黃河泥沙物化特性與改性利用研究進展

關鍵詞：泥沙；物化特性；資源利用；堿激發改性；黃河

中圖分類號：ＴＶ１４５；ＴＶ６９７．１；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．００９

引用格式：劉慧，柴梟雄，李長明，等．黃河泥沙物化特性與改性利用研究進展［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：４１－４５，５０．

１引言

黃河流域在我國經濟社會發展和生態安全方面具有十分重要的地位，但黃河水沙不協調問題突出，流域降水稀少且上下游降水不均勻，中游流經水土流失十分嚴重的黃土高原粗沙多沙來源區——砒砂巖區，數量巨大的粗泥沙被輸送到黃河干流，水少沙多，泥沙淤積致使黃河下游河床抬升，成為“地上懸河”，威脅沿岸地區人民的生命財產安全，阻礙經濟社會發展。因此，控制和減少入黃粗泥沙數量，改善水沙關系是解決黃河問題的關鍵［１－３］ ，對提高我國華北地區經濟社會發展水平具有重大意義。

近半個世紀以來，人們在治理黃河時一直將黃河泥沙視為廢棄物來處理，但災害屬性只是黃河泥沙屬性中的一種，只認識到黃河泥沙的災害性是十分片面的。如今，綠色環保成為社會發展的主要理念，學者們對泥沙的研究從廢棄物處理轉變為資源利用。把泥沙改性處理后研制成具有經濟價值的產品，可一定程度上解決黃河泥沙問題，由此泥沙的資源屬性逐漸被廣泛接受［４－５］ 。隨著黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略的提出，對黃河保護治理的研究進入了新階段。本文主要對黃河泥沙的分布、物化特性、治理現狀以及資源利用的進展進行綜述分析，以期提高黃河泥沙整體利用率。

２黃河泥沙物化特性

不少學者對黃河泥沙來源進行了研究，如龔時旸等［６］ 認為黃河泥沙主要源自河口鎮至龍門、華縣、河津、（氵+狀）頭四站之間的流域，泥沙輸送渠道為侵蝕地貌中的各級溝道、支流以及河口鎮至龍門區間黃河干流，流域泥沙輸移比接近１。據統計，１９１９—１９５９ 年黃河中游黃土高原地區多年平均輸沙量約１６ 億ｔ，其中４ 億ｔ 泥沙淤積在下游河道內，使黃河下游成為“地上懸河”［７－８］ 。黃河中游粗泥沙集中來源區面積約１．８８ 萬ｋｍ２，其中：基巖地層產粗沙量占年輸沙量的９．２％，黃土地層產粗沙量占年輸沙量的１８．５％，風沙地產粗沙量占年輸沙量的３．４％［９］ 。黃河粗沙多沙區的分布面積僅占黃河中游面積的２２．８％，但產生的粗泥沙（泥沙直徑≥０．０５ ｍｍ）量占入黃粗泥沙總量的７７．２％，現有研究已證明對黃河中游粗泥沙集中來源區的控制可有效解決黃河泥沙問題［１０－１４］ 。

２．１黃河泥沙的礦物組成

劉東生［１５］ 認為黃河中游泥沙來源于同一地區，并受同一地質營力支配，與當地基巖性質無直接聯系，因此黃河泥沙的礦物組成、物化特性具有一定的均一性。黃河泥沙主要由黏土礦物和非黏土礦物組成，黏土礦物成分主要是伊利石、蒙脫石和綠泥石，非黏土礦物成分主要是石英和長石。各礦物組分的含量與泥沙粒度關系極大，隨著泥沙粒度的減小，石英、長石含量逐漸下降，而伊利石、綠泥石含量明顯上升。王兆印等［１６］認為黃河粗泥沙由巖石經物理風化和化學風化而成，風化產物主要為晶體狀礦物（石英、方解石等）以及黏土礦物（蒙脫石、高嶺石等），結晶構造不同導致粗、細泥沙呈現出不同的物理性質。黃河泥沙礦物成分見圖１、黏土礦物成分見圖２。黃河泥沙非黏土礦物主要成分（石英、鉀長石、斜長石）含量占９０％左右，黃河泥沙黏土礦物主要成分中蒙脫石含量占比約為４３．４％、伊利石含量占比約為３５．３％、高嶺石含量和綠泥石含量之和占比約為２１．３％。

２．２黃河泥沙的理化性質

黃河泥沙顆粒主要組分為硅鋁酸鹽，其他氧化物組分含量由小到大為ＣａＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＭｎＯ，還含有Ｚｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｃｏ、Ｂｉ、Ｃｄ 等微量元素。黃河泥沙主要來源于中游黃土，黃土中ＣａＣＯ３ 含量為９．８５％ ～１３．８７％，遠高于其他非黃土母質上發育的土壤中ＣａＣＯ３含量［１７］ ，也明顯比其他河流泥沙ＣａＣＯ３含量高［１５］ 。

黃河泥沙具有強烈的界面效應，顆粒物與溶液間存在大量的微觀界面，它們的相互作用和各種反應都發生在此界面上。界面具有強烈的吸附作用，會吸附營養物質、有毒物質等各種微小物質，這些物質隨水流被遷移輸送到較遠距離而沉積下來［１８］ 。進入黃河河道的泥沙以懸移質為主，推移質占比很小。黃河中游懸移質泥沙的粒度組成中粒徑小于０．０５ ｍｍ 的黏粒、粉粒、粉沙占５６．８％～７１．４％，粒徑大于０．１０ ｍｍ 的沙粒僅占３．７％ ～１１．０％，因此黃河中游懸移質泥沙的粒度偏小，并且自龍門水文站至花園口水文站逐漸減小［１７］ 。黃河中游懸移質泥沙粒度組成見表１。

３黃河泥沙的影響與治理

隨著黃河中上游龍羊峽等水庫的運用、人類活動的加劇以及氣候變化，進入黃河下游的水沙量發生了巨大變化，洪峰流量過程被調平、洪水漫灘概率減小，從而造成主河槽淤積萎縮、河床抬升，嚴重威脅河槽過洪輸沙能力。黃河干流水庫及水沙調控工程分布示意見圖３。

三門峽水庫投入運用后，水沙關系變化導致洪水流量減小，輸沙能力不足使得河道漫灘概率日趨減小，庫區泥沙淤積嚴重，潼關高程抬升。從長遠來看，若水沙關系不協調問題未得到有效解決，潼關高程仍將處于較高狀態，甚至可能會進一步抬升［１９］ ，潼關高程變化情況見圖４。黃河中游水沙減少對黃河下游和三角洲產生巨大影響，使得黃河下游河道淤積得以緩解，而對于黃河三角洲來說，水沙是三角洲濕地景觀形成與變化的重要因素，泥沙中攜帶的陸源碎屑物是三角洲濕地土壤營養物質的主要來源，因此來水來沙量的減小會導致黃河三角洲萎縮、生態退化等。

對于黃河泥沙變化產生的影響，眾多學者提出了不同處理措施與方案。何予川等［２０］ 推測２０３０ 年以后黃河年均天然徑流量將會減小至５１５ 億ｍ３，進入黃河的泥沙量為９ 億～１０ 億ｔ，提出通過加寬下游河道來提高灘區行洪、泄洪、沉沙能力的方案。胡春宏［２１］ 提出了通過縮窄河道、穩定河槽、灘區分類治理、改造河道堤防來改善黃河水沙關系的思路。肖金成等［２２］ 認為要從黃河泥沙的源頭進行治理，使用淤地壩可以從源頭減少泥沙的輸入，淤地壩是黃土高原地區人民在實踐中創造出的既能攔截泥沙，又能淤地造田、增產糧食和以壩代路的水土保持工程措施。想要有效減少黃河泥沙的輸入，可以大力推動淤地壩的建造和發展，淤地壩可以直接攔截上游溝道及坡面輸送的大量泥沙，大幅度減少入黃泥沙，隨著淤地壩的淤積抬高，不斷抬高控制區域侵蝕基準面，使土體抗滑的穩定性增強，土壤侵蝕的勢能降低，侵蝕作用隨之減弱。推動淤地壩發展要以流域為單元進行統一規劃，有計劃地建設壩系，對現有淤地壩進行全面診斷以確保淤地壩安全運行，以淤地壩為龍頭創新黃土高原綜合治理模式、建立合理的投入和利益分享機制，從源頭有效治理泥沙。

４黃河泥沙的資源利用

４．１堿激發改性泥沙材料

堿激發方法是將堿性激活劑摻入到具有火山灰活性或潛在水硬性的原料中形成一種堿激發膠凝材料。黃河泥沙作為一種可利用資源，顆粒松散，含有的堿活性礦物（石英和鈉長石等）具有一定火山灰活性，可以提供堿激發反應合成地聚合物所需的活性硅鋁成分，因此可以采用堿激發方法對黃河泥沙進行改性。Ｌｉ等［２３］ 以黃河泥沙為原料，采用Ｃａ（ＯＨ）２ 作為堿性激活劑活化黃河泥沙中的活性ＳｉＯ２ 和Ａｌ２ Ｏ３，在混合料中加入質量分數為１０％的礦渣以提高復合材料的強度，研究黃河泥沙堿激發活化率和Ｃａ（ＯＨ）２摻入量對黃河泥沙－礦渣復合材料不同養護齡期抗壓強度的影響，結果表明，復合材料的抗壓強度隨Ｃａ（ＯＨ）２ 摻入量和養護齡期的增加而提高，當Ｃａ（ＯＨ）２摻入量大于５％、固化時間達到９０ ｄ 時，復合材料的抗壓強度可以滿足工程要求。之后，Ｌｉ 等［２４］ 又以黃河泥沙和粉煤灰為原料，采用堿激發法制備出新型復合材料，用同樣方法對復合材料的堿活化產物、微觀結構、抗壓強度進行了分析，結果表明，黃河泥沙－粉煤灰復合材料的抗壓強度隨Ｃａ（ＯＨ）２ 摻入量的增加而提高，加入少量ＮａＯＨ 和石膏可顯著提高復合材料的強度，改性后復合材料的最高強度可達１４．４ ＭＰａ。由以上研究可發現，以黃河泥沙和摻合料為原料進行堿激發，可以把黃河泥沙改性為具有一定強度的膠凝材料，堿激發產物Ｃ－Ｓ－Ｈ 凝膠與Ｃ－Ａ－Ｓ－Ｈ 凝膠填充泥沙復合材料間的孔隙，提高材料的整體性以及強度。

為了探究用黃河泥沙膠凝材料是否可以制作高強度建筑材料，Ｗａｎｇ 等［２５］ 以黃河泥沙為原料，以硅酸鈉水溶液（也稱水玻璃）和ＮａＯＨ 為堿性激活劑，采用模壓法制備試樣，發現當水玻璃摻入量為１２％、礦渣摻入量為４０％時，改性黃河泥沙膠凝材料的抗壓強度顯著提高，固化時間為９０ ｄ 時最大抗壓強度可達５３ＭＰａ。鄭樂［２６］ 使用Ｃａ（ＯＨ）２、ＮａＯＨ 復摻方法對鄭州市花園口和焦作市孟州的黃河泥沙進行堿激發改性，結果表明，黃河泥沙改性復合材料的抗壓強度隨著Ｃａ（ＯＨ）２摻入量的增加而提高，ＮａＯＨ 的添加能夠加快復合材料固化早期強度的提高速度，但摻入量過大會導致抗壓強度降低。

４．２泥沙資源利用的其他途徑

黃河中下游的防洪體系雖已建立，但黃河長治久安與經濟社會發展之間的矛盾依然尖銳［２７－２９］ ，因此必須從多個方面治理并利用黃河泥沙，有效解決黃河泥沙問題。除采用堿激發改性制作建筑材料外，很多學者提出了其他資源利用途徑。韓其為［３０］ 認為三門峽水庫對泥沙的淤積攔截量達９２ 億ｔ，對下游防洪發揮了巨大效益，下游減淤厚度約為３．３ ｍ，總減淤量約為６４ 億ｔ，結合當前泥沙資源利用的研究熱點，將水庫中淤積泥沙變廢為寶，不僅可以長期保持水庫的有效庫容，還可以進一步發揮水庫攔沙減淤的防洪效益。基于此，如何對水庫進行高效排沙清淤是有待解決的重要問題。江恩慧等［３１］ 研究了射流沖吸式排沙技術與庫區自吸式管道排沙技術的可行性，探究出合理高效的排沙清淤技術，即對于淤積在水深較淺的水庫庫尾粗泥沙，可以直接采用挖沙船挖出并作為建筑材料使用，該措施的優點在于無須國家引導投資，可以依靠建筑市場的需求吸引資金，還可以填補水庫其他地方泥沙處理的資金短缺；對于庫區中間部位的中粗泥沙，可以采用射流沖吸式排沙技術與庫區自吸式管道排沙技術進行清淤，沉淀分選后直接作為建筑材料使用；對于淤積在壩前的細泥沙，采用人工塑造異重流方法排沙出庫，用于改良土壤或輸送至大海。然而，黃河泥沙資源利用的市場化水平及規模還不夠，年平均利用量只有３．５６ 億ｔ，相較于黃河年產沙量是微不足道的［２７］ ，要想推動黃河泥沙資源利用市場的快速發展，政府和市場都需發揮一定作用［３２］ 。岳瑜素等［３３］ 認為在黃河泥沙資源利用市場化區域，完全依靠市場機制引導企業與河道管理部門合作是不完善的，必須針對黃河泥沙資源利用的不同途徑和企業成長的不同階段將泥沙資源利用的市場行為與政府補貼機制結合起來。王立久等［３４］ 認為黃河泥沙資源利用措施必須合理，防止無序的泥沙采挖危害防洪安全和生態安全，在保證上下游與左右岸河勢穩定、沿岸設施正常以及生態安全的前提下統籌兼顧，設立泥沙準采區與禁采區、準采期與禁采期、禁采量等，最終實現泥沙資源的有序利用。

黃河泥沙資源利用的根本出路是以黃養黃、以沙治沙，直接在沿岸對泥沙進行處理與利用，利用途徑可分為農業利用、能源開發、建筑材料利用等［３５］ 。在農業利用方面，通過黃河流域引洪淤灌可以改良鹽堿地與坑洼地等［３６－３８］ 。在能源開發方面，黃河泥沙可以適當填充礦產資源開采時導致的塌陷、裂縫、沉降等變形地面，從而恢復塌陷區原有地貌［３８］ ，并且黃河泥沙礦物成分較多，可作為我國新型穩定的礦產資源［３９］ 。在建筑材料利用方面，可用黃河泥沙制作備防石、保溫隔熱材料、空心磚、日用陶瓷及玻璃、內燃燒結磚、免蒸免燒磚、黑陶制品、彩陶制品、多孔材料等［４０－４７］ 。

５結語

黃河泥沙主要源自中游多沙粗沙區，治理該地區的水土流失對減少黃河輸沙量具有重要意義。受氣候變化的影響以及近年來黃河沿岸、黃土高原保水護土工程的應用，除汛期外，黃河泥沙含量呈減小趨勢。現有研究成果表明黃河泥沙資源利用是可行的，泥沙資源屬性的提出是合理的。關于黃河泥沙的資源利用，還需要開展以下幾方面的研究。

（１）系統研究黃河不同河段泥沙的來源、物化特性、分布形態、礦物活性等，為黃河泥沙的治理與改性提供基礎數據。

（２）黃河泥沙資源利用是一個復雜的系統工程，要建立完整的黃河泥沙資源利用規劃，建立黃河泥沙治理的統一標準，劃分泥沙利用途徑與方法，對不同的利用途徑采用不同的排沙取沙方式，并將黃河泥沙資源利用與市場相結合以提高整體利用率。

（３）將黃河泥沙與多種廢棄材料或工業副產品相結合進行資源利用，不僅可以大大降低黃河泥沙資源利用的成本，還可以同步消耗多種固廢材料，達到一加一大于二的效果。