海砂開采對海洋環(huán)境的影響及對策

摘 要：為研究海洋環(huán)境在海砂開采作業(yè)過程中所受的影響，從汕尾海砂開采施工實際出發(fā)，選取生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)環(huán)境兩大要素對其進(jìn)行理論與試驗研究。對海水鹽度、營養(yǎng)類物質(zhì)、輸砂量、流場等方面進(jìn)行分析對比，運(yùn)用折射“V”形槽法判斷海水鹽度的變化趨勢。結(jié)合F統(tǒng)計和P置信區(qū)間統(tǒng)計方法建立海域營養(yǎng)鹽類分析數(shù)據(jù)。利用三維Fluence有限元分析工具給出影響流場要素的流速，并給出對應(yīng)措施。研究表明：鹽度與開采的海洋折射率存在正向相關(guān)關(guān)系，營養(yǎng)鹽類與流速密切相關(guān)，在春夏季進(jìn)行開采作業(yè)對保持海洋地質(zhì)環(huán)境的平衡最有利。

關(guān)鍵詞：海砂開采；海洋生態(tài)環(huán)境；海洋地質(zhì)環(huán)境

中圖分類號：TD 807 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

海砂是重要的資源，我國領(lǐng)海廣闊，近岸海砂聚集分布較廣，各類成分海砂混雜，目前隨著“碳中和”、“碳達(dá)峰”等雙碳理念的提出，我國已經(jīng)走上了環(huán)保高效的資源使用之路。因此，在海砂開采工程的過程中，合理利用海砂資源，保護(hù)海洋環(huán)境非常重要。海砂伴隨海水包覆著大量有害離子，可能使海洋中海砂的材性發(fā)生結(jié)構(gòu)性改變，從而表征的性態(tài)直接或間接影響海洋環(huán)境。

1 海砂開采的海洋環(huán)境現(xiàn)狀與問題

海砂開采是一項需要長期跟進(jìn)的工程，其可以取代河砂，并作為混凝土的原材料進(jìn)行拌制。海砂組分與河砂基本相同[1]。日本在1938年開始使用海砂作為混凝土的原材料并進(jìn)行混凝土制品拌制[2]。但是，從海水中抽離的海砂經(jīng)過漫長的海洋作用，其宏觀力學(xué)特性已經(jīng)發(fā)生改變，對海洋環(huán)境會造成一定程度的影響。加上海砂的需求量劇增，價格逐年攀高，業(yè)內(nèi)部分工程單位為降低成本或方便施工，擅自在近岸海域采挖海砂，并將其用于工程建設(shè)，直接破壞了海洋生態(tài)環(huán)境。因此海洋環(huán)境存在較大的隱患，本文將汕尾09區(qū)和03區(qū)塊海砂開采部分典型作業(yè)區(qū)域作為研究對象，對海洋環(huán)境的影響因素和解決對策進(jìn)行研究。

2 海洋生態(tài)環(huán)境分析

開采海砂可能會破壞海底的生態(tài)環(huán)境，同時影響海水的鹽度、pH、O2含量、營養(yǎng)鹽等，日本曾經(jīng)報道過開采海砂導(dǎo)致海底世界如同荒漠，由此引起日本反對開采海砂[3]。

海砂開采因泵吸的機(jī)械運(yùn)動會產(chǎn)生懸浮物質(zhì)，懸浮物與海洋中底棲生物相互接觸會對這些底棲生物造成較大影響。主要表征為海域內(nèi)海水鹽度發(fā)生微量變化，引起浮游生物數(shù)量改變，使海洋生態(tài)中的營養(yǎng)鹽類發(fā)生改變。

2.1 對海水鹽度的影響

海砂開采會直接引起海水鹽度的變化，為分析其影響程度，采用“V”形槽方法對汕尾地區(qū)海砂開采的不同海域進(jìn)行測量，選取樣本考察海水的電導(dǎo)率、壓力以及溫度。通過計算得到海水的鹽度，從而分析得知海砂開采的深度不同而引起的鹽度變化差異。通過采用折射“V”形槽法判斷海水鹽度，其折射示意圖如圖1所示。

在“V”形槽試驗中，PSD作為一個樣本收集點，用來搜集最終的海水樣本參數(shù)。“V”形槽的操作方式：首先接入準(zhǔn)直光纖，透過633nm激光器引入光源，其次將不同區(qū)域海水樣體打入PSD上，最后通過信號波傳輸至電腦顯示器，將數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行分析。測量方法采用國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計量中心標(biāo)準(zhǔn)（準(zhǔn)確度為0.003PSU）以及超純水，在25℃下對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定[4-5]。得出表1所示的3種開采海域下的海洋鹽度測量值。其中鹽度的標(biāo)量方法為PSU（Practical Salinity Units），表示海水中實際鹽度標(biāo)準(zhǔn)。

通過表1所整理的汕尾海砂開采作業(yè)行為和09區(qū)塊和03區(qū)塊的3個代表性開采區(qū)域發(fā)現(xiàn)，當(dāng)折射率為1.331756時，其海洋鹽度值在31PSU；當(dāng)開采區(qū)域所反映的折射率升至1.336394時，信號采集的數(shù)據(jù)顯示鹽度標(biāo)準(zhǔn)值為39PSU。可以得出，海域開采的不同位置所反映的海水折射率與鹽度有某種直接關(guān)系。然而，工藝流程設(shè)計和用水量缺乏科學(xué)的依據(jù)，大多靠經(jīng)驗獲取。

為進(jìn)一步解釋海砂開采所引起的海水鹽度變化情況，引入激光器打入的光源波長，通過折射率與波長的關(guān)系對鹽度進(jìn)行定量描述。本文的引入方法為考慮波長隨鹽度變化的系數(shù)，如公式（1）所示。

?λ/?t=75pmK-1 " "（1）

式中：?λ為波長增量；K為系數(shù)，表示波長的倒數(shù)，波傳播的方向上單位長度內(nèi)的波周數(shù)目；pm為皮米，指波長的漂移長度。該系數(shù)表示鹽度每改變0.01PSU，波長變化為75pm，由于波長導(dǎo)致折射率產(chǎn)生的RIU為2.16×10-6，因此鹽度的變化與波長變化反映為波長與折射率之間的關(guān)系，總結(jié)了單調(diào)遞減的一次函數(shù)關(guān)系（如圖 2 所示）。

根據(jù)圖2關(guān)系曲線可以清晰看到：折射率與波長呈反比例關(guān)系。從而導(dǎo)出折射率與海洋鹽度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系變化趨勢，物理意義為在不同區(qū)域的海砂開采過程中，由于海砂與海水之間存在傾角差異，因此會呈現(xiàn)鹽度單調(diào)遞減變化趨勢。在實際開采中，應(yīng)盡可能降低海砂開采的折射率，應(yīng)考慮在平坦寬敞的海床上進(jìn)行開采，減少開采海砂對海洋環(huán)境造成的影響。

2.2 對營養(yǎng)鹽的影響

有研究表明生物膜藻類會對海水種營養(yǎng)鹽有影響，而在汕尾海砂開采區(qū)域，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)開采海域的藻類指標(biāo)出現(xiàn)上升趨勢，考慮開采海砂會對海水中營養(yǎng)鹽類物質(zhì)造成間接影響。

根據(jù)兩種海砂開采強(qiáng)度條件下的F值和P值兩個統(tǒng)計指標(biāo)來表述海域內(nèi)營養(yǎng)鹽類的生物膜狀態(tài)。并分別指出原位生物膜、建群生物膜這兩大類的參數(shù)值情況，最終確認(rèn)營養(yǎng)鹽類的富集情況。統(tǒng)計結(jié)論見表2。

通過表2可知，氮、磷以及氮磷比3個元素對原位生物膜和建群生物膜的影響效應(yīng)規(guī)律一致。F值為F檢驗后的統(tǒng)計量值，通常認(rèn)為在置信區(qū)間0.005以上是生物膜較多的水平反應(yīng)，而在流速作為單一因子狀態(tài)下，可以看出海砂開采強(qiáng)度的增加直接導(dǎo)致了整體置信區(qū)間的降低，也就是說當(dāng)整個開采從50.7萬m3升至63.2萬m3時，方差呈現(xiàn)較大幅度升高，其整體數(shù)據(jù)的離散較大，對生物膜藻類的增加具有顯著的效應(yīng)（0.003lt;Plt;0.005）。在靜水環(huán)境，不同海砂開采強(qiáng)度下，氮、磷和氮磷比也都趨于同樣的數(shù)量表征狀態(tài)。

3 海洋地質(zhì)環(huán)境分析

3.1 海域輸砂量均衡分析

海域中蘊(yùn)藏的砂量會因人類活動不斷發(fā)生改變，即使在一定控制界限內(nèi)進(jìn)行總量開采，海域中砂量的生成仍然跟不上開采作業(yè)的速度。因此須從開采作業(yè)對海域中砂量輸送均衡的角度分析，以明確開采海砂對其影響的程度。

表3記錄了汕尾海砂地區(qū)9#、3#地塊開采區(qū)域海砂的砂質(zhì)情況，主要采集的樣本有粉土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)粉砂、砂這3類。分別測量了其平均粒徑、懸浮泥砂平均粒徑以及海域深層砂的平均粒徑，并將其作為原始數(shù)據(jù)指標(biāo)。分析表明，海砂開采的不同區(qū)域表征的砂量相當(dāng)，但整體的粒徑有細(xì)小差異。這種差異直接影響海砂的開采效率。因此當(dāng)大量開采海砂時，因為粒徑分布不同，所以海砂不被吸入海砂船內(nèi)，會導(dǎo)致吸砂效率降低。綜上所述，為使海域中輸砂量保持平衡，開采海砂的吸砂工具應(yīng)盡可能與所在海域砂粒徑大小匹配，以此達(dá)到最優(yōu)開采效果。

3.2 對流場的影響

春、夏、秋、冬四季在同一海域進(jìn)行海砂開采作業(yè)，流場數(shù)據(jù)見表4。

汕尾海砂開采代表區(qū)域中4個季節(jié)的冬季流速最大，深度、表層和底層3個海域深度的流速均為最高值。而流速一年中最小值為春季。通過季節(jié)流速表可以得出結(jié)論：海砂開采應(yīng)當(dāng)盡可能選擇在流速相對較小的季節(jié)，流速較大，會導(dǎo)致開采難度增加，同時海域流速過大會影響海砂的吸附性，直接導(dǎo)致兩側(cè)海域的海砂失衡，從而造成污染。為分析開采海砂與不同季節(jié)流速之間的關(guān)系，根據(jù)三維Fluence有限元流場分析圖給出相互影響的關(guān)聯(lián)關(guān)系。選取在固定開采地點海面下10～20m的流場分布情況，做出切片平均三維視圖，如圖3所示。

由圖3可知，春季整體流速最低值有多處明顯沿縱向分布的較小值，約為0.025cm/s。而冬季流速會顯著變大。整體的流場分布態(tài)勢均向高速度發(fā)展。因此應(yīng)當(dāng)控制開采時間，盡可能在一年中的春夏季節(jié)進(jìn)行大量開采作業(yè)，而秋冬季節(jié)適合小規(guī)模開采，不宜大量活動。

4 結(jié)論

本文研究得到以下結(jié)論。1）采用“V”形槽法論證了海砂開采作業(yè)會引起海水鹽度的變化，并且海砂開采所在區(qū)域的海水折射率與鹽度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。2）海砂開采會使生物膜藻類繁衍加劇，海水流速變大，造成海洋中營養(yǎng)鹽類物質(zhì)大量發(fā)育。原位生物膜和建群生物膜在流速試驗條件下更易繁殖，相對能減輕海砂開采強(qiáng)度，有助于均衡海洋營養(yǎng)鹽類物質(zhì)。3）在海砂開采作業(yè)中，須盡量選用與所在海域海砂粒徑的平均值匹配的尺寸進(jìn)行開采，以此保證輸砂量的再生平衡。同時考慮在春夏季節(jié)進(jìn)行開采作業(yè)最有效。

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