水库清淤物处置原则研究及综合利用实践案例

李志晶，姚仕明，杨绪海，金中武，周银军

(长江水利委员会长江科学院，430012，武汉)

一、研究现状

水库泥沙淤积导致防洪兴利库容减少，缩短水库使用寿命，降低水库综合效益，已成为广泛关注且一时难以妥善解决的世界性难题。据统计，全球大型水库的泥沙淤积导致库容损失约0.8%，约损失600亿m3库容，而我国大型水库年均库容淤损率达2.3%，高于世界平均水平。其中，长江流域水库约5.2万座，总库容约4100 亿m3，库容年淤损率为0.6%～0.8%，相当于每年损失库容20亿m3以上。

为此，国内外学者针对水库清淤及排沙减淤开展了大量研究，主要包括水库清淤的工艺、技术及其特点、适用范围、优缺点等，以及采用数学模型和物理实验等手段研究水库排沙的评估指标、泥沙监测手段和实施途径。尽管如此，水库清淤技术及效率仍然面临重重困难与挑战，如存在排沙效率低、造价及运行成本高、操作不慎易导致库区二次污染、水库清淤物如何处置等问题。同时，泥沙作为一种自然资源，具有一定的社会、生态和经济价值，合理利用可有效缓解当前砂石资源短缺的问题。

针对水库清淤物的处置及综合利用问题，江会昌等通过建立BOT（build-operate-transfer）模式处理三峡库区淤积泥沙，分析了企业的静态投资回收期；陈吟等结合实践经验指出了水库泥沙资源化的可实现途径；杨会臣和王培综述了底泥处理及资源化利用技术，指出了未来淤泥资源化利用的主要发展方向；陈晓东对红崖山水库清淤及清淤料进行综合利用设计，并成功应用于红崖山水库加高扩建工程，技术方案实施效果良好。尽管如此，现有研究对水库清淤物的处置原则、处置要求及综合利用等涉及较少，且缺乏水库清淤物的相关处置标准和控制指标。针对上述问题，本文提出水库清淤物“三化”处置原则，为水库库容管理规范化建设提供参考借鉴。

二、研究水库清淤物处置原则的思路

目前，国内针对固体废弃物的污染防治，已有相当完善的处理方式及标准要求，即固体废弃物处置必须遵循“三化”处理的原则导向。首先是无害化，通过适当的技术手段（如热解、分离、焚烧、生化分解等）对废弃物进行处理，使其不对环境产生污染，不对人体健康产生影响；其次是减量化，通过采取适当的技术手段，不仅减少固体废弃物的产生量，还尽可能减少其种类，降低危险废弃物中有害成分的浓度，减轻或清除其危害特性等；最后是资源化，采取各种管理和技术措施，使废弃物经过处理后可直接变成产品，或转化为可供再次利用的二次原料，这样不但减轻了固废的危害，还可以节约资源，同时获得经济效益。

对于水库清淤物而言，可以参照固体废弃物“三化”处理模式，去除有害元素和污染成分，同时保留有机成分，这样既能实现水库清淤物的资源化利用，也能充分发挥清淤物的经济价值。基于此，本文借鉴固体废弃物“三化”处理原则，初步提出水库清淤物处置及综合利用的实施途径及控制指标。

三、水库清淤物处置原则及利用控制指标

水库清淤物处置及利用应遵循因地制宜、经济合理、安全环保、科学有序的原则，依据技术可行性和成熟度，采用多种形式进行资源化利用。清淤物处置及利用的“三化”原则主要包括水库清淤物的无害化处理、减量化处理、资源化利用。

1.无害化处理

对于含污染成分的水库清淤物应进行无害化处理，处理前应对清淤物进行污染成分分析，以确定相应的处理方法。对于含污染成分的清淤物，可采用沉淀池、水力旋流器和筛分装置等物理分离措施进行预处理，以减少清淤物的污染成分，改善其物理性质。经过预处理后，再采用化学工艺、生物工艺、热工艺和固定工艺等进一步降低、去除或固定清淤物中的污染物。

除污达标的清淤物可进行堆置、填埋、转运、排放或资源化利用，堆置或填埋处理应满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）和《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》（GB 18599—2020）的相关要求。清淤物无害化处理产生的余水可采用物理法、化学法、物理化学综合法或生物法进行处理，且余水处理效果宜进行第三方评估，满足《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）中二级标准相关要求，方可进行排放。当排放补入河道时，可能会对周围环境和水域造成二次污染或地下水水位升高等不良影响，应采取工程或非工程措施进行防范。目前没有余水排放的统一标准，其排放标准由当地环保部门根据受纳水体的水质情况和水质目标自行制定。

2.减量化处理

针对不同状态下的清淤物，应结合场地、河道等现场条件分析堆置、填埋、转运的可行性，采取相应的减量化处置方式。

对于非流动状态的清淤物，可采取自然晾晒、井点降水、插排水板、真空降水等措施降低含水率，然后采用碾压、强夯、真空预压、堆载等压密方式进行物理固结，也可采用添加材料改性的方式进行化学固结。而对于流动状态的清淤物，在用地宽松、工期要求不高的情况下，可通过重力沉淀、表水溢流、表层晾晒、软基处理等方法进行处理；在用地紧张、工期较短的情况下，可采取机械脱水或化学固化处理。

清淤物脱水应根据处置利用方式和条件合理确定含水率，以满足运输和填埋要求，或进一步综合利用。对于脱水后含水率不超过80%且有机质含量高的清淤物，可用高压泵送的方式直接投加到热电厂、垃圾焚烧厂等锅炉炉膛内焚烧。通过对国内应用这种方式的企业（如宁波明耀环保热电厂、南京协鑫热电厂等）调研论证，燃料中淤积泥沙比例一般不超过20%。

3.资源化利用

清淤物的资源化利用应综合考虑其粒径组成、有机质含量等物理化学特性和区域资源化利用需求，根据技术可行性、经济可行性和生态环保可行性等因素，选择不同的资源化利用方式，主要包括农林业利用、工程回填利用、建筑材料利用等。

（1）用于绿化种植土

受水流悬移质细颗粒泥沙（粒径小于0.1 mm）吸附作用的影响，清淤物含有丰富的矿物元素和有机质，这对于改良土壤、改善土质、提高农（林）作物产量具有重要意义，同时必然会吸附少量污染物和重金属元素，对水质和水环境造成一定污染。因此，对于无害化处理后含泥量较多且有机质含量不低于一定阈值的清淤物，可用于土壤改良和农（林）作物种植。

为此，基于固体废弃物及污染物处理标准，参考《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）和《绿化种植土壤》（CJ/T 340—2011）中相关限值要求，并结合三峡和陆水水库清淤及资源化利用实践，重点考虑重金属含量、酸碱性、电导率、有机质含量、渗入率、种子发芽指数等指标，提出了清淤物用于绿化种植土的控制指标及限值，如表1所示。

表1 清淤物用于绿化种植土的控制指标

（2）用于建筑材料

受库区沿程河道水力特性和水流分选的影响，粗颗粒砂石（粒径大于2.0 mm）等推移质往往沉积于库尾，而悬移质粗颗粒泥沙（粒径0.1～2.0 mm）一般沉积于库区和坝前。砂卵石和清淤泥沙经过一定生产工艺和添加特定原料，可生产制造建筑用砖、混凝土砌块、高级玻璃、建筑陶瓷等，也可作为性能优良的建筑材料和混凝土原料。因此，无害化处理后的清淤物可用于建设房屋、道路、桥梁、大坝等工程。

为此，基于建筑材料规范标准，参考《建设用砂》（GB/T 14684—2022）和《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2022），并结合沙湾水库清淤及资源化利用实践，充分考虑重金属含量、酸碱性、含水率、有机质含量等指标，提出清淤物用于制砖、陶粒、水泥熟料添加等建筑材料的控制指标及限值，如表2所示。

表2 清淤物用于建筑材料的控制指标

（3）用于工程回填或防渗

库区坝前淤积物的泥沙组成主要为粉细沙和淤泥质粉土，以沙粒（粒径0.062～2.0 mm）与粉粒（粒径0.004～0.062 mm）为主，含少量黏粒（粒径小于0.004 mm）。对于以粉细沙和淤泥粉土为主的清淤物，还可用于工程回填或坝体加高培厚的防渗材料。

为此，基于水工建筑物土方回填规范和堤防工程技术规范，参考《河湖淤泥固化土资源化利用技术导则》（T/GDAEPI 10—2022），结合沙湾水库清淤及资源化利用实践，充分考虑重金属含量、酸碱性、含水率、有机质含量等指标，提出了清淤物用于工程回填利用材料的控制指标及限值，如表3所示。

表3 清淤物用于工程回填的控制指标

四、沙湾水库清淤物处置及综合利用实践案例

1.沙湾水库基本情况

位于四川省乐山市大渡河下游的沙湾水库于2008年12月截流，2010年开始蓄水运用。截至2019年年底，沙湾水库正常蓄水位以下库容损失约1200万m3，损失率约25%，坝前约4.0 km范围内泥沙淤积最大厚度达9.17 m，累积平均淤厚5.27 m。滩槽均呈不同程度淤积态势，边滩局部最大淤积厚度约为12.0 m，主槽局部最大淤积厚度约为5.0 m。沙湾水库防洪及调节库容逐步减小，特别是有效库容淤损，显著降低了水库的防洪能力，严重限制了水库的发电效益，深刻影响了水质和水生态环境。

2.水库清淤处置方案及综合利用对策

基于沙湾水库淤积现状，经过对库区可清淤区域的泥沙淤积勘察及分析，明确了沙湾库区的清淤泥沙量以及不同组分含量，对沙湾库区实施生态清淤工程。主要是对坝前1.5～3.2 km范围实施清淤，清淤面积为51.22万m2，清淤总量为103.26万m3，平均清淤厚度为2.01 m。

沙湾库区典型断面不同深度的泥沙取样分析结果（见表4）表明，库区淤积泥沙样品土体密度较为稳定，总体处于2.73～2.74 g/cm3之间。清淤泥沙以中细砂为主，同时含有少量较细泥沙组分，近坝址区域（距坝址约465 m处）含泥量相对较高，为13.0%～15.5%。随距坝里程增大，含泥量显著减小，距离坝址1350～2760 m处含泥量仅为3.8%～6.2%。

表4 沙湾水库典型断面钻探取样筛分试验结果

沙湾水库清淤泥沙的各项物化检测结果（见表5）表明：库区泥沙的富含元素及成分含量中，镉、汞、砷、铅、铜、镍等金属元素的含量均在“三化”处理及利用的控制指标范围内，有机质含量也满足资源化综合利用的要求，不同深度下的pH 值均为8.8。经综合检测鉴定分析，沙湾库区的清淤泥沙由于pH值略大，有机质含量偏小，不可用于绿化种植土，采取减量化处理降低含水率后，可用于建设用砂和回填土，支持和保障防洪工程、道路工程等工程建设。

表5 沙湾水库不同深度下泥沙的物化特性检测指标及结果

3.清淤物“三化”处理实践及成效

沙湾水库的清淤物成分及含量已达到无害化控制指标，经余水处理和减量化处理降低含水率（＜40%）后，清淤泥沙量共计约103.26 万m3。其中，粒径组成≥0.1 mm的泥沙总量约为96.03万m3，占清淤总量比例为93%，粒径组成＜0.1 mm 的泥沙总量约为7.23万m3，占比7%。粗砂和细砂均已符合“三化”处理控制标准，针对性提出了不同级配的泥沙资源化利用方案，均已获批实施。

对于粒径≥0.1mm的较粗泥沙，一方面用于沙湾库区葫芦堤防防洪工程的混凝土粗、细骨料以及填筑料，建设堤防工程总长5384.34 m；另一方面定向用于高速公路、省道等重点项目的建设，有效满足了沙湾区及周边区域经济社会建设对于砂石料的需求。

对于粒径＜0.1 mm的较细泥沙，用于沙湾区沫东村附近和嘉华村附近的造地回填，造地面积合计599.80亩（1亩=1/15 hm2），回填平均厚度分别为2.9 m和3.1 m，基本将库区清淤泥沙中的细颗粒泥沙充分利用。

清淤泥沙的资源化利用有力促进了乐山沙湾区经济社会建设发展，有效提高了水库清淤物的资源化利用率，显著改善了当地的自然生态环境，大力推动了当地旅游业发展和新农村建设。虽然利用过程中由于砂石加工系统、含油污水和混凝土拌和、砂石料粉碎等可能对区域水质和空气环境产生一定影响，但是通过严格的管理和相应的保护措施，均有效控制了对环境的影响。

五、结 论

基于固废“三化”处理原则，分析了水库清淤物处置及综合利用的控制指标及限值要求，主要为无害化处理、减量化处理、资源化利用。含污染成分的清淤物应进行无害化处理，且余水处理达标后方可进行排放。减量化处理应充分考虑清淤物的不同流动状态以及场地、河道等现场条件。资源化利用应综合考虑清淤物粒径组成、有机质含量等物化特性和利用控制标准，当参数指标满足一定阈值范围，可分别用于绿化种植土、建筑材料和工程回填，该原则及资源化利用标准成功应用于沙湾水库并取得了良好成效。