黃河大北干流河段采砂量分析

門昭宇，侯志軍，侯佼建，薛 海

（1華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045；2黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河泥沙重點實驗室，河南鄭州450003）

河道砂石是河床的重要組成部分，也是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要物質(zhì)資源，在堤防修筑、工程建筑、填塘固基、吹填造地、燒制灰磚等方面應(yīng)用廣泛。黃河河道采砂始于20世紀(jì)70年代，初期采砂量較小，隨著黃河流域社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對砂石等建筑材料的需求量逐漸加大，采砂規(guī)模和范圍也迅速擴(kuò)大，部分河段甚至出現(xiàn)非法盜采現(xiàn)象。這種無序的采砂活動對河床變形、河道工程及涉河建筑安全、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)等諸多方面造成了不利影響［1-2］。

文獻(xiàn)［3-4］就采砂對河勢及航道影響進(jìn)行了分析，指出開采量及部位是影響河勢的重要因素，且存在滯后性，少量采砂對河勢影響不大，但不受限的采砂是可以影響河勢穩(wěn)定的。文獻(xiàn)［5］就采砂對河床變形影響進(jìn)行了試驗研究，認(rèn)為持續(xù)進(jìn)行河道采砂對局部河床變形有較大影響。文獻(xiàn)［6］認(rèn)為，采砂直接影響河段的沖淤變化，對河道通航和引水工程等都有很大的影響。文獻(xiàn)［7］認(rèn)為，過度采砂對河道工程以及周邊的涉水建筑物的穩(wěn)定性造成了一定的影響。文獻(xiàn)［2，8-10］分析了采砂對生態(tài)環(huán)境的影響，指出采砂會破壞水生物的棲息環(huán)境，影響水生物的繁衍、生存及洄游魚類的遷徙，同時對河流水質(zhì)造成一定的污染。

河道采砂對河道的影響是多方面的，而采砂量與影響程度成正相關(guān)關(guān)系，正確獲取現(xiàn)狀河道采砂量，進(jìn)而合理規(guī)劃且有序地采砂是河道長期治理的關(guān)鍵所在［11-12］。

黃河北干流河段地處黃河中游，其中河口鎮(zhèn)至禹門口河段為大北干流河段，河段長約725 km，河寬一般為300～800 m。該河段砂石資源豐富，品質(zhì)優(yōu)良。隨著兩岸社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，河道采砂活動越來越多，對河道形成的不利影響越來越明顯［13］。因此，弄清黃河大北干流河道采砂量，對河道沖淤計算、河床演變特性分析等是十分必要的。但是，目前還沒有切實有效的手段對黃河的采砂量進(jìn)行準(zhǔn)確計算，筆者利用實地調(diào)查、地區(qū)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)估算兩種方法對黃河大北干流的采砂量進(jìn)行系統(tǒng)計算，以期為大北干流河道年均采砂量的確定提供初步依據(jù)。

1 采砂量調(diào)查分析

1.1 實地調(diào)查

2017年11月及2018年3月項目組對大北干流河道采砂情況進(jìn)行了2次實地調(diào)查，調(diào)查對象為干流河道兩岸所有采砂場。實地調(diào)查范圍為陜西省府谷縣墻頭鄉(xiāng)（蒙陜交界處）、山西省忻州市河曲縣—陜西省榆林市清澗縣石盤鄉(xiāng)，黃河壺口鎮(zhèn)公路橋—黃河禹門口。調(diào)查路線以河道兩岸的沿黃公路為主。清澗縣石盤鄉(xiāng)至宜川縣壺口鎮(zhèn)河段的沿黃公路不靠河，則利用奧維高清衛(wèi)星地圖來確定采砂場位置、采砂船的類型和數(shù)量，并統(tǒng)計計算相應(yīng)采砂量。

實地調(diào)查顯示，目前大北干流河段的采砂方式為抽砂船采砂及挖砂，挖砂很少（河曲縣大印砂場），暫不作統(tǒng)計。抽砂船采砂分為沖吸式及鏈斗式，沖吸式采砂船采用高壓水流把河床的泥砂沖起來后，用抽砂泵把含有砂子的渾水抽到岸邊的貯砂場，砂子沉淀下來后清水流回河道。鏈斗式挖砂船由水下四（或五、六）角葉輪將砂石疏松，然后由挖砂斗將疏松后的砂石挖出，經(jīng)拱形大臂將挖砂鏈斗提升至頂端后翻轉(zhuǎn)，把砂石倒入圓筒篩，圓筒篩側(cè)面加裝沖洗水管提高篩洗效果，然后由圓筒篩將砂子和石子分離后，由皮帶輸送機(jī)分別輸送至岸邊采砂場，對于只需要砂子的砂場，則把不需要的卵石排入河中。

野外實地采砂量調(diào)查是對河段沿途不同類的采砂船、采砂場數(shù)量及分布進(jìn)行統(tǒng)計，并結(jié)合奧維高清衛(wèi)星地圖對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行核對、補(bǔ)充，根據(jù)不同類型采砂船的年采砂量匯總得出全河段年采砂總量。實地調(diào)查可知，沖吸式抽砂船年均采砂量約為2.0萬m3，鏈斗式挖砂船年均挖砂量約為4.0萬m3。經(jīng)2次現(xiàn)場統(tǒng)計計算，大北干流陜西段的采砂船總數(shù)為374臺，其中沖吸式341臺、鏈斗式33臺；山西段的采砂船總數(shù)為443臺，其中沖及式402臺、鏈斗式41臺。大北干流河段陜西省、山西省境內(nèi)采砂量統(tǒng)計分別見表1、表2。

由表1可以看出，大北干流河段陜西省境內(nèi)年均采砂量為814萬m3，按砂的干容重1.7 t/m3計算，約合1 384萬t。由表2可以看出，大北干流河段山西省境內(nèi)年均采砂量為968萬m3，約合1 646萬t。兩省合計3 030萬t，即大北干流河段年均采砂量約為0.3億t?？紤]到部分采砂場比較隱蔽或禁止調(diào)查人員進(jìn)入，現(xiàn)場調(diào)查采砂量結(jié)果可能偏小。

表1 大北干流河段陜西省境內(nèi)采砂量統(tǒng)計

表2 大北干流河段山西省境內(nèi)采砂量統(tǒng)計

1.2 地區(qū)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)估算

河道采砂一般用于沿岸地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，所采砂石主要作為建筑業(yè)混凝土材料，其采砂量與當(dāng)?shù)亟ㄖI(yè)發(fā)展?fàn)顩r一般高度吻合［14］。 徐建華等［14］曾用水泥產(chǎn)量估算了黃河上中游河道采砂量，因此采用地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)估算用砂量，是河道采砂量統(tǒng)計另一個重要途徑。

現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示，大北干流河道所采砂石基本運往沿岸地區(qū)的建筑工地，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，河道砂石運距一般在100 km以內(nèi)，因此統(tǒng)計100 km范圍內(nèi)地區(qū)用沙量可視為河道采砂量。

建筑行業(yè)混凝土是砂石和水泥按規(guī)范配比而成的，而水泥用量與當(dāng)?shù)厮喈a(chǎn)量是一致的［14］，根據(jù)當(dāng)?shù)厮嘤昧亢退嗌笆浔染涂梢酝扑愠霎?dāng)?shù)厣笆昧俊?/p>

國家統(tǒng)計局官網(wǎng)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示［15-16］，不同年份各省第二產(chǎn)業(yè)GDP及水泥產(chǎn)量數(shù)據(jù)齊全，而省內(nèi)各地市只有第二產(chǎn)業(yè)GDP數(shù)據(jù)，缺乏水泥產(chǎn)量數(shù)據(jù)，因此應(yīng)建立全省水泥產(chǎn)量與第二產(chǎn)業(yè)GDP的關(guān)系，并認(rèn)為該關(guān)系符合省內(nèi)各地市情況，由此推算出各地市的水泥產(chǎn)量。表3為2007—2016年陜西省、山西省GDP與水泥產(chǎn)量統(tǒng)計，圖1、圖2分別為陜西省、山西省第二產(chǎn)業(yè)GDP及水泥產(chǎn)量變化過程。由表3及圖1、圖2可以看出，陜西省水泥產(chǎn)量及第二產(chǎn)業(yè)GDP基本為逐年增加趨勢，山西省呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，即2013年以前為增加趨勢，之后有所減少。另外還可看出，兩省水泥產(chǎn)量與第二產(chǎn)業(yè)GDP同步性較好，尤其是陜西省二者的同步性非常好。建立兩省水泥產(chǎn)量與第二產(chǎn)業(yè)GDP的關(guān)系（見圖3、圖4），可以看出，二因子間均為線性正相關(guān)關(guān)系，即兩省水泥產(chǎn)量與相應(yīng)第二產(chǎn)業(yè)GDP存在很好的線性正比關(guān)系。假定全省水泥產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)建立的關(guān)系適用于省內(nèi)沿黃各地市，通過不同地區(qū)的第二產(chǎn)業(yè)GDP可求算出該地區(qū)的水泥用量。根據(jù)國家統(tǒng)計局官網(wǎng)查得的省內(nèi)不同地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)GDP，求出不同地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)GDP占全省第二產(chǎn)業(yè)GDP權(quán)重，并認(rèn)為該權(quán)重為不同地區(qū)水泥產(chǎn)量占全省水泥產(chǎn)量的權(quán)重，由此求出不同地區(qū)的水泥產(chǎn)量。大北干流河段沿河地區(qū)2016年水泥產(chǎn)量計算結(jié)果見表4，可以看出，2016年榆林市水泥產(chǎn)量最大，年產(chǎn)量為1 521.3萬t，其他沿河地市水泥年產(chǎn)量在242萬～625萬t之間。

圖1 陜西省第二產(chǎn)業(yè)GDP與水泥產(chǎn)量變化過程

圖2 山西省第二產(chǎn)業(yè)GDP與水泥產(chǎn)量變化過程

表3 2007—2016年陜西、山西省GDP與水泥產(chǎn)量統(tǒng)計

圖3 陜西省水泥產(chǎn)量與第二產(chǎn)業(yè)GDP的關(guān)系

圖4 山西省水泥產(chǎn)量與第二產(chǎn)業(yè)GDP的關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)［14］的研究成果，水泥與砂子的質(zhì)量配比一般為1∶1.19～1∶1.82，取均值1∶1.5，由此求出大北干流沿黃各地市砂的用量。計算大北干流河道沿黃100 km范圍內(nèi)各地市（地區(qū)）面積，并計算其所占對應(yīng)地區(qū)面積比值，由某地區(qū)面積比值乘以該地區(qū)砂的用量，進(jìn)而得出沿黃不同地區(qū)100 km運距范圍內(nèi)的用砂量，即河道采砂量。

2016年沿黃運距100 km范圍內(nèi)各地區(qū)用砂量計算結(jié)果見表5，不同年份采砂量計算結(jié)果見表6。

由表6可以看出，沿河地區(qū)采砂量自2007—2013年呈現(xiàn)增長趨勢，2013年以后有所減少，但減幅不大。2013年沿河地區(qū)采砂量最大，其值為 4 665萬 t；2015—2016年各地區(qū)采砂總量穩(wěn)定在3 500萬 t左右。2007—2016年年均采砂量為3 282萬 t，即0.33億t，2016年采砂量為3 469萬t，與實地調(diào)查采砂量3 030萬t差別不大，說明利用地區(qū)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)估算方法求算河道采砂量，結(jié)果是基本可信的。

表4 2016年大北干流沿黃地區(qū)水泥產(chǎn)量

表5 2016年沿河各地區(qū)采砂量計算

表6 不同年份沿河各地區(qū)采砂量萬t

2 討 論

黃河大北干流河段為山區(qū)峽谷型河道，根據(jù)以往相關(guān)研究成果［17］，1964—1969年吳堡至龍門區(qū)間河道淤積 0.264億 t，1970—1979年沖刷 0.058億 t，1980—1988年淤積 0.048億 t，1964—1988年平均年淤積量為0.057億t，河段長時段處于沖淤基本平衡狀態(tài)。

文獻(xiàn)［17］對1964—1988年共193場暴雨洪水進(jìn)行了統(tǒng)計，河段場次洪水平均淤積量為0.009億t，即場次洪水河段沖淤也基本為平衡狀態(tài)。

表7為北干流河段吳堡—龍門區(qū)間不同場次洪水輸沙量統(tǒng)計，可以看出，2002年以前該河段發(fā)生中小洪水時，河道基本為沖淤平衡情況。2012年及2017年發(fā)生該類型洪水時，河道表現(xiàn)為淤積，其淤積量分別為0.23億、0.47億t，河道沖淤特性發(fā)生了變化。

根據(jù)前述該河段的采砂量統(tǒng)計結(jié)果，2007年以后大北干流河段采砂量逐年增大，河曲—龍門區(qū)間年均采砂量約為0.3億t，其中吳堡—龍門區(qū)間年均采砂量約為0.2億t，與2012年淤積量0.23億t基本相等，但小于2017年場次洪水淤積量0.47億t，說明河道采砂對河道沖淤存在一定的影響。

表7 吳堡—龍門區(qū)間場次洪水輸沙量

3 結(jié) 語

根據(jù)野外現(xiàn)場實際調(diào)查、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)估算等方法對黃河大北干流河道的采砂量進(jìn)行了統(tǒng)計及估算。實地調(diào)查結(jié)果顯示，黃河大北干流河段近年采砂量約為0.30億t，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)估算河道采砂量約為0.35億t，二者差別不大。對于多年河道沖淤基本平衡的黃河大北流河段而言，河道大量采砂增加了河道填洼量，對河段沖淤產(chǎn)生了一定影響。河道采砂對河道的影響是多方面的，采砂量及采砂部位為影響河道的重要指標(biāo)，規(guī)范河道采砂，需要相關(guān)部門對采砂活動進(jìn)行合理的規(guī)劃與管理。大北干流河段采砂對河道水沙運行規(guī)律、防洪安全及生態(tài)環(huán)境等方面的影響還需要進(jìn)一步研究。