黄河泥沙资源利用关键技术与应用

　　江恩慧研究团队基于黄河泥沙资源利用的重大意义和存在的问题，按照黄河水利委员会的部署，自2007 年开始，通过科技部研发专项、水利部公益性行业科研专项经费项目、水利部科技推广项目、黄河水利委员会防汛项目、小浪底建设管理局科研专项、中国保护黄河基金会研究项目等，对黄河深水水库泥沙取样技术、深水水库泥沙处理技术、管道输沙技术、泥沙资源利用技术与装备等进行了持续研究，取得了一系列创新性成果，基本形成了“测-取-输-用-评”黄河泥沙资源利用全链条技术，为黄河泥沙的大规模资源利用奠定了基础。

　　2018 年10 月

　　黄河泥沙作为一种资源和黄河有着同样悠久的历史，从黄淮海平原及山东省东营市的诞生到黄河的大堤加固、二级悬河治理、淤筑村台、供水引沙、放淤改土，以及黄河泥沙高附加值制品的出现，无一不体现着黄河泥沙资源利用的民生效益、生态效益和社会经济效益。

　　黄河是世界上最为著名的多沙河流，因“水少沙多、水沙关系不协调”而成为世界上最为复杂、最难治理的河流。突出的泥沙问题使黄河严峻的水资源形势更加严峻，水资源的严重短缺又进一步凸显黄河泥沙问题。泥沙淤积一直是困扰河道防洪安全、水库有效库容长久维持、灌区安全运行的关键性技术难题。因此，泥沙问题始终是黄河治理开发、保护与管理要面对的首要问题，给泥沙以出路是解决黄河泥沙问题的关键。

　　人民治黄以来，以王化云为代表的一代代治黄人在不断发展和总结的基础上，逐步形成了“拦、排、调、放、挖”处理和利用泥沙的基本策略，但其着眼点更多体现的是为了处理泥沙而被动的利用。更重要的是，由于没有一套切实可行、可供广泛推广的利用技术和良性运行机制，黄河泥沙的资源利用长期停滞在小规模的量级与成效上；同时也因为缺乏一套科学的泥沙资源利用综合效益评价指标体系和评价方法，无法向国家、地方政府、公众、企业等相关各方阐明黄河泥沙资源规模化利用的必要性、规模化利用的倍增效应。因而，社会公众参与度低，经济价值较难体现，国家和地方政府更无人下决心推进、建立一个长久的泥沙处理与利用有机结合的良性运行体制与机制。

　　进入21 世纪后，随着经济社会的发展，泥沙的资源属性和经济价值逐渐显现，泥沙资源利用成为解决黄河泥沙问题的有效途径之一，具有巨大的社会经济生态效益。近十几年来，在水利部、黄河水利委员会（以下简称黄委）的大力支持下，黄河水利科学研究院（以下简称黄科院）围绕黄河泥沙处理与资源利用持续开展研究，取得了一定成效，为黄河泥沙利用打下了坚实基础。但是，要大规模推动黄河泥沙资源的广泛利用，还存在泥沙资源利用方向和途径不明确、开发利用无序可循、成套技术和设备缺乏、转型利用成本高、综合效益评价方法缺失等瓶颈问题。

　　基于此，自2006 年开始，黄科院在水利部公益性行业科研专项等一系列项目资助下，逐步开展了黄河泥沙处理与资源利用关键技术研究工作，并受黄委党组指派江恩慧牵头于2011 年1 月完成了“黄河泥沙处理与资源利用总体架构设计”（黄委党组提出的黄河十大自然规律、十大关键技术问题和十大经济生态等30 个问题研究之一）。在此框架下，黄科院联合河南黄河河务局、大连理工大学、清华大学等多家单位100 余位科研人员10 余年持续攻关，取得了系统的研究成果，形成了黄河泥沙处理与资源利用“测-取-输-用-评”全链条技术。主要创新性成果如下。

　　▋ 理论层面

　　阐明了黄河泥沙“解构-重构-凝聚-结晶”非水泥基激发胶凝过程，首次发现了泥沙本身具有可直接激发的火山灰活性；系统揭示了直接激发黄河泥沙、单项激发黄河泥沙+掺合料、复合激发黄河泥沙+掺合料固结胶凝机理，通过系列配合比对比试验研究，发现了三种激发剂［Ca(OH)、NaOH、CaSO4·2HO］复合激发黄河泥沙可使早期生成大量稳定胶凝结构体，大幅度提高黄河泥沙胶凝试块早期强度。不仅使人工防汛石材非水泥基固结胶凝理论取得突破，也为非水泥基固结胶凝技术的提高奠定了理论基础。

　　▲ 黄河泥沙固结胶凝机理图示

　　引入系统理论，基于全面性、代表性、时效性及空间差异性原则，首次从经济、社会、生态环境三个维度，提出了黄河泥沙资源利用综合效益双层三维评价指标体系；应用工程经济学、生态经济学、能值理论等，确定了7 项具体指标的定量计算方法，构建了黄河泥沙资源利用综合效益评价模型，突破了现有水利经济效益评价方法单一维度的局限性，为全面客观评价泥沙资源利用效益、更广泛地吸引社会力量参与黄河泥沙资源利用提供科学依据，体现了黄河泥沙资源规模化利用的倍增效应。

　　▋技术层面

　　强化“以河治河”和系统治理的新理念，在详细调查沿黄地区对泥沙资源的需求和不同河段泥沙物化特性分析基础上，量化了不同河段可利用泥沙资源量和不同利用方向的利用潜力，构建了黄河泥沙处理与资源利用整体架构；为实现黄河泥沙资源的有序利用和规模化、标准化、系列化利用，发挥了有效的指导作用。

　　▲ 黄河水库泥沙处理与资源利用模式

　　借鉴深海沉积物保真取样原理，研发改进了机械传动环节、控制爪簧，改进了取样刀头、取样密封件及取样管等，集成了一套水下深层泥沙低扰动取样技术与设备，解决了其他设备取样深度浅、样品扰动大等关键问题，提高了水下深层泥沙低扰动取样技术。

　　提出了水库泥沙处理与资源利用有机结合的“抽取-输送-利用”链式技术，确定了水库泥沙处理的长距离输送最优输沙浓度400～600kg/m 和管线敷设适宜坡度6～8，西霞院水库的示范应用检验了水库泥沙处理与资源利用有机结合的流畅性。

　　提出了泥沙固结胶凝配合比通用设计方法，研发了非水泥基的黄河泥沙胶凝技术，设计了细度模数低至0.001 的全级配免分选黄河泥沙、不同掺合料、不同激发方式、不同强度等级的人工防汛石材系列配合比，其抗冻性和抗冲磨性完全满足生产要求。

　　▲ 引黄灌区泥沙资源利用模式示意图

　　研制了人工防汛石材振动挤压耦合成型机，集成了一套利用黄河泥沙制造人工防汛石材规模化生产成套技术与装备和移动式人工防汛石材生产工艺，两种生产方式可灵活布局，相互补充。

　　研发了利用河道泥沙改良中低产田技术和煤矿充填开采技术。

　　▋运行机制与技术标准层面

　　系统研究了黄河泥沙资源利用产业化的动力机制、运行机制和约束机制，提出了黄河泥沙资源利用运行机制框架；分别提出了社会资本和黄河河务局下属企业参与的“财政投入+政府引导”产业化运行模式和“PPP 融资+企业经营”的运营方案，突破了黄河泥沙资源利用难以规模化、标准化、市场化运行的瓶颈问题。

　　▲ 泥沙资源利用产业化运行模式框架图

　　制定了中国水利学会《胶结泥沙人工防汛石材》技术团体标准和《黄河泥沙胶结蒸养砖》和《全自动振动挤压耦合成型机》等企业标准，填补了利用黄河泥沙制作人工防汛石材技术和设备标准的空白，为人工防汛石材和黄河泥沙胶结蒸养砖的广泛推广提供了技术标准。

　　在习近平总书记新时期治水十六字方针指引下，我国生态治理战略正稳步推进，为黄河泥沙资源利用提供了良好契机。该书作者坚持多年的持续研究，在黄河泥沙处理与资源利用的理论、技术、装备、标准与运行机制等层面，取得了突破，形成了“测-取-输-用-评”黄河泥沙资源利用全链条技术，对黄河泥沙资源利用起到了技术示范和引导作用。作为上述10 余年研究成果的总结与凝练，该书的出版及相关技术的推广，将为发挥黄河泥沙的资源优势，彰显黄河泥沙利用的社会效益和经济效益，引导更广泛的社会力量参与，控制黄河泥沙资源利用风险，有效减轻黄河泥沙淤积，维护黄河健康生命、促进流域人水和谐和黄河长治久安，提供有力的科技支撑。

　　2018 年10 月

　　本文摘编自《黄河泥沙资源利用关键技术与应用》（江恩慧等著. 北京 : 科学出版社,2019.11）一书“前言”“序”，有删减，标题为编者所加。

　　（水科学前沿丛书）

　　ISBN 978-7-03-062726-1

　　责任编辑：杨帅英 张力群