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黄河作为中华民族的母亲河，也是世界上泥沙含量最多的河流，水少沙多、水沙关系不协调是黄河面临的严峻问题。面对黄河泥沙淤积、矿区生态环境恶化两大黄河流域生态环境难题，如果能够将黄河泥沙用于煤矿区的生态修复，一定能起到“化害为利”、“变废为宝”的“一石二鸟”作用。
在黄河下游，将黄河泥沙用于充填低洼地、复垦采煤沉陷地、改良盐碱地等已有实践应用，并在取沙、土壤重构等关键技术方面取得了初步研究成果，但在黄河全流域的应用还未见更多案例。
根据《黄河泥沙公报2020》资料显示，2020年黄河下游监测口门实测全年引沙量3296.7×104t，小浪底库区1997年10月至2020年10月淤积量为32.321×109m3，其支流大峪河入汇段河底已淤积抬高54.08m。每年从中游输送下来的泥沙导致下游地区“地上悬河”问题日益严峻，存在溃坝风险，对群众生活构成严重威胁，黄河泥沙已经成为影响黄河流域生态环境的重要障碍因子。泥沙问题是治理黄河的关键性难题。随着我国西北及华北地区的经济发展，沿线对黄河的用水需求会进一步增多，黄河水少沙多的矛盾也将更加突出。
黄河流域有丰富的水能、煤炭、石油和天然气等资源，被誉为中国的“能源流域”。我国14个大型煤炭生产基地有9个分布在黄河流域，同时还有胜利、长庆、延长和中原四大油田，已探明煤炭储量和石油储量分别占全国相应能源储量的70%和41%，是我国能源安全的重要保障，也是晋陕蒙宁甘地区经济发展的主要经济支柱产业。据《2020年煤炭行业发展报告》，晋陕蒙三省原煤产量占全国的71.5%，调出煤炭17.3×109t左右。由于我国国内油气生产难以保障国民经济发展的需求，更进一步促使煤炭资源开发重心向黄河流域中上游的转移。
然而，流域内煤炭资源大规模开发利用在对国民经济发展发挥重要作用的同时，也给区域生态环境带来了巨大的影响，主要表现为：大量土地塌陷损毁、矸石和排土堆压占土地，导致土壤资源损失、植被生长受损、水土流失加剧、生态系统恶化等，因此，黄河流域矿区生态修复势在必行。但是，土壤资源缺乏是导致黄河下游矿区耕地恢复率低、黄河中上游矿区生态植被难以生长的主要限制因素。
1黄河泥沙与矿区生态环境协同治理原理黄河泥沙淤积和矿区生态损毁是黄河流域2个最典型的生态环境问题。在普通人看来，一个是河泥固废，一个是采矿导致的多种多样的生态环境损伤，2者互不相干。但从系统修复、综合治理的角度出发，尤其是应用“山水林田湖草生命共同”的理念，将黄河泥沙作为矿区生态修复材料，就可以化害为利、变废为宝，实现2者的协同治理。因此，将2者协同治理的思想无论从理论还是实践的角度都是一个很好的理念，具有重要的经济和生态环境效益。通过分析黄河泥沙与矿区生态环境修复之间的相关因素，2者协同治理的基本原理如下图所示。
黄河泥沙与矿区生态环境协同治理原理示意
对于黄河泥沙和矿区生态环境这２个研究对象，黄河的问题是泥沙淤积导致的水害频发，矿山生态环境的问题是因采矿导致生态损伤严重：采坑（场）致使土地裸露、植被丧失；土地塌陷导致生产力下降甚至积水绝产；固体废弃物堆积在占用土地的同时，导致植被丧失，水土、大气污染。对于黄河水害来说可采取的解决办法主要是清淤，是将泥沙“输出”的问题，但清理出的泥沙需要占用土地，受到用地政策制约，并将耗费大笔资金；对于矿区生态环境来说，修复治理是解决办法，但对大部分矿区来说，缺土壤是最主要的制约因素，直接影响生态修复的质量，是一个需要土壤“输入”的问题。有些生态修复工程管护期过后植被迅速退化与土壤数量不足、质量差有直接关系。因此，将矿区损毁的场地作为泥沙堆积场、将泥沙作为矿区生态修复的土壤替代材料存在可行性。
黄河泥沙与矿区生态环境协同修复需要解决好5个协同问题：（1）供需协同；（2）空间位置协同；（3）材质协同；（4）政策协同；（5）经济协同。
黄河泥沙与矿区生态环境空间位置协同示意2协同治理方法
要实现黄河泥沙与矿区生态环境的协同治理，关键是解决取沙、输沙、用沙三大环节的技术问题和3者的耦合分析。
黄河泥沙与矿区生态环境协同治理技术方法
（1）取-输-用耦合分析技术
黄河泥沙与矿区生态环境的协同治理是一项系统工程，必须分析清楚取沙、输沙、用沙之间的耦合关系，在确定经济、技术可行性的前提下，优选出取—输—用整体流程中的关键技术参数和装备、工艺等。在分析过程中，可先确定单向约束因素，如若输沙过程不能取得占地许可，则优先选用汽车运输方式，可利用道路系统，避免管道铺设占地。然后确定双向约束因素，可采用试探法，将双向影响因素逐个试探，如泥沙用途为改良材料，需要泥沙的材质为细颗粒，但经分析可取沙位置缺乏细颗粒占比大的位置，只能放松对泥沙材质的要求，在施工工艺环节对泥沙进行粒径分级，以便获得满足需求的泥沙。最后对所有初步确定的因素以经济可行性和技术可行性为约束进行耦合分析，确定最终的协同治理方案。
取—输—用沙关键因素耦合关系（2）取沙技术方法
取沙分为2种情况：一种是河水退去后固态的泥沙，一种是在有河水情况的泥沙。尽管固态泥沙可以用挖掘机取沙，但考虑泥沙水力运输的经济方便性，常常用泥浆泵、潜沙泵等水力取沙方式。取沙的难点是优选取沙位置和控制取沙浓度。
（3）输沙技术方法
泥沙输送的方式包括汽车运输（固态）、明渠输送和管道输送。由于管道输送的灵活性和环保性，黄河泥沙常常用管道水力输送，即水沙两相流的浆体输送。在浆体管道输送方面，我国在20世纪50—70年代开始应用此项技术，属于低浓度低压输送，主要用于矿山尾矿较短距离排放；到20世纪90年代以后，长距离高浓度管道输送从可研、试验、初设阶段进入实际应用阶段，以陕西神渭输煤管道、太钢尖山铁精矿矿浆管道为代表的项目建成投产 。这些技术进展对黄河泥沙的管道传输有借鉴作用，重点需要解决长距离、甚至大落差的输送中遇到的一些难题：如水沙两相流的传输特征与原理、不淤流速等关键传输参数的优化方法与计算模型、不同粒级泥沙传输的调控方法、管道直径与材料的优选方法、泵的选择与管泵机电一体化控制原理及方法等。
（4）用沙技术方法黄河泥沙用于矿区生态修复主要用作充填材料、表土替代材料、改良材料，不同的用途其用沙的技术方法不同。
①用做充填材料技术方法
黄河下游的平原区，是我国优质的基本农田区。地下采煤后形成地面塌陷，导致耕地积水绝产或减产，耕地损失大、失地农民增多，通过充填复垦显然是恢复耕地的最好办法。过去常常用煤矸石、粉煤灰等矿山固废作为充填材料，存在二次污染的风险。因此，利用环境友好的黄河泥沙充填复垦就具有很大优势，其主要的关键技术是管道输送时浆液水分的快速排出（固结排水）、高质量土壤剖面构型的设计以及施工工艺的优化。
强化充填固结排水方法示意
夹层式土壤剖面结构作用机理示意
间隔条带交替式多层多次充填工艺示意②用做表土替代材料的技术方法
对于矿区废弃物堆场（煤矸石山、排土场、废石场等）和采坑（场）来说，由于原来的表土没有保存，即使对表土做了剥离、保存，当平面面积改变为堆积体、坑之后，总体表土量会不足，加之剥离、保存过程中的损失，当废弃物堆场和采坑（场）开展生态修复时，表土缺乏是必然的。若采取购买表土的方式，不仅量上无法满足，而且易造成对其他土地的损毁，这种“拆东墙补西墙”的做法不符合生态修复理念，因此，研究表土替代材料是较优的解决方案。
黄河泥沙用做表土替代材料技术方法示意③用做土壤改良材料的技术方法
黄河泥沙往往分为在河水中飘浮的悬移质泥沙和淤积的黄河泥沙。悬移质黄河泥沙中常常含有大量的粉粒和粘粒，并携带较多的营养成分，因此，这种黄河泥沙作为土壤的改良材料是适宜的。曲晓玲研究认为用黄河泥沙改良黏质盐土可改变土壤颗粒组成、盐分组成，降低黏质盐土对水分、盐分及离子的吸附能力。因此，将黄河泥沙中含营养成分较多的泥沙或质地较粗的泥沙施用到土壤中，用以改良土壤质地、增加土壤肥力、减少土壤盐碱化趋势、提高土壤生产力是可行的。黄河泥沙作为改良材料主要有2种方法：（1）漫灌改良。（2）混配改良。
黄河泥沙用做改良材料技术方法示意3协同治理案例分析（1）黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地
案例区位于山东省德州市齐河县邱集煤矿西侧采煤沉陷地，距离潘庄引黄总干渠大约 5. 5km，沉陷深度为0.50～2.22 m，复垦前为荒草地，存在季节性积水，不能耕种。根据示范区与黄河的区位协同分析，选择从潘庄总干渠取沙，输送方式为管道运输。经参数优化，管材选择管径为200mm的橡胶软管，水沙流速为1.162m/s，进口处泥沙浓度为200kg/m3。土壤剖面采用夹层式，复垦条带划分尺寸为长240m、宽8m。2014~2015年采用交替式多层多次充填复垦工艺完成280亩土地复垦，可实现100%的土地恢复率和95 %以上的复耕率，经分析2016—2018年的小麦及玉米产量，结果与正常农田基本无差异。
黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地示意（2）黄河泥沙作为表土替代材料
乌海市位于黄河上游，是黄河流入内蒙古自治区的第一站，黄河穿城而过，流经市区105公里。乌海市也是重要的煤炭基地，在海勃湾、乌达、海南三个区都有优质的煤炭资源正在开采。长期的煤炭开采导致生态环境恶化，多次受到环保督察。2020年12月30日内蒙古自治区人民政府印发的《关于乌海及周边地区生态环境综合治理实施方案的通知》（内政发〔2020〕26号），明确要求对矿区生态环境进行治理，但由于区域自然环境恶劣、缺少土壤，治理效果不佳。
2014年，位于乌海的黄河海勃湾水利枢纽建成蓄水，实际是在黄河的一段拓宽形成的118平方公里的乌海湖水面，与浩瀚的乌兰布和沙漠相连。由于黄河的含沙量大，乌海湖泥沙淤积严重，根据监测2020年11月库区1076m水位下库容为2.91亿m3，比2019年11月实测库容减少0.05亿m3(库容差法)，比原始库容减少1.957亿m3(库容差法)，已累计损失40.2%的原始库容。乌海湖国家水利风景区总体规划（2018—2032年），也明确要求加快推进黄河海勃湾水利枢纽库区清淤工程。
乌海湖的泥沙清淤和乌海市矿区生态环境修复治理已经成为乌海市亟待解决的两大难题。若把2者协同治理，定能起到事半功倍的作用。为此，乌海市提出了“湖光山色”环境综合治理计划，即将乌海湖清出的黄河泥沙用于矿山的生态修复。设计技术方案如下图所示。
乌海市“湖光山色”环境综合治理初步方案示意4结论与展望
（２）要实现黄河泥沙与矿区生态环境的协同治理，关键是解决取沙、输沙、用沙三大环节的技术问题和3者的耦合分析。
（３）取沙的难点是优选取沙位置和控制取沙浓度。其中取沙位置可通过综合考虑泥沙材质的空间差异性、季节约束、构筑物约束、取沙方式约束、取水许可等优选，取沙浓度可通过改进、研制设备控制，满足不同的泥沙用途。
（４）输沙主要是优选输沙方式，其中常用的是管道输沙，可通过优选管材、加设泵站等方式实现高效率远距离输沙。
（５）用黄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点是充填后的快速排水和土壤结构，分别给出了划分充填条带并在条带末端加设土工布全断面排水沟的强化排水方法、“夹层式”土壤剖面结构和间隔条带交替式多层多次充填施工工艺。用作表土替代材料和土壤改良材料时重点是材料的筛选和组配，文中分别给出了技术方法。
（６）经在山东省邱集煤矿和内蒙古自治区乌海市应用案例分析，证明了黄河泥沙作为充填材料和表土替代材料的可行性。
如前所述，我国14个大型煤炭生产基地有9个分布在黄河流域，露天采坑、排土场、矸石山、塌陷地的治理都需要土源，尤其是黄河下游耕地恢复，需要大量的充填材料。黄河泥沙与矿区生态环境协同治理可以起到“化害为利”、“变废为宝”的作用，是黄河流域矿区生态环境治理的先进技术，也可以推广到其他涉及清淤的流域或湖库区，具有很大的应用前景，对黄河流域生态保护修复有重要作用。
作者简介
胡振琪，男，1963年5月生，安徽五河人，中国矿业大学环境与测绘学院教授、博士生导师、长江学者、能源资源战略发展研究院执行院长。获国家科技进步二等奖3项，授权国家专利50余项，发表论文300余篇，出版专著10余部。荣获美国采矿与复垦学会“生态修复先锋奖”和“Barnhisel奖”（科技贡献奖）、“新世纪百千万人才工程”国家级人选、“中国青年科技奖”、“教育部跨世纪优秀人才”等荣誉。现为中国煤炭学会土地复垦与生态修复专业委员会主任委员，中国土地学会常务理事兼国土整治与生态修复分会副主任委员，国际土地复垦家联合会协调委员会委员（中国代表），中国生态学会常务理事兼生态工程专业委员会副主任，International Journal of Mining, Reclamation and Environment执行主编。
研究方向
矿山土地复垦与生态修复
主要成果
30多年来一直致力于煤矿区土地复垦与生态修复的理论与技术研究，取得多项创新性成果：建立了矿山复垦土壤重构理论与方法，成为矿山生态修复的基础支撑；创立了采煤塌陷地边采边复技术和黄河泥沙充填复垦技术；攻克了酸性自燃矸石山污染原位控制与生态修复技术，为保护耕地红线、防治矿区环境污染、建设绿色矿山提供了有力的技术保障。
来源：
胡振琪，赵艳玲. 黄河流域矿区生态环境与黄河泥沙协同治理原理与技术方法［J］. 煤炭学报,2022,47(1):438-448.
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