荊江河段與洞庭湖水系的采砂量計算分析

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(1.長沙理工大學 水利工程學院，長沙 410114；2.長沙理工大學 水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室， 長沙 410114；3.國務院南水北調工程建設委員會辦公室 政策及技術研究中心，北京 100038)

1 研究背景

近20 a來，隨著我國城鎮化和基礎設施建設快速發展，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持續增長的局面。目前，河道采砂在全國各大江河均普遍存在，在經濟利益的驅動下，部分河段出現非法采砂活動，實際采砂量遠大于行政許可部門規劃的采砂量。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環境問題[1-3]。因此，可持續的河道采砂必須以不影響河勢穩定、防洪安全、通航安全和河流生態為前提[4]。依法有序且科學采砂有利于河床沖淤平衡、航道安全運行以及河流生態健康良好，同時使河流泥沙資源能夠產生一定的經濟價值[5]。河道內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，進而危及防洪安全[6]。因此，有限度的采砂規劃與管理對河道演變、生態環境以及地方經濟的可持續發展都具有重要意義。

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生較重要的影響，而且過度采砂對當地以及周邊的生態環境、涉水建筑物、河岸及堤防穩定性產生不利影響[7]。目前，國內外對于河道采砂的研究已有較多成果[8-12]，如：Bonta[10]應用Modified Universal Soil Loss Equation模型以模擬采沙坑的演變過程；Lanzoni等[11]基于一維水沙數學模型，分析了采砂河段整體達到沖淤穩定的動態平衡條件；毛野等[12]結合長江鎮江段的微尺度模型試驗，研究了順直、彎曲和分汊的典型河道不同部位的大規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識，但是鮮有關于較準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據和計算尚缺乏研究報道，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全國以及本地區年水泥產量作為基礎數據，采用體積公式法、水泥產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行計算并對比驗證，并分析了3種計算方法的誤差，其研究結果為本地區合理控制采砂量和維持荊江和洞庭湖的關系協調提供了一定參考依據。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

以Google Earth的遙感影像、近10 a全國以及本地區的年水泥產量作為本研究的基礎數據。歷年全國的水泥產量數據來源于文獻[13]。歷年湖南、湖北的年水泥產量來源于國家統計局官方網站。

2.2 研究方法

2.2.1 體積計算公式

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行編號，把砂堆概化為一個圓錐體，利用Google Earth軟件的顯示標尺測量其直徑，堆的高度利用砂堆直徑估算，計算公式為H=R/(2tanθ)，砂堆的休止角θ統一取35°，最后按照圓錐體體積公式計算砂堆體積，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。計算得到的總體積換算成質量，取砂的堆積密度為1.35 t/m3。通過計算得到的采砂質量為一個時間周期內的采砂量，計算年采砂量為單周期采砂量與年內周期數的乘積，年內采砂周期通過遙感影像觀測統計得到。

為了較準確得到采砂場年內采砂周期數，本文選取歷史遙感影像較密集的區間段，觀察并估算區間段的砂堆在前后不同拍攝時間內堆放和運走所經歷的最短周期。圖1反映同一典型砂堆不同時刻堆放以及運走的情況。本文選取10個代表性較強的典型砂堆(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 水泥產量估算法

通過湖南和湖北兩省的水泥產量、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，生產的水泥當年基本消耗完，并且各省(區)在各自流域生產和使用的水泥比例與各省區在各自流域的GDP占比基本一致[14]。借用各省(區)在各自流域的GDP占比來確定消耗的水泥比例，以此來計算出枝城至城陵磯河段、洞庭湖水系的水泥消耗量。

國家統計局官方網站提供的數據顯示，2015年全國水泥產量為23.48億 t，其中湖南和湖北水泥產量和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量及各自流域內 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GDP占比”為洞庭湖區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、保留區存在采砂違法行為，其開采量難以取證調查。

通過遙感影像來統計葛洲壩至城陵磯河段、洞庭湖區以及湘資沅澧四水干流上的采砂船數量。根據采砂船的年工作天數、工作時間和開采能力的調查來估算采砂量W，其計算公式[15-16]為

W=DTR。

(2)

式中：D為1 a中適合采砂的天數(d)，將1 a中平均流量<20 000 m3/s的天數作為可采砂天數(流量>20 000 m3/s的天數暫不考慮)，這里D取200～300 d；T為采砂船的作業時間(h)，由于采砂船在白天、夜間均有作業活動，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)，根據調查，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 研究結果

3.1 葛洲壩至城陵磯河段采砂量計算結果

3.1.1 遙感影像估算法的計算結果

荊江河段為禁采區，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過來的運砂船；另一個來自于當地非法采砂。

通過遙感影像對比，估計一個采砂周期約為2個月，1 a有6個采砂周期。對遙感影像的砂堆進行編號及體積計算，2015年枝城—城陵磯河段一個周期內的采砂體積為4.6×106m3，該河段一個周期內的采砂量為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 水泥產量估算法的采砂量結果

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量的比例與2015年相同，可計算得到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年全國水泥產量來自國家統計局；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，總體趨于穩定。

3.1.3 采砂船只估算法的結果

通過遙感影像的觀測統計，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。根據采砂船的數量、開采能力或效率、作業時間的調查，經過初步計算，葛洲壩—城陵磯河段內采砂量約為(1.6～3.7)×107t。

3.2 洞庭湖區及湘資沅澧四水干流采砂量計算結果

3.2.1 通過遙感影像的計算結果

根據《湖南省湘資沅澧干流及洞庭湖河道采砂規劃(2012―2016年)》的規定[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為洞庭湖區及湘資沅澧四水干流一個采砂周期內的采砂量。計算結果為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年一個周期內洞庭湖區及四水干流的 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

通過對上述地區遙感影像的觀察，發現近幾年的采砂點位置和數量總體變化不大，2015年該地區的年采砂總量可近似作為近4 a的年均采砂總量。

3.2.2 水泥產量估算的采砂量結果

2015年洞庭湖區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。對于洞庭湖區及湘資沅澧四水的水沙關系和河床演變，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，趨于穩定。

3.2.3 采砂船只法估算結果

通過對歷年遙感影像資料中采砂船的統計可知，洞庭湖區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。根據采砂船的年工作天數、工作時間和開采能力的調查，經計算，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種方法計算的結果都較接近，誤差范圍不大，可較為客觀地反映該河段的實際采砂總量。不同方法計算的結果可以相互驗證，2015年該河段實際的采砂總量估計為(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量法計算得到的結果也較接近，其中用體積公式法計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劃(2012―2016年)》中的年采砂控制總量1.2×108t誤差較小，較為真實地反映出該地區的實際采砂總量(表7)。2015年洞庭湖水系的采砂總量估計約為1.3×108t。

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

由于計算上述地區采砂量所采用的3種計算方法都存在一定局限性，所以3種計算方法得到的結果都具有相應的誤差。

體積公式法計算結果的主要誤差在于：①把砂堆概化為圓錐體，用體積公式計算，但實際情況下呈圓錐體的砂堆數量較多但不是全部，一些砂堆呈現為不規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，導致砂場采運砂周期數失準；③受區域遙感影像的分辨率限制，局部區段砂堆直徑的測量值與實際尺寸略有不同。

水泥產量估算結果的主要誤差來源：①假定該地區水泥使用量占該省的比例與該區域GDP占全省的比例相同，可能與實際情況并不一致；②生產的水泥不外運且當年基本消耗完；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，導致上述估算的采砂量偏保守。

采砂船估算結果的主要誤差來源：①某些年份的遙感影像缺乏且小部分區域的遙感影像精度有限；②不同地區遙感影像的不連續導致采砂船的重復統計；③采砂船只估算法的參數選取范圍較大。

5 結 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。這主要歸功于長江采砂的強制性管理得到實施。隨著《長江中下游干流河道采砂規劃(2016—2020年)》的實施，據此估計未來5 a內的采砂總量仍穩定在(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劃(2012―2016年)》的頒布與實施以及中央環保督查、地方政府和管理部門的監督與管理加強。隨著2017年《湖南省河道采砂管理辦法》的頒布與實施，在未來幾年內，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、水泥產量估算法、采砂船只估算法3種方法計算葛洲壩—城陵磯河段以及洞庭湖水系的年采砂量，可從不同的側面得出上述地區實際采砂量的范圍，對該地區河床演變、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算誤差，為了進一步提高計算結果的精度，減少與實際采砂量的誤差，需要搜集和實測采砂量的數據進行修正與校核。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。