彎道堰群在密西西比河河流恢復(fù)治理工程中的應(yīng)用

◎ 賈國珍

1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.川渝內(nèi)河港航工程技術(shù)研究中心

1.引言

航運(yùn)是通航河流的重要功能之一，為改善航道條件，通常需要在河道內(nèi)修建航道整治工程，以調(diào)整水流結(jié)構(gòu)、改善航道尺度、保護(hù)河道岸線。傳統(tǒng)上，航道整治工程主要包括丁壩、順壩、潛壩、護(hù)岸、魚嘴等。在過去的兩個(gè)世紀(jì)中，世界上主要內(nèi)河航道均經(jīng)歷了大規(guī)模的航道整治，在河道內(nèi)修建了大量的傳統(tǒng)整治工程，這些整治建筑物的實(shí)施對(duì)提高航道尺度，改善水流條件，促進(jìn)內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。然而，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平、工程開發(fā)理念，這些航道整治工程在規(guī)劃、設(shè)計(jì)及建設(shè)中，往往僅考慮了航道效益，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響考慮較少，工程實(shí)施運(yùn)行后，一定程度上導(dǎo)致了工程區(qū)原生境發(fā)生改變或局部生境喪失[1]，給河流生態(tài)帶來了一些不利影響。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，包括航道整治工程在內(nèi)的傳統(tǒng)水利工程的生態(tài)影響問題逐漸引起各國的廣泛關(guān)注。自20世紀(jì)50年代以來，西方發(fā)達(dá)國家率先在河道生態(tài)修復(fù)治理方面進(jìn)行了廣泛的探索，德國、日本分別提出了“近自然河流治理”及“近自然工事”理念，并在部分河流上進(jìn)行了河流再自然化治理實(shí)踐，美國提出了“自然河道設(shè)計(jì)技術(shù)”，并基于生態(tài)工程理念在多條河流上開展了河流修復(fù)工程[2-4]，密西西比河上游河流恢復(fù)環(huán)境管理計(jì)劃（UMRR-EMP）即為其中的代表性工程，其在兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與航運(yùn)功能方面進(jìn)行了眾多技術(shù)創(chuàng)新，取得了顯著的綜合效益，在大型通航河流生態(tài)恢復(fù)治理方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為其他通航河流生態(tài)恢復(fù)治理及其航道整治工程生態(tài)化建設(shè)提供了有益的借鑒。

2.密西西比河上游河流恢復(fù)計(jì)劃（UMRR-EMP）

密西西比河上游河流恢復(fù)環(huán)境管理計(jì)劃（Upper Mississippi River Restoration -Environmental Management Program）由1986年的《水資源開發(fā)法》授權(quán)美國陸軍工程兵團(tuán)負(fù)責(zé)實(shí)施，該計(jì)劃包括兩個(gè)主要部分：①棲息地修復(fù)和改善項(xiàng)目（Habitat Rehabilitation and Enhancement Project）、②系統(tǒng)性的監(jiān)測(cè)和研究。

UMRR-EMP項(xiàng)目是美國第一個(gè)在大型河流系統(tǒng)上進(jìn)行的環(huán)境修復(fù)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，自1986年以來，該計(jì)劃已經(jīng)完成了56個(gè)棲息地修復(fù)項(xiàng)目，改善了伊利諾伊州、愛荷華州、明尼蘇達(dá)州、密蘇里州和威斯康星州10.6萬英畝的重要魚類和野生動(dòng)物棲息地，另外還有22個(gè)其他項(xiàng)目處于不同建設(shè)和設(shè)計(jì)階段。該項(xiàng)目在大型河流系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)方面開創(chuàng)了許多創(chuàng)新性的工程和規(guī)劃技術(shù)，包括岸線保護(hù)、造島、水位管理、回水區(qū)疏浚、支汊改造、河漫灘和支流恢復(fù)等工程，并開發(fā)了多種新型的具有生態(tài)效益的航道整治結(jié)構(gòu)，如缺口壩、W形壩、階梯式丁壩群、彎道堰群、V形壩、離岸式護(hù)岸等[5]。

3.彎道堰群結(jié)構(gòu)及其整治效果

彎道堰群（Bendway weirs）是美國陸軍工程兵團(tuán)針對(duì)密西西比河彎曲河段礙航問題而開發(fā)的一種航道整治結(jié)構(gòu)。在彎曲河段，受彎道環(huán)流影響，凹岸不斷侵蝕、凸岸逐漸淤長(zhǎng)，當(dāng)凹岸岸坡組成較為堅(jiān)硬或建設(shè)有護(hù)岸工程時(shí)，其側(cè)向侵蝕得到控制，凹岸側(cè)的高速水流轉(zhuǎn)而向下侵蝕河床，使凹岸側(cè)河床下切較深，形成深槽，而凸岸側(cè)邊灘不斷淤長(zhǎng)，進(jìn)一步壓縮主槽，使河槽寬度縮窄。兩種作用共同作用下，彎曲河段逐漸形成了窄深型斷面形態(tài)，當(dāng)主槽過于狹窄或彎曲時(shí)，航道寬度將無法滿足船舶雙向安全行駛要求，需要采取單向通行措施，船舶通過彎道河段耗時(shí)顯著增加，極大降低了航道通過能力，加之航槽內(nèi)水流集中，流速較大，船舶通過此類河段操縱較為困難，擱淺等事故時(shí)有發(fā)生，航行安全風(fēng)險(xiǎn)較大，使得航運(yùn)成本大幅提高。在以往的航道整治工程中，為改善彎道河段航道條件，多采用疏浚凸岸邊灘或在凸岸邊灘上筑壩方案，但維護(hù)性疏浚通常只能在短期內(nèi)改善航道條件，當(dāng)洪水發(fā)生時(shí)，疏浚區(qū)將再次淤積，而在凸岸邊灘上筑壩一方面加重了凹岸沖刷，另一方面也使得邊灘上的淺水生境遭到破壞。為解決上述問題，美國陸軍工程兵團(tuán)采用物理模型開展了大量試驗(yàn)研究，最終提出了在凹岸深槽內(nèi)設(shè)置彎道堰群的工程方案。

彎道堰群由一組拋石潛壩組成，潛壩布置在凹岸側(cè)，并向上游上挑一定角度，潛壩壩體完全淹沒于設(shè)計(jì)最低通航水位以下，其壩頂淹沒深度滿足船舶吃水要求，通過合理控制上挑角度和淹沒深度，可避免壩頂水域出現(xiàn)危害船舶航行的不良流態(tài)，因而，彎道堰群的修建不會(huì)影響船舶正常航行。彎道堰群典型結(jié)構(gòu)見圖1[6]。

圖1 彎道堰群結(jié)構(gòu)示意圖

彎道堰群結(jié)構(gòu)最早在密西西比河犬牙灣河段進(jìn)行了研究和應(yīng)用，美國陸軍工程兵團(tuán)圣路易斯分局及維克斯堡水道試驗(yàn)站（WES）對(duì)犬牙灣河段開展的物理模型試驗(yàn)成果[7-8]顯示：在犬牙灣河段設(shè)置彎道堰群后，彎道段河道寬度向凸岸側(cè)顯著拓寬，泥沙在凹岸深槽壩田區(qū)內(nèi)大量落淤，最大淤積深度可達(dá)15m。

該研究進(jìn)一步指出：在彎道堰布置方面，30°為最優(yōu)上挑角度，上挑角度過大，壩體上游側(cè)河床沖刷較為強(qiáng)烈而危及壩體自身穩(wěn)定，上挑角度較小，則對(duì)凸岸邊灘的沖刷作用較弱；彎道堰群設(shè)置后，原凹岸側(cè)近岸頂沖水流被有效挑離岸邊，斷面流速分布趨于均勻。另外，在調(diào)整泥沙淤積分布和航道斷面形態(tài)方面，該研究同時(shí)指出，整個(gè)洪水過程中，彎道堰群對(duì)泥沙淤積的調(diào)整作用均較為理想，在水位上漲期，低水位時(shí)，泥沙淤積由原凸岸邊灘區(qū)轉(zhuǎn)移至凹岸深槽壩田內(nèi)；低水位至中水位期，彎道內(nèi)泥沙淤積向著有利于通航的方向重新分布，航道斷面由窄深型向“寬淺”型（航深仍可滿足通航要求）調(diào)整；中水位期至高水位期，恢復(fù)正常水沙輸運(yùn)狀態(tài)，淤積的泥沙被搬運(yùn)至下游；而在水位回落期，堰群影響再度出現(xiàn)，泥沙沖淤向著對(duì)通航有利的趨勢(shì)發(fā)展。圖2為物理模型試驗(yàn)預(yù)測(cè)的彎道堰群設(shè)置前后犬牙灣彎頂處橫斷面變化情況。

圖2 犬牙灣工程前后地形套繪圖

美國陸軍工程兵團(tuán)圣路易斯分局通過分析密西西比河上游已實(shí)施的22個(gè)彎道堰群河段1976-2007年河道測(cè)量成果發(fā)現(xiàn)：工程實(shí)施后，在最低通航水位高程下，河道水面寬度平均增加了77%[9]，圖3為該研究中犬牙灣河段彎道堰群工程前后水深測(cè)圖，由工程建設(shè)前后水深對(duì)比可知，彎道堰群建設(shè)后，犬牙灣彎道段航道寬度顯著拓寬，達(dá)到了改善航道條件的效果。

圖3 犬牙灣彎道堰群建設(shè)前后水深測(cè)量圖

根據(jù)前述研究及觀測(cè)成果可知，彎道堰群的設(shè)置改變了彎道水流結(jié)構(gòu)，調(diào)整了泥沙在彎道段的分布，在改善航道條件方面具有以下作用[8]：①加大凸岸邊灘沖刷，使航道向凸岸側(cè)拓寬；②引導(dǎo)泥沙在凹岸側(cè)壩田區(qū)及凹岸堤腳處淤積，提高凹岸岸線穩(wěn)定性；③彎道段流速橫向分布更為均勻；④將凹岸側(cè)高速水流挑離凹岸岸邊，減少對(duì)岸坡的沖刷；⑤改善彎道下游過渡段航道條件；⑥使彎道段和下游過渡段航道銜接更為平順。

彎道堰群大幅改善了彎道河段的航道條件，降低了長(zhǎng)期維護(hù)疏浚成本，提高了航運(yùn)效益。自1990年以來，密西西比河已經(jīng)建設(shè)了近200座堰，大多取得了良好的整治效果。

4.彎道堰群的生態(tài)效益

彎道堰群結(jié)構(gòu)在最初提出時(shí)，主要考慮在不破壞研究河段凸岸邊灘區(qū)域所存在的瀕危鳥類-燕鷗-棲息地的前提下，解決彎道河段水流頂沖凹岸威脅岸線穩(wěn)定、凸岸邊灘淤長(zhǎng)導(dǎo)致航道狹窄，以及航道內(nèi)流速過大不利船舶航行等航道問題。根據(jù)后續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，彎道堰群的實(shí)施不僅大幅改善了彎道河段的航道條件，還避免了在凸岸邊灘淺水區(qū)筑壩，使得邊灘淺水生境得以保留，解決了傳統(tǒng)整治方法造成的水生環(huán)境向陸生環(huán)境轉(zhuǎn)變的問題，達(dá)到了預(yù)期功能和效果。

工程實(shí)施后，航道部門及環(huán)保部門對(duì)彎道堰群水域的水生態(tài)情況進(jìn)行了系列后續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，彎道堰群還具有如下生態(tài)效益：塊石壩體本身在河道內(nèi)創(chuàng)造了多樣性的棲息地，為魚類提供了掩護(hù)和保護(hù)，并創(chuàng)造了一個(gè)堅(jiān)固、穩(wěn)定的基底，底棲無脊椎動(dòng)物可以附著生長(zhǎng)；彎曲河道的橫斷面形態(tài)從窄深V形變成寬淺U形，從而改善和增加了可用的水生棲息地面積[8]。總的來說，彎道堰群的建設(shè)豐富了壩田區(qū)的河床地貌和水流多樣性，為魚類營造了多樣化的棲息地。

根據(jù)密蘇里州自然資源保護(hù)部對(duì)典型彎道堰群水域的實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，被監(jiān)測(cè)的彎道堰群壩田區(qū)域魚類數(shù)量達(dá)到了4512條，另外還有45個(gè)不同的物種出現(xiàn)在壩田區(qū)域，微型無脊椎動(dòng)物及魚類群落的多樣性和數(shù)量都有所增加。此外，還有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，瀕危的淺色鱘魚也將彎道堰壩田作為棲息地，由于工程水域同時(shí)提供了低流速和高流速水流環(huán)境，還為淺色鱘魚提供了產(chǎn)卵場(chǎng)。

另外，彎道堰群作為永久性工程，其建設(shè)改善了航道條件，避免了頻繁維護(hù)性疏浚及船舶擱淺事故對(duì)環(huán)境造成的破壞性影響，加之彎道堰壩體均位于水面以下，消除了整治工程露出水面在視覺上對(duì)河流景觀的影響，河流自然景觀得以保留，實(shí)現(xiàn)了人類、自然和河流多贏局面。

5.結(jié)論

（1）在密西西比河上游河流恢復(fù)環(huán)境管理計(jì)劃下，美國陸軍工程兵團(tuán)創(chuàng)新性的開發(fā)了彎道堰群結(jié)構(gòu)，并成功應(yīng)用于彎道河段整治，彎道堰群的建設(shè)保護(hù)了岸線、拓寬了航道，大幅改善了彎道河段航道條件，顯著提高了航運(yùn)效益。

（2）彎道堰群結(jié)構(gòu)的實(shí)施保護(hù)了凸岸邊灘淺水區(qū)水生環(huán)境，避免了水生環(huán)境向陸生環(huán)境的轉(zhuǎn)變，豐富了工程區(qū)河床地貌和水流條件多樣性，增加了魚類等水生生物的數(shù)量和多樣性，并為部分瀕危魚類提供了棲息地，取得了顯著的生態(tài)效益。該種結(jié)構(gòu)對(duì)河流生態(tài)的影響較傳統(tǒng)整治工程更小，具有廣泛的應(yīng)用前景。

（3）彎道堰群結(jié)構(gòu)在密西西比河河流恢復(fù)治理中的研究、應(yīng)用及后續(xù)監(jiān)測(cè)，是航道整治工程和河流生態(tài)恢復(fù)工程相結(jié)合的典范，為其他通航河流航道整治工程生態(tài)化建設(shè)提供了有益的借鑒。

當(dāng)前，在生態(tài)環(huán)境受到高度重視的時(shí)代背景下，學(xué)習(xí)借鑒彎道堰群等國外案例的成功經(jīng)驗(yàn)和治理思路，對(duì)順利推進(jìn)我國內(nèi)河航道整治工程項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)航道工程與河流生態(tài)系統(tǒng)的共贏具有重要意義。