长江流域水资源利用与航运发展协调性分析

余 志 成,王 伟,2,宋 月,褚 传 丰,黄 莉

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院,江苏 南京 210098; 2.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏 南京 210098; 3.河海大学 公共管理学院,江苏 南京 211100)

0 引 言

长江流域地理气候环境差异造成水资源时空分布不均,洪水和干旱灾害问题频繁发生。长江上游干支流控制性水库的建设和运行,对长江流域的自然水文状况产生了影响,改变了长江与洞庭湖鄱阳湖的江湖关系,两湖消落期提前,枯水期延长[1-2]。2022年7月以来,长江流域受气候异常、夏季雨季短、长江沿线多省市持续高温、少量降雨的影响,最高气温持续突破历史极端情况,长江干流及主支流水位持续下降,出现了罕见的汛期干旱现象,鄱阳湖和洞庭湖提前3～4个月进入枯水期,对长江航运的发展及水深保障带来了一定的影响[3]。水资源的开发利用会导致防洪、航运、发电等各方利益不能平衡。例如,新中国成立后至20世纪60～70年代,河流运输发展取得了长足的进展。此后,由于在利用水资源时,较少考虑到航道的运输作用,因此,在“闸坝断航”以及其他运输方式的冲击之下,西北地区的航运衰落[4]。南水北调中线工程从丹江口大坝调水后,汉江水资源明显减少,使得汉江枯水期大为延长,长期枯水又导致航道水深减小[5]。

对长江流域水资源利用与航运发展的耦合协调情况进行分析是水资源综合利用的一个重要方面。目前国内外学者对水资源耦合协调的研究主要集中在水资源与其他各要素间的交互耦合方面,以探讨两个系统之间的耦合协调关系为主,具体包括水资源与经济[6]、社会经济[7-9]、生态环境[10-11],以及能源[12-13]、土地资源[14-15]、人口[16-17]、城镇化[18-21]等两系统间的协调耦合关系。而对长江“水资源-航运发展”复合系统之间相互作用的研究较少,难以厘清长江水资源利用效率与航运发展之间的互馈关系。在全球变暖、极端干旱等复杂的自然情况下,长江流域“汛期反枯”情况备受关注,加之人类活动对自然生态系统活动的干预不断增多[22-23],枯水期的长江航运通航保障情况是目前亟需探讨的中国水安全主要问题[24]。特大干旱事件受自然和人为等多种因素的驱动,其形成、变化和发展机制十分复杂。鉴于目前水安全形势的紧迫性及对枯水期及极端情况下的通航保障情况研究的不足,本研究通过构建长江流域水资源综合利用与航运发展指标体系,利用综合评价法对2010～2020年长江流域水资源利用与航运发展的变化趋势进行分析,在此基础上构建耦合协调度模型,分析长江流域水资源利用水平与航运发展的耦合协调关系。同时考虑到近年来极端气候现象不断发生,为了保证研究的全面性和客观性,本研究还分别对枯水年(2011,2017年)及极端情况(2022年长江流域“汛期反枯”)下的水资源利用水平与航运发展的关系进行了深入分析,以期为长江航运发展战略提供理论参考。

1 研究区概况

长江流域是中国水资源配置的战略水源地,是联系东中西部的“黄金水道”。多年平均水资源量9 959亿m3,约占全国水资源总量的36%。每年长江供水量超过2 000亿m3,通过南水北调、引汉济渭、引江济淮、滇中引水等工程建设,惠泽流域外广大地区,保障供水安全。3 600多条通航河流的总计通航里程超过7.1万km,占全国内河通航总里程的70%(来源中国政府网)。2021年,长江干线货物通过量32.6亿t,同比增长6.5%;三峡船闸和升船机合计通过量1.5亿t,同比增长9.3%;长江干线省际客船全年预计完成客运量61.6万人次,与2020年同期相比大幅增加,但较2019年同期下降逾40%。

2 数据来源与研究方法

选取长江流域11个省市的水资源与航运发展相关数据作为研究样本,数据主要来源见表1。

表1 数据来源Tab.1 Data source

2.1 指标体系构建

2.1.1水资源利用指标体系构建

本文构建的水资源利用指标体系主要包括水资源水平、水资源利用、水资源保护3个方面。水资源水平主要包括人均水资源量,反映出长江流域水资源禀赋条件及供应能力[25];水资源利用主要包括人均用水量、用水普及率、水资源开发利用强度,反映出该区域的水资源利用能力、效率,以及开发潜力;水资源保护主要包括耗水量、单位工业增加值污水排放量,反映出区域水资源的可持续发展水平。同时参考文献[24]关于水资源耦合协调的研究,选取6个指标对长江水资源综合利用情况进行评价[26],指标体系见表2。

表2 长江水资源综合利用指标体系Tab.2 Comprehensive development indexes of water resources of the Changjiang River

2.1.2航运发展指标体系构建

长江航运发展主要与船舶大型化、标准化发展、航道等级的提升等内容相关,结合长江发展实际情况,从枢纽通航能力、运输能力、规模布局选取指标,同时考虑水资源利用的相关因素,构建航运发展评价指标体系,选取5个指标对长江航运发展进行评价,指标体系见表3。

表3 长江航运综合发展指体系Tab.3 Shipping comprehensive development index of the Changjiang River

2.1.3非常规情况指标体系构建

前文建立了耦合模型来分析常规情况下的长江航运与水资源利用的耦合态势,但随着近年来极端气候频发,仅仅分析正常年份的水深保障情况是不全面的,因此,为了保证研究的客观性与全面性,也需要分别对枯水年、枯水期和极端情况进行分析。通过查阅相关文献,参考《中华人民共和国长江保护法》等,发现长江干流(包括区间中小支流)重要断面最小下泄流量及最低控制水位指标,不仅可以满足河道生态基流(水位)和下游生活用水要求,还考虑了工业、灌溉、航运等用水需求;绝大部分生态基流(水位)与最小下泄流量(最低控制水位)相同。因此,本文选取最小下泄流量和最低控制水位两个指标,作为枯水年与枯水年枯水期水资源利用与航运发展协调度评价指标。

2.2 数据处理与模型构建

2.2.1数据处理

2.2.1.1 数据标准化处理

指标单位、统计口径等差异使得长江航运发展各指标存在量纲差异,考虑到计算结果的准确性,同时有助于对比分析数据,采用极值法对数据进行无量纲标准化处理,将原始数据标准化到[0,1]范围内,标准化公式为

(1)

2.2.1.2 权重及综合评价指数计算

在确立水资源利用和航运发展系统相关指标后,需对各指标进行赋权,明确指标的作用程度。为了使客观数据的分析结果更加科学,提高模型在耦合评价过程中的准确性,本文采用客观赋权法中的熵值法确定指标权重wi。

第i项指标在第j年所占指标权重:

(2)

第i项指标熵值:

(3)

其中,k=1/ln(n),且ei≥0。信息熵冗余度为di=1-ei。

各指标权重:

(4)

在熵权法确定各指标权重的基础上,运用线性加权法分别计算长江水资源利用和航运发展综合评价指数U:

(5)

2.2.2耦合协调度模型构建

耦合是指两个或两种运动以上的体系或两种运动形式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象,通常用耦合度来表示系统或要素之间的相互影响程度,以及它们之间的协同性[27-28]。耦合协调模型经常被用来做各种要素之间的相关性分析。本研究参考文献[29]的方法,计算水资源利用与航运两者间的耦合度C∈[0,1]。

C值越大,系统耦合度越高。考虑到主观赋值会影响耦合协调模型的使用效度,采用算术加权计算两系统的综合指数T。运用综合评价法计算获取水资源利用与航运耦合协调度D。

T=αU1+βU2

(6)

(7)

(8)

式中:U1,U2分别为水资源利用综合指数和航运发展综合指数,α,β为待定系数,α+β=1;xi和xj分别为水资源利用指标和航运发展指标的标准化值;m和n分别为水资源利用指标和航运发展指标数量;wi和wj分别是水资源利用指标和航运发展各指标的权重。D∈[0,1]值越大系统协调度越高。耦合协调度等级划分标准见表4。

表4 耦合协调度等级划分标准Tab.4 Division standard of coupling coordination level

3 结果分析

3.1 常规情况耦合协调结果分析

3.1.1趋势概述

通过数据分析和计算,得出2010～2020年长江航运发展变化趋势(见图1)、2010～2020年长江水资源利用综合指数变化趋势(见图2),再进行总体耦合度分析,利用耦合协调模型计算出2010～2020年长江流域航运与水资源利用之间的耦合协调关系(见图3)。为更好反映研究区域航运发展与水资源利用在空间上的耦合协调度差异,以及长江不同区段耦合协调度随时间变化趋势,绘制出长江各区段航运与水资源耦合协调度对比图(见图4)。

图1 2010～2020年长江航运综合发展变化趋势Fig.1 Comprehensive development trend of Changjiang River shipping from 2010 to 2020

图2 2010～2020年长江水资源利用综合指数变化趋势Fig.2 Trend of the comprehensive index of water resources utilization in the Changjiang River from 2010 to 2020

图3 2010～2020年长江航运-水资源耦合协调度变化趋势Fig.3 Variation trend of the coupling cooperation degree between shipping and water resources in the Changjiang River from 2010 to 2020

图4 长江各区段航运-水资源耦合协调度对比Fig.4 Comparison of coupling synergy degree between shipping and water resources in various sections of the Changjiang River

从时间上来看,2010～2020年长江航运发展水平从2010年的0.20增长到2020年的0.45,呈现持续稳定上涨趋势。长江水资源变化趋势如图2所示,11 a内长江水资源总体发展指数在0.44左右的位置来回波动,在2016～2020年间存在较大幅度振荡,到2020年再次回到平均水平,整体来看,从2010年的0.383到2020年的0.403,长江水资源的利用指数保持稳定态势。而长江航运与水资源利用耦合协调度总体为0.6～0.7,达到初级协调水平,在2018年达到中级协调水平,且总体协调度呈现振荡上升趋势。由此可以得出以下结论:2010～2020年长江水资源利用呈现振荡上升趋势,但航运发展始终保持上升势头,现状水资源没有制约长江航运发展。

从空间上看,长江航运与水资源协调水平存在差异,下游显著高于中上游,上游增速最快,中游较为均衡。由于长江水资源分布在空间上存在一定差异,由安徽、江苏、浙江、上海组成的长江下游地区是中国重要的贸易、港口聚集地,下游航运-水资源协调水平显著性地高于中游和上游,耦合协调度为0.7～0.8,达到中级协调水平,2018年协调指数超过 0.8,达到良好协调等级;由青海、西藏、四川、云南、重庆组成的长江上游区域支流数量少、航运条件有限,以农业灌溉、水力发电等为主,上游航运-水资源协调水平起点最低,但增速最快,且呈现持续增长态势;由湖北、湖南、江西组成的中游区域作为中国水资源丰富的地区,在满足三峡大坝等重要发电需求的同时也是中国重要的粮、油、棉生产基地,航运、水资源利用在中游地区均得到了较好的发展,耦合协调度也一直在0.45上下浮动,较为均衡。

3.1.2典型案例分析

(1) 金沙江向家坝段枢纽。向家坝枢纽位于长江航运的上游,是金沙江的最下游梯级,该河段水资源变动幅度大,洪水期河宽500～1 000 m,而枯水期河宽200～400 m。从叙渝段各河段历月维护水深(见表5)可看出,尽管整治工程实施、Ⅲ级航道覆盖率显著提高,但紊乱的水势仍然从一定程度上制约了航运发展。总体来看金沙江河段维持较好航运需要的水资源条件包括:金沙江河段的水流量需要保持在一定的范围内,以保证船只能够顺利通过。金沙江河段的平均流量为约5 000 m3/s,可以满足大部分船只的通过需求。

表5 叙渝段航道分月维护水深Tab.5 Maintained water depth in the Xuyu channel every month m

(2) 三峡工程。三峡工程的建设对长江航运产生了显著的影响。三峡大坝运行后下游水位平均下降了1.5 m左右,上游水位平均上升了1 m左右。每年通过三峡船闸的船只数量从2003年的1.5万艘增加到2018年的4.06万艘。三峡工程的建设对长江航运产生的影响毫无疑问是积极的,其中包括水位变化、水流速度变化、船只通过难度变化和航道水深变化等方面,但现如今其通过能力已经面临极限,处于超负荷运行状态。

3.2 非常规情况分析

根据2010～2020年长江降水量、通航保证率等数据以及GB/T 50095-2014《水文基本术语和符号标准》,基本以来水频率P=75%的典型年代表枯水年。中国枯水期则是从每年12月份到次年4月份。每年各地可能略有偏差;进入12月份,随着长江上游来水量不断减少、三峡水库开始腾库防汛和实施中下游生态补水,长江上游枯水不断加剧,中下游持续低水位徘徊,长江沿线全面进入枯水期。

3.2.1非常规情况下最低控制水位分析

3.2.1.1 枯水年

根据以上分析,确定2011年和2017年为2010～2020年的枯水年,图5为长江干流各代表性水文站分别于2011、2017年监测得到的枯水位数据。将数据进行处理并计算平均绝对偏差得到两个年份的枯水位对照,见表6。总体情况来看,尽管2011年全河段枯水位的平均绝对偏差与2017年的偏差差值在0.5%左右,但除了上游的寸滩之外,所有河段的平均绝对偏差都有了进一步的缩小,说明枯水期间同一段河道水位变化的离散程度较小,主要原因是2017年秋季至2018年春季整体降水较2011年秋季至2012年春季更频繁,或2011～2017年航道清淤整治效果较好,水土保持工作到位,河水含沙量减少。

图5 2011,2017年长江各水文站枯水期水位监测Fig.5 Water level monitoring of hydrological stations in the Changjiang River in 2011,2017

表6 典型枯水年长江各航段航道水深Tab.6 Water depths of channels of the Changjiang River in typical dry years

从监测点水深监测数据来看,长江干线航道维护水深达标率达100%,通航水深保证率达到95%及以上,中上游干线航道可以有效应对“枯水延长、洪水不洪”的水情。但在某些地区,例如,2011年和2017年宜昌水文站监测的最低枯水位分别为和39.33 m和39.61 m,在满足通航要求的情况下,最浅处仅能勉强维持3.5 m的通航水深,拖慢了航行效率,存在一定安全隐患[30]。

3.2.1.2 极端情况

2022年长江流域“汛期反枯”的情况更为极端。由于副热带高压异常强盛,辐射增温效果明显,导致了6月以来长江流域降水量较常年同期少30%,与近5 a同期平均值相比,长江干线流量偏少约51%,长江干线水位平均偏低4.3 m,多处水道水位达同期历史最低以致长江航道局于当年8月紧急调整部分航道维护尺寸,各地航道部门多措并举保障航道畅通,如表7所列。

表7 2022年8月19日调整前后航道维护尺寸Tab.7 Adjustment of the waterway maintenance size on August 19,2022 m

上述条件下对长江航运效率产生了影响,大型船舶若维持航行,需降低载重,将船舶吃水量调整至航道维护水深以内,而吃水量低于这一水平的船舶仍可正常配载行驶[31-32]。

3.2.2非常规情况下最小下泄流量分析

根据《长江干流宜昌至河口河段(包括区间中小支流)水量分配方案》《长江干流宜宾至宜昌河段(包括区间中小支流)水量分配方案》(简称分水方案),在2030水平年、特征枯水年及特征枯水年枯水期的断面流量均能满足控制性最小下泄流量。分水方案下主要控制断面2030水平年与特征枯水年(枯水期)水量和流量情况见表8。从表中可以看出,分水方案优化了主要控制断面流量,即使在特征枯水年枯水期(12月至次年4月)内,李庄、寸滩、宜昌、螺山、汉口、九江、大通等七大控制断面的流量也能满足控制性最小下泄流量。最小下泄流量指标确保了河道生态基流和下游生活、工业、灌溉、航运等用水需求,虽然在特征枯水年和特征枯水年枯水期受降水偏少影响,断面水量有明显下滑,但通过水量合理分配、控制性水库群蓄丰补枯等措施,在水量偏少的情况下,仍明显增加了主要控制断面的枯水期流量,证明分水后断面流量和航运条件得到了进一步的优化。

表8 分水方案下主要控制断面2030水平年与特征枯水年(枯水期)水量和流量情况Tab.8 The water volume and flow in horizontal year(2030)and the characteristic dry year(dry period)at major sections,under the water dividing scheme

3.2.3非常规情况下水资源利用与航运的相关性分析

前文对长江水运发展耦合协调度的非常规情况进行了梳理,针对2011,2017年枯水年,将长江水资源利用指数的各项指标单独量化后作出变化趋势图(见图6)。2010～2020年期间随着气象、政策与市场不断变化,使得单项指标的增长/缩减呈现得较为复杂、不可预测。以单位工业增加值污水排放量为例,2013年之后该项值锐减主要归功为“十二五”期间《长江中下游流域水污染防治规划》的通过以及十八大后国家对长江污水治理的推动。在本组数据中,人均水资源量、耗水量、水资源开发利用强度这3项指标与非常规情况关系密切。

图6 2010～2020年长江水资源利用指标变化趋势Fig.6 Change trend of water resources utilization indicators of the Changjiang River from 2010 to 2020

根据数据分析发现:人均水资源量2011年较2010年降幅约47%,2017年较2016年降幅达到了60%,降幅较大的原因是枯水年的下半年降水偏少,径流也相应减少,干旱持续到第二年的春末;耗水量2011年较2010年增长平缓,而2017年较2016年则有了近60%的涨幅,与之对应的水资源开发利用强度也在低谷重新抬升,主要成因即为干旱情况下需要频繁地通过船闸来调整航道通航,以及非航运用水资源实行重复利用。枯水年内,航道变窄,水深变浅之后,原本的双向航道可能变成单向航道,单向航道成为控制航段,船舶也可能被迫减载,从而逐步影响整年的航运发展水平,但本身航运就是一个动态调整的行业,针对非常规情况也能通过调整货物结构、出船时间,协调江海联运等方针进行一定的维稳,而短期内的“汛期反枯”现象不太会对航运物流市场带来巨大波动。

4 结论与建议

4.1 结 论

通过建立长江航运发展与水资源两系统指标体系,利用综合评价法和耦合协调度模型进行分析,得出以下结论:

(1) 从时间上看,长江水资源综合利用水平2010～2020年呈现振荡上升趋势,从2010年的0.383增长到2020年的0.403,但航运发展始终保持上升势头,2010～2020年航运指数增长了0.251。总体上现状水资源没有制约长江航运发展,未来随着小南海、龙盘等水利枢纽工程建成将进一步优化航运发展条件。

(2) 从空间上看,长江各段航运-水资源协调水平存在一定的差异。下游航运-水资源协调水平显著性地高于中游和上游,总体达到中级协调水平,2018年甚至达到0.8以上的良好协调水平;上游航运-水资源协调水平起点最低,但增速最快,到2020年协调度已达到0.50,且呈现持续增长态势;航运、水资源利用在中游地区均得到了较好的发展,耦合协调度一直在0.45左右浮动,较为均衡。

(3) 在非常规情况下,枯水年枯水期水资源利用会对航运发展局部航段产生一定不利影响,在2022年长江流域“汛期反枯”的极端情况下,多处水位达历史同期最低,长江干线水位仅相当于往年水平年枯水期,可能会对航运安全和航运效率产生影响。而通过分水方案统筹优化作用,在2030水平年、特征枯水年及特征枯水年枯水期的断面流量均能满足控制性最小下泄流量,航运条件可以得到进一步的优化。

4.2 建 议

随着外部条件的变化,水资源要素能满足长江航运发展基本需求,但中国缺水的国情没有改变,长江航运想要实现更高质量的发展仍需从多方面开展工作。下面从增强水量调控、提升航运效率、深化节约用水3个方面提出建议:

(1) 加大水量调节能力,加快建设水利控制性枢纽。控制性枢纽建设(尤其多年调节水库)是增强水量调控能力、维持水生态、保障航运发展的不可替代途径。以金沙江河段为例,其平均水流量为5 000 m3/s,则需常年保障水位变化范围在2 m之内。

(2) 加快发展以水路为骨干的多式联运,推动新技术与长江航运业态融合发展。研究拓展江海直达的领域和范围,有序推进江海直达运输发展。以三峡工程为例,“双循环”背景下,三峡枢纽水运新通道的建设势在必行,通过水利枢纽工程的调度和水电站的调度可解决长江上下游水位差异和水资源调度问题。

(3) 深化节约用水,按照水资源综合利用要求,加强与有关部门协同,参与制定长江流域跨省河流水量分配方案,配合开展长江中上游水库群联合调度,保障航道及通航建筑物所需的最小下泄流量和通航水位。