渭河下游臨渭區(qū)河段砂石資源可開(kāi)采量分析

郭 亮

(陜西省水利技工學(xué)校，陜西 涇陽(yáng)713702)

1 渭河臨渭區(qū)河段河道概況

1.1 基本情況

渭河是黃河最大的一級(jí)支流，發(fā)源于甘肅省渭源縣烏鼠山，流經(jīng)甘肅、寧夏、陜西三省(區(qū))，在陜西潼關(guān)縣港口附近注入黃河。渭河的流域面積為13.48萬(wàn) km2，河長(zhǎng)818 km，其中咸陽(yáng)鐵路橋至港口為下游，河長(zhǎng)208 km。渭河下游是1960年建成的三門峽水庫(kù)的庫(kù)區(qū)和影響區(qū)，泥沙淤積嚴(yán)重，2002年汛后淤積量最高為13.218 2億 m3，到2011年汛前渭河下游共淤積泥沙11.754 9億 m3，可以看出，從渭河下游整體上看，泥沙淤積已較最嚴(yán)重的2002年汛后減少1.463 3億 m3，淤積狀況有所緩解。

但是，臨渭區(qū)河段淤積泥沙2011年汛前較2002年汛后泥沙淤積量仍增加0.155 8億 m3;對(duì)屬于三門峽庫(kù)區(qū)淹沒(méi)區(qū)及影響區(qū)臨背差2～3 m、防洪形勢(shì)嚴(yán)峻的臨渭區(qū)河段來(lái)說(shuō)，河道泥沙淤積仍處在持續(xù)發(fā)展過(guò)程中。因此，疏浚采砂對(duì)臨渭區(qū)河段減少泥沙淤積、理順河勢(shì)仍具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 地質(zhì)概況

渭河下游河床具有典型的上下二元結(jié)構(gòu)［1］，地層上部河漫灘為砂壤土、粉質(zhì)砂土，下部河床為中粗砂層。這些物質(zhì)，自上游至下游由粗變細(xì)。其中交口—赤水段是受三王—雨金斷層影響突出的河段，沉積物組成下粗上細(xì)，分選差，粗細(xì)混雜。渭淤17～13斷面間河床質(zhì)以細(xì)砂為主，大于2 mm的礫卵石僅占2%～3%，河漫灘由細(xì)砂和粉砂組成，河岸主要為壤土、粘土構(gòu)成，粘粒含量達(dá)30%以上。

1.3 河段泥沙顆粒級(jí)配情況

渭河下游連續(xù)寬級(jí)配床沙的輸移過(guò)程表現(xiàn)為輸沙率從總的趨勢(shì)上是隨流速的增大而增大的連續(xù)過(guò)程。由于床沙組成與來(lái)水條件、邊界條件及河道形態(tài)等因素有關(guān)，在渭河下游有涇河和南山支流匯入或有拋石護(hù)岸等局部因素影響，使局部河段床沙料徑大于1 mm部分在料配曲線中占有一定的百分點(diǎn)外，臨渭區(qū)以下河段，除南山支流零河、尤河、赤水河入渭河口段外，河床組成基本上為中細(xì)砂。

2 臨渭區(qū)河段砂石資源貯量分析

2.1 主槽建筑用砂質(zhì)量評(píng)價(jià)

渭河主槽目前為堆積階段，主槽巖性以中粗砂為主。砂的成份主要以石英、長(zhǎng)石為主，分選、磨圓均較好，泥質(zhì)含量少。從試驗(yàn)結(jié)果［2］來(lái)看，主槽中的中粗砂可以作為3區(qū)建筑用砂，上游渭淤19#斷面附近，顆分資料顯示已接近2區(qū)砂，為較為理想的砼細(xì)骨料。從下游向上游，中值粒徑d50=0.39～0.50 mm，細(xì)度模數(shù) =1.8～2.2，渭河主槽的沉積粒徑明顯變粗。

上述數(shù)據(jù)為天然狀態(tài)下的測(cè)試數(shù)據(jù)，采用抽砂船，利用傳送帶輸送采砂，開(kāi)采過(guò)程中可有效地將砂中的泥質(zhì)含量、極細(xì)砂(＜0.158 mm及部分微細(xì)砂＜0.315 mm)篩選掉，使砂質(zhì)總體顆粒更粗，有可能達(dá)到2區(qū)砂。

2.2 靜態(tài)貯量計(jì)算

靜態(tài)儲(chǔ)量計(jì)算是指在不考慮河流淤積的情況下，按目前極限開(kāi)采深度內(nèi)(枯水期水位以下15.0 m)，考慮各段河槽的曲流長(zhǎng)度及主槽寬度計(jì)算的開(kāi)采范圍內(nèi)可供利用的建筑用砂儲(chǔ)量。主槽曲流總長(zhǎng)度為35.545 km，枯水位以下15 m、13 m、11 m、9 m、7 m范圍內(nèi)可供利用的建筑用砂的靜態(tài)可利用總儲(chǔ)量分別為6 812萬(wàn) m3、5 804萬(wàn) m3、4 796萬(wàn) m3、3 788萬(wàn) m3、2 780萬(wàn) m3。按臨渭區(qū)主槽最深點(diǎn)以下2.5 m開(kāi)采深度考慮，各斷面可采砂資源統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，可以看出，考慮各段河槽的曲流長(zhǎng)度及主槽寬度計(jì)算的開(kāi)采范圍內(nèi)可供利用的建筑用砂靜態(tài)總儲(chǔ)量為843萬(wàn) m3。

3 臨渭區(qū)河段砂石年補(bǔ)給量分析

渭河下游河道中的推移質(zhì)泥沙在床面推移具有明顯的輸移帶，其位置和寬度取決于流量的大小、主流線位置和河道環(huán)流的強(qiáng)弱等因素。一般來(lái)說(shuō)，處在主流過(guò)渡段附近，床面的泥沙才能呈沖刷或暫時(shí)性沖刷狀態(tài)，并容易形成較好的砂料區(qū)，但在這些地方往往是影響主流方向的敏感區(qū)域。

3.1 不同級(jí)配懸移質(zhì)輸沙量分析計(jì)算

臨渭區(qū)河段主槽泥沙堆積中主要是0.05～0.5 mm泥沙，以華縣站懸移質(zhì)泥沙實(shí)測(cè)資料來(lái)看，粒徑大于0.05 mm以上的泥沙所占比例一般不足30%，平均18.9%;粒徑大于0.1 mm以上的較粗顆料的泥沙所占比例一般不足5%，這部分泥沙既是渭南以下河段河床的主體，也是懸移質(zhì)泥沙的重要組成部分。

本河段不同級(jí)配輸沙量的計(jì)算，泥沙級(jí)配采用華縣站歷年懸移質(zhì)年均泥沙顆粒級(jí)配成果，輸沙量采用華縣站歷年輸沙量進(jìn)行計(jì)算。華縣站粒徑大于0.1 mm的年輸沙量只有0.006～0.513 億 t，年最大輸沙量與最小輸沙量相差 85.5倍，多年平均輸沙量0.10億 t，為0.05 mm以上輸沙量的15.2%，減小非常多;粒徑大于0.25 mm的中粗沙年輸沙量為0～0.279億 t，年最大輸沙量與最小輸沙量相差更大，多 年平均輸沙量0.04億 t，為0.1 mm以上輸沙量的40%。

表1 渭河主槽最深點(diǎn)以下2.5m以內(nèi)可采砂資源量計(jì)算一覽表

3.2 推移質(zhì)輸沙量分析估算

依據(jù)1958～1967年推移質(zhì)實(shí)測(cè)驗(yàn)資料成果，推移質(zhì)一般為懸移質(zhì)的1/1000左右，各年推移質(zhì)數(shù)量與顆料級(jí)配相差很大，年推移質(zhì)量介于 1.98～46.95 萬(wàn) t，平均 17.60 萬(wàn) t。推移質(zhì)顆粒大于0.1 mm的泥沙平均占到推移質(zhì)輸沙量的45%左右，顆粒大于0.25 mm的泥沙平均占到推移質(zhì)輸沙量的19%左右，并據(jù)此直線內(nèi)插進(jìn)行了推移質(zhì)的估算，平均粒徑大于0.16 mm推移質(zhì)占到輸沙量的35%左歷，年均粒徑大于0.16 mm推移質(zhì)輸沙約6.2萬(wàn) t，可見(jiàn)，推移質(zhì)輸沙量很小，但其主要由中粗砂構(gòu)成，是河床組成的主要成份之一，對(duì)保持河床穩(wěn)定有重要作用。

3.3 臨渭區(qū)河段砂石年補(bǔ)給量的估算

由于目前渭河下游臨渭區(qū)河段仍處于不斷淤積的過(guò)程中，通過(guò)的該河段的懸移質(zhì)中的中粗泥沙理論上在適當(dāng)?shù)乃鳁l件下皆可能停止運(yùn)動(dòng)而淤積在臨渭區(qū)河段河床上;但由于水流條件的限制，一般情況下洪水與輸沙相對(duì)應(yīng)，能夠淤積在臨渭區(qū)河段的泥沙在自然條件下要遠(yuǎn)較輸沙總量小，建庫(kù)以來(lái)1962年淤積測(cè)量至2006年汛后45 a該河段共淤積泥沙2.624 0億 m3，年均泥沙淤積0.058 3億 m3(0.082億t)占輸沙量的3.276億 t的2.5%。

由河道斷面主槽汛后水下部分淤積物泥沙顆粒成果統(tǒng)計(jì)情況可以看出，臨渭區(qū)河段各斷面主槽淤積物粒徑多年平均大于 0.10 mm以上的比例介于 34.8%～49.9%，平均43.3%，是華縣站輸沙量多年平均粒徑大于0.10 mm以上的比例2.4%的18倍。可見(jiàn)淤積在河道的泥沙粒徑要遠(yuǎn)較輸移泥沙的平均粒徑要粗化得多，給臨渭區(qū)河段抽砂提供了較好的基礎(chǔ)。1960年以來(lái)臨渭區(qū)河段的年均泥沙淤積0.082億 t，根據(jù)臨渭區(qū)河段河道淤積物組成大于0.10 mm的比例，這一河段淤積的泥沙中粒徑大于0.10 mm以上的泥沙約0.04億 t(285.7 萬(wàn) m3)。

通過(guò)臨渭區(qū)河段大于0.16 mm以上的可利用泥沙年輸沙量(直線內(nèi)插推求)約0.07億 t(500.0萬(wàn) m3)，遠(yuǎn)大于河道年均自然淤積中粗砂含量0.04億 t;若把年淤積中的粗砂全部挖走，來(lái)沙量粗砂能夠補(bǔ)充并落淤形成較穩(wěn)定的河床。各開(kāi)采段的補(bǔ)給量既與河段河道本身輸水輸沙有關(guān)，又與其年開(kāi)采量有關(guān)，在其上年采砂量遠(yuǎn)小于下年河道輸沙量的條件下，采砂具有多采多補(bǔ)的特點(diǎn)，即河道輸移泥沙首先易在采砂坑回落淤積。

分析表明河段具體的補(bǔ)給量還與開(kāi)采量有關(guān)，若采砂量較小，補(bǔ)給量應(yīng)接近自然淤積量285.7萬(wàn) m3;臨渭區(qū)河段開(kāi)采量大于214.3萬(wàn) m3(0.03億 t)時(shí)，該河段淤積狀況將有一定程度的減輕，即采砂對(duì)減緩淤積有一定的作用。

綜合上述分析，渭河下游臨渭區(qū)河段砂石多年平均可能靜態(tài)補(bǔ)給量約285.7萬(wàn) m3;在進(jìn)行砂石資源利用的情況下，渭河下游臨渭區(qū)河段砂石多年平均可能補(bǔ)給量285.7～500.0萬(wàn) m3之間(0.04～0.07 億 t之間，按 1.4 t/m3進(jìn)行折算)。

4 臨渭區(qū)河段砂石資源開(kāi)采量的估算

4.1 臨渭區(qū)河段采砂坑允許深度的分析確定

研究表明在考慮采砂坑邊坡穩(wěn)定，當(dāng)開(kāi)采深度控制在水文年河床自然沖淤范圍內(nèi)時(shí)，有利于河床的自動(dòng)調(diào)整［3］;考慮到臨渭區(qū)河段為淤積性河道，采砂形式以機(jī)械抽砂為主，采砂坑開(kāi)挖邊坡在自然水流沖刷調(diào)整下一般能夠自然保持穩(wěn)定。為了使采砂的影響在可控制范圍，不明顯改變河床質(zhì)的組成，河段采砂量應(yīng)控制在一定量的范圍內(nèi)。由前述臨渭區(qū)河段最深點(diǎn)分析可知，1960年以來(lái)臨渭區(qū)河段自然沖淤變化范圍在3.8～7.7 m之間，平均為5.4 m;水文年最大沖淤深度范圍在1.4～3.6 m之間，平均為2.5 m。結(jié)合該河段河道整治的要求，使開(kāi)采區(qū)上下淤、左右岸平順銜接的條件下，臨渭區(qū)河段采砂坑深一般應(yīng)控制在2.5 m以內(nèi)，最大深度不超過(guò)多年自然沖淤深度平均值5.4 m，采砂對(duì)河道的影響基本控制在允許范圍內(nèi)。

4.2 臨渭區(qū)河段采砂坑允許長(zhǎng)寬的分析確定

在順直河道中，砂坑移動(dòng)速度隨L/b增大而增大。在順直河道中，砂坑寬度與長(zhǎng)度增大會(huì)使砂坑被泥沙填充速度下降，但寬度的影響更為明顯。臨渭區(qū)河道采砂為河道抽砂，采砂坑的位置、長(zhǎng)寬比(L/b)對(duì)砂坑移動(dòng)速度和砂坑回淤速度均有較大的影響，因而該河段開(kāi)采區(qū)的長(zhǎng)與寬(L/b)主要受河道主槽寬和形態(tài)的影響［3］。依據(jù)有關(guān)研究［3］成果:渭河下游臨渭區(qū)河段砂坑寬一般小于主槽寬的1/6，最大寬不超過(guò)主槽寬的1/3(采砂坑位于順直河道中心線時(shí))，其長(zhǎng)度為寬的4～6倍較為適宜。因此，近期(2003—2006年)河道主槽寬介于217～471 m，平均寬為360 m;按采砂坑寬為河道主槽寬1/6計(jì)算，臨渭區(qū)河段近期單個(gè)采砂坑寬一般控制在60 m之內(nèi)，長(zhǎng)度控制在240～360 m之內(nèi)。

表2 臨渭區(qū)河段汛后各斷面水主槽淤積物顆粒粒級(jí)成果統(tǒng)計(jì)表

4.3 臨渭區(qū)河段砂石資源可開(kāi)采量分析估算

依據(jù)《規(guī)劃》確定的臨渭區(qū)河段內(nèi)開(kāi)采區(qū)和保留區(qū)，布設(shè)6個(gè)采砂場(chǎng)和3個(gè)保留區(qū)，結(jié)合前述確定的開(kāi)采允許深度2.5 m、寬為主槽的1/6和長(zhǎng)度為寬的4～6倍的分析成果，以及河道主槽淤積顆粒級(jí)配成果，估算臨渭區(qū)河段砂石資源可開(kāi)采量分析成果。渭河下游渭南臨渭區(qū)河段規(guī)劃開(kāi)采區(qū)、保留區(qū)和其它區(qū)域年可能開(kāi)采砂石資源量約130.9萬(wàn) m3。

臨渭區(qū)河段年可開(kāi)采砂石資源量約130.9萬(wàn) m3，小于前述分析的多年平均砂石資源補(bǔ)給量285.7～500.0萬(wàn) m3，約占多年平均砂石資源補(bǔ)給量的26.2～45.8%;而開(kāi)采河段長(zhǎng)為20.5 km，為總河段長(zhǎng) 37.5 km 的 54.7%;這樣的比例保證了對(duì)采砂活動(dòng)按要求進(jìn)行嚴(yán)格管理?xiàng)l件下，該河段開(kāi)采量控制在130.9萬(wàn) m3以下時(shí)，可基本維持河槽的穩(wěn)定。因此，臨渭區(qū)河段該可能開(kāi)采量計(jì)算成果是較為合理的。

估算開(kāi)采量河道主槽的寬度依據(jù)是近期(2003～2006年)平均河道主槽寬進(jìn)行確定的，是一種近期平均的開(kāi)采量成果;若沒(méi)有較大的洪水過(guò)程，河寬和河勢(shì)變化具有漸變特征，近一兩年內(nèi)在河寬與河勢(shì)沒(méi)有發(fā)生大的變化條件下可直接使用。在今后實(shí)際應(yīng)用時(shí)，河道若發(fā)生較大變化的情況下，應(yīng)根據(jù)當(dāng)年的河寬和河勢(shì)情況重新對(duì)采砂坑寬和長(zhǎng)進(jìn)行評(píng)估確定，按前述的確定的原則和方法，根據(jù)實(shí)際河寬與河勢(shì)確定采砂坑的控制指標(biāo)。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1)渭河下游臨渭區(qū)段渭河主槽中堆積的中粗砂可以作為3區(qū)建筑用砂，上游渭淤19#斷面附近，顆分資料顯示已接近2區(qū)砂，為較為理想的砼細(xì)骨料。臨渭區(qū)河段采用抽砂船、利用傳送帶輸送采砂，開(kāi)采過(guò)程中可有效地將砂中的泥質(zhì)含量、極細(xì)砂及部分微細(xì)砂篩選掉，使砂質(zhì)總體顆粒更粗。

2)按目前極限開(kāi)采深度內(nèi)(枯水期河水位以下15.0 m)，主槽寬度計(jì)算的范圍內(nèi)可供利用的建筑用砂靜態(tài)可利用儲(chǔ)量為6 812萬(wàn) m3;河底以下2.5 m開(kāi)采范圍內(nèi)可供利用的建筑用砂靜態(tài)可利用儲(chǔ)量為843萬(wàn) m3。

3)初步估算渭河下游臨渭區(qū)河段砂石多年平均可能靜態(tài)補(bǔ)給量約285.7萬(wàn) m3;在進(jìn)行砂石資源利用的情況下，該河段砂石多年平均可能補(bǔ)給量285.7～500.0萬(wàn) m3之間。渭河下游渭南臨渭區(qū)河段近期年最大允許開(kāi)采砂石資源量約130.9萬(wàn) m3，河勢(shì)基本上可保持穩(wěn)定。

5.2 建議

1)今后若河勢(shì)發(fā)生較大變化，在這一情況下實(shí)際應(yīng)用該分析成果時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)年的河寬和河勢(shì)情況重新對(duì)采砂坑寬和長(zhǎng)進(jìn)行評(píng)估確定，按前述的確定的原則和方法，根據(jù)實(shí)際河寬與河勢(shì)確定采砂坑的控制指標(biāo)，對(duì)開(kāi)采量進(jìn)行重新估算后才能用于管理控制。

2)根據(jù)分析目前臨渭區(qū)河段局部若形成較大較深的采砂坑，對(duì)河道沖淤有一定影響;因此應(yīng)加強(qiáng)采砂日常管理，嚴(yán)格控制采砂坑的合理深度和大小，以減輕非汛期采砂對(duì)河道行洪的影響。

3)在今后采砂許可管理中，應(yīng)加強(qiáng)采砂坑不同位置、深度條件下對(duì)河道主槽沖淤和河勢(shì)演變影響的觀測(cè)和分析，積累直接觀測(cè)分析數(shù)據(jù)，為采砂的精細(xì)化管理奠定堅(jiān)實(shí)的資料基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

［1］陜西省水利廳.渭河流域近期重點(diǎn)治理規(guī)劃可行性研究報(bào)告［R］.西安.2005.

［2］陜西省地礦局第七工程勘察所.渭河下游臨渭區(qū)段渭河主槽建筑用砂資源勘查報(bào)告.2007.12.

［3］王金生.河道采砂與管理［M］.中國(guó)水利水電出版社.2006.9.