工程采砂對耦池河的影響分析

劉飛　馮偉　龍振華　何姣云

摘要：為了研究小范圍的局部采砂對河道的影響，收集整理了河道河勢、地質(zhì)、涉水建筑物、水環(huán)境和水生態(tài)等基本情況，采用數(shù)值模擬的方法分析了采砂前后河道內(nèi)水位和流速的變化情況，結(jié)果表明：采砂后河道過水斷面面積擴大，將有利于河道防洪安全;采砂對水位和流速的影響基本集中在采砂區(qū)域附近，對河勢基本無影響;通過選擇合理的采砂設備和禁采期，可有效地減輕采砂對河道水環(huán)境和水生態(tài)的影響。

關鍵詞：采砂;水位;流速;河勢;防洪;水生態(tài)

中圖分類號：TV143 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（ 2020） 2-0164-03

1 引言

砂石是建筑工程必要的建筑材料，伴隨我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量的基礎設施建設開工修建，對砂石消耗巨大。長江中下游河砂作為優(yōu)質(zhì)的砂石原材料被大量開采，無節(jié)制的開采一度對長江生態(tài)造成嚴重影響，并得到了廣泛關注。馬中和[1]就長江中下游大規(guī)模無序開采江砂的危害進行了研究，并提出了相關對策。毛野[2]等在研究了長江中下游河道采砂現(xiàn)狀后，重點探討了河道無序采砂對河床穩(wěn)定和航運交通所造成的危害;肖平安[3]分析了不合理采砂癥結(jié)，并提出了遏制非法采砂的幾點建議。王金生[4]從體制機制的建設方面，初步分析了長江河道采砂管理長效機制，以期對促進全國河道采砂管理工作提供幫助。王繼勇[5]等在分析了多個長江河道砂石開采案例后，提出了科學構(gòu)件長江河道砂石交易方式等3大策略，并探索了疏浚泥沙和三峽工程庫區(qū)砂石資源利用可行性。王治[6]從采砂管理機制方面提出，以“一政事務一家負責”、增加刑法保護等制度創(chuàng)新的方式加快破解河道管理難題。數(shù)值模擬是研究采砂對河道影響的重要手段，曾慧俊[7]等綜合評述了經(jīng)驗分析法、水流數(shù)值模擬等國內(nèi)外河道采砂影響分析的數(shù)值模擬方法，并就下階段該領域的數(shù)值模擬提出了預測。王國棟[8]等、隋保生[9]采用數(shù)值模擬的方法分析了采砂對涉水建筑物、河道生態(tài)的影響，對采砂方案或河道生態(tài)修復提出了建議。王金生[10]從采砂船采砂能力方面，分析了采砂設備對采砂管理的影響。李志威[11]等分析了荊江河段和洞庭湖水系多年的采砂量，為該區(qū)域采砂管理提供了有效參考。

科學合理的采砂對維系河道生態(tài)穩(wěn)定有重要意義，本文以藕池河采砂為例，分析了藕池河局部區(qū)域內(nèi)開采河砂后，對河道的影響，論證了本次河道采砂方案確定的合理性。

2 采區(qū)基本情況

2.1 河道基本情況

藕池河水總長296 km，系1852年長江潰口后未加修復，至1860年大水，潰口逐漸沖成大河，成為長江水流分泄人洞庭湖的水道，分東、中、西三支。藕池東支為主流，自藕池口經(jīng)管家鋪人東洞庭湖，全長91 km;東支在黃金咀處又分一支南下，稱藕池中支;在梅田湖處又分一支，長26 km。中支在陳家?guī)X處又分為東西二支，西支稱陳家?guī)X小河，東支稱啞吧渡小河，東西二支又匯合南下，與藕池西支相匯后入南洞庭湖。藕池西支，全長86 km（圖1）。

2.2采區(qū)地質(zhì)情況

采區(qū)下部巖土大體可分為兩層，自地面向下第一層為粉砂夾細砂，主要成分以長石、石英為主。層厚較均勻，最薄處為2. 40 m，最厚處為4.10 m，平均厚度為3. 20 m;第二層為細砂，主要成分以長石、石英為主。最大揭示厚度為7. 90 m，層底最淺埋深為10. 00 m、最深埋深為12. 00 m，層頂最高高程為26. 07 m、最低高程為25. 65 m。

2.3 水環(huán)境和水生態(tài)情況

藕池河入口至洪波渡段為水環(huán)境保留區(qū)，水質(zhì)管理目標為Ⅲ類。河道內(nèi)分布有魚類20科82種，其中鯉科魚類45種，鱗科7種、鰍科5種，其他各科魚類均只2種或1種。據(jù)調(diào)查，藕池口距石首10 km的“四大家魚”產(chǎn)卵場產(chǎn)卵規(guī)模占整個長江干流產(chǎn)卵規(guī)模的1. 10%。

2.4 現(xiàn)有水利工程及其他設施情況

擬定采區(qū)附近藕池河上游4.70 km左岸處有北尖閘，北尖閘為一民用灌溉閘，上游1O km右岸處有南口鎮(zhèn)渡口，距采區(qū)距離均在1.00 km以上。采區(qū)上下游3.00 km內(nèi)無取水口及水廠等各類水利設施，距離采區(qū)最近的為下游5. 30 km的管家鋪取水口。

3 采砂方案

3.1 規(guī)劃采砂區(qū)布置

此次采砂區(qū)域位于藕池河楊林寺村河段，采區(qū)下邊界距該保留區(qū)下邊界管家鋪水文站5.3 km，采區(qū)上邊界距該保留區(qū)上邊界藕池河口9.5 km。采區(qū)右岸為楊林寺村，沿河為荊南長江干堤，采區(qū)左岸為官剅口村，沿河為Ⅲ級堤防荊南支堤藕池河左興學垸堤。本次規(guī)劃采區(qū)長1000 m，寬100 m，采區(qū)平均高程為28.5 m，控制開采高程為27.3 m，控制開采平均深度約1.2 m，控制開采量為18萬t。

3.2 采砂船采砂功率及數(shù)量

擬布置1艘功率為220 kW采砂船進行采砂，通過直徑320 mm管道輸送，管道過堤路面處架設鋼結(jié)構(gòu)支撐跨越，便于來往車輛通行，輸砂管道全長約2.O km，將河砂輸送到臨時堆場后通過15 t自卸汽車轉(zhuǎn)運5 km至施工區(qū)域。

3.3 禁采期

根據(jù)《湖北省河道采砂管理辦法》的規(guī)定，《湖北省荊南四河采砂規(guī)劃（2015～2019年）》從長江防洪的實際特點出發(fā)，將長江中下游干流河段的禁采期確定為每年6～9月及河道水位超警戒水（潮）位期，對處于“四大家魚”產(chǎn)卵場附近的可采區(qū)，其禁采期延長至每年4～9月及超警戒水（潮）位期。采區(qū)附近無“四大家魚”產(chǎn)卵場，也不是珍稀保護動物活動及洄游區(qū)域，因此禁采期為每年的6～9月。

4 采砂對河道的影響分析

4.1 水位影響分析

根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果表明，采砂后采區(qū)內(nèi)河床高程降低引起局部流態(tài)調(diào)整，總體表現(xiàn)為采砂區(qū)上游段水位降低，而采區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為略有壅高;同時，水位大于0.5 cm的范圍限于采砂區(qū)上游1000 m和下游800 m的有限區(qū)域內(nèi)，隨著流量的降低，采砂對水位的影響幅度呈逐步減小趨勢?？傮w而言，采砂對其所在河段水位影響較小，隨著采砂后河床沖淤調(diào)整，其對水位的影響幅度和影響范圍將趨于減小。

4.2 流速影響分析

根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果表明，除采砂區(qū)及臨近區(qū)域流速、流向稍有變化外，砂源區(qū)附近河段流場變化較小，表明實施采砂對局部河段流速場影響較小。相對于采砂前，采砂區(qū)及其左右兩側(cè)區(qū)域流速減小，減小幅度超過0. 04 m/s的范圍沿河道走向基本不超出采砂區(qū)上下游兩端，垂直河道走向在采砂區(qū)左、右兩側(cè)流速總體表現(xiàn)為減小。采砂區(qū)上游及下游流速變幅相對較小，同時采砂區(qū)域流向變幅一般在±1。以內(nèi)，表明采砂對砂源區(qū)附近區(qū)域流速影響較小。

4.3 對河勢的影響

根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果表明，采砂后主流線未發(fā)生明顯偏移，僅在采區(qū)附近局部范圍內(nèi)有所平移;采區(qū)上、下游流速增大有限，最大增加約1.8 cm/s，采區(qū)內(nèi)流速最大減小值為4.7 cm/s，采砂內(nèi)流速的減小有利于采砂區(qū)域內(nèi)的泥沙回淤;采砂后右岸主河槽流速變化較小，一般減小在0.5 cm/s以內(nèi)。采砂后采砂河段河床總體沖淤變化不明顯，不同水文年條件下，工程河段沖淤變化幅度在2%以內(nèi)，工程局部區(qū)域略有調(diào)整，但對總體河勢影響較小?？傮w上看，采砂河段內(nèi)流速影響范圍有限，對采砂河段總體河勢不會產(chǎn)生明顯不利影響。

4.4 對防洪安全的影響

采砂后河道過水斷面面積擴大，將有利于河道防洪安全，而且采區(qū)遠離河道兩岸，布置在平行主流方向，采區(qū)面積不大，開采深度較淺，對本河段流速、流向變化造成的影響較小。開采至控制高程后，采砂前后河床形態(tài)變化較小，開采前后斷面水位增加或降低值，流速以及流向的變化值均較小，不足以對防洪安全造成影響。因此，采砂后對河道防洪安全影響較小。

4.5 對涉水工程及設施的影響分析

根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果表明，采砂后已有護岸工程附近流速總體表現(xiàn)為減小，不會影響現(xiàn)有護岸工程的穩(wěn)定。本次規(guī)劃采區(qū)右岸為荊南長江干堤，堤腳與采砂區(qū)域邊緣最小距離為130m，采區(qū)左岸為荊南支堤藕池河左興學垸堤，堤腳與采區(qū)右緣最小距離為265 m。采砂河段上下游1000 m以內(nèi)均無電纜、橋梁、水文站和取水口等涉水工程，與涉水工程保持足夠的安全距離，同時采砂船舶在運行過程中無需經(jīng)過橋梁等跨、攔河設施，此次采砂工程對各種涉水工程正常運用影響較小。

4.6 對水環(huán)境和水生態(tài)的影響

采砂對水環(huán)境的影響類型主要有施工行為引起局部河段的水體懸浮物濃度增加對局部水質(zhì)的影響。施工期挖沙及棄沙等施工行為將導致水體SS濃度增加，由于采砂作業(yè)采用泵吸方式通過輸砂管道輸送至臨時堆場，因此采砂過程中造成的懸浮物濃度增加和底泥重金屬釋放均較小，采砂造成懸浮物濃度增大可短距離恢復，且采區(qū)上下游1 km沿岸范圍內(nèi)無城鎮(zhèn)居民和取水口，對近岸水質(zhì)和取水源污染較小，不會影響采區(qū)河段的水功能，同時通過對采砂船只的管理，禁止采砂船只生活污水在采砂江段任意排放，對采砂作業(yè)可能出現(xiàn)的油污染問題，采取加強對作業(yè)船只的管理和配備油水分離器措施，防止出現(xiàn)船舶漏油事故對該河段水質(zhì)造成污染。采砂遠離自然保護區(qū)，擬定采區(qū)范圍內(nèi)無保護魚類，且不在“四大家魚”產(chǎn)卵場范圍內(nèi)，無其他保護野生動植物，對水生生物數(shù)量、種群、“三場”、生境、生活習性、遷徙途徑影響不大，對主要水生生態(tài)的影響較小。

5 結(jié)論

（1）定性看，采砂后河道過水斷面面積擴大，將有利于河道防洪安全。根據(jù)數(shù)學模型計算結(jié)果，在各洪水水情條件下，采砂實施后砂源區(qū)附近局部區(qū)域的洪水水位變化較小，且影響主要集中在砂源區(qū)附近，對河道防洪無明顯不利影響。

（2）本河段采區(qū)左、右岸地質(zhì)條件良好，從采砂前后流速及水位的變化來看，采砂后采砂區(qū)上下游河段總體流態(tài)未發(fā)生大的變化，僅砂源區(qū)附近的流速和流向有小幅變化，采砂區(qū)域流向變幅也較小，不會改變本河段河勢穩(wěn)定的外部條件，同時采砂后在河床自動調(diào)整作用下;采區(qū)會有一定程度的泥沙回淤對采砂區(qū)附近河床沖淤影響將進一步減小，因此采砂對附近的河勢穩(wěn)定影響較小。

（3）采砂作業(yè)實施后，對防洪及河道兩岸堤防、護岸無影響;采砂區(qū)位于藕池河楊林寺村河段的沙灘上，在防洪設計洪水位條件下采砂前后流速變化很小，采砂后對河道兩岸防洪大堤的影響較小。

（4）本次規(guī)劃采區(qū)上下游1 km以內(nèi)無取水口，采砂對近岸水質(zhì)和取水水源污染較小。采砂區(qū)域不在“四大家魚”產(chǎn)卵場江段，且采區(qū)作業(yè)躉船功率小、數(shù)量少，作業(yè)面相對較小。在施工期只要加強管理，水上施工不會對周圍環(huán)境造成不良影響。

參考文獻：

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作者簡介：劉 飛（1986-），男，碩士，主要從事流體力學數(shù)值模擬研究。