河西走廊風(fēng)沙災(zāi)害對水利工程的危害程度評價

何有華，張曉虹，景凌云

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730021)

河西走廊風(fēng)沙災(zāi)害對水利工程的危害程度評價

何有華，張曉虹，景凌云

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730021)

風(fēng)沙災(zāi)害；水利工程；危害程度；河西走廊

河西走廊干旱少雨、風(fēng)大沙多，風(fēng)沙對水庫及渠系的填埋淤積嚴(yán)重。以水庫為研究對象，選擇地形地貌、年均降水量、年均大風(fēng)日數(shù)、自然植被覆蓋率、年平均風(fēng)速及排沙設(shè)施為評價因素，分析計算了河西走廊141座水庫的風(fēng)沙危害程度指數(shù)，并應(yīng)用該指標(biāo)將水庫受風(fēng)沙危害程度劃分為無明顯危害、輕度危害、中度危害、重度危害和極險5個等級，列出了32座亟待進(jìn)行風(fēng)沙危害防治的水庫目錄。

河西走廊沃野千里，地面自南向北傾斜，河流比降大，易于灌溉，決定了水利開發(fā)工程造價低廉，這為河西地區(qū)開發(fā)水利提供了較為有利的地形條件。在水利工程建設(shè)的前提下，有了河西走廊綠洲的繁榮，使河西地區(qū)成為國家重要的商品糧基地、甘肅主要的工業(yè)基地和西北地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障。但騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠在河西走廊北部幾乎由東向西貫通，風(fēng)大沙多，致使當(dāng)?shù)夭糠炙こ涕L期遭受風(fēng)沙填埋，水庫有效庫容減少、調(diào)蓄功能降低，渠系被填埋，不但減少了有效灌溉面積，而且每年要投入大量的人力財力進(jìn)行渠系清淤。為提高水資源的時空調(diào)控與配置能力，完善水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與保護(hù)，對河西走廊水利工程的風(fēng)沙危害程度進(jìn)行評價，并提出相應(yīng)的防治建議，不但必要，而且迫切。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域自然概況

本次研究范圍僅為河西走廊甘肅省內(nèi)陸河流域范圍，包括蘇干湖、疏勒河、黑河、石羊河4個水系，不包括內(nèi)蒙古自治區(qū)的范圍；在行政區(qū)劃上，包括嘉峪關(guān)、金昌、酒泉、張掖、武威五市(區(qū))。研究區(qū)土地總面積約270 024 km2，占全省總土地面積的59.42%[1]。區(qū)內(nèi)地勢平緩開闊，海拔1 500 m左右。由于干燥少雨，地表徑流較為貧乏，因此流水作用對地面的沖刷和切割微弱，但風(fēng)的活動十分活躍，成為塑造地貌的重要外營力，易產(chǎn)生強(qiáng)烈的風(fēng)蝕和風(fēng)積作用，形成各種風(fēng)沙地貌[2-3]。中部平原土層深厚地帶的各條內(nèi)陸河沿河沖積平原土質(zhì)肥沃、引水灌溉條件好，便于開發(fā)利用，形成武威、張掖、酒泉等大片綠洲，地貌景觀上表現(xiàn)為綠洲農(nóng)業(yè)景觀；其余廣大地區(qū)以風(fēng)力作用和干燥剝蝕作用為主，戈壁和沙漠廣泛分布，特別是嘉峪關(guān)以西地區(qū)，戈壁面積廣大，綠洲面積更小。區(qū)內(nèi)荒漠地帶以灰棕漠土、鹽土、風(fēng)沙土、灰鈣土為主，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差，易被吹蝕。走廊地帶屬溫帶荒漠草原植被帶，植被稀疏，結(jié)構(gòu)簡單，種類較少，以旱生、超旱生短命植物為主，植被覆蓋度低，地表多裸露。氣候類型屬于溫帶大陸性干旱氣候，自然降水總的分布趨勢是由東南向西北遞減，絕大部分地區(qū)年降水量在150 mm以下，西部年降水量在100 mm以下，其中敦煌、瓜州、鼎新年降水量小于60 mm，敦煌僅42.2 mm，是河西年降水量最少的地方。區(qū)內(nèi)多大風(fēng)，年大風(fēng)日數(shù)的分布和降水量的分布正好相反，西部的瓜州高達(dá)70.7 d，為最多，東部的古浪4.4 d，為最少；年沙塵暴日數(shù)北部的民勤最多，為27.4 d，南部的肅南最少，為1.4 d[4]?？偟臍夂蛱攸c(diǎn)是干旱少雨，風(fēng)大沙多，光照充足，晝夜溫差大。

1.2 區(qū)域水資源及水利設(shè)施情況

水利工程的建設(shè)是河西地區(qū)綠洲存在和發(fā)展的前提，當(dāng)?shù)厮Y源總量占全省的23.81%，而水澆地的面積為6 635 km2，占全省水澆地面積的67.67%[1]，成為甘肅省重要的糧食基地。同時，在全省未利用的土地面積中，河西地區(qū)未利用土地面積占全省的89.55%，主要受水資源總量的限制以大片的戈壁和沙漠形式存在，說明降水和水資源對當(dāng)?shù)赝恋亻_發(fā)利用的重要性。其水資源及水庫建設(shè)情況匯總于表1。

表1 河西地區(qū)水資源及大中型水庫建設(shè)情況匯總

2 風(fēng)沙對水利工程的危害情況調(diào)查

河西地區(qū)風(fēng)沙對水利工程最直接的危害表現(xiàn)在對水庫和渠系的填埋上，但是，風(fēng)沙對水庫的填埋在很多時候容易被忽視，這是因為其危害在初期并不明顯，往往是隨著日積月累，當(dāng)填埋的泥沙影響到水庫調(diào)蓄功能進(jìn)而影響到正常灌溉的時候，人們才意識到危害已經(jīng)很嚴(yán)重。查閱有記載的沙塵暴危害，每次沙塵暴過后，在調(diào)查統(tǒng)計上報災(zāi)情的時候，通常是從能直觀看到的方面進(jìn)行統(tǒng)計，比如損毀民房、樹木、日光溫室、電桿電線多少等，偶爾能見到填埋水渠多少公里的報道，從未見過填埋水庫、減少庫容損失方面的統(tǒng)計材料。但通過在河西地區(qū)的典型調(diào)查可知，風(fēng)沙對水庫和渠系的危害是相當(dāng)嚴(yán)重的。

以酒泉市金塔縣解放村水庫和鴛鴦池水庫為例，鴛鴦池水庫始建于1943年，解放村水庫始建于1969年，這兩座水庫均處于黑河一級支流北大河下游的戈壁平原上，為聯(lián)合調(diào)蓄的姊妹庫，白水泉沙系從北、西北、西包圍著庫區(qū)，流沙長驅(qū)直入，沉積水庫。據(jù)2007年的調(diào)查資料，鴛鴦池水庫有效庫容減少了4 700萬m3，占總庫容的27%，減少有效灌溉面積3 468 hm2；解放村水庫有效庫容減少了1 100萬m3，占總庫容的28.2%，減少有效灌溉面積800 hm2，水庫的調(diào)蓄功能受到嚴(yán)重影響，造成的經(jīng)濟(jì)損失不可估量，同時對鴛鴦灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民群眾的生存構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[5-6]。再以1970年建成的酒泉市瓜州縣榆林河水庫為例，榆林河水庫設(shè)計庫容為700萬m3，據(jù)榆林河水管所提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)，至2008年已淤積庫容325萬m3，占到了設(shè)計庫容的46%，使水庫的調(diào)蓄功能嚴(yán)重下降。關(guān)于風(fēng)沙對渠系的填埋危害，我們在酒泉市境內(nèi)進(jìn)行了調(diào)查，干渠平均每年的填埋量約為873 m3/km，支渠約為173 m3/km，冬春季節(jié)部分渠段被風(fēng)沙填平，到灌溉季節(jié)只能通過推土機(jī)在渠內(nèi)推開一條輸水渠道，再通過“引水拉沙”疏通渠道，而泥沙隨水流進(jìn)入灌區(qū)，還會淤積堵塞渠系建筑物，壓埋作物幼苗，造成農(nóng)作物減產(chǎn)等經(jīng)濟(jì)損失。

3 風(fēng)沙對水利設(shè)施的危害程度評價

3.1 評價因素的確定

風(fēng)沙對水利設(shè)施的危害是多種因素造成的，包括自然因素和人為因素。通過調(diào)查，筆者認(rèn)為就河西地區(qū)的水利設(shè)施而言，其主要影響因素是自然因素，人為因素一般體現(xiàn)在建設(shè)排沙設(shè)施或防護(hù)林等有利于減輕風(fēng)沙危害的影響方面。

3.1.1 氣候因素

氣候因素是形成風(fēng)沙地貌的最主要因素，沙漠和戈壁首先是干旱氣候的產(chǎn)物。

(1)降水因素。河西走廊地帶大多地區(qū)年降水量在150 mm以下，同時降水的一個主要特征是連續(xù)無降水時間長，冬春季幾乎無有效降水。這種干旱的氣候特征使土壤干燥松散，地表沙殼結(jié)皮不易形成，遇起沙風(fēng)速沙土易被搬運(yùn)吹揚(yáng)[7]。更主要的是，干旱的氣候特征不利于自然植被的存活，使地表裸露、沙源廣布，為風(fēng)沙活動提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)大風(fēng)因素。裸露地表在風(fēng)的動力作用下，發(fā)生吹蝕、分選、搬運(yùn)、沉積，形成風(fēng)沙地貌。根據(jù)已有研究成果，使沙粒開始移動的臨界風(fēng)速，即起沙風(fēng)速，在2 m高度以上為4.5～5.0 m/s[8]。而河西地區(qū)大風(fēng)(≥17 m/s)日數(shù)多，尤其是走廊西段的酒泉市，所轄范圍大風(fēng)日數(shù)多，起沙風(fēng)日數(shù)更多，有時一場大風(fēng)便能將遠(yuǎn)離綠洲的水利干渠填埋。

(3)植被因素。植被覆蓋度與地表風(fēng)蝕強(qiáng)度有極為密切的負(fù)相關(guān)關(guān)系。河西走廊不但干旱少雨，而且晝夜溫差大，地表溫度日變化劇烈。這種干旱少雨和冷熱巨變的氣候特點(diǎn)極不利于植被的存活和生長，限制了植物的生長、發(fā)育，造成植物種類貧乏、植被結(jié)構(gòu)簡單、景觀單調(diào)，多為旱生、超旱生的短命植物，覆蓋稀疏，并有大面積完全無植被覆蓋的裸露地表。裸露沙質(zhì)地表在起沙風(fēng)速的作用下被吹揚(yáng)，遇渠系、水庫等水利工程時沉積，造成對渠系和水庫的填埋。

3.1.2 地形地貌因素

地形因素主要是考慮水庫所在地點(diǎn)屬于峽谷地形還是平原地形。峽谷地形處的水庫一般因溝谷兩側(cè)的山體會阻隔風(fēng)沙的直接侵入，風(fēng)沙危害程度較輕；如果是平原地形，則外圍沙源無自然山體阻隔，會直接進(jìn)入水庫，風(fēng)沙危害程度較重。地貌因素主要是指下墊面的物質(zhì)組成及其粒徑級配，與抗風(fēng)蝕強(qiáng)度直接相關(guān)，如風(fēng)沙地貌和綠洲地貌的地表物質(zhì)組成不同，其土壤含水量、土壤黏性等不同，抗風(fēng)蝕強(qiáng)度會有很大差異；同為風(fēng)沙地貌的情況下，不同地表物質(zhì)粒徑級配不同，其對應(yīng)的起沙風(fēng)速、沙粒運(yùn)移形式、吹揚(yáng)距離等也大不相同，對水庫的危害程度有很大差別。

3.1.3 工程因素

水利工程本身的防沙害功能設(shè)計和建設(shè)在風(fēng)沙區(qū)相當(dāng)重要，對工程的淤積年限、清淤費(fèi)用、灌溉保障程度等均有很大影響，如水庫有無排沙洞建構(gòu)物，輸水工程是明渠、箱涵還是管道等因素。本文以水庫為分析評價對象，只考慮水庫有無排沙設(shè)施單個工程因素。經(jīng)調(diào)查，河西地區(qū)水庫排沙洞的功能不能得到完全發(fā)揮，主要原因是在需要敞閘排沙的夏秋季節(jié)，是灌溉用水的高峰期，需要集所有水資源保障灌溉用水需要，在冬季非灌溉季節(jié)有余水沖沙，但庫底泥沙多已處于凍結(jié)狀態(tài)，沖沙效果不理想。

3.2 各評價因素及其權(quán)重的確定

因風(fēng)沙危害的隨意性和無邊界性，其影響因素是非常龐雜的，根據(jù)河西地區(qū)的自然情況和評價對象，我們選擇了排沙設(shè)施、地形地貌、年均降水量、年均大風(fēng)日數(shù)、自然植被覆蓋率、年平均風(fēng)速6項評價因素，并在實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，分別對各水庫的各項評價因素賦予分值，分值越高，其危害程度越強(qiáng)。各評價因素及其賦分標(biāo)準(zhǔn)如表2。在確定了各評價因素后，需對各因素的影響權(quán)重進(jìn)行分析確定，目前關(guān)于各影響因素的權(quán)重比例未查到相關(guān)研究成果，在本次評價中，通過走訪、咨詢有關(guān)專家和當(dāng)?shù)厮芾砣藛T，用專家評分法確定了各評價因素的權(quán)重，詳見表3。

3.3 危害程度等級劃分

在確定了評價因素和各因素的影響權(quán)重后，提出了“風(fēng)沙危害程度指數(shù)”的概念，即各評價因素的賦分值與其權(quán)重之積的總和，并以此來劃分危害程度等級。計算公式為

式中：T為風(fēng)沙危害程度指數(shù)；Si為各評價因素的賦分值；Ki為各評價因素所占權(quán)重。

表2 水庫風(fēng)沙危害程度評價因素賦分標(biāo)準(zhǔn)

表3 水庫風(fēng)沙危害程度評價因素權(quán)重分配

依據(jù)各評價因素的賦分和權(quán)重，計算出各水庫的風(fēng)沙危害程度指數(shù)，指數(shù)越高，危害等級越高。共劃分了5個等級，詳見表4。

表4 水庫風(fēng)沙危害程度分級標(biāo)準(zhǔn)

3.4 評價結(jié)果

通過計算河西地區(qū)大中小型141座水庫的風(fēng)沙危害程度指數(shù)，結(jié)果表明，無明顯危害的有11座，輕度危害的有61座，中度危害的有37座，重度危害的有19座，極險的有13座，見表5。將評價結(jié)果重新與現(xiàn)場調(diào)查相印證，筆者認(rèn)為，對重度和極險危害等級的水庫需盡早采取風(fēng)沙災(zāi)害防治措施，以確保水庫持續(xù)發(fā)揮應(yīng)有作用，并將重度以上危害等級的水庫目錄列于表6。

表5 水庫風(fēng)沙危害程度評價結(jié)果匯總

表6 河西地區(qū)亟待進(jìn)行風(fēng)沙危害防治的水庫目錄

4 結(jié)論與建議

(1)河西地區(qū)風(fēng)沙對水利工程危害的主要影響因素是自然因素，一般為地形地貌、年均降水量、年均大風(fēng)日數(shù)、自然植被覆蓋率、年平均風(fēng)速等；人為因素一般體現(xiàn)在建設(shè)排沙設(shè)施或建設(shè)防護(hù)林等有利于減輕風(fēng)沙危害的正面影響方面。河西地區(qū)水利工程受風(fēng)沙危害的程度有由東向西、由南向北加重的地帶性分布規(guī)律，與降水量等值線的分布正好相反，說明自然因素尤其是氣候因素是形成風(fēng)沙災(zāi)害、填淤水庫的最主要因素。

(2)大中型水庫受風(fēng)沙危害程度較小型水庫輕，注入式小型平原水庫受風(fēng)沙危害程度最為嚴(yán)重。這主要與水庫所處地理位置及地形有關(guān)，大中型水庫多處在低山丘陵的峽谷位置，而小型水庫大多位于戈壁平原與綠洲的交匯地帶，無自然山體阻隔，風(fēng)沙容易直入水庫，侵占庫容。

(3)依據(jù)風(fēng)沙危害程度指數(shù)，將河西地區(qū)水庫受風(fēng)沙危害程度劃分為無明顯危害、輕度危害、中度危害、重度危害和極險5個等級，列出了亟待進(jìn)行風(fēng)沙危害防治的32座水庫目錄，其中重度危害19座、極險13座，除民勤縣紅崖山水庫外，其余均分布在河西走廊西端的嘉酒地區(qū)，建議盡快進(jìn)行風(fēng)沙災(zāi)害綜合防治，以減輕危害程度，減緩風(fēng)沙填埋進(jìn)程。

[1] 甘肅水利年鑒編委會.2012甘肅水利年鑒[M].武漢:長江出版社,2013：471-484.

[2] 趙松喬.中國干旱地區(qū)自然地理[M].北京:科學(xué)出版社,1985：18-20.

[3] 程弘毅.河西地區(qū)歷史時期沙漠化研究[D].蘭州:蘭州大學(xué),2007：55-63.

[4] 楊曉玲,丁文魁,董安祥,等.河西走廊氣候資源的分布特點(diǎn)及其開發(fā)利用[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2009,30(z1):1-5.

[5] 楊根生,黃重生,鄒桂香,等.沙漠水庫風(fēng)沙填淤沙量的研究——以金塔解放村水庫為例[J].中國科學(xué)院蘭州沙漠研究所集刊,1982(2):109-121.

[6] 王來田,李軍,丁愛軍,等.戈壁、流動沙丘地帶生物治沙滴灌節(jié)水試驗分析[J].中國沙漠,2004,24(6):815-819.

[7] 趙哈林.沙漠生態(tài)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2012：349-357.

[8] 陳廣庭.沙害防治技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004：36-46.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

S157

A

1000-0941(2015)02-0058-04

何有華(1965—)，男，甘肅靜寧縣人，教授級高級工程師，學(xué)士，主要從事水土保持生態(tài)規(guī)劃與設(shè)計工作。

2014-04-15