荊江河段與洞庭湖水系的采砂量計(jì)算分析

， ，， ，

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長沙 410114；2.長沙理工大學(xué) 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長沙 410114；3.國務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會辦公室 政策及技術(shù)研究中心，北京 100038)

1 研究背景

近20 a來，隨著我國城鎮(zhèn)化和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，城市建筑、高速公路、鐵路、港口碼頭、航道整治、水利水電工程等對建筑用砂的需求呈現(xiàn)持續(xù)增長的局面。目前，河道采砂在全國各大江河均普遍存在，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動下，部分河段出現(xiàn)非法采砂活動，實(shí)際采砂量遠(yuǎn)大于行政許可部門規(guī)劃的采砂量。過度采砂勢必造成河床下切、河岸侵蝕和水生生物棲息地破壞等一系列的河床演變和河流生態(tài)環(huán)境問題[1-3]。因此，可持續(xù)的河道采砂必須以不影響河勢穩(wěn)定、防洪安全、通航安全和河流生態(tài)為前提[4]。依法有序且科學(xué)采砂有利于河床沖淤平衡、航道安全運(yùn)行以及河流生態(tài)健康良好，同時使河流泥沙資源能夠產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價值[5]。河道內(nèi)亂采濫挖則可能使水流散亂、河床切深、沿岸取水困難，難以保證船舶安全通行所需航道寬度與水深，而且還可能引起局部崩岸，進(jìn)而危及防洪安全[6]。因此，有限度的采砂規(guī)劃與管理對河道演變、生態(tài)環(huán)境以及地方經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。

荊江河段與洞庭湖水系的采砂對河道水沙過程、河床沖淤以及河道演變已產(chǎn)生較重要的影響，而且過度采砂對當(dāng)?shù)匾约爸苓叺纳鷳B(tài)環(huán)境、涉水建筑物、河岸及堤防穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[7]。目前，國內(nèi)外對于河道采砂的研究已有較多成果[8-12]，如：Bonta[10]應(yīng)用Modified Universal Soil Loss Equation模型以模擬采沙坑的演變過程；Lanzoni等[11]基于一維水沙數(shù)學(xué)模型，分析了采砂河段整體達(dá)到?jīng)_淤穩(wěn)定的動態(tài)平衡條件；毛野等[12]結(jié)合長江鎮(zhèn)江段的微尺度模型試驗(yàn)，研究了順直、彎曲和分汊的典型河道不同部位的大規(guī)模采砂對河床局部變形以及對河段變形的極限影響。以上諸多研究雖然對河道采砂的影響已有較深入的認(rèn)識，但是鮮有關(guān)于較準(zhǔn)確估算河道采砂量的定量方法。目前，荊江河道與洞庭湖水系的采砂量數(shù)據(jù)和計(jì)算尚缺乏研究報道，不利于有效評估人工采砂對河床演變和河流生態(tài)的不利影響。

本文利用Google Earth歷年遙感影像和最近10 a全國以及本地區(qū)年水泥產(chǎn)量作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用體積公式法、水泥產(chǎn)量估算法和采砂船只估算法對荊江河道與洞庭湖水系的采砂量進(jìn)行計(jì)算并對比驗(yàn)證，并分析了3種計(jì)算方法的誤差，其研究結(jié)果為本地區(qū)合理控制采砂量和維持荊江和洞庭湖的關(guān)系協(xié)調(diào)提供了一定參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

以Google Earth的遙感影像、近10 a全國以及本地區(qū)的年水泥產(chǎn)量作為本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。歷年全國的水泥產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[13]。歷年湖南、湖北的年水泥產(chǎn)量來源于國家統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站。

2.2 研究方法

2.2.1 體積計(jì)算公式

通過Google Earth遙感影像對荊江河段(葛洲壩至城陵磯)、洞庭湖區(qū)以及湘資沅澧四水干流的主要采砂河段的附近砂場中的砂堆進(jìn)行編號，把砂堆概化為一個圓錐體，利用Google Earth軟件的顯示標(biāo)尺測量其直徑，堆的高度利用砂堆直徑估算，計(jì)算公式為H=R/(2tanθ)，砂堆的休止角θ統(tǒng)一取35°，最后按照圓錐體體積公式計(jì)算砂堆體積，即

V=SH/3 。

(1)

式中：V為砂堆的體積；S為砂堆占地的底面積；H為砂堆的高度。計(jì)算得到的總體積換算成質(zhì)量，取砂的堆積密度為1.35 t/m3。通過計(jì)算得到的采砂質(zhì)量為一個時間周期內(nèi)的采砂量，計(jì)算年采砂量為單周期采砂量與年內(nèi)周期數(shù)的乘積，年內(nèi)采砂周期通過遙感影像觀測統(tǒng)計(jì)得到。

為了較準(zhǔn)確得到采砂場年內(nèi)采砂周期數(shù)，本文選取歷史遙感影像較密集的區(qū)間段，觀察并估算區(qū)間段的砂堆在前后不同拍攝時間內(nèi)堆放和運(yùn)走所經(jīng)歷的最短周期。圖1反映同一典型砂堆不同時刻堆放以及運(yùn)走的情況。本文選取10個代表性較強(qiáng)的典型砂堆(見表1)，在軟件中對比觀察同一個砂堆不同時間的歷史圖像。

圖1 典型砂堆不同時間的對比影像Fig.1 Comparison of typical sand piles on different dates

河段經(jīng)度緯度拍攝日期荊江111°45′3.48"E 30°25′17.69"N2015-04-21荊江111°46′40.01"E30°25′12.60"N2015-04-21荊江112°24′14.92"E29°44′14.67"N2015-07-13湘江112°58′16.04"E27°53′12.19"N2015-02-09湘江113° 0′8.43"E27°48′39.71"N2015-02-09湘江112°58′57.97"E27°48′8.76"N2015-01-21湘江112°54′42.72"E27°47′51.49"N2015-01-21沅江111°38′19.61"E29° 0′35.12"N2014-08-21沅江111°38′51.84"E28°58′22.21"N2014-07-22沅江111°33′13.54"E29° 2′53.49"N2014-10-03

2.2.2 水泥產(chǎn)量估算法

通過湖南和湖北兩省的水泥產(chǎn)量、水泥使用中水泥與砂石的比例以及消耗的水泥量來估算采砂量。這里假定兩省水泥不跨省外運(yùn)，生產(chǎn)的水泥當(dāng)年基本消耗完，并且各省(區(qū))在各自流域生產(chǎn)和使用的水泥比例與各省區(qū)在各自流域的GDP占比基本一致[14]。借用各省(區(qū))在各自流域的GDP占比來確定消耗的水泥比例，以此來計(jì)算出枝城至城陵磯河段、洞庭湖水系的水泥消耗量。

國家統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)顯示，2015年全國水泥產(chǎn)量為23.48億 t，其中湖南和湖北水泥產(chǎn)量和2015年荊江以及洞庭湖水系水泥消耗量見表2。

表2 2015年湖南和湖北兩省水泥產(chǎn)量及各自流域內(nèi) 消耗的水泥量Table 2 Cement productions and consumptions in Hunan Province and Hubei Province in 2015

注：湖南省的“流域內(nèi)GDP占比”為洞庭湖區(qū)及湘資沅澧四水流域的GDP占全省GDP的比例；湖北省的“流域內(nèi)GDP占比”為葛洲壩至城陵磯河段GDP占全省GDP的比例

2.2.3 采砂船只估算法

通過遙感影像分析，枝城至城陵磯河段兩岸約有130個砂石料場，湘資沅澧四水干流附近大概分布有500個砂石料場。其中，湘江干流沿岸附近約有180個砂石料場，資江干流沿岸約有140個砂石料場，沅江干流沿岸約有100個砂石料場，澧江干流約有80個砂石料場。這些砂場料場的規(guī)模大小不一，大體可以分為4類，從特大型、大型、中型到小型均有分布，其中以大型和中型的砂石料場分布居多。需要指出的是，在某些禁采區(qū)、保留區(qū)存在采砂違法行為，其開采量難以取證調(diào)查。

通過遙感影像來統(tǒng)計(jì)葛洲壩至城陵磯河段、洞庭湖區(qū)以及湘資沅澧四水干流上的采砂船數(shù)量。根據(jù)采砂船的年工作天數(shù)、工作時間和開采能力的調(diào)查來估算采砂量W，其計(jì)算公式[15-16]為

W=DTR。

(2)

式中：D為1 a中適合采砂的天數(shù)(d)，將1 a中平均流量<20 000 m3/s的天數(shù)作為可采砂天數(shù)(流量>20 000 m3/s的天數(shù)暫不考慮)，這里D取200～300 d；T為采砂船的作業(yè)時間(h)，由于采砂船在白天、夜間均有作業(yè)活動，但以夜間采砂為主，綜合考慮，每條采砂船每天平均工作5～8 h；R為采砂船采砂能力或效率(t/h)，根據(jù)調(diào)查，大型或特大型采砂船平均采砂效率為150 t/h，中型采砂船為100 t/h，小型采砂船為50 t/h。

3 研究結(jié)果

3.1 葛洲壩至城陵磯河段采砂量計(jì)算結(jié)果

3.1.1 遙感影像估算法的計(jì)算結(jié)果

荊江河段為禁采區(qū)，其兩岸附近的采砂場中的砂石主要有2個來源：一個來自于從外地搬運(yùn)過來的運(yùn)砂船；另一個來自于當(dāng)?shù)胤欠ú缮啊?/p>

通過遙感影像對比，估計(jì)一個采砂周期約為2個月，1 a有6個采砂周期。對遙感影像的砂堆進(jìn)行編號及體積計(jì)算，2015年枝城—城陵磯河段一個周期內(nèi)的采砂體積為4.6×106m3，該河段一個周期內(nèi)的采砂量為6.22×106t(見表3)，1 a的采砂量為3.7×107t。由于對非法采砂得到的采砂量難以取證調(diào)查，所以對其估算一個范圍，取60%～80%作為該河段的采砂量。2015年采砂總量為(2.2～3.0)×107t。

表3 2015年葛洲壩—城陵磯河段遙感影像采砂量估算Table 3 Estimated amount of sand excavation in the reach from Gezhouba to Chenglingji in 2015

3.1.2 水泥產(chǎn)量估算法的采砂量結(jié)果

2015年葛洲壩—城陵磯河段水泥消耗量為2.2×107t，占全國水泥產(chǎn)量的0.94%。假定2006—2015年枝城—城陵磯河段水泥消耗量占全國產(chǎn)量的比例與2015年相同，可計(jì)算得到2006—2015年該河段逐年的水泥消耗量。表4為2006—2015年葛洲壩—城陵磯河段逐年的水泥和砂使用量。

注：2006—2015年全國水泥產(chǎn)量來自國家統(tǒng)計(jì)局；1∶1.19為水泥與大砂比例的下限，1∶1.82為水泥與大砂比例的平均值[17]

由表4可知，2006—2015年該河段年均消耗水泥1.8×107t。2006—2015年葛洲壩—城陵磯河段平均年采砂量為(2.1～3.3)×107t。2015年采砂量為(2.6～4.0)×107t，近5 a的采砂量變化幅度較小，總體趨于穩(wěn)定。

3.1.3 采砂船只估算法的結(jié)果

通過遙感影像的觀測統(tǒng)計(jì)，2015年葛洲壩—城陵磯河段上的采砂船只約230艘，其中小型采砂船170艘，中型采砂船40艘，大型采砂船20艘。根據(jù)采砂船的數(shù)量、開采能力或效率、作業(yè)時間的調(diào)查，經(jīng)過初步計(jì)算，葛洲壩—城陵磯河段內(nèi)采砂量約為(1.6～3.7)×107t。

3.2 洞庭湖區(qū)及湘資沅澧四水干流采砂量計(jì)算結(jié)果

3.2.1 通過遙感影像的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《湖南省湘資沅澧干流及洞庭湖河道采砂規(guī)劃(2012―2016年)》的規(guī)定[18]，洞庭湖及四水的禁采期均為2個月，其中湘江禁采期為5—6月份，洞庭湖、資江、沅江以及澧江的禁采期為6—7月份，所以洞庭湖區(qū)及湘資沅澧四水干流減少一個采砂周期，1 a共有5個采砂周期。表5為洞庭湖區(qū)及湘資沅澧四水干流一個采砂周期內(nèi)的采砂量。計(jì)算結(jié)果為2015年湘江年采砂量為4.1×107t，資江年采砂量為2.7×107t，沅江年采砂量為2.2×107t，澧江年采砂量為1.7×107t，洞庭湖區(qū)年采砂量為2.0×107t，見表5。因此，洞庭湖水系年采砂總量為1.3×108t。

表5 2015年一個周期內(nèi)洞庭湖區(qū)及四水干流的 遙感影像采砂量估算Table 5 Estimated amount of sand excavation in the Dongting Lake and mainstreams of four rivers in a sand excavation period of 2015

通過對上述地區(qū)遙感影像的觀察，發(fā)現(xiàn)近幾年的采砂點(diǎn)位置和數(shù)量總體變化不大，2015年該地區(qū)的年采砂總量可近似作為近4 a的年均采砂總量。

3.2.2 水泥產(chǎn)量估算的采砂量結(jié)果

2015年洞庭湖區(qū)及湘資沅澧四水干流流域水泥消耗量為1.05×108t，占全國水泥產(chǎn)量的4.45%。假定2006—2015年洞庭湖水系逐年水泥消耗量占全國的比例與2015年相同，可計(jì)算2006—2015年洞庭湖水系逐年的水泥消耗量。表6為2006—2015年洞庭湖水系逐年的水泥和砂使用量。由表6可知，2006—2015年洞庭湖水系年均消耗水泥0.85×108t。

表6 2006—2015年洞庭湖水系的水泥和砂使用量估算Table 6 Estimation of cement and sand consumed in the river network of Dongting Lake in 2006-2015

2006—2015年洞庭湖區(qū)及湘資沅澧四水干流平均年采砂量為(1.01～1.55)×108t。對于洞庭湖區(qū)及湘資沅澧四水的水沙關(guān)系和河床演變，河道采砂量是不可忽略的一個因素。2015年洞庭湖水系年采砂量為(1.25～1.91)×108t，但近3 a的采砂量變化幅度不大，趨于穩(wěn)定。

3.2.3 采砂船只法估算結(jié)果

通過對歷年遙感影像資料中采砂船的統(tǒng)計(jì)可知，洞庭湖區(qū)及湘資沅澧四水干流流域大概有1 050艘采砂船，其中小型采砂船63艘，中型采砂船270艘，大型采砂船150艘。根據(jù)采砂船的年工作天數(shù)、工作時間和開采能力的調(diào)查，經(jīng)計(jì)算，洞庭湖水系年采砂量約為(0.81～1.94)×108t。

4 誤差分析

葛洲壩—城陵磯河段的采砂量采用3種方法計(jì)算的結(jié)果都較接近，誤差范圍不大，可較為客觀地反映該河段的實(shí)際采砂總量。不同方法計(jì)算的結(jié)果可以相互驗(yàn)證，2015年該河段實(shí)際的采砂總量估計(jì)為(2.6～3.0)×107t。

洞庭湖水系的總采砂量用體積公式法與水泥產(chǎn)量法計(jì)算得到的結(jié)果也較接近，其中用體積公式法計(jì)算得到的采砂總量與《湖南省湘資沅澧干流及洞庭湖河道采砂規(guī)劃(2012―2016年)》中的年采砂控制總量1.2×108t誤差較小，較為真實(shí)地反映出該地區(qū)的實(shí)際采砂總量(表7)。2015年洞庭湖水系的采砂總量估計(jì)約為1.3×108t。

表7 3種方法計(jì)算的采砂總量Table 7 Amounts of sand excavation calculated by three methods

由于計(jì)算上述地區(qū)采砂量所采用的3種計(jì)算方法都存在一定局限性，所以3種計(jì)算方法得到的結(jié)果都具有相應(yīng)的誤差。

體積公式法計(jì)算結(jié)果的主要誤差在于：①把砂堆概化為圓錐體，用體積公式計(jì)算，但實(shí)際情況下呈圓錐體的砂堆數(shù)量較多但不是全部，一些砂堆呈現(xiàn)為不規(guī)則的圓臺和棱臺形狀；②某些年份的遙感影像缺乏或不連續(xù)，導(dǎo)致砂場采運(yùn)砂周期數(shù)失準(zhǔn)；③受區(qū)域遙感影像的分辨率限制，局部區(qū)段砂堆直徑的測量值與實(shí)際尺寸略有不同。

水泥產(chǎn)量估算結(jié)果的主要誤差來源：①假定該地區(qū)水泥使用量占該省的比例與該區(qū)域GDP占全省的比例相同，可能與實(shí)際情況并不一致；②生產(chǎn)的水泥不外運(yùn)且當(dāng)年基本消耗完；③開采的砂和砂卵石，砂卵石可用于修路，也可少量用于混凝土，一般不返回河道，導(dǎo)致上述估算的采砂量偏保守。

采砂船估算結(jié)果的主要誤差來源：①某些年份的遙感影像缺乏且小部分區(qū)域的遙感影像精度有限；②不同地區(qū)遙感影像的不連續(xù)導(dǎo)致采砂船的重復(fù)統(tǒng)計(jì)；③采砂船只估算法的參數(shù)選取范圍較大。

5 結(jié) 論

(1)2015年葛洲壩—城陵磯河段的年采砂總量約(2.6～3.0)×107t，且近5 a的年采砂量變化幅度不大。這主要?dú)w功于長江采砂的強(qiáng)制性管理得到實(shí)施。隨著《長江中下游干流河道采砂規(guī)劃(2016—2020年)》的實(shí)施，據(jù)此估計(jì)未來5 a內(nèi)的采砂總量仍穩(wěn)定在(2.0～3.0)×107t。

(2)2015年洞庭湖水系年采砂量約1.3億t，且近3 a的年采砂量變化也不大，很大一部分原因是《湖南省湘資沅澧干流及洞庭湖河道采砂規(guī)劃(2012―2016年)》的頒布與實(shí)施以及中央環(huán)保督查、地方政府和管理部門的監(jiān)督與管理加強(qiáng)。隨著2017年《湖南省河道采砂管理辦法》的頒布與實(shí)施，在未來幾年內(nèi)，洞庭湖水系年采砂量將最多維持在(1.2～2.0)億 t。

本文采用體積公式法、水泥產(chǎn)量估算法、采砂船只估算法3種方法計(jì)算葛洲壩—城陵磯河段以及洞庭湖水系的年采砂量，可從不同的側(cè)面得出上述地區(qū)實(shí)際采砂量的范圍，對該地區(qū)河床演變、沖淤特性分析及航道整治提供重要參考。但是，每種方法都存在一定的計(jì)算誤差，為了進(jìn)一步提高計(jì)算結(jié)果的精度，減少與實(shí)際采砂量的誤差，需要搜集和實(shí)測采砂量的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正與校核。河道采砂是影響新形勢下荊江與洞庭湖相互作用的一個重要因素，由河道采砂引起的一系列問題還需要深入研究。