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长江生态航道技术研究进展与展望

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1 研究背景

长江干线航道自云南省水富县起至长江口50号灯船，全长2 838 km，是唯一横贯我国东、中、西部地区的水运主通道，也是世界上运量最大、运输最繁忙的天然航道。依托黄金水道推动长江经济带发展，打造沿江绿色生态廊道和综合立体交通走廊，为中国经济增长创造新的支撑，长江航道在其中扮演了至关重要的角色。长江自然条件复杂，其上、中、下游及河口段的河道特性差异性很大，导致航道条件也各不相同，水位、水深、流速、泥沙等要素变动频繁，通航环境十分复杂[1]，具有制约因素多、治理难度大的特点。针对长江航道的碍航问题，特别是三峡蓄水后的新变化与新问题，“九五”以来相关部门对长江干线航道进行了大规模整治。经过20余年的航道整治建设，长江干线航道全部建成Ⅲ级以上高等级航道，主要碍航问题得到解决，通过能力与货运量实现大幅度提升，达到世界领先水平。

但是传统的炸礁、疏浚、筑坝、守护等航道整治工程对河流生态有一定影响[2-3]。炸礁与疏浚工程会扰动河床底质和水体，产生悬浮颗粒物，影响水生生物的栖息空间；筑坝与守护工程改变水体天然流态和河床基质，破坏鱼类的索饵肥育及繁殖场所，干扰植物生长[4-5]。而且以往的航道治理还大量采用硬化覆盖的方式，增加了河床不透水面积，不仅切断了水体中的生物链，还对微生物的生存环境和生存空间造成毁灭性破坏，破坏生态平衡，使河流的自我净化能力显著降低。党的十九大报告将建设生态文明纳入了中华民族永续发展的千年大计，提出流域经济发展要把生态保护摆在压倒性位置。在此背景下，长江航道建设在流域生态恢复与保护方面的压力与日俱增，生态航道建设将是长江航道建设的重点发展方向。因此，对长江生态航道技术进行系统梳理和研究十分重要。

2 生态航道的概念

生态航道是在生态学、水生态学及相关学科研究的基础上发展而来的，欧美国家关于生态航道的研究与应用较早。1965年德国就开始采用种植植被的方式对莱茵河进行生态护岸[6]，1983年，德国学者Seifert[7]提出一种考虑构建自然景观的河流治理理念，称为“近自然河溪整治”(Near Natural Torrent Control)，在这一理念引导下，莱茵河在航道整治中开始采用无混凝土或混凝土和植被相结合的护坡材料与结构。实践表明，这种护坡方式不仅能满足河道整治需求，还能带来较高的生态景观价值，同时也减少了后期的维护修缮费用[8]。20世纪90年代初，美国科学家将天然植物和人工材料相结合应用到土木工程当中，提出了生态护坡的概念[9-11]。从2001年开始，美国密西西比河管理单位在多个航道整治工程中建造了一种特殊的“V”型坝结构，该结构不仅能满足深化航道和减少疏浚的需求，还能提高河流物理水生生物栖息地的多样性。研究表明，圣路易斯港河段建造的“V”型坝显著增加了鱼类的越冬栖息地、浅水栖息地和物理水生生境多样性[12]。日本学者在20世纪末提出了生态河堤理念，针对其国内中小河流为主的特点，发展形成了自然型、半自然型和人工型3类生态护岸技术，在工程中大量采用自然植被、石材和木料构建河堤, 有效促进了地下水的渗透和水的良性循环，提高了水边环境的自然净化功能[13-14]。

我国水生态治理及生态航道发展经历了3个阶段：① 上个世纪八十年代以前，河流的环境管理主要是依靠监测河流的物理和化学水质指标，这种不考虑水文指标和生物指标的环境理念，并不适用于河流生态系统的管理[15]；② 2005年左右，基于“河流健康”评价的河流生态管理在我国开始流行，“河流健康”[16]既包含了河流的生态功能健康，也包括了河流的水利、航运、防洪等社会功能完整性，但河流的航道功能并非该方法的重点内容，长江水利委员会建立的健康长江评价体系[17]便是代表之一；③ 到2008年，专门针对我国内河航道生态建设与保护的理念开始形成，“生态航道”的概念被正式提出。国内学者对生态航道也开展了大量研究。董哲仁从用水需求和生态系统的完整性出发，将水工学和水生态学相结合，提出了“生态水工学”(Eco-Hydraulic Engineering)的概念[18]；长江航道规划设计研究院初步提出了长江生态航道基本定义和科学内涵[19]；倪晋仁等综合航运功能、生态功能和河流其他社会服务功能的相互关系，初步建立了生态航道理论框架[20]；我国在西江航道也开展了一系列生态航道研究，在生态疏浚施工方面提出了一套完善的施工过程控制措施，并在工程实践当中取得了较好效果[21]。