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

胡振琪，赵艳玲

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.矿山生态安全教育部工程研究中心，北京 100083)

黄河发源于青藏高原，流经9个省区，在全国的生态环境保护和水源涵养中具有十分重要的战略地位。2019年习近平总书记在关于黄河流域的重要讲话中，确立了黄河流域生态保护和高质量发展战略，并指出当前黄河流域仍存在生态环境脆弱等问题。

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。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3 296.7×10t，小浪底库区1997年10月至2020年10月淤积量为32.321×10m，其支流大峪河入汇段河底已淤积抬高54.08 m。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，对人民生活构成严重威胁，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3省区原煤产量占全国的71.5%，调出煤炭17.3×10t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。

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。因此，笔者以流域内黄河泥沙和矿区生态环境协同治理为目标，在厘清黄河泥沙特性与矿区生态环境治理需求的同时，系统论述了协同治理原理及技术方法，以期为黄河流域生态保护和高质量发展提供一种解决途径。

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图1所示。

图1 黄河泥沙与矿区生态环境协同治理原理示意Fig.1 Sketch map of principle of coordinating treatment between river sediment and eco-environment in the Yellow River watershed

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。黄河泥沙需要从河道处清理出来输出到某个地方，而矿区生态修复需要从某个地方输入土壤作为修复材料，因此，2者存在供需协同关系，关键是确定2者在数量和时间上的供需协同。

(2)空间位置协同。经空间分析，沿黄河流域分布有我国14个大型煤炭生产基地中的9个，已探明累计储量占全国探明煤炭储量的70%，其中，宁东基地位于黄河流域上游，神东基地、陕北基地、晋北基地、晋中基地、晋东基地、黄陇基地位于黄河流域中游，河南基地位于黄河流域中、下游附近，鲁西基地位于黄河下游，存在整体的空间协同性。

从典型矿山生态环境损毁看，下游的鲁西基地、河南基地多是地下开采，出现大规模的塌陷区，损失的是高质量耕地。为了恢复耕地，需要大量的充填材料，这和黄河下游黄河泥沙含量逐渐增加、材质粒级由大到小存在空间位置协同性有关。中上游的基地地下开采与露天开采并存，尤其是内蒙古自治区内的矿山，遗留大量的露天采坑(场)和固体废弃物堆场，而当地的土壤资源匮乏、质量不高，急需大量的粒径较小的表土替代材料，这与黄河中上游存在的大量不同粒径泥沙也存在空间位置协同性。位于黄土高原区的矿山，土地裂缝、固体废弃物堆场问题突出，从矿山生态修复的土源总量分析比较充足，但若从未损毁土地上取土涉及到土地保护政策，难度很大，因此选择黄河泥沙也是解决之策(图2)。

以上是大尺度空间的协同性，具体到每个矿山开采损毁的特征具有时空变化的多样性，生态修复对土壤需求也具有显著的空间差异性，因此，中小尺度的空间位置协同对泥沙利用与生态治理效果也具有重要作用。

从矿区与黄河的距离分析，可以从黄河干流、支流或者引水渠获取泥沙，输送方式可以选择管道、汽车等不同方式，因此，距离不是限制黄河泥沙与矿山生态修复协同的关键因素。从山东省矿区的应用实践，矿区距离取沙位置30 km以内均可以实施。

(3)材质协同。黄河泥沙质地特征与土壤质地之间的相似决定了2者协同的可行性。黄河泥沙主要为水土流失的土壤颗粒，90%来源于黄河中游的黄土高原地区。黄河泥沙可分为河流中的悬浮物(悬移质泥沙)及淤积的泥沙沉积物，2者在粒级组成及化学成分上存在明显差异。黄河水流的自然分选和沉淀作用，导致黄河中不同位置淤积泥沙的质地有明显的空间变异性。一般情况，淤积泥沙表层粒级较细、深部粒级较粗；悬移质泥沙粒级最细，粘粉粒(粒径<0.05 mm，美国农业部制)含量大部分高于35%(表1)。

图2 黄河泥沙与矿区生态环境空间位置协同示意Fig.2 Coordination relationship in spatial position between river sediment and eco-environment of mining areas

表1 黄河流域典型站点实测悬移质颗粒级配

对于矿山生态修复来说，不同生态损伤问题对修复材料的需求不同。例如塌陷区(坑)，若用来充填植被生长介质层以下部分，对充填材料的粒径要求不严格，相较矿山常用的充填材料煤矸石来说，黄河泥沙的粒径较优。若用来做固体废弃物堆场、采坑(场)、充填后塌陷区(坑)等的表层植被生长介质层，需要粒径较小的细颗粒。若用做生产力较低土地的改良材料，可选择与改良土壤质地相反的泥沙。因此，协同治理时，应考虑黄河泥沙在黄河中的分布特征，尤其是不同质地泥沙的分布规律，按照矿山生态修复的需求，处理好材质的协同。

(4)政策协同。第1，将黄河泥沙用于矿区生态修复，可减少清淤泥沙占地，符合土地保护政策。第2，黄河水采用的是取水许可制度，黄河沿线区域均有取水配额，意味着黄河沿线矿区可以从黄河中取水，进而获得黄河泥沙。由于取水数量有限，没有额外增加过多的取水量，对黄河沿岸的生态无影响，也可在泥沙泥淀合向黄河返还取水量。第3，矿区生态环境治理的目的之一就是消除或控制生态环境问题，其中使用的修复材料不能带来二次污染，因此需要清洁的、绿色的修复材料。黄河泥沙的主要矿物种类为石英、钾长石、斜长石等，其黏土矿物主要为蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石4种。其本身不具备毒性，但泥沙对水中溶质具有一定的吸附性，能够吸附并累积水体中的重金属。文献[7-14]对黄河泥沙的重金属质量分数进行了测量，发现黄河泥沙的平均pH在6.5～7.5，造成泥沙污染风险的元素主要为Cd，Hg，As，Pb，Cr，Cu，Ni和Zn。根据表2可知，黄河泥沙的毒性均低于《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)以及《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)的要求。可见，2者存在绿色协同性。

(5)经济协同。黄河泥沙用于矿区生态修复后，黄河可减少清淤、占地等的费用(假定A)，矿区可节约购买土壤的费用(假定B)，2者协同过程中发生的是从取沙到生态修复的工程费用(假定C)。若从A，B，C优选出经济可行的方案，黄河泥沙可以和矿

表2 黄河泥沙重金属质量分数对比

区生态修复实现经济协同。

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(图3)。

2.1 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(图4)。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。

图3 黄河泥沙与矿区生态环境协同治理技术方法Fig.3 Technology of coordinating treatment between river sediment and eco-environment of mining areas

图4 取—输—用沙关键因素耦合关系Fig.4 Coupling relationship among taking,transportation and utilization of river sediment

2.2 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。

(1)取沙位置优选。充分考虑泥沙材质的空间差异性、季节约束(不同季节对于取沙干滩、湿滩不同)、构筑物约束(如堤坝附近不允许取沙)、取沙方式约束、取水许可等，优选取沙位置，同时应综合考虑泥沙供需量和输沙距离2个因素。适宜采用黄河泥沙生态修复的近距离矿区有包头、义马、焦作、郑州、肥城、黄河北、淄博，中远距离矿区有乌海、平顶山、晋城、鹤壁、新汶，各矿区总需沙量和需调用水量分别为 90.19×10和148.81×10t，各矿区概略输沙路径长度为21.98～109.02 km。

自然灾害突发事件：自然灾害是指给人类生存带来危害或损害人类生活环境的自然现象。例如：火灾、地震、海啸、泥石流等的自然灾害，自然灾害突发状况有部分是可提前预知的，有部分为提前不可预知。旅游类志愿者在培训中也应该有所学习，在面临自然灾害突发事件时如何引导、解决与处理。

(2) 取沙质量浓度控制。根据泥沙用途、泥沙材质、输沙方式等确定。如用来做充填材料，可通过研制、改进装备来尽量加大取沙浓度。如依据黄河泥沙在河流中的流动特性，在满足动水条件下足量、持续取沙。通过水沙浓度吸取的理论分析，可利用在现有采沙泵上增设高速搅拌器、稳流集帽和弧形截沙槽的方式革新发明的“冲吸式潜沙泵+浓密器+采沙船”采沙作业平台，使取沙含沙量由现在的200 kg/m增加至400～620 kg/m，电泵效率提高13.7%。

2.3 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。

主要的传输工艺有单泵站和多泵站2种方式。一般砂浆泵、泥浆泵扬程为5～10 km，远距离输沙时需要在中间增加加压泵。如果采用隔膜泵或柱塞泵，也可以一级远距离输送，不用添加中间泵站。为防止管道磨损、淤塞，实现连续输沙，需要科学选择管道材料、直径以及压力、不淤流速等输送技术参数，直接影响安全、顺畅输送，否则容易淤塞堵管。短距离输送一般用150 mm左右管径的管道，远距离多用更大的管道，如350 mm。经测算，采用150 mm管径下的临界不淤流速为0.9～1.2 m/s，最佳经济流速为1.3～1.7 m/s，最经济合理压力为4.5 MPa，泥沙输送的经济质量浓度为253.6～570.76 kg/m。

2.4 用沙技术方法

由前所述，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。

..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。

(1)固结排水技术。泥沙浆体材料到达矿区待复垦土地后，由于携带大量水分，排水固结就是首先要解决的问题。尽快排水是一个总的要求，但由于浆体悬浮质含有较高营养的细颗粒，不易沉淀、极易排出，因此，采用加长距离、添加絮凝剂、延时排水等措施加快细颗粒泥沙沉淀是首要途径。

从前期的泥浆泵充填复垦技术和相似案例可知，采用传统沟堰排水方式泥沙排水固结时间长，且泥沙中的黏粒易随水流失，导致充填复垦耕地长时间不能使用，质量差。针对这一问题，笔者所在团队基于土工布保土性、透水性以及防淤堵原则，提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(图5)。

图5 强化充填固结排水方法示意Fig.5 Sketch map of draining water for consolidation of filled river sediment

条带长度：=[1-()]

(1)

条带宽度：=()

(2)

式中，，为充填条带出、进口含沙量，kg/m；为泥沙平均沉降速度，cm/s；为泥沙沉降距离，m；为充填条带内水流平均流速，m/s；为充填条带内平均水深，m；为大于1.0的紊动影响系数，取1.2～1.5；为充填条带宽度，m；为充填条带内含沙水流流入量，m/s；为充填条带平均深度，m。

为了使泥沙充分沉淀，一般取充填条带的长度为泥沙沉降距离的2～3倍，但也不宜过长，以免带来颗粒的自然分选问题。

通过多次试验，提出了排水沟断面宽×高为60 cm×80 cm的条件下使用便于更换的针刺无纺250～300 g双土工布排水结构，在排出水中由输入的254.81 μm减小到18.75 μm，并在有效截留水沙中泥沙颗粒的同时，缩短泥沙固结时间50%以上，提高充填材料中粉粒含量近1倍。

(2)土壤剖面结构。黄河泥沙存在保水保肥性差、养分含量低等多种障碍因素，为克服这些障碍因素，充分发挥黄河泥沙在充填复垦中的补充和辅助作用，依据“分层剥离、交错回填”的土壤重构原理，研究团队采用“表土与心土分层剥离、泥沙与心土交错回填”的方法，将土壤层与黄河泥沙充填层进行有次序的组合重构，形成类似五花肉的“夹层式”多层土壤剖面结构(图6)，从而改善土壤剖面的水分和养分运移特征，实现构造可供植物生长的高质量土壤剖面的目的。该剖面的核心是土壤关键层，如表土层、充填夹层等，它对土壤性质和植物生长起重要作用。由于不同区域黄河泥沙与矿区原有土壤的理化性质不同，土壤剖面的结构也有所差异。可通过调整关键层的位置、厚度等确定最优的土壤剖面。

图6 夹层式土壤剖面结构作用机理示意Fig.6 Schematic diagram of the mechanism of the Yellow River sediment as a filling material

(3)施工工艺。施工的目的是实现土壤剖面结构，使土地达到可供利用状态。为实现“夹层式”土壤剖面结构，团队解决了多次充填、多次土壤回填导致管道输沙连续作业难的问题，基于施工功效分析和泥沙排水固结试验，创建了间隔条带交替式多层多次充填施工工艺(图7)：采用间隔条带进行表土与心土分层剥离、堆存与回填，实现土壤保质和高效施工；采用条带间交替式多次充填，在每一组充填条带之间进行交替的“充填—排水固结—回填夹层土—二次充填—二次排水固结—二次回填夹层土……”，实现连续作业。工艺的核心是确定条带间交替充填的时间衔接方案和同步交替充填的条带个数。

图7 间隔条带交替式多层多次充填工艺示意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。

有研究将煤矸石、粉煤灰、污泥等经改良后作为表土替代材料，但存在材质粒径或大或小、易出现二次污染、营养成分低等问题。黄河泥沙来源于黄土高原土壤，按其粒径可划为砂土到壤砂土，无污染，是合适的表土替代材料。

将黄河泥沙作为表土替代材料，相对于作为充填材料，对粒径要求高一些，倾向于小颗粒占比较大的壤砂土，并可能需进一步筛分、组配。具体的技术方法如图8所示。

图8 黄河泥沙用做表土替代材料技术方法示意Fig.8 Technology of utilizing river sediment as topsoil alternatives

黄河泥沙用于表土替代材料的技术方法重点是筛分出较优的泥沙，并辅助一定的改良措施。

..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。① 根据需改良土地的土壤质地确定所需泥沙的材质。② 确定取沙时机。根据不同时期黄河水中泥沙粒径分布规律，计算悬移质混入土壤中土质的改良情况，应以混合土壤粘粒总含量≥25%为界；同时分析不同时机、不同位置悬移质的营养成分含量，选择最有营养的悬移质。③ 引水。利用泥浆泵吸取黄河水将悬移质含量较高的黄河水引入待改良土地的区域。④ 灌溉与沉淀。含悬移质的黄河水采用漫灌方式灌溉待改良的土地，经自然沉淀达到改良土壤目的。

图9 黄河泥沙用做改良材料技术方法示意Fig.9 Technology of utilizing river sediment as soil improving materials

(2)混配改良。① 引水沉淀。确定所需泥沙材质、确定取沙时机、引水等与上述相同，当黄河水引至待改良区域后，先沉淀(图9中路线②)。② 表土剥离。剥离待改良区的表土堆存至指定区域。③ 心土剥离。剥离待改良区的心土堆存至不与表土混合的区域，剥离范围依据植物的根系生长范围。④ 配比优化。将黄河泥沙与质地厚重的表土与心土按照壤土标准或植物生长标准进行充分混合。⑤ 回填整平。将表土与心土按照空间次序回填至指定标高，最后对片区进行整平。

3 协同治理案例分析

3.1 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5.5 km，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200 mm的橡胶软管，水沙流速为1.162 m/s，进口处泥沙浓度为200 kg/m。土壤剖面采用夹层式，复垦条带划分尺寸为长240 m、宽8 m。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。

本次充填在排走沉陷区的积水后，优选出条带间交替充填的时间衔接方案和同步交替充填的条带个数，对充填区进行充填条带划分以及表土与心土的剥离、堆放。结合取沙位置及泥沙浓度分析结果，确定采用泥浆泵高压水枪组合接力施工方法进行引黄河泥沙充填复垦，待泥沙被管道输送到已划分的复垦条带后，在条带末端设置溢流堰的排水口，并增设土工布拦截泥沙。然后对其他待交替充填的各个条带依次进行交替充填、排水固结、回填心土、再充填、回填心土等多次充填、回填心土的操作，最终形成“土壤层+充填层+夹层+充填层……”的夹层式多层土壤剖面构型，以克服黄河泥沙作为充填材料因质地粗糙导致的漏水漏肥现象。黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地工作完成后，又以小麦和玉米为宿主植物进行了野外种植实验，对黄河泥沙充填复垦效果进行验证。通过对2016年6月小麦、2016年9月玉米、2017年6月小麦、2017年9月玉米及2018年6月小麦的千粒质量和产量分析可知，对于同样土壤厚度，夹层式土壤剖面构型较传统上土下沙双层土壤剖面构型的千粒重和产量大，甚至有个别剖面的产量高出对照处理。

3.2 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1站，黄河穿城而过，流经市区105 km。乌海市也是重要的煤炭基地，在海勃湾、乌达、海南3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。

图10 黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地示意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 km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1 076 m水位下库容为2.91亿m，比2019年11月实测库容减少0.05亿m(库容差法)，比原始库容减少1.957亿m(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。设计技术方案如图11所示。

图11 乌海市“湖光山色”环境综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)乌海湖清淤取沙。拟采用搅吸式挖沙船或泥浆泵取沙。经过调查分析，乌海湖淤积泥沙不同位置的泥沙质地(粒级)不同，有的细、有的粗，有的甚至就是黏土，为此需要研究不同质地泥沙分质挖取的技术。

(2)管道输沙。采用管道长距离输沙的方式进行泥沙运输。由于海勃湾矿区与乌海湖中间横隔着甘德尔山，因此，需要绕道铺设管道，设计了一个12.3 km 的主管道到达甘德尔山北边缘，然后再向各个采区或矿区设立分支管道，如向卡布其采区、骆驼山采区和摩尔沟采区分别布设5.76，13.85和14.32 km的支管。为解决长距离和高落差的传输难题，采用一级柱塞泵或多级离心泵的方式进行长距离传输。

(3)矿山生态修复用沙。由于泥沙在起动、悬浮、输移与沉降的过程中,因粒径不同而表现出各异的运动状态，泥沙的静水沉降速度与粒径大小成反比，粗沙沉速快，细沙沉速慢。水温为20 ℃时，粗沙 (=0.05 mm)沉速为2.23 mm/s，是中沙(=0.025 mm)沉速的4倍，是细沙(=0.015 mm)沉速的11倍。沉速的差异决定了沉降时间的长短，粗沙比细沙沉降时间短很多，因此，泥沙传输到矿区后，可建设多级沉沙池加快固结排水，实现不同粒级的泥沙分离。鉴于乌海地区气候干燥，且生态修复以草地为主，需要加强表层土的保水能力，初步设计将粒级较大的泥沙作为生态修复区的底层用土，将粒级较小的泥沙作为生态修复区的表土材料，也可以进行不同粒级泥沙的组配。由于黄河泥沙在乌海矿区生态修复中主要作为覆盖表层30～50 cm的植物生长介质材料，将采取抑制风蚀扬沙和快速恢复植被的各种技术措施。上述方案可以达到乌海湖的泥沙清淤和乌海市矿区生态环境修复的协同治理。

4 结论与展望

(1)从供需、空间位置、材质、政策、经济等5个方面分析，黄河泥沙与矿区生态环境可以实现协同治理。

(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。

论文在撰写过程中得到了陈洋、宋德云、刘金兰等同学的帮助，在此一并表示感谢。

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