海砂开采对海洋环境的影响及对策

摘 要：为研究海洋环境在海砂开采作业过程中所受的影响，从汕尾海砂开采施工实际出发，选取生态环境与地质环境两大要素对其进行理论与试验研究。对海水盐度、营养类物质、输砂量、流场等方面进行分析对比，运用折射“V”形槽法判断海水盐度的变化趋势。结合F统计和P置信区间统计方法建立海域营养盐类分析数据。利用三维Fluence有限元分析工具给出影响流场要素的流速，并给出对应措施。研究表明：盐度与开采的海洋折射率存在正向相关关系，营养盐类与流速密切相关，在春夏季进行开采作业对保持海洋地质环境的平衡最有利。

关键词：海砂开采；海洋生态环境；海洋地质环境

中图分类号：TD 807 " 文献标志码：A

海砂是重要的资源，我国领海广阔，近岸海砂聚集分布较广，各类成分海砂混杂，目前随着“碳中和”、“碳达峰”等双碳理念的提出，我国已经走上了环保高效的资源使用之路。因此，在海砂开采工程的过程中，合理利用海砂资源，保护海洋环境非常重要。海砂伴随海水包覆着大量有害离子，可能使海洋中海砂的材性发生结构性改变，从而表征的性态直接或间接影响海洋环境。

1 海砂开采的海洋环境现状与问题

海砂开采是一项需要长期跟进的工程，其可以取代河砂，并作为混凝土的原材料进行拌制。海砂组分与河砂基本相同[1]。日本在1938年开始使用海砂作为混凝土的原材料并进行混凝土制品拌制[2]。但是，从海水中抽离的海砂经过漫长的海洋作用，其宏观力学特性已经发生改变，对海洋环境会造成一定程度的影响。加上海砂的需求量剧增，价格逐年攀高，业内部分工程单位为降低成本或方便施工，擅自在近岸海域采挖海砂，并将其用于工程建设，直接破坏了海洋生态环境。因此海洋环境存在较大的隐患，本文将汕尾09区和03区块海砂开采部分典型作业区域作为研究对象，对海洋环境的影响因素和解决对策进行研究。

2 海洋生态环境分析

开采海砂可能会破坏海底的生态环境，同时影响海水的盐度、pH、O2含量、营养盐等，日本曾经报道过开采海砂导致海底世界如同荒漠，由此引起日本反对开采海砂[3]。

海砂开采因泵吸的机械运动会产生悬浮物质，悬浮物与海洋中底栖生物相互接触会对这些底栖生物造成较大影响。主要表征为海域内海水盐度发生微量变化，引起浮游生物数量改变，使海洋生态中的营养盐类发生改变。

2.1 对海水盐度的影响

海砂开采会直接引起海水盐度的变化，为分析其影响程度，采用“V”形槽方法对汕尾地区海砂开采的不同海域进行测量，选取样本考察海水的电导率、压力以及温度。通过计算得到海水的盐度，从而分析得知海砂开采的深度不同而引起的盐度变化差异。通过采用折射“V”形槽法判断海水盐度，其折射示意图如图1所示。

在“V”形槽试验中，PSD作为一个样本收集点，用来搜集最终的海水样本参数。“V”形槽的操作方式：首先接入准直光纤，透过633nm激光器引入光源，其次将不同区域海水样体打入PSD上，最后通过信号波传输至电脑显示器，将数据处理后进行分析。测量方法采用国家海洋标准计量中心标准（准确度为0.003PSU）以及超纯水，在25℃下对测量系统进行标定[4-5]。得出表1所示的3种开采海域下的海洋盐度测量值。其中盐度的标量方法为PSU（Practical Salinity Units），表示海水中实际盐度标准。

通过表1所整理的汕尾海砂开采作业行为和09区块和03区块的3个代表性开采区域发现，当折射率为1.331756时，其海洋盐度值在31PSU；当开采区域所反映的折射率升至1.336394时，信号采集的数据显示盐度标准值为39PSU。可以得出，海域开采的不同位置所反映的海水折射率与盐度有某种直接关系。然而，工艺流程设计和用水量缺乏科学的依据，大多靠经验获取。

为进一步解释海砂开采所引起的海水盐度变化情况，引入激光器打入的光源波长，通过折射率与波长的关系对盐度进行定量描述。本文的引入方法为考虑波长随盐度变化的系数，如公式（1）所示。

∆λ/∆t=75pmK-1 " "（1）

式中：∆λ为波长增量；K为系数，表示波长的倒数，波传播的方向上单位长度内的波周数目；pm为皮米，指波长的漂移长度。该系数表示盐度每改变0.01PSU，波长变化为75pm，由于波长导致折射率产生的RIU为2.16×10-6，因此盐度的变化与波长变化反映为波长与折射率之间的关系，总结了单调递减的一次函数关系（如图 2 所示）。

根据图2关系曲线可以清晰看到：折射率与波长呈反比例关系。从而导出折射率与海洋盐度呈现正相关关系变化趋势，物理意义为在不同区域的海砂开采过程中，由于海砂与海水之间存在倾角差异，因此会呈现盐度单调递减变化趋势。在实际开采中，应尽可能降低海砂开采的折射率，应考虑在平坦宽敞的海床上进行开采，减少开采海砂对海洋环境造成的影响。

2.2 对营养盐的影响

有研究表明生物膜藻类会对海水种营养盐有影响，而在汕尾海砂开采区域，已经发现开采海域的藻类指标出现上升趋势，考虑开采海砂会对海水中营养盐类物质造成间接影响。

根据两种海砂开采强度条件下的F值和P值两个统计指标来表述海域内营养盐类的生物膜状态。并分别指出原位生物膜、建群生物膜这两大类的参数值情况，最终确认营养盐类的富集情况。统计结论见表2。

通过表2可知，氮、磷以及氮磷比3个元素对原位生物膜和建群生物膜的影响效应规律一致。F值为F检验后的统计量值，通常认为在置信区间0.005以上是生物膜较多的水平反应，而在流速作为单一因子状态下，可以看出海砂开采强度的增加直接导致了整体置信区间的降低，也就是说当整个开采从50.7万m³升至63.2万m³时，方差呈现较大幅度升高，其整体数据的离散较大，对生物膜藻类的增加具有显著的效应（0.003lt;Plt;0.005）。在静水环境，不同海砂开采强度下，氮、磷和氮磷比也都趋于同样的数量表征状态。

3 海洋地质环境分析

3.1 海域输砂量均衡分析

海域中蕴藏的砂量会因人类活动不断发生改变，即使在一定控制界限内进行总量开采，海域中砂量的生成仍然跟不上开采作业的速度。因此须从开采作业对海域中砂量输送均衡的角度分析，以明确开采海砂对其影响的程度。

表3记录了汕尾海砂地区9#、3#地块开采区域海砂的砂质情况，主要采集的样本有粉土质粉砂、砂质粉砂、砂这3类。分别测量了其平均粒径、悬浮泥砂平均粒径以及海域深层砂的平均粒径，并将其作为原始数据指标。分析表明，海砂开采的不同区域表征的砂量相当，但整体的粒径有细小差异。这种差异直接影响海砂的开采效率。因此当大量开采海砂时，因为粒径分布不同，所以海砂不被吸入海砂船内，会导致吸砂效率降低。综上所述，为使海域中输砂量保持平衡，开采海砂的吸砂工具应尽可能与所在海域砂粒径大小匹配，以此达到最优开采效果。

3.2 对流场的影响

春、夏、秋、冬四季在同一海域进行海砂开采作业，流场数据见表4。

汕尾海砂开采代表区域中4个季节的冬季流速最大，深度、表层和底层3个海域深度的流速均为最高值。而流速一年中最小值为春季。通过季节流速表可以得出结论：海砂开采应当尽可能选择在流速相对较小的季节，流速较大，会导致开采难度增加，同时海域流速过大会影响海砂的吸附性，直接导致两侧海域的海砂失衡，从而造成污染。为分析开采海砂与不同季节流速之间的关系，根据三维Fluence有限元流场分析图给出相互影响的关联关系。选取在固定开采地点海面下10～20m的流场分布情况，做出切片平均三维视图，如图3所示。

由图3可知，春季整体流速最低值有多处明显沿纵向分布的较小值，约为0.025cm/s。而冬季流速会显著变大。整体的流场分布态势均向高速度发展。因此应当控制开采时间，尽可能在一年中的春夏季节进行大量开采作业，而秋冬季节适合小规模开采，不宜大量活动。

4 结论

本文研究得到以下结论。1）采用“V”形槽法论证了海砂开采作业会引起海水盐度的变化，并且海砂开采所在区域的海水折射率与盐度呈现正相关关系。2）海砂开采会使生物膜藻类繁衍加剧，海水流速变大，造成海洋中营养盐类物质大量发育。原位生物膜和建群生物膜在流速试验条件下更易繁殖，相对能减轻海砂开采强度，有助于均衡海洋营养盐类物质。3）在海砂开采作业中，须尽量选用与所在海域海砂粒径的平均值匹配的尺寸进行开采，以此保证输砂量的再生平衡。同时考虑在春夏季节进行开采作业最有效。

参考文献

[1]刘伟，谢友均，董必钦，等.海砂特性及海砂混凝土力学性能的研究[J].硅酸盐通报，2014，33（1）：15-22.

[2]山崎宽司，曾瑞玉.对于在日本使用海砂作为混凝土骨料的看法[J].水利水运科技情报，1975（3）：117-122.

[3]林纪江，王平，胡日军，等.海南日月湾海域表层沉积物分布特征与运移趋势[J].海洋地质前沿，2023，39（6）：11-21.

[4]林磊，刘东艳，刘哲，等.围填海对海洋水动力与生态环境的影响[J].海洋学报，2016，38（8）：1-11.

[5]胡庆，唐国乐，郑川贵.基于三维水动力模型的海砂开采对海洋环境的影响分析[J].中国新技术新产品，2023（8）：55-57.