黃河大北干流河段采砂量分析

門昭宇，侯志軍，侯佼建，薛 海

（1華北水利水電大學，河南 鄭州450045；2黃河水利科學研究院水利部黃河泥沙重點實驗室，河南鄭州450003）

河道砂石是河床的重要組成部分，也是基礎設施建設的重要物質資源，在堤防修筑、工程建筑、填塘固基、吹填造地、燒制灰磚等方面應用廣泛。黃河河道采砂始于20世紀70年代，初期采砂量較小，隨著黃河流域社會經濟的快速發展，對砂石等建筑材料的需求量逐漸加大，采砂規模和范圍也迅速擴大，部分河段甚至出現非法盜采現象。這種無序的采砂活動對河床變形、河道工程及涉河建筑安全、水生態環境保護等諸多方面造成了不利影響［1-2］。

文獻［3-4］就采砂對河勢及航道影響進行了分析，指出開采量及部位是影響河勢的重要因素，且存在滯后性，少量采砂對河勢影響不大，但不受限的采砂是可以影響河勢穩定的。文獻［5］就采砂對河床變形影響進行了試驗研究，認為持續進行河道采砂對局部河床變形有較大影響。文獻［6］認為，采砂直接影響河段的沖淤變化，對河道通航和引水工程等都有很大的影響。文獻［7］認為，過度采砂對河道工程以及周邊的涉水建筑物的穩定性造成了一定的影響。文獻［2，8-10］分析了采砂對生態環境的影響，指出采砂會破壞水生物的棲息環境，影響水生物的繁衍、生存及洄游魚類的遷徙，同時對河流水質造成一定的污染。

河道采砂對河道的影響是多方面的，而采砂量與影響程度成正相關關系，正確獲取現狀河道采砂量，進而合理規劃且有序地采砂是河道長期治理的關鍵所在［11-12］。

黃河北干流河段地處黃河中游，其中河口鎮至禹門口河段為大北干流河段，河段長約725 km，河寬一般為300～800 m。該河段砂石資源豐富，品質優良。隨著兩岸社會經濟的發展，河道采砂活動越來越多，對河道形成的不利影響越來越明顯［13］。因此，弄清黃河大北干流河道采砂量，對河道沖淤計算、河床演變特性分析等是十分必要的。但是，目前還沒有切實有效的手段對黃河的采砂量進行準確計算，筆者利用實地調查、地區經濟指標估算兩種方法對黃河大北干流的采砂量進行系統計算，以期為大北干流河道年均采砂量的確定提供初步依據。

1 采砂量調查分析

1.1 實地調查

2017年11月及2018年3月項目組對大北干流河道采砂情況進行了2次實地調查，調查對象為干流河道兩岸所有采砂場。實地調查范圍為陜西省府谷縣墻頭鄉（蒙陜交界處）、山西省忻州市河曲縣—陜西省榆林市清澗縣石盤鄉，黃河壺口鎮公路橋—黃河禹門口。調查路線以河道兩岸的沿黃公路為主。清澗縣石盤鄉至宜川縣壺口鎮河段的沿黃公路不靠河，則利用奧維高清衛星地圖來確定采砂場位置、采砂船的類型和數量，并統計計算相應采砂量。

實地調查顯示，目前大北干流河段的采砂方式為抽砂船采砂及挖砂，挖砂很少（河曲縣大印砂場），暫不作統計。抽砂船采砂分為沖吸式及鏈斗式，沖吸式采砂船采用高壓水流把河床的泥砂沖起來后，用抽砂泵把含有砂子的渾水抽到岸邊的貯砂場，砂子沉淀下來后清水流回河道。鏈斗式挖砂船由水下四（或五、六）角葉輪將砂石疏松，然后由挖砂斗將疏松后的砂石挖出，經拱形大臂將挖砂鏈斗提升至頂端后翻轉，把砂石倒入圓筒篩，圓筒篩側面加裝沖洗水管提高篩洗效果，然后由圓筒篩將砂子和石子分離后，由皮帶輸送機分別輸送至岸邊采砂場，對于只需要砂子的砂場，則把不需要的卵石排入河中。

野外實地采砂量調查是對河段沿途不同類的采砂船、采砂場數量及分布進行統計，并結合奧維高清衛星地圖對調查結果進行核對、補充，根據不同類型采砂船的年采砂量匯總得出全河段年采砂總量。實地調查可知，沖吸式抽砂船年均采砂量約為2.0萬m3，鏈斗式挖砂船年均挖砂量約為4.0萬m3。經2次現場統計計算，大北干流陜西段的采砂船總數為374臺，其中沖吸式341臺、鏈斗式33臺；山西段的采砂船總數為443臺，其中沖及式402臺、鏈斗式41臺。大北干流河段陜西省、山西省境內采砂量統計分別見表1、表2。

由表1可以看出，大北干流河段陜西省境內年均采砂量為814萬m3，按砂的干容重1.7 t/m3計算，約合1 384萬t。由表2可以看出，大北干流河段山西省境內年均采砂量為968萬m3，約合1 646萬t。兩省合計3 030萬t，即大北干流河段年均采砂量約為0.3億t。考慮到部分采砂場比較隱蔽或禁止調查人員進入，現場調查采砂量結果可能偏小。

表1 大北干流河段陜西省境內采砂量統計

表2 大北干流河段山西省境內采砂量統計

1.2 地區經濟指標估算

河道采砂一般用于沿岸地區經濟建設，所采砂石主要作為建筑業混凝土材料，其采砂量與當地建筑業發展狀況一般高度吻合［14］。 徐建華等［14］曾用水泥產量估算了黃河上中游河道采砂量，因此采用地區經濟發展指標估算用砂量，是河道采砂量統計另一個重要途徑。

現場調查結果顯示，大北干流河道所采砂石基本運往沿岸地區的建筑工地，考慮到經濟因素，河道砂石運距一般在100 km以內，因此統計100 km范圍內地區用沙量可視為河道采砂量。

建筑行業混凝土是砂石和水泥按規范配比而成的，而水泥用量與當地水泥產量是一致的［14］，根據當地水泥用量和水泥砂石配比就可以推算出當地砂石用量。

國家統計局官網相關統計數據顯示［15-16］，不同年份各省第二產業GDP及水泥產量數據齊全，而省內各地市只有第二產業GDP數據，缺乏水泥產量數據，因此應建立全省水泥產量與第二產業GDP的關系，并認為該關系符合省內各地市情況，由此推算出各地市的水泥產量。表3為2007—2016年陜西省、山西省GDP與水泥產量統計，圖1、圖2分別為陜西省、山西省第二產業GDP及水泥產量變化過程。由表3及圖1、圖2可以看出，陜西省水泥產量及第二產業GDP基本為逐年增加趨勢，山西省呈現先增加后減少趨勢，即2013年以前為增加趨勢，之后有所減少。另外還可看出，兩省水泥產量與第二產業GDP同步性較好，尤其是陜西省二者的同步性非常好。建立兩省水泥產量與第二產業GDP的關系（見圖3、圖4），可以看出，二因子間均為線性正相關關系，即兩省水泥產量與相應第二產業GDP存在很好的線性正比關系。假定全省水泥產量與經濟指標建立的關系適用于省內沿黃各地市，通過不同地區的第二產業GDP可求算出該地區的水泥用量。根據國家統計局官網查得的省內不同地區第二產業GDP，求出不同地區第二產業GDP占全省第二產業GDP權重，并認為該權重為不同地區水泥產量占全省水泥產量的權重，由此求出不同地區的水泥產量。大北干流河段沿河地區2016年水泥產量計算結果見表4，可以看出，2016年榆林市水泥產量最大，年產量為1 521.3萬t，其他沿河地市水泥年產量在242萬～625萬t之間。

圖1 陜西省第二產業GDP與水泥產量變化過程

圖2 山西省第二產業GDP與水泥產量變化過程

表3 2007—2016年陜西、山西省GDP與水泥產量統計

圖3 陜西省水泥產量與第二產業GDP的關系

圖4 山西省水泥產量與第二產業GDP的關系

根據文獻［14］的研究成果，水泥與砂子的質量配比一般為1∶1.19～1∶1.82，取均值1∶1.5，由此求出大北干流沿黃各地市砂的用量。計算大北干流河道沿黃100 km范圍內各地市（地區）面積，并計算其所占對應地區面積比值，由某地區面積比值乘以該地區砂的用量，進而得出沿黃不同地區100 km運距范圍內的用砂量，即河道采砂量。

2016年沿黃運距100 km范圍內各地區用砂量計算結果見表5，不同年份采砂量計算結果見表6。

由表6可以看出，沿河地區采砂量自2007—2013年呈現增長趨勢，2013年以后有所減少，但減幅不大。2013年沿河地區采砂量最大，其值為 4 665萬 t；2015—2016年各地區采砂總量穩定在3 500萬 t左右。2007—2016年年均采砂量為3 282萬 t，即0.33億t，2016年采砂量為3 469萬t，與實地調查采砂量3 030萬t差別不大，說明利用地區經濟指標估算方法求算河道采砂量，結果是基本可信的。

表4 2016年大北干流沿黃地區水泥產量

表5 2016年沿河各地區采砂量計算

表6 不同年份沿河各地區采砂量萬t

2 討 論

黃河大北干流河段為山區峽谷型河道，根據以往相關研究成果［17］，1964—1969年吳堡至龍門區間河道淤積 0.264億 t，1970—1979年沖刷 0.058億 t，1980—1988年淤積 0.048億 t，1964—1988年平均年淤積量為0.057億t，河段長時段處于沖淤基本平衡狀態。

文獻［17］對1964—1988年共193場暴雨洪水進行了統計，河段場次洪水平均淤積量為0.009億t，即場次洪水河段沖淤也基本為平衡狀態。

表7為北干流河段吳堡—龍門區間不同場次洪水輸沙量統計，可以看出，2002年以前該河段發生中小洪水時，河道基本為沖淤平衡情況。2012年及2017年發生該類型洪水時，河道表現為淤積，其淤積量分別為0.23億、0.47億t，河道沖淤特性發生了變化。

根據前述該河段的采砂量統計結果，2007年以后大北干流河段采砂量逐年增大，河曲—龍門區間年均采砂量約為0.3億t，其中吳堡—龍門區間年均采砂量約為0.2億t，與2012年淤積量0.23億t基本相等，但小于2017年場次洪水淤積量0.47億t，說明河道采砂對河道沖淤存在一定的影響。

表7 吳堡—龍門區間場次洪水輸沙量

3 結 語

根據野外現場實際調查、區域經濟發展指標估算等方法對黃河大北干流河道的采砂量進行了統計及估算。實地調查結果顯示，黃河大北干流河段近年采砂量約為0.30億t，區域經濟發展指標估算河道采砂量約為0.35億t，二者差別不大。對于多年河道沖淤基本平衡的黃河大北流河段而言，河道大量采砂增加了河道填洼量，對河段沖淤產生了一定影響。河道采砂對河道的影響是多方面的，采砂量及采砂部位為影響河道的重要指標，規范河道采砂，需要相關部門對采砂活動進行合理的規劃與管理。大北干流河段采砂對河道水沙運行規律、防洪安全及生態環境等方面的影響還需要進一步研究。