大汶河河道采砂现状调查与对策

徐 玉

(济南大学资源环境学院,山东济南 250002)

0 引言

河流泥沙又可以分为泥、沙、石三大类,其中粘粒、粉沙属泥类;沙粒属沙类;砾石、卵石、漂石属石类[1]。河沙在枯水期被集中开采,然而在砂石采集的过程中,河床被挖掘直至黏土层和岩石而出露。随着沙砾的减少河床储存地下潜流的能力消失,地下潜流与河岸旁的浅层地下水之间的水力联系发生了变化,丰水期河道过流时间有限,此时河流补给河岸旁的浅层地下水,而一年大部分时间的枯水期河岸旁的井得不到河床潜流的补给,而且反而向河道排泄,造成河岸旁的浅井枯竭、树木枯死。当采砂后,河床下降增强了河道过流能力,但是同时带来了对河道护坡、河道两岸、桥梁等的危害[2]。国内张子林分析了鄱阳湖采砂对湿地的影响[3],赵群提出闽江下游河道采砂对河床影响与控制[4]。河道采砂对环境破坏在国外也有典型案例,美国的 Cheny creek市,河段下降,最后河床平均降低了 4.9 m[5]。据报道美国加州Healdsburg市附近的一条俄罗斯河在 1950和 1960年代11 km的河道下切平均超过 3m,最大下切 6 m[6]。大坝底部泥沙被拦住产生了“瘦水”,同时下游河床会随着"瘦水"流到下游而下切,同时在大坝下采砂将会使这种情况恶化[7]。

1 城市化对砂石需求估算

估算城市发展的需砂量,主要考虑用砂量最大的两个部门住房和公路。以济南市为例进行分析。估算方法如下：

G1为济南市年平均建设住房需砂量;g1每平米住房中需要的砂子重量,根据全国各地的统计资料求得;m济南市人口年平均增长量;n人均住房面积。

G2济南市建设公路需砂子量;p济南市新增公路公里数;g2每公里公路需要砂子量。

G最终估算出年平均济南市总的需砂量。

1.1 估算济南市住房需砂量

济南市目标是在 2011年将常驻人口控制在 640万以内。由1987～2003年济南市自然人口数求出济南市人口平均增长率取6%,而人口基数为 640万人,一年净增加人口 38.4万,人均住房面积取 30m2。根据各省市统计的每平方米建筑面积消耗砂量求出平均每平方住房面积需要消耗砂量 0.52m3

济南建设住宅一年需砂量为 G1=g1×m×n=0.52×38.4×30=59.9×105m3

1.2 估算济南市公路需砂量

8米宽一公里水泥路面高强砼部分预算为 2 640 m3,共需水泥 900 T,碎石 2 400m3,河沙 1 200m3。水泥稳定砂砾部分：水泥 449 T,碎石 1 758m3,河沙 900m3。

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

济南市年平均需砂量G=G1+G2=6.3×105+59.9×105=66.2×105m3。相当于大汶河一年总采砂量的一半,用砂量很大。

2 大汶河河道来砂和采砂

2.1 地理位置

大汶河位于黄河下游右岸,山东省中部的泰山南麓,地处东经 116°11′15″～ 118°;北纬 35°37′30″～ 36°32′30″。 流域北以泰山山脉和小清河为界。南以蒙山及其余脉和淮河流域为界,东以鲁山、西至东平湖、西南部与运东平原相接。流域东西平均长 146 km,南北平均宽 58 km,流域面积8 536.5 km2。其中泰安市(辖泰山区、岱岳区、新泰市、肥城市、宁阳县、东平县六个县市区)6 093.2 km2。

大汶河发源于莱芜、沂源、新泰山区,源头在沂源县松崮山南麓沙崖子村,流径莱芜市、泰安市(六个县市区),是季节性河流,下游代村坝以下(30 km)称大清河,于东平县马口村入东平湖,全长 208.2 km。大汶河河以上分两大支：北支称牟汶河,南支称柴汶河。

2.2 大汶河悬移质泥沙淤积量

根据临汶站和戴村坝站悬移质输沙量资料,在不考虑区间面积(2 388 km2)来沙情况下分析其河段冲淤量。将资料系列划分为 1956～1960年、1961～1970年、1971～1980年、1981～1990年、1991～2000年五个时段,从两站各时段的悬移质输沙量分析,1956～1960年流域内水利工程建设相对较少,对河道水沙特性影响较小,河道基本处于天然状态,该河段属于淤积阶段,淤积量为 270万 t;1961～1980戴村坝站悬移质输沙量大于临汶站,该期间河段时冲刷的,冲刷量为 602万 t;1981～1990年期间淤积量为 19万 t,说明该期间河段基本无冲淤变化。1991～2000年期间河段是冲刷的,冲刷量为38万 t。从以上分析,1956～2000年大汶河临汶 ～戴村坝河段呈冲刷趋势,冲刷量为 350万 t。

表1 1956-2000大汶河临汶 ～戴村坝河段冲淤变化统计万 t

楼德,莱芜断面分别测量大汶河上游南北支流的输沙量,根据调查,2003,2006,2008三年大汶河上游牟汶河和柴汶河两个支流有严重采砂现象,其中柴汶河几乎采光,牟汶河依然有小型的采沙场。2000年以后大汶河各河段年输沙量明显减少,原因一方面是大汶河径流量减少,另一方面是河道采砂造成大量河沙减少,还有一方面是河道管理局加强了水土保持工作。

表2 2003,2006,2008三年大汶河各测站河段冲淤变化统计 万 t

2.3 大汶河采砂现状

大汶河的砂资源已经采集了一半,1/3主河道河槽内砂资源已经枯竭,现在砂资源主要集中在两岸滩地。划定限采区,把采砂完全限制在河槽之内,把滩地都保留住了。9月份的时候每个砂场控制总量,每年 200天采砂期。河道管理部门在每个采砂场出沙路口,设上检查站,统计处每年的采砂量为 1 600万 m3沙子(2002年),04年开始综合整治,每个砂场采砂量控制在 5万 m3,采砂量为 500～800万 m3沙子。据调查,2006年大汶河河沙资源储量达到了 1.8亿 m3。泰安市直管河段有 1亿 m3。到 2004年年开采销售量已突破1.6×107m3。

表3 大汶河河道采砂基本情况调查表

2.4 大汶河河段的划分

2010年 8月份 ～10月份对大汶河以邱家店,汶口及楼德三个镇为中心调查了河道采砂方面的情况,一共进行了 12个点的取样工作,取样工作主要是在采沙场进行。期间观察了采砂对周围环境的影响,进行了现场拍摄,取得第一手资料。图 1是 12个取样点在地图上的分布。

图1 大汶河野外考察取样点分布图

当局部河段的水流挟沙能力处于非饱和状态,水流将从河床获取泥沙。上游一些卵石和粗砂超过河水搬运能力,河水处于非饱和状态,侵蚀河床。下游河水挟沙能力处于饱和状态,河流流速减慢,泥沙在河床沉积。上游到下游之间有一部分为沙石转化的区域,卵石和粗砂转化为细沙。由于河道采砂的影响,冲淤变化较大,特别是 2000年后,受社会经济发展的影响,整个大汶河下游河段出现了较大幅度的下切,上游来沙远不足以对严重下切的河道达到新的冲淤平衡所需的泥沙补给,河道冲淤严重失衡。把河流划分成侵蚀区,过渡区和沉积区,为了保证河道冲淤平衡,侵蚀区禁止采砂活动,过渡区尽量避免采砂,而沉积区要在统一管理下合理开采河沙。

细度模数是表征天然砂粒径的粗细程度及类别的指标。下面我们根据 12个取样点的河沙细度模数将河段分为侵蚀区、过渡区、沉积区三部分。取样点 1～4在大汶河主干道上,位于大汶河下游,平均细度模数小于 3.2,汶口镇位于取样点 4,该点的细度模数为 3.2,可以将其下游部分划分为沉积区;上游北支流的颜谢位于取样点 5细度模数为 3.23,颜谢与汶口镇之间划分为过渡区;颜谢上游三个取样点 6、7、8的平均细度模数为 3.92,将颜谢上游部分划分为侵蚀区(图2)。上游南支流的楼德位于取样点 10细度模数为 3.33,楼德与汶口镇之间划分为过渡区;楼德上游两个取样点 11、12的平均细度模数为 3.54,将楼德上游部分划分为侵蚀区(图 3)。

图2 大汶河北支及干流河岸高程及河段划分图

图3 大汶河南支及干流河岸高程及河段划分图

3 大汶河采砂对防洪工程的影响

此次河道野外调查内容：1)在地图上标出采沙场的位置,定位已经破坏的工程建筑如护坡,桥梁和取水设施等。2)收集关于开采河沙项目的原始资料以及二手资料,每个采砂场的砂石开采量以及河流的生态环境信息。通过采访当地居民和工人、管理部门目前估计河沙开采量有以下几种方式,计算从采沙场出来的运沙车的重量和数量;二手资料来源于地方管理部门和一些正在使用的法律法规。输沙量和河床降低的资料分别来自于大汶河河道管理局和泰安市水文局。

3.1 采砂对堤坝的影响

1)护岸工程的作用就是利用块石覆盖使岸坡免受水流冲刷并维持其稳定。护岸工程的修建,改变了河床的边界条件,河岸抗冲能力大大增强,限制了河床的横向变形,使有护岸工程的河段的河势得到了控制[8]。由于过度采砂,刘家疃沙场一条长约 300m护坡的坡脚已经出露,河岸不在受护坡的保护,而且洪水期护岸很容易被洪水冲垮,虽然用卵石和碎石将坡脚填充上,但是这只是临时性的补救。

2)由于向外运砂的需要,堤防两岸被破堤修筑了爬道,通往柏子沙场的路口宽 10m多,20多个路口低于设计洪水位,这些路口不仅破坏了堤防的完整性,而且运砂车顺堤行驶,对大堤碾压破坏程度很大,这些对防洪安全都是不利的[9]。

3.2 采砂造成地下水水位降低

1)柏子沙场附近数个机井已经干枯,村庄内以前打井时六七米就可见到水,自从采砂后,河道被毁造成地下水位下降,现在井打到二三十米深才能见到水。

2)南寨村沙场河岸边上的树木已经枯萎,也是由于采砂造成河床下降,储水的河床降低使得两岸的水补给河水,从而造成了岸边树木枯萎。

3.3 采砂对其他生态环境的影响

1)过度采砂还造成水土流失,威胁河边的田地。在大汶口镇汶口村村河段,这里河滩上的河砂几乎被采挖殆尽,河水直接冲击堤岸和农田,一旦水流变大,很容易导致崩塌,对当地的农业生产造成了很大隐患。

2)鲁里大桥附近河道内堆满了一个个山丘似的砂堆,由于砂坑和砂坨的存在,造成河流流态的恶化,部分堤防护砌工程的坍塌,这种情况如不及时得到遏制,极易危及整个堤防的安全[10]。同时沙堆放在河道内,会影响河道泄洪,如果雨季发洪水,河岸旁农田将直接被淹,村民的生命财产安全受到严重威胁。

4 建议

上世纪八十年代以来,社会经济的快速发展,对砂石的需求增加很快。大汶河来砂量总的趋势呈减少。过度采砂对生态环境破坏是最严重其中一项,使得河流水位下降加剧并且破坏食物链,同时防洪工程被毁。提出如下建议：

1)把大汶河划分成侵蚀区,过渡区和沉积区,为了保证河道冲淤平衡,侵蚀区禁止采砂活动,过渡区尽量避免采砂,而沉积区要在政府控制下开采河沙。如果限制采砂量,河沙可以在丰水期后得到充分补充。

2)在大汶河河道内建造沙坝来开采河沙。沙坝式采砂一般在水平面之上进行,适当的采去超出沙坝表面的砂层,而不是挖成坑状,那么沙坝还能持续使用,沙坝表面砂层在洪水季节被一些粘土填充,每年都会有一定沙能被开采。

3)大汶河河道中由于采砂留下了许多采砂坑,这些采砂坑除用来采砂之外,也能作为天然渗池再次被利用。将它们有目的放在小溪和季节性河流旁,可以储存河水和补给地下水。重要一点是这些渗池不能被细小颗粒填充,它们会影响雨水和河水下渗。另外采砂坑要避免成为废弃物填埋场,这样会破坏地下水水质。

5 结论

本文以典型城市济南为例估算了该城市需砂量,平均年需砂量为 66.2×105m3;通过大汶河各水文测站收集到的资料了解了河道内数十年内的来沙情况,由于人为因素,河道各个断面输沙量呈逐年减小的趋势;通过采砂量与需砂量对比,采砂量虽然逐年增加但是无法满足快速城市化对河沙的需求;把每条河流都划分成侵蚀区,过渡区和沉积区,以便于合理确定采砂活动的范围;最后根据野外调查,发现河道采砂对生态环境破坏极大,最后针对大汶河给出了几点合理采砂的意见。

[1]SL42-92,河流泥沙颗粒分析规程[S].

[2]D.Padmalal,K.Maya,S.Sreebha.Environmental effects of river sand m ining：a case from the river catchments of Vembanad lake,Southw est coast of India[J].Environ Geol.2008,54：879-889

[3]张子林,黄立章.浅析鄱阳湖采砂对生态环境的影响[J].江西水利科技.2008,1(34)：7-10

[4]赵群.浅谈闽江下游河道采砂对河床的影响及控制[J].水利科技.2001,1：23-26

[5]Lane EW.Importance of fluvialmorphology in hydraulic Engineering[J].ASCE.1955,1：745-755

[6]Kondolf GM.Hungry water：effectsof dams and gravelm ining on river channels[J].Environ Manage.1997,21：533-551

[7]Collins B,Dunne T.Fluvial geomorphology and river gravelmining：a guide for planners[M].California：California Division of Mines and Geology,1990,28-30

[8]刘永辉,侯庆国,禹敦臣.关于大汶河河道采砂管理情况的调查分析[J].山东水利.2004,9：26-27

[9]SL 423-2008,河道采砂规划编制规程[S].

[10]李振峰.浅谈河道采砂与泄洪[J].黑龙江农业.2003,10：33-34