長江航道發展階段及特征分析

蔡大富，劉 清，劉懷漢，曾旭虹，李學祥，張 恒

(1.長江航道規劃設計研究院，武漢 430011;2.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

一、引 言

長江歷史悠久，孕育了燦爛的荊楚巴蜀文明，從古至今在貨物運輸、農業生產、軍事應用等方面發揮了舉足輕重的作用。長江橫貫我國東中西，全長約2838 km，從新石器時期行舟楫之利，到21世紀的黃金水道，經歷了相當長的發展歷程，經歷了不同的發展階段，串起了長江的整個發展史。長江航道經過了時間、技術、需求的數次推拉，形成了具有顯著分水嶺的發展階段，在不同的階段存在著具有差異性的發展特征，這些發展特征有著鮮明的時代印記。開展長江航道發展階段及特征的研究，有助于深化航道基礎理論，加快長江航道跨越轉型，推動長江航道文化建設進一步發展，對科學指導長江航道規劃建設、促進國際航道基礎研究交流與合作具有十分重要的意義和作用［1］。

目前，國外關于交通運輸業發展的階段劃分理論，大多從技術或需求角度對其核心驅動力作細致分析，并通過經驗研究總結交通運輸的發展規律。國內關于交通發展理論的研究比較零散，還沒有形成一個相對成熟的、系統的理論體系，對于我國交通運輸發展階段的研究較少，其他行業發展階段劃分理論尚未形成。目前，國內外對航道發展階段劃分尚沒有成熟的理論和案例可以借鑒。本文根據航道發展的時間軸特性，通過對技術、需求的整合及需求的量化算法分析，給出長江航道發展階段劃分及特征描述，指引長江航道未來的發展，也為其他內河航道的階段劃分提供參考。

二、基于fisher算法的長江航道發展階段劃分

前期研究已經給出了基于時間的劃分方法，基于時間、技術的劃分方法，基于時間、技術、需求的劃分方法，來展開內河航道發展階段的劃分［2］32-38。其中，基于時間、技術、需求的劃分方法在前面兩種定性分析的基礎上，通過對需求指標的量化分析，能夠得到更優的階段數和更具體的劃分點。在該方法的量化分析中，Fisher算法［3］是關鍵，它是數學最優問題的一種算法，可應用于多維問題研究。

Fisher算法又稱最優分割法，就是對有序樣品進行分類的一種多元統計分析方法，它開始將所有樣品看成一類，然后將它們分為一類、二類等，直到分成所需的k類為止。將n個有序樣品分成k類的一切可能分法有Ck-1n-1種，每一種分法，稱為一種分割，在這種Ck-1n-1分割中找出一種分割，使得各種分類數k中，它的k類各段內部的樣品之間差異最小，而段與段之間的差異最大。

航道的發展具有時序性，且每一個時間點都對應了不同的特征，存在一定的差異性，如技術運用的差異、航運需求的差異等。各時間點的特征具有或大或小的關聯性，各時間點的差異程度也有大有小。因此，劃分的階段數會隨劃分時考慮的因素、要求的差異而不同。Fisher算法科學地將航道發展的差異性進行聚類分析，有效地解決了航道發展階段的劃分問題。本文從實際運用角度出發，運用Fisher算法對需求指標進行分析，得到基于需求的最優階段劃分數和劃分點，結合基于時間、技術劃分方法的劃分結果，確定航道的階段劃分，并展開階段特征分析。

1.需求量化指標的選擇及模型的構建

(1)指標的選擇及量化。航道發展具有復雜性、多維性，航道發展階段的劃分應該比較全面地反映航道發展的總體情況和特征。在雙因素方法定性劃分航道發展階段的基礎上，本文加入了驅動航道發展的源泉——需求因素，并對需求因素進行量化。需求因素相對于時間、技術因素更易得到科學合理的量化值。根據航道發展的整體情況，需求因素可選的量化指標包括貨運量、貨運周轉量、船舶噸位、通航里程、航道等級等，這些指標可用X1，X2，…，Xn表示。

D(i，j) 表示的是該變量段{Xi，Xi+1，…，Xj}(j＞i)內部各變量之間的差異情況。D(i，j)越小，表示該段內變量的差異越小，或說明相互間越接近。反之，D(i，j)越大，則表示該段內變量之間的差異越大，或說明相互間越分散。

(3)定義分類的誤差函數。用P(n，k)表示將n個有序航道劃分變量分成k類的某種分法。常記分法 P(n，k) 為

(4)求最優劃分k分段。對于給定的階段分段數k(0＜k＜n)，可以在所有可能的劃分階段方案P(n，k)中找出使L［P(n，k)］達到極小者作為最優劃分k分段，記為b(n，k)。

欲分成k段時，先找jk使式(4)達到最小，即(5)確定階段劃分數。分段數k或根據需要指定或依據L［P(n，k)］依k變化情況，結合航道階段二維劃分方法確定。本文通過作L［P(n，k)］與k的曲線關系圖，曲線拐彎處的k值即為最優劃分階段數。然后將k值帶入Matlab進行計算，可以得出前面Fisher算法計算的時間段的航道發展的更為具體的階段。

2.長江航道發展階段的劃分

從航運固有特性來看，長江干線貨運量最能反映長江的航運需求，因此，選取長江干線貨運量作為長江航道需求的量化，運用Fisher算法進行定量劃分。因資料的可獲取性，本文選取1950—2011年間貨運量作為航道階段劃分的指標，如表1所示。

表1 1950—2011年部分年份長江干線貨運量

運用Fisher算法在進行有序樣本分類之前，首先要對貨運量指標進行評定，評定結果構成了一個有序樣本。采用中心化無量綱方法將表中指標量作無量綱處理，計算方法如下:

采用中心化無量綱化方法對表中數據進行無量綱化處理，得到1950—2011年貨運量得分，如表2所示。

表2 1950—2011年部分年份貨運量無量綱得分

根據表2中得分對1950—2011年長江航道發展階段進行劃分，利用Matlab語言實現Fisher算法，得到L［P(20，k)］與k的曲線關系，如圖1所示。

圖1 基于貨運量的長江航道階段劃分Fisher關系

從圖1可以看出，當k=4時，曲線明顯開始趨于平滑，因此，1950—2011年間長江航道發展階段分為4段較優。

將k=4代入Matlab進行計算，可以得出Fisher算法計算的1950—2011年長江航道發展最優分段為:1950—1972年，1973—1994年，1995—2007年，2008—2011年。

因此，在雙因素劃分結果的基礎上，綜合考慮時間、廣義的航道技術和需求三方面，可以將長江航道發展階段劃分為原始航道(1950年以前)、助航航道(1950—1972年)、標準航道(1973—1994年)、高等級航道(1995—2007年)、數字航道(2008—2015年)、智能航道(2016年以后)。將該結論與前期定性階段劃分結果比較可知，此結論與前期結論基本一致，但劃分更為細致、具體［2］42-47。

三、長江航道發展階段特征分析

航道的發展階段既是時間的縮影，又是技術發展水平的凝結，更是運輸需求的集中反映，所以本文在進行特征分析過程中，主要從運輸需求、通航條件、航道工程技術及應用效果、航道管理及效果四個方面對六階段展開分析。

1.原始航道(1950年以前)

運輸需求方面:主要用于販賣糧食、食鹽、茶、布匹等生活必需品和瓷器等手工業產品，由于封建經濟的自給自足，造船技術的限制，貨運量水平一直不高，運輸需求維持在較低的層次，1949年長江干線貨運量僅為191萬t。

通航條件方面:為天然狀態，通航條件很差，險灘、淺灘、礁石遍布叢生，助航設施簡陋，數量不足，不能夜航，只能通航小噸位船舶。

航道工程技術及應用效果方面:主要以鑿治開渠，靈渠溝通長江和珠江;人工開挖運河，京杭大運河將東西和南北水運通道連接。

航道管理及效果方面:古時航道的利用水平很低，運輸能力低下，無專門的航道管理機構，各時期的管理主要以征收關卡稅為主，貨物運輸零散組織，無規模的運輸船隊。到了近代，管理模式初創，各項制度不相統一，執行度較低，出現了一定數量的航運企業，貨運運輸開始定期定點，木船、輪船同航長江。

2.助航航道(1950—1972年)

隨著第一個五年計劃開始實施，長江航道迎來了重要的發展機遇期，進入助航航道發展階段。具體特征如下。

運輸需求方面:貨運量從1950年的232萬t增加到1973年的2855萬t，增長近12倍。蒸汽船和柴油機船逐步取代木船，成為長江上的主要船型，船舶噸位也逐漸增加，頂推船規模和運力逐漸擴大，一次運輸可達2萬t。

通航條件方面:經過航道整治、航標改革等舉措，長江干線航道維護手段和水平比新中國成立前有很大提高，航標全部發光，標志覆蓋率成倍增加，部分航段可夜航，通航條件有了重大改善，長江下游可通航5000噸級船舶，中上游常年可通航1000噸級船舶。［4］327-336

航道工程技術及應用效果方面:該階段水下炸礁、爆破、筑壩等新的整治技術及挖泥船、拖耙船等機械疏浚的使用，使長江中上游航道的維護水深、寬度、曲率半徑有了大的提高，卡脖子、礙航航道得到基本治理，提高了運輸通過能力。

航道管理及效果方面:統一的航道管理機構長江航道局成立，航標改革初步完成，長江航標實現了標準化和統一化，并制定了航道尺度計劃以及干線航道水深標準［4］315-320，使長江航道的引航能力增強，航道施工管理也日趨完善，航道維護和管理開始走向規范化、制度化、持久化。此外，國家先后對原有的船運公司進行整合和改革，國有航運企業崛起并成為航運主力，運輸規模不斷擴大，航運市場逐步成型。

3.標準航道(1973—1994年)

1973年《全國天然渠化河流及人工運河通航試行標準》出臺，由此進入標準航道發展階段。具體特征如下。

運輸需求方面:貨運量從1973年的2855萬t增加到1995年的3.2億t，增長達10倍。柴油機船成為長江上的主要船型，船舶載重量繼續增加，頂推船運輸能力繼續擴大，駁船開始應用，同時專業化船舶開始在長江上航行。

通航條件方面:交通部先后頒布了關于加強長江航道等級化、規范化的文件，沿線各省市相繼完成對航道標準的測量與建設規劃，同時船型標準化也開始展開，頂推船技術被推廣;引航中心成立，大噸位海船可從下游直達上游;葛洲壩三江航道船閘試航成功，使長江中上游航道維護狀態明顯改善;大噸位船舶和頂推船隊通過能力提高。［4］522-584

航道工程技術及應用效果方面:新技術、新設備、新工藝、新材料得到廣泛應用，整治的設計和施工更具科學性;航標技術更加成熟，完成從電氣化、電子化到太陽能技術的跨越，實現了航標大型化、智能化;測量手段逐步現代化，微波和激光定位等先進技術被不斷應用，實現了測點定位、測深、制圖和數據處理的全自動化。

航道管理及效果方面:航道標準化和船型標準化開始推行;管理制度改革和管理水平逐漸提高，使長江航道的服務水平大幅提高，貨運量突破1億t大關，運輸組織方式多元化，機動駁、分節駁頂推和機動駁頂推三種方式開始主導長江航運。

4.高等級航道(1995—2007年)

從“九五”開始我國交通運輸現代化建設全面啟動，長江航道迎來新的發展機遇，航道投資逐年翻番，航道高等級化成為這一時期的重要任務。具體特征如下。

運輸需求方面:投資拉動和對外出口的經濟政策刺激了航運需求的猛增，沿江七省二市成為我國經濟重要的增長點，貨運需求發展迅速。1988年長江干線貨運量達到1億t，2007年底突破了11億t，增長了10倍，2010年突破了15億t。

通航條件方面:航道標準化后，為提高長江航道等級，中下游的礙航航段繼續得到維護治理，長江下游的維護水深達到10.5 m以上，中游達到2.9 m以上。三峽大壩建成蓄水使上游通航條件顯著改善，千噸級船舶可直達宜賓。長江干線航道全線達到三級以上航道標準。

航道工程技術及應用效果方面:新的整治和疏浚工藝開始應用，注重自然特性，加強環保觀念，淺灘淤積河段治理成效明顯，支流渠化及干支協調使長江航道網逐步建立。

航道管理及效果方面:航道建設編入五年計劃，長江航道發展規劃出爐，內河通航標準重新修訂，內河維護規范同步修訂，管理趨于高效統一。船舶監控系統、應急和預警系統、VTS系統、電子航道圖系統等信息系統開發建設步伐加快。航道管理體系日益完善，使航道的服務水平、服務潛力空前提高。

5.數字航道(2008—2015年)

2008年示范性工程南京—瀏河口數字航道工程竣工并驗收，標志著長江航道進入數字時代。具體特征如下。

運輸需求方面:受擴大內需經濟刺激政策的推動，雖然國際需求緊縮，但國內需求仍然保持增長態勢，能源、礦石、散糧和大宗貨物需求仍然旺盛，貨運量由2008年的12億t增加到2011年的16.6億t，增長率為38%。

通航條件方面:“深下游、暢中游、延上游、通支流”航道工程啟動，航道建設更加系統明確，航道通航條件進一步完善，航道通過能力有了更顯著的提高。

航道工程技術及應用效果方面:長江上游宜賓至重慶水深提高到2.7 m，宜昌至城陵磯河段枯水期水深提高到3.2 m，南京以下實現12.5 m深水航道。2008年數字航道在長江下游建成并使用，2010年三峽庫區數字航道開工建設，2015年將全線建成數字航道，為智能航道建設打下堅實基礎。

航道管理及效果方面:《“十二五”長江航道發展規劃》的頒布為長江航道的建設和發展提供了政策支持，將信息系統建設與航道測量、調度、監控、航務管理相結合，可有效提高維護質量，擴大航道的通過能力。

6.智能航道(2016年以后)

智能航道是航道發展的高級階段，以數字航道為基礎、電子航道圖為載體，結合智能傳感器、射頻識別、無線傳感網絡等手段，將從空中、水面、水下實現航道要素信息全方位透徹的獲取，同時，基于航道演變的模型將計算出高分辨率的航道水位、水深、流速、流態，全方位實現航道通航要素信息的精細感知。與此同時，已獲得的信息將以各種方式嵌入互聯網，與用戶的感知工具連接，依托正在建設的多功能電子航道圖系統，利用三維顯示技術，實現航道信息實時、順暢交流。

2015年長江數字航道將全部建成，以數字化平臺為基礎的智能航道成為長江航道的代名詞。具體特征如下。

運輸需求方面:將繼續保持增長，船舶向大型化、節能化、自動化和智能化方向發展。

通航條件方面:高等級航道的深化及數字航道的建成，將使長江干線的船舶通過能力進一步提升，全線達到2級航道標準以上。

航道工程技術及應用效果方面:航道工程技術將會融入新能源、新材料、人工智能技術，可實現無人勘探及航道信息自動獲取技術。

航道管理及效果方面:航道的利用水平更高，航道維護實現機械化、自動化和智能化，船舶通航實現智能導航，航道管理將向綠色、安全、各方協同方向發展。

四、結論與展望

長江航道由原始的天然河流發展到今天的信息數字化運輸大動脈，經歷了相當豐富的發展歷程。其發展是一部時間史，也是一部進步史，不同的劃分方法會形成不同的劃分格局。以典型時間節點為劃分依據，可以將長江航道劃分為古代航道、近代航道、現代航道和未來航道;以時間、技術為節點，形成了天然航道、引航航道、規范航道、智能航道四個階段;以時間、技術、需求為劃分依據，長江航道經歷了原始航道、助航航道、標準航道、高等級航道、數字航道、智能航道六個階段。不同發展階段特征揭示了航道發展的規律性及必然性，可為國內外其他河流建設與發展提供理論參考。

“十二五”期間，國家將投資215億元用于長江航道建設，長江下游數字航道建成運營，上游數字航道建設已經啟動，長江航道進入數字化發展時期。沿江經濟社會發展給長江航道帶來了新的機遇，預計到2020年長江年貨運需求量將達到20億t，新興技術的開發及應用也為長江航道發展提供了強有力的技術支持，長江航道未來必將向智能航道發展。

前進的道路充滿曲折，長江航道在未來的發展過程中要處理好航道通過能力提升與資源協調發展、航道發展與維護管理體系適應性、航道協調發展及干支流銜接和航道信息需求與航道感知能力適應性等問題，實現長江航道的全面、協調、可持續發展［5］。

［1］魏志剛.長江航道建設與流域經濟發展［J］.交通建設與管理，2008(8):49-52.

［2］“長江航道階段劃分研究”課題組.長江航道發展階段研究［R］.武漢:長江航道規劃設計研究院，2012.

［3］柯 健.基于最優分割的中國互聯網發展階段劃分［J］.統計教育，2007(1):41-42.

［4］長江航道史編委會.長江航道史［M］.北京:人民交通出版社，1993.

［5］張沛文.長江流域的航運發展與航道規劃建設經驗［J］.水運工程，2007(11):91-96.

［6］羅傳棟.長江航運史(古代部分)［M］.北京:人民交通出版社，1991.

［7］許 可.長江航運史(現代部分)［M］.北京:人民交通出版社，1993.