海砂開采對海洋環境的影響及對策

摘 要：為研究海洋環境在海砂開采作業過程中所受的影響，從汕尾海砂開采施工實際出發，選取生態環境與地質環境兩大要素對其進行理論與試驗研究。對海水鹽度、營養類物質、輸砂量、流場等方面進行分析對比，運用折射“V”形槽法判斷海水鹽度的變化趨勢。結合F統計和P置信區間統計方法建立海域營養鹽類分析數據。利用三維Fluence有限元分析工具給出影響流場要素的流速，并給出對應措施。研究表明：鹽度與開采的海洋折射率存在正向相關關系，營養鹽類與流速密切相關，在春夏季進行開采作業對保持海洋地質環境的平衡最有利。

關鍵詞：海砂開采；海洋生態環境；海洋地質環境

中圖分類號：TD 807 " 文獻標志碼：A

海砂是重要的資源，我國領海廣闊，近岸海砂聚集分布較廣，各類成分海砂混雜，目前隨著“碳中和”、“碳達峰”等雙碳理念的提出，我國已經走上了環保高效的資源使用之路。因此，在海砂開采工程的過程中，合理利用海砂資源，保護海洋環境非常重要。海砂伴隨海水包覆著大量有害離子，可能使海洋中海砂的材性發生結構性改變，從而表征的性態直接或間接影響海洋環境。

1 海砂開采的海洋環境現狀與問題

海砂開采是一項需要長期跟進的工程，其可以取代河砂，并作為混凝土的原材料進行拌制。海砂組分與河砂基本相同[1]。日本在1938年開始使用海砂作為混凝土的原材料并進行混凝土制品拌制[2]。但是，從海水中抽離的海砂經過漫長的海洋作用，其宏觀力學特性已經發生改變，對海洋環境會造成一定程度的影響。加上海砂的需求量劇增，價格逐年攀高，業內部分工程單位為降低成本或方便施工，擅自在近岸海域采挖海砂，并將其用于工程建設，直接破壞了海洋生態環境。因此海洋環境存在較大的隱患，本文將汕尾09區和03區塊海砂開采部分典型作業區域作為研究對象，對海洋環境的影響因素和解決對策進行研究。

2 海洋生態環境分析

開采海砂可能會破壞海底的生態環境，同時影響海水的鹽度、pH、O2含量、營養鹽等，日本曾經報道過開采海砂導致海底世界如同荒漠，由此引起日本反對開采海砂[3]。

海砂開采因泵吸的機械運動會產生懸浮物質，懸浮物與海洋中底棲生物相互接觸會對這些底棲生物造成較大影響。主要表征為海域內海水鹽度發生微量變化，引起浮游生物數量改變，使海洋生態中的營養鹽類發生改變。

2.1 對海水鹽度的影響

海砂開采會直接引起海水鹽度的變化，為分析其影響程度，采用“V”形槽方法對汕尾地區海砂開采的不同海域進行測量，選取樣本考察海水的電導率、壓力以及溫度。通過計算得到海水的鹽度，從而分析得知海砂開采的深度不同而引起的鹽度變化差異。通過采用折射“V”形槽法判斷海水鹽度，其折射示意圖如圖1所示。

在“V”形槽試驗中，PSD作為一個樣本收集點，用來搜集最終的海水樣本參數。“V”形槽的操作方式：首先接入準直光纖，透過633nm激光器引入光源，其次將不同區域海水樣體打入PSD上，最后通過信號波傳輸至電腦顯示器，將數據處理后進行分析。測量方法采用國家海洋標準計量中心標準（準確度為0.003PSU）以及超純水，在25℃下對測量系統進行標定[4-5]。得出表1所示的3種開采海域下的海洋鹽度測量值。其中鹽度的標量方法為PSU（Practical Salinity Units），表示海水中實際鹽度標準。

通過表1所整理的汕尾海砂開采作業行為和09區塊和03區塊的3個代表性開采區域發現，當折射率為1.331756時，其海洋鹽度值在31PSU；當開采區域所反映的折射率升至1.336394時，信號采集的數據顯示鹽度標準值為39PSU。可以得出，海域開采的不同位置所反映的海水折射率與鹽度有某種直接關系。然而，工藝流程設計和用水量缺乏科學的依據，大多靠經驗獲取。

為進一步解釋海砂開采所引起的海水鹽度變化情況，引入激光器打入的光源波長，通過折射率與波長的關系對鹽度進行定量描述。本文的引入方法為考慮波長隨鹽度變化的系數，如公式（1）所示。

?λ/?t=75pmK-1 " "（1）

式中：?λ為波長增量；K為系數，表示波長的倒數，波傳播的方向上單位長度內的波周數目；pm為皮米，指波長的漂移長度。該系數表示鹽度每改變0.01PSU，波長變化為75pm，由于波長導致折射率產生的RIU為2.16×10-6，因此鹽度的變化與波長變化反映為波長與折射率之間的關系，總結了單調遞減的一次函數關系（如圖 2 所示）。

根據圖2關系曲線可以清晰看到：折射率與波長呈反比例關系。從而導出折射率與海洋鹽度呈現正相關關系變化趨勢，物理意義為在不同區域的海砂開采過程中，由于海砂與海水之間存在傾角差異，因此會呈現鹽度單調遞減變化趨勢。在實際開采中，應盡可能降低海砂開采的折射率，應考慮在平坦寬敞的海床上進行開采，減少開采海砂對海洋環境造成的影響。

2.2 對營養鹽的影響

有研究表明生物膜藻類會對海水種營養鹽有影響，而在汕尾海砂開采區域，已經發現開采海域的藻類指標出現上升趨勢，考慮開采海砂會對海水中營養鹽類物質造成間接影響。

根據兩種海砂開采強度條件下的F值和P值兩個統計指標來表述海域內營養鹽類的生物膜狀態。并分別指出原位生物膜、建群生物膜這兩大類的參數值情況，最終確認營養鹽類的富集情況。統計結論見表2。

通過表2可知，氮、磷以及氮磷比3個元素對原位生物膜和建群生物膜的影響效應規律一致。F值為F檢驗后的統計量值，通常認為在置信區間0.005以上是生物膜較多的水平反應，而在流速作為單一因子狀態下，可以看出海砂開采強度的增加直接導致了整體置信區間的降低，也就是說當整個開采從50.7萬m3升至63.2萬m3時，方差呈現較大幅度升高，其整體數據的離散較大，對生物膜藻類的增加具有顯著的效應（0.003lt;Plt;0.005）。在靜水環境，不同海砂開采強度下，氮、磷和氮磷比也都趨于同樣的數量表征狀態。

3 海洋地質環境分析

3.1 海域輸砂量均衡分析

海域中蘊藏的砂量會因人類活動不斷發生改變，即使在一定控制界限內進行總量開采，海域中砂量的生成仍然跟不上開采作業的速度。因此須從開采作業對海域中砂量輸送均衡的角度分析，以明確開采海砂對其影響的程度。

表3記錄了汕尾海砂地區9#、3#地塊開采區域海砂的砂質情況，主要采集的樣本有粉土質粉砂、砂質粉砂、砂這3類。分別測量了其平均粒徑、懸浮泥砂平均粒徑以及海域深層砂的平均粒徑，并將其作為原始數據指標。分析表明，海砂開采的不同區域表征的砂量相當，但整體的粒徑有細小差異。這種差異直接影響海砂的開采效率。因此當大量開采海砂時，因為粒徑分布不同，所以海砂不被吸入海砂船內，會導致吸砂效率降低。綜上所述，為使海域中輸砂量保持平衡，開采海砂的吸砂工具應盡可能與所在海域砂粒徑大小匹配，以此達到最優開采效果。

3.2 對流場的影響

春、夏、秋、冬四季在同一海域進行海砂開采作業，流場數據見表4。

汕尾海砂開采代表區域中4個季節的冬季流速最大，深度、表層和底層3個海域深度的流速均為最高值。而流速一年中最小值為春季。通過季節流速表可以得出結論：海砂開采應當盡可能選擇在流速相對較小的季節，流速較大，會導致開采難度增加，同時海域流速過大會影響海砂的吸附性，直接導致兩側海域的海砂失衡，從而造成污染。為分析開采海砂與不同季節流速之間的關系，根據三維Fluence有限元流場分析圖給出相互影響的關聯關系。選取在固定開采地點海面下10～20m的流場分布情況，做出切片平均三維視圖，如圖3所示。

由圖3可知，春季整體流速最低值有多處明顯沿縱向分布的較小值，約為0.025cm/s。而冬季流速會顯著變大。整體的流場分布態勢均向高速度發展。因此應當控制開采時間，盡可能在一年中的春夏季節進行大量開采作業，而秋冬季節適合小規模開采，不宜大量活動。

4 結論

本文研究得到以下結論。1）采用“V”形槽法論證了海砂開采作業會引起海水鹽度的變化，并且海砂開采所在區域的海水折射率與鹽度呈現正相關關系。2）海砂開采會使生物膜藻類繁衍加劇，海水流速變大，造成海洋中營養鹽類物質大量發育。原位生物膜和建群生物膜在流速試驗條件下更易繁殖，相對能減輕海砂開采強度，有助于均衡海洋營養鹽類物質。3）在海砂開采作業中，須盡量選用與所在海域海砂粒徑的平均值匹配的尺寸進行開采，以此保證輸砂量的再生平衡。同時考慮在春夏季節進行開采作業最有效。

參考文獻

[1]劉偉，謝友均，董必欽，等.海砂特性及海砂混凝土力學性能的研究[J].硅酸鹽通報，2014，33（1）：15-22.

[2]山崎寬司，曾瑞玉.對于在日本使用海砂作為混凝土骨料的看法[J].水利水運科技情報，1975（3）：117-122.

[3]林紀江，王平，胡日軍，等.海南日月灣海域表層沉積物分布特征與運移趨勢[J].海洋地質前沿，2023，39（6）：11-21.

[4]林磊，劉東艷，劉哲，等.圍填海對海洋水動力與生態環境的影響[J].海洋學報，2016，38（8）：1-11.

[5]胡慶，唐國樂，鄭川貴.基于三維水動力模型的海砂開采對海洋環境的影響分析[J].中國新技術新產品，2023（8）：55-57.