黄河大北干流河段采砂量分析

门昭宇，侯志军，侯佼建，薛 海

（1华北水利水电大学，河南 郑州450045；2黄河水利科学研究院水利部黄河泥沙重点实验室，河南郑州450003）

河道砂石是河床的重要组成部分，也是基础设施建设的重要物质资源，在堤防修筑、工程建筑、填塘固基、吹填造地、烧制灰砖等方面应用广泛。黄河河道采砂始于20世纪70年代，初期采砂量较小，随着黄河流域社会经济的快速发展，对砂石等建筑材料的需求量逐渐加大，采砂规模和范围也迅速扩大，部分河段甚至出现非法盗采现象。这种无序的采砂活动对河床变形、河道工程及涉河建筑安全、水生态环境保护等诸多方面造成了不利影响［1-2］。

文献［3-4］就采砂对河势及航道影响进行了分析，指出开采量及部位是影响河势的重要因素，且存在滞后性，少量采砂对河势影响不大，但不受限的采砂是可以影响河势稳定的。文献［5］就采砂对河床变形影响进行了试验研究，认为持续进行河道采砂对局部河床变形有较大影响。文献［6］认为，采砂直接影响河段的冲淤变化，对河道通航和引水工程等都有很大的影响。文献［7］认为，过度采砂对河道工程以及周边的涉水建筑物的稳定性造成了一定的影响。文献［2，8-10］分析了采砂对生态环境的影响，指出采砂会破坏水生物的栖息环境，影响水生物的繁衍、生存及洄游鱼类的迁徙，同时对河流水质造成一定的污染。

河道采砂对河道的影响是多方面的，而采砂量与影响程度成正相关关系，正确获取现状河道采砂量，进而合理规划且有序地采砂是河道长期治理的关键所在［11-12］。

黄河北干流河段地处黄河中游，其中河口镇至禹门口河段为大北干流河段，河段长约725 km，河宽一般为300～800 m。该河段砂石资源丰富，品质优良。随着两岸社会经济的发展，河道采砂活动越来越多，对河道形成的不利影响越来越明显［13］。因此，弄清黄河大北干流河道采砂量，对河道冲淤计算、河床演变特性分析等是十分必要的。但是，目前还没有切实有效的手段对黄河的采砂量进行准确计算，笔者利用实地调查、地区经济指标估算两种方法对黄河大北干流的采砂量进行系统计算，以期为大北干流河道年均采砂量的确定提供初步依据。

1 采砂量调查分析

1.1 实地调查

2017年11月及2018年3月项目组对大北干流河道采砂情况进行了2次实地调查，调查对象为干流河道两岸所有采砂场。实地调查范围为陕西省府谷县墙头乡（蒙陕交界处）、山西省忻州市河曲县—陕西省榆林市清涧县石盘乡，黄河壶口镇公路桥—黄河禹门口。调查路线以河道两岸的沿黄公路为主。清涧县石盘乡至宜川县壶口镇河段的沿黄公路不靠河，则利用奥维高清卫星地图来确定采砂场位置、采砂船的类型和数量，并统计计算相应采砂量。

实地调查显示，目前大北干流河段的采砂方式为抽砂船采砂及挖砂，挖砂很少（河曲县大印砂场），暂不作统计。抽砂船采砂分为冲吸式及链斗式，冲吸式采砂船采用高压水流把河床的泥砂冲起来后，用抽砂泵把含有砂子的浑水抽到岸边的贮砂场，砂子沉淀下来后清水流回河道。链斗式挖砂船由水下四（或五、六）角叶轮将砂石疏松，然后由挖砂斗将疏松后的砂石挖出，经拱形大臂将挖砂链斗提升至顶端后翻转，把砂石倒入圆筒筛，圆筒筛侧面加装冲洗水管提高筛洗效果，然后由圆筒筛将砂子和石子分离后，由皮带输送机分别输送至岸边采砂场，对于只需要砂子的砂场，则把不需要的卵石排入河中。

野外实地采砂量调查是对河段沿途不同类的采砂船、采砂场数量及分布进行统计，并结合奥维高清卫星地图对调查结果进行核对、补充，根据不同类型采砂船的年采砂量汇总得出全河段年采砂总量。实地调查可知，冲吸式抽砂船年均采砂量约为2.0万m3，链斗式挖砂船年均挖砂量约为4.0万m3。经2次现场统计计算，大北干流陕西段的采砂船总数为374台，其中冲吸式341台、链斗式33台；山西段的采砂船总数为443台，其中冲及式402台、链斗式41台。大北干流河段陕西省、山西省境内采砂量统计分别见表1、表2。

由表1可以看出，大北干流河段陕西省境内年均采砂量为814万m3，按砂的干容重1.7 t/m3计算，约合1 384万t。由表2可以看出，大北干流河段山西省境内年均采砂量为968万m3，约合1 646万t。两省合计3 030万t，即大北干流河段年均采砂量约为0.3亿t。考虑到部分采砂场比较隐蔽或禁止调查人员进入，现场调查采砂量结果可能偏小。

表1 大北干流河段陕西省境内采砂量统计

表2 大北干流河段山西省境内采砂量统计

1.2 地区经济指标估算

河道采砂一般用于沿岸地区经济建设，所采砂石主要作为建筑业混凝土材料，其采砂量与当地建筑业发展状况一般高度吻合［14］。 徐建华等［14］曾用水泥产量估算了黄河上中游河道采砂量，因此采用地区经济发展指标估算用砂量，是河道采砂量统计另一个重要途径。

现场调查结果显示，大北干流河道所采砂石基本运往沿岸地区的建筑工地，考虑到经济因素，河道砂石运距一般在100 km以内，因此统计100 km范围内地区用沙量可视为河道采砂量。

建筑行业混凝土是砂石和水泥按规范配比而成的，而水泥用量与当地水泥产量是一致的［14］，根据当地水泥用量和水泥砂石配比就可以推算出当地砂石用量。

国家统计局官网相关统计数据显示［15-16］，不同年份各省第二产业GDP及水泥产量数据齐全，而省内各地市只有第二产业GDP数据，缺乏水泥产量数据，因此应建立全省水泥产量与第二产业GDP的关系，并认为该关系符合省内各地市情况，由此推算出各地市的水泥产量。表3为2007—2016年陕西省、山西省GDP与水泥产量统计，图1、图2分别为陕西省、山西省第二产业GDP及水泥产量变化过程。由表3及图1、图2可以看出，陕西省水泥产量及第二产业GDP基本为逐年增加趋势，山西省呈现先增加后减少趋势，即2013年以前为增加趋势，之后有所减少。另外还可看出，两省水泥产量与第二产业GDP同步性较好，尤其是陕西省二者的同步性非常好。建立两省水泥产量与第二产业GDP的关系（见图3、图4），可以看出，二因子间均为线性正相关关系，即两省水泥产量与相应第二产业GDP存在很好的线性正比关系。假定全省水泥产量与经济指标建立的关系适用于省内沿黄各地市，通过不同地区的第二产业GDP可求算出该地区的水泥用量。根据国家统计局官网查得的省内不同地区第二产业GDP，求出不同地区第二产业GDP占全省第二产业GDP权重，并认为该权重为不同地区水泥产量占全省水泥产量的权重，由此求出不同地区的水泥产量。大北干流河段沿河地区2016年水泥产量计算结果见表4，可以看出，2016年榆林市水泥产量最大，年产量为1 521.3万t，其他沿河地市水泥年产量在242万～625万t之间。

图1 陕西省第二产业GDP与水泥产量变化过程

图2 山西省第二产业GDP与水泥产量变化过程

表3 2007—2016年陕西、山西省GDP与水泥产量统计

图3 陕西省水泥产量与第二产业GDP的关系

图4 山西省水泥产量与第二产业GDP的关系

根据文献［14］的研究成果，水泥与砂子的质量配比一般为1∶1.19～1∶1.82，取均值1∶1.5，由此求出大北干流沿黄各地市砂的用量。计算大北干流河道沿黄100 km范围内各地市（地区）面积，并计算其所占对应地区面积比值，由某地区面积比值乘以该地区砂的用量，进而得出沿黄不同地区100 km运距范围内的用砂量，即河道采砂量。

2016年沿黄运距100 km范围内各地区用砂量计算结果见表5，不同年份采砂量计算结果见表6。

由表6可以看出，沿河地区采砂量自2007—2013年呈现增长趋势，2013年以后有所减少，但减幅不大。2013年沿河地区采砂量最大，其值为 4 665万 t；2015—2016年各地区采砂总量稳定在3 500万 t左右。2007—2016年年均采砂量为3 282万 t，即0.33亿t，2016年采砂量为3 469万t，与实地调查采砂量3 030万t差别不大，说明利用地区经济指标估算方法求算河道采砂量，结果是基本可信的。

表4 2016年大北干流沿黄地区水泥产量

表5 2016年沿河各地区采砂量计算

表6 不同年份沿河各地区采砂量万t

2 讨 论

黄河大北干流河段为山区峡谷型河道，根据以往相关研究成果［17］，1964—1969年吴堡至龙门区间河道淤积 0.264亿 t，1970—1979年冲刷 0.058亿 t，1980—1988年淤积 0.048亿 t，1964—1988年平均年淤积量为0.057亿t，河段长时段处于冲淤基本平衡状态。

文献［17］对1964—1988年共193场暴雨洪水进行了统计，河段场次洪水平均淤积量为0.009亿t，即场次洪水河段冲淤也基本为平衡状态。

表7为北干流河段吴堡—龙门区间不同场次洪水输沙量统计，可以看出，2002年以前该河段发生中小洪水时，河道基本为冲淤平衡情况。2012年及2017年发生该类型洪水时，河道表现为淤积，其淤积量分别为0.23亿、0.47亿t，河道冲淤特性发生了变化。

根据前述该河段的采砂量统计结果，2007年以后大北干流河段采砂量逐年增大，河曲—龙门区间年均采砂量约为0.3亿t，其中吴堡—龙门区间年均采砂量约为0.2亿t，与2012年淤积量0.23亿t基本相等，但小于2017年场次洪水淤积量0.47亿t，说明河道采砂对河道冲淤存在一定的影响。

表7 吴堡—龙门区间场次洪水输沙量

3 结 语

根据野外现场实际调查、区域经济发展指标估算等方法对黄河大北干流河道的采砂量进行了统计及估算。实地调查结果显示，黄河大北干流河段近年采砂量约为0.30亿t，区域经济发展指标估算河道采砂量约为0.35亿t，二者差别不大。对于多年河道冲淤基本平衡的黄河大北流河段而言，河道大量采砂增加了河道填洼量，对河段冲淤产生了一定影响。河道采砂对河道的影响是多方面的，采砂量及采砂部位为影响河道的重要指标，规范河道采砂，需要相关部门对采砂活动进行合理的规划与管理。大北干流河段采砂对河道水沙运行规律、防洪安全及生态环境等方面的影响还需要进一步研究。