27項評價指標，構建通過篩選后的長江中流多目標協同航運優化決策評價指標體系，如表1所列。

2.3決策模型計算

2.3.1利用層次分析法確定各指標權重

采用層次分析法的1-9標度法設計調查問卷，邀請長江各領域專家，對兩兩指標的重要性賦予一定的數值。匯總整理各專家打分后，構造出比較判斷矩陣，綜合各專家打分取幾何平均，得到各層因素間的綜合判斷矩陣，以此計算出的各指標權重如表1所列。

2.3.2確定各指標在辨識框架上的置信度

研究中將長江中游航道綜合評價結果劃分為5個等級，即模型的辨識為：H={H1，H2，H3，H4，H5}={差，較差，一般，好，很好}。將專家評價值P（H）利用比例尺法進行確定，選取P（H）={P（H1），P（H2），P（H3），P（H4），P（H5）}={0.1，0.3，0.5，0.7，0.9}，各等級對應的取值范圍如下：差，0～0.2;較差，0.2～0.4;一般，0.4～0.6;好，0.6～0.8;很好，0.8～1.0。

針對已確定權重的篩選指標，再次邀請長江各領域專家，借助其專業知識及經驗對長江中游現狀下的各項篩選指標進行等級評估，填寫調查問卷，匯總整理各專家打分后，按照辨識框架區間（H1～H5）進行分布，引入不確定度H0，得出27項已知權重的篩選指標在辨識框架上的置信度分布，如表2所列，基本概率指派如表3所列。其中，由于單個下級指標權重不為1所產生的剩余概率為0.423;由于專家對指標評價的不確定性所引起的概率為0.01。

結合基本概率指派值和歸一化系數，計算所有指標在辨識框架上的總置信度（見表4）。

可以看出，在所有指標上的不確定置信度為0.024，表明證據合成后形成的結果所包含的不確定性和模糊性處于較低水平。

結合評價值的比例標尺法，得出評價總目標的“確定性”評價值為0.491。

2.4決策模型結果分析

決策模型計算結果表明，長江中游航道現狀整體指標處于“一般”的狀態。同時，由指標體系中各指標的綜合權重值以及它們在辨識框架上的置信度得出的基本概率指派可知，由于河床自然演變頻繁、航道水深不足、航運侵占部分水生動物的生存空間、船舶及港口污染等原因，航道穩定狀況、生態環境適應性等方面的指標大部分均處于“一般”及以下狀態。其中，高標準通航水深保證率、通航密度、珍稀水生物存活狀況等指標處于“差”到“較差”范圍的值偏大，得分情況欠佳，因此在后續規劃中應優先考慮上述指標情況;而河岸穩定性、河床穩定性、航運安全保障能力、河道水情變化率、日徑流變差系數、年徑流變化狀況、水功能區水質達標率、溶解氧量、生物多樣性指數、魚類生物完整性指數、四大家魚產卵量、最大排蓄洪水能力、綜合灌溉保證率、區域GDP總額、區域經濟發展貢獻度、區域就業增長率、區域城鎮化發展水平、交通運輸業基礎設施投資額等指標主要集中在“較差”到“一般”范圍內，得分情況一般，也需對這些指標情況進行綜合考量。

3長江中游多目標協同航運優化決策分析

3.1工程建設思路

針對長江中游現有航道總體發展水平不足，現狀評價處于“一般”狀態的問題，本次研究將以破解航道“中梗阻”為主要驅動力，以水生態、水環境保護為重要支撐點，兼顧防洪排澇與河勢穩定，研究提出長江中游通航萬噸級船舶的綜合水利工程體系建設方案，使多目標協同航運優化決策評價結果更優。

借鑒國內外已有案例及工程經驗，“中梗阻”破解主要有兩個思路：一是對原有航道直接進行航道整治，提升航道標準;二是考慮到江漢平原地區河網密布的特征，充分利用現有水系規劃新的航運通道。

3.1.1航道整治思路

近十多年來，航道部門陸續對荊江重點礙航水道和正在向不利方向變化的水道實施了一定程度的整治，若繼續開展大規模的航道整治工程，主要存在以下3方面的問題：① 技術難度大，而且難以維護;② 大規模的、頻繁的航道整治影響河勢穩定與防洪安全;③ 荊江河段是魚類資源和中華鱘、江豚等珍稀瀕危野生動物的天然寶庫，整治過程中的過度干擾會對這些重點保護水生動物的生存環境造成直接破壞，威脅到長江中游乃至整個流域生態系統。

3.1.2人工水道建設思路

受河勢、防洪、生態環境等諸多因素制約，長江中游干線航道單純通過航道整治措施大幅提升通航標準存在現實困難，有必要另辟蹊徑突破瓶頸。鑒于此，鈕新強院士團隊研究提出了長江中游人工水道工程方案——利用江漢平原地勢平緩、水網密布的優勢，打通一條連接荊州-武漢、可通航萬噸級船舶的人工水道，與長江干流形成中游“雙通道”新格局，其中人工水道將作為長江航運主通道，而長江干流則以生態環境保護為主[23]（見圖2）。

相比思路一，該方案主要有以下特點：

（1） 將破解長江“中梗阻”問題，提升長江黃金水道“主軸”作用，與三峽水運新通道建設相結合，實現萬噸級船舶直達重慶，經濟社會效益巨大。通過沿線設置若干雙向船閘，可克服人工水道與中游干支流交匯處的水頭差，保障全年各時期通航安全。

（2） 人工水道建成后，大型船舶和過境船舶將經由人工水道穿越長江中游荊州-武漢段，實現干流船舶有效分流，減少船舶活動對長江的污染，同時干流通航密度將逐步減少，有利于加強水生生境保護及生態修復，構筑綠色生態廊道。

（3） 以人工水道為骨干渠道，結合區域地形地勢和水網格局，構建由人工連通河渠、交叉建筑物、閘泵等組成的中游綜合水利工程體系，利用生態水網向區域內河湖水系補水，保障供水安全，為洞庭湖、洪湖濕地生態修復創造條件。

3.2多目標協同航運優化決策綜合分析

3.2.1模型計算

基于建設后期相關指標數值范圍及專家問卷打分結果，人工水道工程建設后期各項指標在辨識框架下的權值置信度如表5所列，其中屬于防洪安全保障、水資源開發利用、航運功能等因素的指標置信度主要集中于H4和H5，表明其有著朝利好方向發展的大體趨勢。

按照Dempster合成規則進行證據融合，得出所有指標在辨識框架上的基本概率指派（見表6）。

由此可知，各指標結合不同權重的置信度在經過Dempster合成之后，在H4上的指派概率最大，在H1上的指派概率最小。同時，單個下級指標權重不為1所產生的剩余概率為0.434，專家對指標評價的不確定性和不知道所引起的概率為0.005，較建設前期顯著下降。

由基本概率指派和歸一化系數可得出所有指標在辨識框架上的置信度，如表7所列。總置信度越大，表明評估結果落于辨識框架下對應等級的結論越可靠。而人工水道建設后，所有指標的不確定置信度為0.009，低于建設前期的0.024，表明在證據融合的過程中減弱了數據來源具有的不確定性，也就是說模型評估效果削弱了不確定性帶來的影響。

結合評語集比例標尺法對應的量化值，計算出評價總目標的“確定性”評價值為0.642，即表明證據合成后的航道體系落于“好”的區間，多目標協同發展下的航運優化決策效果明顯。

3.2.2結果分析

結合各指標綜合權重值以及人工水道建設后各項指標在辨識框架上的置信度可知，原本置信度集中于“差”到“較差”范圍內的高標準通航水深保證率、通航密度等指標，在人工水道建設后其置信度基本提升至“一般”到“好”的范圍內。而原本置信度集中于“較差”到“一般”范圍內的河岸穩定性、河床穩定性、航運安全保障能力、河道水情變化率、日徑流變差系數、年徑流變化狀況、水功能區水質達標率、溶解氧量、生物多樣性指數、魚類生物完整性指數、四大家魚產卵量、最大排蓄洪水能力、區域GDP總額、區域經濟發展貢獻度、區域就業增長率、區域城鎮化發展水平、交通運輸業基礎設施投資額等指標，在新航道建設后其置信度也集中于“一般”至“好”的范圍內。

針對“人工水道建設思路”的決策評價表明，人工水道建設可使長江中游整體指標處于“好”的狀態，且人工水道建設后在所有指標上的不確定置信度比建設前有所降低，說明長江中游人工水道建設，不僅有利于破除航運“中梗阻”等不利影響，也有利于長江中游流域生態環境的改善。

4結論與建議

本文針對長江中游航運“中梗阻”問題，結合長江大保護、區域高質量發展對長江治理開發與保護的要求，構建了多目標協同航運優化決策模型，并根據評價結果提出了長江中游航運能力提升優化方案，即建設一條連接荊州-武漢、可通航萬噸級船舶的人工水道，與長江干流形成中游“雙通道”新格局。研究結果表明：人工水道建設能有效破除航運“中梗阻”等不利影響，改善長江中游流域生態環境，使長江中游在航運發展等河流開發活動與河流健康之間趨于更高層次的平衡與協調。

鑒于長江中游人工水道在長江經濟帶發展中的重要性，建議盡快開展項目深化研究工作。人工水道建設涉及長江生態環境保護、航運發展、水資源綜合利用和經濟社會發展等各個方面，建議可重點針對工程定位與任務、標準、方案、效益、運行管理、投融資模式等重大問題開展深化研究，回答工程必要性、可行性、經濟性、環境合理性等重大問題，為項目立項決策奠定基礎。

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（編輯：胡旭東）