吳淞江(江蘇段)整治工程水域開闊段河道斷面優(yōu)化設計研究

夏 熙，朱 林，于建忠，金美華

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000)

傳統(tǒng)的河流治理工程斷面設計多以滿足汛期行洪、過流(通航)能力為主要目標，考慮減少阻水以利洪水下泄和減少沖刷以利堤防穩(wěn)定，往往令河流進入快排模式，河流只是作為消化洪澇水的通道。而在非洪泛期，這種快排通道式的河道也不能充分發(fā)揮應有的生態(tài)功能。隨著新時代生態(tài)文明建設理念的不斷深入，河道工程設計需加強生態(tài)修復與保護共治共享意識，讓綠色一體化成為高質(zhì)量發(fā)展的鮮明標識。吳淞江(江蘇段)整治工程地處長三角一體化經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，通過水域開闊段河道斷面優(yōu)化設計研究，利用多余土方塑造水下淺灘地形，能夠較大程度恢復護岸與主河(航)道間的生境連續(xù)性，改善河道生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性、穩(wěn)定性。此外，水下淺灘地形塑造，能消化部分河道開挖的棄土、減少對有限土地資源的占用，相應節(jié)省工程投資。可為今后多功能生態(tài)河道優(yōu)化設計提供參考。

1 工程概況

吳淞江源于江蘇省境內(nèi)東太湖的瓜涇口，經(jīng)瓜涇港、吳淞江、蘇州河至上海市黃浦公園入黃浦江，全長約109.5km，歷史上是太湖排水入海的主要通道之一。其中吳淞江江蘇段均位于蘇州市境內(nèi)，流經(jīng)蘇州吳江區(qū)、吳中區(qū)、工業(yè)園區(qū)及昆山市，全長約61.7km。河道總體呈東西走向，由于河道形成的歷史原因，現(xiàn)狀河道蜿蜒曲折，現(xiàn)狀口寬50～690m(平均210m)，底寬11～550m(平均50m)，河底高程為-4.7～-0.7m(平均-2.2m)。

吳淞江整治工程是國務院批復的《太湖流域防洪規(guī)劃》、《太湖流域綜合規(guī)劃》等確定的流域綜合治理骨干工程之一，并已列入國家172項節(jié)水供水重大水利工程項目。工程建成后，將進一步增加太湖洪水外排出路，提高流域和陽澄淀泖區(qū)防洪除澇能力，提升生態(tài)修復能力，改善區(qū)域水資源、水環(huán)境和航運條件等。目前，吳淞江(江蘇段)整治工程一期工程已經(jīng)開工建設，正在抓緊開展其余工程的前期工作。

2 水域開闊段斷面設計

吳淞江現(xiàn)狀河道斷面變化起伏較大，經(jīng)分析，江蘇境內(nèi)現(xiàn)狀河口寬度大于設計河口寬的河道長度為32.12km，占江蘇境內(nèi)河道總長52%。以不影響防洪和通航安全為前提，選擇現(xiàn)狀口寬滿足航道寬度不小于142m(河道轉(zhuǎn)彎段單側(cè)再擴大20m)、主行洪通道寬度不小于122m的河段作為水域開闊段進行河道斷面優(yōu)化研究，同時還需保證淺灘填筑寬度不小于20m。因此，吳淞江(江蘇段)水域的開闊段沿河總長約30.3km，其中北岸16.5km，南岸13.8km。

2.1 常規(guī)斷面設計方案

斷面從河底高程-3.0m起，以1∶5邊坡開挖至現(xiàn)狀灘面(水域開闊段現(xiàn)狀平均灘面高程1.2m)，沿河護岸采用工字型砌塊生態(tài)擋墻，護岸底高程取為2.0m，頂高程取與青坎同高5.0m，青坎寬度為3m，青坎后側(cè)為堤防，堤頂高程6m，堤頂寬6m，堤防內(nèi)外坡1∶2，外堤腳外設置5m的護堤地管理范圍，如圖1所示。

圖1 水域開闊段河道斷面圖——常規(guī)斷面(高程單位：m,尺寸單位：cm)

2.2 優(yōu)化斷面設計方案

為滿足防洪需求，改善通航條件，河道整治常對礙航淺灘進行開挖疏浚，平緩起伏不平的自然河床縱剖面，減小縱比降，試圖將河流形態(tài)規(guī)則化、邊界不透水固化，用平直的河堤與陡峻邊坡代替自然河流蜿蜒的岸線與平緩的淺灘，這破壞了動植物親水環(huán)境與近岸生物的生存條件。結(jié)合生態(tài)文明建設需求，同時考慮后期生態(tài)廊道的建設，對水域開闊段河道斷面進行優(yōu)化研究，提出如下設計構(gòu)思。

斷面從河底高程-3.0m起，以1∶5邊坡開挖至現(xiàn)狀灘面。為防止船行波對大堤的沖刷，兼顧生態(tài)效果，沿河護岸采用預制砼聯(lián)鎖塊生態(tài)護坡，護坡底高程取為2.9m(設計灘面高程)，頂高程取與青坎同高5.0m，青坎寬度為3m，青坎后側(cè)堤防設計同常規(guī)斷面。同時在淺灘外側(cè)設置圍擋，在航道與淺灘間形成分隔，一方面防止船行波的淘刷，另一方面也利于淺灘的土方填筑，如圖2所示。

圖2 水域開闊段河道斷面圖——優(yōu)化斷面(河道浚深+淺灘塑形)(高程單位：m,尺寸單位：cm)

3 方案分析

3.1 防洪及航運影響分析

3.1.1防洪影響分析

為分析水域開闊段淺灘填筑對河道行洪能力的影響，以吳淞江河底高程、斷面形式、堤防護岸布置等情況為基礎，建立二維水動力模型，選取典型段作為數(shù)值模型計算范圍，比較有、無淺灘時規(guī)劃范圍內(nèi)流速，分析在優(yōu)選布局條件下規(guī)劃斷面有、無淺灘填筑對河道行洪的影響。

由圖3可知，圖中空白處為實際高程較高洪水未淹沒處，即河道內(nèi)地勢較高與堤防處。通過數(shù)值模擬分析，水域開闊段兩側(cè)無論是否填筑淺灘，主行洪范圍均位于河道中央，兩側(cè)部分河面流速緩慢，小于0.05m/s，近似為“靜水區(qū)”。同時結(jié)合平面布置，淺灘填筑主要位于水域開闊段的靜水區(qū)，未對河道主行洪通道造成阻礙。

圖3 典型段流速分布示意圖

由此可見，對于吳淞江水域開闊型河段，河道兩側(cè)填筑一定范圍的淺灘，對河道行洪不構(gòu)成威脅。此外，依據(jù)瓜涇口水文站、周巷站水位站水位資料進行分析，河道常水位高于2.9m(設計灘面高程)的頻率約占整個計算周期的88%，淺灘填筑的設計灘面基本位于常水位以下，進一步佐證淺灘塑形對河道行洪無影響。

3.1.2航運影響分析

根據(jù)《江蘇省干線航道網(wǎng)規(guī)劃》，吳淞江航道規(guī)劃等級為三級。目前蘇申外港線至界浦港段已按照三級航道整治實施，水域開闊段淺灘塑形所在的航段，航道口寬、底寬分別按照80、45m控制。由圖4可知，本次設計的淺灘塑形段外邊緣與設計航道中心線距離均大于等于60m，與現(xiàn)狀及規(guī)劃航道中心線距離較遠，兩側(cè)淺灘距離不小于142m，遠大于規(guī)劃航道口寬尺度要求，其實施不影響航道日常通行，也為后期航道的提檔升級創(chuàng)造了更加有利的條件，符合航道規(guī)劃要求。同時淺灘塑形段在設計時已充分考慮現(xiàn)有碼頭的存在，與現(xiàn)有臨近碼頭也存在一定安全距離，避免對碼頭進出港及待泊產(chǎn)生不利影響。因此，水域開闊段淺灘塑形對航運安全無影響。

圖4 水域開闊段與航道斷面關系圖

3.2 棄土處置

按常規(guī)河道斷面設計，水域開闊段河道總棄土共322萬m3，相應需要棄土區(qū)面積117萬m2，共計1754畝。而優(yōu)化斷面方案中構(gòu)筑水下淺灘地形需缺土調(diào)配74萬m3，通過水下淺灘塑形除能消化超寬水域段開挖的全部水下方外，還可消納臨近河段部分水下方。因此，優(yōu)化斷面方案無需占地棄土。此外，隨著城市現(xiàn)代化建設的快速發(fā)展，地方政府面臨著棄土無處堆放的問題，進一步減少棄土區(qū)面積能提高主管部門的積極性，降低了工程實施難度，便于加快推進工程的建設進度，對“寸土寸金”的蘇南地區(qū)具有顯著的優(yōu)勢。

3.3 環(huán)境影響分析

早期為滿足防洪需求、改善通航條件對吳淞江進行了大量工程化改造，兩岸構(gòu)筑立式或陡峻的不透水護岸，使得岸線平直化、河道斷面結(jié)構(gòu)單一，缺乏自然河流平緩的淺灘。河道通航對底質(zhì)擾動頻繁，水體透明度低，阻礙沉水植物萌發(fā)生長，且河道整治對礙航淺灘進行開挖疏浚，使得河道斷面缺少自然河道的深淺連續(xù)變化，破壞了近岸生物的生存條件。目前開闊段河道內(nèi)沉水植物幾乎無法生長，浮游植物種類少密度低，浮游動物、底棲動物種類數(shù)量稀少，總體上河流生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力低下，無法支持完整、穩(wěn)定的食物鏈網(wǎng)。加之近岸淺灘生境缺失，造成洄游魚類產(chǎn)卵、索餌條件不足，不利于魚類、鳥類生存繁育。在水域開闊段河道塑造淺灘地形能夠較大程度恢復護岸與航道間的生境連續(xù)性，預期可顯著增加河流生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力，改善生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性、穩(wěn)定性，提升生態(tài)系統(tǒng)功能。主要表現(xiàn)在：

(1)修復受損河道生境，提高生物多樣性

根據(jù)現(xiàn)狀河道全線寬度不同，填筑淺灘部分是孤立的，但更多的是成群分布，呈現(xiàn)出犬牙交錯狀，這樣的布置形式有利于形成水流的豐富變化和生境的差異性，為水生植物提供可附著生長的河床，形成陸地與水體最為活躍的交互界面，具有獨特的生態(tài)價值和資源供應能力。同時淺灘區(qū)域流速較低、透明度良好，有利于沉水植物萌發(fā)生長，同時配置本土挺水植物、浮葉植物等，使附著在河床上的生物數(shù)量大大增加，為河道動物提供豐富的餌料、良好的生存空間和棲息場所，將有利于浮游動物、底棲生物的生長繁殖，同時也為多種魚類、兩棲動物和鳥類等提供了棲息地和繁衍地，對魚類資源的增殖具有一定的促進作用。

(2)提升河道水質(zhì)，優(yōu)化濱河景觀

淺灘的存在能夠增加河床的表面積及河道內(nèi)環(huán)境，改善水體自然復氧，有利于加快有機物的氧化分解，促進硝化作用和脫氮作用，增強水體的自凈能力。淺灘填筑后打造生態(tài)濕地，篩選多種氮磷吸附能力較強的水生植物，結(jié)合植物生長習性、季相特點等因素，合理配置濕生植物群落，形成由陸生生態(tài)系統(tǒng)向水生生態(tài)系統(tǒng)的過渡地帶，修復和強化水體自凈能力。水生植物由水向陸形成變化的縱向植被帶，隨季節(jié)改變營造不同的水生態(tài)景觀，美化了河岸人文環(huán)境。同時，待后期水生植物在淺灘上自然生長成型，利于防止和減輕船行波對河岸的侵蝕淘刷。

此外，淺灘填筑工程施工期采取分段施工、人工驅(qū)魚等生態(tài)減緩措施，施工完成后采取人工增殖放流等生態(tài)恢復措施的前提下，施工期對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響是暫時的、可逆的。同時合理利用河道底泥進行水域開闊段河道斷面地形重塑，減少了底泥在運輸和堆放過程中的廢氣和噪聲對沿線及周邊環(huán)境的影響，進一步避免了棄土區(qū)的尾水排放對周邊水環(huán)境的影響。

3.4 經(jīng)濟效益

按常規(guī)方案，河道棄土統(tǒng)一輸送至棄土區(qū)，按蘇州工業(yè)園區(qū)段的棄土區(qū)距離工程所在地60km計算，填筑臨河淺灘與運至棄土區(qū)土方單價相差30元/m3，若再考慮棄土區(qū)水保、環(huán)保措施和臨時占地的費用，因此在相同河段范圍下，參照類似工程造價指標，優(yōu)化后的河道浚深+淺灘塑形相比傳統(tǒng)河道治理節(jié)省投資約1.5億元。此外，由于地鐵等工程建設的大量出土，堆放在棄土區(qū)的棄土后期未必能全部消化掉，達不到復墾的條件，土地將無法再利用。根據(jù)太湖流域其它工程經(jīng)驗，臨時占地可能會變成永久占地來存放棄土，因此投資差距還有進一步擴大的可能。

4 結(jié)語

(1)以不影響防洪、航運安全為前提，優(yōu)化水域開闊段河道斷面設計，采用河道浚深+淺灘塑形方案，可減少棄土322萬m3，節(jié)約棄土占地1754畝，節(jié)省投資約1.5億元。

(2)水域開闊段利用河道開挖出的多余土方填筑淺灘，不僅達到工程棄土資源化利用、減少棄土占用土地的目的，同時增加沿岸生物多樣性，提升水體自凈和生態(tài)修復能力。

(3)以吳淞江(江蘇段)整治工程為契機，始終堅持綠色發(fā)展理念，下階段利用淺灘地形打造吳淞江綠色生態(tài)廊道，推進長三角綠色一體化發(fā)展進程，逐步落實生態(tài)文明建設要求。