弯道堰群在密西西比河河流恢复治理工程中的应用
时间：2023-04-22 14:30:04 来源：千叶帆 本文已影响人
◎ 贾国珍
1.四川省交通勘察设计研究院有限公司；
2.川渝内河港航工程技术研究中心
航运是通航河流的重要功能之一，为改善航道条件，通常需要在河道内修建航道整治工程，以调整水流结构、改善航道尺度、保护河道岸线。传统上，航道整治工程主要包括丁坝、顺坝、潜坝、护岸、鱼嘴等。在过去的两个世纪中，世界上主要内河航道均经历了大规模的航道整治，在河道内修建了大量的传统整治工程，这些整治建筑物的实施对提高航道尺度，改善水流条件，促进内河航运发展发挥了重要的作用。然而，受限于当时的技术经济水平、工程开发理念，这些航道整治工程在规划、设计及建设中，往往仅考虑了航道效益，对河流生态系统的影响考虑较少，工程实施运行后，一定程度上导致了工程区原生境发生改变或局部生境丧失[1]，给河流生态带来了一些不利影响。
随着经济社会的不断发展，包括航道整治工程在内的传统水利工程的生态影响问题逐渐引起各国的广泛关注。自20世纪50年代以来，西方发达国家率先在河道生态修复治理方面进行了广泛的探索，德国、日本分别提出了“近自然河流治理”及“近自然工事”理念，并在部分河流上进行了河流再自然化治理实践，美国提出了“自然河道设计技术”，并基于生态工程理念在多条河流上开展了河流修复工程[2-4]，密西西比河上游河流恢复环境管理计划（UMRR-EMP）即为其中的代表性工程，其在兼顾河流生态系统恢复与航运功能方面进行了众多技术创新，取得了显著的综合效益，在大型通航河流生态恢复治理方面积累了丰富的经验，为其他通航河流生态恢复治理及其航道整治工程生态化建设提供了有益的借鉴。
密西西比河上游河流恢复环境管理计划（Upper Mississippi River Restoration -Environmental Management Program）由1986年的《水资源开发法》授权美国陆军工程兵团负责实施，该计划包括两个主要部分：①栖息地修复和改善项目（Habitat Rehabilitation and Enhancement Project）、②系统性的监测和研究。
UMRR-EMP项目是美国第一个在大型河流系统上进行的环境修复和监测项目，自1986年以来，该计划已经完成了56个栖息地修复项目，改善了伊利诺伊州、爱荷华州、明尼苏达州、密苏里州和威斯康星州10.6万英亩的重要鱼类和野生动物栖息地，另外还有22个其他项目处于不同建设和设计阶段。该项目在大型河流系统的生态恢复方面开创了许多创新性的工程和规划技术，包括岸线保护、造岛、水位管理、回水区疏浚、支汊改造、河漫滩和支流恢复等工程，并开发了多种新型的具有生态效益的航道整治结构，如缺口坝、W形坝、阶梯式丁坝群、弯道堰群、V形坝、离岸式护岸等[5]。
弯道堰群（Bendway weirs）是美国陆军工程兵团针对密西西比河弯曲河段碍航问题而开发的一种航道整治结构。在弯曲河段，受弯道环流影响，凹岸不断侵蚀、凸岸逐渐淤长，当凹岸岸坡组成较为坚硬或建设有护岸工程时，其侧向侵蚀得到控制，凹岸侧的高速水流转而向下侵蚀河床，使凹岸侧河床下切较深，形成深槽，而凸岸侧边滩不断淤长，进一步压缩主槽，使河槽宽度缩窄。两种作用共同作用下，弯曲河段逐渐形成了窄深型断面形态，当主槽过于狭窄或弯曲时，航道宽度将无法满足船舶双向安全行驶要求，需要采取单向通行措施，船舶通过弯道河段耗时显著增加，极大降低了航道通过能力，加之航槽内水流集中，流速较大，船舶通过此类河段操纵较为困难，搁浅等事故时有发生，航行安全风险较大，使得航运成本大幅提高。在以往的航道整治工程中，为改善弯道河段航道条件，多采用疏浚凸岸边滩或在凸岸边滩上筑坝方案，但维护性疏浚通常只能在短期内改善航道条件，当洪水发生时，疏浚区将再次淤积，而在凸岸边滩上筑坝一方面加重了凹岸冲刷，另一方面也使得边滩上的浅水生境遭到破坏。为解决上述问题，美国陆军工程兵团采用物理模型开展了大量试验研究，最终提出了在凹岸深槽内设置弯道堰群的工程方案。
弯道堰群由一组抛石潜坝组成，潜坝布置在凹岸侧，并向上游上挑一定角度，潜坝坝体完全淹没于设计最低通航水位以下，其坝顶淹没深度满足船舶吃水要求，通过合理控制上挑角度和淹没深度，可避免坝顶水域出现危害船舶航行的不良流态，因而，弯道堰群的修建不会影响船舶正常航行。弯道堰群典型结构见图1[6]。
图1 弯道堰群结构示意图
弯道堰群结构最早在密西西比河犬牙湾河段进行了研究和应用，美国陆军工程兵团圣路易斯分局及维克斯堡水道试验站（WES）对犬牙湾河段开展的物理模型试验成果[7-8]显示：在犬牙湾河段设置弯道堰群后，弯道段河道宽度向凸岸侧显著拓宽，泥沙在凹岸深槽坝田区内大量落淤，最大淤积深度可达15m。
该研究进一步指出：在弯道堰布置方面，30°为最优上挑角度，上挑角度过大，坝体上游侧河床冲刷较为强烈而危及坝体自身稳定，上挑角度较小，则对凸岸边滩的冲刷作用较弱；
弯道堰群设置后，原凹岸侧近岸顶冲水流被有效挑离岸边，断面流速分布趋于均匀。另外，在调整泥沙淤积分布和航道断面形态方面，该研究同时指出，整个洪水过程中，弯道堰群对泥沙淤积的调整作用均较为理想，在水位上涨期，低水位时，泥沙淤积由原凸岸边滩区转移至凹岸深槽坝田内；
低水位至中水位期，弯道内泥沙淤积向着有利于通航的方向重新分布，航道断面由窄深型向“宽浅”型（航深仍可满足通航要求）调整；
中水位期至高水位期，恢复正常水沙输运状态，淤积的泥沙被搬运至下游；
而在水位回落期，堰群影响再度出现，泥沙冲淤向着对通航有利的趋势发展。图2为物理模型试验预测的弯道堰群设置前后犬牙湾弯顶处横断面变化情况。
图2 犬牙湾工程前后地形套绘图
美国陆军工程兵团圣路易斯分局通过分析密西西比河上游已实施的22个弯道堰群河段1976-2007年河道测量成果发现：工程实施后，在最低通航水位高程下，河道水面宽度平均增加了77%[9]，图3为该研究中犬牙湾河段弯道堰群工程前后水深测图，由工程建设前后水深对比可知，弯道堰群建设后，犬牙湾弯道段航道宽度显著拓宽，达到了改善航道条件的效果。
图3 犬牙湾弯道堰群建设前后水深测量图
根据前述研究及观测成果可知，弯道堰群的设置改变了弯道水流结构，调整了泥沙在弯道段的分布，在改善航道条件方面具有以下作用[8]：①加大凸岸边滩冲刷，使航道向凸岸侧拓宽；
②引导泥沙在凹岸侧坝田区及凹岸堤脚处淤积，提高凹岸岸线稳定性；
③弯道段流速横向分布更为均匀；
④将凹岸侧高速水流挑离凹岸岸边，减少对岸坡的冲刷；
⑤改善弯道下游过渡段航道条件；
⑥使弯道段和下游过渡段航道衔接更为平顺。
弯道堰群大幅改善了弯道河段的航道条件，降低了长期维护疏浚成本，提高了航运效益。自1990年以来，密西西比河已经建设了近200座堰，大多取得了良好的整治效果。
弯道堰群结构在最初提出时，主要考虑在不破坏研究河段凸岸边滩区域所存在的濒危鸟类-燕鸥-栖息地的前提下，解决弯道河段水流顶冲凹岸威胁岸线稳定、凸岸边滩淤长导致航道狭窄，以及航道内流速过大不利船舶航行等航道问题。根据后续监测结果，弯道堰群的实施不仅大幅改善了弯道河段的航道条件，还避免了在凸岸边滩浅水区筑坝，使得边滩浅水生境得以保留，解决了传统整治方法造成的水生环境向陆生环境转变的问题，达到了预期功能和效果。
工程实施后，航道部门及环保部门对弯道堰群水域的水生态情况进行了系列后续监测，监测结果表明，弯道堰群还具有如下生态效益：块石坝体本身在河道内创造了多样性的栖息地，为鱼类提供了掩护和保护，并创造了一个坚固、稳定的基底，底栖无脊椎动物可以附着生长；
弯曲河道的横断面形态从窄深V形变成宽浅U形，从而改善和增加了可用的水生栖息地面积[8]。总的来说，弯道堰群的建设丰富了坝田区的河床地貌和水流多样性，为鱼类营造了多样化的栖息地。
根据密苏里州自然资源保护部对典型弯道堰群水域的实地监测数据，被监测的弯道堰群坝田区域鱼类数量达到了4512条，另外还有45个不同的物种出现在坝田区域，微型无脊椎动物及鱼类群落的多样性和数量都有所增加。此外，还有监测数据表明，濒危的浅色鲟鱼也将弯道堰坝田作为栖息地，由于工程水域同时提供了低流速和高流速水流环境，还为浅色鲟鱼提供了产卵场。
另外，弯道堰群作为永久性工程，其建设改善了航道条件，避免了频繁维护性疏浚及船舶搁浅事故对环境造成的破坏性影响，加之弯道堰坝体均位于水面以下，消除了整治工程露出水面在视觉上对河流景观的影响，河流自然景观得以保留，实现了人类、自然和河流多赢局面。
（1）在密西西比河上游河流恢复环境管理计划下，美国陆军工程兵团创新性的开发了弯道堰群结构，并成功应用于弯道河段整治，弯道堰群的建设保护了岸线、拓宽了航道，大幅改善了弯道河段航道条件，显著提高了航运效益。
（2）弯道堰群结构的实施保护了凸岸边滩浅水区水生环境，避免了水生环境向陆生环境的转变，丰富了工程区河床地貌和水流条件多样性，增加了鱼类等水生生物的数量和多样性，并为部分濒危鱼类提供了栖息地，取得了显著的生态效益。该种结构对河流生态的影响较传统整治工程更小，具有广泛的应用前景。
（3）弯道堰群结构在密西西比河河流恢复治理中的研究、应用及后续监测，是航道整治工程和河流生态恢复工程相结合的典范，为其他通航河流航道整治工程生态化建设提供了有益的借鉴。
当前，在生态环境受到高度重视的时代背景下，学习借鉴弯道堰群等国外案例的成功经验和治理思路，对顺利推进我国内河航道整治工程项目建设，实现航道工程与河流生态系统的共赢具有重要意义。
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