长江中游多目标协同航运优化研究

陈英健　马方凯　尹靓　赵潜宜

摘要：长江黄金水道潜力进一步发挥需要破解“中梗阻”问题，同时需要与生态环境保护、防洪安全、河势稳定等要求相适应，因此开展长江中游多目标协同航运优化研究迫在眉睫。针对长江中游航运存在的问题，构建了多目标协同的航运优化决策模型，基于评价结果提出了“建设中游人工水道，与长江干流生态通道形成中游双通道格局”的航运能力优化思路。优化决策评价结果表明：长江中游人工水道建设不仅有利于破除航运“中梗阻”等不利影響，也有利于长江中游流域生态环境的改善，使长江中游在航运发展等河流开发活动与河流健康之间趋于更高层次的平衡与协调。

关键词：长江中游; 航运能力; 多目标协同; 优化决策; 人工水道

中图法分类号： TV91

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.001

0引 言

长江黄金水道是中国国土空间开发最重要的东西轴线，在国家区域发展总体格局中具有重要的战略地位。经过长期治理，长江航道通过能力显著提升，成为世界上运量最大、运输最繁忙的通航河流，内河货运量连续多年位居世界第一。国家提出打造“畅通、高效、平安、绿色”全流域黄金水道的长江经济带发展战略，对长江航运提出了更高要求。然而，目前长江中游宜昌至武汉河段的通航标准明显低于上下游，且航道能力提升与防洪安全、河势稳定、水生态环境保护等存在较大矛盾，“中梗阻”问题十分明显，制约了长江黄金水道乃至长江经济带的发展。在新时代生态文明建设与长江大保护的新要求下，围绕长江中游绿色高质量发展需求，开展航运优化决策与航运能力提升方案研究显得十分必要。

从航运优化决策分析角度来看，近年来，国外学者围绕“绿色航道”等概念开展了一些研究，这些研究多是关注航运污染或航运风险管理等，较少涉及河流生态[1-2];国内学者聚焦“生态航道”这一概念，利用层次分析法、组合赋权法、五元联系数模型等开展生态航道评价[3-6]。虽然国内外关于多目标协同发展的航运评价研究较少，但在与此相关的河流健康评价理论与实践方面积累了丰富的研究成果。许多国家地区建立了成熟的调查方法和评价体系，其中以美国的生物完整性指数（Index of Biotic Integrity，IBI）[7]、英国的以河流无脊椎动物分类和预测为基础合并河流生物监测系统（River Invertebrate Prediction and Classification System，RIVPACS）[8]、澳大利亚基于RAVPACS改进的监测系统（Australian River Assessment System，AUSRIVAS）[9]和南非的栖息地完整性指数（Integrated Habitat Index，IHI）[10]等河流健康评价方法最具代表性。国外对河流健康的研究主要集中在水质、水生态、水文等河流自然属性方面。国内自2003年起也相继开展了黄河、长江、珠江等大型河流健康的研究，包括理论研究、评价指标体系构建及评价模型的研究等，为中小型河流开展健康评价实证研究提供了参考经验[11-14]。多指标评价方法（包括综合指数评价法、模糊层次综合评价法等[15-16]）因其对于情况复杂、多层次的复合评价过程适用性较好，被广泛用于河流健康评价。然而，现有河流健康评估仍存在评估不够全面、评价指标针对性不足、模糊性和不确定性处理能力欠佳等问题，且评价模型主要以强调和维持河流自然功能为核心，一定程度上忽略了河流开发这一重要的社会功能。

为维持或提升通航能力，工程上多通过航道整治来改善航道条件[17-19]。同时，通过人工水道构筑内陆航道网己成为航道体系建设的重要手段。国内外有很多新开航运通道的成功经验，如德国连接美因河与多瑙河的运河体系、美国连接五大湖与纽约港的伊利运河[20]、中国的京杭大运河[21]等。水系之间通过运河相互沟通，不仅能形成四通八达的航运网络，有利于货物的直达运输，还能构建区域安全、绿色、生态水网，保障区域防洪、供水和生态安全。

因此，本文针对长江中游航运存在的问题，构建顺应航运发展需求，且航运提升-防洪安全-河势稳定-生态环境保护等多目标协同的航运优化决策模型，在评估决策基础上提出了符合航运能力提升的优化方案，使长江中游在航运发展等河流开发活动与河流健康之间趋于更高层次的平衡与协调。

1研究区概况

长江中游从湖北宜昌至江西湖口，干流长955 km，流域面积约68万km2，属于长江流域典型的江湖复合生态系统。该河段河网湖泊密布，与洞庭湖、鄱阳湖自然连通，衔接江汉平原、洞庭湖平原，是长江流域重要的水生生物栖息地和资源库，具有生物多样性保护和洪水调蓄等重要生态功能。

长江中游荆江河段多浅滩碍航，历来是长江防洪的重要险段和航道维护的瓶颈河段。近十多年来，航道部门陆续对荆江重点碍航水道和正在向不利方向变化的水道实施了整治，航道条件得到了一定程度的改善，但该河段最小维护水深仅3.5～3.8 m，仍明显低于上游和下游，对于枯水期而言，大型货运船舶通行需减载、转驳，大大降低了长江黄金水道的通航效率，不能满足黄金水道战略要求。长江宜昌至武汉段“中梗阻”问题已经成为制约长江航运发展的关键。

2多目标航运优化决策模型构建

2.1模型构建思路

通过长江中游航运环境影响因素耦合分析，构建长江中游多目标协同航运优化决策指标评价体系。运用德尔菲法收集该领域内相关专家对指标体系中各指标的两两重要性对比情况的问卷调查结果，随后利用层次分析法构建各级判断矩阵，计算一致性比例，经过一致性检验后确定各指标权重。在此基础上，统计各指标在辨识框架下的置信度后，根据杨剑波法[22]的基本思想形成了引入权重的Dempster合成规则，并利用证据推理法计算出确定性评价结果，从而根据评价结果进行航运优化决策分析。具体流程如图1所示。

针对决策评价指标体系中存在较多的不确定性因素，此方法以证据推理、信息融合、模糊数学及效用理论为基础构建模型，可以较好地处理和融合多个不确定性、模糊性信息，并合理高效地从多因素角度开展分析。

2.2决策评价体系及权重

结合新时期长江经济带发展战略对长江生态保护与绿色发展的要求，系统梳理长江中游现状及问题，长江中游航运优化决策主要考虑以下几个方面：

（1） 航运发展。长江是中国国土空间开发最重要的东西轴线，增强干线航运能力（特别是中游航段）是长江黄金水道建设乃至长江经济带高质量发展的重要内容，也是本次研究探索长江中游多目标协同发展之路的前提。

（2） 生态保护。长江是我国重要的生态宝库，但随着流域经济社会的快速发展，长江水生生物资源及水域生态环境面临诸多威胁。长江经济带发展战略要求把保护和修复长江生态环境摆在首要位置，共抓大保护，不搞大开发。因此，在航运优化决策中必须考虑河流生态健康状态相关因素。

（3） 河势稳定及防洪安全。三峡及干支流控制性水利水电工程建成后，中下游地区防洪形势趋于利好。但同时工程建设改变了中下游河道的来水来沙条件和河势稳定，对防洪安全、岸线和洲滩利用、航运发展提出了新的要求。因此在航运优化决策问题上需要具体考虑河流情势与防洪安全情况。

（4） 航道水资源开发利用。水资源是生命之源、生产之要，航运优化决策中既要保证流域内农业灌溉用水量，还要保证周边城镇生产生活的人均需水量。

（5） 区域经济发展情况。长江中游治理开发的目的是带动区域经济发展，同时依托长江黄金水道，促进长江经济带东中西部协同发展。

综上，本文从航道稳定状况、航道生态特性、生态环境适应性、航道防洪安全保障、航道水资源开发利用、航运功能、航道水文情势变化、区域经济发展状况等8个状态层，选取27项评价指标，构建通过筛选后的长江中流多目标协同航运优化决策评价指标体系，如表1所列。

2.3决策模型计算

2.3.1利用层次分析法确定各指标权重

采用层次分析法的1-9标度法设计调查问卷，邀请长江各领域专家，对两两指标的重要性赋予一定的数值。汇总整理各专家打分后，构造出比较判断矩阵，综合各专家打分取几何平均，得到各层因素间的综合判断矩阵，以此计算出的各指标权重如表1所列。

2.3.2确定各指标在辨识框架上的置信度

研究中将长江中游航道综合评价结果划分为5个等级，即模型的辨识为：H={H1，H2，H3，H4，H5}={差，较差，一般，好，很好}。将专家评价值P（H）利用比例尺法进行确定，选取P（H）={P（H1），P（H2），P（H3），P（H4），P（H5）}={0.1，0.3，0.5，0.7，0.9}，各等级对应的取值范围如下：差，0～0.2;较差，0.2～0.4;一般，0.4～0.6;好，0.6～0.8;很好，0.8～1.0。

针对已确定权重的筛选指标，再次邀請长江各领域专家，借助其专业知识及经验对长江中游现状下的各项筛选指标进行等级评估，填写调查问卷，汇总整理各专家打分后，按照辨识框架区间（H1～H5）进行分布，引入不确定度H0，得出27项已知权重的筛选指标在辨识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，由于单个下级指标权重不为1所产生的剩余概率为0.423;由于专家对指标评价的不确定性所引起的概率为0.01。

结合基本概率指派值和归一化系数，计算所有指标在辨识框架上的总置信度（见表4）。

可以看出，在所有指标上的不确定置信度为0.024，表明证据合成后形成的结果所包含的不确定性和模糊性处于较低水平。

结合评价值的比例标尺法，得出评价总目标的“确定性”评价值为0.491。

2.4决策模型结果分析

决策模型计算结果表明，长江中游航道现状整体指标处于“一般”的状态。同时，由指标体系中各指标的综合权重值以及它们在辨识框架上的置信度得出的基本概率指派可知，由于河床自然演变频繁、航道水深不足、航运侵占部分水生动物的生存空间、船舶及港口污染等原因，航道稳定状况、生态环境适应性等方面的指标大部分均处于“一般”及以下状态。其中，高标准通航水深保证率、通航密度、珍稀水生物存活状况等指标处于“差”到“较差”范围的值偏大，得分情况欠佳，因此在后续规划中应优先考虑上述指标情况;而河岸稳定性、河床稳定性、航运安全保障能力、河道水情变化率、日径流变差系数、年径流变化状况、水功能区水质达标率、溶解氧量、生物多样性指数、鱼类生物完整性指数、四大家鱼产卵量、最大排蓄洪水能力、综合灌溉保证率、区域GDP总额、区域经济发展贡献度、区域就业增长率、区域城镇化发展水平、交通运输业基础设施投资额等指标主要集中在“较差”到“一般”范围内，得分情况一般，也需对这些指标情况进行综合考量。

3长江中游多目标协同航运优化决策分析

3.1工程建设思路

针对长江中游现有航道总体发展水平不足，现状评价处于“一般”状态的问题，本次研究将以破解航道“中梗阻”为主要驱动力，以水生态、水环境保护为重要支撑点，兼顾防洪排涝与河势稳定，研究提出长江中游通航万吨级船舶的综合水利工程体系建设方案，使多目标协同航运优化决策评价结果更优。

借鉴国内外已有案例及工程经验，“中梗阻”破解主要有两个思路：一是对原有航道直接进行航道整治，提升航道标准;二是考虑到江汉平原地区河网密布的特征，充分利用现有水系规划新的航运通道。

3.1.1航道整治思路

近十多年来，航道部门陆续对荆江重点碍航水道和正在向不利方向变化的水道实施了一定程度的整治，若继续开展大规模的航道整治工程，主要存在以下3方面的问题：① 技术难度大，而且难以维护;② 大规模的、频繁的航道整治影响河势稳定与防洪安全;③ 荆江河段是鱼类资源和中华鲟、江豚等珍稀濒危野生动物的天然宝库，整治过程中的过度干扰会对这些重点保护水生动物的生存环境造成直接破坏，威胁到长江中游乃至整个流域生态系统。

3.1.2人工水道建设思路

受河势、防洪、生态环境等诸多因素制约，长江中游干线航道单纯通过航道整治措施大幅提升通航标准存在现实困难，有必要另辟蹊径突破瓶颈。鉴于此，钮新强院士团队研究提出了长江中游人工水道工程方案——利用江汉平原地势平缓、水网密布的优势，打通一条连接荆州-武汉、可通航万吨级船舶的人工水道，与长江干流形成中游“双通道”新格局，其中人工水道将作为长江航运主通道，而长江干流则以生态环境保护为主[23]（见图2）。

相比思路一，该方案主要有以下特点：

（1） 将破解长江“中梗阻”问题，提升长江黄金水道“主轴”作用，与三峡水运新通道建设相结合，实现万吨级船舶直达重庆，经济社会效益巨大。通过沿线设置若干双向船闸，可克服人工水道与中游干支流交汇处的水头差，保障全年各时期通航安全。

（2） 人工水道建成后，大型船舶和过境船舶将经由人工水道穿越长江中游荆州-武汉段，实现干流船舶有效分流，减少船舶活动对长江的污染，同时干流通航密度将逐步减少，有利于加强水生生境保护及生态修复，构筑绿色生态廊道。

（3） 以人工水道为骨干渠道，结合区域地形地势和水网格局，构建由人工连通河渠、交叉建筑物、闸泵等组成的中游综合水利工程体系，利用生态水网向区域内河湖水系补水，保障供水安全，为洞庭湖、洪湖湿地生态修复创造条件。

3.2多目标协同航运优化决策综合分析

3.2.1模型计算

基于建设后期相关指标数值范围及专家问卷打分结果，人工水道工程建设后期各项指标在辨识框架下的权值置信度如表5所列，其中属于防洪安全保障、水资源开发利用、航运功能等因素的指标置信度主要集中于H4和H5，表明其有着朝利好方向发展的大体趋势。

按照Dempster合成规则进行证据融合，得出所有指标在辨识框架上的基本概率指派（见表6）。

由此可知，各指标结合不同权重的置信度在经过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。同时，单个下级指标权重不为1所产生的剩余概率为0.434，专家对指标评价的不确定性和不知道所引起的概率为0.005，较建设前期显著下降。

由基本概率指派和归一化系数可得出所有指标在辨识框架上的置信度，如表7所列。总置信度越大，表明评估结果落于辨识框架下对应等级的结论越可靠。而人工水道建设后，所有指标的不确定置信度为0.009，低于建设前期的0.024，表明在证据融合的过程中减弱了数据来源具有的不确定性，也就是说模型评估效果削弱了不确定性带来的影响。

结合评语集比例标尺法对应的量化值，计算出评价总目标的“确定性”评价值为0.642，即表明证据合成后的航道体系落于“好”的区间，多目标协同发展下的航运优化决策效果明显。

3.2.2结果分析

结合各指标综合权重值以及人工水道建设后各项指标在辨识框架上的置信度可知，原本置信度集中于“差”到“较差”范围内的高标准通航水深保证率、通航密度等指标，在人工水道建设后其置信度基本提升至“一般”到“好”的范围内。而原本置信度集中于“较差”到“一般”范围内的河岸稳定性、河床稳定性、航运安全保障能力、河道水情变化率、日径流变差系数、年径流变化状况、水功能区水质达标率、溶解氧量、生物多样性指数、鱼类生物完整性指数、四大家鱼产卵量、最大排蓄洪水能力、区域GDP总额、区域经济发展贡献度、区域就业增长率、区域城镇化发展水平、交通运输业基础设施投资额等指标，在新航道建设后其置信度也集中于“一般”至“好”的范围内。

针对“人工水道建设思路”的决策评价表明，人工水道建设可使长江中游整体指标处于“好”的状态，且人工水道建设后在所有指标上的不确定置信度比建设前有所降低，说明长江中游人工水道建设，不仅有利于破除航运“中梗阻”等不利影响，也有利于长江中游流域生态环境的改善。

4结论与建议

本文针对长江中游航运“中梗阻”问题，结合长江大保护、区域高质量发展对长江治理开发与保护的要求，构建了多目标协同航运优化决策模型，并根据评价结果提出了长江中游航运能力提升优化方案，即建设一条连接荆州-武汉、可通航万吨级船舶的人工水道，与长江干流形成中游“双通道”新格局。研究结果表明：人工水道建设能有效破除航运“中梗阻”等不利影响，改善长江中游流域生态环境，使长江中游在航运发展等河流开发活动与河流健康之间趋于更高层次的平衡与协调。

鉴于长江中游人工水道在长江经济带发展中的重要性，建议尽快开展项目深化研究工作。人工水道建设涉及长江生态环境保护、航运发展、水资源综合利用和经济社会发展等各个方面，建议可重点针对工程定位与任务、标准、方案、效益、运行管理、投融资模式等重大问题开展深化研究，回答工程必要性、可行性、经济性、环境合理性等重大问题，为项目立项决策奠定基础。

参考文献：

[1]MOU J M，TAK C，HAN L.Study on collision avoidance in busy waterways by using AIS data[J].Ocean Engineering，2010，37（5-6）：483-490.

[2]GOULDINGR，JAYASURIYA N，HORAN E.A Bayesian network model to assess the public health risk associated with wet weather sewer overflows discharging into waterway[J].Water Research，2012，46（16）：4933-4940.

[3]李天宏，薛晶，夏煒，等.组合赋权法-木桶综合指数法在长江生态航道评价中的应用[J].应用基础与工程科学学报，2019，27（1）：36-49.

[4]李天宏，丁瑶，倪晋仁，等.长江中游荆江河段生态航道评价研究[J].应用基础与工程科学学报，2017，25（2）：221-234.

[5]匡舒雅，李天宏.五元联系数在长江下游生态航道评价中的应用[J].南水北调与水利科技，2018，16（5）：93-101.

[6]朱孔贤，蒋敏，黎礼刚，等.生态航道层次分析评价指标体系初探[J].中国水运·航道科技，2016，2（502）：13-17.

[7]KARR J R.Ecological perspective on water quality goals[J].Environmental Management，1981，5（1）：55-68.

[8]WRIGHT J F，FURSE M T，MOSS D.River classification using invertebrates：RIVPACS applications[J].Aquatic Conservation：Marine and Freshwater Ecosystems，1998，8（4）：617-631.

[9]SCHOFIELD N J，DAVIES P E.Measuring the health of our rivers[J].Water，1996，23：39-43.

[10]KLEYNHANS C J.A qualitative procedure for the assessment of the habitat integrity status of theLuvuvhu River （Limpopo system，South Africa）[J].Journal of Aquatic Ecosystem Health，1996，5（1）：41-54.

[11]吴道喜，黄思平.健康长江指标体系研究[J].水利水电快报，2007（12）：1-3.

[12]文伏波，韩其为，许炯心，等.河流健康的定义与内涵[J].水科学进展，2007，18（1）：140-150.

[13]胡春宏，陈建国，孙雪岚，等.黄河下游河道健康状况评价与治理对策[J].水利学报，2008，39（10）：1189-1196.

[14]林木隆，李向阳，杨明海.珠江流域河流健康评价指标体系初探[J].人民珠江，2006（4）：1-3，14.

[15]张柱.河流健康综合评价指数法评价袁河水生态系统健康[D].南昌：南昌大学，2011.

[16]刘营.河流健康的模糊评价模型研究[J].广西水利水电，2018（2）：95-99.

[17]张晏方，邓勇，毕文焕，等.水下隐蔽工程检测技術在长江航道整治工程中的应用[J].水运工程，2012（10）：143-147.

[18]刘怀汉，尹书冉.长江航道泥沙问题与治理技术进展[J].人民长江，2018，49（15）：18-24.

[19]刘星童，渠庚，徐一民.长江马鞍山河段演变规律与治理思路研究[J].人民长江，2021，52（6）：1-6.

[20]奚雪松，陈琳.美国伊利运河国家遗产廊道的保护与可持续利用方法及其启示[J].国际城市规划，2013，28（4）：100-107.

[21]蔡蕃.京杭大运河水利工程[M].北京：电子工业出版社，2014.

[22]杨剑波.多目标决策方法与应用[M].长沙：湖南出版社，1996.

[23]钮新强.长江黄金水道建设关键问题与对策[J].中国水运，2015（6）：10-12.

（编辑：胡旭东）