一、前言

（一）研究背景和意义

由于近百年来污染物的沉积，苏州河市区段底部形成了一层污染底泥。受潮汐影响，苏州河的水流具有双向回荡特性，因此这层污染底泥有可能经常泛起影响上覆水体。这意味着，即使苏州河集水区中的主要污染源都得到控制后，现有的污染底泥仍会对上覆水体产生二次污染。因此，苏州河污染底泥对上覆水体的影响和如何处置的问题也是整治苏州河水环境的一个重要问题。

（二）研究目的和方法

本项目的研究目的是提出苏州河污染底泥的有效处置方法。项目研究以室内水力模拟试验为主，结合必要的理论分析和数值计算，并尽可能地在现场调研、采样以便相互验证，使研究成果更具真实性和可靠性。

（三）主要研究内容

本项目主要研究利用潮汐水流能量，清除苏州河污染底泥的可能性。这就需要弄清苏州河现有底泥的水力特性和它对上覆水体产生污染的规律以及潮汐水流对它的起动、悬浮和扩散的影响。

本项目主要对污染严重的浙江路桥和北新泾桥附近河段进行分析研究。

主要研究内容有：

1．苏州河底泥的调研、采样以及物理和化学特性分析试验；

2．苏州河表层底泥的水力特性试验研究；

3．潮汐水流对苏州河表层底泥的起动、悬浮和扩散影响的模拟试验；

4．人工控制潮波波形，增加表层底泥释放和扩散强度的试验研究；

5．水力清除苏州河污染底泥所需的辅助工程措施论证；

6．水力清除苏州河污染底泥对黄浦江水质的影响分析。

二、苏州河底泥现状与水力条件

（一）苏州河底泥现状

苏州河浙江路桥和北新泾桥附近河段底泥基本上是由0.002~0.1 mm的细颗粒泥沙组成，中值粒径分别为北新泾桥d50=0.015mm，浙江路桥d50=0.03mm。

（二）苏州河底泥水力特性

根据底泥的颗粒级配分析，水槽实验采用了浙江路桥底泥（d50=0.03mm）、北新泾桥底泥（d50=0.015mm），以及用作模型泥沙的淀粉（d=0.01mm）。将原样底泥制备成不同密度?s进行起动流速试验，可以看出：

1．浙江路桥和北新泾桥底泥由于中值粒径d50引起的起动流速uc变化不大，但是?s的变化对起动流速uc的影响很明显；

2．当底泥密度?s小于450g/L时，起动流速uc明显下降，底泥变成浮泥状态；

3．由淤泥和浮泥构成的表层底泥对上覆水体的水环境起着主要影响。

三、研究方法

通过模拟试验研究苏州河底泥在潮汐水流作用下的起动、释放、扩散以及对上覆水体形成污染的规律，同时运用水力实验方法研究苏州河底泥的水动力学运动机理，对实测资料与实验结果进行相互验证。同时，采用理论分析和数值计算等方法对一些暂时无法进行实验或实测的问题进行分析。

（一）实验装置、设备及方法

实验装置与设备包括：

1．水槽实验装置；

2．潮汐水流发生装置和潮位测量仪器；

3．潮位、流速大小和流向、水流湍流度等流动测量；

4．底泥起动和悬浮、扩散的浓度测量。

底泥起动分为四个阶段：(1)无泥沙起动；(2)轻微起动；(3)中等起动；(4)强烈冲刷起动。将中等起动作为底泥起动的标准，一方面通过对实验录像资料的仔细观察和分析，判断各试验工况下的底泥释放程度，另一方面是通过采样并用光电式浊度计进定量分析。

（二）水槽模拟试验

水槽模拟试验是在二维水流条件下进行的。根据一般的相似原理和河流动力相似理论，模拟试验主要考虑以下相似条件：河段水流的水力相似、底泥运动相似、潮汐河道流动相似、河底变形相似。

（三）现场调研与实测

包括水文资料调研，采集浙江路桥和北新泾桥水样，勘探浙江路桥和北新泾桥河段断面测量和淤泥厚度。

四、苏州河受污染底泥对上覆水体的影响

（一）底泥对上覆水体影响的模拟试验

将模型底泥铺在水槽中部，长度为2m。模型底泥的扩散浓度是在铺设段1m处采样并分析其浊度得到的。试验发现，底泥起动并引起水体浊度增加都是在落潮接近憩流时开始，直到开始涨潮后不久停止，占1/4个潮波周期。同时，在潮汐水流作用下，悬浮底泥浓度沿程衰减。

（二）浙江路桥和北新泾桥现场实测结果

1996年6月12至6月13日，分别在浙江路桥和北新泾桥同时进行现场观察采样。对水样作浊度分析，发现在落潮的后半周期浊度明显增加并很快达到峰值，再经过落潮憩流至涨潮开始后迅速降低，水质转好。

（三）底泥起动与上覆水体水质的关系

1．对浊度与水流含泥量，浊度与水流含淀粉量的关系曲线进行率定的结果表明，浊度与含泥量的关系基本符合定义。

2．分析发现水质的COD和NH3-N值随水的浊度或含底泥量的增加而变大，随浊度或含底泥量减小而变小。

3．苏州河表层底泥（淤泥与浮泥）的释放和扩散与上覆水体的水质变化有着密切关系，同时苏州河潮汐水流的变化是影响表层底泥起动释放的主要原因。

五、潮波波形对表层底泥释放和扩散的影响

本项目从解决苏州河底泥运动规律的实际问题出发，通过水槽模拟试验和数值计算，取得了潮波波形对表层底泥释放和扩散影响的某些结果。

（一）人工控制苏州河潮波对水质的影响

1996年6月5日至6日48小时内苏州河吴淞路桥闸启闭4次，人工改变了苏州河市区河段的潮波波形，在浙江路桥和北新泾桥现场实测了水质随人工潮波波形变化。结果表明，在落潮的后半期水质明显恶化，经过憩流阶段，在涨潮开始后不久水质又明显好转。这意味着苏州河表层底泥的释放和扩散对上覆水体的水质有重要影响。

（二）人工改变潮波波形的水槽模拟试验

模拟试验结果表明，在同一时段内，落潮潮差大的水流冲刷底泥的能力大，即潮波波形陡落的水流具有较强的冲刷、释放底泥的能力。

（三）在不同潮波波形中悬浮底泥扩散的数值计算

采用非定常二维k-ε湍流模式及SIMPLEC算法，对此问题进行数值计算。共计算了四种工况：

1．径流量与潮流量比Q0/QT=0.5，周期T=16'；

2．径流量与潮流量比Q0/QT=0.5，周期T=7'；

3．径流量与潮流量比Q0/QT=1.0，周期T=16'；

4．径流量与潮流量比Q0/QT=1.0，周期T=7'。

计算结果表明，底泥释放之后，不仅会向下游输运和扩散，也会随着潮流向上游扩散，形成污水云团。若污水云团的边界值定为相对初始浓度的2.5‰，则不同潮流作用下的污水云团范围如表1中所示，表中( )*值为实际值。

表1 污水云团范围(上、下游距离)

由表可知，潮周期长则污水云团向上、下游扩散范围大，反之范围小。在同样潮周期时，潮流量大的污水云团扩散范围大，反之范围小。当潮流量小至一定值之后，污水云团基本上不向上游扩散，大部分排向下游。

六、人工控制潮汐水流的工程措施探讨及预期效果的分析

（一）苏州河市区河段潮汐水流特征

苏州河市区河段属于感潮河流的河口段，即都在潮流界以下，又因苏州河本身径流量不大，所以这段河流的水力条件主要取决于潮流特征。如前所述，苏州河表层底泥的泛起与扩散主要受潮流作用影响，河道中蓄存的潮汐能量愈大，则可用于冲刷清除表层底泥的能量也愈大。

（二）改建苏州河吴淞路桥闸，人工增加潮流落潮冲刷底泥能力的方案

建议改建现有苏州河吴淞路桥闸，使它能双向挡水，达到反向挡水水头为2.5m左右。如果合理地人工控制闸门的启闭过程，可增加自河口至叶家宅区间内河段的落潮梯度，提高潮流对表层底泥的冲刷和输运能力。

在水槽中进行多次底泥冲刷强度模拟试验，结果表明，在苏州河现状表层底泥平均厚度按500mm考虑，在无新污染泥沙进入的条件下，经过10年时间，苏州河表层底泥将被天然潮流冲走。改建吴淞路桥闸后，可人工控制苏州河潮流，加陡叶家宅以下10km河道的落潮波形，估算冲刷能力将提高2~3倍。这样改建吴淞路桥闸后，苏州河叶家宅以下10km河段的表层底泥将在3~5年之内被潮汐水流带走。

（三）北新泾桥附近河段采用吸泥船水力清除方法

改建吴淞路桥闸后，利用潮汐水流能量加陡落潮波形可以提高从河口至叶家宅10km河段表层底泥的冲刷强度。但是，由于沿程潮波能量的衰减，在北新泾桥附近河段变形潮波已属强弩之末，对底泥释放能力的提高已较微弱。这样，在北新泾桥附近河段建议采用冲吸式吸泥船将表层底泥从河底冲起，用管道输送至远区再作处理，这实际上是一种水力挖掘方法。

（四）苏州河上游引水冲淤

苏州河上游引水方案应综合利用其净化能力和冲刷污染底泥两方面的功能，必须结合潮汐水流的动态过程考虑，合理调度引水，以取得最佳效果。

1．应采取必要的工程措施，增加引水流量。

2．选择在下游河段的落潮期间排水，增加落潮流量，提高底泥的排放率，起到逐步清淤的作用。

七、苏州河底泥冲刷对黄浦江水质的影响

研究表明：黄浦江对污染物稀释和输运能力较强，由于苏州河底泥冲刷引起的水质恶化，对黄浦江影响不大，污染物释放1天后，峰值浓度降至5‰以下，污染物在黄浦江的滞留时间大约为15天左右。

另外，推导了潮汐流动中细颗粒泥沙淤积关系式，并通过实验对其中的参数进行了拟合，结果表明苏州河排放的底泥不会在交汇口大量沉降淤积，不会影响黄浦江的正常航运。

八、结论

1．底泥对水体污染的影响，如浊度、COD和NH3-N值是周期性的，并且与潮流特性有密切关系。

2．水槽模拟试验和计算机数值计算的结果表明，潮流波形的改变能明显地改变底泥的释放和扩散特性。落潮波形陡度增加到原来的2倍，表层底泥的冲刷起动量就增加2~3倍，水流扩散输运底泥(污染物)的能力也增加2~3倍。

3．在苏州河河口建造控制落潮水位的闸门(或改造现有的吴淞路桥闸)，通过合理的操作，能增加苏州河自河口至叶家宅10km河段的落潮波陡度和落潮流速，使底泥释放和向下游扩散能力加强。根据模拟试验结果能增加排放速率2~3倍。

4．在苏州河上游采取工程措施引水冲淤，落潮时若引水30m3/s至北新泾桥，落潮流量增加到原来的2倍左右，将改善苏州河水质并能提高北新泾桥至叶家宅河段及以下河段对表层底泥的冲刷和排放能力。

5．采用水力冲刷和加强水流输运污染底泥能力的各种方案均导致苏州河排入黄浦江水流含泥、含污染物浓度增高，但不会对黄浦江造成影响。

6．利用潮汐水力清除苏州河底泥的最佳方案是改建吴淞路桥闸，经合理人工控制后能增加苏州河河口至叶家宅10km河段表层底泥的排放能力2~3倍并在3年左右清除对上覆水体影响最大的表层污染底泥，基本解决该河段内表层底泥对上覆水体水质的影响。

（上海大学）