何京麗 ，張三紅 ，崔 崴 ，郭建英 ，母吉君 ，陳全才 ，張 俊

（1.水利部牧區(qū)水利科學研究所,010010，呼和浩特；2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)管理總局，015000，臨河；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市水保站,015000，臨河；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣水務局，015200，巴彥高勒）

一、基本情況

1.區(qū)域概況

黃河內(nèi)蒙古段穿行于我國北方干旱向半干旱地區(qū)的過渡地帶。區(qū)域內(nèi)干旱少雨，且大風頻繁，兩岸的風沙活動強烈，直接進入黃河，大量增加黃河的泥沙量。其中烏蘭布和沙漠位于黃河內(nèi)蒙古段 （烏海—磴口）西岸，此處沙漠化發(fā)展強烈，沙丘密集高大，沙丘鏈高為 7～20m，最高達65 m，植被稀少，目前已有50km左右的流動沙丘直接侵入黃河河道。

烏蘭布和沙漠沿黃段位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市烏達區(qū)與巴彥淖爾市磴口縣之間，右與鄂爾多斯市杭錦旗相鄰。該區(qū)氣候干燥，雨量稀少，多年平均年降水量142.7mm，年平均氣溫8.0℃，風沙頻繁，地表風蝕強烈，年平均風速3.7 m/s，大風和風沙一年四季均有出現(xiàn)，以3—5月最多，風向多為西北風，多年平均大風日數(shù)10～32d，多年平均揚沙日數(shù) 75～79d，沙塵暴日數(shù)19～22d，屬于典型的中溫帶大陸性干旱季風氣候。

2.風積沙的危害

黃河沿岸烏蘭布和沙漠流動沙丘延綿不斷，大部分為新月形流動沙丘，呈西北高東南低，整個地勢傾向黃河。且地勢傾向與主風方向相同，致使大量風積沙直接向黃河傾瀉，風積沙入黃以粗沙（大于0.1mm）為主，是黃河粗沙的重要策源地。據(jù)當?shù)赜嘘P人士推測，烏蘭布和沙漠每年直接輸入黃河的泥沙為2800萬～6000萬t，是單位長度內(nèi)使黃河水含沙量增幅最大的地區(qū)之一。

黃河泥沙含量的劇增，使黃河河床淤積抬高速度加快，造成烏蘭布和沙漠沿黃劉拐子沙頭段20 km黃河主流擺動，河岸崩塌，沖毀農(nóng)田和林地，對下游三盛公黃河樞紐工程和其他水利工程構成嚴重威脅。河道淤積造成同水位下過流量不斷減少，形成“地上懸河”，對當?shù)胤懒璺姥垂ぷ髟斐删薮髩毫Γ箖?nèi)蒙古黃河段成為防凌防汛形勢最為嚴峻的河段。烏蘭布和沙漠使河套引水總干渠遭受流沙侵襲的危害，每年用于干、支、斗、農(nóng)、毛渠的清淤費高達500萬元。河道淤積嚴重威脅人民群眾的生命財產(chǎn)安全，極大影響了當?shù)睾拖掠蔚貐^(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

3.生態(tài)現(xiàn)狀及治理經(jīng)驗

烏蘭布和沙漠地處我國西北地區(qū)荒漠半荒漠的前沿地帶，總面積為1.15萬km2，其中流動沙丘占36.9%，半固定沙丘占33.3%，固定沙丘占29.8%。黃河沿岸主要是流動沙丘。土壤以灰漠土和風沙土為主。植被以白刺和霸王構成荒漠植被的重要建群種。

多年來國家在黃河沿岸實施了生態(tài)建設工程、水土保持綜合治理工程、日元貸款風沙治理等項目，項目治理區(qū)取得了一定效果，積累了一些成功治理沙漠的經(jīng)驗，如草方格沙障、紅土壓沙、營造草灌植被帶等方法。但由于治理面積遠小于危害面積，生態(tài)治理區(qū)相互獨立，未連成片，形成許多治理空缺，加之治理過程中的不連續(xù)性和對防治措施的科技投入十分有限，使得黃河沿岸的流動沙丘沒有得到有效控制，嚴重威脅黃河河道的安全運行。

二、研究的重要性和必要性

《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》已把黃河中上游、荒漠地區(qū)典型生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測技術及黃河綜合治理納入我國今后發(fā)展和研究的重點領域；《全國水土保持科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2008—2020年）》已明確把晉陜蒙粗沙多沙區(qū)不同尺度區(qū)域水土流失分布，及其水沙調(diào)控納入我國主要土壤侵蝕區(qū)水土保持研究重點；水利部有關科技發(fā)展規(guī)劃將黃河防洪防凌減災問題、黃河水沙調(diào)控問題、水土流失問題等作為近年研究的重點內(nèi)容；當?shù)馗骷壵浅Ｖ匾朁S河沿岸的水土保持工作，將該區(qū)水土流失治理作為環(huán)境建設和改善人民生活的主要內(nèi)容，列入重要議事日程。因此，黃河內(nèi)蒙古段烏蘭布和沙漠入黃沙量監(jiān)測研究，符合國家和水利部有關科技發(fā)展規(guī)劃要求。

近年，為研究黃河上游水資源開發(fā)利用、黃河泥沙運移及治理問題，以中科院孫鴻烈院士為首的5位院士及專家一行30多人到烏蘭布和沙漠沿黃劉拐子沙頭段實地考察了風沙入黃情況和監(jiān)測治理現(xiàn)狀；國務院為出臺《關于促進內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟社會又好又快發(fā)展若干意見》作準備，由國家發(fā)改委牽頭組成的國家聯(lián)合調(diào)研生態(tài)組，對烏蘭布和沙漠沿黃段的監(jiān)測治理進行專題調(diào)研；專家及各級領導一致認為在烏蘭布和沙漠黃河沿岸開展風積沙入黃監(jiān)測研究的科學意義重大。

開展烏蘭布和沙漠沿黃段水土流失監(jiān)測是綜合治理工作的基礎，能及時、準確、全面地反映水土保持生態(tài)建設情況、水土流失動態(tài)及其發(fā)展趨勢，為水土流失防治、監(jiān)督和管理決策服務，為國家生態(tài)建設提供科學依據(jù)。長期以來由于缺乏先進的監(jiān)測設備與科學技術的支撐，致使烏蘭布和沙漠黃河沿岸段風積沙入黃量的估算結果說法不一，從0.28億m3/a至0.60億m3/a，數(shù)據(jù)相差太大,嚴重影響了各級政府和部門的防治決策。因此，開展黃河內(nèi)蒙古段烏蘭布和沙漠入黃沙量監(jiān)測研究，可全面了解和掌握烏蘭布和沙漠黃河沿岸風沙流的運移特征、沙丘移動規(guī)律和精確估算入黃風積沙量，將為研究黃河泥沙問題、維持黃河健康生命、不斷完善黃河沿岸綜合防護體系提供科學的決策依據(jù)。

三、監(jiān)測研究內(nèi)容及初步結果分析

1.監(jiān)測研究內(nèi)容

本項監(jiān)測研究在廣泛收集、整理、分析該區(qū)基礎資料和相關研究成果的基礎上，針對烏蘭布和沙漠黃河（烏?！憧诙危┭匕讹L積沙入黃淤積河道的現(xiàn)象，對黃河沿岸流動沙丘的風沙流結構、輸沙率與風速及高度的相關關系、風沙運移規(guī)律、風積沙入黃量、沙丘移動速度、河岸坍塌速度、坍塌量等，進行量化的監(jiān)測研究，探討烏蘭布和沙漠風積沙入黃的危害，以期為黃河（烏?！憧诙危┘跋掠螏靺^(qū)淤積防治提供科學的基礎數(shù)據(jù)。

本項目采用的監(jiān)測設備主要有自動氣象站用于統(tǒng)計不同時間段的風速、風向、沙丘表層土壤含水量；全方位定點集沙儀、全方位沙粒躍移梯度集沙儀測定不同方位和不同高度的積沙量；觀測樁布設于流沙侵入河道的典型地區(qū)，每隔20～30m布設一對，總長2650m，依據(jù)汛期和風沙活動的強度，定期測量沙丘的向前推移距離和河道水位的變化；通過三維激光地貌掃描儀精準掃描，生成項目區(qū)地形的點云圖及DEM圖，監(jiān)測該區(qū)域不同時期地形的變化情況，并可精確計算不同時期監(jiān)測區(qū)域的土方量變化以及流動沙丘向河道推動距離；同時結合遙感影像資料分析多年黃河沿岸流動沙丘直接接觸河道的有效長度及河岸坍塌的變化情況。

2.初步監(jiān)測結果分析

烏蘭布和沙漠黃河沿岸風積沙入黃主要表現(xiàn)為沙丘前移、風沙流及岸邊坍塌三種形式。根據(jù)2010年5—6月對黃河流拐子沙頭段風沙觀測場的野外觀測，當氣象站高度（2m）風速達到5.3m/s時，流動沙丘表面即可起沙。

①測樁法監(jiān)測結果分析。通過對沙漠沿黃段2650m斷面布設觀測樁監(jiān)測，每隔2 m測一個沙丘垂直斷面的水平向前移動距離，經(jīng)對2010年5—6月11503個觀測數(shù)據(jù)的分析，沙丘向黃河沿岸推進的最大水平距離為9.66m，平均推進3.78m。

②三維激光掃描儀監(jiān)測結果分析。與傳統(tǒng)測量技術的單點獲取方式不同，地面三維激光掃描是從水平到垂直的全自動高精度步進式掃描測量，通過不同站點的連續(xù)掃描，可以得到完整的、全面的三維空間信息，滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應用需要。本文利用三維激光掃描儀對黃河沿岸23.96萬km2的地形于2010年5月和6月兩次進行了掃描，由后處理軟件對采集的點云和影像數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成絕對坐標系中的模型，生成DEM圖。經(jīng)對黃河沿岸1244.56 m流動沙丘的分析，風積沙5—6月份進入黃河河道的沙量為36.29萬t，沙丘平均向前移動3.94 m，與用測樁法監(jiān)測的結果3.78 m基本相近。

上述監(jiān)測結果僅為短期的初步監(jiān)測，年均入黃沙量尚需在進行長期的動態(tài)監(jiān)測、分析總結其特征和規(guī)律的基礎上計算得出。

四、研究展望

研究烏蘭布和沙漠黃河沿岸入黃風積沙運移規(guī)律及防控機理是一項涉及面廣、復雜多樣、跨多學科的科研工作。還需從以下幾個方面開展綜合、系統(tǒng)、連續(xù)、動態(tài)、深入的監(jiān)測研究。

1.沿黃段風積沙運移規(guī)律研究

烏蘭布和沙漠沿黃段風沙運動具有不確定性和復雜性的特點，需長期對該地區(qū)不同風力及沙物質(zhì)條件下風沙流固體流量結構、梯度分布、風沙流輸沙量與各種影響因子之間的多元數(shù)量關系進行研究，揭示黃河內(nèi)蒙古段風沙流活動的時空分布特性，建立烏蘭布和沙漠沿黃段風沙流輸沙率函數(shù)模型，并進行黃河沿岸風沙運動過程的模擬與預測。

2.烏蘭布和沙漠入黃風積沙與河道泥沙耦合關系及運移機理研究

受烏蘭布和沙漠風積沙入黃的影響，該段河道水沙過程變異大、河道萎縮、主槽搖擺不定等新情況、新問題不斷出現(xiàn)，對其進行深入研究的科學意義和社會意義重大。因此，需對該地區(qū)風積沙入黃后與河道泥沙的耦合關系、風積沙入黃后的運移與擴散、泥沙分配和再分配、輸水河段含沙量的時空變化、上下游監(jiān)測站含沙量的關系分析、上下游監(jiān)測斷面淤積變化、水位變化對沿岸地形沖淤及其速率等方面開展深入研究。

3.沿黃段風積沙防控機理與水土保持關鍵技術研究

烏蘭布和沙漠沿黃段氣候、地形復雜多變，治理難度特別大，其治理成果很難發(fā)揮長期效益，急需加強對沿黃段風積沙防控機理與水土保持關鍵技術的研發(fā)，對防治風沙危害和改善黃河兩岸生態(tài)環(huán)境,促進區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。需采用高新技術及多種方式開展烏蘭布和沙漠沿黃段水土流失不同防治措施及其組合措施的防控機理和防護效益試驗研究,提出合理的水土保持措施配置，為該區(qū)域黃河兩岸水土流失治理提供科學依據(jù)，使烏蘭布和沙漠沿黃段風沙危害降到最低程度。

4.風積沙監(jiān)測技術研究

烏蘭布和沙漠沿黃段流動沙丘遠離城鎮(zhèn)和村莊，交通不便，無常規(guī)電源等基礎設施可用，且現(xiàn)有的監(jiān)測設備多為自行研制的觀測設備，可移動性差，智能化和精度低，不具備連續(xù)觀測的能力，加之該地區(qū)風積沙入黃后與河道泥沙的耦合關系、輸水河段含沙量的時空變化、氣候變化等環(huán)境因子復雜多變，對該區(qū)域進行入黃風積沙的長期、連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測造成了極大的限制。隨著社會進步和科技發(fā)展，應充分借助計算機科學、精密儀器制造等其他行業(yè)的發(fā)展促進風積沙監(jiān)測設備的改進，注重儀器的自行研制、改裝。如利用嵌入式技術與GPRS技術對野外風蝕風沙以及小環(huán)境氣候長時間無人值守的監(jiān)測系統(tǒng)的研究；引進測量領域的三維激光掃描儀測量技術，對當?shù)氐牡孛策M行動態(tài)監(jiān)測；采用遙感與地面定位觀測相結合的手段進行監(jiān)測；應用高清晰自動錄像監(jiān)測；實現(xiàn)野外環(huán)境因子無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)等的研發(fā)與引進，逐步實現(xiàn)監(jiān)測設備的標準化和監(jiān)測手段的智能化。

黃河內(nèi)蒙古段烏蘭布和沙漠入黃風積沙監(jiān)測研究是一項多尺度、多場耦合、隨機性、非線性的復雜科學問題，是目前科學前沿所關注的共性和熱點課題，涉及水土保持與荒漠化防治、水文水資源、河流動力與泥沙、氣象等學科和領域。由于我們只是初步研究探討，研究方法和思路有待完善，望相關研究領域的學者給予指教，同時期待國家及有關部門就烏蘭布和沙漠沿黃段風積沙監(jiān)測研究引起高度重視，形成多渠道、多學科聯(lián)合攻關研究的平臺，使研究結果更好地為科學治理黃河泥沙問題及完善黃河沿岸綜合防護體系提供科學依據(jù)。

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