引黃入冀補淀工程泥沙處置分析與探索

關(guān)鍵詞：沉沙池；清淤泥沙；泥沙處置；引黃入冀補淀工程

中圖分類號：ＴＶ１４５＋ ．３；ＴＶ８８２．１ 文獻標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０１１

引用格式：耿淼蕊，楊晨．引黃入冀補淀工程泥沙處置分析與探索［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：５１－５４

引黃入冀補淀工程是國務(wù)院確定的１７２ 項節(jié)水供水重大水利工程之一［１］ ，設(shè)計年供水量約１０ 億ｍ^３，是緩解沿線地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉缺水狀況及地下水超采狀況、改善白洋淀生態(tài)環(huán)境、為雄安新區(qū)生態(tài)文明建設(shè)提供水源保障的重要民生工程。工程起自河南省濮陽縣渠村鄉(xiāng)，輸水線路總長４８２ ｋｍ，最終入白洋淀。工程自２０１７ 年１１ 月試通水至２０２０ 年４ 月２０ 日，累計引水量僅有３１．５億ｍ^３，期間沉沙池泥沙淤積量高達６３７ 萬ｍ^３，因沒有堆沙場而造成沉沙池不能及時清淤，沉沙能力下降，淤積泥沙頂托沉沙池進口渠道來水。同時，沉沙池出口含沙量加大，加重下游輸水渠道泥沙淤積，影響引黃入冀補淀工程的正常供水效益，特別是沉沙池清淤的巨量泥沙長時間堆積在周圍臨時征用的農(nóng)田，造成周邊環(huán)境污染，農(nóng)耕面積減小、糧食年產(chǎn)量下降?；诖?，本文總結(jié)黃河泥沙治理與開發(fā)利用現(xiàn)狀，基于場地條件、泥沙特性、泥沙處置制約因素等分析沉沙池泥沙處置可行性，對沉沙池清淤泥沙處置途徑進行深入探索，以期為泥沙資源化利用、沉沙池優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。

１黃河下游引黃沉沙池產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題分析

黃河是一條多泥沙河流，引水必引沙。根據(jù)水利部水農(nóng)水〔１９９４〕５１６ 號文發(fā)布的《黃河下游引黃灌溉管理規(guī)定》，灌溉渠道退水含沙量不得超過２ ｋｇ／ ｍ^３。

在此條件下，引黃入冀補淀工程渠首必須修建沉沙池，使泥沙集中沉積，盡可能將泥沙造成的環(huán)境問題限制在較小范圍內(nèi)。

據(jù)統(tǒng)計，在２０００年之前修建沉沙池時，渠首附近有低洼地，通過改造淤積地使背河洼地、鹽堿地變?yōu)楦弋a(chǎn)糧田，深受群眾歡迎。２０００ 年以后黃河下游大部分背河洼地已淤滿，只能征用糧田來建設(shè)沉沙池。然而，初期修建的沉沙池使用年限為２ ～ ３ ａ、占地面積為１．３４～２．０８ ｋｍ^２，此后每隔２～３ ａ 又需征用新的土地進行沉沙處置，長此以往，大量寶貴的土地被廢棄沉沙池占用。此外，廢棄沉沙池泥沙淤積面高出周邊地面１．５～２．０ ｍ，形成沙質(zhì)高地，土壤肥力差，植被及農(nóng)作物很難生長，每遇風(fēng)天飛沙卷起，嚴重影響大氣質(zhì)量與周邊生態(tài)環(huán)境。

近年來，在各級政府的政策支持下，引黃沉沙池的建設(shè)與治理逐漸被納入城市建設(shè)規(guī)劃中，將沉沙池水利功能與景觀建設(shè)有機結(jié)合，實現(xiàn)對沉沙池生態(tài)環(huán)境的保護和修復(fù)，有效改善沉沙池周邊人居環(huán)境，帶動地方經(jīng)濟發(fā)展。

２黃河泥沙治理與開發(fā)利用現(xiàn)狀分析

歷史上黃河泥沙治理與開發(fā)利用研究主要側(cè)重于泥沙來源、淤積規(guī)律和治理技術(shù)等方面［２］ ，進行寬河固堤、束水攻沙、淤填造地、引洪放淤、改良土壤等生產(chǎn)實踐，取得了豐碩成果。隨著社會進步、科學(xué)技術(shù)發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)推進，人們逐漸更新思維、轉(zhuǎn)變觀念，采用各種方式對黃河泥沙進行資源化利用，具體如下。

（１）改良土壤。黃河泥沙特別是汛期泥沙極具肥效，含有農(nóng)作物生長所需的多種元素，是一種優(yōu)良的土壤改良原料。黃河流域引洪淤灌就是泥沙資源農(nóng)業(yè)利用的有效途徑之一，主要形式包括淤改、稻改和渾水灌溉等，具有平整土地、改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力等多種功能。

（２）建設(shè)工程。放淤固堤是相關(guān)部門最早大規(guī)模利用黃河泥沙資源進行防洪工程建設(shè)的一項工程技術(shù)手段，利用機械設(shè)備提取黃河水沙，通過管道輸送至大堤背河側(cè)設(shè)定區(qū)域，經(jīng)沉沙落淤、排除清水，加大堤防斷面，消除險點隱患。近幾年該技術(shù)手段還擴展應(yīng)用到灘區(qū)村臺、鎮(zhèn)臺淤筑建設(shè)中，降低灘區(qū)村、鎮(zhèn)淹沒風(fēng)險。此外，隨著沿黃地區(qū)各項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度不斷加大，施工用土量增加，相關(guān)部門挖取黃河泥沙為某些區(qū)域交通和城市建設(shè)提供土源，增加收益的同時保護了耕地。

（３）轉(zhuǎn)化為建筑原材料。黃河泥沙作為建筑材料最早應(yīng)用在砌磚、粉墻等領(lǐng)域［３］ 。近年來隨著對混凝土質(zhì)量要求的提高以及泵送商品混凝土的迅速發(fā)展，河南建筑材料研究設(shè)計院對黃河泥沙物理化學(xué)性質(zhì)和工藝性能等進行研究，將粒徑為０．０２５～０．１５０ ｍｍ 的黃河泥沙摻入以石子、大沙為骨料的傳統(tǒng)混凝土中，提升混凝土強度，減少水泥用量，增強混凝土的流動性及和易性。同時河南建筑材料研究設(shè)計院頒布了黃河泥沙用于泵送商品混凝土的質(zhì)量標(biāo)準，促進了黃河泥沙建筑材料的應(yīng)用。此外，黃河泥沙在制造備防石、墻體磚、淤泥黑陶、多孔材料、保溫隔熱材料等方面也有所應(yīng)用。

（ ４）制造黃河精品沙等。從黃河花園口河段每２０ ｍ^３泥沙中可淘選１ ０００ ｋｇ 鐵砂，采用黃河泥沙制備較高附加值材料具有有效性和可控性。２０１０ 年前在黃河下游出現(xiàn)采淘鐵砂現(xiàn)象，一些民營企業(yè)將中牟縣黃河沙丘泥沙進行篩分和烘干，做成高附加值的鑄造沙，還有一些科研機構(gòu)利用黃河泥沙制造硅粉、玻璃，或?qū)λ輩^(qū)進行填充，修復(fù)塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境、造地復(fù)耕，保障當(dāng)?shù)厝罕姷纳a(chǎn)、生活安全。

３沉沙池泥沙處置可行性分析

泥沙處置以節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)利用為目標(biāo)，以發(fā)展高品質(zhì)建筑材料、營養(yǎng)土、陶粒等為切入點［４］ ，通過把以往的挖掘機配套沉沙池干地清淤方式優(yōu)化設(shè)計為挖泥船配套沉沙池動水清淤方式，把泥沙就近粗放堆置在農(nóng)田方式設(shè)計為沉沙池高架太陽能廠房水力分選堆置方式，以解決泥沙清淤過程中揚塵污染、占壓耕地等問題，進行資源節(jié)約型、環(huán)保生態(tài)型美麗鄉(xiāng)村創(chuàng)建與科普示范。

３．１場地條件

引黃入冀補淀工程沉沙池（見圖１）總占地面積約１７３．３３ ｋｍ^２，其中水域面積約１４６．６７ ｋｍ^２［１］ 。沉沙池位于渠線樁號２＋５００—５＋０００，鄰近巴寨村、安邱村、任稱灣村等村莊地勢低平，附近有國道和省道，兩側(cè)各設(shè)置一條南北向巡視道路（寬４ ｍ），泥沙轉(zhuǎn)運交通便利。沉沙池按渠梭形布置，分東、西兩條渠，每條渠設(shè)計開口寬３５２．５ ｍ、底寬３２３．０ ｍ、水深５．２ ｍ，東條渠設(shè)計軸線長度為２ ２０６ ｍ，西條渠設(shè)計軸線長度為２ ３５６ ｍ，東、西兩條渠之間設(shè)置有隔堤，隔堤路面開闊。

渾濁的黃河水從南入口流入沉沙池［５］ ，泥沙沉淀后的清水從北出口流出，按黃河水入沉沙池含沙量４．５ｋｇ／ ｍ^３、出沉沙池含沙量１．６ ｋｇ／ ｍ^３ 計算，設(shè)計東、西兩條渠年泥沙淤積量為１９３ 萬ｍ^３，東條渠年泥沙淤積量為１８５ 萬ｍ^３。采用挖泥船抽取沉沙池泥沙，由泥水管道輸送至沉沙池附近的泥沙分選廠進行分類處置、環(huán)保堆置，作為建筑原材料快速流轉(zhuǎn)和使用。泥沙處置項目用地面積集中，場區(qū)地形開闊、條件優(yōu)越，滿足新型建材場地施工要求，泥沙開發(fā)條件良好。

３．２泥沙特性分析

為準確判斷引黃入冀補淀工程沉沙池淤積泥沙資源化利用的數(shù)量，濮陽市自然資源和規(guī)劃局、河南黃河河務(wù)局供水局分別委托河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院（簡稱環(huán)境調(diào)查院）、河南華水工程質(zhì)量檢測有限公司對沉沙池淤積泥沙的顆粒級配、礦物成分等進行檢測。環(huán)境調(diào)查院檢測的泥沙顆粒級配結(jié)果顯示：沉沙池泥沙進水口處（沉沙池南部）泥沙顆粒較粗，出水口處（沉沙池北部）泥沙顆粒較細，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（ＧＢ ５００２１—２００１）將沉沙池泥沙定名為粉土、粉沙［１］ 。

環(huán)境調(diào)查院檢測的沉沙池泥沙重金屬含量見表１（選?。?個采樣點進行檢測）［１］ ，泥沙重金屬含量滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準》（ＧＢ１５６１８—２０１８）一級標(biāo)準，泥沙可作為維持自然環(huán)境的土壤使用，滿足Ⅰ類土壤環(huán)境質(zhì)量要求。

環(huán)境調(diào)查院檢測的沉沙池泥沙礦物成分見表２（選?。?個采樣點進行檢測）［１］ ，泥沙礦物成分主要為石英、長石（斜長石、鉀長石），二者含量占比約８０％，符合建筑材料礦物成分要求。

環(huán)境調(diào)查院對沉沙池泥沙放射性核素的檢測結(jié)果見表３［１］ ，沉沙池泥沙內(nèi)照射指數(shù)為０．１、外照射指數(shù)為０．２～０．３，均符合《建筑材料放射性核素限量》（ＧＢ６５６６—２０１０）要求。

河南華水工程質(zhì)量檢測有限公司于２０２１ 年１２ 月２６ 日在東、西沉沙池典型部位（見圖２） 取樣進行檢測，得出沉沙池泥沙小于等于某粒徑的質(zhì)量百分數(shù)［５］見表４，泥沙粒徑大小沿程分布情況與環(huán)境調(diào)查院得出的結(jié)果一致。

３．３泥沙處置制約因素分析

為做好引黃入冀補淀工程沉沙池泥沙處置工作，沉沙池運營管理單位對黃河流域引黃灌區(qū)河流、渠系以及沉沙池的泥沙治理和開發(fā)利用情況進行調(diào)研，結(jié)合沉沙池泥沙樣品試驗結(jié)果，確定符合市場需求的泥沙開發(fā)方案。調(diào)研結(jié)果顯示，沉沙池清淤泥沙粗細不一、雜質(zhì)較多，不符合發(fā)展新型建筑材料的質(zhì)量要求。品質(zhì)低劣的清淤泥沙被禁止流入建筑市場是影響沉砂池泥沙處置的關(guān)鍵因素，且目前沉沙池清淤采用挖掘機和汽車運輸方式，清淤泥沙就近長時間、露天堆置在附近農(nóng)田，其引發(fā)的占壓耕地、飛沙揚塵、污染環(huán)境等也是影響沉沙池泥沙處置的重要因素。

３．４泥沙處置成本和相關(guān)政策分析

采用挖泥船進行沉沙池動水清淤、水中分選，具有不影響沉沙池正常運行、占用耕地少、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。挖泥船平均排距約８００ ｍ，無須加壓即可完成泥水輸送，泥沙綜合銷售費用約３５ 元／ ｍ^３，遠低于市場泥沙銷售價格，從施工成本來看，沉沙池泥沙處置是完全可行的。

為進一步降低沉沙池清淤、泥沙分選等動力消耗和泥沙處置成本，解讀分析國家對引黃入冀補淀工程的支持政策、相關(guān)法律法規(guī)，利用沉沙池進行風(fēng)電、光伏能源項目建設(shè)，并利用清淤泥沙制造新型建筑材料，實施地、水、泥、光、風(fēng)復(fù)合利用，可發(fā)揮經(jīng)濟社會、生態(tài)保護效益。

４沉沙池清淤泥沙處置途徑探索

為避免泥沙堆積占壓耕地和揚塵污染環(huán)境，根據(jù)工程所在地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展?fàn)顩r和建筑業(yè)遠景規(guī)劃，結(jié)合沉沙池建設(shè)場地條件、泥沙特性、泥沙資源化利用多年實踐成果［６］ ，改變沉沙池運用方式，即對一個沉沙池進行日常不間斷引水沉沙運用，對另一個沉沙池進行泥沙精細化分選廠房（進行泥沙清淤、分選、堆放）、風(fēng)力發(fā)電廠和太陽能光伏發(fā)電基面的一體化建設(shè)。在沉沙池清淤過程中同時進行粗沙、中沙、細沙、粉泥篩選，分類堆放、鐵砂提取、雜質(zhì)剔除、無害化處理。沉沙池清淤采用動水抽沙、管道輸送方式，泥沙中鐵沙提取、雜質(zhì)剔除和粗沙、中沙、細沙、粉泥篩選分類都采用水中作業(yè)模式，可避免產(chǎn)生揚塵、降低篩選設(shè)備損耗及能耗。將精細化提取的鐵砂作為礦產(chǎn)資源直接出售給鋼廠，將精細化分選得到的粗沙、中沙和細沙作為高品質(zhì)建筑材料直接出售給混凝土拌和站、鑄件廠、建筑工地，進行混凝土和砂漿拌制、鑄件模具制作、人造石制作等，細沙和粉泥可作為工程用土、土地改良用土或多孔磚材料用土，剩余泥沙可作為就近建設(shè)的新型建材廠靶向產(chǎn)品制磚（透水混凝土磚、建筑裝飾磚、景觀磚等）、陶粒（花卉陶粒、園林陶粒、防滑路面陶粒、陶粒透水磚）、彩沙、營養(yǎng)土和添加劑等的生產(chǎn)原材料。

泥沙精細化分選廠房、風(fēng)力發(fā)電廠和太陽能光伏發(fā)電基面的一體化建設(shè)工程具體如下：采用密閉廠房架空房頂建設(shè)模式進行光伏發(fā)電，即在房頂發(fā)電，在屋內(nèi)進行清淤泥沙分選和堆放，可降低成本、減少占地（見圖３）。

５結(jié)語

為保障引黃入冀補淀工程供水安全、生態(tài)安全，本文在現(xiàn)有工程建設(shè)的基礎(chǔ)上，對黃河下游引黃沉沙池的生態(tài)環(huán)境、泥沙治理、泥沙特性等進行分析?？衫靡S入冀補淀工程沉沙池現(xiàn)有條件，進行挖泥船動水清淤和泥沙分選，將該工程泥沙處置項目建設(shè)成地、水、泥、光、風(fēng)復(fù)合利用和節(jié)能環(huán)保、發(fā)展經(jīng)濟的示范性項目，在保證工程正常供水的情況下提高工程質(zhì)量、發(fā)揮經(jīng)濟效益。

【責(zé)任編輯 栗銘】