黄河泥沙资源利用：亟待多元求解的科研方程式

史俊庭 冷元宝 赵何晶

黄河，中华民族的母亲河，从青藏高原到山东入海口，绵延数千公里，孕育了灿烂辉煌的中华文明。同时，她奔腾的脚步，也带着让从古至今所有治黄人最头疼的问题——泥沙。

数千年来，中华民族一直在跟母亲河进行着博弈，却经常输多赢少。新中国成立后，特别是在新一代治黄科技工作者的辛勤努力下，困扰治黄人数千年的泥沙问题得到了一定的控制。

最近，黄河水利委员会（以下简称黄委）黄河水利科学研究院时明立院长对黄河泥沙治理的新途径进行了一番畅想。他指出：对黄河泥沙治理不仅要采取“拦、排、放、调、挖”的措施，还要作为资源加以利用。

一沙为害，治理维艰

众所周知，黄河难治的根源是泥沙。大量泥沙进入下游淤积河道，就会抬高洪水水位，危及下游人民生命财产安全。

泥沙进入水库，就会淤积水库兴利库容，使投资数百亿元的水利工程失去防洪功能。

统计资料显示，黄河上水库的淤积速度之快、淤积量或者说需要处理的泥沙量之大令世人震惊。其中，西北地区20座水库，在20世纪中后期14年内，运用初期平均损失库容31.3%，年损失率达2.26%，为美国水库淤积速度的3.2倍。

1990年，黄河干支流上水库总淤积量约115.5亿立方米。其中，大型水库淤积量约96亿立方米，中型水库约14亿立方米。现今，绝大部分水库淤积均超过总库容一半以上，大大制约了水库效能的发挥，有的甚至失去应有的作用。

黄河干流第一座水利枢纽三门峡水库建成不久就因淤积严重而被迫进行多次改建，并改变运用方式，使水库功能至今无法充分正常发挥。黄委防办公布的数字显示，小浪底水库75.5亿立方米的拦沙库容已淤掉25亿立方米。这种形势则意味着，随着时间的推移，小浪底水库库容会越淤越小，拦沙能力自然相应减弱。

作为黄河治理开发的关键工程，治黄科技工作者还是希望水库能够长期发挥防洪、防凌、减淤以及兼顾供水、灌溉和发电等综合效益。

为此，近年来，黄委联合多家单位攻关，优化了小浪底水库的运用方式，特别是黄河调水调沙，加之近10年黄河来沙量明显偏小，使小浪底水库的淤积速度明显减小，淤积形态也比原设计好得多。但是，水文气象具有随机性，黄河随时都有发生大洪水的可能，一场高含沙洪水就可能使小浪底水库的库容遭受重大损失。

数千年来，人们都在尝试处理和利用泥沙。尤其是人民治黄以来，黄委在泥沙利用上更是取得了很多非常宝贵的经验，如淤田造地、烧淤泥砖、淤背固堤等实践。但是，目前对泥沙的处理，仍把泥沙看做一种不利的负担，从“有害”的角度去审视它，各种措施都着眼于“处理”，包括排沙出库或挖沙出库；将其视为资源加以利用则关注很不够。

20世纪80年代后期，山西、陕西、甘肃等地采用虹吸原理在黄河支流多座水库试验过水库泥沙处理，效果非常明显。但是，排出的泥沙或进入黄河干流、加重黄河的防洪负担，或堆积在水库附近污染环境，带来较大的生态问题。

更重要的是，这些工作都在国家投入资金用完后不得不停止，根本无法实现良性的长久运行。

一沙多用，持续攻坚

“我们可以换个角度看待水库泥沙淤积问题。一方面，水库拦沙是黄河下游河道减淤、缓解‘二级悬河形势的重要措施之一；另一方面，经济社会发展用沙量极大，如果把水库中的泥沙抽出来直接送往所需地，为我所用，可谓一举两得。”多年跟黄河泥沙打交道的黄河水利科学研究院副院长、泥沙专家江恩慧这样说。

近年来，不少单位进行了黄河泥沙资源利用的研究和实践，根据黄河泥沙粒径的不同确定了不同的用途：细泥沙作为优质黏土，可用来改土造田；稍粗一些的泥沙可用来制作环保建材；粗泥沙中含金属多，可提取有用金属等。

“国内黄河泥沙研究主要从黄河防洪安全利用、土地修复改良利用、河口造陆和黄河泥沙资源利用等方面展开。”时明立说。

作为黄河泥沙治理的主力军，黄河水利科学研究院依托国家“948”项目、公益性行业专项项目、院所长基金项目等多类科研项目，围绕黄河泥沙资源利用，开展了黄河下游滩区新农村建设生态建筑材料技术推广、黄河泥沙淤积层处理及水下驱赶关键技术试验、利用黄河泥沙制作人工防汛石料关键技术研究、机械化抢险替代材料应急试验研究、固结技术在建筑制品和固沙技术中的应用研究、大网笼、大土工包机械化抢险技术、人造大块石抢险材料研制技术等多项研究工作。

砒砂岩被称为地球的生态“癌症”，砒砂岩地区是黄河流域多沙粗沙来源区的主要组成部分，其治理与利用始终牵着黄河水利科学研究院专家们的心。以黄河水利科学研究院副院长、水土保持专家姚文艺为首的科研团队不仅向科技部申请了“十二五”国家科技支撑计划项目“黄河中游砒砂岩地区抗蚀促生技术研究”，还组织专家进行砒砂岩侵蚀岩性机理和原岩改性的预研究，希望能将砒砂岩改造成为安全、环保、有效的淤地坝筑坝材料。

此外，黄河水利科学研究院还建立了相关研究平台。2010年，泥沙资源利用研究室成立。2012年，黄河泥沙处理与利用工程技术研究中心成立。

在人民治黄的历史进程中，多次实施的挖河固堤工程有效处理了主河槽内的部分淤沙。2006年，由黄科院利用黄河泥沙研制的大块防汛备防石，在原阳、巩义、兰考等河段进行了成功的试验生产及抛投，落水到位率达100%。同时，经过几年的现场冻融性能、结构性能等的跟踪检测，其材料技术指标基本稳定，为今后稳定持续广泛地推广应用奠定了基础。

1855年到1954年期间，黄河河口累积来沙930多亿吨，共造陆1510平方公里；1954年至2001年，黄河三角洲新生陆地面积达990平方公里。巨量的黄河泥沙还被利用在土地修复改良上，到1990年年底共计淤改土地面积超过300万亩，小北干流放淤取得淤区面积5.5平方公里，总引沙量898万吨。

黄河泥沙资源利用前景在何方？

据悉，黄委在加固大堤、淤筑村台、二级悬河治理、放淤改土等项目中用沙量达163.5亿吨。1950～1999年，黄河下游引水引沙年均引沙量为1.5亿吨左右。2000年以来，正值小浪底水库拦沙期，下游总引沙量减少到0.8亿吨。预计2020年～2030年年均引沙量1.5亿吨左右。因此，在下游河道及滩区的治理中，黄河泥沙的应用似有可观的前景。

中国工程院院士韩其为曾经粗略地为黄河泥沙算过一笔账：如果把三门峡水库淤积的泥沙放到黄河下游，河道将平均抬高3米多。这是一个相当可怕的形势。

资源利用是解决水库淤积的根本对策，必须充分认识泥沙的资源属性，把泥沙资源利用上升到治黄战略高度，作为黄河治理开发的又一次重大革命，建立泥沙处理与利用有机结合的良性循环机制，从而实现长期减淤的目的。

近几年，河南中原经济区、山东半岛蓝色海洋经济区和黄河三角洲高效生态经济区等成为国家经济发展战略的重要区域，正处于起步实施阶段。两省的基础性建设和各种产业发展迅速，使黄河泥沙具有广泛的应用前景，社会经济发展对黄河泥沙资源的需求量相对较大。

据介绍，黄河泥沙主要成分是二氧化硅，含量在70%左右，其他成分为氧化铝、氧化铁、氧化镁、氧化钾和稀有元素等。黄河水利科学研究院的研究显示，黄河泥沙除部分可直接作为建筑用砂利用外，还可制作砌筑材料、黏结材料、保温材料、装饰材料。

土地是稀缺资源。泥沙是流失的土地，也是不可多得的稀缺资源。黄委副主任、总工程师薛松贵带队开展的黄河泥沙资源利用系统调研发现，据不完全统计，国内工业型砂的年用量达3000万吨以上。黄河部分泥沙能够满足此需求，同时还可生产出二氧化硅、铝、铁、镁、钾等多种工业原料。

黄河水利科学研究院院长时明立告诉笔者，以砌筑材料为例，“十一五”期间，河南省新型墙材发展情况为：2005年市场需求量为115亿标准砖，2010年为345亿标准砖，预计到2015年将发展到450亿标准砖，增长较快。随着城市和新农村建设以及科学技术的发展，黄河泥沙在建筑材料方面的应用领域逐渐扩大，未来的一段时期内，黄河泥沙的利用量将逐年递增。

2012年1月，河南省省长郭庚茂和黄委主任陈小江分别批示，要求有关部门迅速开展黄河泥沙资源利用的研究工作。4月，河南省发改委发函要求进一步推进黄河泥沙资源利用工作的开展。

黄河流域被誉为我国的“能源流域”，每年开采大量的煤炭矿石，致使采空区面积越来越大。为此，治黄科技工作者提出，使用淤沙充填可以减少地表破坏，保护环境，减少塌陷等地质灾害发生。

时明立还说，有专家提出在黄河上利用管道输沙填海筑岛、开发利用将比迪拜、曹妃甸具有更多优势，一旦实现，将对黄河三角洲产生巨大的经济效益。

过去，被动处理把泥沙当做“害”；现在，被动处理向主动利用转型；未来，主动利用把泥沙当做资源。黄河泥沙的基本成分决定了黄河泥沙的广泛应用领域。随着科学技术的发展，黄河泥沙的应用领域还将继续扩大。因此，其应用前景是十分广阔的。

亟须激活政府主导的市场主体机制

“泥沙的资源性渐渐被人们所认识，并开始应用到社会生产和实践中。”时明立说，“我们相信，这将逐步成为治理黄河的有效途径之一。”

江恩慧说，黄河泥沙资源利用，河道里的泥沙主要通过开采或放淤等直接或转型利用；水库淤积的泥沙，更要强调处理与利用的有机结合，不同的地方采用不同的方法。淤积在水库库尾的粗泥沙，由于水深较浅，可在严格管理和科学规划的前提下，直接用挖沙船挖出来，作为建筑材料，仅靠建筑市场需求就可吸引大量资金，还可为水库其他部位泥沙处理提供一定的资金补助；库区中间部位的中粗泥沙，可根据两岸地形及市场需求状况，采用自吸式管道排沙或射流冲吸式排沙技术，将泥沙输送至合适地，粗泥沙直接作为建材或改性材料，细泥沙淤田改良土壤，制作蒸养砖、拓扑互锁结构砖、路沿石等；淤积在坝前的细泥沙，可以采用人工塑造异重流的方法排沙出库，直接输送至大海或淤田改良土壤，也可采用自吸式管道排沙技术抽吸出来，作为高档经济彩陶材料。

这是对黄河泥沙资源性利用的一种尚待实现的美丽畅想。然而，时明立告诉笔者，由于至今尚未出台较为系统、规范的管理政策或文件，黄河泥沙资源利用的战略地位还没显现出来。

正是由于对这个战略地位认识不足，致使黄河泥沙利用规划严重滞后。此外，黄河泥沙如开采位置不当或局部开采过量会影响河道行洪，危及黄河防洪安全。

目前，虽然黄河泥沙资源利用的研究已取得一些成果，但是，相对于黄河泥沙资源的进一步综合开发利用，还有很多工作要做，特别是一些成果，急需进行大量的中试研究。

“仅靠目前研究机构现有的设备和场地，很难满足黄河泥沙资源利用研究进一步开展的需要。因此，我们建议建立泥沙资源利用技术推广转化中试基地，集成、示范资源利用技术，形成研发—中试—应用—改进—推广良性机制。”时明立说。

同时，黄河泥沙的资源性利用还受到产业化链条的制约。由于产业化链条的长短取决于国家支持的程度和社会资本投入的力度，而资本的逐利性决定了产业化链条的长短，所以，需要激活政府主导的市场主体机制。

“我们呼吁国家制定优惠政策，采取灵活的机制，引导社会力量参与研发，鼓励产、学、研跨学科研发黄河泥沙资源利用应用技术，并制定相应的政策措施，促进科技成果尽快转化为生产力，最终实现泥沙资源的有效利用。”时明立说。

在新的黄河泥沙科研大平台上

今年7月，黄河泥沙处理与资源利用工程技术研究中心在黄科院揭牌成立。

黄委主任陈小江对黄河泥沙资源利用工作寄予厚望，他指出，要进一步加强泥沙利用专题研究和规划工作，在泥沙资源利用的系统性、协调性、创新性上下工夫。

“黄河泥沙资源利用研究涵盖了泥沙工程学、材料学、结构力学、化学、水土保持、土壤学、岩土工程等多门学科，是一个多学科交叉的边缘课题，研究内容十分广阔，技术难度也很大。”黄委召开的委务会上，时明立这样阐述。

从社会可持续发展角度出发，传统矿产资源正逐渐耗尽与枯竭，泥沙作为非传统资源加以利用已迫在眉睫，并有望成为21世纪至22世纪我国经济发展的新型、稳定的可接替资源之一。

因此，时明立建议提升黄河泥沙研究的战略定位，并进行顶层设计。

时明立介绍说，这项设计要遵循三项基本原则：一是泥沙利用与治河相结合，以“用”来改善黄河泥沙危害；二是引导泥沙资源的有序、有效利用，防止对黄河造成二次伤害；三是立足于黄河健康良性维持，有利于促进流域经济发展，有利于治黄与经济的有机结合，有利于促进黄河产业链条的延伸。

此外，还要实现六个有机结合：水库泥沙利用与延长水库有效运用期有机结合，河道泥沙利用与河道治理、滩区安全有机结合，灌区泥沙利用与粮食安全有机结合，砒砂岩改性利用与水土保持有机结合，泥沙利用与采空区治理有机结合，泥沙利用与沿黄经济发展有机结合。

时明立认为，为了更好地对黄河泥沙进行资源利用，应在探明黄河下游泥沙资源的具体数量、矿物成分、特性、空间分布情况的基础上，对黄河泥沙资源利用进行规划研究，并制定相应的利用开发规划。如黄河泥沙资源利用产业化规划研究 、黄河泥沙资源处理与利用总体布局研究等，构建黄河泥沙处理与利用总体布局框架体系。

“黄河泥沙资源利用的研究工作起步相对较晚，相关机理研究滞后，研究方向分散，缺乏系统性，成果难以推广，还具有一定的盲目性。但是，我们希望更多的人参与到黄河泥沙资源利用的队伍中来，开展多层次、多角度的学术研究和交流活动，大力倡导民主、宽松的科研风气，营造‘百花齐放，百家争鸣的学术氛围，为泥沙资源利用提供强有力的科技支撑。”时明立说。

目前，黄委有关方面正筹划从以下六个方面着力开展黄河泥沙科研攻关：

一是黄河泥沙资源利用的相关政策研究。通过黄河下游泥沙资源利用相关政策及管理体系研究 ，逐步规范黄河泥沙资源利用秩序，引导黄河泥沙资源利用有序进行。

二是黄河泥沙资源利用的基础研究。开展黄河泥沙分布现状科学调查，摸清黄河泥沙资源总体分布规律；结合胶凝理论、架构理论、分形理论等相关理论，开展黄河泥沙资源利用的相关基本理论研究，提高黄河泥沙资源利用的科研水平，为黄河泥沙资源利用提供理论支撑。

三是黄河泥沙资源利用的应用技术研究。如黄河泥沙系列胶凝固结技术研究、砒砂岩原岩改性技术集成与示范、利用黄河泥沙制作干混砂浆关键技术研究、利用黄河泥沙制作加气混凝土砌块关键技术及设备研究、利用黄河泥沙制作空心砌块关键技术研究、利用黄河泥沙制作硅铝氧氮聚合材料关键技术研究、黄河泥沙资源利用标准体系研究等。

四是黄河泥沙利用成套技术与装备研究。找准泥沙利用技术与装备的技术瓶颈，进行人工备防石技术、干混砂浆、加气混凝土砌块、生态免烧砖、硅铝氧氮聚合材料等制作与利用技术的优化及工艺研究，确定不同产品类型的配合比及工艺参数，逐步形成成套技术与设备。

五是黄河泥沙资源利用的现有技术推广中试研究。以黄委泥沙处理与资源利用工程研究中心为依托，联合有关单位和高校形成开发黄河泥沙资源的合力，加快科技成果转化速度。近期主要开展黄河泥沙人工备防石技术推广中试研究、黄河泥沙生态免烧砖技术推广中试研究、水库排沙、管道输沙和泥沙利用中试研究等。

六是黄河泥沙处理与利用的产业化研究。全面调查总结经济社会发展及黄河治理的需求和黄河泥沙处理与利用现状的可行技术、系统分析黄河主要大型水库及典型河道主要区域泥沙禁用和可用部位及时间、研究建立切实可行的泥沙处理与利用的产业化链条框架等。

本刊特评：为用沙喝彩

□侯起秀

1964年12月18日，周恩来在百忙中亲自参加关于三门峡水利枢纽工程改建问题会议并发表重要讲话，提出“总的战略是要把黄河治理好，把水土结合起来解决，使水土资源在黄河上中下游都发挥作用，让黄河成为一条有利于生产的河”的重要思想。40多年治理黄河的实践和探索已经充分证明，这一高瞻远瞩的思想是治理黄河工作科学发展的方向。

黄河已经从一条闻名于世的“害河”逐步转化为“有利于生产的河”。开发和利用黄河水资源，使黄河以占全国2%的河川径流量承担了占全国15%的耕地面积和12%人口的供水任务，在农业灌溉、城乡供水、水力发电、生态环境等方面产生了巨大的社会效益和经济效益，使人们对黄河的看法发生了根本性的改变。

与此同时，对利用黄河泥沙资源的探索和实践不断深化。从水土保持到用洪用沙，从淤筑村台到放淤固堤，从淤填串沟到淤填堤河，从淤田改土到采煤塌陷区治理，从用作混凝土拌和料到制造建材，从利用土工织物长管带褥垫筑坝到制造备防石防汛抢险，从自然填海造陆到人工管道填海造陆……这些探索和实践展示了利用黄河泥沙资源的广阔前景。

黄河治理不同于其他河流治理之处在于如何科学合理地处理巨量的泥沙。自从黄河下游修建堤防以后，黄河结束了随心所欲、来回摆动、填海造陆的历史，泥沙淤在河槽内，河床逐渐抬高而成为地上河。随着以水库为主进行纵向控制的“上拦”工程建设，大量泥沙被水库拦蓄，延缓了河床抬升速度，增强了防洪抗洪能力。但是，无论是大堤之间的河槽还是水库库容，相对于源源不断的黄河泥沙容量明显不足。因此，从长期看，充分利用黄河水沙资源、发挥最大综合效益，是治理黄河工作科学发展的必由之路，也是解决黄河水沙问题的合理归宿。

随着黄河泥沙处理与资源利用工程技术研究中心的成立，必将进一步促进黄河泥沙处理和资源利用的工程化、产业化进程，使黄河泥沙变害为宝，服务沿黄地区经济社会可持续发展。但是，也应该清醒地认识到，相对于开发和利用黄河水资源，开发和利用黄河泥沙资源困难更大。这是一项前无古人、具有开创意义的工作，不会一蹴而就。

周恩来指出：水土结合起来使用的总设想和方针是不会错的，这不仅是战术性问题，而且是带有战略性的问题。也就是说，我们已经找到一条既有利于经济发展又有利于黄河治理正确处理黄河水沙的途径。只要一切问题都到现场去实践，通过实践，不断总结，取得经验，然后再实践再总结，开发和利用黄河泥沙资源一定会与开发和利用黄河水资源一样取得丰硕成果，使人们对黄河的看法再次发生根本性的改变。

我们为用沙喝彩！