新疆古尔班通古特沙漠输水明渠风沙防护工程措施

2022-09-11

古尔班通古特沙漠位于准噶尔盆地中的南部, 面积4.88万km2, 是全国第二大沙漠, 也是全国最大的固定, 半固定沙漠。随着新疆北部重点工程的快速实施, 水利工程必须在沙漠中兴建, 对沙漠沙的防护工程研究显的尤为关键, 几年来我们通过收集分析国内沙漠公路和沙漠渠道的风沙防护施工经验, 并结合中科院新疆生物沙漠研究所对风沙活动特征、沙漠环境变迁进行专题研究, 以及对沙漠气象进行观测, 从中获得了许多基础资料, 并进行综合分析研究, 为沙漠输水明渠的风沙防护工程提供了大量的基本技术数据, 确定了沙漠明渠风沙防护工程的实施提供了可靠依据。

1 古尔班通古特沙漠主要自然特性

古尔班通古特沙漠腹地的水源仅靠天然降水, 年降水量在70mm~120mm, 主要集中在5~8月与10~12月, 冬季积雪覆盖, 气候湿润, 有利植被生存, 而夏季年蒸发十分强烈, 蒸发量达2800mm~3000mm。沙漠局部有相对较多的降水, 为荒漠植被提供了较好生存条件, 在春季短命, 类短命植物, 一年生植物发达, 夏季多年生植物发达, 植被覆盖度可达到30%以上, 连同生物结被覆盖度可达80%, 这些植被对减弱近地面风力, 保护沙面, 减轻风沙活动提供了极为重要的作用。野外考察发现植被如遭破坏, 沙丘将立即活化。

沙漠内部沙丘形态主要为沙垄和树枝状沙垄, 它们占固定和半固定沙漠面积的50~80%, 其次为粱窝状沙丘 (沙垄—蜂窝状沙丘和粱窝状沙丘) , 沙漠边缘地区亦有很少量的新月型沙丘 (链) , 除新月型沙丘 (链) 外, 其它各类沙丘一般都不移动, 仅在半固定沙丘顶部存在脊线摆动。沙垄形态不太对称, 一般西坡 (西北坡) 为迎风坡, 缓而长, 坡度12~17度, 东坡短而陡, 坡度29~32度, 沙垄顶部因受风蚀形成狭带状流沙;粱窝状沙丘, 一般形态高大, 高30m~50m。

2 沙漠明渠的风沙危害

据调查明渠沿线固定沙丘植被覆盖度40%~50%, 半固定沙丘植被覆盖度15%~25%, 同时在沙垄和沙丘中、下部及垄间地带覆盖着一层厚约1cm黑色的由微生物及地衣类组成的结被, 植被与结被合计占沙漠面积的80%。

沙漠风沙活动主要集中在沙垄顶部, 而垄间地风沙活动极为微弱, 沙粒的起沙风速为5m/s, 起沙风主要集中于东北风 (多在冬季) 和西北风 (多在夏季) 。同时沙漠地段夏季气流活动强烈, 大的起沙风较多, 观测表明, 80%的流沙在距地表面0cm~10cm高度内运行, 8%的流沙在10cm~20cm高度内运行, 在20cm~30cm高度的气流层内搬运的沙量仅占5%左右。

沙漠风沙对输水明渠的危害主要在于活动沙丘的风沙流, 根据彩南气象站实测, 199 5年4~9月输沙量约为656 9t/k m, 并以此推算, 估计在170.83km渠道段面上将通过约111.93万吨沙量。同时, 工程施工对沙漠固定或半固定状态的破坏, 将导致沿输水线两侧一定范围内沙丘活化, 致使风沙流更为严重, 需要采取固沙和治沙措施, 人工消除施工破坏造成后果, 以防止沙丘的活化。

3 沙漠明渠的防护措施

(1) 工程防护措施。

在沙漠明渠开挖后, 明渠两侧的坡面被破坏, 坡面属活化的沙面, 同时施工破坏限制区的沙漠也被活化, 需立即进行固沙工程防护, 工程防护措施先建草方格及必要的阻沙、导沙工程, 临时固定沙面, 然后在防护带两侧边缘建成一道连续的立式挡沙沙障, 将外来风沙进行拦截, 这样在临时状态下, 可基本将沙源阻断, 起到保护作用。

(2) 生物防护措施。

由于该沙漠属固定、半固定沙漠, 根据这一特性其初步确定明渠工程的永久性防护应以生物防护为主, 即初期采取快速见效的工程防护, 并同时进行生物防护建设, 待生物带见效后永久取代工程防护。

由于沙漠风沙流是其主要沙害, 而风沙流输沙, 主要集中在地面0cm~20cm的流沙层中, 故初期种植极耐干旱, 耐沙埋的先锋沙生植物进行第一道挡沙沙障, 同时在沙垄坡脚处建由柽柳, 沙拐枣, 木蓼等灌木组成第二道挡沙林带, 在临渠两侧, 公路外侧建第三道挡沙林带。然后在这三条立式挡沙林带之间施工破坏复活沙面建1m×1m草方格, 与行列式草沙障结合, 播种种籽, 起到永久阻沙, 滞沙作用;而在防护带内的非活动沙面, 只采取加密补种措施。

对填方段除了按上述原则营造防护体系外, 在填方平台外侧约10m宽范围内种植高大灌木带, 边坡上每5m种一排沙拐枣, 坡脚中10m宽的沙拐枣, 柽柳等混合林带, 渠堤坡面初期设草方格, 在其中广种灌草类植物固沙护面, 可使填方面最终形成一层厚2m~4m植物根系固结的盖层, 它即起固沙作用, 又可起生物反滤盖的重层作用, 防止渠道填方段因渗漏造成渠堤管涌与流土破坏。

4 沙漠明渠防护带宽度的确定

(1) 工程防护带宽度的确定。

工程防护措施是采取阻沙, 固沙方式是将行进中的风沙阻止在距输水道线一定距离之外。根据沙漠明渠输水的特点, 参考陕西榆林和塔克拉码干沙漠公路及甘肃通往民勤的沙漠渠道 (暗渠) 施工经验, 渠两侧沙漠被破坏区宽度约50m~100m左右, 沙漠公路防风固沙经验, 上风侧500m左右, 下风侧200m左右, 故阻沙工程防护带的范围初步确定为150m~300m。

(2) 生物防护带宽度的确定。

古尔班通古特沙漠活动部分仅分布在部分沙丘和沙垄的顶部, 据此特点, 保护工程的边界应以永久性生物防护措施为主防护的边界初拟其极限宽度范围为渠线两侧的沙垄、沙丘顶部;垄、丘脊的联线之间的条带状地带, 当这两条联线上风侧超过500m时, 防护带宽度取500m, 当小于500m时, 防护宽取实际值, 下风侧超过200m, 防护带取200m, 当小于200m取实际值。对风口风沙流集中带, 防护带应适当加宽。

5 生物防沙的植物种类选择

根据中科院生物土壤沙漠所对该段沙漠环境变迁的研究, 结合本工程特点, 和能够在该沙漠中生存的条件, 选定了如下生物防沙的植物种类: (1) 在沙垄或沙丘顶部选择种植白梭梭、沙拐枣、沙蒿和柽柳进行植物固沙; (2) 在沙垄迎风坡加密种植选择梭梭、白刺、沙拐枣、霸王和驼绒黎; (3) 在沙垄背风坡加密种植灌木, 选择柽柳、沙拐枣和梭梭等; (4) 在沙垄的垄间及丘间洼地种植灌草, 选择先锋植物三芒草和沙蒿和替带植物巨叶麦、木蓼和驼绒黎; (5) 在工程施工破坏区, 远离渠道, 灌溉不宜的草方格内, 种植柽柳、沙拐枣、沙枣锦鸡儿; (6) 在工程施工破坏区, 近水源或高填方边坡的护坡区种植锦鸡儿、麻黄、沙冬青和甘草等景观固沙护坡植物; (7) 在临渠两侧的近水源区, 种植柽柳、胡扬、沙拐枣、沙枣、白榆和铃铛刺等高大沙生灌木。

6 生物防护体系构建

针对沙漠防护体系的复杂性, 在其边缘建成第一条连续的立式挡沙沙障, 这道沙障初期采用尼龙围网, 在围网处同时种植极耐干旱和耐沙埋的白梭梭、沙拐枣和沙蒿柽柳, 密植宽度10m左右, 适宜生长高度达1.0~1.5m, 形成混合灌木挡沙林带形成第一道拦沙屏障;之后在落沙坡和坡脚密植梭梭、白刺、沙拐枣、霸王和驼绒黎等灌草, 形成覆盖度达60%~70%, 适宜高度0.6 m~1.2 m的阻沙、滞沙带, 形成第二道拦沙屏障, 此刻基本外来沙已被阻断。施工破坏区即临渠两侧被破坏的沙面极待恢复, 这时在远渠侧草方格内密植和播洒草种, 种植三芒草、巨叶麦、沙蒿、木蓼、沙拐枣、驼黎绒、锦鸡儿、柽柳等固沙灌木和草类, 使其覆盖度达80%, 植株高度0.4m~1.2m, 此时便可将80%的风沙流阻断, 形成第三道混合灌草林带和永久草方格屏障。

永久草方格的形成是充分利用灌草生命力极强的特性, 在风力和天然降水的作用下, 在草方格内萌芽生根, 彻底替代临时草方格建成永久的生物方格, 同时腐烂的植物和草方格为生物的生长提供了有利条件。

7 结语

在该工程施工中对渠道两侧的原沙漠活化带和施工扰动活化带均采用工程防护和生物防护措施进行了防护, 工程已于2005年9月顺利竣工试通水, 同近两年的运行管理, 防护带内植被生长良好, 以形成了一道良好的绿色风沙防护屏障, 为工程沙漠明渠的安全运行奠定了坚实的基础。

摘要：新疆北水南调工程输水明渠在由北向南横穿古尔班通古特沙漠, 全长170.38km, 是目前世界上最长的沙漠输水工程。沙漠明渠风沙防护无疑是保证沙漠明渠正常运行的关键问题, 即通过防护措施达到固沙、阻沙、导沙和输沙, 以消除沙埋、沙蚀、沙割等危害。本文对该工程风沙防护措施结合试验、研究和分析及行了总结。

关键词：沙漠明渠,风沙防护,工程防护,生物防护