利用生態(tài)疏浚棄土恢復太湖西沿岸湖濱帶的水動力影響

周 杰，張建華，王 勇，蔣 詠

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.江蘇省水資源服務中心，江蘇 南京 210029)

20世紀50年代初，太湖是我國典型的平原地區(qū)“草型”清水湖泊[1]。但隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類過度擠占湖濱帶，入湖污染負荷急劇上升，使得湖泊水環(huán)境遭到破壞，生態(tài)系統(tǒng)開始退化。

湖濱帶是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康和改善水環(huán)境功能具有積極作用。湖濱帶植物具有涵養(yǎng)水源、提供棲息地、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)微環(huán)境氣候因子、減弱風浪對堤岸侵 蝕、美化環(huán)境等多重作用。太湖挺水及沉水植物對水體氮、磷具有較強的吸收富集能力[2]。因此，湖濱帶生態(tài)修復已經(jīng)成為控制湖泊富營養(yǎng)化的重要手段之一[3]。實踐證明，恢復良好的湖濱帶植物可顯著提高湖泊水體的自凈能力、促進生物多樣性[4]。

太湖存有大量有機質(zhì)含量較高底泥，也是太湖重污染湖灣區(qū)如竺山灣、梅梁灣經(jīng)常發(fā)生的“湖泛”的物質(zhì)基礎[5]。疏浚去除了富含有機質(zhì)和大量具有微生物活性的表層底泥，底泥耗氧量大幅減小，有效抑制了“湖泛”[6]。

由于太湖生態(tài)清淤量較大，在環(huán)湖土地資源稀缺、一輪清淤排泥場大量占用的情況下，如何妥善解決底泥出路是工程實施需要特別關注的關鍵技術問題之一。同時，太湖湖濱帶生態(tài)修復過程中的生境構(gòu)建也需要大量的土方來源。為此，在上述背景下，有必要將清淤底泥與生態(tài)修復結(jié)合，利用清淤底泥實施濱水生態(tài)濕地建設。

利用生態(tài)疏浚棄土恢復太湖湖濱帶勢必影響湖流，波浪等水動力條件。為此，需要在生態(tài)清淤經(jīng)驗的基礎上進一步研究恢復太湖湖濱帶與太湖波流及防洪的影響關系。

1 湖濱帶恢復試點方案

太湖西沿岸原生長有非常幾百米甚至幾公里寬以蘆葦為主的湖濱帶。隨著太湖流域防洪能力的加強，太湖平均水位和防洪控制水位均抬升約0.2 m，湖濱帶水深的增加直接影響了蘆葦萌芽生長。同時，受到太湖防洪直立大堤的影響，波浪撞擊反射能量增加，加上水位的變化導致西沿岸湖濱帶受到風浪襲擊的時間增加，湖濱帶逐漸消亡。為恢復湖濱帶，必須解決3個關鍵問題，一是合適的水深，應在不影響防洪庫容的條件下比太湖平均水位3.2 m(吳淞高程，以下同)低0.2～0.3 m為宜；二是防浪保灘；三是湖濱帶修復不影響防洪，對大太湖湖流結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生危害性影響。

上?？睖y設計研究院有限公司根據(jù)上述條件初步提出了太湖西沿岸生態(tài)修復帶試點方案。該方案根據(jù)生態(tài)清淤位置和疏浚量優(yōu)化規(guī)劃了兩片，南片從黃瀆港到朱瀆港，長約2 km，北片從陳東港到茭瀆港，長約4.5 km。寬度除了社瀆港到官瀆港為530 m寬外，其余都是500 m寬。濕地灘面標高均為3.0 m，以恢復蘆葦湖濱帶。灘地建設采用生態(tài)清淤的底泥，經(jīng)圍堰內(nèi)低位真空預壓后種植蘆葦，施工期間的余水經(jīng)處理后由水泵抽取到上游1.5 km處排放。

2 濕地灘面波浪特性計算分析及湖濱帶恢復對湖流的影響

為分析湖濱帶恢復方案波浪特性，模擬計算了太湖處于高水位3.8 m時東南風5 m/s(常遇大風)、10 m/s、15 m/s(7級風)、20 m/s(9級風)、30 m/s(11級風)作用下太湖風浪場。計算模擬得到如表1所示的湖濱帶波浪特性統(tǒng)計結(jié)果。

表1 3.8m水位條件下東南風西沿岸湖濱帶波浪特性統(tǒng)計

在波浪運動的情況下，床面平均切應力為

(1)

根據(jù)模擬波浪要素分析，濕地灘面與太湖銜接處風速大于5 m/s時，底部床面切應力均達到0.1 Pa，高于底泥起動臨界切應力0.05 Pa[7]。即在大于5 m/s東南風作用下，灘面將處于坡腳風浪淘刷后退。故應對灘面坡腳進行波浪防護。

通過模擬計算不同水位條件下東南風時濕地灘面的波浪要素。計算結(jié)果表明，10 m/s以上東南風時湖濱修復帶灘面有效波高為0.2～0.7 m，對灘面的擾動應力將達到10 Pa以上，擾動很強，影響蘆葦生長。

蘆葦?shù)姆里L防浪能力非常強，吳昊天等[8]認為太湖西沿岸可以建設蘆葦護岸。但鑒于近年來太湖西沿岸蘆葦仍在進一步消退，加上自然條件下波流可將大量藍藻攜帶入蘆葦，死亡后發(fā)臭，影響周圍環(huán)境?；谝陨险J識，認為在濕地灘面外側(cè)建設保灘防波堤是十分必要的，既可保護濕地灘面，又可以減少藍藻入蘆葦。

為分析工程建設對風生流的影響，模擬計算了試點方案前后東南風3.2 m/s(太湖平均風速)作用下太湖風生流流速場，如圖1所示。太湖西沿岸恢復湖濱帶不會改變大太湖風生流環(huán)流結(jié)構(gòu)，受防波保灘潛堤和湖濱帶濕地的影響，局部流線向湖心發(fā)展約500 m。受湖濱帶濕地對流線束縛的影響，工程外側(cè)100 m范圍內(nèi)風生流流速增加約10%～20%。

圖1 恢復湖濱帶前后湖流對比

3 影響分析

根據(jù)巡測資料，陳東港的行洪流量較大，監(jiān)測到的最大行洪流量為2016年7月3日545 m3/s。由于陳東港口門北岸岸線向南突出，自然條件下，行洪時入湖水流偏向南側(cè)向湖中心擴散，離岸擴散距離約1.0 km后才有水流向北側(cè)流動，正好繞過口門北側(cè)的濕地。故濕地的建設，對陳東港行洪影響非常小。經(jīng)統(tǒng)計，最大記錄行洪流量條件下，濕地建設后城東港大橋處水位增幅為1.2 cm。

試點方案湖濱帶濕地灘面高程3.0 m，比太湖最低旬平均水位2.8 m高0.2 m，約占用太湖調(diào)蓄庫容65萬方，僅約占調(diào)蓄庫容的萬分之一，影響甚微，可通過望虞河二期工程等工程措施擴大太湖排江能力得以補償。

太湖底泥運動主要受風浪的影響。經(jīng)調(diào)查和研究，普遍認為當風速超過4 m/s時，太湖底泥開始再懸浮。當風速達到8～10 m/s時，底泥運動活躍，為主要輸沙過程。經(jīng)模擬分析，大風期間波致流流速量級為0.05～0.4 m/s。輸沙方向為沿岸向北，并向岸方向。湖濱帶的建設將對入湖溇港口門波浪和波致流都產(chǎn)生較好的掩護和屏蔽作用，入湖溇港口門的泥沙淤積將得到有效改善。部分入湖溇港口門僅北側(cè)單側(cè)恢復湖濱帶，口門的泥沙淤積將有所增加。為防止此負面影響，可在口門南側(cè)修建防沙堤。

4 結(jié)論和建議

恢復良好的湖濱帶植物可顯著提高湖泊水體的自凈能力、促進生物多樣性。清淤是抑制太湖“湖泛”的有效措施。清淤與湖濱帶修復相結(jié)合，利用清淤棄土構(gòu)建湖濱帶濕地是富營養(yǎng)化淺水湖泊治理一舉兩得的好途徑。

適當寬度湖濱帶的恢復不會改變大太湖風生流環(huán)流結(jié)構(gòu)，受湖濱帶濕地對流線束縛的影響，湖流流線向湖心發(fā)展約500 m，工程外側(cè)100 m范圍內(nèi)風生流流速增加約10%～20%。

湖濱帶恢復后入湖溇港行洪影響甚微，最大水位增幅不超過1.2 cm。

湖濱帶植物將有效阻斷沿岸泥沙輸運，入湖溇港口門的泥沙淤積將得到改善。部分入湖溇港口門僅北側(cè)單側(cè)恢復湖濱帶，口門的泥沙淤積將有所增加。為防止此負面影響，可在口門南側(cè)修建防沙堤。湖濱帶外側(cè)應修建生態(tài)式保灘防波堤，既可保護濕地灘面，又可以減少藍藻入蘆葦。