摘要: 近年来国内外河道或海洋沿岸采沙的影响日益突出，采沙科学研究不断深入。采用不同的研究方法，并从不同研究角度对这些采沙研究成果进行了系统归类和详细分析。对比了国内外的采沙研究成果，总结了一些国外较先进的研究方法和管理经验，并针对我国河道采沙实际，对今后的采沙操作和研究工作提出了一些可行的建议。
关 键 词: 河道采沙;海洋采沙;采沙影响;规划管理
中图分类号: TV212.5 文献标识码: A
1 概述
近年来在国内的各大江大河上都出现了无序采沙的状况，而且对周围的堤防安全、通航安全、环境、经济社会稳定等方面都造成了很大的负面影响，引起了人们的普遍关注。河道里的沙石是建筑和建设工业用料的重要来源，但是采沙行业目前还是处于分散的状态，之间也缺乏协调性，形成滥采乱挖。由于近年来长江流域上游水土保持工作的开展，河道来沙量有所下降，面临着泥沙资源短缺的危险。采沙过程对生态景观和生物生存环境产生了较明显的影响，采沙过程中的水消耗和污水处理对湿地和地下水也造成危害，采沙的能源消耗、处理及运输等问题正日益突出。所以亟需对河道采沙工作进行详细的科学研究并提出合理的规划。
国外的采沙也有类似的情况，他们针对采沙所进行的研究较早，积累了很多先进经验，鉴于国内外在采沙上的特点不同，所以针对采沙所进行的科学研究也不尽相同。本文将从对河道及海岸线附近流域采沙的工程研究角度对国内外采沙研究成果进行总结对比，以期望国外的一些比较先进的经验技术可为我国河道采沙的科学研究与规划提供借鉴。
2 国外采沙研究现状
目前对采沙研究比较深入的主要是欧洲的一些国家，这些国家的海岸线较长，采沙主要临近海岸线进行。由于受到潮汐、咸水等复杂因素的影响，使得海洋沿岸采沙的研究更为复杂，但是河道采沙和河口采沙有相似之处，其水动力学机理相似。
2.1 早期的采沙研究
早期的采沙研究大多都站在纯粹的工程角度，即通过模拟试验采沙坑的变形趋势来评估采沙对河流演变的干扰情况。美国的Chang H.H.教授早在20世纪80年代就运用计算机数学模型对加利福尼亚州圣胡安溪因沙石开采引起的河床变形进行了研究，并与原型实测资料进行了对比，Duder J.N.［1］ 基于原形观测研究了河口采沙对海岸线形态造成的影响，Kwan R.T.F.［2］ 运用商业软件MIKE模拟了河道采沙对河床演变的影响。
2.2 采沙研究中的新方法
随着对水流泥沙及其在复杂条件下的输移规律的认识的深入，研究人员在研究采沙影响时考虑了更多复杂的因素，开发了不少性能较好的模型来模拟沙坑对周边环境所造成的影响。
Florence Cayocca等［3］ 运用水动力学模型研究了法国在英吉利海峡和北冰洋海岸处采沙对海岸形态的影响，其数学模拟充分考虑了潮汐水流、沙波阻力对沙坑演变的影响，分析了影响沙坑变形的一些因素（主要适用于河口采沙），还通过建立经验公式评估沙坑演变对海岸线的影响。Pieter C.Roos等［4］ 对海洋浅水处油田开采中沙坑演变作了详细研究，开发了用于模拟沙坑（sand tank）影响海洋底部地形演变的模型，结果表明沙坑以很快的速度自中心向四周扩大，扩大速度与潮流输运速度和潮汐周期的不规则性有关;沙坑在水平方向上的变形远超过垂直方向的沉降，海洋底部的沙坑沉降与陆地上的沉降特点大不相同。他建议有必要对沙坑造成的沉降和床面形态的关系进行非线性力学的研究。M.A.F.Knaapen等［5］ 分析了采沙后沙波的再生，并根据朗道方程建立了一个简单有效的演变模型，模型参数由遗传算法的优化方法确定，可以很好地预测采沙后沙波的演变情况，该模型较精确地预测了日本Bisanseto海峡采沙10a后的沙波再生状况。Edward Thornton等［6］ 研究了美国南部Monterey海湾1906～1990年间由于采沙造成海岸线侵蚀现象，沿岸采沙明显增加了海岸侵蚀，且当风暴潮和高潮位相遇以及受厄尔尼诺现象影响时岸线的侵蚀更大。P.L.Friend等［7］ 利用开发的概念性模型研究了Fowey河口处挖沙对河道泥沙输移及通道、泥沙粒径分布、级配等造成的影响。模型需要大量的数据来研究海底地形和决定长时间的海洋形态变化，计算表明虽然受到上游河道采沙的人为干扰，Fowey河口仍遵守常规泥沙输移模式。A.David Knighton［8］ 对Ringarooma河1875～1984年间由于采沙造成泥沙细化的现象进行了研究，并根据采沙对河床的影响程度将整个河流分成若干河段，指出由于上游采沙引起下游河床泥沙的中值粒径小于5mm，河床恢复到自然状态需要很长时间。
可见，在近几年国外对海边采沙影响的研究中使用了很多种方法，如潮汐水动力学数学模型、海洋底部地形演变模型、遗传算法优化模型及概念性模型等等，这些研究成果加深了人们对采沙影响的认识，有利于通过科学指导合理的采沙规划来减轻采沙对周边环境、海岸线形态及生态环境的影响后果。
2.3 非工程性采沙研究
所谓“非工程性”是指不是根据力学原理，而是通过原形观测沙坑周边化学物质分布及物种生存状况等手段来了解采沙的影响后果。R.Simonini等［9］ 研究了在海底采沙对海底大型栖息动物的生态影响，Emilia-Romagna海岸边采沙造成了近海区域的海侵现象，通过7个控制点的调查，发现采沙在短期内没有对沙粒分布和泥沙TOC含量造成明显影响，在采沙后12个月这些地方的物种无一幸免，泥沙运动会使采沙坑在短期内（2～4a）恢复到自然状态。R.Smith等［10］ 调查了在北海和英吉利海峡采沙停止后3a内海底动物区的受影响状况，发现采沙密集区的生物多样性和丰富性都有大幅度下降，建立了生物形态和水动力学指标的关系，说明采沙活动停止后自然物理干扰对海底动物区结构作用重大。K.L.Spencer等［11］ 对英国内陆河道中射流采沙对周围水体水质的影响进行了研究，射流采沙扰动了泥沙中的有毒物质（如硫、氨等）、污染物等，对周围水体的生物造成了危害。
3 国内采沙研究现状
国内关于采沙影响的研究较晚，但亦取得了很多有价值的成果。早期的河道采沙研究只是定性地分析沙坑在一段时间以后的变形情况，从干扰河道流态、河床地形演变等角度做出评价。最新的研究通过采用先进的试验手段，较好地模拟沙坑的细致变形过程，对河道采沙有了更全面的认识，但国内与国外的采沙研究是有差别的。
3.1 物理模型模拟河道采沙
毛野［12］ 指出采沙使河床局部变形，打破了水沙运动的平衡，采沙坑对水流的作用类似于跌坎，相应地横向次生流和平面流场被迫调整，水流流态变化引起溯源冲刷，进而导致河床全面调整，影响河床稳定;他［13］ 还运用微尺度模型和基于普通相机的近景摄影测量三维图像解析技术针对河道采沙对长江镇江段河床演变的影响进行了试验研究，提出沙坑的变形是采沙坑内及其附近的水流与采沙坑边界相互作用的结果，持续进行河道采沙对局部河床变形有较大影响，其影响范围与影响程度取决于众多因素，包括采沙坑的形状、大小以及决定水流流态的采沙坑与河道的相对位置等。齐梅兰［14］ 分析了采沙对桥墩引起的局部冲刷的影响，根据冲刷机理的不同，将采沙河床桥墩冲刷分成3部分:溯源冲刷、一般冲刷和局部冲刷。她［15］ 还指出不同采沙位置和采沙坑深度对桥墩基础安全的影响程度不同，采沙坑距大桥的安全距离主要与河床粒径及水流流速有关，但她忽视了沙坑下游淤积影响问题。
3.2 数值模拟河道采沙
数学模型也普遍应用于采沙影响研究，并取得了很多成果，毛劲乔［16］ 应用各向异性三维代数应力紊流数学模型（ASM）模拟研究了天然河道中采沙坑的次生流问题，分析表明:采沙坑使原稳定的水流形态发生变化，沿主流方向形成纵向涡旋，导致采沙坑上游缘口冲刷，坑内的横向次生流则造成横向侵蚀，紊动特性表明采沙坑严重影响河床稳定。毛［17］ 又分析了矩形沙坑和梯形沙坑内部应力分布的不同，指出矩形沙坑内的应力大于梯形沙坑，并且当沙坑有边坡时，沙坑缘口部位的交角逐渐变小，在水流作用下具有“自我修复”功能，河床更易重新趋于稳定。周华君［18］ 运用平面二维数学模型对嘉陵江何家滩采沙后河道流态、滩槽流速、主流位置、水面高程及比降的变化规律进行了研究，预测了采沙完成后卵石推移质输沙率变化及其对航道的影响。因研究河道属于山区河流，悬移质处于不饱和状态而不参与造床作用，与长江中下游的采沙情况有所不同。王刚等［19］ 针对广东北江河道采沙问题，采用正交设计和数理统计方法，定量分析了沙坑的位置形状对堤防安全的影响，建立了河道采沙坑与堤防位置关系模型。王刚［20］ 采用边坡稳定分析程序计算了枯水期沙坑迎水坡的安全系数，并给出了沙坑位置相对堤防的安全距离表达式。
4 国内外采沙研究成果对比
总结以上国内外关于河道、海洋沿岸采沙的研究成果可以看出，国外对采沙的研究已经从早期单纯的工程性研究向生态影响的非工程性方向研究过渡。欧洲一些国家对海洋边滩采沙的研究投入资金较多，使用了很多先进的观测技术，如GIS、声纳地形仪等，掌握了较广面积和较长时间的采沙前后海洋底部地形资料，为科学预测采沙影响提供了可靠的数据资料。由于在河口部位采沙对洄游性物种及湿地等方面的影响很突出，他们对沙坑对生态环境和周围水质的影响也开展了较为深入的研究。通过长期的科学研究工作，目前欧洲很多国家在采沙管理方面总结出很多值得借鉴的经验。当然他们的采沙主要是集中在河口、海岸线浅滩处进行，由于受到风暴潮、天文潮汐或其他方面如厄尔尼诺天气等因素的影响，问题也变得相当复杂，而我国的采沙在非感潮河段和感潮河段均存在。采沙研究的进行要区别对待，所以在学习他国的先进采沙研究手段时，务必要结合我国的实际情况。
我国在河道采沙管理规划方面也做出了很多成绩，但这些规划报告并没有相应的物理模型试验或者基于原型观测数据所进行的数值计算模拟，其结论和建议主要是对采沙前后的河道地形观测所做出的，有很大的主观性。当然，影响河道采沙的观测、试验、计算和科学规划的原因很多，采沙影响因素复杂，但其研究工作除主观上重视不够外，如下因素可能影响了采沙研究的深入:采沙的影响范围大，做物理模型试验的费用高;影响采沙的条件复杂，包括河型、来水来沙条件、采沙坑的位置、大小和深度等;数学模拟复杂，必须为二、三维水沙数模才能真实反映出沙坑的变形;采沙效应问题是最新焦点，20世纪90年代以前河道采沙量不大，没有引起足够的重视，所以关于采沙的原形观测数据较少。总的来说对采沙河道的地形观测是首要的，只有在掌握了可靠的地形和水流泥沙资料后，才能为物理或数学模型试验提供条件。
5 建议
无序的河道采沙对河流演变、防洪、通航、环境生态及经济社会稳定等诸多方面均会造成不良影响，除了需要加强对河道采沙的科学研究以外，其他非工程性质的研究规划也是很重要的，本文提出以下几点建议:
（1）及时将最新的检测仪器和方法（如GIS和声纳地形仪等）应用于采沙操作中，较好地掌握一定时期内河道在采沙前后的河底地形数据资料，在进行深入采沙工程性研究的同时把较多的目光投向采沙对河道物种生存及沙坑周边水质的影响研究。
（2）深入研究未来的工程建设需沙量、减少沙石需求的方案、与采沙相关的环境、社会和经济的代价，减小由采沙造成的生态环境影响，更快地将采沙评估新方法和采沙许可方案应用于新工程中。
（3）在采沙期间需要研究一些管理系统来限制将处理后的精细沙滥堆滥放;所有的采沙操作需要配备事故应急系统，以及时处理采沙船之间的碰撞和漏油事件。
（4）规划管理部门应提倡区域性开发，而不是普遍地大城市性开发（因为这样就会有更多的建设工地离沙石来源处更近，减小了运输费用），还要对采沙的操作评估与管理进行更深入的研究。
（5）适当再利用建筑材料而不是丢弃，当建筑物拆除后最大程度地回收像混凝土之内的材料;如果选择使用的材料的环境影响代价较之混凝土对环境造成的影响代价要小，则鼓励使用其他建筑材料而不是混凝土，特别是在家庭建设方面（环境代价包括与建设某一建筑物有关的能源消耗，在很多情况下，可以考虑利用大量混凝土搅拌散发的热量减少能量损耗）。
参考文献:
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作者简介: 李 健，男，长江水利委员会长江科学院研究生部，硕士研究生。
来源：《人民长江》
