徐 玉

(濟南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,山東濟南 250002)

0 引言

河流泥沙又可以分為泥、沙、石三大類,其中粘粒、粉沙屬泥類;沙粒屬沙類;礫石、卵石、漂石屬石類[1]。河沙在枯水期被集中開采,然而在砂石采集的過程中,河床被挖掘直至黏土層和巖石而出露。隨著沙礫的減少河床儲存地下潛流的能力消失,地下潛流與河岸旁的淺層地下水之間的水力聯(lián)系發(fā)生了變化,豐水期河道過流時間有限,此時河流補給河岸旁的淺層地下水,而一年大部分時間的枯水期河岸旁的井得不到河床潛流的補給,而且反而向河道排泄,造成河岸旁的淺井枯竭、樹木枯死。當(dāng)采砂后,河床下降增強了河道過流能力,但是同時帶來了對河道護坡、河道兩岸、橋梁等的危害[2]。國內(nèi)張子林分析了鄱陽湖采砂對濕地的影響[3],趙群提出閩江下游河道采砂對河床影響與控制[4]。河道采砂對環(huán)境破壞在國外也有典型案例,美國的 Cheny creek市,河段下降,最后河床平均降低了 4.9 m[5]。據(jù)報道美國加州Healdsburg市附近的一條俄羅斯河在 1950和 1960年代11 km的河道下切平均超過 3m,最大下切 6 m[6]。大壩底部泥沙被攔住產(chǎn)生了“瘦水”,同時下游河床會隨著"瘦水"流到下游而下切,同時在大壩下采砂將會使這種情況惡化[7]。

1 城市化對砂石需求估算

估算城市發(fā)展的需砂量,主要考慮用砂量最大的兩個部門住房和公路。以濟南市為例進行分析。估算方法如下：

G1為濟南市年平均建設(shè)住房需砂量;g1每平米住房中需要的砂子重量,根據(jù)全國各地的統(tǒng)計資料求得;m濟南市人口年平均增長量;n人均住房面積。

G2濟南市建設(shè)公路需砂子量;p濟南市新增公路公里數(shù);g2每公里公路需要砂子量。

G最終估算出年平均濟南市總的需砂量。

1.1 估算濟南市住房需砂量

濟南市目標(biāo)是在 2011年將常駐人口控制在 640萬以內(nèi)。由1987～2003年濟南市自然人口數(shù)求出濟南市人口平均增長率取6%,而人口基數(shù)為 640萬人,一年凈增加人口 38.4萬,人均住房面積取 30m2。根據(jù)各省市統(tǒng)計的每平方米建筑面積消耗砂量求出平均每平方住房面積需要消耗砂量 0.52m3

濟南建設(shè)住宅一年需砂量為 G1=g1×m×n=0.52×38.4×30=59.9×105m3

1.2 估算濟南市公路需砂量

8米寬一公里水泥路面高強砼部分預(yù)算為 2 640 m3,共需水泥 900 T,碎石 2 400m3,河沙 1 200m3。水泥穩(wěn)定砂礫部分：水泥 449 T,碎石 1 758m3,河沙 900m3。

一公里路面大約需要河沙 2 100m3,濟南市每年增加公路 300 km,濟南市每年修公路共需要河沙 G2=p×g2=300×2 100=6.3×105m3。

濟南市年平均需砂量G=G1+G2=6.3×105+59.9×105=66.2×105m3。相當(dāng)于大汶河一年總采砂量的一半,用砂量很大。

2 大汶河河道來砂和采砂

2.1 地理位置

大汶河位于黃河下游右岸,山東省中部的泰山南麓,地處東經(jīng) 116°11′15″～ 118°;北緯 35°37′30″～ 36°32′30″。 流域北以泰山山脈和小清河為界。南以蒙山及其余脈和淮河流域為界,東以魯山、西至東平湖、西南部與運東平原相接。流域東西平均長 146 km,南北平均寬 58 km,流域面積8 536.5 km2。其中泰安市(轄泰山區(qū)、岱岳區(qū)、新泰市、肥城市、寧陽縣、東平縣六個縣市區(qū))6 093.2 km2。

大汶河發(fā)源于萊蕪、沂源、新泰山區(qū),源頭在沂源縣松崮山南麓沙崖子村,流徑萊蕪市、泰安市(六個縣市區(qū)),是季節(jié)性河流,下游代村壩以下(30 km)稱大清河,于東平縣馬口村入東平湖,全長 208.2 km。大汶河河以上分兩大支：北支稱牟汶河,南支稱柴汶河。

2.2 大汶河懸移質(zhì)泥沙淤積量

根據(jù)臨汶站和戴村壩站懸移質(zhì)輸沙量資料,在不考慮區(qū)間面積(2 388 km2)來沙情況下分析其河段沖淤量。將資料系列劃分為 1956～1960年、1961～1970年、1971～1980年、1981～1990年、1991～2000年五個時段,從兩站各時段的懸移質(zhì)輸沙量分析,1956～1960年流域內(nèi)水利工程建設(shè)相對較少,對河道水沙特性影響較小,河道基本處于天然狀態(tài),該河段屬于淤積階段,淤積量為 270萬 t;1961～1980戴村壩站懸移質(zhì)輸沙量大于臨汶站,該期間河段時沖刷的,沖刷量為 602萬 t;1981～1990年期間淤積量為 19萬 t,說明該期間河段基本無沖淤變化。1991～2000年期間河段是沖刷的,沖刷量為38萬 t。從以上分析,1956～2000年大汶河臨汶 ～戴村壩河段呈沖刷趨勢,沖刷量為 350萬 t。

表1 1956-2000大汶河臨汶 ～戴村壩河段沖淤變化統(tǒng)計萬 t

樓德,萊蕪斷面分別測量大汶河上游南北支流的輸沙量,根據(jù)調(diào)查,2003,2006,2008三年大汶河上游牟汶河和柴汶河兩個支流有嚴重采砂現(xiàn)象,其中柴汶河幾乎采光,牟汶河依然有小型的采沙場。2000年以后大汶河各河段年輸沙量明顯減少,原因一方面是大汶河徑流量減少,另一方面是河道采砂造成大量河沙減少,還有一方面是河道管理局加強了水土保持工作。

表2 2003,2006,2008三年大汶河各測站河段沖淤變化統(tǒng)計 萬 t

2.3 大汶河采砂現(xiàn)狀

大汶河的砂資源已經(jīng)采集了一半,1/3主河道河槽內(nèi)砂資源已經(jīng)枯竭,現(xiàn)在砂資源主要集中在兩岸灘地。劃定限采區(qū),把采砂完全限制在河槽之內(nèi),把灘地都保留住了。9月份的時候每個砂場控制總量,每年 200天采砂期。河道管理部門在每個采砂場出沙路口,設(shè)上檢查站,統(tǒng)計處每年的采砂量為 1 600萬 m3沙子(2002年),04年開始綜合整治,每個砂場采砂量控制在 5萬 m3,采砂量為 500～800萬 m3沙子。據(jù)調(diào)查,2006年大汶河河沙資源儲量達到了 1.8億 m3。泰安市直管河段有 1億 m3。到 2004年年開采銷售量已突破1.6×107m3。

表3 大汶河河道采砂基本情況調(diào)查表

2.4 大汶河河段的劃分

2010年 8月份 ～10月份對大汶河以邱家店,汶口及樓德三個鎮(zhèn)為中心調(diào)查了河道采砂方面的情況,一共進行了 12個點的取樣工作,取樣工作主要是在采沙場進行。期間觀察了采砂對周圍環(huán)境的影響,進行了現(xiàn)場拍攝,取得第一手資料。圖 1是 12個取樣點在地圖上的分布。

圖1 大汶河野外考察取樣點分布圖

當(dāng)局部河段的水流挾沙能力處于非飽和狀態(tài),水流將從河床獲取泥沙。上游一些卵石和粗砂超過河水搬運能力,河水處于非飽和狀態(tài),侵蝕河床。下游河水挾沙能力處于飽和狀態(tài),河流流速減慢,泥沙在河床沉積。上游到下游之間有一部分為沙石轉(zhuǎn)化的區(qū)域,卵石和粗砂轉(zhuǎn)化為細沙。由于河道采砂的影響,沖淤變化較大,特別是 2000年后,受社會經(jīng)濟發(fā)展的影響,整個大汶河下游河段出現(xiàn)了較大幅度的下切,上游來沙遠不足以對嚴重下切的河道達到新的沖淤平衡所需的泥沙補給,河道沖淤嚴重失衡。把河流劃分成侵蝕區(qū),過渡區(qū)和沉積區(qū),為了保證河道沖淤平衡,侵蝕區(qū)禁止采砂活動,過渡區(qū)盡量避免采砂,而沉積區(qū)要在統(tǒng)一管理下合理開采河沙。

細度模數(shù)是表征天然砂粒徑的粗細程度及類別的指標(biāo)。下面我們根據(jù) 12個取樣點的河沙細度模數(shù)將河段分為侵蝕區(qū)、過渡區(qū)、沉積區(qū)三部分。取樣點 1～4在大汶河主干道上,位于大汶河下游,平均細度模數(shù)小于 3.2,汶口鎮(zhèn)位于取樣點 4,該點的細度模數(shù)為 3.2,可以將其下游部分劃分為沉積區(qū);上游北支流的顏謝位于取樣點 5細度模數(shù)為 3.23,顏謝與汶口鎮(zhèn)之間劃分為過渡區(qū);顏謝上游三個取樣點 6、7、8的平均細度模數(shù)為 3.92,將顏謝上游部分劃分為侵蝕區(qū)(圖2)。上游南支流的樓德位于取樣點 10細度模數(shù)為 3.33,樓德與汶口鎮(zhèn)之間劃分為過渡區(qū);樓德上游兩個取樣點 11、12的平均細度模數(shù)為 3.54,將樓德上游部分劃分為侵蝕區(qū)(圖 3)。

圖2 大汶河北支及干流河岸高程及河段劃分圖

圖3 大汶河南支及干流河岸高程及河段劃分圖

3 大汶河采砂對防洪工程的影響

此次河道野外調(diào)查內(nèi)容：1)在地圖上標(biāo)出采沙場的位置,定位已經(jīng)破壞的工程建筑如護坡,橋梁和取水設(shè)施等。2)收集關(guān)于開采河沙項目的原始資料以及二手資料,每個采砂場的砂石開采量以及河流的生態(tài)環(huán)境信息。通過采訪當(dāng)?shù)鼐用窈凸と?、管理部門目前估計河沙開采量有以下幾種方式,計算從采沙場出來的運沙車的重量和數(shù)量;二手資料來源于地方管理部門和一些正在使用的法律法規(guī)。輸沙量和河床降低的資料分別來自于大汶河河道管理局和泰安市水文局。

3.1 采砂對堤壩的影響

1)護岸工程的作用就是利用塊石覆蓋使岸坡免受水流沖刷并維持其穩(wěn)定。護岸工程的修建,改變了河床的邊界條件,河岸抗沖能力大大增強,限制了河床的橫向變形,使有護岸工程的河段的河勢得到了控制[8]。由于過度采砂,劉家疃沙場一條長約 300m護坡的坡腳已經(jīng)出露,河岸不在受護坡的保護,而且洪水期護岸很容易被洪水沖垮,雖然用卵石和碎石將坡腳填充上,但是這只是臨時性的補救。

2)由于向外運砂的需要,堤防兩岸被破堤修筑了爬道,通往柏子沙場的路口寬 10m多,20多個路口低于設(shè)計洪水位,這些路口不僅破壞了堤防的完整性,而且運砂車順堤行駛,對大堤碾壓破壞程度很大,這些對防洪安全都是不利的[9]。

3.2 采砂造成地下水水位降低

1)柏子沙場附近數(shù)個機井已經(jīng)干枯,村莊內(nèi)以前打井時六七米就可見到水,自從采砂后,河道被毀造成地下水位下降,現(xiàn)在井打到二三十米深才能見到水。

2)南寨村沙場河岸邊上的樹木已經(jīng)枯萎,也是由于采砂造成河床下降,儲水的河床降低使得兩岸的水補給河水,從而造成了岸邊樹木枯萎。

3.3 采砂對其他生態(tài)環(huán)境的影響

1)過度采砂還造成水土流失,威脅河邊的田地。在大汶口鎮(zhèn)汶口村村河段,這里河灘上的河砂幾乎被采挖殆盡,河水直接沖擊堤岸和農(nóng)田,一旦水流變大,很容易導(dǎo)致崩塌,對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了很大隱患。

2)魯里大橋附近河道內(nèi)堆滿了一個個山丘似的砂堆,由于砂坑和砂坨的存在,造成河流流態(tài)的惡化,部分堤防護砌工程的坍塌,這種情況如不及時得到遏制,極易危及整個堤防的安全[10]。同時沙堆放在河道內(nèi),會影響河道泄洪,如果雨季發(fā)洪水,河岸旁農(nóng)田將直接被淹,村民的生命財產(chǎn)安全受到嚴重威脅。

4 建議

上世紀八十年代以來,社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,對砂石的需求增加很快。大汶河來砂量總的趨勢呈減少。過度采砂對生態(tài)環(huán)境破壞是最嚴重其中一項,使得河流水位下降加劇并且破壞食物鏈,同時防洪工程被毀。提出如下建議：

1)把大汶河劃分成侵蝕區(qū),過渡區(qū)和沉積區(qū),為了保證河道沖淤平衡,侵蝕區(qū)禁止采砂活動,過渡區(qū)盡量避免采砂,而沉積區(qū)要在政府控制下開采河沙。如果限制采砂量,河沙可以在豐水期后得到充分補充。

2)在大汶河河道內(nèi)建造沙壩來開采河沙。沙壩式采砂一般在水平面之上進行,適當(dāng)?shù)牟扇コ錾硥伪砻娴纳皩?而不是挖成坑狀,那么沙壩還能持續(xù)使用,沙壩表面砂層在洪水季節(jié)被一些粘土填充,每年都會有一定沙能被開采。

3)大汶河河道中由于采砂留下了許多采砂坑,這些采砂坑除用來采砂之外,也能作為天然滲池再次被利用。將它們有目的放在小溪和季節(jié)性河流旁,可以儲存河水和補給地下水。重要一點是這些滲池不能被細小顆粒填充,它們會影響雨水和河水下滲。另外采砂坑要避免成為廢棄物填埋場,這樣會破壞地下水水質(zhì)。

5 結(jié)論

本文以典型城市濟南為例估算了該城市需砂量,平均年需砂量為 66.2×105m3;通過大汶河各水文測站收集到的資料了解了河道內(nèi)數(shù)十年內(nèi)的來沙情況,由于人為因素,河道各個斷面輸沙量呈逐年減小的趨勢;通過采砂量與需砂量對比,采砂量雖然逐年增加但是無法滿足快速城市化對河沙的需求;把每條河流都劃分成侵蝕區(qū),過渡區(qū)和沉積區(qū),以便于合理確定采砂活動的范圍;最后根據(jù)野外調(diào)查,發(fā)現(xiàn)河道采砂對生態(tài)環(huán)境破壞極大,最后針對大汶河給出了幾點合理采砂的意見。

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