黃河流域礦區(qū)生態(tài)環(huán)境與黃河泥沙協(xié)同治理原理與技術(shù)方法

胡振琪，趙艷玲

(1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；3.礦山生態(tài)安全教育部工程研究中心，北京 100083)

黃河發(fā)源于青藏高原，流經(jīng)9個省區(qū)，在全國的生態(tài)環(huán)境保護和水源涵養(yǎng)中具有十分重要的戰(zhàn)略地位。2019年習近平總書記在關(guān)于黃河流域的重要講話中，確立了黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略，并指出當前黃河流域仍存在生態(tài)環(huán)境脆弱等問題。

黃河作為中華民族的母親河，也是世界上泥沙含量最多的河流，水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是黃河面臨的嚴峻問題。根據(jù)《黃河泥沙公報2020》資料顯示，2020年黃河下游監(jiān)測口門實測全年引沙量3 296.7×10t，小浪底庫區(qū)1997年10月至2020年10月淤積量為32.321×10m，其支流大峪河入?yún)R段河底已淤積抬高54.08 m。每年從中游輸送下來的泥沙導(dǎo)致下游地區(qū)“地上懸河”問題日益嚴峻，存在潰壩風險，對人民生活構(gòu)成嚴重威脅，黃河泥沙已經(jīng)成為影響黃河流域生態(tài)環(huán)境的重要障礙因子。泥沙問題是治理黃河的關(guān)鍵性難題。隨著我國西北及華北地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，沿線對黃河的用水需求會進一步增多，黃河水少沙多的矛盾也將更加突出。

黃河流域有豐富的水能、煤炭、石油和天然氣等資源，被譽為中國的“能源流域”。我國14個大型煤炭生產(chǎn)基地有9個分布在黃河流域，同時還有勝利、長慶、延長和中原四大油田，已探明煤炭儲量和石油儲量分別占全國相應(yīng)能源儲量的70%和41%，是我國能源安全的重要保障，也是晉陜蒙寧甘地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的主要經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)《2020年煤炭行業(yè)發(fā)展報告》，晉陜蒙3省區(qū)原煤產(chǎn)量占全國的71.5%，調(diào)出煤炭17.3×10t左右。由于我國國內(nèi)油氣生產(chǎn)難以保障國民經(jīng)濟發(fā)展的需求，更進一步促使煤炭資源開發(fā)重心向黃河流域中上游的轉(zhuǎn)移。

然而，流域內(nèi)煤炭資源大規(guī)模開發(fā)利用在對國民經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮重要作用的同時，也給區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的影響，主要表現(xiàn)為：大量土地塌陷損毀、矸石和排土堆壓占土地，導(dǎo)致土壤資源損失、植被生長受損、水土流失加劇、生態(tài)系統(tǒng)惡化等，因此，黃河流域礦區(qū)生態(tài)修復(fù)勢在必行。但是，土壤資源缺乏是導(dǎo)致黃河下游礦區(qū)耕地恢復(fù)率低、黃河中上游礦區(qū)生態(tài)植被難以生長的主要限制因素。

面對黃河泥沙淤積、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化兩大黃河流域生態(tài)環(huán)境難題，如果能夠?qū)ⅫS河泥沙用于煤礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)，一定能起到“化害為利”、“變廢為寶”的“一石二鳥”作用。在黃河下游，將黃河泥沙用于充填低洼地、復(fù)墾采煤沉陷地、改良鹽堿地等已有實踐應(yīng)用，并在取沙、土壤重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了初步研究成果，但在黃河全流域的應(yīng)用還未見更多案例。因此，筆者以流域內(nèi)黃河泥沙和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境協(xié)同治理為目標，在厘清黃河泥沙特性與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理需求的同時，系統(tǒng)論述了協(xié)同治理原理及技術(shù)方法，以期為黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展提供一種解決途徑。

1 黃河泥沙與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境協(xié)同治理原理

黃河泥沙淤積和礦區(qū)生態(tài)損毀是黃河流域2個最典型的生態(tài)環(huán)境問題。在普通人看來，一個是河泥固廢，一個是采礦導(dǎo)致的多種多樣的生態(tài)環(huán)境損傷，2者互不相干。但從系統(tǒng)修復(fù)、綜合治理的角度出發(fā)，尤其是應(yīng)用“山水林田湖草生命共同”的理念，將黃河泥沙作為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)材料，就可以化害為利、變廢為寶，實現(xiàn)2者的協(xié)同治理。因此，將2者協(xié)同治理的思想無論從理論還是實踐的角度都是一個很好的理念，具有重要的經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境效益。

通過分析黃河泥沙與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)之間的相關(guān)因素，2者協(xié)同治理的基本原理如圖1所示。

圖1 黃河泥沙與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境協(xié)同治理原理示意Fig.1 Sketch map of principle of coordinating treatment between river sediment and eco-environment in the Yellow River watershed

對于黃河泥沙和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境這2個研究對象，黃河的問題是泥沙淤積導(dǎo)致的水害頻發(fā)，礦山生態(tài)環(huán)境的問題是因采礦導(dǎo)致生態(tài)損傷嚴重：采坑(場)致使土地裸露、植被喪失；土地塌陷導(dǎo)致生產(chǎn)力下降甚至積水絕產(chǎn)；固體廢棄物堆積在占用土地的同時，導(dǎo)致植被喪失，水土、大氣污染。對于黃河水害來說可采取的解決辦法主要是清淤，是將泥沙“輸出”的問題，但清理出的泥沙需要占用土地，受到用地政策制約，并將耗費大筆資金；對于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境來說，修復(fù)治理是解決辦法，但對大部分礦區(qū)來說，缺土壤是最主要的制約因素，直接影響生態(tài)修復(fù)的質(zhì)量，是一個需要土壤“輸入”的問題。有些生態(tài)修復(fù)工程管護期過后植被迅速退化與土壤數(shù)量不足、質(zhì)量差有直接關(guān)系。因此，將礦區(qū)損毀的場地作為泥沙堆積場、將泥沙作為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的土壤替代材料存在可行性。

黃河泥沙與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境協(xié)同修復(fù)需要解決好5個協(xié)同問題：

(1)供需協(xié)同。黃河泥沙需要從河道處清理出來輸出到某個地方，而礦區(qū)生態(tài)修復(fù)需要從某個地方輸入土壤作為修復(fù)材料，因此，2者存在供需協(xié)同關(guān)系，關(guān)鍵是確定2者在數(shù)量和時間上的供需協(xié)同。

(2)空間位置協(xié)同。經(jīng)空間分析，沿黃河流域分布有我國14個大型煤炭生產(chǎn)基地中的9個，已探明累計儲量占全國探明煤炭儲量的70%，其中，寧東基地位于黃河流域上游，神東基地、陜北基地、晉北基地、晉中基地、晉東基地、黃隴基地位于黃河流域中游，河南基地位于黃河流域中、下游附近，魯西基地位于黃河下游，存在整體的空間協(xié)同性。

從典型礦山生態(tài)環(huán)境損毀看，下游的魯西基地、河南基地多是地下開采，出現(xiàn)大規(guī)模的塌陷區(qū)，損失的是高質(zhì)量耕地。為了恢復(fù)耕地，需要大量的充填材料，這和黃河下游黃河泥沙含量逐漸增加、材質(zhì)粒級由大到小存在空間位置協(xié)同性有關(guān)。中上游的基地地下開采與露天開采并存，尤其是內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)的礦山，遺留大量的露天采坑(場)和固體廢棄物堆場，而當?shù)氐耐寥蕾Y源匱乏、質(zhì)量不高，急需大量的粒徑較小的表土替代材料，這與黃河中上游存在的大量不同粒徑泥沙也存在空間位置協(xié)同性。位于黃土高原區(qū)的礦山，土地裂縫、固體廢棄物堆場問題突出，從礦山生態(tài)修復(fù)的土源總量分析比較充足，但若從未損毀土地上取土涉及到土地保護政策，難度很大，因此選擇黃河泥沙也是解決之策(圖2)。

以上是大尺度空間的協(xié)同性，具體到每個礦山開采損毀的特征具有時空變化的多樣性，生態(tài)修復(fù)對土壤需求也具有顯著的空間差異性，因此，中小尺度的空間位置協(xié)同對泥沙利用與生態(tài)治理效果也具有重要作用。

從礦區(qū)與黃河的距離分析，可以從黃河干流、支流或者引水渠獲取泥沙，輸送方式可以選擇管道、汽車等不同方式，因此，距離不是限制黃河泥沙與礦山生態(tài)修復(fù)協(xié)同的關(guān)鍵因素。從山東省礦區(qū)的應(yīng)用實踐，礦區(qū)距離取沙位置30 km以內(nèi)均可以實施。

(3)材質(zhì)協(xié)同。黃河泥沙質(zhì)地特征與土壤質(zhì)地之間的相似決定了2者協(xié)同的可行性。黃河泥沙主要為水土流失的土壤顆粒，90%來源于黃河中游的黃土高原地區(qū)。黃河泥沙可分為河流中的懸浮物(懸移質(zhì)泥沙)及淤積的泥沙沉積物，2者在粒級組成及化學成分上存在明顯差異。黃河水流的自然分選和沉淀作用，導(dǎo)致黃河中不同位置淤積泥沙的質(zhì)地有明顯的空間變異性。一般情況，淤積泥沙表層粒級較細、深部粒級較粗；懸移質(zhì)泥沙粒級最細，粘粉粒(粒徑<0.05 mm，美國農(nóng)業(yè)部制)含量大部分高于35%(表1)。

圖2 黃河泥沙與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境空間位置協(xié)同示意Fig.2 Coordination relationship in spatial position between river sediment and eco-environment of mining areas

表1 黃河流域典型站點實測懸移質(zhì)顆粒級配

對于礦山生態(tài)修復(fù)來說，不同生態(tài)損傷問題對修復(fù)材料的需求不同。例如塌陷區(qū)(坑)，若用來充填植被生長介質(zhì)層以下部分，對充填材料的粒徑要求不嚴格，相較礦山常用的充填材料煤矸石來說，黃河泥沙的粒徑較優(yōu)。若用來做固體廢棄物堆場、采坑(場)、充填后塌陷區(qū)(坑)等的表層植被生長介質(zhì)層，需要粒徑較小的細顆粒。若用做生產(chǎn)力較低土地的改良材料，可選擇與改良土壤質(zhì)地相反的泥沙。因此，協(xié)同治理時，應(yīng)考慮黃河泥沙在黃河中的分布特征，尤其是不同質(zhì)地泥沙的分布規(guī)律，按照礦山生態(tài)修復(fù)的需求，處理好材質(zhì)的協(xié)同。

(4)政策協(xié)同。第1，將黃河泥沙用于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)，可減少清淤泥沙占地，符合土地保護政策。第2，黃河水采用的是取水許可制度，黃河沿線區(qū)域均有取水配額，意味著黃河沿線礦區(qū)可以從黃河中取水，進而獲得黃河泥沙。由于取水數(shù)量有限，沒有額外增加過多的取水量，對黃河沿岸的生態(tài)無影響，也可在泥沙泥淀合向黃河返還取水量。第3，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的目的之一就是消除或控制生態(tài)環(huán)境問題，其中使用的修復(fù)材料不能帶來二次污染，因此需要清潔的、綠色的修復(fù)材料。黃河泥沙的主要礦物種類為石英、鉀長石、斜長石等，其黏土礦物主要為蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石4種。其本身不具備毒性，但泥沙對水中溶質(zhì)具有一定的吸附性，能夠吸附并累積水體中的重金屬。文獻[7-14]對黃河泥沙的重金屬質(zhì)量分數(shù)進行了測量，發(fā)現(xiàn)黃河泥沙的平均pH在6.5～7.5，造成泥沙污染風險的元素主要為Cd，Hg，As，Pb，Cr，Cu，Ni和Zn。根據(jù)表2可知，黃河泥沙的毒性均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)以及《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)的要求?？梢?，2者存在綠色協(xié)同性。

(5)經(jīng)濟協(xié)同。黃河泥沙用于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)后，黃河可減少清淤、占地等的費用(假定A)，礦區(qū)可節(jié)約購買土壤的費用(假定B)，2者協(xié)同過程中發(fā)生的是從取沙到生態(tài)修復(fù)的工程費用(假定C)。若從A，B，C優(yōu)選出經(jīng)濟可行的方案，黃河泥沙可以和礦

表2 黃河泥沙重金屬質(zhì)量分數(shù)對比

區(qū)生態(tài)修復(fù)實現(xiàn)經(jīng)濟協(xié)同。

2 協(xié)同治理方法

要實現(xiàn)黃河泥沙與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的協(xié)同治理，關(guān)鍵是解決取沙、輸沙、用沙三大環(huán)節(jié)的技術(shù)問題和3者的耦合分析(圖3)。

2.1 取-輸-用耦合分析技術(shù)

黃河泥沙與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的協(xié)同治理是一項系統(tǒng)工程，必須分析清楚取沙、輸沙、用沙之間的耦合關(guān)系，在確定經(jīng)濟、技術(shù)可行性的前提下，優(yōu)選出取—輸—用整體流程中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和裝備、工藝等(圖4)。在分析過程中，可先確定單向約束因素，如若輸沙過程不能取得占地許可，則優(yōu)先選用汽車運輸方式，可利用道路系統(tǒng)，避免管道鋪設(shè)占地。然后確定雙向約束因素，可采用試探法，將雙向影響因素逐個試探，如泥沙用途為改良材料，需要泥沙的材質(zhì)為細顆粒，但經(jīng)分析可取沙位置缺乏細顆粒占比大的位置，只能放松對泥沙材質(zhì)的要求，在施工工藝環(huán)節(jié)對泥沙進行粒徑分級，以便獲得滿足需求的泥沙。最后對所有初步確定的因素以經(jīng)濟可行性和技術(shù)可行性為約束進行耦合分析，確定最終的協(xié)同治理方案。

圖3 黃河泥沙與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境協(xié)同治理技術(shù)方法Fig.3 Technology of coordinating treatment between river sediment and eco-environment of mining areas

圖4 取—輸—用沙關(guān)鍵因素耦合關(guān)系Fig.4 Coupling relationship among taking,transportation and utilization of river sediment

2.2 取沙技術(shù)方法

取沙分為2種情況：一種是河水退去后固態(tài)的泥沙，一種是在有河水情況的泥沙。盡管固態(tài)泥沙可以用挖掘機取沙，但考慮泥沙水力運輸?shù)慕?jīng)濟方便性，常常用泥漿泵、潛沙泵等水力取沙方式。取沙的難點是優(yōu)選取沙位置和控制取沙濃度。

(1)取沙位置優(yōu)選。充分考慮泥沙材質(zhì)的空間差異性、季節(jié)約束(不同季節(jié)對于取沙干灘、濕灘不同)、構(gòu)筑物約束(如堤壩附近不允許取沙)、取沙方式約束、取水許可等，優(yōu)選取沙位置，同時應(yīng)綜合考慮泥沙供需量和輸沙距離2個因素。適宜采用黃河泥沙生態(tài)修復(fù)的近距離礦區(qū)有包頭、義馬、焦作、鄭州、肥城、黃河北、淄博，中遠距離礦區(qū)有烏海、平頂山、晉城、鶴壁、新汶，各礦區(qū)總需沙量和需調(diào)用水量分別為 90.19×10和148.81×10t，各礦區(qū)概略輸沙路徑長度為21.98～109.02 km。

自然災(zāi)害突發(fā)事件：自然災(zāi)害是指給人類生存帶來危害或損害人類生活環(huán)境的自然現(xiàn)象。例如：火災(zāi)、地震、海嘯、泥石流等的自然災(zāi)害，自然災(zāi)害突發(fā)狀況有部分是可提前預(yù)知的，有部分為提前不可預(yù)知。旅游類志愿者在培訓(xùn)中也應(yīng)該有所學習，在面臨自然災(zāi)害突發(fā)事件時如何引導(dǎo)、解決與處理。

(2) 取沙質(zhì)量濃度控制。根據(jù)泥沙用途、泥沙材質(zhì)、輸沙方式等確定。如用來做充填材料，可通過研制、改進裝備來盡量加大取沙濃度。如依據(jù)黃河泥沙在河流中的流動特性，在滿足動水條件下足量、持續(xù)取沙。通過水沙濃度吸取的理論分析，可利用在現(xiàn)有采沙泵上增設(shè)高速攪拌器、穩(wěn)流集帽和弧形截沙槽的方式革新發(fā)明的“沖吸式潛沙泵+濃密器+采沙船”采沙作業(yè)平臺，使取沙含沙量由現(xiàn)在的200 kg/m增加至400～620 kg/m，電泵效率提高13.7%。

2.3 輸沙技術(shù)方法

泥沙輸送的方式包括汽車運輸(固態(tài))、明渠輸送和管道輸送。由于管道輸送的靈活性和環(huán)保性，黃河泥沙常常用管道水力輸送，即水沙兩相流的漿體輸送。在漿體管道輸送方面，我國在20世紀50—70年代開始應(yīng)用此項技術(shù)，屬于低濃度低壓輸送，主要用于礦山尾礦較短距離排放；到20世紀90年代以后，長距離高濃度管道輸送從可研、試驗、初設(shè)階段進入實際應(yīng)用階段，以陜西神渭輸煤管道、太鋼尖山鐵精礦礦漿管道為代表的項目建成投產(chǎn)。這些技術(shù)進展對黃河泥沙的管道傳輸有借鑒作用，重點需要解決長距離、甚至大落差的輸送中遇到的一些難題：如水沙兩相流的傳輸特征與原理、不淤流速等關(guān)鍵傳輸參數(shù)的優(yōu)化方法與計算模型、不同粒級泥沙傳輸?shù)恼{(diào)控方法、管道直徑與材料的優(yōu)選方法、泵的選擇與管泵機電一體化控制原理及方法等。

主要的傳輸工藝有單泵站和多泵站2種方式。一般砂漿泵、泥漿泵揚程為5～10 km，遠距離輸沙時需要在中間增加加壓泵。如果采用隔膜泵或柱塞泵，也可以一級遠距離輸送，不用添加中間泵站。為防止管道磨損、淤塞，實現(xiàn)連續(xù)輸沙，需要科學選擇管道材料、直徑以及壓力、不淤流速等輸送技術(shù)參數(shù)，直接影響安全、順暢輸送，否則容易淤塞堵管。短距離輸送一般用150 mm左右管徑的管道，遠距離多用更大的管道，如350 mm。經(jīng)測算，采用150 mm管徑下的臨界不淤流速為0.9～1.2 m/s，最佳經(jīng)濟流速為1.3～1.7 m/s，最經(jīng)濟合理壓力為4.5 MPa，泥沙輸送的經(jīng)濟質(zhì)量濃度為253.6～570.76 kg/m。

2.4 用沙技術(shù)方法

由前所述，黃河泥沙用于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)主要用作充填材料、表土替代材料、改良材料，不同的用途其用沙的技術(shù)方法不同。

..用做充填材料技術(shù)方法

黃河下游的平原區(qū)，是我國優(yōu)質(zhì)的基本農(nóng)田區(qū)。地下采煤后形成地面塌陷，導(dǎo)致耕地積水絕產(chǎn)或減產(chǎn)，耕地損失大、失地農(nóng)民增多，通過充填復(fù)墾顯然是恢復(fù)耕地的最好辦法。過去常常用煤矸石、粉煤灰等礦山固廢作為充填材料，存在二次污染的風險。因此，利用環(huán)境友好的黃河泥沙充填復(fù)墾就具有很大優(yōu)勢，其主要的關(guān)鍵技術(shù)是管道輸送時漿液水分的快速排出(固結(jié)排水)、高質(zhì)量土壤剖面構(gòu)型的設(shè)計以及施工工藝的優(yōu)化。

(1)固結(jié)排水技術(shù)。泥沙漿體材料到達礦區(qū)待復(fù)墾土地后，由于攜帶大量水分，排水固結(jié)就是首先要解決的問題。盡快排水是一個總的要求，但由于漿體懸浮質(zhì)含有較高營養(yǎng)的細顆粒，不易沉淀、極易排出，因此，采用加長距離、添加絮凝劑、延時排水等措施加快細顆粒泥沙沉淀是首要途徑。

從前期的泥漿泵充填復(fù)墾技術(shù)和相似案例可知，采用傳統(tǒng)溝堰排水方式泥沙排水固結(jié)時間長，且泥沙中的黏粒易隨水流失，導(dǎo)致充填復(fù)墾耕地長時間不能使用，質(zhì)量差。針對這一問題，筆者所在團隊基于土工布保土性、透水性以及防淤堵原則，提出了劃分充填條帶并在條帶末端加設(shè)土工布全斷面排水溝的強化排水方法(圖5)。

圖5 強化充填固結(jié)排水方法示意Fig.5 Sketch map of draining water for consolidation of filled river sediment

條帶長度：=[1-()]

(1)

條帶寬度：=()

(2)

式中，，為充填條帶出、進口含沙量，kg/m；為泥沙平均沉降速度，cm/s；為泥沙沉降距離，m；為充填條帶內(nèi)水流平均流速，m/s；為充填條帶內(nèi)平均水深，m；為大于1.0的紊動影響系數(shù)，取1.2～1.5；為充填條帶寬度，m；為充填條帶內(nèi)含沙水流流入量，m/s；為充填條帶平均深度，m。

為了使泥沙充分沉淀，一般取充填條帶的長度為泥沙沉降距離的2～3倍，但也不宜過長，以免帶來顆粒的自然分選問題。

通過多次試驗，提出了排水溝斷面寬×高為60 cm×80 cm的條件下使用便于更換的針刺無紡250～300 g雙土工布排水結(jié)構(gòu)，在排出水中由輸入的254.81 μm減小到18.75 μm，并在有效截留水沙中泥沙顆粒的同時，縮短泥沙固結(jié)時間50%以上，提高充填材料中粉粒含量近1倍。

(2)土壤剖面結(jié)構(gòu)。黃河泥沙存在保水保肥性差、養(yǎng)分含量低等多種障礙因素，為克服這些障礙因素，充分發(fā)揮黃河泥沙在充填復(fù)墾中的補充和輔助作用，依據(jù)“分層剝離、交錯回填”的土壤重構(gòu)原理，研究團隊采用“表土與心土分層剝離、泥沙與心土交錯回填”的方法，將土壤層與黃河泥沙充填層進行有次序的組合重構(gòu)，形成類似五花肉的“夾層式”多層土壤剖面結(jié)構(gòu)(圖6)，從而改善土壤剖面的水分和養(yǎng)分運移特征，實現(xiàn)構(gòu)造可供植物生長的高質(zhì)量土壤剖面的目的。該剖面的核心是土壤關(guān)鍵層，如表土層、充填夾層等，它對土壤性質(zhì)和植物生長起重要作用。由于不同區(qū)域黃河泥沙與礦區(qū)原有土壤的理化性質(zhì)不同，土壤剖面的結(jié)構(gòu)也有所差異?？赏ㄟ^調(diào)整關(guān)鍵層的位置、厚度等確定最優(yōu)的土壤剖面。

圖6 夾層式土壤剖面結(jié)構(gòu)作用機理示意Fig.6 Schematic diagram of the mechanism of the Yellow River sediment as a filling material

(3)施工工藝。施工的目的是實現(xiàn)土壤剖面結(jié)構(gòu)，使土地達到可供利用狀態(tài)。為實現(xiàn)“夾層式”土壤剖面結(jié)構(gòu)，團隊解決了多次充填、多次土壤回填導(dǎo)致管道輸沙連續(xù)作業(yè)難的問題，基于施工功效分析和泥沙排水固結(jié)試驗，創(chuàng)建了間隔條帶交替式多層多次充填施工工藝(圖7)：采用間隔條帶進行表土與心土分層剝離、堆存與回填，實現(xiàn)土壤保質(zhì)和高效施工；采用條帶間交替式多次充填，在每一組充填條帶之間進行交替的“充填—排水固結(jié)—回填夾層土—二次充填—二次排水固結(jié)—二次回填夾層土……”，實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。工藝的核心是確定條帶間交替充填的時間銜接方案和同步交替充填的條帶個數(shù)。

圖7 間隔條帶交替式多層多次充填工藝示意Fig.7 Sketch map of technical process of alternating multiple filling with interval strips for reconstructing sandwich soil profile

..用做表土替代材料的技術(shù)方法

對于礦區(qū)廢棄物堆場(煤矸石山、排土場、廢石場等)和采坑(場)來說，由于原來的表土沒有保存，即使對表土做了剝離、保存，當平面面積改變?yōu)槎逊e體、坑之后，總體表土量會不足，加之剝離、保存過程中的損失，當廢棄物堆場和采坑(場)開展生態(tài)修復(fù)時，表土缺乏是必然的。若采取購買表土的方式，不僅量上無法滿足，而且易造成對其他土地的損毀，這種“拆東墻補西墻”的做法不符合生態(tài)修復(fù)理念，因此，研究表土替代材料是較優(yōu)的解決方案。

有研究將煤矸石、粉煤灰、污泥等經(jīng)改良后作為表土替代材料，但存在材質(zhì)粒徑或大或小、易出現(xiàn)二次污染、營養(yǎng)成分低等問題。黃河泥沙來源于黃土高原土壤，按其粒徑可劃為砂土到壤砂土，無污染，是合適的表土替代材料。

將黃河泥沙作為表土替代材料，相對于作為充填材料，對粒徑要求高一些，傾向于小顆粒占比較大的壤砂土，并可能需進一步篩分、組配。具體的技術(shù)方法如圖8所示。

圖8 黃河泥沙用做表土替代材料技術(shù)方法示意Fig.8 Technology of utilizing river sediment as topsoil alternatives

黃河泥沙用于表土替代材料的技術(shù)方法重點是篩分出較優(yōu)的泥沙，并輔助一定的改良措施。

..用做土壤改良材料的技術(shù)方法

黃河泥沙往往分為在河水中飄浮的懸移質(zhì)泥沙和淤積的黃河泥沙。懸移質(zhì)黃河泥沙中常常含有大量的粉粒和粘粒，并攜帶較多的營養(yǎng)成分，因此，這種黃河泥沙作為土壤的改良材料是適宜的。曲曉玲研究認為用黃河泥沙改良黏質(zhì)鹽土可改變土壤顆粒組成、鹽分組成，降低黏質(zhì)鹽土對水分、鹽分及離子的吸附能力。因此，將黃河泥沙中含營養(yǎng)成分較多的泥沙或質(zhì)地較粗的泥沙施用到土壤中，用以改良土壤質(zhì)地、增加土壤肥力、減少土壤鹽堿化趨勢、提高土壤生產(chǎn)力是可行的。

黃河泥沙作為改良材料主要有2種方法：

(1)漫灌改良。① 根據(jù)需改良土地的土壤質(zhì)地確定所需泥沙的材質(zhì)。② 確定取沙時機。根據(jù)不同時期黃河水中泥沙粒徑分布規(guī)律，計算懸移質(zhì)混入土壤中土質(zhì)的改良情況，應(yīng)以混合土壤粘?？偤俊?5%為界；同時分析不同時機、不同位置懸移質(zhì)的營養(yǎng)成分含量，選擇最有營養(yǎng)的懸移質(zhì)。③ 引水。利用泥漿泵吸取黃河水將懸移質(zhì)含量較高的黃河水引入待改良土地的區(qū)域。④ 灌溉與沉淀。含懸移質(zhì)的黃河水采用漫灌方式灌溉待改良的土地，經(jīng)自然沉淀達到改良土壤目的。

圖9 黃河泥沙用做改良材料技術(shù)方法示意Fig.9 Technology of utilizing river sediment as soil improving materials

(2)混配改良。① 引水沉淀。確定所需泥沙材質(zhì)、確定取沙時機、引水等與上述相同，當黃河水引至待改良區(qū)域后，先沉淀(圖9中路線②)。② 表土剝離。剝離待改良區(qū)的表土堆存至指定區(qū)域。③ 心土剝離。剝離待改良區(qū)的心土堆存至不與表土混合的區(qū)域，剝離范圍依據(jù)植物的根系生長范圍。④ 配比優(yōu)化。將黃河泥沙與質(zhì)地厚重的表土與心土按照壤土標準或植物生長標準進行充分混合。⑤ 回填整平。將表土與心土按照空間次序回填至指定標高，最后對片區(qū)進行整平。

3 協(xié)同治理案例分析

3.1 黃河泥沙充填復(fù)墾采煤沉陷地

案例區(qū)位于山東省德州市齊河縣邱集煤礦西側(cè)采煤沉陷地，距離潘莊引黃總干渠大約5.5 km，沉陷深度為0.50～2.22 m，復(fù)墾前為荒草地，存在季節(jié)性積水，不能耕種。根據(jù)示范區(qū)與黃河的區(qū)位協(xié)同分析，選擇從潘莊總干渠取沙，輸送方式為管道運輸。經(jīng)參數(shù)優(yōu)化，管材選擇管徑為200 mm的橡膠軟管，水沙流速為1.162 m/s，進口處泥沙濃度為200 kg/m。土壤剖面采用夾層式，復(fù)墾條帶劃分尺寸為長240 m、寬8 m。2014—2015年采用交替式多層多次充填復(fù)墾工藝完成280畝土地復(fù)墾，可實現(xiàn)100%的土地恢復(fù)率和95 %以上的復(fù)耕率，經(jīng)分析2016—2018年的小麥及玉米產(chǎn)量，結(jié)果與正常農(nóng)田基本無差異。

本次充填在排走沉陷區(qū)的積水后，優(yōu)選出條帶間交替充填的時間銜接方案和同步交替充填的條帶個數(shù)，對充填區(qū)進行充填條帶劃分以及表土與心土的剝離、堆放。結(jié)合取沙位置及泥沙濃度分析結(jié)果，確定采用泥漿泵高壓水槍組合接力施工方法進行引黃河泥沙充填復(fù)墾，待泥沙被管道輸送到已劃分的復(fù)墾條帶后，在條帶末端設(shè)置溢流堰的排水口，并增設(shè)土工布攔截泥沙。然后對其他待交替充填的各個條帶依次進行交替充填、排水固結(jié)、回填心土、再充填、回填心土等多次充填、回填心土的操作，最終形成“土壤層+充填層+夾層+充填層……”的夾層式多層土壤剖面構(gòu)型，以克服黃河泥沙作為充填材料因質(zhì)地粗糙導(dǎo)致的漏水漏肥現(xiàn)象。黃河泥沙充填復(fù)墾采煤沉陷地工作完成后，又以小麥和玉米為宿主植物進行了野外種植實驗，對黃河泥沙充填復(fù)墾效果進行驗證。通過對2016年6月小麥、2016年9月玉米、2017年6月小麥、2017年9月玉米及2018年6月小麥的千粒質(zhì)量和產(chǎn)量分析可知，對于同樣土壤厚度，夾層式土壤剖面構(gòu)型較傳統(tǒng)上土下沙雙層土壤剖面構(gòu)型的千粒重和產(chǎn)量大，甚至有個別剖面的產(chǎn)量高出對照處理。

3.2 黃河泥沙作為表土替代材料

烏海市位于黃河上游，是黃河流入內(nèi)蒙古自治區(qū)的第1站，黃河穿城而過，流經(jīng)市區(qū)105 km。烏海市也是重要的煤炭基地，在海勃灣、烏達、海南3個區(qū)都有優(yōu)質(zhì)的煤炭資源正在開采。長期的煤炭開采導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，多次受到環(huán)保督察。2020年12月內(nèi)蒙古自治區(qū)人民政府印發(fā)的《關(guān)于烏海及周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理實施方案的通知》(內(nèi)政發(fā)〔2020〕26號)，明確要求對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行治理，但由于區(qū)域自然環(huán)境惡劣、缺少土壤，治理效果不佳。

圖10 黃河泥沙充填復(fù)墾采煤沉陷地示意Fig.10 Technology of utilizing river sediment to fill subsided land for restoring farmland

2014年，位于烏海的黃河海勃灣水利樞紐建成蓄水，實際是在黃河的一段拓寬形成的118 km的烏海湖水面，與浩瀚的烏蘭布和沙漠相連。由于黃河的含沙量大，烏海湖泥沙淤積嚴重，根據(jù)監(jiān)測2020年11月庫區(qū)1 076 m水位下庫容為2.91億m，比2019年11月實測庫容減少0.05億m(庫容差法)，比原始庫容減少1.957億m(庫容差法)，已累計損失40.2%的原始庫容。烏海湖國家水利風景區(qū)總體規(guī)劃(2018—2032年)，也明確要求加快推進黃河海勃灣水利樞紐庫區(qū)清淤工程。

烏海湖的泥沙清淤和烏海市礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理已經(jīng)成為烏海市亟待解決的兩大難題。若把2者協(xié)同治理，定能起到事半功倍的作用。為此，烏海市提出了“湖光山色”環(huán)境綜合治理計劃，即將烏海湖清出的黃河泥沙用于礦山的生態(tài)修復(fù)。設(shè)計技術(shù)方案如圖11所示。

圖11 烏海市“湖光山色”環(huán)境綜合治理初步方案示意Fig.11 Coordinating treatment scheme between draining sediment from Wuhai lake and ecological restoration of eco-environment of mining areas in Wuhai City

(1)烏海湖清淤取沙。擬采用攪吸式挖沙船或泥漿泵取沙。經(jīng)過調(diào)查分析，烏海湖淤積泥沙不同位置的泥沙質(zhì)地(粒級)不同，有的細、有的粗，有的甚至就是黏土，為此需要研究不同質(zhì)地泥沙分質(zhì)挖取的技術(shù)。

(2)管道輸沙。采用管道長距離輸沙的方式進行泥沙運輸。由于海勃灣礦區(qū)與烏海湖中間橫隔著甘德爾山，因此，需要繞道鋪設(shè)管道，設(shè)計了一個12.3 km 的主管道到達甘德爾山北邊緣，然后再向各個采區(qū)或礦區(qū)設(shè)立分支管道，如向卡布其采區(qū)、駱駝山采區(qū)和摩爾溝采區(qū)分別布設(shè)5.76，13.85和14.32 km的支管。為解決長距離和高落差的傳輸難題，采用一級柱塞泵或多級離心泵的方式進行長距離傳輸。

(3)礦山生態(tài)修復(fù)用沙。由于泥沙在起動、懸浮、輸移與沉降的過程中,因粒徑不同而表現(xiàn)出各異的運動狀態(tài)，泥沙的靜水沉降速度與粒徑大小成反比，粗沙沉速快，細沙沉速慢。水溫為20 ℃時，粗沙 (=0.05 mm)沉速為2.23 mm/s，是中沙(=0.025 mm)沉速的4倍，是細沙(=0.015 mm)沉速的11倍。沉速的差異決定了沉降時間的長短，粗沙比細沙沉降時間短很多，因此，泥沙傳輸?shù)降V區(qū)后，可建設(shè)多級沉沙池加快固結(jié)排水，實現(xiàn)不同粒級的泥沙分離。鑒于烏海地區(qū)氣候干燥，且生態(tài)修復(fù)以草地為主，需要加強表層土的保水能力，初步設(shè)計將粒級較大的泥沙作為生態(tài)修復(fù)區(qū)的底層用土，將粒級較小的泥沙作為生態(tài)修復(fù)區(qū)的表土材料，也可以進行不同粒級泥沙的組配。由于黃河泥沙在烏海礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中主要作為覆蓋表層30～50 cm的植物生長介質(zhì)材料，將采取抑制風蝕揚沙和快速恢復(fù)植被的各種技術(shù)措施。上述方案可以達到烏海湖的泥沙清淤和烏海市礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的協(xié)同治理。

4 結(jié)論與展望

(1)從供需、空間位置、材質(zhì)、政策、經(jīng)濟等5個方面分析，黃河泥沙與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境可以實現(xiàn)協(xié)同治理。

(2)要實現(xiàn)黃河泥沙與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的協(xié)同治理，關(guān)鍵是解決取沙、輸沙、用沙三大環(huán)節(jié)的技術(shù)問題和3者的耦合分析。

(3)取沙的難點是優(yōu)選取沙位置和控制取沙濃度。其中取沙位置可通過綜合考慮泥沙材質(zhì)的空間差異性、季節(jié)約束、構(gòu)筑物約束、取沙方式約束、取水許可等優(yōu)選，取沙濃度可通過改進、研制設(shè)備控制，滿足不同的泥沙用途。

(4)輸沙主要是優(yōu)選輸沙方式，其中常用的是管道輸沙，可通過優(yōu)選管材、加設(shè)泵站等方式實現(xiàn)高效率遠距離輸沙。

(5)用黃河泥沙可以用作充填材料、表土替代材料和土壤改良材料。其中用作充填材料重點是充填后的快速排水和土壤結(jié)構(gòu)，分別給出了劃分充填條帶并在條帶末端加設(shè)土工布全斷面排水溝的強化排水方法、“夾層式”土壤剖面結(jié)構(gòu)和間隔條帶交替式多層多次充填施工工藝。用作表土替代材料和土壤改良材料時重點是材料的篩選和組配，文中分別給出了技術(shù)方法。

(6)經(jīng)在山東省邱集煤礦和內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市應(yīng)用案例分析，證明了黃河泥沙作為充填材料和表土替代材料的可行性。

如前所述，我國14個大型煤炭生產(chǎn)基地有9個分布在黃河流域，露天采坑、排土場、矸石山、塌陷地的治理都需要土源，尤其是黃河下游耕地恢復(fù)，需要大量的充填材料。黃河泥沙與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境協(xié)同治理可以起到“化害為利”、“變廢為寶”的作用，是黃河流域礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的先進技術(shù)，也可以推廣到其他涉及清淤的流域或湖庫區(qū)，具有很大的應(yīng)用前景，對黃河流域生態(tài)保護修復(fù)有重要作用。

論文在撰寫過程中得到了陳洋、宋德云、劉金蘭等同學的幫助，在此一并表示感謝。

[1] 習近平. 在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會上的講話[J]. 中國水利,2019(20):1-3.

XI Jinping. Speech at the symposium on ecological protection and high-quality development of the Yellow River Basin[J]. China Water Resources，2019(20)：1-3

[2] 水利部黃河水利委員會. 黃河泥沙公報2020[R]. http://www. yrcc. gov. cn/nishagonggao/2020/2020hhnsgb. pdf.

[3] 吳鋼，魏東，周政達，等. 我國大型煤炭基地建設(shè)的生態(tài)恢復(fù)技術(shù) 研究綜述[J]. 生態(tài)學報，2014，34(11):2812-2820.

WU Gang，WEI Dong，ZHOU Zhengda，et al. A review of the research on ecological restoration technology for the construction of large coal bases in China[J]. Acta Ecologica Sinica，2014，34(11):2812 - 2820.

[4] 彭蘇萍，畢銀麗. 黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)與戰(zhàn)略思考[J]. 煤炭學報，2020，45(4):1211-1221.

PENG Suping，BI Yinli. Strategic consideration and core technology about environmental ecological restoration in coal mine areas in the Yellow River Basin of China[J]. Journal of China Coal Society，2020，45(4):1211-1221.

[5] 中國煤炭工業(yè)協(xié)會. 2020年煤炭行業(yè)發(fā)展報告[R]. 北京，2021.

[6] 徐新亮. 山東黃河淤背區(qū)土地開發(fā)管理研究——以惠民黃河河務(wù)局為例[D]. 濟南:山東師范大學，2015.

XU Xinliang. Study on land development and management in the silted back area of the Yellow River in Shandong Province-Taking Huimin Yellow River Bureau as an example[D]. Jinan：Shandong Normal University,2015.

[7] 王培俊,胡振琪,邵芳,等. 黃河泥沙作為采煤沉陷地充填復(fù)墾材料的可行性分析[J]. 煤炭學報,2014,39(6):1133-1139.

WANG Peijun,HU Zhenqi,SHAO Fang,et al. Feasibility analysis of Yellow River sediment used as the filling reclamation material of mining subsidence land[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(6):1133-1139.

[8] 胡振琪，多玲花，王曉彤. 采煤沉陷地夾層式充填復(fù)墾原理與方法[J]. 煤炭學報，2018，43(1):198-206.

HU Zhenqi，DUO Linghua，WANG Xiaotong. Principle and method of reclaiming subsidence land with inter-layers of filling materals[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(1):198-206.

[9] 曲曉玲. 配沙改良對粘質(zhì)鹽土鹽分及離子吸附與淋洗的影響[D]. 泰安:山東農(nóng)業(yè)大學，2020.

QU Xiaoling. Effects of sand blending on the adsorption and leaching of salts and ions in coastal clay saline soil[D]. Tai’an：Shandong Agricultural University，2020.

[10] 任美鍔. 黃河的輸沙量：過去、現(xiàn)在和將來——距今15萬年以來的黃河泥沙收支表[J]. 地球科學進展，2006，21(6)：551-563

REN Meie. Sedmient discharge of the yellow river,China:Past,present and future— A Synthesis[J]. Advances in Earth Science，2006，21(6)：551-563.

[11] 李晶，殷守強，于加春，等. 黃河流域礦區(qū)充填復(fù)墾泥沙供需狀況及輸沙路徑分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(5)：268-277.

LI Jing,YIN Shouqiang,YU Jiachun,et al. Analysis of supply-demand and transportation path of sediments for filling reclamation of mining areas in Yellow River Basin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2019,35(5):268-277.

[12] 趙光耀. 黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)治理方向研究[D]. 南京：河海大學,2006:8-10.

ZHAO Guangyao. Study on treatment direction of coarse sand area in middle reaches of Yellow River[D]. Nanjing： Hohai University,2006:8-10.

[13] 薛博文,張向萍,許琳娟,等. 黃河下游河道泥沙粒徑變化對小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的響應(yīng)規(guī)律[J]. 華北水利水電大學學報(自然科學版),2020,41(2):55-62.

XUE Bowen,ZHANG Xiangping,XU Linjuan,et al. Response law of sediment diameter change in the Lower Yellow River to water and sediment regulation in Xiaolangdi Reservoir[J]. Journal of North China University of Water Resources and Electric Power(Natural Science Edition),2020,41(2):55-62.

[14] 曾永,周艷麗,李群,等. 黃河水體中泥沙與污染物遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系探討[J]. 人民黃河,2006(11):28-29.

ZENG Yong,ZHOU Yanli,LI Qun,et al. Discussion on the transfer and transformation of sediment and pollutants in the Yellow River[J]. Yellow River,2006(11):28-29.

[15] 高傳德,馮榮周. 黃河泥沙與水環(huán)境[A]. 黃河水資源[C]. 鄭州:黃河水利出版社,1996:294-316.

[16] 袁浩,王雨春,顧尚義,等. 黃河水系沉積物重金屬賦存形態(tài)及污染特征[J] . 生態(tài)學雜志,2008,27(11):1966-1971.

YUAN Hao,WANG Yuchun,GU Shangyi,et al. Chemical forms and pollution characteristics of heavy metals in Yellow River sediments[J]. Chinese Journal of Ecology,2008,27(11):1966-1971.

[17] 張鵬巖,秦明周,閆江虹,等. 黃河下游灘區(qū)開封段土壤重金屬空間分異規(guī)律[J]. 地理研究,2013,32(3):421-430.

ZHANG Pengyan,QIN Mingzhou,YAN Jianghong,et al. Spatial variation of soil heavy metals in the beach of Lower Yellow River:A case study in Kaifeng Section[J]. Geographical Research,2013,32(3):421-430.

[18] 楊蕙,范守偉,李昕. 一種泥沙濃密器[P]. 中國專利： CN204626325U,2015-09-09.

[19] 張恩銘,李昕,楊蕙,等. 一種采沙船[P]. 中國專利： CN204626484U,2015-09-09.

[20] 陳光國，夏建新. 我國礦漿管道輸送技術(shù)水平與挑戰(zhàn)[J]. 礦冶工程，2015,35(2)：29-33.

CHEN Guangguo，XIA Jianxin. Existing technology and technical challenges in slurry pipeline transportation development in China[J]. Mining and Metallurgical Engineering,2015,35(2)：29-33.

[21] 紀仁卿,胡振琪,曲維福,等. 一種管道輸沙系統(tǒng)[P]. 中國專利： CN204626485U,2015-09-09.

[22] 徐朝容. 礦區(qū)充填復(fù)墾物料中重金屬元素釋放-遷移研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2020:61

XU Chaorong. Study on heavy metal elements release and migration in filling reclaimation materials in mining area[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology,2020.

[23] 王培俊. 引黃河泥沙復(fù)墾采煤沉陷地的充填排水技術(shù)研究[D]. 北京：中國礦業(yè)大學(北京),2016:47-64.

WANG Peijun. Technique of filling and drainage of water-sediment mixture used to reclaim mining subsidence land in Eastern China[D]. Beijing：China University of Mining and Technology-Beijing,2016:47-64.

[24] 唐本玲，胡振琪，王亞平. 不同黃河泥沙充填復(fù)墾土壤剖面對土壤與作物中元素分布的影響[J]. 煤炭學報，https://doi. org/10. 13225/j. cnki. jccs. ST20. 1791.

TANG Benling ,HU Zhenqi ,WANG Yaping. Effects of different Yellow River Sediment filling reclaimed soil profiles on the distribution of elements in soil and crops[J]. Journal of China Coal Society，https://doi. org/10. 13225/j. cnki. jccs. ST20. 1791.

[25] 鄭乾坤，毛偉兵，孫玉霞，等. 顆粒組成變化對粘質(zhì)鹽土含鹽量和小麥生長的影響[J]. 中國農(nóng)學通報，2019,35(11)：88-94.

ZHENG Qiankun,MAO Weibing,SUN Yuxia,et al. Changes in particle composition affect salt content and wheat growth in clay saline soil[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin，2019,35(11)：88-94.

[26] 胡健,戴清,袁玉平,等. 引黃灌區(qū)不同粒徑泥沙的運動規(guī)律與處理利用[J]. 中國農(nóng)村水利水電,2008(6):13-16.

HU Jian，DAI Qing，YUAN Yuping，et al. Transportation and utilization of sediment with different grain sizes in irrigation districts along the lower Yellow River[J]. China Rural Water and Hydropower,2008(6):13-16.

[27] 李琳，付海林，譚義海，等. 新型異向流沉沙池泥沙沉降特性試驗與機理分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(16)：90-98.

LI Lin,FU Hailin,TAN Yihai,et al. Hydraulic sediment characteristics test and mechanism analysis of a new type of anisotropic flow sedimentation basin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2021,37(16):90-98.