長江深水航道整治生態護岸工程實施效果綜合評估

李 晉 鵬，宣 昊，王 學 霞，李 濤

(1.交通運輸部水運科學研究所，北京 100088； 2.生態環境部環境工程評估中心，北京 100012； 3.北京市農林科學院 植物營養與資源研究所，北京 100097)

0 引 言

河岸帶是河流生態系統的重要組成部分，是水生和陸生生態系統之間物質、能量和生物信息傳遞的重要通道[1]。河流生態系統生境的連通性和連續性，生境結構的異質性，棲息地的復雜多樣性是維持河流水生生物群落和生態系統健康的重要因素[2]。護岸工程作為內河航道整治工程的重要內容，長期以來多采用硬質材料，強調材料的耐久性和結構的安全穩定性，人為阻隔了河岸帶的連通性和連續性，常引起河岸帶生態系統退化和生物多樣性的喪失[3]。近年來，生態護岸工程的建設已成為當前國內外內河航道整治工程的發展趨勢，同時也是實現河岸帶生物多樣性保護和河流生態修復的重要實現途徑[1，4-7]。

綜合近年來國內外關于生態護岸評估方面的研究，主要基于河流生態系統健康的定義和特征建立了較多的評價指標體系和方法，從而對生態護岸建設、實施效果進行分析和評估[8-13]。但這些指標體系和方法大多針對河流生態建設創建，評價指標體系中反映生態護岸實施效果和植被恢復狀況的指標偏少[14-16]，且不適用于內河航道生態護岸的工程特點和實施生態效果的長期跟蹤評估。因此構建具有指導性且操作性強的內河航道生態護岸工程實施效果綜合評估指標體系和評價方法對其工程效益、經濟效益和生態效益進行綜合評估具有重要的理論意義和實踐價值[5，17]。本文以長江南京以下12.5 m深水航道整治生態護岸工程為例，采用層次分析法構建了內河航道生態護岸工程實施效果綜合評估指標體系，并通過建立的護岸工程生態符合性指數(ECIR)實現了生態護岸工程實施效果的定量綜合評價。研究結果可為內河航道生態護岸工程的結構設計、材料選擇、工程建設及實施的生態效果綜合評估、河岸帶生態系統恢復狀況的長期跟蹤監測、河流生態系統保護及修復提供重要參考。

1 生態護岸的定義及內涵

護岸是指人工構筑于河岸帶，以維護河道岸坡穩定的工程構筑物和植物的總稱[5-6]。傳統的護岸多采用硬質材料，結構形式采用直立式、斜坡式或以上兩種混合型組合方式，注重結構的穩定性、耐久性與經濟性[18]。20世紀50年代德國提出近自然河道治理工程學，80年代瑞士提出親近自然河流的概念，90年代日本提出的創造多自然型河川計劃，可以認為是生態護岸在國外的最早實踐[5，19]。近年來，生態護岸作為綠色生態航道體系的重要組成部分，開展了多種材料和結構形式的實踐，不僅滿足了工程設計和通航目標，還兼顧了河流生態功能正常發揮[6，20-21]。

綜合近年來國內外學者的研究，內河航道生態護岸可以定義為采用天然或人工材料，以一定的空間布局和結構形式人工構筑于河岸帶，便于地表徑流和地下水的流動，有利于植物生長和生物體的交流，并可為生物提供一定的棲息地，從而滿足護岸工程設計和通航目標，達到結構穩定性、材料生態性、工程布置合理性、工程經濟性及河岸帶生態系統服務功能相統一構筑物和植物的總稱[6，13-14，22]。

2 評估指標體系和方法

2.1 指標體系的構建

依據本次研究關于內河航道生態護岸的定義和內涵，并參考國內外生態護岸評價體系相關研究[8，13，15，23-24]，基于層次分析法(analysis hierarchy process，AHP)構建了內河航道生態護岸工程實施效果綜合評估指標體系(見圖1)。層次分析法將評估指標體系劃分為目標層、準則層和子準則層3個梯級層次結構。其中，目標層為內河航道生態護岸工程實施效果綜合評估指標體系；準則層對應內河航道生態護岸定義的5個方面特征，包括A1結構穩定性、A2材料生態性、A3工程布置合理性、A4工程經濟性、A5生態系統服務功能共計5個指標；子準則層為準則層相應的分項指標，包括A11耐水流及船形波沖刷性、A12便于植物生長及透水性等16個分項指標。

2.2 評價指標說明

2.2.1A1結構穩定性

A11耐水流及船形波沖刷特性。工程的結構具有良好的耐久性，可以很好地抵御水流及船型波的沖刷侵蝕，從而維護岸灘和河道形態的穩定。

A12便于植物生長及透水性。工程的結構可以促進沉積物的淤積，便于河岸帶物質能量交換，具有良好的通氣透水性，便于植物根系的生長和地表水地下水的交換。

2.2.2A2材料生態性

A21天然材料所占比例。工程建設所需材料，輔助材料中天然材料所占的比重。

A22人工材料可自然降解性。工程建設所需人工合成材料或人工材料在自然狀態下的降解周期。

2.2.3A3工程布置合理性

A31河道形態穩定性。工程平面布置對河道天然形態的影響程度，應盡可能保留河流原有的地貌和自然形態。

A32水流形態多樣性。工程平面布置對河道天然水流形態的影響程度，或工程建設可以形成急流、緩流、深潭等多樣化的生境或水流形態。

A33工程擾動比例。工程擾動岸線長度占河流所在區域全部自然岸線長度的比例。

2.2.4A4工程經濟性

A41工程造價經濟性。從工程造價程度衡量，生態護岸工程與傳統護岸工程的比值。

A42施工難易程度。從工程施工難易程度衡量，生態護岸工程與傳統護岸工程的比值。

A43運維難易程度。從工程運行維護難易程度衡量，生態護岸工程運維的難易程度及整體維護頻率。

2.2.5A5生態系統服務功能

A51生境恢復狀況。與天然河岸帶相比，工程區經過1～3 a后的植被恢復情況，目測200 m范圍人工痕跡所占比例。

A52生物多樣性。經過1～3 a恢復，工程區植物樣方調查統計蓋度大于5%的植物種類數量。

A53植物根系長度。經過1～3 a恢復，工程區植物樣方調查優勢種植物根系的平均長度，實際觀測中可以簡化為根系的長度。

A54植被覆蓋率。經過1～3 a恢復，植被覆蓋占工程區總面積的百分比，目測法或植物樣方法測定。

A55河岸帶橫向連通性。通過調查工程區沿著河流橫向梯度高度超過80 cm連續障礙物或中斷次數判斷。

A56外來入侵植物。通過查詢中國外來入侵物種信息系統(IASC)，觀測工程區得外來入侵植物種類及覆蓋程度，采用植物樣方法測定。

2.3 評分準則及指標權重的確定

本次研究采用專家打分法和層次分析法確定準則層和子準則層各指標的權重，首先通過專家打分法構造判斷矩陣，計算判斷矩陣的權重向量和最大特征根，最后通過一致性檢驗。內河航道生態護岸工程實施效果綜合評估指標體系準則層和子準則層各指標權重分配、量化及評分標準見詳見表1。

2.4 護岸工程生態符合性指數

基于層次分析法，通過建立護岸工程生態符合性指數(ecological compliance index of riverbank，ECIR)，從而實現內河航道生態護岸工程實施效果的定量綜合評價，該指數計算公式為

ECIR=∑(ZBw·ZBs)

式中：ECIR為護岸工程生態符合性指數；ZBw為子準則層該指標的權重，ZBs為子準則層該指標的賦分。

依據所計算的護岸工程生態符合性指數(ECIR)分值按照以下評價準則判斷內河航道生態護岸工程實施效果。當ECIR≥4分，評價等級為優，表示該種生態護岸生態符合性很高；當3分≤ECIR<4分，評價等級為良，表示該種生態護岸生態符合性較好；當2分≤ECIR<3分，評價等級為中；表示該種生態護岸生態符合性中等；當1分≤ECIR<2分，評價等級為較差；表示該種生態護岸生態符合性較差；當ECIR<1分，評價等級為差，表示該種生態護岸生態符合性差。對于大尺度范圍的內河航道生態護岸工程實施效果評估，可以分段或按照不同的生態護岸類型分別計算護岸工程生態符合性指數進行綜合評估。

3 綜合評估

3.1 研究區域概況

長江南京以下12.5 m深水航道二期工程(以下簡稱“二期工程”)是中國“十二五”和“十三五”期間內河水運投資規模最大，技術和建設環境最復雜的重點工程，涉及河段全長227 km，重點整治福姜沙水道、口岸直水道、和暢洲水道和儀征水道，工程于2015年6月開工，2017年6月交工驗收。以“二期工程”口岸直河段2017年5月建成的兩種典型生態護岸工程，包括立體網狀柵格護岸和格狀石籠壓載植生墊護岸，以及傳統拋石護岸為案例(見圖2)。這3種護岸均位于長江口岸直河段右岸同一區域，天然河岸帶生境條件基本一致。立體網狀柵格護岸(見圖3(a))，其結構至下而上分別為土工布、竹片編制墊和立體網狀構件，立體網狀構件由外框構件和內十字構件兩部分組成，外框構件尺寸550 mm×550 mm，內十字構件尺寸370 mm×370 mm，高250 mm，外框構件側壁和內十字構件翼板開孔，其材質為陶粒混凝土，質量較輕便于施工，內外構件分別整體預制成形，現場拼裝；格狀石籠壓載植生墊護岸(見圖3(b))，其結構至下而上分別為覆土(摻蘆葦根系)、三維快速植生墊和格狀格賓石籠，格賓石籠肋中填充石料，肋高0.4 m，肋間距2.3 m；拋石護岸的結構采用塊石(見圖3(c))。

“二期工程”口岸直河段生態護岸實施效果評估于2018年秋季開展，通過查閱相關工程設計文件、咨詢工程建設指揮部及現場調查，參照內河航道生態護岸工程綜合評估指標體系和評分標準，對這兩種生態護岸工程及拋石護岸工程的各分項指標進行評分，計算這3種護岸工程的ECIR并對工程實施效果進行綜合評估。

3.2 生態護岸實施效果綜合評估

3種護岸工程實施效果綜合評估各分項指標的具體評分結果如下：

A11耐水流及船形波沖刷特性。根據2018年秋季現場調查，在工程完工和植被恢復1 a后，立體網狀柵格護岸目測200 m范圍內和格狀石籠壓載植墊護岸試驗段結構均較為穩定，僅偶發少量侵蝕，該項均評為4分；拋石護岸隨著沉積物的淤積，結構也較為穩定，該項評為4分。

A12便于植物生長及透水性。查閱生態護岸工程相關設計文件及現場調查發現，立體網狀柵格護岸最下層為土工布和竹片編織墊，沉積物在立體網狀構件間沉積，較有利于一年生淺根性草本植物根系的生長，該項評為4分；格狀石籠壓載植生墊護岸則不會影響植物根系的生長，該項評為5分；拋石護岸雖然透水性較好，但不利于植物根系的生長，該項評為1分。

表1 內河航道生態護岸工程實施效果綜合評估指標權重及評分標準Tab.1 The weight and scoring criteria of comprehensive evaluation index for implementation effect on ecological bank in inland waterway

A21天然材料所占比例。查閱生態護岸工程相關設計文件，立體網狀柵格護岸的柵格采用陶粒混凝土制作，護底采用土工布和竹片編制墊，天然材料質量占比在25%左右，該項評2分；格狀石籠壓載植生墊護岸采用覆土(摻蘆葦根系)、三維快速植生墊和格狀格賓石籠，天然材料質量占比在80%以上，該項評4分；拋石護岸材料塊石，天然材料占比100%，該項評5分。

A22人工材料可自然降解性。查閱生態護岸工程相關設計文件，立體網狀柵格護岸的人工合成材料土工布的自然降解周期為15 a左右，該項評3分；格狀石籠壓載植生墊護岸三維快速植生墊降解周期為15 a左右，該項評3分；拋石護岸全部為天然材料，該項評5分。

A31河道形態穩定性。查閱生態護岸工程相關設計文件及現場調查發現，這3種護岸工程所處長江口岸直河段，工程實施前后該段長江河道形態基本仍保持天然狀態，該項均評5分。

A32水流形態多樣性。查閱生態護岸工程相關設計文件及現場調查發現，立體網狀柵格生態護岸和格狀石籠壓載植生墊護岸均為透水結構，不會對河道天然水流形態產生影響，還會在洪水期淹沒線以下形成多樣化的生境和水流形態，該均項評5分；拋石護岸雖然透水，但大量石塊仍會對水流形態造成較小影響，該項評3分。

A33工程擾動比例。查閱生態護岸工程相關設計文件，這3種護岸工程占用岸線長度占長江口岸直河段全部自然岸線長度的比例遠小于20%，該項評5分。

A41工程造價經濟性。查閱生態護岸工程相關設計文件和咨詢工程建設指揮部，立體網狀柵格生態護岸、格狀石籠壓載植生墊護岸與傳統拋石護岸相比，工程造價基本是傳統拋石護岸的1.5～2倍，該項均評3分；拋石護岸工程，該項評5分。

A42施工難易程度。查閱生態護岸工程相關設計文件和咨詢工程建設指揮部，立體網狀柵格生態護岸需鋪設土工布和竹片編制墊，提前預制陶粒混凝土構件，現場人工拼裝，格狀石籠壓載植生墊護岸需現場鋪設三維快速植生墊，編制鋼絲格狀石籠，施工工藝的難易程度與傳統拋石護岸相比，基本是傳統拋石護岸的1.5～2倍，該項均評3分；拋石護岸工程，該項評5分。

A43運維難易程度。通過咨詢工程建設指揮部和現場調查，立體網狀柵格護岸和格狀石籠壓載植生墊護岸運行在1 a后結構基本完好，僅需簡單少量維護，該項均評3分；傳統拋石護岸工程運行期基本不需維護，該項評5分。

A51生境恢復狀況。根據現場調查，經過1 a多的植被恢復，立體網狀柵格護岸人工痕跡顯著，目測200 m范圍僅少部分恢復為自然狀態，該項評3分；格狀石籠壓載植生墊護岸植被恢復效果較好，基本恢復為自然狀態，該項評5分；拋石護岸也僅少部分恢復為自然狀態，該項評1分。

A52生物多樣性。根據現場植物樣方調查結果，立體網狀柵格護岸工程區蓋度大于5%的植物種類為8種，該項評4分；格狀石籠壓載植生墊護岸工程區植物種類為6種，該項評3分；拋石護岸工程區植物種類為6種，該項評3分。

A53植物根系長度。根據現場植物樣方調查結果，立體網狀柵格護岸工程區植物種類優勢種多以一年生植物為主，主要為馬蘭(Kalimerisindica)，碎米芥(Cardaminehirsute)等，根系長度測量結果在30～50 cm，該項評4分；格狀石籠壓載植生墊護岸工程區植物種類優勢種以多年生的蘆葦(Phragmitesaustralis)為主，根系長度測量結果在50 cm以上，該項評5分；拋石護岸工程區植物種類優勢種以一年生植物為主，主要為北水苦荬(Veronicaanagallis-aquatica)，碎米芥等，根系長度測量結果<5 cm，該項評1分。

A54植被覆蓋率。根據現場植物樣方調查結果，立體網狀柵格護岸工程區植被覆蓋率為30%～35%左右，該項評3分；格狀石籠壓載植生墊護岸工程區植被覆蓋率為75%～80%左右，該項評5分；拋石護岸工程區植被覆蓋率僅為5%～10%，該項評1分。

A55河岸帶橫向連通性。根據現場調查，立體網狀柵格護岸工程區和格狀石籠壓載植生墊護岸均為開孔結構，無高度超過80 cm的連續障礙，該項評5分；拋石護岸工程區無連續障礙，該項評5分。

A56外來入侵植物。根據現場植物樣方調查結果，并查詢中國外來生物入侵物種信息系統(IASC)，這3種護岸工程區均未發現外來入侵植物種類，該項均評5分。

依據護岸工程生態符合性指數(ECIR)的計算方法及評價準則，分別計算二期工程口岸直河段立體網狀柵格護岸、格狀石籠壓載植生墊護岸、拋石護岸這3種護岸工程的ECIR，并進行評價分級。結果表明，格狀石籠壓載植生墊護岸的ECIR為4.29，評價等級為優；立體網狀柵格護岸的ECIR為3.91，評價等級為良；拋石護岸的ECIR為3.64，評價等級為良。因此，二期工程口岸直河段3種護岸工程實施效果的綜合評價結果，格狀石籠壓載植生墊護岸的生態恢復效果最好，立體網狀柵格護岸的生態恢復效果次之，拋石護岸的生態恢復效果相對較差。

4 討 論

近些年來，長江等內河航道整治在實施中先后采用了混凝土網格、鋼絲網石籠、土工格柵、連鎖式生態磚、新型方形薄壁生態護岸、生態型魚巢磚等一系列新型護岸護灘結構，在內河航道生態護岸的建設方面開展了有益的探索[25-26]。內河航道整治采用不同的生態護岸工程類型其實施效果和植被恢復具有明顯的差異性。本次研究選取長江深水航道整治口岸直河段的立體網狀柵格護岸、格狀石籠壓載植生墊護岸和傳統拋湊石護岸，開展實施效果評估，結果表明，格狀石籠壓載植生墊護岸實施效果最好，立體網狀柵格護岸次之，傳統拋石護岸相對較差，這一研究結論與研究區3種護岸工程陸生植被恢復研究結果保持一致[27]。從ECIR各分項指標評分結果來看，立體網狀柵格護岸和格狀石籠壓載植生墊護岸的工程經濟性均為中等，格狀石籠壓載植生墊護岸其結構形式有利于沉積物的淤積和營養鹽的積累，不會影響植物根系的生長，研究調查其竣工1 a后格賓內有10～15 cm的淤積，特別利于多年生植物蘆葦的生長，植被恢復效果表明其具有良好的生態系統服務功能，立體網狀柵格護岸最下層為土工布和竹片編織墊，沉積物在立體網狀構件間沉積，雖在促淤方面有一定優勢，但其結構形式較有利于一年生淺根性草本植物根系的生長，不利于多年生植物的生長，生態系統服務功能次之，傳統拋石護岸因其不利于多年生植物根系的生長和植被恢復，生態系統服務功能則相對較差，但其全部為天然材料，在材料生態性和工程經濟性方面具有顯著優勢。

5 結 論

(1) 本文基于層次分析法構建了內河航道生態護岸工程實施效果綜合評估指標體系及各評價指標的量化及評分標準，通過計算ECIR，實現生態護岸工程實施效果的定量綜合評價。

(2) 本研究選取“二期工程”口岸直河段的兩種典型生態護岸，包括立體網狀柵格護岸和格狀石籠壓載植生墊護岸，以及傳統拋石護岸，參照內河航道生態護岸工程實施效果綜合評估指標體系及評分標準，對這3種護岸工程的各分項指標進行評分，計算其ECIR。結果表明，格狀石籠壓載植生墊護岸實施及生態恢復效果最好，立體網狀柵格護岸次之，傳統拋石護岸相對較差。

(3) 研究結果表明內河航道生態護岸工程實施效果綜合評估指標體系及護岸工程生態符合性指數(ECIR)可以很好地應用于于內河航道生態護岸工程實施效果的長期跟蹤評估。但該指標體系部分中各指標和分項指標的具體內容、權重以及評分標準還需在未來應用實踐中進一步完善和優化。