黃河泥沙資源利用關鍵技術與應用

江恩慧研究團隊基於黃河泥沙資源利用的重大意義和存在的問題，按照黃河水利委員會的部署，自2007 年開始，通過科技部研發專項、水利部公益性行業科研專項經費項目、水利部科技推廣項目、黃河水利委員會防汛項目、小浪底建設管理局科研專項、中國保護黃河基金會研究項目等，對黃河深水水庫泥沙取樣技術、深水水庫泥沙處理技術、管道輸沙技術、泥沙資源利用技術與裝備等進行了持續研究，取得了一系列創新性成果，基本形成了「測-取-輸-用-評」黃河泥沙資源利用全鏈條技術，為黃河泥沙的大規模資源利用奠定了基礎。

2018 年10 月

黃河泥沙作為一種資源和黃河有著同樣悠久的歷史，從黃淮海平原及山東省東營市的誕生到黃河的大堤加固、二級懸河治理、淤築村臺、供水引沙、放淤改土，以及黃河泥沙高附加值製品的出現，無一不體現著黃河泥沙資源利用的民生效益、生態效益和社會經濟效益。

黃河是世界上最為著名的多沙河流，因「水少沙多、水沙關係不協調」而成為世界上最為複雜、最難治理的河流。突出的泥沙問題使黃河嚴峻的水資源形勢更加嚴峻，水資源的嚴重短缺又進一步凸顯黃河泥沙問題。泥沙淤積一直是困擾河道防洪安全、水庫有效庫容長久維持、灌區安全運行的關鍵性技術難題。因此，泥沙問題始終是黃河治理開發、保護與管理要面對的首要問題，給泥沙以出路是解決黃河泥沙問題的關鍵。

人民治黃以來，以王化雲為代表的一代代治黃人在不斷發展和總結的基礎上，逐步形成了「攔、排、調、放、挖」處理和利用泥沙的基本策略，但其著眼點更多體現的是為了處理泥沙而被動的利用。更重要的是，由於沒有一套切實可行、可供廣泛推廣的利用技術和良性運行機制，黃河泥沙的資源利用長期停滯在小規模的量級與成效上；同時也因為缺乏一套科學的泥沙資源利用綜合效益評價指標體系和評價方法，無法向國家、地方政府、公眾、企業等相關各方闡明黃河泥沙資源規模化利用的必要性、規模化利用的倍增效應。因而，社會公眾參與度低，經濟價值較難體現，國家和地方政府更無人下決心推進、建立一個長久的泥沙處理與利用有機結合的良性運行體制與機制。

進入21 世紀後，隨著經濟社會的發展，泥沙的資源屬性和經濟價值逐漸顯現，泥沙資源利用成為解決黃河泥沙問題的有效途徑之一，具有巨大的社會經濟生態效益。近十幾年來，在水利部、黃河水利委員會（以下簡稱黃委）的大力支持下，黃河水利科學研究院（以下簡稱黃科院）圍繞黃河泥沙處理與資源利用持續開展研究，取得了一定成效，為黃河泥沙利用打下了堅實基礎。但是，要大規模推動黃河泥沙資源的廣泛利用，還存在泥沙資源利用方向和途徑不明確、開發利用無序可循、成套技術和設備缺乏、轉型利用成本高、綜合效益評價方法缺失等瓶頸問題。

基於此，自2006 年開始，黃科院在水利部公益性行業科研專項等一系列項目資助下，逐步開展了黃河泥沙處理與資源利用關鍵技術研究工作，並受黃委黨組指派江恩慧牽頭於2011 年1 月完成了「黃河泥沙處理與資源利用總體架構設計」（黃委黨組提出的黃河十大自然規律、十大關鍵技術問題和十大經濟生態等30 個問題研究之一）。在此框架下，黃科院聯合河南黃河河務局、大連理工大學、清華大學等多家單位100 餘位科研人員10 餘年持續攻關，取得了系統的研究成果，形成了黃河泥沙處理與資源利用「測-取-輸-用-評」全鏈條技術。主要創新性成果如下。

▋ 理論層面

闡明了黃河泥沙「解構-重構-凝聚-結晶」非水泥基激髮膠凝過程，首次發現了泥沙本身具有可直接激發的火山灰活性；系統揭示了直接激發黃河泥沙、單項激發黃河泥沙+摻合料、複合激發黃河泥沙+摻合料固結膠凝機理，通過系列配合比對比試驗研究，發現了三種激發劑［Ca(OH) 、NaOH、CaSO4·2H O］複合激發黃河泥沙可使早期生成大量穩定膠凝結構體，大幅度提高黃河泥沙膠凝試塊早期強度。不僅使人工防汛石材非水泥基固結膠凝理論取得突破，也為非水泥基固結膠凝技術的提高奠定了理論基礎。

▲ 黃河泥沙固結膠凝機理圖示

引入系統理論，基於全面性、代表性、時效性及空間差異性原則，首次從經濟、社會、生態環境三個維度，提出了黃河泥沙資源利用綜合效益雙層三維評價指標體系；應用工程經濟學、生態經濟學、能值理論等，確定了7 項具體指標的定量計算方法，構建了黃河泥沙資源利用綜合效益評價模型，突破了現有水利經濟效益評價方法單一維度的局限性，為全面客觀評價泥沙資源利用效益、更廣泛地吸引社會力量參與黃河泥沙資源利用提供科學依據，體現了黃河泥沙資源規模化利用的倍增效應。

▋技術層面

強化「以河治河」和系統治理的新理念，在詳細調查沿黃地區對泥沙資源的需求和不同河段泥沙物化特性分析基礎上，量化了不同河段可利用泥沙資源量和不同利用方向的利用潛力，構建了黃河泥沙處理與資源利用整體架構；為實現黃河泥沙資源的有序利用和規模化、標準化、系列化利用，發揮了有效的指導作用。

▲ 黃河水庫泥沙處理與資源利用模式

借鑑深海沉積物保真取樣原理，研發改進了機械傳動環節、控制爪簧，改進了取樣刀頭、取樣密封件及取樣管等，集成了一套水下深層泥沙低擾動取樣技術與設備，解決了其他設備取樣深度淺、樣品擾動大等關鍵問題，提高了水下深層泥沙低擾動取樣技術。

提出了水庫泥沙處理與資源利用有機結合的「抽取-輸送-利用」鏈式技術，確定了水庫泥沙處理的長距離輸送最優輸沙濃度400～600kg/m 和管線敷設適宜坡度6 ～8 ，西霞院水庫的示範應用檢驗了水庫泥沙處理與資源利用有機結合的流暢性。

提出了泥沙固結膠凝配合比通用設計方法，研發了非水泥基的黃河泥沙膠凝技術，設計了細度模數低至0.001 的全級配免分選黃河泥沙、不同摻合料、不同激發方式、不同強度等級的人工防汛石材系列配合比，其抗凍性和抗衝磨性完全滿足生產要求。

▲ 引黃灌區泥沙資源利用模式示意圖

研製了人工防汛石材振動擠壓耦合成型機，集成了一套利用黃河泥沙製造人工防汛石材規模化生產成套技術與裝備和移動式人工防汛石材生產工藝，兩種生產方式可靈活布局，相互補充。

研發了利用河道泥沙改良中低產田技術和煤礦充填開採技術。

▋運行機制與技術標準層面

系統研究了黃河泥沙資源利用產業化的動力機制、運行機制和約束機制，提出了黃河泥沙資源利用運行機制框架；分別提出了社會資本和黃河河務局下屬企業參與的「財政投入+政府引導」產業化運行模式和「PPP 融資+企業經營」的運營方案，突破了黃河泥沙資源利用難以規模化、標準化、市場化運行的瓶頸問題。

▲ 泥沙資源利用產業化運行模式框架圖

制定了中國水利學會《膠結泥沙人工防汛石材》技術團體標準和《黃河泥沙膠結蒸養磚》和《全自動振動擠壓耦合成型機》等企業標準，填補了利用黃河泥沙製作人工防汛石材技術和設備標準的空白，為人工防汛石材和黃河泥沙膠結蒸養磚的廣泛推廣提供了技術標準。

在習近平總書記新時期治水十六字方針指引下，我國生態治理戰略正穩步推進，為黃河泥沙資源利用提供了良好契機。該書作者堅持多年的持續研究，在黃河泥沙處理與資源利用的理論、技術、裝備、標準與運行機制等層面，取得了突破，形成了「測-取-輸-用-評」黃河泥沙資源利用全鏈條技術，對黃河泥沙資源利用起到了技術示範和引導作用。作為上述10 餘年研究成果的總結與凝練，該書的出版及相關技術的推廣，將為發揮黃河泥沙的資源優勢，彰顯黃河泥沙利用的社會效益和經濟效益，引導更廣泛的社會力量參與，控制黃河泥沙資源利用風險，有效減輕黃河泥沙淤積，維護黃河健康生命、促進流域人水和諧和黃河長治久安，提供有力的科技支撐。

2018 年10 月

本文摘編自《黃河泥沙資源利用關鍵技術與應用》（江恩慧等著. 北京 : 科學出版社,2019.11）一書「前言」「序」，有刪減，標題為編者所加。

（水科學前沿叢書）

ISBN 978-7-03-062726-1

責任編輯：楊帥英 張力群

本書站位國家生態安全和科學治黃的戰略高度，將解決黃河泥沙淤積問題和區域社會經濟發展對泥沙資源巨大需求有機結合，採用系統調研-理論探索-技術研發-精細設計-應用示範的研究思路，取得了泥沙處理與資源利用普適性強、理論創新突出、技術裝備領先的「測-取-輸-用-評」全鏈條技術體系，構建了黃河泥沙處理與資源利用整體架構，研發了深水水下低擾動取樣技術與裝備，提出了水庫泥沙處理與資源利用模式、泥沙固結膠凝配合比通用設計方法和非水泥基黃河泥沙膠凝技術、利用黃河泥沙製作人工防汛石材規模化生產技術與裝備、利用黃河泥沙改良中低產田技術和充填煤礦開採技術等。首次從經濟、社會、生態環境三個維度，構建了黃河泥沙資源利用綜合效益評價指標體系和評價模型，建立了黃河泥沙資源利用運行機制框架和產業化運行模式。編制的《膠結泥沙人工防汛石材》團體標準頒布實施。

（本文編輯：劉四旦）

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