黃河泥沙資源化利用的實踐

和瑞勇

黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河泥沙重點實驗室，河南鄭州 450003

黃河難治的癥結(jié)在于“水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”，黃河巨量泥沙，造成河道萎縮，“二級懸河”日趨嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅黃河防洪安全，因此，黃河泥沙的處理和利用是一項非?，F(xiàn)實而又十分緊迫的任務(wù)。隨著世界性能源危機的出現(xiàn)和一些自然資源的日漸枯竭，我國面臨著經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。黃河泥沙資源化利用是一項“以河治河”、除害興利、變害為寶的戰(zhàn)略性系統(tǒng)工程，黃河泥沙的“用”將會開辟治黃發(fā)展史上新的輝煌篇章。

1 挖河固堤利用

黃河下游放淤固堤是黃河治理實踐中的一項偉大創(chuàng)舉。經(jīng)過幾十年的不斷探索和生產(chǎn)實踐，放淤固堤技術(shù)已日臻完善和成熟，目前已成為黃河下游治理中一項不可缺少的技術(shù)手段。放淤固堤就是利用黃河下游水流含沙量較大的特點，將渾水或人工拌制的泥漿引至沿堤洼地或人工圍堤內(nèi)，降低流速，沉沙落淤，加固堤防的工程措施。

黃河下游自20世紀(jì)50年代，開始了利用洪水泥沙淤平堤后潭坑的實踐。20世紀(jì)70年代初開始，黃河職工根據(jù)黃河多泥沙的特點，自制了簡易挖泥船，在黃河河道中挖取泥沙，利用水力管道將泥沙輸送至大堤背河側(cè)沉放，將黃河大堤淤寬50m～100m，取得了顯著效果。放淤固堤經(jīng)過幾十年的實踐得到了快速發(fā)展，先后采用了自流放淤固堤、揚水站放淤固堤、吸泥船放淤固堤、泥漿泵放淤固堤以及組合機泵式放淤固堤等形式。

例如：在黃河河南河務(wù)局選擇大張莊工程下首至柳園口險工下首河段作為啟動工程試驗河段，該河段長13.5km，開挖河段長7km～9km，設(shè)計疏挖寬度為200m、挖沙深度取3m。在黃河山東黃河河務(wù)局啟動工程位于東營市河口段朱家屋子～清2斷面，全長24.4km，其中朱家屋子至6斷面長11km為挖河段，6斷面至清2斷面長13.4km為疏通段。挖河段開挖底寬200m，平均挖深2.5m；疏通段開挖底寬20m。為配合挖河固堤工程，還組織科研人員通過理論分析、原型觀測和實測資料分析、數(shù)學(xué)模型計算、動床物理模型試驗等多種研究手段，探討了挖河減淤機理；研究了挖河部位、時機、機械、工程布置等關(guān)鍵技術(shù)，提出了挖河固堤工程對周邊環(huán)境的影響和對策措施；組織開展了挖河減淤效果。對挖河減淤效果、固堤作用及其有關(guān)技術(shù)問題研究。

2 防汛材料利用

傳統(tǒng)的黃河防汛天然石料屬不可再生資源，資源量有限，近年來隨著各級地方政府環(huán)境保護意識的增強，天然石料的開采受到控制，采石場被列入環(huán)境監(jiān)察范圍，大批的采石場被責(zé)令關(guān)閉。因此今后石料采購成本將會迅速提高，可能出現(xiàn)無石可采、無石可購、無石可用的嚴(yán)峻局面。而黃河中下游河道有豐富的泥沙資源，雖然於臨於背利用了一少部分河道的泥沙，但大量的泥沙至今沒有得到有效的利用，使黃河下游河床不斷太高，同時也成為了一個巨大的風(fēng)沙源頭。

采用專用活性激發(fā)劑（外摻劑）固化材料，這種材料可對河流泥沙進行有效的堿激活，在其內(nèi)部形成硅-鈣質(zhì)晶體，能夠有效促進水泥水化，提高防汛石料強度。同時，采用夯擊工藝制作人造大塊石和液壓輔助振動成型工藝制作常規(guī)體積防汛石料。通過大量試驗分析，得到激發(fā)劑、河流泥沙、水泥等制作材料的配合比，達到了最佳的凝結(jié)激發(fā)效果。利用大塊石搶險可以替代傳統(tǒng)散石和鉛絲石籠，并且具有防治根石走失、拋投到位率高、節(jié)約管理成本、降低拋投費用等優(yōu)勢。利用黃河泥沙制作備防石，大量節(jié)省天然石料，既滿足了防汛需要，又為解決黃河泥沙利用提供了新的途徑。

3 土地修復(fù)改良利用

黃河泥沙富有氮、磷、鉀等有機元素，肥沃土質(zhì)，可進入農(nóng)田改良土壤，改善灘區(qū)群眾生產(chǎn)生活。人們從長期的生產(chǎn)實踐中已逐漸認識到，黃河泥沙是一項十分重要的生產(chǎn)資源，汛期洪水具有含沙量高、泥沙細的特點，而且所挾帶的泥沙具有相當(dāng)數(shù)量的農(nóng)作物生長養(yǎng)分，對農(nóng)作物生長十分有利。放淤集改堿、平整土地、改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力等多種功能于一身，能起到一舉多得的治理效果。在上世紀(jì)50年代中期，在黃河三角洲進行了18戶流路放淤試驗研究，在改良土壤的同時，還總結(jié)了放淤經(jīng)驗。上世紀(jì)60年代末至80年代末，針對沿黃兩岸背河地區(qū)存在大量鹽堿澇洼地的情況，有關(guān)部門利用當(dāng)時洪水機遇較多、含沙量較高的條件，進行自流引洪放淤改土，糧食生產(chǎn)得到了較大提高，效益顯著，為黃河泥沙的處理和利用開辟了新的途徑。

小浪底移民安置區(qū)位于壩址下游約20km的溫孟灘區(qū)，安置區(qū)東西長40km，南北寬1km～4km，占地面積53km2，為了改善耕種條件，從1995年汛期開始對安置區(qū)實施了放淤改土工程。放淤工程采用了泵站配合明渠輸水改土、活動泵站（以船作載體，其上架設(shè)混流泵群）及吸泥船抽取黃河表層渾水至淤改區(qū)泥沙落淤改土和挖土機械挖取黃河嫩灘淤土至改土區(qū)的放淤改土等方式。據(jù)河南溫孟灘移民安置區(qū)淤改土土壤肥力評價，淤改前土壤肥力評價指數(shù)P 均＜100，說明溫孟灘移民安置區(qū)淤改前土壤肥力低于周邊農(nóng)田平均土壤肥力水平； 淤改后的淤填區(qū)和改土區(qū)土壤肥力評價指數(shù)P 均＞ 100， 說明淤改后土壤肥力水平已經(jīng)達到當(dāng)?shù)刂苓呣r(nóng)田平均土壤肥力水平[1]。

黃河小北干流放淤試驗工程位于山西省河津市連伯灘黃淤67～65斷面之間，汾河口工程背水側(cè)。淤區(qū)面積5.5km2，設(shè)計淤積泥沙量1395萬m3，主要包括引水閘、輸沙渠、彎道溢流堰、淤區(qū)、退水閘五個部分。該工程于2004年汛期投入運用，至2007年連續(xù)開展四年，累積放淤576.5小時，共進行12輪次放淤?？傄沉?98萬t、引粗沙量186萬t，占引進總沙量的20.7%；放淤量571萬t，其中泥沙粒徑大于0.05mm的沙量212萬t，占總淤積量的37.1%。放淤可造良田， 促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。黃河小北干流兩岸灘地臨背差大， 鹽堿化突出， 經(jīng)濟發(fā)展條件相對落后。通過放淤可把洼地、沼澤、坑塘、鹽堿等不毛之地淤高， 造出大片良田，改善小北干流兩岸目前較為惡劣的農(nóng)業(yè)耕作條件， 促進黃河沿岸經(jīng)濟的發(fā)展。同時加大灘區(qū)開發(fā)利用程度， 促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，是一項利國利民的多贏工程[2]。

4 建筑材料及其他方面利用

目前我國經(jīng)濟高速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)如火如荼，墻體材料用量巨大，利用黃河泥沙制作的綠色生態(tài)建材來廣泛代替黏土制品，使大量的黃河泥沙得到資源化利用同時，直接保護了黃河兩岸日益緊缺的耕地資源。例如：1）黃河泥沙蒸養(yǎng)磚是由黃河泥沙、粉煤灰、固化劑、水泥、水經(jīng)擠壓機擠壓成型，體積密度、吸水率、抗風(fēng)化性能、凍融試驗、放射性物質(zhì)試驗均符合國標(biāo)要求。因此黃河泥沙磚具有環(huán)保、經(jīng)濟的獨特優(yōu)勢，對保護耕地資源、推動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，促進人與自然的和諧相處將起到不可估量的作用，具有良好的社會效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟效益；2）通過物化分析，利用黃河泥沙制作免蒸加氣混凝土砌塊具有一定的可行性。利用黃河泥沙和普通硅酸鹽水泥，運用物理和化學(xué)方法加氣，制作的免蒸加氣混凝土砌塊，具有容重低（300 kg/m3～1 000kg/m3），具備輕質(zhì)、保溫功能，可用于工業(yè)民用建筑外墻填充；可澆筑施工，可現(xiàn)場澆注墻體、屋頂保溫層等，并可在澆注時選配鋼筋、竹筋等抗拉抗裂材料；3）燒制陶粒制品，利用黃河超細泥沙適當(dāng)添加部分粘性成分后燒制粒徑在0.5cm～5cm左右的陶粒，經(jīng)燒結(jié)后的陶粒自身強度可達到60MPa以上，可作為輕質(zhì)高強混凝土中的輕質(zhì)骨料；4）制作干混砂漿，干混砂漿是在工廠規(guī)模生產(chǎn)的成品砂漿，施工現(xiàn)場直接加水?dāng)嚢韬蠹纯墒褂?，便于現(xiàn)場施工質(zhì)量控制，是目前建筑市場發(fā)展的必然趨勢。黃河河道淤積泥沙粒徑相對較粗，超細泥沙含量較小，通過添加外加劑復(fù)配，利用此部分泥沙可制作干混砂漿，用于對墻體砌筑、地坪和墻體粉刷等方面，具有廣闊的市場前景；5）制備微晶玻璃，選用黃河泥沙作為主要原料，添加少量其它必需的成分，采用整體析晶法成功制備出了建筑裝飾用微晶玻璃。經(jīng)過掃描電鏡觀察，該微晶玻璃的微觀結(jié)構(gòu)為晶體與玻璃相的復(fù)合，在外觀上則具有自然的紋路與柔和的光澤，具有較好的裝飾效果；6）制作工業(yè)原材料，黃河泥沙SiO2含量較高，實測在72%左右，經(jīng)提純和深度加工，SiO2可直接成為其它高附加值的化學(xué)工業(yè)用原材料。

5 河口造陸及濕地水生態(tài)維持利用

在填海造陸方面，黃河巨量泥沙在淺海區(qū)的沉淤堆積，演變形成了廣闊的三角洲平原，相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果表明，1855年～1954年期間，實際走河64年，黃河河口累積來沙930多億t，年均來沙14.58億t，共造陸1 510km2，年均造陸23km2。1954年～2001年，黃河三角洲新生陸地面積達990km2，從而使得黃河河口地區(qū)成為我國東部沿海土地后備資源最多、開發(fā)潛力最大的地區(qū)之一。同時，巨量泥沙的入海在遏制海岸線侵蝕、變海上采油為陸上采油從而節(jié)省投資等方面亦具有重要作用。

黃河泥沙造就了大片新生濕地，為生物多樣性提供了生存的基礎(chǔ)。目前河口地區(qū)有 265種鳥類，其中7種屬國家級重點保護，33種屬國家二級保護，另有陸生動物583種，水生生物641種，其中也有10種屬國家級保護。保護區(qū)內(nèi)的植被面積約達54%，區(qū)內(nèi)的393種不同植物，形成了新的自然景觀。因此人工造就濕地，以適應(yīng)生物多樣性， 是21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要目標(biāo)[3]。此外，76.5萬畝的天然草場、1.05萬畝的天然實生柳林和12.15萬畝的天然檉柳灌木林也在保護區(qū)分布。保護區(qū)內(nèi)還有華北平原面積最大的人工刺槐林，面積達18萬畝。

黃河泥沙資源化利用研究涵蓋了泥沙工程學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、水土保持、土壤學(xué)、巖土工程等多門學(xué)科，需要綜合性開展研究，隨著對黃河泥沙資源化利用認識的深化，黃河泥沙“變害為寶”將能為民生水利帶來更加美好的明天。

[1]魏義長，劉作新，等.河南溫孟灘移民安置區(qū)淤改土土壤肥力評價[J].土壤通報，2003，8：280-284.

[2]郭貴麗.治理黃河泥沙的新途徑—小北干流放淤[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟. 2006，16(22)：285-286.

[3]張啟舜，胡春宏，等.黃河河口的治理與三角洲地區(qū)泥沙的利用[J].水利水電技術(shù)，1997，28(7)：1-4.