和瑞勇

黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jí)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(xiàng)非?，F(xiàn)實(shí)而又十分緊迫的任務(wù)。隨著世界性能源危機(jī)的出現(xiàn)和一些自然資源的日漸枯竭，我國(guó)面臨著經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。黃河泥沙資源化利用是一項(xiàng)“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(huì)開(kāi)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(shí)踐中的一項(xiàng)偉大創(chuàng)舉。經(jīng)過(guò)幾十年的不斷探索和生產(chǎn)實(shí)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(xiàng)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(diǎn)，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(kāi)始了利用洪水泥沙淤平堤后潭坑的實(shí)踐。20世紀(jì)70年代初開(kāi)始，黃河職工根據(jù)黃河多泥沙的特點(diǎn)，自制了簡(jiǎn)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(guò)幾十年的實(shí)踐得到了快速發(fā)展，先后采用了自流放淤固堤、揚(yáng)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(jī)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(xiǎn)工下首河段作為啟動(dòng)工程試驗(yàn)河段，該河段長(zhǎng)13.5km，開(kāi)挖河段長(zhǎng)7km～9km，設(shè)計(jì)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(dòng)工程位于東營(yíng)市河口段朱家屋子～清2斷面，全長(zhǎng)24.4km，其中朱家屋子至6斷面長(zhǎng)11km為挖河段，6斷面至清2斷面長(zhǎng)13.4km為疏通段。挖河段開(kāi)挖底寬200m，平均挖深2.5m；疏通段開(kāi)挖底寬20m。為配合挖河固堤工程，還組織科研人員通過(guò)理論分析、原型觀測(cè)和實(shí)測(cè)資料分析、數(shù)學(xué)模型計(jì)算、動(dòng)床物理模型試驗(yàn)等多種研究手段，探討了挖河減淤機(jī)理；研究了挖河部位、時(shí)機(jī)、機(jī)械、工程布置等關(guān)鍵技術(shù)，提出了挖河固堤工程對(duì)周邊環(huán)境的影響和對(duì)策措施；組織開(kāi)展了挖河減淤效果。對(duì)挖河減淤效果、固堤作用及其有關(guān)技術(shù)問(wèn)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(lái)隨著各級(jí)地方政府環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，天然石料的開(kāi)采受到控制，采石場(chǎng)被列入環(huán)境監(jiān)察范圍，大批的采石場(chǎng)被責(zé)令關(guān)閉。因此今后石料采購(gòu)成本將會(huì)迅速提高，可能出現(xiàn)無(wú)石可采、無(wú)石可購(gòu)、無(wú)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(méi)有得到有效的利用，使黃河下游河床不斷太高，同時(shí)也成為了一個(gè)巨大的風(fēng)沙源頭。

采用專(zhuān)用活性激發(fā)劑（外摻劑）固化材料，這種材料可對(duì)河流泥沙進(jìn)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(jìn)水泥水化，提高防汛石料強(qiáng)度。同時(shí)，采用夯擊工藝制作人造大塊石和液壓輔助振動(dòng)成型工藝制作常規(guī)體積防汛石料。通過(guò)大量試驗(yàn)分析，得到激發(fā)劑、河流泥沙、水泥等制作材料的配合比，達(dá)到了最佳的凝結(jié)激發(fā)效果。利用大塊石搶險(xiǎn)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(fèi)用等優(yōu)勢(shì)。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(jī)元素，肥沃土質(zhì)，可進(jìn)入農(nóng)田改良土壤，改善灘區(qū)群眾生產(chǎn)生活。人們從長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中已逐漸認(rèn)識(shí)到，黃河泥沙是一項(xiàng)十分重要的生產(chǎn)資源，汛期洪水具有含沙量高、泥沙細(xì)的特點(diǎn)，而且所挾帶的泥沙具有相當(dāng)數(shù)量的農(nóng)作物生長(zhǎng)養(yǎng)分，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)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(jìn)行了18戶流路放淤試驗(yàn)研究，在改良土壤的同時(shí)，還總結(jié)了放淤經(jīng)驗(yàn)。上世紀(jì)60年代末至80年代末，針對(duì)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(mén)利用當(dāng)時(shí)洪水機(jī)遇較多、含沙量較高的條件，進(jìn)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(kāi)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(zhǎng)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(kāi)始對(duì)安置區(qū)實(shí)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(dòng)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(jī)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(píng)價(jià)，淤改前土壤肥力評(píng)價(jià)指數(shù)P 均＜100，說(shuō)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(píng)價(jià)指數(shù)P 均＞ 100， 說(shuō)明淤改后土壤肥力水平已經(jīng)達(dá)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(yàn)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(jì)淤積泥沙量1395萬(wàn)m3，主要包括引水閘、輸沙渠、彎道溢流堰、淤區(qū)、退水閘五個(gè)部分。該工程于2004年汛期投入運(yùn)用，至2007年連續(xù)開(kāi)展四年，累積放淤576.5小時(shí)，共進(jìn)行12輪次放淤。總引沙量898萬(wàn)t、引粗沙量186萬(wàn)t，占引進(jìn)總沙量的20.7%；放淤量571萬(wàn)t，其中泥沙粒徑大于0.05mm的沙量212萬(wàn)t，占總淤積量的37.1%。放淤可造良田， 促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)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(jì)發(fā)展條件相對(duì)落后。通過(guò)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(jìn)黃河沿岸經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。同時(shí)加大灘區(qū)開(kāi)發(fā)利用程度， 促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，是一項(xiàng)利國(guó)利民的多贏工程[2]。

4 建筑材料及其他方面利用

目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(lái)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(shí)，直接保護(hù)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(jī)擠壓成型，體積密度、吸水率、抗風(fēng)化性能、凍融試驗(yàn)、放射性物質(zhì)試驗(yàn)均符合國(guó)標(biāo)要求。因此黃河泥沙磚具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)保護(hù)耕地資源、推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)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(huì)效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益；2）通過(guò)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(yùn)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(chǎng)澆注墻體、屋頂保溫層等，并可在澆注時(shí)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(xì)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(qiáng)度可達(dá)到60MPa以上，可作為輕質(zhì)高強(qiáng)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(chǎng)直接加水?dāng)嚢韬蠹纯墒褂茫阌诂F(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制，是目前建筑市場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。黃河河道淤積泥沙粒徑相對(duì)較粗，超細(xì)泥沙含量較小，通過(guò)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(duì)墻體砌筑、地坪和墻體粉刷等方面，具有廣闊的市場(chǎng)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(guò)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(shí)測(cè)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(jì)結(jié)果表明，1855年～1954年期間，實(shí)際走河64年，黃河河口累積來(lái)沙930多億t，年均來(lái)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(dá)990km2，從而使得黃河河口地區(qū)成為我國(guó)東部沿海土地后備資源最多、開(kāi)發(fā)潛力最大的地區(qū)之一。同時(shí)，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(niǎo)類(lèi)，其中7種屬?lài)?guó)家級(jí)重點(diǎn)保護(hù)，33種屬?lài)?guó)家二級(jí)保護(hù)，另有陸生動(dòng)物583種，水生生物641種，其中也有10種屬?lài)?guó)家級(jí)保護(hù)。保護(hù)區(qū)內(nèi)的植被面積約達(dá)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(wàn)畝的天然草場(chǎng)、1.05萬(wàn)畝的天然實(shí)生柳林和12.15萬(wàn)畝的天然檉柳灌木林也在保護(hù)區(qū)分布。保護(hù)區(qū)內(nèi)還有華北平原面積最大的人工刺槐林，面積達(dá)18萬(wàn)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(mén)學(xué)科，需要綜合性開(kāi)展研究，隨著對(duì)黃河泥沙資源化利用認(rèn)識(shí)的深化，黃河泥沙“變害為寶”將能為民生水利帶來(lái)更加美好的明天。

[1]魏義長(zhǎng)，劉作新，等.河南溫孟灘移民安置區(qū)淤改土土壤肥力評(píng)價(jià)[J].土壤通報(bào)，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(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì). 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.