荆江河段与洞庭湖水系的采砂量计算分析

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(1.长沙理工大学 水利工程学院，长沙 410114；2.长沙理工大学 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室， 长沙 410114；3.国务院南水北调工程建设委员会办公室 政策及技术研究中心，北京 100038)

1 研究背景

近20 a来，随着我国城镇化和基础设施建设快速发展，城市建筑、高速公路、铁路、港口码头、航道整治、水利水电工程等对建筑用砂的需求呈现持续增长的局面。目前，河道采砂在全国各大江河均普遍存在，在经济利益的驱动下，部分河段出现非法采砂活动，实际采砂量远大于行政许可部门规划的采砂量。过度采砂势必造成河床下切、河岸侵蚀和水生生物栖息地破坏等一系列的河床演变和河流生态环境问题[1-3]。因此，可持续的河道采砂必须以不影响河势稳定、防洪安全、通航安全和河流生态为前提[4]。依法有序且科学采砂有利于河床冲淤平衡、航道安全运行以及河流生态健康良好，同时使河流泥沙资源能够产生一定的经济价值[5]。河道内乱采滥挖则可能使水流散乱、河床切深、沿岸取水困难，难以保证船舶安全通行所需航道宽度与水深，而且还可能引起局部崩岸，进而危及防洪安全[6]。因此，有限度的采砂规划与管理对河道演变、生态环境以及地方经济的可持续发展都具有重要意义。

荆江河段与洞庭湖水系的采砂对河道水沙过程、河床冲淤以及河道演变已产生较重要的影响，而且过度采砂对当地以及周边的生态环境、涉水建筑物、河岸及堤防稳定性产生不利影响[7]。目前，国内外对于河道采砂的研究已有较多成果[8-12]，如：Bonta[10]应用Modified Universal Soil Loss Equation模型以模拟采沙坑的演变过程；Lanzoni等[11]基于一维水沙数学模型，分析了采砂河段整体达到冲淤稳定的动态平衡条件；毛野等[12]结合长江镇江段的微尺度模型试验，研究了顺直、弯曲和分汊的典型河道不同部位的大规模采砂对河床局部变形以及对河段变形的极限影响。以上诸多研究虽然对河道采砂的影响已有较深入的认识，但是鲜有关于较准确估算河道采砂量的定量方法。目前，荆江河道与洞庭湖水系的采砂量数据和计算尚缺乏研究报道，不利于有效评估人工采砂对河床演变和河流生态的不利影响。

本文利用Google Earth历年遥感影像和最近10 a全国以及本地区年水泥产量作为基础数据，采用体积公式法、水泥产量估算法和采砂船只估算法对荆江河道与洞庭湖水系的采砂量进行计算并对比验证，并分析了3种计算方法的误差，其研究结果为本地区合理控制采砂量和维持荆江和洞庭湖的关系协调提供了一定参考依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

以Google Earth的遥感影像、近10 a全国以及本地区的年水泥产量作为本研究的基础数据。历年全国的水泥产量数据来源于文献[13]。历年湖南、湖北的年水泥产量来源于国家统计局官方网站。

2.2 研究方法

2.2.1 体积计算公式

通过Google Earth遥感影像对荆江河段(葛洲坝至城陵矶)、洞庭湖区以及湘资沅澧四水干流的主要采砂河段的附近砂场中的砂堆进行编号，把砂堆概化为一个圆锥体，利用Google Earth软件的显示标尺测量其直径，堆的高度利用砂堆直径估算，计算公式为H=R/(2tanθ)，砂堆的休止角θ统一取35°，最后按照圆锥体体积公式计算砂堆体积，即

V=SH/3 。

(1)

式中：V为砂堆的体积；S为砂堆占地的底面积；H为砂堆的高度。计算得到的总体积换算成质量，取砂的堆积密度为1.35 t/m3。通过计算得到的采砂质量为一个时间周期内的采砂量，计算年采砂量为单周期采砂量与年内周期数的乘积，年内采砂周期通过遥感影像观测统计得到。

为了较准确得到采砂场年内采砂周期数，本文选取历史遥感影像较密集的区间段，观察并估算区间段的砂堆在前后不同拍摄时间内堆放和运走所经历的最短周期。图1反映同一典型砂堆不同时刻堆放以及运走的情况。本文选取10个代表性较强的典型砂堆(见表1)，在软件中对比观察同一个砂堆不同时间的历史图像。

图1 典型砂堆不同时间的对比影像Fig.1 Comparison of typical sand piles on different dates

河段经度纬度拍摄日期荆江111°45′3.48"E 30°25′17.69"N2015-04-21荆江111°46′40.01"E30°25′12.60"N2015-04-21荆江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 水泥产量估算法

通过湖南和湖北两省的水泥产量、水泥使用中水泥与砂石的比例以及消耗的水泥量来估算采砂量。这里假定两省水泥不跨省外运，生产的水泥当年基本消耗完，并且各省(区)在各自流域生产和使用的水泥比例与各省区在各自流域的GDP占比基本一致[14]。借用各省(区)在各自流域的GDP占比来确定消耗的水泥比例，以此来计算出枝城至城陵矶河段、洞庭湖水系的水泥消耗量。

国家统计局官方网站提供的数据显示，2015年全国水泥产量为23.48亿 t，其中湖南和湖北水泥产量和2015年荆江以及洞庭湖水系水泥消耗量见表2。

表2 2015年湖南和湖北两省水泥产量及各自流域内 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“流域内GDP占比”为洞庭湖区及湘资沅澧四水流域的GDP占全省GDP的比例；湖北省的“流域内GDP占比”为葛洲坝至城陵矶河段GDP占全省GDP的比例

2.2.3 采砂船只估算法

通过遥感影像分析，枝城至城陵矶河段两岸约有130个砂石料场，湘资沅澧四水干流附近大概分布有500个砂石料场。其中，湘江干流沿岸附近约有180个砂石料场，资江干流沿岸约有140个砂石料场，沅江干流沿岸约有100个砂石料场，澧江干流约有80个砂石料场。这些砂场料场的规模大小不一，大体可以分为4类，从特大型、大型、中型到小型均有分布，其中以大型和中型的砂石料场分布居多。需要指出的是，在某些禁采区、保留区存在采砂违法行为，其开采量难以取证调查。

通过遥感影像来统计葛洲坝至城陵矶河段、洞庭湖区以及湘资沅澧四水干流上的采砂船数量。根据采砂船的年工作天数、工作时间和开采能力的调查来估算采砂量W，其计算公式[15-16]为

W=DTR。

(2)

式中：D为1 a中适合采砂的天数(d)，将1 a中平均流量<20 000 m3/s的天数作为可采砂天数(流量>20 000 m3/s的天数暂不考虑)，这里D取200～300 d；T为采砂船的作业时间(h)，由于采砂船在白天、夜间均有作业活动，但以夜间采砂为主，综合考虑，每条采砂船每天平均工作5～8 h；R为采砂船采砂能力或效率(t/h)，根据调查，大型或特大型采砂船平均采砂效率为150 t/h，中型采砂船为100 t/h，小型采砂船为50 t/h。

3 研究结果

3.1 葛洲坝至城陵矶河段采砂量计算结果

3.1.1 遥感影像估算法的计算结果

荆江河段为禁采区，其两岸附近的采砂场中的砂石主要有2个来源：一个来自于从外地搬运过来的运砂船；另一个来自于当地非法采砂。

通过遥感影像对比，估计一个采砂周期约为2个月，1 a有6个采砂周期。对遥感影像的砂堆进行编号及体积计算，2015年枝城—城陵矶河段一个周期内的采砂体积为4.6×106m3，该河段一个周期内的采砂量为6.22×106t(见表3)，1 a的采砂量为3.7×107t。由于对非法采砂得到的采砂量难以取证调查，所以对其估算一个范围，取60%～80%作为该河段的采砂量。2015年采砂总量为(2.2～3.0)×107t。

表3 2015年葛洲坝—城陵矶河段遥感影像采砂量估算Table 3 Estimated amount of sand excavation in the reach from Gezhouba to Chenglingji in 2015

3.1.2 水泥产量估算法的采砂量结果

2015年葛洲坝—城陵矶河段水泥消耗量为2.2×107t，占全国水泥产量的0.94%。假定2006—2015年枝城—城陵矶河段水泥消耗量占全国产量的比例与2015年相同，可计算得到2006—2015年该河段逐年的水泥消耗量。表4为2006—2015年葛洲坝—城陵矶河段逐年的水泥和砂使用量。

注：2006—2015年全国水泥产量来自国家统计局；1∶1.19为水泥与大砂比例的下限，1∶1.82为水泥与大砂比例的平均值[17]

由表4可知，2006—2015年该河段年均消耗水泥1.8×107t。2006—2015年葛洲坝—城陵矶河段平均年采砂量为(2.1～3.3)×107t。2015年采砂量为(2.6～4.0)×107t，近5 a的采砂量变化幅度较小，总体趋于稳定。

3.1.3 采砂船只估算法的结果

通过遥感影像的观测统计，2015年葛洲坝—城陵矶河段上的采砂船只约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。根据采砂船的数量、开采能力或效率、作业时间的调查，经过初步计算，葛洲坝—城陵矶河段内采砂量约为(1.6～3.7)×107t。

3.2 洞庭湖区及湘资沅澧四水干流采砂量计算结果

3.2.1 通过遥感影像的计算结果

根据《湖南省湘资沅澧干流及洞庭湖河道采砂规划(2012―2016年)》的规定[18]，洞庭湖及四水的禁采期均为2个月，其中湘江禁采期为5—6月份，洞庭湖、资江、沅江以及澧江的禁采期为6—7月份，所以洞庭湖区及湘资沅澧四水干流减少一个采砂周期，1 a共有5个采砂周期。表5为洞庭湖区及湘资沅澧四水干流一个采砂周期内的采砂量。计算结果为2015年湘江年采砂量为4.1×107t，资江年采砂量为2.7×107t，沅江年采砂量为2.2×107t，澧江年采砂量为1.7×107t，洞庭湖区年采砂量为2.0×107t，见表5。因此，洞庭湖水系年采砂总量为1.3×108t。

表5 2015年一个周期内洞庭湖区及四水干流的 遥感影像采砂量估算Table 5 Estimated amount of sand excavation in the Dongting Lake and mainstreams of four rivers in a sand excavation period of 2015

通过对上述地区遥感影像的观察，发现近几年的采砂点位置和数量总体变化不大，2015年该地区的年采砂总量可近似作为近4 a的年均采砂总量。

3.2.2 水泥产量估算的采砂量结果

2015年洞庭湖区及湘资沅澧四水干流流域水泥消耗量为1.05×108t，占全国水泥产量的4.45%。假定2006—2015年洞庭湖水系逐年水泥消耗量占全国的比例与2015年相同，可计算2006—2015年洞庭湖水系逐年的水泥消耗量。表6为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年洞庭湖区及湘资沅澧四水干流平均年采砂量为(1.01～1.55)×108t。对于洞庭湖区及湘资沅澧四水的水沙关系和河床演变，河道采砂量是不可忽略的一个因素。2015年洞庭湖水系年采砂量为(1.25～1.91)×108t，但近3 a的采砂量变化幅度不大，趋于稳定。

3.2.3 采砂船只法估算结果

通过对历年遥感影像资料中采砂船的统计可知，洞庭湖区及湘资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。根据采砂船的年工作天数、工作时间和开采能力的调查，经计算，洞庭湖水系年采砂量约为(0.81～1.94)×108t。

4 误差分析

葛洲坝—城陵矶河段的采砂量采用3种方法计算的结果都较接近，误差范围不大，可较为客观地反映该河段的实际采砂总量。不同方法计算的结果可以相互验证，2015年该河段实际的采砂总量估计为(2.6～3.0)×107t。

洞庭湖水系的总采砂量用体积公式法与水泥产量法计算得到的结果也较接近，其中用体积公式法计算得到的采砂总量与《湖南省湘资沅澧干流及洞庭湖河道采砂规划(2012―2016年)》中的年采砂控制总量1.2×108t误差较小，较为真实地反映出该地区的实际采砂总量(表7)。2015年洞庭湖水系的采砂总量估计约为1.3×108t。

表7 3种方法计算的采砂总量Table 7 Amounts of sand excavation calculated by three methods

由于计算上述地区采砂量所采用的3种计算方法都存在一定局限性，所以3种计算方法得到的结果都具有相应的误差。

体积公式法计算结果的主要误差在于：①把砂堆概化为圆锥体，用体积公式计算，但实际情况下呈圆锥体的砂堆数量较多但不是全部，一些砂堆呈现为不规则的圆台和棱台形状；②某些年份的遥感影像缺乏或不连续，导致砂场采运砂周期数失准；③受区域遥感影像的分辨率限制，局部区段砂堆直径的测量值与实际尺寸略有不同。

水泥产量估算结果的主要误差来源：①假定该地区水泥使用量占该省的比例与该区域GDP占全省的比例相同，可能与实际情况并不一致；②生产的水泥不外运且当年基本消耗完；③开采的砂和砂卵石，砂卵石可用于修路，也可少量用于混凝土，一般不返回河道，导致上述估算的采砂量偏保守。

采砂船估算结果的主要误差来源：①某些年份的遥感影像缺乏且小部分区域的遥感影像精度有限；②不同地区遥感影像的不连续导致采砂船的重复统计；③采砂船只估算法的参数选取范围较大。

5 结 论

(1)2015年葛洲坝—城陵矶河段的年采砂总量约(2.6～3.0)×107t，且近5 a的年采砂量变化幅度不大。这主要归功于长江采砂的强制性管理得到实施。随着《长江中下游干流河道采砂规划(2016—2020年)》的实施，据此估计未来5 a内的采砂总量仍稳定在(2.0～3.0)×107t。

(2)2015年洞庭湖水系年采砂量约1.3亿t，且近3 a的年采砂量变化也不大，很大一部分原因是《湖南省湘资沅澧干流及洞庭湖河道采砂规划(2012―2016年)》的颁布与实施以及中央环保督查、地方政府和管理部门的监督与管理加强。随着2017年《湖南省河道采砂管理办法》的颁布与实施，在未来几年内，洞庭湖水系年采砂量将最多维持在(1.2～2.0)亿 t。

本文采用体积公式法、水泥产量估算法、采砂船只估算法3种方法计算葛洲坝—城陵矶河段以及洞庭湖水系的年采砂量，可从不同的侧面得出上述地区实际采砂量的范围，对该地区河床演变、冲淤特性分析及航道整治提供重要参考。但是，每种方法都存在一定的计算误差，为了进一步提高计算结果的精度，减少与实际采砂量的误差，需要搜集和实测采砂量的数据进行修正与校核。河道采砂是影响新形势下荆江与洞庭湖相互作用的一个重要因素，由河道采砂引起的一系列问题还需要深入研究。