獅泉河盆地風沙災(zāi)害治理工程研究

獅泉河盆地風沙災(zāi)害治理工程研究

風災(zāi)現(xiàn)場在中國北方非常嚴重。我國政府一直十分重視對風沙災(zāi)害的治理,已取得綠洲防護體系、區(qū)域性荒漠化土地綜合整治方面的許多成功先例。然而由于自然和社會經(jīng)濟條件限制,青藏高原的風沙災(zāi)害問題到20世紀80年代才正式引起科學家和政府部門的重視,相繼在風沙災(zāi)害類型、分布、成因、發(fā)展趨勢、防治對策等方面取得了重要進展,但區(qū)域性尤其是城鎮(zhèn)的風沙災(zāi)害防治理論與應(yīng)用工程研究仍處于探索階段。中國科學院蘭州沙漠研究所(原)在全面調(diào)查風沙災(zāi)害特征的基礎(chǔ)上,率先開展了西藏阿里地區(qū)獅泉河盆地的城鎮(zhèn)風沙災(zāi)害及其整治研究,并完成了獅泉河盆地第一期防沙工程的規(guī)劃和設(shè)計。遺憾的是由于種種原因,該設(shè)計方案并未得到落實。由于日益嚴重的風沙災(zāi)害,獅泉河鎮(zhèn)一度面臨被迫搬遷的威脅。面對這一嚴峻形勢,在西藏自治區(qū)政府的支持下,作者等人從1998年開始對獅泉河盆地的風沙災(zāi)害特征及其綜合整治進行了系統(tǒng)研究,相繼完成了獅泉河盆地第二期和第三期治沙工程的規(guī)劃和設(shè)計,并已得到實施(2000-2004年)。獅泉河盆地是青藏高原西北部的一個內(nèi)陸河谷盆地。受新構(gòu)造運動和河流擺動影響,在岡底斯山脈的兩條支脈巴康塔木切隆山和孔龍琚山之間形成東西長約30km,南北寬5~10km的狹長盆地。按地貌形態(tài)和沉積物特點,可將盆地劃分為4個地貌區(qū),即森格藏布沖積、風積區(qū)、砂礫質(zhì)戈壁區(qū)、山前砂礫質(zhì)丘陵區(qū)和剝蝕石質(zhì)山地區(qū)。獅泉河鎮(zhèn)位于盆地東北部(圖1),地貌部位屬于森格藏布現(xiàn)代沖積、風積區(qū),海拔高度4200m以上。獅泉河(森格藏布)自東北向西南貫穿盆地中央,是僅有的常流性河流。獅泉河盆地自然條件極為嚴酷,年平均氣溫僅為0.2℃,年降水69.5mm,蒸發(fā)則達2450.2mm,屬典型的高寒溫帶季風極端干旱氣候。它是中國西部邊陲重要的政治、經(jīng)濟、軍事中心,人口約3.5萬。惡劣的生態(tài)環(huán)境是制約獅泉河鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展的主要原因。1沙害的發(fā)生和特征1.1盆地內(nèi)部沙與粉沙組分含量的變化干旱多風的氣候、豐富的地表沙源、稀疏的植被是獅泉河盆地風沙災(zāi)害的主要原因。獅泉河盆地上空的大氣環(huán)流主要受高空西風帶控制,近乎東西向的狹長山間河谷盆地地形,使偏西風進入河谷地帶后,產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”,氣流很快被加速,形成盛行的強偏西風。根據(jù)獅泉河鎮(zhèn)氣象站資料,盆地多年平均風速為3.0m·s-1,年平均風速≥6.0m·s-1的風速累積時間達1470h,其中(6m·s-1的偏西風累積時間1212h(表1)。1962-1975年間出現(xiàn)≥17m·s-1的大風日數(shù)多達113.4d·a-1,1976-2001年間的大風日數(shù)減少為40d·a-1(圖2(a))。而最大瞬時風速可達23m·s-1。獅泉河盆地周圍基巖山地在長期剝蝕風化的地質(zhì)作用下形成大量的風化碎屑物,經(jīng)重力、流水和風力搬運而沉積于盆地的各個地貌部位,并使得地表沉積物中沙與粉沙相對集中,有的以夾層形式出現(xiàn),有的直接覆蓋地表。因此,盆地內(nèi)部的地表沉積物中普遍含有較大比例的沙與粉沙組分(表2),這些組分為風沙活動提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。極度干旱的氣候?qū)е屡璧貎?nèi)廣大沙礫質(zhì)地表以及山坡基巖風化物一般無植被生長,即使在獅泉河沿岸,也只是散生或片狀分布少量的秀麗水柏枝(Myriaelegans)、變色錦雞兒(Caraganaversicolor)和藏西蒿(Artemisiatibetica)等灌叢以及稀疏的針茅與禾草群落。地表絕大部分處于裸露或半裸露狀態(tài),松散的沙質(zhì)地表直接暴露于風力作用之下。上世紀50-70年代,當?shù)鼐用駥χ脖坏臍缧云茐氖菍?dǎo)致植被消失的主要原因之一。植被條件的顯著變化對沙塵日數(shù)劇增扮演了非常重要的角色:在1970年之前,年大風日數(shù)遠高于1962-2001年間的平均數(shù),年降水量相對較低,但年沙塵日數(shù)卻明顯少于1962-2001年間的平均值(圖2(a));相反,1970年以后年降水量略有增加,大風日數(shù)低于平均值,而年沙塵日數(shù)大大超過平均值?？梢?沙塵日數(shù)與大風日數(shù)之間并沒有密切的相關(guān)性,沙塵天氣更重要的是地表條件(主要是植被)發(fā)生改變的產(chǎn)物。1.2：年際、月際和日變化沙丘主要分布在獅泉河盆地的西部,面積較小,但由于整個盆地地表都是松散的沙礫質(zhì)沉積物,由風力作用引起的風蝕、風沙流、風沙沉積、沙丘前移和粉塵吹揚等風沙活動過程卻十分強烈。就盆地內(nèi)部的風沙活動過程而言,在空間上存在明顯的區(qū)域性差異。在現(xiàn)代沖積、風積區(qū),西部鹽堿、沼澤地區(qū)以風蝕和風沙流為主;中、東部形成斑塊狀積沙區(qū),表現(xiàn)為零星分布的沙丘和灌叢沙堆,風沙活動以風沙沉積和沙丘前移為主。其它地區(qū),包括舒緩砂礫質(zhì)戈壁區(qū)、山前砂礫質(zhì)丘陵區(qū)和剝蝕石質(zhì)山地區(qū)除局部地區(qū)因地形變化和植被阻擋,存在一些風沙沉積和沙丘前移過程外,大部分地區(qū)以風蝕和戈壁風沙流過程為主。風沙活動期間,被風力吹揚起來的粉塵和極細沙部分,則在整個盆地上空形成沙塵暴天氣。在時間上,風沙活動存在年際、月際和日變化。根據(jù)獅泉河鎮(zhèn)氣象站多年觀測統(tǒng)計資料,1962-2001年間多年平均沙塵天氣為17.35d,但年際變率很大(圖2(a))。年內(nèi)的沙塵天氣主要發(fā)生在1-6月(圖2(b)),占全年沙塵天氣的64%。除非有大的天氣系統(tǒng)過境,沙塵天氣一般在一天中的14~20h發(fā)生。戈壁風沙流分布高度大且聚集的能量高,具有極強的破壞力,一旦遇到障礙物即發(fā)生積沙現(xiàn)象和強烈的打磨作用。獅泉河鎮(zhèn)位于風蝕、風積和戈壁風沙流區(qū)的下風向,受過境風沙流的強烈侵襲。長期以來造成城鎮(zhèn)附近草地退化、積沙掩埋城鎮(zhèn)建筑物和街道、毀壞水利設(shè)施、阻塞交通等問題。據(jù)不完全統(tǒng)計,上世紀70年代以來,位于獅泉河北岸的風口區(qū)和南岸的戈壁區(qū)的建筑物被流沙埋壓約146間。街道積沙厚度0.2~0.4m,房前屋后積沙0.5~2.0m,人車通行困難。當?shù)卣?989年10月在縣城西南和西北30m處修建了一條高1.9m、長450m的擋沙墻,但在隨后的6個月內(nèi)就被流沙摧毀。此外,沙塵天氣造成嚴重的大氣環(huán)境污染,干擾通訊線路,嚴重干擾城鎮(zhèn)居民的正常生產(chǎn)和生活。2獅泉河-普蘭公路典型案例獅泉河盆地風沙災(zāi)害防治工程在獅泉河鎮(zhèn)以西、獅泉河-普蘭公路兩側(cè)平均4km的戈壁區(qū)實施。防治措施主要由礫石沙障、防護林帶和人工草地組成,灌溉系統(tǒng)僅作為生物工程的輔助措施。2.1砂石障礙2.1.1沙障對單次沙障的控制作用礫石沙障主要作用有兩個,一是增大地表粗糙度,降低近地表風速,抑制地表風蝕起沙,同時減小氣流的挾沙能力,促使戈壁風沙流沉降堆積。二是有效保護礫石沙障間剛剛栽種的植物幼苗。治沙工程中常見的阻沙柵欄、行列式沙障、草方格沙障、粘土沙障等措施沒有被選擇,其原因是當?shù)厝狈@些材料,如果從其他地方購買,運輸費用過高。此外,在獅泉河盆地這樣的沙礫質(zhì)地表進行施工將十分困難。礫石沙障屬于緊密型防風阻沙工程措施。劉賢萬認為單列緊實沙障前后的繞流和能量分布形勢屬于剪切流下的二元平板繞流。在沙障前后兩側(cè)近地面處分別有一個阻滯回流低速區(qū)和反向回流低速區(qū)。對單個礫石沙障進行的風洞模擬實驗表明,當風洞軸心風速為10m·s-1時,沙障背風側(cè)距地表0.1m高度處,3H,5H,9H,10H,13H,15H處相同高度測得的風速依次為4.8,4.2,5.7,6.3,7.7,8.6m·s-1,分別比軸心風速降低了52%,58%,43%,37%,23%和14%,5~15H之間流速基本表現(xiàn)為線性回升,28H以遠恢復(fù)到軸心風速。上述實驗在中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所風洞實驗室完成,礫石沙障按1∶6模型縮小,即模型橫截面尺寸為底寬0.3m、高0.2m的三角形。在礫石沙障對戈壁風沙流影響的風洞模擬實驗中,將3條礫石沙障模型平行設(shè)置,間距為14H即2.8m,并與風洞軸線方向垂直。沙障之間以及第一條沙障上風向鋪設(shè)在工程區(qū)采集的沙礫石物質(zhì)(圖3(a))。在軸心風速分別為10m·s-1和15m·s-1條件下,分別吹蝕5min和2min。結(jié)果顯示,各條沙障前后的回流低速區(qū)沉積了不同質(zhì)量的沙物質(zhì)(圖3(b),3(c)),其中第一條沙障前后沉積的沙物質(zhì)最多,第二條次之,第三條最少。這一現(xiàn)象間接地反映了多條沙障對近地面流場的削弱作用遠大于單條沙障。2.1.2參數(shù)(1)盆地沙障走向確定理論上,沙障走向與主害風向垂直時治沙效果最佳。但沙障間的林、草植物需要灌溉才能成活,為了實現(xiàn)自流灌溉,必須根據(jù)地形和灌溉系統(tǒng)的布局,在綜合考慮沙障治沙效果和自流灌溉兩個因素基礎(chǔ)之上而確定沙障走向。根據(jù)獅泉河鎮(zhèn)氣象站資料,獅泉河盆地優(yōu)勢主風向為274.1°。在獅泉河盆地風沙災(zāi)害治理工程中,沙障走向確定為351.1°,與盆地主害風向的夾角為77°。(2)沙粒的輸沙量分布研究區(qū)戈壁地表的實地觀測表明,地表以上1m高處的風速為7.78m·s-1時,0.2m高度以下的輸沙量占總量的88%,0.5m以下高度的輸沙量占總量的97%左右,0.8m以上高度的輸沙量不足總量的1%以上(圖4)。盡管強風天氣風沙流分布高度較更大,但約占總輸沙量90%的沙粒仍集中在1m以下。因此,為獲得理想的治沙效果,沙障高度確定為1.2m。根據(jù)塊、礫石的材料特性,沙障設(shè)計為底寬1.65m,高1.2m,橫截面呈等腰三角形。(3)考慮風蝕起沙的風速關(guān)系按20%的防護效應(yīng)計算,根據(jù)風洞實驗結(jié)果,礫石沙障的有效防護距離約為10H。因此在未作更進一步計算分析的情況下,礫石沙障間距最初保守設(shè)計為10H,即12m。但后來的實踐表明,礫石沙障10H間距的設(shè)計過于保守,增加了工程量。以下的計算表明,沙障間距為12H,即14.4m時,也可達到理想的防護效果,而且具有更加可靠的理論依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場觀測,以1m高處的風速為標準,戈壁地表起沙風速為6.4~8.0m·s-1,現(xiàn)代沖積、風積區(qū)地表起沙風速約為6.0m·s-1。獅泉河鎮(zhèn)氣象站的風力統(tǒng)計結(jié)果表明(表1),獅泉河盆地>15m·s-1的強風一年內(nèi)總計僅1h左右,15~6m·s-1的風力作用時間則多達1468.9h。因此,氣象站15m·s-1的風速作為工程設(shè)計的參考值。由于工程區(qū)地表基本全部為戈壁,故可以利用該區(qū)典型戈壁地表的風速廓線和表面空氣動力學粗糙度將氣象站觀測風速換算為近地層風速。根據(jù)多點自記風速儀對獅泉河盆地戈壁表面的風速觀測結(jié)果,戈壁表面的風速廓線滿足對數(shù)關(guān)系:U=a+blnz(1)U=a+blnz(1)式中:U為高度z(m)處的風速(m·s-1);a,b為回歸系數(shù),隨風速的變化而改變(表3)。根據(jù)空氣動力學粗糙度(z0)的定義,z0的值為z0=exp(?a/b)(2)z0=exp(-a/b)(2)當1m高度的風速(Uz=1m)介于7.43~11.45m·s-1之間時,戈壁地表的空氣動力學粗糙度介于0.001~0.004m(表3)。按照式(1),(2),z0分別取值0.001m和0.004m,氣象站觀測風速(Uz=10m)取15m·s-1時,1m高度的風速(Uz=1m)分別為11.252m·s-1和10.586m·s-1。這一風速遠大于工程區(qū)戈壁地表的臨界起沙風速(6.4~8.0m·s-1),是獅泉河盆地風沙災(zāi)害防治工程中礫石沙障間距設(shè)計的近地層參考風速值。風洞實驗中沙障背風側(cè)12H處近地層風速降低27.5%。按此計算,曠野近地表風速分別為11.252m·s-1和10.586m·s-1時,沙障背風側(cè)12H處風速分別為8.158m·s-1和7.675m·s-1。沙障間距為12H時,第二條沙障背風側(cè)12H處近地表風速分別降低到5.915m·s-1和5.564m·s-1,低于工程區(qū)戈壁地表的臨界起沙風速?？梢娫诙鄺l沙障平行設(shè)置、沙障間距12H的情況下,第二條沙障下風向的工程區(qū)近地面風速即被控制在起沙風速之下,工程區(qū)不再會有風蝕起沙現(xiàn)象發(fā)生。因沙障走向與盆地主害風向的夾角為77°,實際上沿主害風向的沙障間距為12H/sin77°即14.78m,與沙障垂直于主害風向時的間距只有2.6%的偏差,對整個沙障工程的防護效果不會構(gòu)成明顯影響。據(jù)此,礫石沙障間距最終確定為12H。2.2生物工程2.2.1重建禾草植被,重塑土地生產(chǎn)力礫石沙障存在壽命較短(僅8~10a)、功能單一的缺陷,而生物工程則不僅具有強大的防風固沙、阻沙功能,而且在防護體系內(nèi)具有機械沙障無法實現(xiàn)的綜合生態(tài)效應(yīng)。防護林帶被廣泛應(yīng)用于風沙工程中。周世威等野外流場觀測表明,林帶背風側(cè)存在一個顯著湍流化的低速區(qū),當林帶疏透度約為0.35時,帶后貼地層風速在15H以遠上升到曠野風速的60%,19H以遠上升到80%,40H以遠恢復(fù)到曠野風速。劉賢萬根據(jù)煙風洞繞流實驗和氣流場測定,進一步證實在林帶前部氣流受阻抬升,頂部集流加速,帶內(nèi)和帶后產(chǎn)生渦漩運動。流場特征的改變導(dǎo)促使風沙流產(chǎn)生沉積。BofahandAhmad的野外觀測發(fā)現(xiàn),在疏透林帶的前后形成了一個處于近似動態(tài)平衡沙丘;Gandemer在風洞中也觀察到相似的積沙現(xiàn)象。重建沙障間的禾草植被,能夠避免地表易風蝕的沙物質(zhì)直接暴露于風力作用之下,消除地表起沙;同時,表土細粒物質(zhì)和肥力得以保存,并在禾草生長過程中加速成土過程,提高土地生產(chǎn)力。研究表明,地表植被特別是禾草植被以阻擋風力對地表土壤物質(zhì)的直接作用、分散近地表風動量、截留部分被蝕物質(zhì)等形式阻止地表風蝕或風沙活動。既便是稀疏植被,也可以起到顯著的保護作用。獅泉河盆地的土壤中粉沙和粘粒含量很低(表2),后者與土壤持水能力和有機質(zhì)、養(yǎng)分的富集密切相關(guān)。林、草植被可以捕獲近地面大氣中的沙塵,這些細粒物質(zhì)不僅可以促進表層土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分積累,而且對加速植物定居具有重要意義。2.2.2明確出以防風阻沙為目的的景東林的設(shè)計原則防護林帶是獅泉河盆地風沙災(zāi)害防治工程的主體工程之一。關(guān)于林帶的設(shè)計,Mohammedetal.提出以防風阻沙為目的的單行林帶設(shè)計原則,而多行林帶的參數(shù)設(shè)計迄今沒有系統(tǒng)的概括。本文根據(jù)獅泉河盆地風力環(huán)境、水資源狀況以及工程區(qū)地形條件,提出以降低近地表風速、阻滯戈壁風沙流為目的、適于當?shù)刈匀画h(huán)境的防護林帶設(shè)計方案。(1)班公柳班公柳選用當?shù)剡m宜生長的班公柳為造林樹種。獅泉河盆地氣候條件異常惡劣,鄉(xiāng)土樹種只有秀麗水柏枝、變色荊棘兒等寥寥可數(shù)的幾種灌木樹種,班公柳是1989年從獅泉河附近日土縣引進的生長速度較快的喬木樹種,它同時具有灌木特性,適宜營造防護林帶。而試種的其他樹種如新疆楊(P.alblaL.varpyramidalisBge.)、沙棗(Elaeagnusangastifolia)等只在當年成活率達到50%左右,但都不能越冬成活。(2)道路上的高效設(shè)計理想的林帶走向應(yīng)與當?shù)貎?yōu)勢主風向垂直。但是考慮到林帶的灌溉問題,林帶走向必須參考地勢的傾向,而礫石沙障的走向設(shè)計也考慮了林帶的灌溉因素,因此林帶走向同樣確定為351.1°,和礫石沙障平行,與主害風向呈77°的夾角。(3)防沙設(shè)施配置的選擇原則研究表明林帶疏透度介于0.3~0.5之間時防風效果最佳。盡管較密林帶的防風蝕和阻沙效果非常顯著,但緊密林帶背風側(cè)形成的湍流強度較大,不利于帶后地表的保護,且工程造價和需水量較大。而水資源正是最大的限制性因素之一,因此較密林帶的選擇受到限制。林帶和高達1.2m礫石沙障在布局上的恰當配置可以有效克服上述矛盾,二者的結(jié)合顯然會產(chǎn)生高于任何單項措施的防風阻沙效果,因此林帶疏透度可以設(shè)計得更大一些,以盡可能地減少需水量。據(jù)此,在礫石沙障背風坡腳1m的距離設(shè)置防護林帶,其冬春季落葉期間的疏透度確定為0.5~0.8。(4)班公松樹形林主要取決于當?shù)乜衫玫乃Y源狀況林帶寬度。本項工作中林帶寬度應(yīng)在保證降低風速防止地表起沙和沉積戈壁風沙流的前提下,限制在最低寬度水平。根據(jù)班公柳樹形特征,為獲得上述最低疏透度要求,每條林帶至少應(yīng)由3行組成。按1m×1m株行距,成熟林帶的寬度約為3m。(5)班公林帶的高度林帶間距主要取決于林帶高度和疏透度。周世威根據(jù)風洞模擬和野外測定,疏透度為0.45的單行林帶的有效防護距離約為16H,因此疏透度大于0.5的林帶有效防護距離小于16H。正常生長條件下,成林后的班公柳林帶高度可以達到5~7m,但獅泉河盆地的地表水資源畢竟有限,且戈壁區(qū)水分利用率低,成熟林帶的高度平均只有3~4m(如阿里地區(qū)草原站附近人工栽植的班公柳),因此單行林帶的有效防護距離低于48m。考慮到林帶和礫石沙障的配置,林帶間距最終確定為43.2m(約為14H),即每隔3條礫石沙障設(shè)置1條林帶。防護林帶和礫石沙障的標準配置關(guān)系見圖5(a)。工程區(qū)的最西端林帶加密設(shè)置,即在最西端的第1,2條沙障間設(shè)置2條林帶,第2,3條和第3,4條沙障間分別設(shè)置1條林帶(圖5(b)),第4條沙障以后防護林帶按標準配置。2.2.3防風固沙林的配置可利用的水資源是戈壁地區(qū)生物治沙工程最大的限制性因素。林木生長所需水分條件較高,而獅泉河水量有限,因此在保證防風阻沙所必須的林帶規(guī)模的前提下,所有未利用空地全部種植草本植物。由于土地肥力低下,工程初期選擇耐瘠薄的披堿草(Clinelymusdahuricus)、無芒雀麥(B.inermisLeyss.)等草種。3關(guān)于礫石沙障、防護林帶和人工草地的間距問題高寒干旱的氣