湘江典型河段采砂活动对河道演变影响研究

钟艳红 岳红艳 姚仕明 朱诗好 赵占超

摘要： 为了深入研究湘江河道采砂对河道演变影响机理，以湘江干流典型采区河段为研究对象分析了河道上游来水水沙特性和河道近期演变规律，预测了该河段的演变趋势，初步分析了采砂活动对河段河势、防洪、航道等的影响，最后提出了相关建议。研究表明：湘潭水文站多年（1950～2015年）来年均径流量为658亿m3，2016～2018年来年径流量整体上呈减小的趋势。多年来（1953～2018年）年均悬移质输沙量有增有减，但近年来减小幅度明显。采区局部河段内典型横断面2017年悬沙和床沙中值粒径均有不同程度的增大;近期（2003年3月至2017年11月）分析河段内除局部位置外岸线、深泓线平面位置整体相对较为稳定，洲滩及深槽随水文年不同发生冲淤变化，累计呈现冲刷。受采砂影响，原河道水沙平衡受到破坏，河道深泓左移。预计河道向右岸摆动的可能性较小，今后该河段河势及平面形态将处于相对稳定状态。目前，采砂局部河段河道演变仍处于调整变化过程中，尚未对防洪和航道造成明显不利影响。研究成果对于今后修编湘江河道采砂规划和加强湘江采砂管理具有较大的意义。

关 键 词： 采砂; 河床演变; 水沙条件; 趋势预测; 湘江

中图法分类号：  TV147

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.002

0 引 言

以往湘资沅澧四水干流河道砂石储量相对较多，且作为建筑材料质量较好。随着社会经济的快速发展，工程建设突飞猛进，对砂石料的需求量也越来越大。近年来，河道上游来沙量剧减，河道可利用砂量减少与沿江地区经济建设对河道砂石的大幅需求之间的矛盾越来越突出。受经济利益的驱动，曾出现大量无证无序偷采、滥采和乱挖现象，给河势稳定、防洪与通航安全、水生态环境保护以及沿江涉水工程和设施的安全等问题带来了隐患。河道过度采砂已经成为影响生态环境的重要因素，平衡经济发展与生态保护之间的关系，尽量将因采砂造成的负面影响降到最低至关重要。

采砂对河道的影响是一个非常复杂的过程，主要表现在河道演变、防洪、航道、河流水质条件和水生生物等多个方面[1-2]。其中，河道采砂活动对河道演变的影响具有持续性，期间伴随着在一定水流条件下河床发生变形的过程，采砂活动在引起采砂坑周围水流流态、流场和河床变化的同时，还将连锁式地引起整条河流的水沙运动变化。由于河道采砂影响问题的普遍性和在部分河流中引起的不良影响问题的严重性，使管理部门和研究者们对该问题越来越重视。国外的研究工作主要从20世纪80年代后开始，关于采砂对河道演变影响问题的研究主要集中在礦源开采对河流演变的影响研究、河底底泥的采挖活动引起的微量元素与化合物的悬扬和输移扩散对河流自然生态环境的影响研究以及冲积河流中的采砂活动对防洪、航运、河势、桥梁等的影响研究[3-4]。国内相关研究主要从21世纪初开始。毛野[5-6]通过分析河道采砂后河道水流结构变化特性，发现河道形态因采砂发生改变，影响河势稳定，并结合试验研究，提出了控制措施。张强[7]以长江武汉天兴洲河段为例，采用数值模拟的方法分析了采砂区布置对分汊河道的影响，发现河段的冲淤分布与采砂区距分汊口的距离有关。岳红艳[8]、袁林[9] 以长江河段为例，研究了采砂对局部河道的影响，发现采砂活动对局部河床地形、局部流场和床沙级配带来一定的影响，通过河道自动调整，河势变化会有一定恢复。胡朝阳[10]以闽江下游河道为例，分析水库及河道采砂作用对河道演变的影响，发现在水库拦沙和河道采砂作用下，河床泥沙损失量增大使河床大幅度下切，影响涉水建筑物安全。刘蓉[11]、李刚[12] 阐述了河道采砂现状及采砂管理中存在的问题，并结合存在问题提出了治理措施。马建华[13] 归纳了长江河道采砂管理现状、已采取的措施，并分析了目前存在的问题，提出管理思路和应对措施。郭超[14]系统总结了全国河道采砂管理在管理体制、规划制定与许可、监督管理执法等方面的现状和存在问题，针对存在的问题，提出了对策和建议。颜智博[15]提出了一种基于相关滤波器的可变跟踪框智能算法，为水利行业采砂监管提供信息支持。我国科研工作者对采砂活动影响的研究主要侧重在长江、珠江三角洲、黄河、淮河和松花江等大江大河上，而对湘江所做的研究工作相对较少，对河道采砂影响机理的研究还不够深入。

为减少或避免采砂的不利影响，近30多年来，国家先后出台了多部有关河道采砂管理的法律、法规和规范性文件，为河道采砂管理工作提供了重要的法律支撑。同时，近40多年的采砂管理实践也为全国河道采砂管理积累了宝贵丰富的经验。湘江作为长江流域洞庭湖的重要支流，需要在“共抓大保护、不搞大开发”的大前提下考虑砂石开采问题。为了保障干流河道采砂安全，需要有效掌握和控制采砂对河道的影响。

本文在坚持树立十九大“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念的基础上，以湘江干流典型采区河段为研究对象，分析河道上游来水水沙特性和河道近期演变规律，预测了该河段的演变趋势，初步分析了采砂活动对采砂分析河段河势、防洪、航道等的影响，最后提出了相关建议。研究成果可为今后湘资沅澧四水河段的采砂规划修编和采砂管理提供科学依据与技术支撑。

1 基本情况

1.1 河道概况

湘江采砂典型河段属湘水尾闾枯水洪道（见图1），上起三圹，下至沙洲村，全长约30 km。其中，上段三圹至九条沟为微弯分汊河段，左汊为主汊，右汊为支汊，长约11 km;下段九条沟至沙洲村为顺直微弯河段，长约19 km。采砂工程河道内有营田洲江心洲，典型采区附近右岸自上而下分布有北港村边滩、凤凰滩、磊石滩等边滩。河段进口左岸潮洲左汊内有上河口、下河口与荷叶湖相通，洪水期南洞庭湖有部分水流由上、下河口汇入湘江河道，下游右岸有汨罗江汇入。该河段具有洪水成湖、枯水成河的特性，河道较为顺直。河段右岸为屈原垸（蓄洪堤），左岸为共双茶垸（蓄洪垸），下游右岸为磊石垸（一般垸），左岸为大通湖垸。

该河段主流自三圹流入后在营田水位站附近分流，至虞公庙附近汇流，此后主流居中下行，至刘家山附近深泓线逐渐向左岸凹岸过渡并沿左岸下行，在沉沙港防汛所附近深泓线由左岸向右岸过渡，在湖洲附近主流走左岸凹岸，此后在磊石滩过渡到右岸磊石山，并沿右岸闸南村下行，至长湖村附近下行出河段。

本次重点分析汩罗市湘江磊石山至屈原琴棋乡采区，采区段所在工程区域上处于平原-丘陵接壤地带，地貌类型较为单一。采区边线距屈原垸防汛大堤750～1 040 m，距现有岸坡400～700 m，其下游紧接有长湖采区。湘江磊石山至屈原琴棋乡采区所在水域南段近营田水域，西边为草尾河入东洞庭湖河道，东边为屈原垸防汛大堤。

该河段为湘江航道的一部分，属Ⅲ级航道。

《湖南省汨罗市湘江河段长湖采区（调整）建筑用砂卵石资源地质调查评价报告》勘探成果表明，湖南省汨罗市湘江尾间磊石山至屈原琴棋乡段采区建筑用砂卵石矿界范围内保有矿石量2 113.7万t。据调查，2010年汨罗市湘江尾闾（营田至磊石山段）（长湖采区）出让时间为2013年3月，出让期限3 a，年控制开采量1 000万t，标段采砂船数量4艘。实际2013年开采，2015年合同中止。2016年2月至2017年2月停采，2017年2月至今，实行河道砂石国有经营。控制开采高程为-5 m。

1.2 水沙特征

湘江干流的基本水文（位）站最早建于1910年（长沙站），最晚建于1961年（归阳站），其中水文站6个，水位站2个。湘江流域干流每年4～8月为汛期，年最大洪水多发生于每年4～8月。其中5月出现次数最多，占34.2%。

湘潭水文站多年（1950～2015年）年均径流量为658亿m3，2016～2018年年径流量整体上呈减小趋势，其中2018年较多年（1950年～2015年）平均值减小约35.40%，多年（1953～2015年）年均悬移质输沙量为909万t。多年来（1953～2018年）年均悬移质输沙量有增有减，但近年来减小幅度明显，其中2018年较多年（1953～2015年）平均值减小约94.80%。湘潭站年径流量和年输沙量多年变化情况见表1，多年平均悬移质颗粒级配见表2。

2 河道近期演变特性变化

2.1 岸线及深泓线变化

分析河段右岸建有屈原垸一线大堤，近期（2003年3月～2017年11月）资料（见图2）表明，除采区附近河段左岸外沿江两岸23 m高程岸线总体而言变化较小，采区附近磊石滩附近岸线最大冲刷后退约1 030 m。近期（2003年3月至2017年11月）深泓线就整体而言平面摆动较小（见图2），仅局部位置（如过渡段、分流口、入汇口、采区附近等）深泓线摆动幅度較大，如磊石山至屈原琴棋乡采区附近湖州深泓线最大摆幅约200 m，推山嘴电排灌站过渡段附近深泓线最大摆幅约350 m。

2.2 主要洲滩、深槽变化

该河段内自上而下分布有营田洲、北港村边滩、凤凰滩和磊石滩等边滩，同时分布有一些大小不一的深槽。

近期（2003年3月至2017年11月）营田洲累计表现为冲刷缩小，其中2003年3月至2012年7月营田洲洲头冲刷后退约1 350 m，2012年7月至2017年11月冲淤变化较小;北港村边滩2003年3月至2012年7月冲刷后退明显，局部边滩最大冲刷后退约330 m，2012年7月至2017年11月边滩较稳定;凤凰滩多年来20 m边滩较为稳定;磊石滩边滩受采区采砂影响多年来累积冲刷后退明显，其中2003年3月至2012年7月整体冲刷相对较小后，局部边滩最大冲刷后退约220 m，2012年7月至2017年6月磊石滩边滩冲刷后退明显，局部边滩最大冲刷后退约950 m，2017年6月至2017年12月磊石滩边滩冲淤交替，变化较小。

近期（2003年1月至2017年11月）采砂河段深槽冲刷明显。其中2003年1月至2012年7月刘家山附近冲刷出现两个2 m高程分别长为2.4，2.0 km的深槽，采砂区附近北港村至磊石滩河段由两个4 m高程长分别为610 m和540 m的小深槽冲刷展宽为长约10 km的大深槽。2012年7月至2017年11月刘家山附近冲刷两个2 m高程深槽有所冲刷展宽，总长度增长约250 m，采砂区附近北港村至磊石滩河段4 m高程大深槽分割成两个独立的长度分别为4 km和6 km的深槽，湖州附近深槽冲刷展宽约160 m，深槽尾端磊石滩附近往左移动约350 m。

从以上分析可知，近期（2003年3月至2017年11月）分析河段内除局部位置（如过渡段、分流口、入汇口、采区附近等）外岸线、深泓线平面位置整体相对较为稳定，洲滩及深槽仅随水文年不同有所冲淤变化。故该河段河势及平面形态总体而言是稳定的。

2.3 河床冲淤变化

2.3.1 湘江干流典型河段近期河床冲淤变化

由表3可知，湘江湖南灏东船厂至磊石山河段（2～25号段）2003年3月至2012年7月，平滩河槽累计冲刷量约为14 800万m3，平均冲刷强度为73万m3/（km·a）;2012年7月至2017年6月，平滩河槽累计冲刷量约为 4 300万m3，平均冲刷强度为40万m3/（km·a）;2017年6月至2017年12月，平滩河槽累计冲刷量约为970万m3，平均冲刷强度为90万m3/（km·a）。

湘江湖南灏东船厂至长湖村河段（2～33号段）2003年3月至2012年7月，平滩河槽累计冲刷量约为17 600万m3，平均冲刷强度为73万m3/（km·a）;2012年7月至2017年12月，平滩河槽累计冲刷量约为5 900万m3，平均冲刷强度为42万m3/（km·a）。

由上可知，湘江湖南灏东船厂至磊石山河段（2号～25号段）2003年3月至2017年12月，平滩河槽合计冲刷量约为20 070万m3，合计冲刷强度为63万m3/（km·a）。湘江湖南灏东船厂～长湖村河段（2号～33号段）2003年3月至2017年12月，平滩河槽合计冲刷量约为23 500万m3，合计冲刷强度为61万m3/（km·a）。

2.3.2 湘江干流典型采区内河床冲淤变化

由表4可知，2003年3月至2017年11月湘江干流典型采区范围内河床平均高程持续下降明显，累计冲刷降低约11.32 m，其中2012年7月至2017年11月近5 a典型采区范围内河床平均高程累计降低约6.86 m，原拟定采区范围内河床冲刷量为951万m3。由此可见，近十余年来湘江干流典型采区范围内河床冲刷幅度明显增大。

2.4 汊道分流比变化

由营田洲汊道分流比实测资料（見表5）可知，2017年6月和11月营田潮洲汊道左汊分流比分别为68.0%和68.3%，变化较小。

2.5 泥沙级配变化分析

由表6可知，2017年6月距离磊石山至屈原琴棋乡采区上边界上游约6 km处的12号断面悬沙中值粒径为0.013 2 mm，磊石山至屈原琴棋乡采区中21号断面悬沙中值粒径为0.010 8 mm，2017年11月距离磊石山至屈原琴棋乡采区上边界上游约6 km处的12号断面沙中值粒径为0.007 0 mm，磊石山至屈原琴棋乡采区中21号断面悬沙中值粒径为0.006 2 mm。由此可见，2017年11月较2017年6月悬沙中值粒径均有较大幅度的减小。

2017年6月距离磊石山至屈原琴棋乡采区上边界上游约6 km处的12号断面床沙中值粒径为0.019 2 mm，磊石山至屈原琴棋乡采区中21号断面床沙中值粒径为0.024 3 mm，2017年11月距离磊石山至屈原琴棋乡采区上边界上游约6 km处的12号断面床沙中值粒径为0.010 8 mm，磊石山至屈原琴棋乡采区中21号断面床沙中值粒径为0.013 3 mm。由此可见，2017年11月较2017年6月床沙中值粒径均有所减小。

由上可知，受上游来水来沙条件、汛期东洞庭湖和汨罗江出口水位顶托影响，采区局部河段内典型横断面2017年11月较2017年6月悬沙和床沙中值粒径均有不同程度的减小。

3 采砂河道演变趋势及影响

3.1 河道演变趋势分析

湘江干流河道自然演变是一个漫长的历史过程，但人类活动，如无序采砂、河道沿程水电站梯级开发都会对河道演变产生一定影响。

近期（2003年3月至2017年11月）分析河段内除局部位置（如过渡段、分流口、入汇口、采区附近等）外岸线、深泓线平面位置整体相对较为稳定，洲滩及深槽随水文年不同发生冲淤变化，累计呈现冲刷。各典型横断面总体表现为不同程度的冲刷。其中2012年7月至2017年11月除采区位置外各个典型横断面河槽基本为冲淤交替，形态和断面宽深比相对稳定。近十余年来，湘江干流典型采区范围内河床冲刷幅度明显增大，原拟定采区范围内河床冲刷量为951万m3。

受采砂影响，原河道水沙平衡受到破坏，河道深泓左移，左岸岸坡为土质边坡，抗冲能力较弱，在新的水动力条件下岸坡滑塌冲刷后退。由于各采区典型断面右边界距离右岸屈原垸防洪大堤距离较远，预计河道向右岸摆动的可能性较小，今后该河段河势及平面形态将处于相对稳定状态中。

3.2 采砂对河道演变、防洪和航道的影响

通过分析湘江干流典型河段近年来水下地形资料可知，近期（2003年3月至2017年11月）深泓线就整体而言平面摆动较小，受采砂活动影响，磊石山至屈原琴棋乡采区所在河段深泓线摆动幅度较大，2012～2017年采区附近长约5 km范围深泓线明显往左偏移，其中湖州处深泓线最大摆幅约200 m，磊石滩附近23 m高程岸线最大冲刷后退约1 030 m。冲积性河流的河床形态是挟沙水流与河床长期相互作用、不断自动调整所形成的结果，具有较强的自动调整能力，当采砂等人为因素破坏原有河床形态后，河床将通过自动调整逐步回到冲淤平衡状态，河床形态又慢慢恢复。

目前，湘江流域己建有东江、双牌、东安、宋家洲、欧阳海、酒埠江、大源渡、株洲、长沙等大型水库以及许多中型水库，上游来的推移质泥沙大都拦截在库区，故工程河段的泥沙补给量是有限的。但从整个河段分析，流速增加较大的区域主要集中在采区头部较短的范围内，采区内流速以减小为主，水流趋于平缓，随着采砂区头部泥沙在较大流速的作用下填充进入采砂区内，使地形逐渐淤高并与周围地形趋于一致，采砂对河床形态和河势的影响还会逐渐降低。从短期来看，湘江干流典型采区（磊石山至屈原琴棋乡采区）位于湘水尾闾，开采控制高程较低，将不可避免地改变河床形态，对采区附近的岸线、边滩和深槽会带来一定的影响，上游来沙补给量有限，但就整体分析河段河势而言其影响仍然是可控的。

采砂将会造成采区附近局部水位和流速等水流动力条件的变化。从定性的角度来看，采砂对行洪的影响在于采砂活动使河床横断面局部形态发生下切改变，扩大了河道行洪断面，从而降低洪水水位，在正常情况下对于洪水下泄是有利的。但如果采砂筛分出来的粗卵石凌乱堆砌将会影响河道断面的规整性反而会增加河道糙率，不仅会抵消采砂典型横断面过水面积的行洪能力，还有可能减少河道行洪能力，甚至增加河道防洪压力。2017年11月湘江干流典型河段磊石山至屈原琴棋乡段采区内各典型横断面（CS5、CS6、CS7和CS8）近岸坡比分别为1 ∶22、1 ∶13、1 ∶25和1 ∶33，坡度均较缓，若按-5 m高程控制开采高程后磊石山至屈原琴棋乡段采区内各典型横断面（CS5、CS6、CS7和CS8）近岸坡比分别为1 ∶18、1 ∶10、1 ∶20和1 ∶21。长湖采区内各个典型横断面（CS10、CS11和CS12）近岸坡比分别为1 ∶27、1 ∶28和1 ∶43，均不会对右岸岸坡产生明显不利影响，故采砂对采区近岸岸坡的稳定不构成不利影响。另外，由于各采区典型断面右边界距离堤防距离在570～930 m之间，所以采砂后对右岸屈原垸防洪堤影响较小。

该河段航道整治建筑物、助航标志及测量标志己建设完成，无其他航运工程。航道内有航标若干处（航道左右两侧每500 m两处）。凤凰、磊石两滩碍航不严重，受采砂的影响，滩段河床将大幅度下切。在天然状态下，分析河段水流非常平缓，水面比降很小，且由于东洞庭湖的顶托作用，采挖不会使水面产生大的降落。据调查了解，湘江干流典型河段在采砂实施过程中未出现因采砂活动而引起航道发生变化或严重碍航事件发生。合理规范采砂对湘江干流典型河段航道不会造成明显不利影响。

4 结 论

通过对湘江干流典型采砂分析河段河道演变分析可以得出以下认识。

（1） 湘潭水文站多年（1950～2015年）年均径流量为658亿m3，2016～2018年来年径流量整体上呈减小的趋势。多年来（1953～2018年）年均悬移质输沙量有增有减，但近年来减小幅度明显;2017年6月和11月营田潮洲汊道左汊分流比分别为68.0%和68.3%，变化较小;受上游来水来沙条件、汛期东洞庭湖和汨罗江出口水位頂托影响，采区局部河段内典型横断面2017年11月较2017年6月悬沙和床沙中值粒径均有不同程度的减小。

（2） 近期（2003年3月至2017年11月）分析河段内除局部位置（如过渡段、分流口、入汇口、采区附近等）外岸线、深泓线平面位置整体相对较为稳定，洲滩及深槽随水文年不同发生冲淤变化，累计呈现冲刷。各典型横断面总体表现为不同程度的冲刷。其中2012年7月至2017年11月除采区位置外各个典型横断面河槽基本为冲淤交替，形态和断面宽深比相对稳定。近十余年来，湘江干流典型采区范围内河床冲刷幅度明显增大。受采砂影响，原河道水沙平衡受到破坏，河道深泓左移。由于各采区典型断面右边界距离右岸屈原垸防洪大堤距离较远，预计河道向右岸摆动的可能性较小，今后该河段河势及平面形态将处于相对稳定状态。目前，采砂局部河段河道演变仍处于调整变化过程中，尚未对防洪和航道产生明显不利影响。

（3） 鉴于前期采砂活动对湘江尾闾局部河段岸线和河床的冲刷影响，建议在湘江规划修编工作中短期内减小对该河段的采砂量和采区的设置。同时，建议今后在采砂可行性论证工作中结合原观资料分析，增加采区回淤量的数值模拟预测工作，并加强对采砂前、采砂中和采砂后的监督管理和后评价工作。

（4） 为缓解河床泥砂补给量与需求量之间的矛盾，建议结合洞庭湖区综合规划和四口水系河道扩挖工程，综合利用洞庭湖区和四水尾闾河洪道疏浚工程所产生的砂石资源。同时开展以砂石资源利用为目标的上游水库调度方案和排沙技术相关研究，考虑适时开闸下泄浑水以增大下游泥沙补给量等措施。

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（编辑：李 慧）

引用本文：

钟艳红，岳红艳，姚仕明，等.

湘江典型河段采砂活动对河道演变影响研究

[J].人民长江，2021，52（8）：10-15，29.

Influence of sand mining on river regime in typical river channel of Xiangjiang River

ZHONG Yanhong1，YUE Hongyan2，YAO Shiming2，ZHU Shihao1，ZHAO Zhanchao2

（ 1.Dongting Lake Water Conservancy Affair Center of Hunan Province，Changsha 410007，China; 2.Key Laboratory of River and Lake Control and Flood Control，Ministry of Water Resources of Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

Based on the analysis of the characteristics of water and sediment from the upstream and recent evolution of the channel in the typical sand mining area of the main stream of the Xiangjiang River，we forecast the evolution trend of the channel and preliminarily analyze the influence of sand mining activities on the river regime，flood control and waterway，and finally put forward some suggestions.The results show that the average annual runoff （1950～2015） of Xiangtan gauging station was 65.8 billion m3，and the runoff in 2016～2018 decreased as a whole.Over the years （1953～2018），the annual average suspended sediment transport increased and decreased sometimes，but decreased significantly in recent years.In 2017，the median particle size of suspended sediment and bed sediment in the typical cross section of the local river reach in the mining area increased in varying degrees.Recently （from March 2003 to November 2017），in the analyzed river reach，except for the local shoreline，the horizontal position of thalweg line was relatively stable，and the beach and deep groove changed during the different years，showing cumulative erosion.Affected by sand mining，the water and sediment balance of the original river channel was destroyed，and the thalweg of the channel moved to the left.It is predicted that channel is less likely to swing to the right bank，and the river regime and plane shape of the reach will be relatively stable in the future.At present，the channel evolution of the local reach of sand mining is still in the process of adjustment and change，which has not yet had obvious adverse impact on flood control and waterway.The research results are of great significance to the revision of Xiangjiang River sand mining planning and the strengthening of sand mining management in the future.

Key words：

sand mining;river bed evolution;flow and sediment condition;trend prediction;Xiangjiang River