張秀春

(朝陽市江河流域保護(hù)管理局，遼寧 朝陽 122000)

河道砂石是河床的重要組成部分，是緩沖河道水流、涵養(yǎng)水源、維護(hù)河勢穩(wěn)定的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是保護(hù)堤防與河岸的重要屏障，同時(shí)也是重要的建筑材料和礦產(chǎn)資源[1]。遼寧省河流眾多，全省流域面積50km2以上的河流845條，省內(nèi)的渾太河、鴨綠江、大洋河、愛河、大小凌河及清河、碧流河等中小河流，都蘊(yùn)藏著豐富的砂石資源，具有較高的開發(fā)利用價(jià)值[2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，建筑行業(yè)及各類工程建設(shè)對河沙的需求量居高不下。砂石資源作為重要的不可再生資源，在確保河道防洪安全、生態(tài)安全的前提下，充分發(fā)揮河道砂石的資源屬性，正確處理保護(hù)與開發(fā)利用的關(guān)系、生態(tài)效益及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，合理規(guī)劃、適度開采、科學(xué)保護(hù)、智慧監(jiān)管河道砂石資源對促進(jìn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展、流域生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)向好具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[3- 5]。國內(nèi)關(guān)于砂石資源開發(fā)利用的研究開始較晚，但也取得一定研究成果[6- 15]，但保證流域生態(tài)健康、防洪安全和區(qū)域經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的前提下，如何在河道砂石資源保護(hù)和利用之間找到最佳平衡點(diǎn)，制定出科學(xué)、合理的采砂規(guī)劃研究還較少，為此本文從砂石資源量定量計(jì)算研究角度出發(fā)，對遼寧省砂石資源分布特征進(jìn)行分析，從而為制定河道采砂規(guī)劃提供重要的依據(jù)。

1 河道道砂石量影響因素分析

1.1 自然因素

(1)時(shí)空影響。河流含沙量是隨時(shí)間變化的。一年中最大含沙量在汛期，最小含沙量在枯水期。河流在年際之間的含沙量也不一樣，豐水年挾沙量大，枯水年挾沙量小。河流含沙量沿水深分布，一般在水面含沙量最小，河床底最大。含沙量還會(huì)沿河流流程而變化，通常在山區(qū)河段含量大，在平原河段含量小。

(2)地形地貌影響。流河含沙量是由植被覆蓋情況和土質(zhì)狀況決定的。植被覆蓋差，土質(zhì)疏松，河流含沙量就大；反之，含沙量就小。除了植被情況外，地質(zhì)構(gòu)造，地層構(gòu)成以及大型湖泊、沼澤的分布也都會(huì)影響河流的含沙量。若河流經(jīng)過地震斷裂帶，地殼活動(dòng)強(qiáng)烈，巖土構(gòu)造破碎，則河流含沙量高。

(3)河道特性影響。河流含沙量受河流流速、流量、凹凸岸及洪水影響。河流流速快、流量大，河流含沙量就大，反之就??；河流的凹岸水流流速快，容易受到水流侵蝕，凸岸水流流速慢，以堆積為主；當(dāng)洪水過后，河床的淤沙也會(huì)被大量帶走。

1.2 人為因素

(1)工程建設(shè)。攔河建筑物不僅能夠阻水，對河沙的下泄也會(huì)產(chǎn)生一定影響，因此工程的建設(shè)帶來下游河道泥沙補(bǔ)給量的變化。

(2)水土保持。近幾十年來我省水土保持工作成效較大，流域的植被得到有效恢復(fù)，水土流失減少，河流含沙量降低，泥沙補(bǔ)給量也有所減少。

(3)清淤采砂及其他干預(yù)。清淤采砂活動(dòng)是人類對河流砂石資源最直接的干預(yù)行為。由于河道砂石屬于建筑材料，通過清淤及合理采砂不僅能夠保證河道正常行洪，而且有利于發(fā)揮河砂資源的最大效用，增加國民經(jīng)濟(jì)收入。

2 河道砂石資源量計(jì)算方法

2.1 細(xì)度模數(shù)概念

將砂石資源分為建筑用砂和工程用砂。根據(jù)細(xì)度模數(shù)概念，建筑用砂指細(xì)度模數(shù)為1.6以上，即平均粒徑為0.25mm以上的砂。細(xì)度模數(shù)為1.6以下，平均粒徑為0.25mm以下的砂可統(tǒng)稱為工程用砂。細(xì)度模數(shù)為表征天然砂粒徑的粗細(xì)程度及類別的指標(biāo)。細(xì)度模數(shù)越大，表示砂越粗。普通混凝土用砂的細(xì)度模數(shù)范圍在3.7～1.6，以中砂為宜，或者用粗砂加少量的細(xì)砂，其比例為4∶1。通常砂子的粗細(xì)按細(xì)度模數(shù)分為4級。

(1)粗砂：細(xì)度模數(shù)為3.7～3.1，平均粒徑為0.5mm以上。

(2)中砂：細(xì)度模數(shù)為3.0～2.3，平均粒徑為0.5～0.35mm。

(3)細(xì)砂：細(xì)度模數(shù)為2.2～1.6，平均粒徑為0.35～0.25mm。

(4)特細(xì)砂：細(xì)度模數(shù)為1.5～0.7，平均粒徑為0.25mm以下。

2.2 河道砂石資源量的計(jì)算方法

由于泥沙輸移的動(dòng)態(tài)性和沉積性，目前國內(nèi)外河道砂石資源量的計(jì)算方法及研究成果相對較少。本研究根據(jù)河道泥沙水文要素觀測方法及實(shí)際數(shù)據(jù)資料情況，提出基于河道水沙要素的砂石資源補(bǔ)給計(jì)算方法，即：

河道砂石補(bǔ)給量=推移質(zhì)補(bǔ)給量+懸移質(zhì)補(bǔ)給量河道多年輸沙量=多年平均含沙量×多年平均徑流量

(1)

不同粒徑懸移質(zhì)補(bǔ)給量根據(jù)不同粒徑沙重比例確定。推移質(zhì)輸沙量采用與懸移質(zhì)相關(guān)關(guān)系計(jì)算。

w推=w懸×α

(2)

式中，w推—推移質(zhì)泥沙輸沙量，t；w懸—懸移質(zhì)泥沙輸沙量，t；α—推懸比(通過河道某斷面推移質(zhì)與懸移質(zhì)沙量的比值)，取0.1-0.3。

2.3 遼寧省主要河流砂石資源量計(jì)算

根據(jù)地形地貌、水文氣象、植被條件、水文資料等因素，在遼寧省范圍內(nèi)選取含沙量較大的各流域干流為典型河流，即渾河、太子河、遼河、大凌河，根據(jù)前面提出的河道砂石補(bǔ)給量計(jì)算方法，計(jì)算遼寧省主要河流河道砂石資源量。考慮水庫攔截、入?yún)R等因素確定各河流砂石補(bǔ)給系數(shù)，輸沙量與補(bǔ)給系數(shù)相乘，再加上推移質(zhì)砂量，即為河流砂石資源補(bǔ)給量。經(jīng)計(jì)算，全省典型河流多年平均輸沙量為5700萬t，推移質(zhì)總量為750萬t，0.25mm以上粒徑建筑用砂補(bǔ)給量為800萬t。

2.3.1渾河砂石資源量計(jì)算分析

渾河是一條含沙量較小的河流，撫順以上干流有大伙房水庫控制。輸沙特點(diǎn)為“大水大沙、小水小沙”。統(tǒng)計(jì)1958—2020年渾河主要測站年平均徑流量和年輸沙量資料，徑流量與輸沙量年際變化同步，1960、1964、1971、1975、1985、1986、1994、1995年為大水年，相應(yīng)為大沙年，1975—1984年、1988—1993年為小水年，相應(yīng)輸沙量也較少。自20世紀(jì)80年代，渾河開始大規(guī)模采砂，砂場主要集中在渾河閘以上河段?！?5洪水”后，渾河閘上游河段河槽砂源趨于枯竭，且河寬拓展至規(guī)劃河段，此段即被列為限制采砂區(qū)，所以砂場紛紛將采砂地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了渾河閘下游河段。由于渾河閘下游河床下切嚴(yán)重，遼寧省水利廳決定暫停渾河閘至黃蠟坨橋段的采砂許可，并禁止一切非法采砂。目前渾河采砂主要集中在大伙房以上清原境內(nèi)?？紤]大伙房水庫、渾河閘等攔河建筑物的攔截作用，在渾河上下游分別選取北口前、沈陽、邢家窩棚3個(gè)測站計(jì)算渾河砂石補(bǔ)給量。見表1。

表1 渾河主要測站徑流量與輸沙量統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，渾河干流主要測站北口前站、沈陽站、邢家窩棚站多年平均輸沙量分別為17.12萬、55.24萬、94萬t，各測站輸沙量總和為166.36萬t?？紤]入海、沉積等因素，確定砂石調(diào)節(jié)系數(shù)為0.8，計(jì)算得到渾河多年平均砂石補(bǔ)給量為133萬t。根據(jù)式(2)，渾河推移質(zhì)輸沙量為17.3萬t。

2.3.2太子河砂石資源量計(jì)算

太子河含沙量較小，本溪以上干流有觀音閣水庫控制。輸沙特點(diǎn)為“大水大沙、小水小沙”。統(tǒng)計(jì)1956—2020年太子河主要測站年平均徑流量和年輸沙量資料，徑流量與輸沙量年際變化同步.考慮觀音閣水庫、葠窩水庫等攔截作用，觀音閣水庫以上無測站，因此在太子河上下游分別選取本溪、遼陽2個(gè)測站計(jì)算太子河砂石補(bǔ)給量。見表2。

表2 太子河主要測站徑流量與輸沙量統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，太子河干流主要測站本溪站、遼陽站多年平均輸沙量分別為43萬、108萬t，各測站輸沙量總和為151萬t。由于觀音閣水庫以上河段無測站，即觀音閣水庫以上砂石資源在水庫的攔截作用下，大部分砂石量未輸移到下游。根據(jù)以往市縣采砂規(guī)劃及審批砂場情況，太子河上游段存在一定量的砂石資源。因此太子河段砂石調(diào)節(jié)系數(shù)為1.0，即太子河多年平均砂石補(bǔ)給量為151萬t。根據(jù)式2，太子河推移質(zhì)輸沙量為19.7萬t。

2.3.3遼河砂石資源量計(jì)算

遼河是遼寧省典型的多沙河流，遼河沙量的年內(nèi)分配比水量更為集中，汛期的水量占全年的60%～75%，而沙量則占85.2%～90.6%。根據(jù)遼河主要測站輸沙量1960年前后變化表，上游西遼河80%沙量基本被紅山水庫攔截。

遼河干流清河口至柳河口河段泥沙粒徑為全河段中最粗的，特別是清河口至馬虎山段。清河口至柳河口推移質(zhì)主要來自于清河、柴河、汎河等東部入?yún)R支流。石佛寺水庫庫前淤積較為嚴(yán)重，清、柴、汎河等支流匯入泥沙基本被攔截。遼河石佛寺水庫以下無水庫工程，但有幾處攔河閘壩，攔截了部分砂量?？紤]石佛寺水庫、馬虎山、巨流河等幾處橡膠壩的攔截作用，在遼河上下游分別選取鐵嶺、遼中2個(gè)測站計(jì)算遼河砂石補(bǔ)給量。見表3。

表3 遼河主要測站徑流量與輸沙量統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，遼河干流主要測站鐵嶺、遼中站多年平均輸沙量分別為1046萬、931萬t，各測站輸沙量總和為1977萬t。由于石佛寺水庫的攔截作用，鐵嶺站的輸沙量下泄到下游的較少，遼中站以下依然有攔截，因此遼河砂石調(diào)節(jié)系數(shù)為0.9，即遼河多年平均砂石補(bǔ)給量為1779萬t。根據(jù)式(2)，遼河推移質(zhì)輸沙量為257萬t。

2.3.4大凌河砂石資源量計(jì)算

大凌河左側(cè)支流含沙量年均值40kg/m3左右，是其河流泥沙的主要來源，干流泥沙沿程逐步加大，在錦州義縣逐步進(jìn)入河道寬展的平原地區(qū)，下游河道泥沙量相比于中游有所減少。大凌河夏季河流泥沙主要受暴雨沖蝕產(chǎn)生，汛期大洪水泥沙較為集中，汛期泥沙占全年泥沙比重超過70%，夏季的7月和8月沙量占全年沙量的80%以上，其年際變化相對較高。

閻王鼻子水庫位于大凌河中游從1999年開始運(yùn)行，總庫容和流域面積分別為10.908億m3以及9482km2，水庫淤積設(shè)計(jì)年限以及排沙比分別為30年以及54.3%，水庫建成后對水庫泥沙攔截量超過50%。白石水庫總面積和總庫容分別為17649km2以及16.45億m3，支流來沙量和閻王鼻子水庫下泄沙量相加為白石水庫的入庫沙量。汛期大洪水白石水庫排沙比為39.6%并汛期進(jìn)行敞泄運(yùn)行。在大凌河上分別選取朝陽、凌海2個(gè)測站計(jì)算大凌河砂石補(bǔ)給量。見表4。

表4 大凌河主要測站徑流量與輸沙量統(tǒng)計(jì)表

由表4可知，大凌河干流主要測站朝陽、凌海站多年平均輸沙量分別為1019萬、1827萬t，各測站輸沙量總和為2846萬t。由于考慮閻王鼻子水庫、白石水庫等攔截作用，大凌河砂石調(diào)節(jié)系數(shù)確定為0.6，即大凌河多年平均砂石補(bǔ)給量為1708萬t。根據(jù)式(2)，大凌河屬于山區(qū)型河流，推移質(zhì)輸沙量為341.6萬t。

3 河道采砂規(guī)劃格局探討

結(jié)合河道采砂規(guī)劃格局的制定原則與要求，充分考慮河道功能健康運(yùn)行及區(qū)域砂石需求關(guān)系，首次提出“時(shí)間、縱向、橫向、垂向”四維耦合的河道采砂規(guī)劃格局，對河道采期、采區(qū)、采深(采量)及開采邊界的設(shè)置進(jìn)行了一系列的技術(shù)突破，從而更加科學(xué)精準(zhǔn)的確定砂石開采量。

3.1 基于時(shí)間維度的河道采砂規(guī)劃格局

基于時(shí)間維度的河道采砂規(guī)劃格局主要是以河道砂石資源開采時(shí)間為主要研究內(nèi)容，具體包括可采期和禁采期的定義、確定原則、劃定技術(shù)要點(diǎn)等。

(1)定義：禁采期是指禁止采砂的時(shí)期，可采期是指河道可采區(qū)允許采砂的時(shí)期。

(2)確定原則：可采區(qū)的禁采期應(yīng)在分析不同時(shí)期采砂的相關(guān)影響基礎(chǔ)上確定，主要考慮：主汛期以及水位超過防洪警戒水位的時(shí)段；珍稀水生動(dòng)物和重要魚類資源保護(hù)要求的時(shí)段以及對水環(huán)境有較大影響的時(shí)段。除禁采期時(shí)間段以外，均劃定為可采期，具體開采時(shí)間需根據(jù)氣象及水文預(yù)報(bào)情況自行設(shè)定。

3.2 基于空間-垂向維度的河道采砂規(guī)劃格局

基于空間-垂向維度的河道采砂規(guī)劃格局主要是指垂直河道方向?qū)Σ缮耙?guī)劃中采區(qū)的布局研究，主要指可采區(qū)中開采高程、開挖深度等的確定。

(1)采砂控制高程：本著安全性、可持續(xù)性，適度利用、有序開采的原則，考慮到上下游涉河工程的安全性、河道泥砂補(bǔ)給能力及河道演變規(guī)律，確定采用規(guī)劃河段建筑物控制點(diǎn)高程連線作為采砂控制高程線，對可采區(qū)河段兩側(cè)河灘地實(shí)施采砂，即開采存量砂。

(2)開挖深度：采砂開挖斷面設(shè)計(jì)中，結(jié)合可采區(qū)采砂控制高程、岸灘穩(wěn)定性和邊坡系數(shù)，確定岸灘開挖邊坡比。嚴(yán)格按控制高程進(jìn)行開采，不得超采，不同河流、不同河段其開挖深度是不同的，通常采區(qū)平均開采深度為0.5～3m。

3.3 基于空間-縱向維度的河道采砂規(guī)劃格局

基于空間-橫向維度的河道采砂規(guī)劃格局主要是指沿著河道縱斷面方向?qū)Σ缮耙?guī)劃中采區(qū)的布局研究，包括可采區(qū)、禁采區(qū)和保留區(qū)。

3.3.1定義

禁采區(qū)是指在河道管理范圍內(nèi)禁止采砂的區(qū)域，可采區(qū)是指河道管理范圍內(nèi)允許采砂的區(qū)域，保留區(qū)是指在河道管理范圍內(nèi)采砂具有不確定性，需要對采砂的可行性進(jìn)行進(jìn)一步論證的區(qū)域。

3.3.2確定原則

禁采區(qū)：

(1)法律、法規(guī)、規(guī)章等明令禁止采砂河段或區(qū)域應(yīng)劃定為禁采區(qū)。

(2)影響防洪安全的河段以及區(qū)域?yàn)椴缮凹t線區(qū)域，紅線區(qū)域包括河灘地較小堤段臨水防洪段、河段深泓區(qū)域、危險(xiǎn)河段周圍、河道治理區(qū)域以及其他防洪安全影響較高的區(qū)域。

(3)河道水勢穩(wěn)定性需要持續(xù)得到滿足，河段對河道水勢影響較大的區(qū)域不允許開采河砂，河勢重要控制高程點(diǎn)、彎道河段、分汊河段、汊道需要控制治理的堤段以及河底設(shè)計(jì)值高于河底高程的多個(gè)河段。

(4)必須滿足水生態(tài)環(huán)境保護(hù)。城鎮(zhèn)集中飲用水源地、重要的水源保護(hù)區(qū)的一級和二級保護(hù)區(qū)和可能引起取水口水位下降以及水流偏離取水口位置的河段禁止采砂。

(5)涉河工程的安全必須得到保證。橋梁、穿河以及閘壩等工程的上下游范圍內(nèi)需要設(shè)定安全開采保護(hù)范圍。

(6)各類由國家和省級部門劃定的生態(tài)保護(hù)以及動(dòng)物繁殖棲息的區(qū)域，主要包括魚類以及國家重要水產(chǎn)繁殖區(qū)域。

可采區(qū)：對河勢穩(wěn)定、防洪安全、生態(tài)與環(huán)境、涉河工程運(yùn)行等基本無不利影響或不利影響較小的區(qū)域可規(guī)劃為可采區(qū)。

保留區(qū)：保留區(qū)是因有采砂需求、采砂又具有不確定性而設(shè)置的，其目的是為了在規(guī)劃期內(nèi)進(jìn)行必要的采砂留有余地。對于河勢變化不大的河段，可考慮將禁采區(qū)和可采區(qū)之外的區(qū)域規(guī)劃為保留區(qū)；對于河勢變化較大的河段，可考慮具體劃定保留區(qū)的范圍。規(guī)劃期內(nèi)在保留區(qū)進(jìn)行采砂應(yīng)進(jìn)行充分論證。

3.3.3技術(shù)要點(diǎn)

劃定禁采區(qū)和可采區(qū)是采砂管理的最基本要求，但對于有采砂需求和管理要求又存在不確定性因素的，為留有余地，可以考慮設(shè)置保留區(qū)。保留區(qū)規(guī)劃的范圍可根據(jù)規(guī)劃河段的具體情況及采砂需求和管理要求分析確定。

4 結(jié)論

(1)考慮到上下游涉河工程的安全性、河道泥砂補(bǔ)給能力及河道演變規(guī)律，建議采用規(guī)劃河段建筑物控制點(diǎn)高程連線作為采砂控制高程線，對可采區(qū)河段兩側(cè)河灘地實(shí)施采砂。

(2)建議結(jié)合可采區(qū)采砂控制高程、岸灘穩(wěn)定性和邊坡系數(shù)，確定岸灘開挖邊坡比。嚴(yán)格按控制高程進(jìn)行開采，不得超采，可采區(qū)平均開采深度建議控制在0.5～3m之間。

(3)本文只對遼寧省典型河流河道砂石資源量進(jìn)行了概略計(jì)算，但還未從流域、區(qū)域、地理分區(qū)等層面對遼寧省河道砂石資源分布特征進(jìn)行分析，存在不足，在后續(xù)研究中還應(yīng)對砂石資源空間分布特征進(jìn)行重點(diǎn)研究。