周 杰，張建華，王 勇，蔣 詠

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

20世紀(jì)50年代初，太湖是我國(guó)典型的平原地區(qū)“草型”清水湖泊[1]。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類過(guò)度擠占湖濱帶，入湖污染負(fù)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(duì)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(fēng)浪對(duì)堤岸侵 蝕、美化環(huán)境等多重作用。太湖挺水及沉水植物對(duì)水體氮、磷具有較強(qiáng)的吸收富集能力[2]。因此，湖濱帶生態(tài)修復(fù)已經(jīng)成為控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要手段之一[3]。實(shí)踐證明，恢復(fù)良好的湖濱帶植物可顯著提高湖泊水體的自凈能力、促進(jìn)生物多樣性[4]。

太湖存有大量有機(jī)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(chǔ)[5]。疏浚去除了富含有機(jī)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(chǎng)大量占用的情況下，如何妥善解決底泥出路是工程實(shí)施需要特別關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。同時(shí)，太湖湖濱帶生態(tài)修復(fù)過(guò)程中的生境構(gòu)建也需要大量的土方來(lái)源。為此，在上述背景下，有必要將清淤底泥與生態(tài)修復(fù)結(jié)合，利用清淤底泥實(shí)施濱水生態(tài)濕地建設(shè)。

利用生態(tài)疏浚棄土恢復(fù)太湖湖濱帶勢(shì)必影響湖流，波浪等水動(dòng)力條件。為此，需要在生態(tài)清淤經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究恢復(fù)太湖湖濱帶與太湖波流及防洪的影響關(guān)系。

1 湖濱帶恢復(fù)試點(diǎn)方案

太湖西沿岸原生長(zhǎng)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(qiáng)，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(zhǎng)。同時(shí)，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(dǎo)致西沿岸湖濱帶受到風(fēng)浪襲擊的時(shí)間增加，湖濱帶逐漸消亡。為恢復(fù)湖濱帶，必須解決3個(gè)關(guān)鍵問題，一是合適的水深，應(yīng)在不影響防洪庫(kù)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(fù)不影響防洪，對(duì)大太湖湖流結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生危害性影響。

上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)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(fù)帶試點(diǎn)方案。該方案根據(jù)生態(tài)清淤位置和疏浚量?jī)?yōu)化規(guī)劃了兩片，南片從黃瀆港到朱瀆港，長(zhǎng)約2 km，北片從陳東港到茭瀆港，長(zhǎng)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(biāo)高均為3.0 m，以恢復(fù)蘆葦湖濱帶。灘地建設(shè)采用生態(tài)清淤的底泥，經(jīng)圍堰內(nèi)低位真空預(yù)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(jì)算分析及湖濱帶恢復(fù)對(duì)湖流的影響

為分析湖濱帶恢復(fù)方案波浪特性，模擬計(jì)算了太湖處于高水位3.8 m時(shí)東南風(fēng)5 m/s(常遇大風(fēng))、10 m/s、15 m/s(7級(jí)風(fēng))、20 m/s(9級(jí)風(fēng))、30 m/s(11級(jí)風(fēng))作用下太湖風(fēng)浪場(chǎng)。計(jì)算模擬得到如表1所示的湖濱帶波浪特性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1 3.8m水位條件下東南風(fēng)西沿岸湖濱帶波浪特性統(tǒng)計(jì)

在波浪運(yùn)動(dòng)的情況下，床面平均切應(yīng)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(fēng)速大于5 m/s時(shí)，底部床面切應(yīng)力均達(dá)到0.1 Pa，高于底泥起動(dòng)臨界切應(yīng)力0.05 Pa[7]。即在大于5 m/s東南風(fēng)作用下，灘面將處于坡腳風(fēng)浪淘刷后退。故應(yīng)對(duì)灘面坡腳進(jìn)行波浪防護(hù)。

通過(guò)模擬計(jì)算不同水位條件下東南風(fēng)時(shí)濕地灘面的波浪要素。計(jì)算結(jié)果表明，10 m/s以上東南風(fēng)時(shí)湖濱修復(fù)帶灘面有效波高為0.2～0.7 m，對(duì)灘面的擾動(dòng)應(yīng)力將達(dá)到10 Pa以上，擾動(dòng)很強(qiáng)，影響蘆葦生長(zhǎng)。

蘆葦?shù)姆里L(fēng)防浪能力非常強(qiáng)，吳昊天等[8]認(rèn)為太湖西沿岸可以建設(shè)蘆葦護(hù)岸。但鑒于近年來(lái)太湖西沿岸蘆葦仍在進(jìn)一步消退，加上自然條件下波流可將大量藍(lán)藻攜帶入蘆葦，死亡后發(fā)臭，影響周圍環(huán)境。基于以上認(rèn)識(shí)，認(rèn)為在濕地灘面外側(cè)建設(shè)保灘防波堤是十分必要的，既可保護(hù)濕地灘面，又可以減少藍(lán)藻入蘆葦。

為分析工程建設(shè)對(duì)風(fēng)生流的影響，模擬計(jì)算了試點(diǎn)方案前后東南風(fēng)3.2 m/s(太湖平均風(fēng)速)作用下太湖風(fēng)生流流速場(chǎng)，如圖1所示。太湖西沿岸恢復(fù)湖濱帶不會(huì)改變大太湖風(fēng)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(duì)流線束縛的影響，工程外側(cè)100 m范圍內(nèi)風(fēng)生流流速增加約10%～20%。

圖1 恢復(fù)湖濱帶前后湖流對(duì)比

3 影響分析

根據(jù)巡測(cè)資料，陳東港的行洪流量較大，監(jiān)測(cè)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(shí)入湖水流偏向南側(cè)向湖中心擴(kuò)散，離岸擴(kuò)散距離約1.0 km后才有水流向北側(cè)流動(dòng)，正好繞過(guò)口門北側(cè)的濕地。故濕地的建設(shè)，對(duì)陳東港行洪影響非常小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，最大記錄行洪流量條件下，濕地建設(shè)后城東港大橋處水位增幅為1.2 cm。

試點(diǎn)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(kù)容65萬(wàn)方，僅約占調(diào)蓄庫(kù)容的萬(wàn)分之一，影響甚微，可通過(guò)望虞河二期工程等工程措施擴(kuò)大太湖排江能力得以補(bǔ)償。

太湖底泥運(yùn)動(dòng)主要受風(fēng)浪的影響。經(jīng)調(diào)查和研究，普遍認(rèn)為當(dāng)風(fēng)速超過(guò)4 m/s時(shí)，太湖底泥開始再懸浮。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到8～10 m/s時(shí)，底泥運(yùn)動(dòng)活躍，為主要輸沙過(guò)程。經(jīng)模擬分析，大風(fēng)期間波致流流速量級(jí)為0.05～0.4 m/s。輸沙方向?yàn)檠匕断虮?，并向岸方向。湖濱帶的建設(shè)將對(duì)入湖溇港口門波浪和波致流都產(chǎn)生較好的掩護(hù)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(fù)湖濱帶，口門的泥沙淤積將有所增加。為防止此負(fù)面影響，可在口門南側(cè)修建防沙堤。

4 結(jié)論和建議

恢復(fù)良好的湖濱帶植物可顯著提高湖泊水體的自凈能力、促進(jìn)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(fù)相結(jié)合，利用清淤棄土構(gòu)建湖濱帶濕地是富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊治理一舉兩得的好途徑。

適當(dāng)寬度湖濱帶的恢復(fù)不會(huì)改變大太湖風(fēng)生流環(huán)流結(jié)構(gòu)，受湖濱帶濕地對(duì)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(fēng)生流流速增加約10%～20%。

湖濱帶恢復(fù)后入湖溇港行洪影響甚微，最大水位增幅不超過(guò)1.2 cm。

湖濱帶植物將有效阻斷沿岸泥沙輸運(yùn)，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(fù)湖濱帶，口門的泥沙淤積將有所增加。為防止此負(fù)面影響，可在口門南側(cè)修建防沙堤。湖濱帶外側(cè)應(yīng)修建生態(tài)式保灘防波堤，既可保護(hù)濕地灘面，又可以減少藍(lán)藻入蘆葦。