全永威

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

1.1 地理位置

北疆供水工程自北向南穿越準(zhǔn)噶爾盆地，經(jīng)過沙漠的地段稱為沙漠明渠。該渠段位于吉拉溝以南、五個沙疙瘩以北的古爾班通古特沙漠，以三個泉倒虹吸出口為沙漠渠道起點，到阜康市東北五個沙疙瘩、沙漠南部邊緣出口，全長166.49km。由于沙漠地表的脆弱性，活化的沙土易影響到渠道的運行，因此，保證沙漠明渠安全輸水是整個供水工程正常運行的關(guān)鍵。

1.2 工程地貌

古爾班通古特沙漠位于新疆北部準(zhǔn)噶爾盆地腹心，面積約4.88萬km2，海拔300～600m，是我國面積最大的固定和半固定沙漠。該沙漠腹地沙丘形態(tài)主要為沙壟，樹枝狀沙壟占絕對優(yōu)勢，占沙丘總面積的5%～80%。沙漠風(fēng)積沙厚度約300m左右，沙粒組成以細(xì)沙為主，自北而南細(xì)顆粒含量逐漸增多。古爾班通古特沙漠不小于10℃的年積溫3000～3500℃，年平均氣溫 6～10℃，年降水量 70～150mm，年蒸發(fā)量2000mm以上。以小半喬木梭梭(Haloxylon ammodendron)和白梭梭(H.persicum)為沙漠建群種，占據(jù)了沙丘中上部的位置;壟間低地和沙丘中下部分布有蛇麻黃(Ephedra distachya)群落。該沙漠還廣泛分布著生物結(jié)皮(土壤微生物、藻類、地衣和苔蘚植物等孢子植物類群與土壤形成的有機復(fù)合體)，對沙面起著明顯穩(wěn)定作用。目前，沙漠區(qū)域處于冷濕期狀態(tài)，相對穩(wěn)定，沙丘自然活化過程較慢。

1.3 風(fēng)沙狀況

根據(jù)沙漠渠道風(fēng)向統(tǒng)計分析，當(dāng)渠道與起沙風(fēng)速主導(dǎo)風(fēng)向夾角垂直時，風(fēng)沙危害最大。根據(jù)沙漠渠道布置，北部和中部渠道與起沙風(fēng)速主導(dǎo)風(fēng)向夾角垂直，風(fēng)沙危害較大;南部渠道多為彎道，施工期橫切和斜切沙壟處較多，彎道與起沙風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向夾角垂直，易于積沙?？傮w來講沙漠渠道風(fēng)沙危害南部大于北部，填方渠段風(fēng)沙危害要大于挖方渠段。

2 生態(tài)破壞及其反作用

沙漠明渠工程建設(shè)是一項大規(guī)模、高強度的人類活動行為，會對沙漠地表產(chǎn)生巨大擾動，破壞沙漠植物和沙漠地表生物結(jié)皮，使土壤表層遭到破壞，暴露下層砂物質(zhì)，在沙漠中形成約200 m寬，166.472 km長的活化沙面。因局部環(huán)境破壞，伴隨沙漠惡劣的氣候條件，沙化將向周邊侵蝕，不斷擴大，對脆弱的沙漠自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生強烈破壞。這種破壞持續(xù)不斷地惡性循環(huán)，對沙漠自然環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。

同時，沙漠渠道沿線的生態(tài)環(huán)境的破壞，極大地影響了渠道輸水的安全。研究表明，沙漠中部全年起沙風(fēng)出現(xiàn)頻率為0.25%，4～10月輸沙勢占全年輸沙勢的90%以上。地表的活化將大大降低風(fēng)沙啟動風(fēng)速，同時風(fēng)沙活動頻繁的季節(jié)與渠道輸水季重疊，因此，渠道沿線的生態(tài)防護(hù)至關(guān)重要。沙漠明渠工程最為嚴(yán)重的風(fēng)沙危害類型是風(fēng)沙流的侵蝕堆積，增加入渠沙量，影響渠道的正常使用，造成維護(hù)費用顯著增加。

3 機械防沙及其效果

沙漠風(fēng)沙是沙漠渠道安全運行的主要危害之一，若不及時防護(hù)會造成渠道的淤塞、涌堵，產(chǎn)生渠道破壞，后果不堪想象。為研究沙漠風(fēng)沙對沙漠明渠沿線不同下墊面影響程度，在沙漠明渠2號、3號試驗段開展了渠道原位實驗觀測，同時在沙漠明渠北部、中部、南部建立了3個短期氣候觀測站，進(jìn)行了風(fēng)沙測定和環(huán)境參數(shù)的觀測。主要觀測內(nèi)容包括:不同下墊面狀況下起沙風(fēng)速(包括施工地段、蘆葦草方格植護(hù)固沙試驗段)、入渠積沙量、24h風(fēng)向風(fēng)速、24h氣溫(其中包括日最高、最低氣溫)、相對濕度(包括日最小相對濕度、水氣壓)、深層地溫(包括 5cm、10cm、20cm、40cm、80cm、160cm、320cm地溫，最高、最低氣溫)、沙表面溫度(包括日最高、最低沙表面溫度)、冬季凍土厚度、氣壓、蒸發(fā)量、降水量等。

通過野外觀測結(jié)果表明，沙漠明渠沿線起沙風(fēng)速的空間分布特征為:北部大于南部，壟間地大于沙丘頂部，施工破壞區(qū)大于施工防護(hù)區(qū)。施工破壞區(qū)起沙風(fēng)速為4.5～5.0m/s，草方格防護(hù)后(100cm×100cm，70cm長對折)起沙風(fēng)速為9.0～10.0m/s，啟動風(fēng)速增加了一倍。氣流中的含沙量在距地表不同的高度含量也不同，氣流搬運沙量的絕大部分(約98%)是在距離地面30cm高度內(nèi)，特別是集中在地表以上10cm的氣層內(nèi)(見下表)。因此，風(fēng)沙運動是貼近地表面的沙粒搬運現(xiàn)象。風(fēng)速增加時(大于起沙風(fēng)速)風(fēng)沙流中的含沙量會大量增加，他們之間遵循冪函數(shù)關(guān)系。根據(jù)觀測結(jié)果，沙漠地區(qū)影響沙丘移動的風(fēng)向主要為東北風(fēng)和北風(fēng)、西北風(fēng)和西風(fēng)，植被破壞的流沙地段沙丘移動速度較快。

沙漠明渠中部活動帶距沙壟壟頂不同高度風(fēng)沙流中含沙量分布表

根據(jù)平口積沙儀、不同風(fēng)向下積沙儀、立體積沙儀、長方體積沙儀原型渠道觀測結(jié)果分析、計算表明:施工破壞區(qū)未防護(hù)地段的年入渠沙量為8429 t/km，采取草方格防護(hù)措施的年入渠沙量為1769 t/km，即若不采取防護(hù)措施年入渠沙量為142萬t，采取防護(hù)措施后年入渠沙量為30萬t，后者僅為前者的約1/5。因此，機械固沙的效果非常明顯。

4 生物防風(fēng)固沙體系的建立

4.1 建立生物防風(fēng)固沙體系的必要性

在沙漠明渠施工期防風(fēng)固沙體系起主導(dǎo)作用的是機械固沙草方格植護(hù)，其他包括緩沖帶的建設(shè)和伴渠道路等固化措施。由于草方格的材料是蘆葦，在北疆沙漠地區(qū)，蘆葦一般使用壽命在5～7年，因此為減少沙害，每5～7年，草方格就要進(jìn)行更新。這需要花大量的人力、物力和財力。為解決蘆葦老化以后造成防風(fēng)固沙功能的減弱和喪失，減少后期運行管理費用，在機械防沙體系建設(shè)的同時，采取建立生物防護(hù)林防風(fēng)固沙體系，來防止草方格防護(hù)功能失效后的風(fēng)沙危害。

生物防護(hù)林防風(fēng)固沙體系隨著環(huán)境條件的改善，防護(hù)林內(nèi)的植物種可以進(jìn)行自然更新。同時可以增加土壤有機質(zhì)，提高土壤肥力，增加土壤微生物的種類和數(shù)量，使被破壞的沙漠地表逐漸進(jìn)入到一個良性的演化進(jìn)程中，保持沙面的穩(wěn)定。

4.2 建立生物防風(fēng)固沙體系的條件

4.2.1 工程條件

生物防風(fēng)固沙體系的建立是和機械固沙防護(hù)體系聯(lián)系在一起的。生物防風(fēng)固沙體系的建立必須是在機械固沙防護(hù)體系建成的基礎(chǔ)上建立的;先通過機械固沙將活化沙丘固定，保持沙丘穩(wěn)定，然后在穩(wěn)定的沙丘上種植植物種，在機械固沙防護(hù)體系減弱和失去功效前，建成生物防風(fēng)固沙體系。

4.2.2 自然氣候條件

沙漠腹地年均降水有70～120 mm，冬季有穩(wěn)定積雪，冬春兩季降水合計占全年的30% ～40%。春季的積雪融化以及降水為荒漠草本植物萌發(fā)和生長提供了生存條件。

4.2.3 土壤水分條件

由融雪和降雨形成的地表120 cm厚懸濕砂層較穩(wěn)定;土壤最大含水率可以達(dá)到8%，土壤含水量的變化主要集中在40～50 cm的深度范圍內(nèi)，而且這個深度也是沙漠植物自然分布的主要根系范圍。

4.3 建立生物防風(fēng)固沙體系植物種的選擇

建立生物防沙防護(hù)體系的一個十分重要的內(nèi)容是確立植物物種。在無灌溉條件下選擇適宜的植物種用于沙漠生物防沙防護(hù)林的建設(shè)至關(guān)重要。在2002年進(jìn)行了生物固沙植物種選擇種植試驗，試驗工程包括四種立地類型(填方段陰坡、陽坡和挖方段陰坡、陽坡)、三種結(jié)構(gòu)布局(株行距1m×1m、1m×2m和2m×2m)和兩種造林方式(直播造林和植苗造林)，試驗對植物種的選擇、種植時間、種植方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。所選擇的物種包括沙拐棗(Calligonum leucocladum)、梭梭(Haloxylon ammodendron)和刺沙蓬(Salsola ruthenica)。根據(jù)試驗和研究我們選擇了主要以梭梭為主的植物種;種植時間選擇在早春積雪融化后2周到3周時間內(nèi)進(jìn)行植苗造林種植;結(jié)構(gòu)布局選擇1m×2m。

4.4 沙漠明渠生物防風(fēng)固沙體系植物種植成效

根據(jù)以往在相同自然環(huán)境下其他沙漠地區(qū)在無灌溉條件下進(jìn)行梭梭直播造林的經(jīng)驗看，由于干旱、多風(fēng)和炎熱，當(dāng)年成活率普遍較低，一般只有10%左右，但是在降水較多的年份，當(dāng)年成活率可以達(dá)到40%左右。為滿足沙漠明渠防風(fēng)固沙防護(hù)要求，保證明渠安全運行，通過前期機械固沙等工程措施手段，大大提高了在沙漠地區(qū)無灌溉條件下種植梭梭的成活率。從2007年當(dāng)年成活率統(tǒng)計情況看，當(dāng)年平均成活率達(dá)到了72%，最高達(dá)到84%。當(dāng)年平均株高為44cm，冠幅為32.2cm×32.7cm。從2010年成活率統(tǒng)計情況看，多年平均成活率達(dá)到41%，最高達(dá)到79%(見下頁圖)。多年平均株高達(dá)到150cm，冠幅達(dá)到120cm×110cm。雖然植株的數(shù)量減少，但由于其高度和冠幅的增加，防風(fēng)固沙效果保持穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

沙漠明渠梭梭成活率變化圖

5 生物防風(fēng)固沙體系的綜合效應(yīng)

5.1 防風(fēng)固沙效果

沙漠明渠的形狀為梯型，且許多段面兩側(cè)為工程推進(jìn)時斷開的沙壟。風(fēng)活動極易將沙土及其他雜質(zhì)推入渠中，且單次大的降水脈沖也可能將斷面的沙土沖入渠道。研究表明，防護(hù)林建成10年后，土壤理化性質(zhì)得到有效改善，普遍形成了地衣結(jié)皮。自然定居的植物由初期的8種增加到33種，定居植物多數(shù)由初期的1.4株/m2增加到14株/m2。植被的發(fā)育極大地固定了沙面，降低了水土流失的風(fēng)險，增加了沙面活動的啟動風(fēng)速。

為驗證生物防風(fēng)固沙體系防風(fēng)固沙效果，在2007年通過對沙漠明渠工程不同形式的斷面進(jìn)行風(fēng)沙入渠測算，入渠沙量為151.8t/km，大大低于施工破壞區(qū)未防護(hù)地段的年入渠沙量8429t/km，和采取草方格防護(hù)措施的年入渠沙量1769t/km相比，說明生物防風(fēng)固沙防護(hù)體系固沙效果非常明顯。

5.2 生態(tài)效益

a.改善了自然環(huán)境，在沙漠渠道生態(tài)防護(hù)綠化效果顯著，從2003年春季開始到2011年春季結(jié)束，沙漠明渠兩側(cè)共種植約1700萬株梭梭和沙拐棗，在沿渠道兩側(cè)各100m范圍內(nèi)形成了兩條160km長的綠色長廊，條帶內(nèi)植被長勢優(yōu)于條帶外植被，取得了良好的景觀和防護(hù)效果。

b.渠道周邊局部氣候得以改善，空氣濕度得以提高，對沿線兩側(cè)的植被自然恢復(fù)有一定的促進(jìn)作用。

c.渠道及生物防護(hù)體系區(qū)域內(nèi)的動物數(shù)量明顯增多。夏季鵝喉羚在渠道兩側(cè)及綠化區(qū)內(nèi)活動頻繁，種群數(shù)量也較大;生物防護(hù)體系內(nèi)鳥類開始棲息繁殖，數(shù)量不斷增加。

5.3 經(jīng)濟效益

機械固沙草方格植護(hù)平均每公里投資約30萬元，總投資約5000萬元，可使用5～7年。生物防護(hù)梭梭種植平均每公里投資約5萬元，總投資約900萬元，種植的植物可以自然更新，無需二次投入，即每5年每公里可節(jié)約投資20余萬元，全線可節(jié)約3000余萬元。

6 結(jié)語

北疆供水工程沙漠明渠段由北向南橫穿古爾班通古特沙漠，全長166.49km，在沙漠中修建大型長距離輸水明渠在中國水利史上是史無前例的。而建設(shè)沙漠明渠工程這種大規(guī)模、高強度的人類活動行為，必然造成沙漠局部自然環(huán)境的破壞，使沙丘活化面積加大，其特有的地理、地質(zhì)、地貌、氣候條件，強烈的風(fēng)沙活動和潛在的風(fēng)沙危害又對工程建設(shè)和運行構(gòu)成了巨大的威脅。

為滿足沙漠明渠防風(fēng)固沙防護(hù)要求，保證明渠安全運行，通過工程措施手段，大大提高了在沙漠地區(qū)無灌溉條件下種植梭梭的成活率。從2003年春季開始到2011年春季結(jié)束，沙漠明渠兩側(cè)完成約1700萬株梭梭和沙拐棗種植，并且隨著自然植被的發(fā)育，在沿渠道兩側(cè)各100m范圍內(nèi)形成了兩條160km長的綠色長廊，建立了生物防風(fēng)固沙體系。沙漠明渠工程生物防風(fēng)固沙體系的建立在防風(fēng)固沙效果、生態(tài)效益和經(jīng)濟效益等方面都取得了顯著作用。

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