基于多期河床地形的闽江下游采砂问题分析

赵树林

(福州市水利水电开发公司，福建 福州 350001)

闽江因其河砂资源丰富、砂质优良和价格低廉，是很好的建筑材料。上世纪90年代以来，在可观的经济效益驱使下，开始大量采砂。

河道采砂主要为采挖河床表层的床砂，而床砂是河道挟带泥砂的水流与河床相互作用的产物。闽江本属少砂河流，且随着上游干支流水库的不断建设，特别是1993年来水口大坝建设后，流域上游大部分推移质输砂量遭遇大坝的拦截，闽江下游来砂量急剧减小。为保持河床冲淤平衡，每年可供开采的砂量极其有限。

为避免滥采滥挖对闽江下游防洪、河势和航运等带来不利影响，2006年开始，闽江下游开始执行采砂规划，在科学规划和合理安排的总框架下，进行合理开采，逐年降低规划河砂开采量。然而通过近几年闽江下游河床地形实测观察，闽江下游河床下切情况虽略有改善，但仍较为严峻。

过往针对闽江下游河道演变分析，多从河道深泓线、典型断面和水位变化的角度分析[1]。本文通过多期闽江下游河道实测水下地形数据，生成现状河道平面二维彩图，直观展示河床深槽、浅滩情况；
结合历年规划采区位置，生成河床高程变化平面二维彩图，分析采砂对河道演变的影响。通过二维彩图河床现状及变化的分析，直观准确地把握河道冲淤变化要点，更好反应当前河道采砂管理中的问题，并据此提出针对性的管理措施。

1.1 河道概况

闽江下游段(见图1)，上起闽清水口大坝，经闽清县、闽侯县，在侯官分为南北港，南、北港汇合后向东北方向流至流经闽安，在亭江又分南北2支，绕过琅岐岛，分别从长门水道和梅花水道注入台湾海峡。闽江下游河段全长约126 km，从闽清雄江镇至金刚腿断面，流域面积约6 355 km2；
年平均径流量540亿 m3，年均输砂量525万t，主要有大樟溪、梅溪、安仁溪等13条一级支流。

1.2 河道采砂概况

闽江下游河道大规模的采砂始于90年代。由于闽江砂质优良、价钱低廉，在无规划、无总量控制的情况下，非法采砂现象屡禁不止，大量闽江优质砂运往东南亚国家地区及周边省份，加上沿江河道大规模的吹砂造地和城市基建大量用砂，每年采砂大约在4 000～5 000万 m3，大量采砂的结果，使得河床不断刷深，影响河势稳定，给防洪安全、航运安全、水生态环境安全带来影响。

2006年以来闽江下游开始执行采砂规划，其后逐步发展为采砂规划每3年修编一次。其中，2012-2020年间，闽江下游共完成3次采砂规划。根据规划成果，自2012年起，闽江下游段竹岐段段以南(包括闽江南港和北港)全线禁采，规划可采区均分布于水口大坝至南北港汇合口之间。2012-2014年，规划期内闽江下游年度采砂控制总量为696万 m3；
2015-2017年，规划期内闽江下游年度采砂控制总量为580万 m3；
2018-2020年，规划期内闽江下游年度采砂控制总量为391.1万 m3，规划了白河江、埕头、沙白头、马坑和唐举共5个可采区。2018-2020年规划可采区分布见图1，各可采区规划情况见表1。

图1 闽江下游2018-2020年规划可采区分布图

1.3 河道泥砂补给概况

闽江河砂资源较为丰富，每年洪水季节从上游冲刷而下，洪水挟带的大量泥砂容易在流速小的地区沉积下来，长年累月在河段沿江岸形成心滩和边滩。上游河段河滩、河岸发生岸崩塌、床面冲刷，泥砂被水流挟运在其下游堆积，这部分床砂是闽江下游河段的主要泥砂来源。

根据历年《中国河流泥沙公报》[2]，水口大坝建成前后闽江来水量无明显差异，但来砂量却大幅减少。从1950-2020年竹岐站多年平均来砂量为525万 t。其中1950-1992年间，竹岐站多年平均来砂量为717万 t。大坝建成后，由于流速的减小、大坝的拦截，推移质几乎全部淤积于大坝之上。水口以下来砂主要由水口大坝以上悬移质，及下游区间的悬移质和推移质组成。1993-2020年间，竹岐站多年平均来砂量约230万 t，仅为水口大坝建成前来砂量的32%。2012-2020年3轮采砂规划9 a间，竹岐站平均来砂量每年仅188万 t，竹岐站实测来砂与径流见表2。

表1 2018-2020年规划可采区情况表

表2 竹岐水文站实测来砂与径流资料

采用ArcGIS平台，以闽江下游2014年、2017年和2020年共3期实测全河段水系地形数据为数据源，通过多种空间插值方法[3]，生成河床地形栅格图。从闽江下游全河段、规划可采区和河床断面三个空间尺度进行展示分析，分析内容包括全河段二维河床地形、局部河段河床地形、河道深泓线。通过比较不同年份河床高程栅格数值，生成河床断面地形变化图。

3.1 全河段冲淤变化

本次闽江下游全河段河床冲淤变化采用2020年与2017年实测地形进行比较分析。其中竹岐以上河段为近年来主要开采河段，竹岐以下河段全线禁采。两期河床地形比较结果显示，竹岐以上河段整体呈下切趋势，河床总方量减少920.4万 m3，河床平均下切约0.44 m，仅唐举和竹岐等局部河段略有淤积；
竹岐以下河段河床基本稳定，总方量增加138.2万 m3，河床平均淤积深度约0.015 m。

3.2 重点河段平面变化分析

根据2017-2020年河床冲淤变化成果，选择规划可采区中采砂影响较大、冲淤变化明显的河段进行展示(见图2，沙白头段河床变化不突出，本文仅附其余四个可采区)。5个规划可采区冲淤变化情况见表3。

5个可采区在2018-2020年3 a间，河床变化情况。(1)白河江河段，河床整体略有下降，河段左岸上游段因丁坝作用，有一定淤积；
河段右岸下游段为主要开采区域，河床有所下降。(2)埕头河段，河床下切较为严重，河段右岸靠近岸滩部位出现较为明显的长条形冲刷深槽，最大刷深4～7 m。(3)沙白头河段，河床整体略有下降，河段右岸偏下游段有一定淤积。(4)马坑河段，河床总体有一定下降，但刨除局部开采深坑，河段内整体略有淤积。(5)唐举河段，河床总体高程基本不变，河段局部有一定淤积。可采区2014-2017年河床冲淤情况详见图2，具体变化情况不再详细说明。

表3 2018-2020年度采砂规划可采区冲淤情况表

3.3 典型断面对比分析

在闽江下游河段，从2014年、2017年和2020年实测地形图中，根据闽江下游河道采砂规划监测断面位置共设置了40个断面。在每个断面中，以20 m间隔自动生成高程点，通过缓冲分析和叠加分析获取每个高程点对应的2014年、2017年和2020年高程值，实现对河道高程的对比分析。本文仅列出可采区部分典型断面，见图3。

在2017-2020年期间四个可采区冲淤情况(不含沙白头可采区)：(1)白河江河段，主要开采区域位于下游段，下游左岸深槽处略有刷深；
(2)埕头河段，主要开采区域位于右岸，右岸河床刷深最大达7 m；
(3)马坑河段，主要开采区位于上游右岸段，上游右岸河床刷深最大达10 m；
(4)唐举河段，主要开采区位于上游右岸段，开采区河床变化不大，下游段右岸略有淤积。经历了2003-2013年10 a剧烈下切后，南港河段总体上呈现较为稳定态势。

3.4 泥砂补给计算

根据历年《中国河流泥沙公报》，闽江下游段有闽江竹岐、永泰(清水壑)水文站两个站点的泥砂数据，平均年输砂模数分别为100和131 t/(年·km2)，结合水口大坝、竹岐水文站以上控制流域面积和大樟溪流域面积(52 438、54 500和4 034 km2)，闽江河砂入海量占比18.6%，闽江下游干流各河段水面面积等资料及数据，计算可得闽江下游各河段来砂补给量：水口大坝至竹岐段来砂补给量约49.24万 m3，竹岐至马尾段来砂补给量约126.12万 m3(其中大樟溪补给10.76万 m3)。竹岐以上河段每km2淤积砂量1.76万 m3，5个可采区河段总补给量合计15.84万 m3。

根据《中国河流泥沙公报》，2018-2020年3 a间竹岐站年均来砂量为218.3万 m3，与水口大坝建成后竹岐站年均来砂量230.2万 m3较为接近，3 a总泥砂补给量可近似取用前述计算成果。

注：上面三组附图左侧为2014/2017/2020地形图，右侧为2017-2014年地形变化和2020-2017年地形变化图。

图3 典型可采区3年度河床断面变化情况

3.5 成果分析

(1)从闽江下游整个河段冲淤情况分析，河道总体呈刷深趋势，竹岐以上河段河床平均冲刷下切约0.44 m；
竹岐以下河段河床平均淤积深度约0.015 m。导致闽江下游河道刷深的原因虽然十分复杂，但仍可主要归因于以下几个方面：上游水口大坝的拦蓄造成大坝以上河床推移质拦蓄在大坝上游；
闽江流域水土保持情况日趋变好，水土流失产生河砂量减少；
闽江河砂的开采。

(2)从闽江下游几个规划可采区冲淤情况分析，除唐举河段总体略有淤积外，几个可采区均有较大刷深。其中埕头马坑河段可采区，从河段冲淤变化图上可以看出，刷深区域较为集中。由于采砂规划已明确开采控制高程，而实际刷深区底高程远低于规划开采控制高程。本次分析可能存在主要两个原因：(1)河段主要砂储量集中于河段局部区域，区域外并无砂储量，河砂开采时无法按原定控制高程获取足量的河砂，开采时未按控制高程开采，河床刷深由采砂直接造成；
(2)河段采砂造成河床地形、河势变化，其后在水流的作用下不断刷深。针对两种刷深情况，建议在河道采砂期间，增加对河道监测的频次，发现异常应及时采取处理方案。

(3)从泥砂开采与补给情况进行分析，闽江历年主要开采河段位于竹岐以上河段，经计算竹岐以上河段每年泥砂补给量为49.24万 m3，其中5个可采区河段总补给量合计15.84万 m3，而2018-2020年3 a一共规划采砂总量391.1万 m3，平均每年采砂130.37万 m3。竹岐以上河段每年泥砂补给量小于每年开采量，因此河床仍将不断刷深。目前闽江下游河道采砂量已逐年减少，但考虑来砂量远小于开采量，建议下一步考虑对闽江下游河段禁止采砂。

(4)从河床冲淤变化、泥砂补给和开采总量分析，闽江下游河段从水口至马尾段，河床总方量3年共减少782.2万 m3，3 a总泥砂补给量为526.08万 m3，3 a规划可采量为391.1万 m3。综上，仍有917.18万 m3河砂流失在河段以外，如流入马尾以下河段及大海，或非法采砂等。

针对采砂管理问题，目前采砂工作由河段所在县政府负责统一组织开采和监管，通过招投标型式确定采砂船舶，设置采砂船舶许可证，建立采砂月报制度及河砂准运制度等，建立完善河砂采、运、堆、销、用等五个环节监管机制，确保河砂从出水到上岸再到市场“有踪有循”。在动态监测管理措施方面，现有如采砂船装置GPS，建立电子地图等，对非法采砂活动的监控方式还较为落后。建议对闽江下游河段，布设河湖采砂智能监控系统[4]，采取如热成像云台日夜巡查、固定点位远距离违法取证探头装置及无人机飞行抓拍等方式，让河段全天候处于监控中，逐步杜绝非法采砂现象。

(1)采用ArcGIS平台，以闽江下游2014年、2017年和2020年共3期实测地形数据为数据源，分析了2014-2017-2020年全河段二维河床地形、局部河段河床地形、河道深泓线。通过比较不同年份河床高程生成河床断面地形变化图。

(2)以闽江下游江竹岐、永泰(清水壑)两个站点的泥砂数据，根据各节点流域面积及各河段水面面积等资料及数据，计算各河段泥砂补给量。

(3)根据河道演变分析成果，结合计算泥砂补给量、历年闽江下游河砂开采量，从多方面进行分析。分析得出：河道总体呈刷深趋势，竹岐以上河段河床平均冲刷下切约0.44 m；
规划几个可采区多有较大刷深，刷深区域较为集中，底高程远低于规划开采控制高程；
可采区泥砂补给量小于每年规划开采量；
除规划开采量之外，仍有大量河砂流失在河段以外。

(4)建议逐步禁止闽江下游河段采砂，并对闽江下游全河段布设河湖采砂智能监控系统增强采砂监管能力，有力打击非法采砂现象。

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