湘資沅澧四水采砂影響綜合評價體系與方法

苗東昊, 鐘艷紅，邵東國, 趙明漢, 朱詩好

(1. 武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢 430072；2.湖南省洞庭湖水利工程管理局，湖南 長沙 410007)

隨著基礎設施建設和房地產的發展，全國砂石骨料需求逐年攀升。據中國砂石協會統計，我國砂石用量在2007年突破100億t，2012—2016年達到160～180億t，至2018年以后突破200億t。河道砂石是砂石骨料的重要來源，砂石需求的增長引起各地河道采砂規模加劇，加之規劃、監管的不到位，導致諸多問題逐步顯現。如河道采砂活動超出其合理范圍，采砂量超過控制采量、采砂范圍延伸到不宜采砂的生態保護區，故探究河道采砂影響成為國內外的熱點。D.Padmalal等全面涵蓋河道結構、砂石開采影響、砂石開采模式、影響評價及管理對策等多個方面，系統闡釋了河道采砂研究框架[1]；高耶等對采砂造成的地貌、水文情勢、水質及水生態影響進行了全面的綜述性介紹[2]。Kondolf 等將經過砂石開采的河流表述為“hungry water”，提出河道采砂對采區上下游存在整體性影響[3]。Vishal Kamboj等從水質、水生物及岸邊生物多樣性、河岸景觀等對河道采砂的生態環境影響做了介紹[4]；王剛等提出采砂坑距地方的距離及深度對堤防安全影響顯著[5]；李健開展了水沙數學模型對多種工況下的沙坑對河道局部流場、地形演變和懸移質含沙濃度分布的影響[6]；楊興菊等通過采砂對河床演變的影響分析得到采砂對通航等方面的影響[7]?？梢妵鴥韧鈱W者就采砂在河床[8]、流場[9]、防洪[10]、通航[11]、水資源開發利用[12]及水生態環境[13]等不同方面的影響進行了相當充分的研究。

然而，采砂對河流的影響是一個系統性問題，某一方面的影響結論往往不具代表性，故需進行綜合評價。綜合評價作為一種能夠全面考慮影響因素的評價方式，目前已提出多種綜合評價方法。針對已有河道采砂評價往往著重某一方面影響，且較少量化影響等級，基于綜合評價的特點，本文將綜合評價方法應用于采砂影響評價中。另外，彭艷等針對非法采砂提出了公共利益損失評估體系[14]；劉丹等根據采砂管理提出了河道健康評價指標體系[15]；賴永輝等基于適度性的概念提出了采砂影響評價指標體系[16]等一系列采砂影響評價指標體系，肖宜等提出水利工程項目效益評價支持系統[17]，但根據相應體系進行量化評價的較少。故本文構建了控制采砂效益綜合評價指標體系，并在其基礎上對湘資沅澧四水(以下簡稱“四水”)干流河道采砂影響進行綜合評價，從而反映控制采砂效果。

本文通過調查研究，分類對四水控制采砂效果進行分析和綜合評價。對各類指標的實際變化進行分析，探究控制采砂前后的影響的變化。以熵值法和模糊層次分析法進行綜合評價，在獲得總體影響程度的同時，實現了評價結果的定量化，實現了控采效果的清晰定位。通過評價探究采砂規劃控制采砂的效果，并為四水未來的采砂規劃制訂提供建議。作為長江的重要支流，四水控制采砂效果評價對長江流域大保護政策的實施具有積極意義。同時，后續的采砂規劃應與以河湖長制為核心的河湖管理體系緊密結合，共同發展。

1 四水采砂規劃及現狀

1.1 四水流域及采砂規劃情況

湘資沅澧四水是湖南省四條主要河流，匯入洞庭湖，最終流入長江，是長江的重要支流，也是長江流域的重要河流。湖南省重要城市基本均分布于四水沿岸，見圖1。四水作為沿線城市的重要水源地，承載著用水、防洪、航運和生態承載等重要職責。

圖1 湖南省四水分布圖

四水河道砂石是湖南省及周邊地區重要的砂石骨料來源。多年的不規范采砂導致防洪、通航和水環境水生態等多種影響凸顯，故湖南省制訂了《四水采砂規劃2012—2016年》以期加強對四水采砂活動的科學指導，保護四水生態環境，維持四水流域社會經濟健康發展。規劃對采砂進行了多個方面的規定：a、采砂區域：根據防洪、航運、用水、生態、河勢穩定等不同方面的要求劃定采區和禁采區；b、采砂規模：按照歷史砂石儲量及未來砂石淤積量制定，可見采砂規劃前后采砂規模和采砂量顯著減少，僅澧水的采砂量在規劃后有上升；c、采砂方式和時間：以對河道影響最小規定采砂方式，根據河道水文規律和安全生產要求規定采砂時間，見表1。

1.2 采砂現狀及問題

湘資沅澧四水是湖南省及周邊重要的砂石骨料產地，砂石質量高，市場需求量大。根據作者等對四水采砂規劃實施前后的現場訪談和調研，發現四水采砂在《規劃》出臺前存在著諸多問題，同時根據多則新聞報道和文獻記錄，問題主要體現在：①采用吸砂船吸砂等破壞性采砂方式；②采砂深度限制不夠，導致河床下切嚴重；③砂石開采及堆放方式不合理，導致河床及岸邊帶出現砂石堆，影響河道景觀和通航安全；④偷采盜采時有發生，對河勢穩定造成不可估量的影響；⑤對生物棲息地影響大，造成魚類及底棲類動物生存受到威脅；⑥采砂船排放及砂石解吸污染物影響水質；⑦規劃落實不夠徹底，存在超時采砂、禁采期及禁采區域采砂的情況。

表1 四水采砂規劃出臺前后對比

2 控制采砂效果分析

為探究河道控制采砂對河流各個方面的影響的改變效果，本文對四水斷面、水位、水質等方面在采砂規劃執行前后的變化及趨勢進行對比分析。

2.1 斷面變化

斷面尺寸是反映河道采砂對河流影響的顯著指標。對2010—2014年四水各典型站點的河床斷面變化進行分析，如圖2所示。

湘潭斷面規劃實施前后斷面整體下切，且2013—2014年期間斷面下切程度較高，可見此期間控制采砂產生影響，而2012—2013年及規劃前年份變化較?。缓怅枖嗝婵梢娨巹潓嵤┣昂螅筱庀虑?，右汊淤積，且2013—2014年變化幅度較大，2012—2013年處于淤積的狀態，其余時段為非控制采砂期，變化不明顯；桃江斷面中部偏右部分變化幅度較大， 2012—2013年斷面右汊存在淤積，2010—2011年右岸向外延伸，其余時段變化較小，可見控制采砂對河段斷面有恢復作用；桃源斷面規劃前后可見全斷面除右汊一小部分的有下切外，基本處于淤積狀態(2010—2011年右汊淤積、2011—2013年中汊淤積、2013—2014年左中汊淤積)，且規劃前較規劃后變化幅度較大，可見控制采砂使斷面變化趨于穩定；石門斷面在規劃期間變化幅度不大，僅在2010—2011年發生了較大的變幅，整體控制采砂保持了河道的穩定。

(a)湘潭站

(b)衡陽站

(c)桃江站

(d)桃源站

(e)石門站圖2 四水典型站點斷面變化

2.2 水位變化

河道水位隨河道的沖於而變化，河道水位變化顯著體現河道采砂的影響。由于河流水位和流量存在較強的相關性，水位站點之間的水位差值較之水位值受河床形態的變化更顯著，其變化程度更能體現采砂影響大小，并反映控采的效果。

以四水六個河段2011—2016年的水位差日數據系列為基礎，同序列數據除以數據總和得到相應系數pij，采用熵值法，計算每年日數據權重的熵值總和ei，熵值越小，則表示水位變化程度越大。具體算法見公式(1)、(2)及文獻[18]。得到各年的水位變化情況，如圖3所示。

(1)

(2)

圖3 四水歷年水位變化

根據水位變化趨勢，可見湘江在2012—2014年間評價值均有上升，其余時間處于下降，可見2012—2014年間影響較小，其余時段影響加大，2015—2016年變化最大；資水變幅波動較大，在2012—2013年及2014—2015年均有變化評價值的上升，可見在此期間資水水位變幅較小，而2013—2014年期間水位變幅較大；沅水可見趨勢與資水相同，且在2015—2016年水位變幅最顯著；澧水在2013—2014年及2015—2016年評價值有上升，且2013—2014年期間水位變幅最大。

2.3 水質變化

采砂期間的水質變化趨勢是評價采砂影響的重要依據。根據四水典型站點株洲、湘潭、長沙(湘江)，桃江(資水)，桃源(沅水)及津市(澧水)歷年水質監測月數據，對四水進行了M-K趨勢分析，通過趨勢值和顯著性為判斷依據，判斷四水水質變化趨勢。根據四水水質特點，提取主要的幾種水質指標進行檢驗，包括重金屬元素鎘與砷(根據四水重金屬情況研究)[19-21]、溶解氧(河流水質重要指標)、氨氮、總磷(河流水體營養化程度)。PHS方法將流量作為協變量，進行水質變化趨勢研究，得到流量影響下的水質變化趨勢值及顯著性，原理及方法見文獻[22-23]。

通過季節性M-K檢驗，得到如下水質變化趨勢性及顯著性，見圖4。

PHS方法通過將流量作為協變量，排除流量的影響，得到水質變化趨勢性及顯著性，見圖5。

圖5 四水各站水質變化趨勢性及顯著性(PHS方法)

根據M-K方法及PHS方法原理，水質變化趨勢判斷準則見表2。

表2 水質變化趨勢判斷準則

通過兩方法對水質變化趨勢及顯著性的檢驗，得到如下趨勢。通過M-K方法檢驗及PHS方法結果對比，除津市站以外，其余站點在以流量作為協變量分析后，均有部分指標趨勢發生了變化?？梢娏髁繉λ|變化有影響，說明PHS方法所得結果更具代表性?？梢婇L沙站、桃源站、津市站氨氮指標有上升趨勢，桃源站、津市站鎘指標有上升趨勢、株洲站砷指標有上升趨勢；除此外其余指標均為無顯著趨勢及下降趨勢，可見在桃源站、津市站和株洲站的重金屬指標有上升的趨勢，可見采砂對湘江、沅水及澧水的重金屬狀況有影響。

3 控制采砂效果綜合評價

控制采砂效果，等同于采砂影響的變化，作為一個系統問題，控制采砂的效果同采砂相關的各個方面總有直接或間接的聯系。國內外學者針對采砂活動影響的研究中，通常包括對于某一方面影響的深入研究以及對于總體影響的綜述性介紹。以定量化表述為手段的采砂影響綜合評價較少，主要原因是缺乏對于采砂影響程度的判斷依據，同時采砂及相關影響方面數據難以收集且具有時效性。故定量化綜合評價采砂影響具有一定創新性。對于控制采砂效果的評價即通過控制采砂前后影響的程度變化判斷其效果。

3.1 評價指標體系

目前國內外學者從公共利益損失評估、河道健康、河流自適應與恢復能力以及可持續發展等多個角度，提出了采砂影響評價指標體系。根據過往研究，本文以整體性、科學性、系統性、易操作性為主要原則，對控制采砂效果評價指標體系從水沙條件、水生態環境、社會經濟三個方面進行研究。

水沙條件：采砂將導致河道地形發生變化，該變化體現在水位變化方面體現較為顯著，同時采砂對砂石開采使河床砂石含量及配置發生變化，導致河道輸沙量發生變化。且由于采砂對于河床的擾動也將導致含沙量的變化，故應用以上指標作為河道水沙平衡代表指標。

水環境水生態：采砂對水環境影響主要體現在水質方面。河流采砂的底泥擾動將會導致重金屬的解吸，重金屬也是湖南四水的重要關注指標。同時CODMn代表了河流耗氧污染物的變化程度。而采砂對水生態的影響首先體現于水生物的增減，以魚類的產量為代表，同時BOD5、DO和氨氮是河流水生態及水華發生的重要指示水質指標，故采用以上指標作為水環境水生態代表指標。

社會經濟：在社會經濟層面，GDP、房屋建筑面積和人口的增加會增加砂石資源的需求，引起采砂活動加劇，增加對河流的不利影響。采砂導致的河道地形變化影響會取水的滿足度，同時，堤防長度增加意味著采砂對防洪的影響的降低。在社會經濟方面具有代表性。

綜合以上三個方面形成控制采砂效果評價指標體系，見表3。

根據各指標和控制采砂效果的關系，提出各指標的偏向度，即指標值增加體現控制采砂效果的增加或減少的偏向性。根據偏向性的特定，應用極差變化法進行指標標準化。當指標偏小時效果較好的標準化見公式(3)，當偏大效果較好時見公式(4)[24]。

(3)

(4)

3.2 評價方法及結果分析

本文經過標準化后，通過模糊層次分析法及熵值法兩種綜合評價方法計算評價權重，加權計算得到評價值。

模糊層次分析法。各指標按照目標層、約束層、指標層分別為矩陣D(q×j)、F(p×j)、C(i×j)(q、p、i為指標代號、j數據數量)，分層并生成各指標重要度判斷的一致性矩陣，在每一層內，以專家評價定義指標的相對重要性rij。重要度判斷矩陣R見公式(5)

(5)

通過一致性矩陣的特征向量計算層內各指標評價權重向量a，并逐層計算各層評價值Aj。見公式(6)～式(7)

a=[a1…an]T

(6)

Aj=D×[F×(C×a)]

(7)

該方法對問題的評價具有主觀性，但能反映對關鍵指標的側重，具體計算原理見參考文獻[25]。

熵值法。熵值是信息熵對事物混亂程度的體現。根據前文介紹求熵值，并根據熵值越小指標變化程度越大的原理，用各指標的熵值求各類指標的權重ai，再與各指標的標準值加權求和求得最終評價值Aj。見公式(8)～(10)。

gi=1-ei

(8)

(9)

(10)

各類指標熵值的比較定義各指標的評價權值，體現出較強的客觀性，具體計算過程參考文獻[18]。

通過兩種評價方法的應用，得到以下評價結果，如圖6所示。

通過兩種評價方法評價結果的對比，可見兩種評價方法的評價結果具有較為一致的變化趨勢，說明評價結果在主觀及客觀兩種評價方法中均有一致性，證明了評價的合理性。

圖6 四水熵值法及模糊層次分析評價值對比

根據標準化規則，標準值較大則體現控采效果較好，評價值較小時控采效果較差。對四水歷年評價值以0.2為單位進行劃分，將效果等級從0～0.2到0.8～1.0，分為差、較差、一般、較好、好五個等級。四水2011—2016年評價值如表4所示，通過評價等級對比，同樣可以驗證其評價結果一致性。

總體可見湘江和沅水的控制采砂效果在大多年份強于資水和澧水。同時，在2011—2016年期間，即采砂規劃執行前到采砂規劃執行后，采砂規劃起到了一定的效果。湘江，控采效果基本處于一般水平，且在2013—2014年效果較差，采砂控制在四水中作用較?。毁Y水，在2014年后效果為較好乃至好的水平，說明資水的采砂控制較為有效；沅水在2012年后，效果穩定處于一般水平，可見沅水的采砂控制效果較為穩定，但總體效果一般；澧水則在2012年后基本處于較好的效果水平，僅在2015年效果有變差的情況。

表4 四水控采效果評價等級(2011—2016年)

4 結 論

(1) 基于熵值、M-K、PHS等方法探究了四水河道河床斷面、水位、水質的多年變化趨勢，揭示了四水采砂的局部影響，發現《采砂規劃》執行期間，采砂影響整體處于較好水平。

(2) 綜合評價發現四水采砂規劃控制效果存在差異性。湘江2013—2014年控制采砂效果較差，資水2014年之前斷面有所淤積，但水質無顯著性變化；沅水斷面基本處于淤積狀態，水位在2015—2016年變化較差，氨氮及鎘等水質指標有上升趨勢；澧水斷面、水質在規劃期內變化幅度均較為穩定。

(3) 建立了綜合考慮河流水文、水質、水生態與流域社會經濟相關性的河流采砂控制效果評價指標體系，提出了河流采砂前后對比分析與熵值等方法相結合的定量評價方法，為河流采砂規劃后評價提供了一種借鑒思路。

(4) 河流采砂影響復雜，存在采砂時間、地點、強度等諸多不確定性。今后應以長江大保護、生態防洪優先等為目標，強化四水采砂規劃的生態保護措施與修復方案，逐步實現生態采砂與河流健康發展。