河西走廊水利工程風(fēng)沙危害防治措施體系研究

張曉虹，何有華

（甘肅省水土保持科學(xué)研究所，730021，蘭州）

河西走廊是國(guó)家重要的商品糧基地和西北地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障，其經(jīng)濟(jì)地位和生態(tài)地位特殊，但該區(qū)深居內(nèi)陸，降水稀少，水資源總量不足，主要以祁連山山區(qū)徑流和冰雪融化為補(bǔ)給形式的水資源要通過(guò)各種水利設(shè)施的時(shí)空調(diào)控與再分配，才能維系當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的基本穩(wěn)定。在這里，水利基礎(chǔ)設(shè)施不僅是農(nóng)業(yè)的命脈，而且是整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，更是維系河西走廊綠洲繁榮的先決條件。但因風(fēng)沙災(zāi)害頻繁，河西部分水利設(shè)施長(zhǎng)期遭受風(fēng)沙填埋，使水庫(kù)有效庫(kù)容減少，調(diào)蓄功能降低，渠系填埋，不但使供水保障能力下降，而且每年要投入大量的人力財(cái)力進(jìn)行渠系清沙。風(fēng)沙對(duì)水利設(shè)施的危害已對(duì)灌區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展造成了嚴(yán)重影響，研究建立行之有效的水利工程風(fēng)沙災(zāi)害防治措施體系，為當(dāng)?shù)厮こ田L(fēng)沙危害防治提供理論依據(jù)是非常必要的。

一、區(qū)域自然環(huán)境概況

1.自然環(huán)境概況

本文所指河西走廊僅為內(nèi)陸河流域甘肅省范圍，位于祁連山—阿爾金山山地和走廊北山山地之間，東起古浪峽，西至甘新邊界，為長(zhǎng)千余公里、寬約幾公里至百余公里不等的東西狹長(zhǎng)平原。地勢(shì)平緩開(kāi)闊，一般海拔1 500 m左右，疏勒河、黑河、石羊河3個(gè)水系的沿河沖積平原土質(zhì)肥沃、引水灌溉條件好，形成武威、張掖、酒泉三大綠洲，其余廣大地區(qū)由于風(fēng)力和干燥剝蝕的作用，形成戈壁和沙漠廣布的風(fēng)沙地貌。區(qū)內(nèi)土壤以灰棕漠土、鹽土、風(fēng)沙土、灰鈣土為主，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差，易被吹蝕。植被稀疏，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以旱生、超旱生短命植物為主，植被覆蓋度低，地表多裸露。氣候類(lèi)型屬于溫帶大陸性干旱氣候，絕大部分地區(qū)年降水量在150 mm以下，自然降水總的分布趨勢(shì)是由東南向西北遞減，而大風(fēng)日數(shù)和平均風(fēng)速則由東南向西北遞增，總的氣候特點(diǎn)是干旱少雨，風(fēng)大沙多，光照充足，晝夜溫差大。

2.水利工程及其風(fēng)沙危害現(xiàn)狀

河西地區(qū)目前有大型水庫(kù)3座，中型水庫(kù)18座，大中型水庫(kù)分別占全省總座數(shù)的50%和78.26%，大中型水庫(kù)年初蓄水總量為3.796億m3，只占全省的9.72%，但有效灌溉面積超過(guò)全省的50%以上。由于氣候條件限制，水利工程風(fēng)沙危害情況嚴(yán)重，直接表現(xiàn)在對(duì)水庫(kù)和渠系的填埋上，尤其春季大風(fēng)季節(jié)，水庫(kù)蓄水混濁，干渠引水?dāng)y沙量增加，泥沙隨水流進(jìn)入綠洲，淤積支渠、斗渠、分水設(shè)施等。通過(guò)對(duì)酒泉市管轄各灌區(qū)風(fēng)沙對(duì)干渠及部分支渠填埋危害的典型調(diào)查，干渠平均每年填埋量約873 m3/km，平均每年清淤費(fèi)用高達(dá)9 800元/km；支渠平均填埋量約173 m3/km，平均每年清淤費(fèi)用高達(dá)7 100元/km。至于風(fēng)沙侵占庫(kù)容的直接經(jīng)濟(jì)損失，目前尚無(wú)較科學(xué)的估算方法。

二、風(fēng)沙危害防治措施體系

通過(guò)典型調(diào)查分析，河西地區(qū)按輸沙方式不同分為以風(fēng)沙流為主、以河道水力輸沙為主和以流動(dòng)沙丘前移為主的三種危害形式。以河道水力輸沙為主的危害，其沙源為風(fēng)力輸沙在水庫(kù)上游河道中的沉積物，其根源仍為風(fēng)沙危害。本文以瓜州縣榆林河水庫(kù)及干渠、雙塔水庫(kù)和金塔縣解放村水庫(kù)為例，分別按三種不同主要危害形式建立相應(yīng)的防治措施體系。

1.以風(fēng)沙流為主要危害形式的防治措施配置——以榆林河水庫(kù)及總干渠為例

分布在戈壁地區(qū)的水利工程，其風(fēng)沙危害形式多以風(fēng)沙流為主。風(fēng)沙流在貼近戈壁地面向前飄移時(shí)，遇到水庫(kù)、渠系等建構(gòu)筑物的阻礙時(shí)便沉積下來(lái)，形成對(duì)水利工程的填埋淤積。

瓜州縣榆林河水庫(kù)于1970年建成，1999—2003年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，總庫(kù)容 760 萬(wàn) m3，屬?。?）型水庫(kù)，干渠下游是灌區(qū)綠洲。水庫(kù)壩址上游多為石質(zhì)低山丘陵地貌，從上游河道進(jìn)庫(kù)沙量不多。水庫(kù)和干渠位于榆林河流域中下游低山丘陵向戈壁過(guò)渡區(qū)域，表現(xiàn)為風(fēng)蝕與風(fēng)積的復(fù)合地貌景觀。據(jù)榆林河水管所監(jiān)測(cè)，目前累積淤積庫(kù)容占設(shè)計(jì)庫(kù)容的45%左右。針對(duì)該地的自然特征和風(fēng)沙危害形式，將榆林河水庫(kù)及干渠沙害防治區(qū)域劃分為近庫(kù)風(fēng)沙嚴(yán)重危害區(qū)和外圍風(fēng)力輸沙區(qū)，分類(lèi)布設(shè)相應(yīng)的防治措施。

（1）近庫(kù)風(fēng)沙嚴(yán)重危害區(qū)

水庫(kù)西側(cè)為高大石質(zhì)山地，基本不受風(fēng)沙危害，無(wú)須布設(shè)防治措施；東側(cè)屬低山丘陵向戈壁過(guò)渡地帶，山體鞍部是風(fēng)沙流進(jìn)入水庫(kù)的主要通道，依地形布設(shè)多道擋沙墻阻擋風(fēng)沙流前進(jìn)，擋沙墻可就地取材，選用干砌石擋沙墻。在地勢(shì)低凹處，風(fēng)沙沉積較厚，在草方格沙障固沙基礎(chǔ)上宜采取滴灌植物措施進(jìn)行治理。平緩的戈壁上無(wú)流沙沉積，在近庫(kù)岸迎風(fēng)側(cè)配套滴灌設(shè)施，布設(shè)灌木防風(fēng)固沙林帶，阻止風(fēng)沙流前移至水庫(kù)邊緣沉積。

（2）外圍風(fēng)力輸沙區(qū)

該區(qū)包括榆林河水庫(kù)東北部、連接榆林灌區(qū)的干渠兩側(cè)沿線長(zhǎng)近14 km的區(qū)域和水庫(kù)外圍區(qū)域，均為荒漠戈壁。地面基本無(wú)積沙，危害干渠的風(fēng)沙是以風(fēng)沙流的形式直接進(jìn)入干渠的，冬春非灌水季節(jié)，干渠被風(fēng)沙填平，在灌水季節(jié)，沉積在渠道里的風(fēng)沙隨流水直接進(jìn)入灌區(qū)。防治措施以防治風(fēng)沙流危害為重點(diǎn)，在干渠東側(cè)主害風(fēng)向營(yíng)造主林帶，在西側(cè)營(yíng)造副林帶，防風(fēng)阻沙、保護(hù)干渠；在防護(hù)林外側(cè)均采取封禁措施，保護(hù)原生地表沙殼及荒漠植被，減少就地起沙。

在榆林河水庫(kù)及干渠周邊，通過(guò)采用“擋沙墻+沙障+防護(hù)林+封育”的多項(xiàng)防治措施的有機(jī)組合，擋沙墻阻擋風(fēng)沙流，沙障固定積沙，防護(hù)林護(hù)庫(kù)護(hù)渠，封育保護(hù)大環(huán)境，可有效減輕風(fēng)沙流對(duì)水庫(kù)及干渠的危害。

2.以河道水力輸沙為主要危害形式的防治措施配置——以雙塔水庫(kù)為例

瓜州縣雙塔水庫(kù)位于疏勒河中下游的戈壁平原上，1960年建成蓄水，后多次更新改造，1983年水庫(kù)加固處理設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際最大庫(kù)容核定為2.0億m3，比原設(shè)計(jì)庫(kù)容減少0.4億m3，設(shè)計(jì)灌溉面積46萬(wàn)畝 （15畝=1 hm2，下同）。庫(kù)區(qū)地貌屬風(fēng)蝕戈壁平原地貌，地勢(shì)從東南向西北傾斜，整體上地形平緩開(kāi)闊。雙塔水庫(kù)淤積的原因主要有三方面：一是從雙塔水庫(kù)至上游昌馬水庫(kù)110 km的疏勒河主河道是從玉門(mén)鎮(zhèn)到瓜州的大風(fēng)區(qū)，河岸兩側(cè)或是已開(kāi)墾的耕地,或是戈壁沙丘，狹長(zhǎng)的河道成為一道天然集沙槽，枯水期風(fēng)沙沉積于河床，汛期積沙隨著洪水進(jìn)入雙塔水庫(kù)沉積；其次是昌馬水庫(kù)建成蓄水后，加大了人為調(diào)控徑流力度，增加了集中泄洪概率，加劇了河岸坍塌速度，坍塌物由洪水帶入水庫(kù)；第三是水庫(kù)外圍風(fēng)沙流及流動(dòng)沙丘移動(dòng)進(jìn)入水庫(kù)，該水庫(kù)地處戈壁平原，庫(kù)區(qū)面積大、沙源廣，在外圍如沒(méi)有防風(fēng)固沙措施，其本身就承擔(dān)了人工沉沙池的作用。根據(jù)水庫(kù)上游潘家莊水文站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，多年平均輸沙量約180萬(wàn)t，約合120萬(wàn)m3。據(jù)當(dāng)?shù)厮懿块T(mén)監(jiān)測(cè)，每年進(jìn)入水庫(kù)的泥沙量約180萬(wàn)m3，據(jù)此推算，由河道本身帶入水庫(kù)的泥沙多達(dá)120萬(wàn)m3，因水庫(kù)外圍移動(dòng)沙丘和風(fēng)沙流進(jìn)入水庫(kù)的沙量為60萬(wàn)m3，河道輸沙為其主要危害形式。在此危害成因分析的基礎(chǔ)上，將雙塔水庫(kù)沙害防治區(qū)域劃分為河道水力輸沙區(qū)、近庫(kù)風(fēng)沙嚴(yán)重危害區(qū)、外圍風(fēng)力輸沙區(qū)三個(gè)防治區(qū)。

（1）河道水力輸沙區(qū)

該區(qū)位于水庫(kù)上游與潘家莊之間的河道上，為減少河道兩岸因流水沖刷而引起的坍塌，需在對(duì)河道進(jìn)行綜合整治的基礎(chǔ)上，在彎曲河道凹岸修筑丁壩，以改變局部河水流向，減少河岸坍塌；在河道下游距離水庫(kù)較近段兩岸修筑護(hù)岸堤等工程；在滿(mǎn)足防汛要求的前提下，在河道狹窄處布設(shè)過(guò)水壩，以攔截沉積泥沙，并在枯水期對(duì)河道淤積物進(jìn)行清淤，因?yàn)榍謇砗拥酪惹逵偎畮?kù)方便、經(jīng)濟(jì)。

（2）近庫(kù)風(fēng)沙嚴(yán)重危害區(qū)

該區(qū)緊鄰水庫(kù)水域周邊，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，南北兩岸沙丘已逼近水庫(kù)邊緣，如遇起沙風(fēng)速，沙丘移動(dòng)可直接進(jìn)入水庫(kù)，是損失庫(kù)容的直接沙源區(qū)。宜采取林草結(jié)合、以林阻沙、以草固沙措施，就近利用水庫(kù)水配套灌溉設(shè)施，營(yíng)造網(wǎng)格狀防護(hù)林帶，主林帶的布設(shè)方向?yàn)槟媳弊呦颍c主害風(fēng)向垂直，東西方向配合渠系布設(shè)副林帶。主林帶寬度一般為10 m左右，副林帶寬度一般為6 m左右，帶間距20 m，帶間空地種植紫花苜蓿等，不僅起到固沙作用，同時(shí)可提供商品飼草，適度發(fā)展以草為主的沙產(chǎn)業(yè)，達(dá)到以草養(yǎng)林的目的。林草措施主要布設(shè)在水庫(kù)四周200 m范圍內(nèi)，樹(shù)種宜選擇耐旱、耐瘠薄的花棒、梭梭、檉柳等。

（3）外圍風(fēng)力輸沙區(qū)

在近庫(kù)風(fēng)沙嚴(yán)重危害區(qū)的外圍及疏勒河主河道南岸，戈壁沙丘相間，以戈壁為主，有零星白刺包和紅柳包，另有少部分以雅丹地貌為主的風(fēng)蝕劣地，是輸入近庫(kù)區(qū)風(fēng)沙嚴(yán)重危害區(qū)的主要沙源。該區(qū)地下水水位較低，灌溉難度大，總體植被覆蓋度較低，局部地方植被較好，分布有檉柳、梭梭、白刺、駱駝刺等旱生植物，地表結(jié)皮較厚，是防風(fēng)固沙的天然屏障。此區(qū)應(yīng)充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力，嚴(yán)格禁牧，實(shí)施封沙育林育草措施，重點(diǎn)保護(hù)地表結(jié)皮和自然植被，抑制就地起沙，阻止外圍風(fēng)力輸沙。在以河道水力輸沙為主要危害形式的雙塔水庫(kù)，宜采取河道工程措施攔沙、近庫(kù)區(qū)灌木林阻沙、種草固沙、外圍封育保護(hù)有機(jī)結(jié)合的“攔、阻、固、封”防護(hù)體系，以減緩風(fēng)沙對(duì)水庫(kù)的淤積。

3.以沙丘前移為主要危害形式的防護(hù)措施配置——以金塔解放村水庫(kù)為例

解放村水庫(kù)位于金塔縣縣城西南12 km黑河一級(jí)支流討賴(lài)河下游的戈壁平原上，建于 1969年，總庫(kù)容為0.39億m3，與上游的鴛鴦池水庫(kù)和下游的板灘水庫(kù)聯(lián)合調(diào)節(jié)河道徑流，為下游鴛鴦灌區(qū)40.2萬(wàn)畝農(nóng)田和80萬(wàn)畝林草地提供灌溉。解放村水庫(kù)地處河西走廊中西部巴丹吉林沙漠白水泉沙系尾端，沙系呈西北—東南延伸之勢(shì)，從北、西北、西三面包圍著解放村水庫(kù)，白水泉沙系屬流動(dòng)型沙丘，沙丘形態(tài)以新月形沙丘鏈為主，一般高為10～15 m，最高可達(dá)30 m。已有研究成果表明，水庫(kù)附近沙丘年平均移動(dòng)速度為8.6 m，以沙丘移動(dòng)形式入庫(kù)的沙量占總?cè)霂?kù)量的92%，使解放村水庫(kù)有效庫(kù)容減少了1 100萬(wàn)m3，占總庫(kù)容的28.2%，嚴(yán)重威脅著水庫(kù)的調(diào)蓄功能和效益的發(fā)揮，對(duì)鴛鴦灌區(qū)群眾的生產(chǎn)和生活構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。根據(jù)庫(kù)區(qū)自然特征和風(fēng)沙危害成因，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，以水庫(kù)為中心，由近及遠(yuǎn)，將解放村水庫(kù)風(fēng)沙危害防治區(qū)域劃分為近庫(kù)風(fēng)沙嚴(yán)重危害區(qū)和沙丘活動(dòng)區(qū)兩個(gè)防治分區(qū)。

（1）近庫(kù)風(fēng)沙嚴(yán)重危害區(qū)

該區(qū)為水庫(kù)周邊50～400 m之間的部分，緊鄰水庫(kù)邊緣，在遇有起沙風(fēng)速時(shí)，區(qū)內(nèi)風(fēng)沙直接進(jìn)入水庫(kù)，是損失庫(kù)容的直接沙源區(qū)，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)治理。在水庫(kù)邊建滲水井和高位蓄水池等設(shè)施，布設(shè)滴灌防護(hù)林帶，防護(hù)林以灌木為主。 在此范圍內(nèi)的流動(dòng)沙丘地段，先采用柴草沙障固沙或用黏土壓沙后，再營(yíng)造固沙林。條件適宜的區(qū)域可將防護(hù)林與經(jīng)濟(jì)林、景觀林相結(jié)合，以林養(yǎng)林，并將防風(fēng)固沙與水利風(fēng)景區(qū)建設(shè)相結(jié)合。

圖1 河西走廊水利工程風(fēng)沙危害防治措施

（2）沙丘活動(dòng)區(qū)

近庫(kù)區(qū)外圍，流動(dòng)沙丘較密，沙丘前移速度較快，是輸入近庫(kù)風(fēng)沙嚴(yán)重危害區(qū)的主要沙源。受水源、資金等限制，不宜采用大面積植物固沙，主要采取工程措施，設(shè)置沙障固沙、阻沙，增加地面粗糙度，降低地面風(fēng)速，減少起沙風(fēng)對(duì)松散沙面的直接吹蝕，并減少風(fēng)沙對(duì)近庫(kù)區(qū)防護(hù)林帶在幼林期的埋壓。一般來(lái)說(shuō)，固定流沙采用平鋪式方格沙障效果較好，阻擋風(fēng)沙采用高立式帶狀沙障效果較好。在水庫(kù)外圍，宜以平鋪式草方格沙障為主、高立式帶狀柴草沙障為輔。對(duì)于遠(yuǎn)離水源、造林成本高但取用礫石方便的地方，宜采用礫石壓沙。該區(qū)因干旱少雨，植被稀疏，地表多沙丘，生態(tài)自我修復(fù)能力差，加之人為活動(dòng)少，外圍封育的必要性不強(qiáng)，不再考慮封育措施。

對(duì)以沙丘前移為主要危害形式的解放村水庫(kù)，宜采用壓、阻、固、護(hù)（即礫石壓沙、高立式沙障阻沙、平鋪式沙障固沙、滴灌造林護(hù)庫(kù)）相結(jié)合的綜合治理措施。

三、風(fēng)沙危害防治措施體系構(gòu)建及建議

在對(duì)典型水庫(kù)和干渠防治措施配置體系研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建河西走廊水利工程風(fēng)沙危害防治措施體系。防治措施體系劃分為三個(gè)層次，詳見(jiàn)圖1。據(jù)此建議：

應(yīng)針對(duì)不同的風(fēng)沙危害形式提出相應(yīng)的防治措施體系。①對(duì)以風(fēng)沙流為主要危害形式的，采用 “擋沙墻+沙障+防護(hù)林+封育”的防治措施體系；②對(duì)以河道輸沙為主要危害形式的，采取 “河道工程措施攔沙+灌木林阻沙+種草固沙+封育”的防護(hù)體系；③對(duì)以沙丘前移為主要危害形式的，采用 “礫石壓沙+高立式沙障阻沙+平鋪式沙障固沙+滴灌造林護(hù)庫(kù)”相結(jié)合的綜合治理措施。

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