探究长江口江心大型避咸蓄淡水库的建设背景

上海北靠长江，南濒杭州湾，西连太湖，东邻东海。全市多年平均地表径流量为24.15亿m3，人均本地水资源量仅133m3。但上海市具有丰富的过境水，太湖多年平均来水106.6亿m3，长江干流多年平均过境水9004亿m3，总计9110.6亿m3。长江口南支全水域水质基本符合国家地表水Ⅱ类水质标准。然而由于地表水水质受污染严重，水环境质量得不到保证，上海其他地区的地表水水质却一般都达不到Ⅱ～Ⅲ类标准。上海被纳入全国36个水质型缺水城市之列，在2000年被联合国确定为21世纪全球饮用水严重缺乏的六大城市之一。

为了解决上海城市远景供水需求，自20世纪90年代初起，上海市有关部门就着手组织各方力量对长江青草沙等上海远景规划水源地进行长期系统的水文水质监测、研究和论证。

2002年12月，上海市人民政府批准了《上海市供水专业规划》。规划明确指出，上海原水实施战略转移，大力开发长江水源地，提高长江原水供水份额，形成上海原水供应“两江并举、三足鼎立”的格局。

2006年8月，上海城投（集团）有限公司组织编制了《青草沙水源地原水工程系统方案》，规划青草沙水源地2020年供水规模为719万m3／d，供水范围为杨浦、虹口、浦东等10个中心城区全部以及宝山、普陀、青浦、闵行和崇明等5个区的部分地区，受益人口超过1000万人。青草沙水源地原水工程系统主要由青草沙水库及取输水泵闸工程、长江过江管工程和陆域输水管线及增压泵站工程等3个项目组成，分别立项建设。

青草沙水库是我国第一座建于复杂潮汐河口江心的大型避咸蓄淡水库，可借鉴经验和资料较少，而长江口河床演变、潮流水动力、咸潮入侵规律、工程地质条件等极其复杂，存在诸如选址选线、避咸蓄淡、河势维稳、江心成库、深水筑堤、龙口设置及截流、堤坝渗流控制、低滩取输水泵闸建筑、水库水环境保护与运行调度等一系列技术难题和特点，主要体现在以下几个方面。

1）复杂河口地区水库总体布局

长江口平面形态呈喇叭形，长江主流在徐六泾以下由崇明岛分为南支和北支，南支在吴淞口以下由长兴岛和横沙岛分为南港和北港，南港被江亚南沙和九段沙分为南槽和北槽，使长江口呈“三级分汊、四口入海（北支、北港、北槽和南槽）”的河势格局，河势十分复杂。特别是青草沙水库所在河段是长江口区近百年来滩槽变化频繁、河床冲淤较为剧烈的河段，河势演变规律十分复杂，在南北港分流口区域圈围建库，一方面需要考虑工程实施可能对河势产生的影响，另一方面要考虑河势的变化也会对工程本身安全带来影响，需要提出相应的工程应对措施。

2）咸潮入侵与水库规模及节能环保型运行方式

长江口受外海咸潮入侵影响，水库规模及蓄水运行时机取决于对咸潮入侵规律的掌握。不同于一般河口，长江口的咸潮入侵有来自外海的咸潮上溯，但在工程区附近出现的咸潮还有来自北支咸潮倒灌的。受北支喇叭口形态影响，咸潮倒灌南支，成为长江口咸潮入侵的一大特征。加上咸潮入侵受径流、潮汐和风对水流的影响共同作用，机理和规律十分复杂。

长江口水域水动力条件十分复杂，水质变化、咸潮入侵以及河势演变等直接影响避咸蓄淡水库取水的可靠性，取水口位置和取水方式的合理选择是直接影响水库供水安全、取水建筑物规模和水库运行成本的关键。

同时，长江水中营养盐浓度较高，水库具有浅水型湖泊的特点，水库建成后库区水流变缓，具有富营养化风险，易导致库区水质恶化，须通过库型优化、引排布局、优化水库调度并辅以建立良性生态系统等措施保持和改善库区水质。

3）长距离江心水力充填堤坝结构及深水筑堤与护滩防冲(www.xing528.com)

青草沙水库地处长江口河口江心，南北港分流口、暗沙众多，河床泥沙可动性较强，并且受水流及潮流往复作用，水流流态复杂，互动因素较多。水库在北港江中的堤坝主要沿涨潮沟外侧江心沙脊布置，水域开敞，工程远离岸边、无掩护、堤线长，施工作业繁杂，施工环境恶劣，并穿越多个大型涨潮沟。

由于涨潮沟的形态是特有水动力条件作用下的一种不稳定平衡状态，流场、波浪或泥沙条件的改变，极易引起带状沙脊冲刷，而且一旦冲刷启动，冲刷的速度往往很快，可能引起大片沙脊消失。施工筑堤的阻水扰流也极易引起沙洲冲刷和河势调整。因此，研究合理的施工顺序，选择合理的堤坝施工作业面、进占速度以及适宜的防冲保滩结构，维护沙洲或沙脊稳定，避免施工过程中和施工后堤坝沿线滩地冲刷和河势急变，是水库建设面临的一大技术难点。

水库东堤滩面高程为－5.0～－10.5m，横穿涨潮沟深槽，全长约3.0km，属于深水筑堤。工程所在区域水深、浪大、流急、地基软弱，施工作业面窄，而且缺乏石料，缺乏陆上推进筑堤的条件。

4）深厚透水地基上的水力充填堤坝受双向水头作用的渗流控制

青草沙水库堤坝须承受库内外两侧高达7.0～8.0m的双向水头作用，且水库环库堤坝采用充填管袋斜坡堤、抛填袋装砂斜坡堤结构，其特点是堤身两侧及下部主要由土工织物管袋充填砂土堆叠而成，堤身中上部由砂性土散吹形成，为非常规的土堤，其渗透规律不同于均质堤坝，受力条件及变形特征均不同于山区水库的大坝。因赶潮施工，填筑质量控制困难，加上地基土多为砂性土或粉性土，极易发生渗透破坏，危及堤坝安全。在潮汐河口以水力充填法建设水库堤坝的类似工程经验不多，其渗透特性、渗透稳定控制标准以及可大规模操作的、可靠的渗控措施是需要攻关研究的技术难点。

5）大型龙口设置与截流工艺

龙口设置与截流是水库施工建设的关键节点。青草沙库区的水域面积达49.8km2，圈围堤坝的龙口受双向水流作用，龙口流速大，流态复杂。龙口受潮汐往复流作用，周期性的潮汐变化影响使得适宜的连续作业天数一般仅6～8d；工程区缺乏石料和陆上抛石作业条件；软土地基易冲难护，且一旦发生冲刷极难控制。截流作为水库建设的关键工序，不但关系到工程的成败，更关系到工程的经济效益、政治影响以及人身安全等多个方面，应从组织落实、计划安排、技术分析、后备方案的确定等方面进行周密分析、论证和落实。

6）江心新沉积沙土地基上建造取输水泵闸

水库的3处取输水枢纽建筑物规模大、结构复杂、基坑较深、水文气象条件复杂、施工环境恶劣。与工程建设密切相关的诸如江滩深水围堰构筑、深基坑围护、新沉积的软土地基处理、建筑物与堤坝的连接及相邻结构的变形协调、进出水口流态控制及消能防冲处理等问题，在平原河网地区取输水建筑物设计中就是关键点，在潮汐河口江心特殊的地质、水文、气象和施工条件下变得更为复杂，成为取输水建筑物设计的技术难题。

针对水库建设的特点和难点，上海青草沙投资建设发展有限公司组织上海勘测设计研究院有限公司、上海市水利工程设计研究院有限公司、中交上海航道局有限公司、河海大学、南京水利科学研究院、上海河口海岸科学研究中心、上海交通大学、华东师范大学、上海船舶运输科学研究所等勘测设计、施工和科研单位，综合运用现场测验、数值模拟、物模试验等手段，联合攻关，取得了一系列创新成果，为水库工程建设打下了坚实的基础。