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黄河排水排沙20年,三门峡水库成“沙库”,库区泥沙有何价值?

2022-09-29 21:13:36 3223

摘要:河流泥沙的淤积与处理是一项世界性难题,尤其是像黄河这样的世界级长河,泥沙淤积的规模更大,淤积河段更长,治理的难度也更大。随着黄河生态修复项目的开展,黄河高原的水土流失得到了有效遏制,“减沙”效果显著。以潼关水文站为例,该站在2000~201...

河流泥沙的淤积与处理是一项世界性难题,尤其是像黄河这样的世界级长河,泥沙淤积的规模更大,淤积河段更长,治理的难度也更大。

随着黄河生态修复项目的开展,黄河高原的水土流失得到了有效遏制,“减沙”效果显著。以潼关水文站为例,该站在2000~2019年测得的年均输沙量下降到了2.4亿吨,和1919~1960年的16亿吨相比减少了85%。即便如此,黄河的泥沙隐患仍未彻底根除,潼关高程依然影响着渭河行洪。

为治理黄河泥沙,我国目前的主流方案是运用小浪底水利枢纽,联合三门峡、龙羊峡等水库实施调水调沙,取得了显著的效果。近年来,一些新的模式也在开发当中,黄河泥沙的资源价值日益受到重视,开采和利用进入了新阶段。

黄河排水排沙20年,三门峡水库成“沙库”

三门峡大坝建成于1961年4月,是我国在黄河干流上修建的第一座控制型大坝,因此也被称为“万里黄河第一坝”。作为国家级水利枢纽,大坝采用混凝土全坝浇筑方案,坝高106米,坝顶高程353米,设计总库容为345亿立方米。下闸蓄水后,三门峡库区确实产生了重要的防洪、供水、灌溉效益,还成了早期治黄体系中的核心部分。

由于当时我国的泥沙学科建设水平并不高,国内的水坝设计专家在应对黄河的泥沙问题上缺少经验,没有充分意识到黄河水沙的矛盾性(水少沙多,关系不协调),这也给后来潼关高程的升高埋下了隐患。

1961~1964年,三门峡水库正式投入运用,但拦沙初期每年的入沙量却达到了惊人的9.38亿~24.5亿吨,严重超出设计预期,导致泥沙淤积快速上延。就在这一时期,潼关高程异常升高,由323米急剧升高到了328米左右,至今仍在高位波动。在三门峡库区内,泥沙淤积导致河床普遍升高,过洪能力随之下降,最终威胁到了黄河最大支流——渭河在汛期的行洪安全。

1950-2020年,潼关高程变化示意图

时至今日,潼关高程依然是影响三门峡水库运行的“要害”:为减缓潼关高程进一步升高,三门峡水库的蓄水应用受到了极大限制(若加大蓄水量,库区水流的速度就会变慢,泥沙淤积会更严重),难以给下游的小浪底水库提供充足的冲沙用水。

三门峡大坝

为排出库区内多余的泥沙,我国在2000年前后总结出了“拦、排、放、调、挖”的综合治黄方案。其中,“调”指的是调水调沙,正常年份下在6~7月实施一次,每次持续20天左右;“挖”指的就是人工挖沙,变被动为主动,黄河泥沙的资源属性也正是在这一时期受到重视。

黄河的泥沙,到底有哪些用途?

辩证来看,黄河的泥沙具有两面性:既是隐患,又是财富,关键是要看怎么用。

根据粒径大小的不同,泥沙可以分成不同的粒径等级,分别对应着不同的用途。《河流泥沙颗粒分析规程》(SL 42-2010)显示,粒径位于0.062~2毫米之间的属于砂粒,包括粗砂、中砂和细砂,经济价值巨大。特别是近几年,我国的砂石资源几度出现短缺状况,若能充分利用水库淤沙、疏浚沙,无疑将缓解资源压力,起到变废为宝的效果。

值得一提的是,黄河的泥沙还有作为优良砂源的潜质。经过常年累月的冲刷洗涤,黄河泥沙的pH值适中,粒径多在0.25~0.15毫米之间,而且表面清洁,光润圆滑,不存在氯盐超标的问题。经过分选之后,这些泥沙大有用武之地。

在三门峡水库的库尾,泥沙的分选粒径最大,可直接用作混凝土的粗骨料;在靠近大坝一侧,沙质细腻均匀,这部分细沙可以和常规的建筑用砂掺混,通过丰富混凝土的骨料级配以提高建材强度,从而降低建材的经济成本。

无论是粗泥沙还是细泥沙,转型后的利用范围都非常广阔,不仅可用作传统的建筑用砖,还可用作高端的装饰材料、型砂,甚至是微晶玻璃等等。

除了建材领域,黄河的泥沙在其他领域也具有重要的价值。

首先,可用于黄河大堤的防洪建设。

黄河与长江不同,前者在汛期面临着更加严峻的防洪任务,水量大而汹涌,而且下游河段的过洪能力更低(极限过洪能力为5000m³/s左右)。因此,黄河的堤坝建设极为重要,而黄河泥沙正是天然的加固材料,通过疏浚吹填还可起到加深河槽、建设航道的作用,可谓一举多得。

其次,可用于环境修复。在山西、陕西等地,煤矿开采是重要的支柱型产业。但采矿也会导致大面积的土石裸露,加剧水土流失和荒漠化进程,所以开采之后需要重新回填。黄河泥沙则可以充当回填材料,通过优化填充材料的配比,就能有效改善矿区的生态环境。

最后,还可用于促进农业生产。黄河泥层深厚,含有丰富的有机质,可用于改良荒漠盐碱地,增加农业用地面积。在沟壑地带,泥沙还可用于填充造地,固沙宝肥;通过泥沙的土壤质地重构改良技术,还能有效提高单产——在河南、山东等地,该技术已进行试点,平均亩产量可增加20%以上。

山东盐碱地变农田

总之,黄河泥沙具有巨大的利用和开发价值。但在利用层面上,我国目前尚未实现规模化、产业化的利用,开发技术和装备相对不成熟,在未来有望逐步改善。

三门峡水库:抽沙清淤进入正轨?

截至2020年,黄河下游河道通过调水调沙累计清除了22亿吨泥沙,但这不会改变“黄河仍是一条多沙河流”的事实。目前,黄河的年均输沙量维持在5亿吨左右,仅凭水库拦沙、排沙难以满足泥沙的综合利用需求,有必要通过“新途径”加大开发力度。

2022年年初,三门峡水库迎来了治沙“新气象”。在1月19日,由中交疏浚集团研制的特制型“浚河007号”绞吸挖泥船在三门峡库区内下水,顺利执行了水库清淤试验任务。

该挖泥船的船身长度为45米,宽8.2米,总功率为1900kw,平均每小时的抽沙流量可达4500m³,正常情况下每月能清除40万m³的泥沙。据介绍,该疏浚船抽取的泥沙主要用于:填平周边的黄土冲沟矿坑、改良土地、新增耕地等等,这将为三门峡的区域发展作出直接贡献。

可以说,本次清淤试验对于黄河的泥沙管理具有里程碑式的意义,说明资源的综合利用付诸了实践。相信随着经验的不断积累,河南、山西、陕西、山东等沿黄省区还能探索出新的、行之有效的利用方式。

也有网友指出,既然黄河的泥沙隐患仍在,那为何不让我国的抽沙神器“天鲲号”去治理黄河呢?

不可否认,单论抽沙能力,“天鲲号”在国内确实首屈一指。“天鲲号”绞吸船全长140米,宽27.8米,最大挖深35米,平均每小时能挖泥6000方。曾有人做过相关计算,按照黄河年均输沙5亿吨的水平来算,“天鲲号”至少需要花费5.6年才能把黄河1年内输送的泥沙抽尽。

所以用“天鲲号”抽沙,黄河中的泥沙依然会增多。再从现实层面来看,“天鲲号”设计的吃水深度为6.5米,在黄河中的吃水深度不会低于4.4米,而黄河下游的实际水深一般只有1米左右,难以保障“天鲲号”的基本通行。

即便“天鲲号”从渤海一路向上游挖去,半路还将遇到小浪底大坝的阻拦。因此,“天鲲号”无法进入淤沙最严重的库区内,更无法对潼关高程产生作用。理论上,“天鲲号”的作业范围仅限于小浪底大坝以下河段,但实际上,这一河段淤沙的最佳处理方式仍是调水调沙工程(省时省力,效率高)。

根据水文监测结果,从2002~2021年,黄河小浪底-利津段的河床呈下降趋势,河床高程平均降低了2.6米,这意味下游河槽、河势正趋于稳定。只要调水调沙能坚持运用,“二级悬河”的风险就能持续降低。从这一角度来看,其实也没有动用“天鲲号”的必要,常规的疏浚任务通过中小型绞吸船就能完成。

对于黄河泥沙的利用,您怎么看?欢迎留言讨论!

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