基于多期河床地形的閩江下游采砂問題分析

趙樹林

(福州市水利水電開發(fā)公司，福建 福州 350001)

0 引言

閩江因其河砂資源豐富、砂質優(yōu)良和價格低廉，是很好的建筑材料。上世紀90年代以來，在可觀的經濟效益驅使下，開始大量采砂。

河道采砂主要為采挖河床表層的床砂，而床砂是河道挾帶泥砂的水流與河床相互作用的產物。閩江本屬少砂河流，且隨著上游干支流水庫的不斷建設，特別是1993年來水口大壩建設后，流域上游大部分推移質輸砂量遭遇大壩的攔截，閩江下游來砂量急劇減小。為保持河床沖淤平衡，每年可供開采的砂量極其有限。

為避免濫采濫挖對閩江下游防洪、河勢和航運等帶來不利影響，2006年開始，閩江下游開始執(zhí)行采砂規(guī)劃，在科學規(guī)劃和合理安排的總框架下，進行合理開采，逐年降低規(guī)劃河砂開采量。然而通過近幾年閩江下游河床地形實測觀察，閩江下游河床下切情況雖略有改善，但仍較為嚴峻。

過往針對閩江下游河道演變分析，多從河道深泓線、典型斷面和水位變化的角度分析[1]。本文通過多期閩江下游河道實測水下地形數(shù)據(jù)，生成現(xiàn)狀河道平面二維彩圖，直觀展示河床深槽、淺灘情況；結合歷年規(guī)劃采區(qū)位置，生成河床高程變化平面二維彩圖，分析采砂對河道演變的影響。通過二維彩圖河床現(xiàn)狀及變化的分析，直觀準確地把握河道沖淤變化要點，更好反應當前河道采砂管理中的問題，并據(jù)此提出針對性的管理措施。

1 研究區(qū)域概況

1.1 河道概況

閩江下游段(見圖1)，上起閩清水口大壩，經閩清縣、閩侯縣，在侯官分為南北港，南、北港匯合后向東北方向流至流經閩安，在亭江又分南北2支，繞過瑯岐島，分別從長門水道和梅花水道注入臺灣海峽。閩江下游河段全長約126 km，從閩清雄江鎮(zhèn)至金剛腿斷面，流域面積約6 355 km2；年平均徑流量540億 m3，年均輸砂量525萬t，主要有大樟溪、梅溪、安仁溪等13條一級支流。

1.2 河道采砂概況

閩江下游河道大規(guī)模的采砂始于90年代。由于閩江砂質優(yōu)良、價錢低廉，在無規(guī)劃、無總量控制的情況下，非法采砂現(xiàn)象屢禁不止，大量閩江優(yōu)質砂運往東南亞國家地區(qū)及周邊省份，加上沿江河道大規(guī)模的吹砂造地和城市基建大量用砂，每年采砂大約在4 000～5 000萬 m3，大量采砂的結果，使得河床不斷刷深，影響河勢穩(wěn)定，給防洪安全、航運安全、水生態(tài)環(huán)境安全帶來影響。

2006年以來閩江下游開始執(zhí)行采砂規(guī)劃，其后逐步發(fā)展為采砂規(guī)劃每3年修編一次。其中，2012-2020年間，閩江下游共完成3次采砂規(guī)劃。根據(jù)規(guī)劃成果，自2012年起，閩江下游段竹岐段段以南(包括閩江南港和北港)全線禁采，規(guī)劃可采區(qū)均分布于水口大壩至南北港匯合口之間。2012-2014年，規(guī)劃期內閩江下游年度采砂控制總量為696萬 m3；2015-2017年，規(guī)劃期內閩江下游年度采砂控制總量為580萬 m3；2018-2020年，規(guī)劃期內閩江下游年度采砂控制總量為391.1萬 m3，規(guī)劃了白河江、埕頭、沙白頭、馬坑和唐舉共5個可采區(qū)。2018-2020年規(guī)劃可采區(qū)分布見圖1，各可采區(qū)規(guī)劃情況見表1。

圖1 閩江下游2018-2020年規(guī)劃可采區(qū)分布圖

1.3 河道泥砂補給概況

閩江河砂資源較為豐富，每年洪水季節(jié)從上游沖刷而下，洪水挾帶的大量泥砂容易在流速小的地區(qū)沉積下來，長年累月在河段沿江岸形成心灘和邊灘。上游河段河灘、河岸發(fā)生岸崩塌、床面沖刷，泥砂被水流挾運在其下游堆積，這部分床砂是閩江下游河段的主要泥砂來源。

根據(jù)歷年《中國河流泥沙公報》[2]，水口大壩建成前后閩江來水量無明顯差異，但來砂量卻大幅減少。從1950-2020年竹岐站多年平均來砂量為525萬 t。其中1950-1992年間，竹岐站多年平均來砂量為717萬 t。大壩建成后，由于流速的減小、大壩的攔截，推移質幾乎全部淤積于大壩之上。水口以下來砂主要由水口大壩以上懸移質，及下游區(qū)間的懸移質和推移質組成。1993-2020年間，竹岐站多年平均來砂量約230萬 t，僅為水口大壩建成前來砂量的32%。2012-2020年3輪采砂規(guī)劃9 a間，竹岐站平均來砂量每年僅188萬 t，竹岐站實測來砂與徑流見表2。

表1 2018-2020年規(guī)劃可采區(qū)情況表

表2 竹岐水文站實測來砂與徑流資料

2 河道演變分析方法

采用ArcGIS平臺，以閩江下游2014年、2017年和2020年共3期實測全河段水系地形數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，通過多種空間插值方法[3]，生成河床地形柵格圖。從閩江下游全河段、規(guī)劃可采區(qū)和河床斷面三個空間尺度進行展示分析，分析內容包括全河段二維河床地形、局部河段河床地形、河道深泓線。通過比較不同年份河床高程柵格數(shù)值，生成河床斷面地形變化圖。

3 分析計算成果

3.1 全河段沖淤變化

本次閩江下游全河段河床沖淤變化采用2020年與2017年實測地形進行比較分析。其中竹岐以上河段為近年來主要開采河段，竹岐以下河段全線禁采。兩期河床地形比較結果顯示，竹岐以上河段整體呈下切趨勢，河床總方量減少920.4萬 m3，河床平均下切約0.44 m，僅唐舉和竹岐等局部河段略有淤積；竹岐以下河段河床基本穩(wěn)定，總方量增加138.2萬 m3，河床平均淤積深度約0.015 m。

3.2 重點河段平面變化分析

根據(jù)2017-2020年河床沖淤變化成果，選擇規(guī)劃可采區(qū)中采砂影響較大、沖淤變化明顯的河段進行展示(見圖2，沙白頭段河床變化不突出，本文僅附其余四個可采區(qū))。5個規(guī)劃可采區(qū)沖淤變化情況見表3。

5個可采區(qū)在2018-2020年3 a間，河床變化情況。(1)白河江河段，河床整體略有下降，河段左岸上游段因丁壩作用，有一定淤積；河段右岸下游段為主要開采區(qū)域，河床有所下降。(2)埕頭河段，河床下切較為嚴重，河段右岸靠近岸灘部位出現(xiàn)較為明顯的長條形沖刷深槽，最大刷深4～7 m。(3)沙白頭河段，河床整體略有下降，河段右岸偏下游段有一定淤積。(4)馬坑河段，河床總體有一定下降，但刨除局部開采深坑，河段內整體略有淤積。(5)唐舉河段，河床總體高程基本不變，河段局部有一定淤積?？刹蓞^(qū)2014-2017年河床沖淤情況詳見圖2，具體變化情況不再詳細說明。

表3 2018-2020年度采砂規(guī)劃可采區(qū)沖淤情況表

3.3 典型斷面對比分析

在閩江下游河段，從2014年、2017年和2020年實測地形圖中，根據(jù)閩江下游河道采砂規(guī)劃監(jiān)測斷面位置共設置了40個斷面。在每個斷面中，以20 m間隔自動生成高程點，通過緩沖分析和疊加分析獲取每個高程點對應的2014年、2017年和2020年高程值，實現(xiàn)對河道高程的對比分析。本文僅列出可采區(qū)部分典型斷面，見圖3。

在2017-2020年期間四個可采區(qū)沖淤情況(不含沙白頭可采區(qū))：(1)白河江河段，主要開采區(qū)域位于下游段，下游左岸深槽處略有刷深；(2)埕頭河段，主要開采區(qū)域位于右岸，右岸河床刷深最大達7 m；(3)馬坑河段，主要開采區(qū)位于上游右岸段，上游右岸河床刷深最大達10 m；(4)唐舉河段，主要開采區(qū)位于上游右岸段，開采區(qū)河床變化不大，下游段右岸略有淤積。經歷了2003-2013年10 a劇烈下切后，南港河段總體上呈現(xiàn)較為穩(wěn)定態(tài)勢。

3.4 泥砂補給計算

根據(jù)歷年《中國河流泥沙公報》，閩江下游段有閩江竹岐、永泰(清水壑)水文站兩個站點的泥砂數(shù)據(jù)，平均年輸砂模數(shù)分別為100和131 t/(年·km2)，結合水口大壩、竹岐水文站以上控制流域面積和大樟溪流域面積(52 438、54 500和4 034 km2)，閩江河砂入海量占比18.6%，閩江下游干流各河段水面面積等資料及數(shù)據(jù)，計算可得閩江下游各河段來砂補給量：水口大壩至竹岐段來砂補給量約49.24萬 m3，竹岐至馬尾段來砂補給量約126.12萬 m3(其中大樟溪補給10.76萬 m3)。竹岐以上河段每km2淤積砂量1.76萬 m3，5個可采區(qū)河段總補給量合計15.84萬 m3。

根據(jù)《中國河流泥沙公報》，2018-2020年3 a間竹岐站年均來砂量為218.3萬 m3，與水口大壩建成后竹岐站年均來砂量230.2萬 m3較為接近，3 a總泥砂補給量可近似取用前述計算成果。

注：上面三組附圖左側為2014/2017/2020地形圖，右側為2017-2014年地形變化和2020-2017年地形變化圖。

圖3 典型可采區(qū)3年度河床斷面變化情況

3.5 成果分析

(1)從閩江下游整個河段沖淤情況分析，河道總體呈刷深趨勢，竹岐以上河段河床平均沖刷下切約0.44 m；竹岐以下河段河床平均淤積深度約0.015 m。導致閩江下游河道刷深的原因雖然十分復雜，但仍可主要歸因于以下幾個方面：上游水口大壩的攔蓄造成大壩以上河床推移質攔蓄在大壩上游；閩江流域水土保持情況日趨變好，水土流失產生河砂量減少；閩江河砂的開采。

(2)從閩江下游幾個規(guī)劃可采區(qū)沖淤情況分析，除唐舉河段總體略有淤積外，幾個可采區(qū)均有較大刷深。其中埕頭馬坑河段可采區(qū)，從河段沖淤變化圖上可以看出，刷深區(qū)域較為集中。由于采砂規(guī)劃已明確開采控制高程，而實際刷深區(qū)底高程遠低于規(guī)劃開采控制高程。本次分析可能存在主要兩個原因：(1)河段主要砂儲量集中于河段局部區(qū)域，區(qū)域外并無砂儲量，河砂開采時無法按原定控制高程獲取足量的河砂，開采時未按控制高程開采，河床刷深由采砂直接造成；(2)河段采砂造成河床地形、河勢變化，其后在水流的作用下不斷刷深。針對兩種刷深情況，建議在河道采砂期間，增加對河道監(jiān)測的頻次，發(fā)現(xiàn)異常應及時采取處理方案。

(3)從泥砂開采與補給情況進行分析，閩江歷年主要開采河段位于竹岐以上河段，經計算竹岐以上河段每年泥砂補給量為49.24萬 m3，其中5個可采區(qū)河段總補給量合計15.84萬 m3，而2018-2020年3 a一共規(guī)劃采砂總量391.1萬 m3，平均每年采砂130.37萬 m3。竹岐以上河段每年泥砂補給量小于每年開采量，因此河床仍將不斷刷深。目前閩江下游河道采砂量已逐年減少，但考慮來砂量遠小于開采量，建議下一步考慮對閩江下游河段禁止采砂。

(4)從河床沖淤變化、泥砂補給和開采總量分析，閩江下游河段從水口至馬尾段，河床總方量3年共減少782.2萬 m3，3 a總泥砂補給量為526.08萬 m3，3 a規(guī)劃可采量為391.1萬 m3。綜上，仍有917.18萬 m3河砂流失在河段以外，如流入馬尾以下河段及大海，或非法采砂等。

針對采砂管理問題，目前采砂工作由河段所在縣政府負責統(tǒng)一組織開采和監(jiān)管，通過招投標型式確定采砂船舶，設置采砂船舶許可證，建立采砂月報制度及河砂準運制度等，建立完善河砂采、運、堆、銷、用等五個環(huán)節(jié)監(jiān)管機制，確保河砂從出水到上岸再到市場“有蹤有循”。在動態(tài)監(jiān)測管理措施方面，現(xiàn)有如采砂船裝置GPS，建立電子地圖等，對非法采砂活動的監(jiān)控方式還較為落后。建議對閩江下游河段，布設河湖采砂智能監(jiān)控系統(tǒng)[4]，采取如熱成像云臺日夜巡查、固定點位遠距離違法取證探頭裝置及無人機飛行抓拍等方式，讓河段全天候處于監(jiān)控中，逐步杜絕非法采砂現(xiàn)象。

4 結語

(1)采用ArcGIS平臺，以閩江下游2014年、2017年和2020年共3期實測地形數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，分析了2014-2017-2020年全河段二維河床地形、局部河段河床地形、河道深泓線。通過比較不同年份河床高程生成河床斷面地形變化圖。

(2)以閩江下游江竹岐、永泰(清水壑)兩個站點的泥砂數(shù)據(jù)，根據(jù)各節(jié)點流域面積及各河段水面面積等資料及數(shù)據(jù)，計算各河段泥砂補給量。

(3)根據(jù)河道演變分析成果，結合計算泥砂補給量、歷年閩江下游河砂開采量，從多方面進行分析。分析得出：河道總體呈刷深趨勢，竹岐以上河段河床平均沖刷下切約0.44 m；規(guī)劃幾個可采區(qū)多有較大刷深，刷深區(qū)域較為集中，底高程遠低于規(guī)劃開采控制高程；可采區(qū)泥砂補給量小于每年規(guī)劃開采量；除規(guī)劃開采量之外，仍有大量河砂流失在河段以外。

(4)建議逐步禁止閩江下游河段采砂，并對閩江下游全河段布設河湖采砂智能監(jiān)控系統(tǒng)增強采砂監(jiān)管能力，有力打擊非法采砂現(xiàn)象。