黃河流域礦區生態環境與黃河泥沙協同治理原理與技術方法

胡振琪，趙艷玲

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

黃河發源于青藏高原，流經9個省區，在全國的生態環境保護和水源涵養中具有十分重要的戰略地位。2019年習近平總書記在關于黃河流域的重要講話中，確立了黃河流域生態保護和高質量發展戰略，并指出當前黃河流域仍存在生態環境脆弱等問題。

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、水沙關系不協調是黃河面臨的嚴峻問題。根據《黃河泥沙公報2020》資料顯示，2020年黃河下游監測口門實測全年引沙量3 296.7×10t，小浪底庫區1997年10月至2020年10月淤積量為32.321×10m，其支流大峪河入匯段河底已淤積抬高54.08 m。每年從中游輸送下來的泥沙導致下游地區“地上懸河”問題日益嚴峻，存在潰壩風險，對人民生活構成嚴重威脅，黃河泥沙已經成為影響黃河流域生態環境的重要障礙因子。泥沙問題是治理黃河的關鍵性難題。隨著我國西北及華北地區的經濟發展，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經濟發展的主要經濟支柱產業。據《2020年煤炭行業發展報告》，晉陜蒙3省區原煤產量占全國的71.5%，調出煤炭17.3×10t左右。由于我國國內油氣生產難以保障國民經濟發展的需求，更進一步促使煤炭資源開發重心向黃河流域中上游的轉移。

然而，流域內煤炭資源大規模開發利用在對國民經濟發展發揮重要作用的同時，也給區域生態環境帶來了巨大的影響，主要表現為：大量土地塌陷損毀、矸石和排土堆壓占土地，導致土壤資源損失、植被生長受損、水土流失加劇、生態系統惡化等，因此，黃河流域礦區生態修復勢在必行。但是，土壤資源缺乏是導致黃河下游礦區耕地恢復率低、黃河中上游礦區生態植被難以生長的主要限制因素。

面對黃河泥沙淤積、礦區生態環境惡化兩大黃河流域生態環境難題，如果能夠將黃河泥沙用于煤礦區的生態修復，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、復墾采煤沉陷地、改良鹽堿地等已有實踐應用，并在取沙、土壤重構等關鍵技術方面取得了初步研究成果，但在黃河全流域的應用還未見更多案例。因此，筆者以流域內黃河泥沙和礦區生態環境協同治理為目標，在厘清黃河泥沙特性與礦區生態環境治理需求的同時，系統論述了協同治理原理及技術方法，以期為黃河流域生態保護和高質量發展提供一種解決途徑。

1 黃河泥沙與礦區生態環境協同治理原理

黃河泥沙淤積和礦區生態損毀是黃河流域2個最典型的生態環境問題。在普通人看來，一個是河泥固廢，一個是采礦導致的多種多樣的生態環境損傷，2者互不相干。但從系統修復、綜合治理的角度出發，尤其是應用“山水林田湖草生命共同”的理念，將黃河泥沙作為礦區生態修復材料，就可以化害為利、變廢為寶，實現2者的協同治理。因此，將2者協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，具有重要的經濟和生態環境效益。

通過分析黃河泥沙與礦區生態環境修復之間的相關因素，2者協同治理的基本原理如圖1所示。

圖1 黃河泥沙與礦區生態環境協同治理原理示意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生態環境這2個研究對象，黃河的問題是泥沙淤積導致的水害頻發，礦山生態環境的問題是因采礦導致生態損傷嚴重：采坑(場)致使土地裸露、植被喪失；土地塌陷導致生產力下降甚至積水絕產；固體廢棄物堆積在占用土地的同時，導致植被喪失，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；對于礦區生態環境來說，修復治理是解決辦法，但對大部分礦區來說，缺土壤是最主要的制約因素，直接影響生態修復的質量，是一個需要土壤“輸入”的問題。有些生態修復工程管護期過后植被迅速退化與土壤數量不足、質量差有直接關系。因此，將礦區損毀的場地作為泥沙堆積場、將泥沙作為礦區生態修復的土壤替代材料存在可行性。

黃河泥沙與礦區生態環境協同修復需要解決好5個協同問題：

(1)供需協同。黃河泥沙需要從河道處清理出來輸出到某個地方，而礦區生態修復需要從某個地方輸入土壤作為修復材料，因此，2者存在供需協同關系，關鍵是確定2者在數量和時間上的供需協同。

(2)空間位置協同。經空間分析，沿黃河流域分布有我國14個大型煤炭生產基地中的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，存在整體的空間協同性。

從典型礦山生態環境損毀看，下游的魯西基地、河南基地多是地下開采，出現大規模的塌陷區，損失的是高質量耕地。為了恢復耕地，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、材質粒級由大到小存在空間位置協同性有關。中上游的基地地下開采與露天開采并存，尤其是內蒙古自治區內的礦山，遺留大量的露天采坑(場)和固體廢棄物堆場，而當地的土壤資源匱乏、質量不高，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同性。位于黃土高原區的礦山，土地裂縫、固體廢棄物堆場問題突出，從礦山生態修復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，生態修復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同對泥沙利用與生態治理效果也具有重要作用。

從礦區與黃河的距離分析，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修復協同的關鍵因素。從山東省礦區的應用實踐，礦區距離取沙位置30 km以內均可以實施。

(3)材質協同。黃河泥沙質地特征與土壤質地之間的相似決定了2者協同的可行性。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。黃河泥沙可分為河流中的懸浮物(懸移質泥沙)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，導致黃河中不同位置淤積泥沙的質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；懸移質泥沙粒級最細，粘粉粒(粒徑<0.05 mm，美國農業部制)含量大部分高于35%(表1)。

圖2 黃河泥沙與礦區生態環境空間位置協同示意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顆粒級配

對于礦山生態修復來說，不同生態損傷問題對修復材料的需求不同。例如塌陷區(坑)，若用來充填植被生長介質層以下部分，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。若用來做固體廢棄物堆場、采坑(場)、充填后塌陷區(坑)等的表層植被生長介質層，需要粒徑較小的細顆粒。若用做生產力較低土地的改良材料，可選擇與改良土壤質地相反的泥沙。因此，協同治理時，應考慮黃河泥沙在黃河中的分布特征，尤其是不同質地泥沙的分布規律，按照礦山生態修復的需求，處理好材質的協同。

(4)政策協同。第1，將黃河泥沙用于礦區生態修復，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，黃河沿線區域均有取水配額，意味著黃河沿線礦區可以從黃河中取水，進而獲得黃河泥沙。由于取水數量有限，沒有額外增加過多的取水量，對黃河沿岸的生態無影響，也可在泥沙泥淀合向黃河返還取水量。第3，礦區生態環境治理的目的之一就是消除或控制生態環境問題，其中使用的修復材料不能帶來二次污染，因此需要清潔的、綠色的修復材料。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量分數進行了測量，發現黃河泥沙的平均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。根據表2可知，黃河泥沙的毒性均低于《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)以及《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)的要求。可見，2者存在綠色協同性。

(5)經濟協同。黃河泥沙用于礦區生態修復后，黃河可減少清淤、占地等的費用(假定A)，礦區可節約購買土壤的費用(假定B)，2者協同過程中發生的是從取沙到生態修復的工程費用(假定C)。若從A，B，C優選出經濟可行的方案，黃河泥沙可以和礦

表2 黃河泥沙重金屬質量分數對比

區生態修復實現經濟協同。

2 協同治理方法

要實現黃河泥沙與礦區生態環境的協同治理，關鍵是解決取沙、輸沙、用沙三大環節的技術問題和3者的耦合分析(圖3)。

2.1 取-輸-用耦合分析技術

黃河泥沙與礦區生態環境的協同治理是一項系統工程，必須分析清楚取沙、輸沙、用沙之間的耦合關系，在確定經濟、技術可行性的前提下，優選出取—輸—用整體流程中的關鍵技術參數和裝備、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，則優先選用汽車運輸方式，可利用道路系統，避免管道鋪設占地。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，需要泥沙的材質為細顆粒，但經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的要求，在施工工藝環節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濟可行性和技術可行性為約束進行耦合分析，確定最終的協同治理方案。

圖3 黃河泥沙與礦區生態環境協同治理技術方法Fig.3 Technology of coordinating treatment between river sediment and eco-environment of mining areas

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

2.2 取沙技術方法

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

(1)取沙位置優選。充分考慮泥沙材質的空間差異性、季節約束(不同季節對于取沙干灘、濕灘不同)、構筑物約束(如堤壩附近不允許取沙)、取沙方式約束、取水許可等，優選取沙位置，同時應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修復的近距離礦區有包頭、義馬、焦作、鄭州、肥城、黃河北、淄博，中遠距離礦區有烏海、平頂山、晉城、鶴壁、新汶，各礦區總需沙量和需調用水量分別為 90.19×10和148.81×10t，各礦區概略輸沙路徑長度為21.98～109.02 km。

自然災害突發事件：自然災害是指給人類生存帶來危害或損害人類生活環境的自然現象。例如：火災、地震、海嘯、泥石流等的自然災害，自然災害突發狀況有部分是可提前預知的，有部分為提前不可預知。旅游類志愿者在培訓中也應該有所學習，在面臨自然災害突發事件時如何引導、解決與處理。

(2) 取沙質量濃度控制。根據泥沙用途、泥沙材質、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、持續取沙。通過水沙濃度吸取的理論分析，可利用在現有采沙泵上增設高速攪拌器、穩流集帽和弧形截沙槽的方式革新發明的“沖吸式潛沙泵+濃密器+采沙船”采沙作業平臺，使取沙含沙量由現在的200 kg/m增加至400～620 kg/m，電泵效率提高13.7%。

2.3 輸沙技術方法

泥沙輸送的方式包括汽車運輸(固態)、明渠輸送和管道輸送。由于管道輸送的靈活性和環保性，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年代開始應用此項技術，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、初設階段進入實際應用階段，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。這些技術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、不淤流速等關鍵傳輸參數的優化方法與計算模型、不同粒級泥沙傳輸的調控方法、管道直徑與材料的優選方法、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，實現連續輸沙，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參數，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，最佳經濟流速為1.3～1.7 m/s，最經濟合理壓力為4.5 MPa，泥沙輸送的經濟質量濃度為253.6～570.76 kg/m。

2.4 用沙技術方法

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

..用做充填材料技術方法

黃河下游的平原區，是我國優質的基本農田區。地下采煤后形成地面塌陷，導致耕地積水絕產或減產，耕地損失大、失地農民增多，通過充填復墾顯然是恢復耕地的最好辦法。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，利用環境友好的黃河泥沙充填復墾就具有很大優勢，其主要的關鍵技術是管道輸送時漿液水分的快速排出(固結排水)、高質量土壤剖面構型的設計以及施工工藝的優化。

(1)固結排水技術。泥沙漿體材料到達礦區待復墾土地后，由于攜帶大量水分，排水固結就是首先要解決的問題。盡快排水是一個總的要求，但由于漿體懸浮質含有較高營養的細顆粒，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墾技術和相似案例可知，采用傳統溝堰排水方式泥沙排水固結時間長，且泥沙中的黏粒易隨水流失，導致充填復墾耕地長時間不能使用，質量差。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；為充填條帶內水流平均流速，m/s；為充填條帶內平均水深，m；為大于1.0的紊動影響系數，取1.2～1.5；為充填條帶寬度，m；為充填條帶內含沙水流流入量，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雙土工布排水結構，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)土壤剖面結構。黃河泥沙存在保水保肥性差、養分含量低等多種障礙因素，為克服這些障礙因素，充分發揮黃河泥沙在充填復墾中的補充和輔助作用，依據“分層剝離、交錯回填”的土壤重構原理，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，形成類似五花肉的“夾層式”多層土壤剖面結構(圖6)，從而改善土壤剖面的水分和養分運移特征，實現構造可供植物生長的高質量土壤剖面的目的。該剖面的核心是土壤關鍵層，如表土層、充填夾層等，它對土壤性質和植物生長起重要作用。由于不同區域黃河泥沙與礦區原有土壤的理化性質不同，土壤剖面的結構也有所差異。可通過調整關鍵層的位置、厚度等確定最優的土壤剖面。

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

(3)施工工藝。施工的目的是實現土壤剖面結構，使土地達到可供利用狀態。為實現“夾層式”土壤剖面結構，團隊解決了多次充填、多次土壤回填導致管道輸沙連續作業難的問題，基于施工功效分析和泥沙排水固結試驗，創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，實現土壤保質和高效施工；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—回填夾層土—二次充填—二次排水固結—二次回填夾層土……”，實現連續作業。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。

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方法

對于礦區廢棄物堆場(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，當平面面積改變為堆積體、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)開展生態修復時，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”的做法不符合生態修復理念，因此，研究表土替代材料是較優的解決方案。

有研究將煤矸石、粉煤灰、污泥等經改良后作為表土替代材料，但存在材質粒徑或大或小、易出現二次污染、營養成分低等問題。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。具體的技術方法如圖8所示。

圖8 黃河泥沙用做表土替代材料技術方法示意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方法重點是篩分出較優的泥沙，并輔助一定的改良措施。

..用做土壤改良材料的技術方法

黃河泥沙往往分為在河水中飄浮的懸移質泥沙和淤積的黃河泥沙。懸移質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鹽土可改變土壤顆粒組成、鹽分組成，降低黏質鹽土對水分、鹽分及離子的吸附能力。因此，將黃河泥沙中含營養成分較多的泥沙或質地較粗的泥沙施用到土壤中，用以改良土壤質地、增加土壤肥力、減少土壤鹽堿化趨勢、提高土壤生產力是可行的。

黃河泥沙作為改良材料主要有2種方法：

(1)漫灌改良。① 根據需改良土地的土壤質地確定所需泥沙的材質。② 確定取沙時機。根據不同時期黃河水中泥沙粒徑分布規律，計算懸移質混入土壤中土質的改良情況，應以混合土壤粘粒總含量≥25%為界；同時分析不同時機、不同位置懸移質的營養成分含量，選擇最有營養的懸移質。③ 引水。利用泥漿泵吸取黃河水將懸移質含量較高的黃河水引入待改良土地的區域。④ 灌溉與沉淀。含懸移質的黃河水采用漫灌方式灌溉待改良的土地，經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、確定取沙時機、引水等與上述相同，當黃河水引至待改良區域后，先沉淀(圖9中路線②)。② 表土剝離。剝離待改良區的表土堆存至指定區域。③ 心土剝離。剝離待改良區的心土堆存至不與表土混合的區域，剝離范圍依據植物的根系生長范圍。④ 配比優化。將黃河泥沙與質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，最后對片區進行整平。

3 協同治理案例分析

3.1 黃河泥沙充填復墾采煤沉陷地

案例區位于山東省德州市齊河縣邱集煤礦西側采煤沉陷地，距離潘莊引黃總干渠大約5.5 km，沉陷深度為0.50～2.22 m，復墾前為荒草地，存在季節性積水，不能耕種。根據示范區與黃河的區位協同分析，選擇從潘莊總干渠取沙，輸送方式為管道運輸。經參數優化，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墾工藝完成280畝土地復墾，可實現100%的土地恢復率和95 %以上的復耕率，經分析2016—2018年的小麥及玉米產量，結果與正常農田基本無差異。

本次充填在排走沉陷區的積水后，優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，對充填區進行充填條帶劃分以及表土與心土的剝離、堆放。結合取沙位置及泥沙濃度分析結果，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墾，待泥沙被管道輸送到已劃分的復墾條帶后，在條帶末端設置溢流堰的排水口，并增設土工布攔截泥沙。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、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型，以克服黃河泥沙作為充填材料因質地粗糙導致的漏水漏肥現象。黃河泥沙充填復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月小麥的千粒質量和產量分析可知，對于同樣土壤厚度，夾層式土壤剖面構型較傳統上土下沙雙層土壤剖面構型的千粒重和產量大，甚至有個別剖面的產量高出對照處理。

3.2 黃河泥沙作為表土替代材料

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

圖10 黃河泥沙充填復墾采煤沉陷地示意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，根據監測2020年11月庫區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總體規劃(2018—2032年)，也明確要求加快推進黃河海勃灣水利樞紐庫區清淤工程。

烏海湖的泥沙清淤和烏海市礦區生態環境修復治理已經成為烏海市亟待解決的兩大難題。若把2者協同治理，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修復。設計技術方案如圖11所示。

圖11 烏海市“湖光山色”環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。經過調查分析，烏海湖淤積泥沙不同位置的泥沙質地(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地泥沙分質挖取的技術。

(2)管道輸沙。采用管道長距離輸沙的方式進行泥沙運輸。由于海勃灣礦區與烏海湖中間橫隔著甘德爾山，因此，需要繞道鋪設管道，設計了一個12.3 km 的主管道到達甘德爾山北邊緣，然后再向各個采區或礦區設立分支管道，如向卡布其采區、駱駝山采區和摩爾溝采區分別布設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)礦山生態修復用沙。由于泥沙在起動、懸浮、輸移與沉降的過程中,因粒徑不同而表現出各異的運動狀態，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，泥沙傳輸到礦區后，可建設多級沉沙池加快固結排水，實現不同粒級的泥沙分離。鑒于烏海地區氣候干燥，且生態修復以草地為主，需要加強表層土的保水能力，初步設計將粒級較大的泥沙作為生態修復區的底層用土，將粒級較小的泥沙作為生態修復區的表土材料，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生態修復中主要作為覆蓋表層30～50 cm的植物生長介質材料，將采取抑制風蝕揚沙和快速恢復植被的各種技術措施。上述方案可以達到烏海湖的泥沙清淤和烏海市礦區生態環境修復的協同治理。

4 結論與展望

(1)從供需、空間位置、材質、政策、經濟等5個方面分析，黃河泥沙與礦區生態環境可以實現協同治理。

(2)要實現黃河泥沙與礦區生態環境的協同治理，關鍵是解決取沙、輸沙、用沙三大環節的技術問題和3者的耦合分析。

(3)取沙的難點是優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的空間差異性、季節約束、構筑物約束、取沙方式約束、取水許可等優選，取沙濃度可通過改進、研制設備控制，滿足不同的泥沙用途。

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

(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構，分別給出了劃分充填條帶并在條帶末端加設土工布全斷面排水溝的強化排水方法、“夾層式”土壤剖面結構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方法。

(6)經在山東省邱集煤礦和內蒙古自治區烏海市應用案例分析，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，需要大量的充填材料。黃河泥沙與礦區生態環境協同治理可以起到“化害為利”、“變廢為寶”的作用，是黃河流域礦區生態環境治理的先進技術，也可以推廣到其他涉及清淤的流域或湖庫區，具有很大的應用前景，對黃河流域生態保護修復有重要作用。

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。

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