淺談沙漠明渠工程生態環境恢復的措施及效果

全永威

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，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噶爾盆地，經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鍵。

1.2 工程地貌

古爾班通古特沙漠位于新疆北部準噶爾盆地腹心，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主要為沙壟，樹枝狀沙壟占絕對優勢，占沙丘總面積的5%～80%。沙漠風積沙厚度約300m左右，沙粒組成以細沙為主，自北而南細顆粒含量逐漸增多。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合體)，對沙面起著明顯穩定作用。目前，沙漠區域處于冷濕期狀態，相對穩定，沙丘自然活化過程較慢。

1.3 風沙狀況

根據沙漠渠道風向統計分析，當渠道與起沙風速主導風向夾角垂直時，風沙危害最大。根據沙漠渠道布置，北部和中部渠道與起沙風速主導風向夾角垂直，風沙危害較大;南部渠道多為彎道，施工期橫切和斜切沙壟處較多，彎道與起沙風主導風向夾角垂直，易于積沙。總體來講沙漠渠道風沙危害南部大于北部，填方渠段風沙危害要大于挖方渠段。

2 生態破壞及其反作用

沙漠明渠工程建設是一項大規模、高強度的人類活動行為，會對沙漠地表產生巨大擾動，破壞沙漠植物和沙漠地表生物結皮，使土壤表層遭到破壞，暴露下層砂物質，在沙漠中形成約200 m寬，166.472 km長的活化沙面。因局部環境破壞，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環境產生強烈破壞。這種破壞持續不斷地惡性循環，對沙漠自然環境產生巨大影響。

同時，沙漠渠道沿線的生態環境的破壞，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出現頻率為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沙啟動風速，同時風沙活動頻繁的季節與渠道輸水季重疊，因此，渠道沿線的生態防護至關重要。沙漠明渠工程最為嚴重的風沙危害類型是風沙流的侵蝕堆積，增加入渠沙量，影響渠道的正常使用，造成維護費用顯著增加。

3 機械防沙及其效果

沙漠風沙是沙漠渠道安全運行的主要危害之一，若不及時防護會造成渠道的淤塞、涌堵，產生渠道破壞，后果不堪想象。為研究沙漠風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，進行了風沙測定和環境參數的觀測。主要觀測內容包括:不同下墊面狀況下起沙風速(包括施工地段、蘆葦草方格植護固沙試驗段)、入渠積沙量、24h風向風速、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、蒸發量、降水量等。

通過野外觀測結果表明，沙漠明渠沿線起沙風速的空間分布特征為:北部大于南部，壟間地大于沙丘頂部，施工破壞區大于施工防護區。施工破壞區起沙風速為4.5～5.0m/s，草方格防護后(100cm×100cm，70cm長對折)起沙風速為9.0～10.0m/s，啟動風速增加了一倍。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，特別是集中在地表以上10cm的氣層內(見下表)。因此，風沙運動是貼近地表面的沙粒搬運現象。風速增加時(大于起沙風速)風沙流中的含沙量會大量增加，他們之間遵循冪函數關系。根據觀測結果，沙漠地區影響沙丘移動的風向主要為東北風和北風、西北風和西風，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沙流中含沙量分布表

根據平口積沙儀、不同風向下積沙儀、立體積沙儀、長方體積沙儀原型渠道觀測結果分析、計算表明:施工破壞區未防護地段的年入渠沙量為8429 t/km，采取草方格防護措施的年入渠沙量為1769 t/km，即若不采取防護措施年入渠沙量為142萬t，采取防護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 生物防風固沙體系的建立

4.1 建立生物防風固沙體系的必要性

在沙漠明渠施工期防風固沙體系起主導作用的是機械固沙草方格植護，其他包括緩沖帶的建設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，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的同時，采取建立生物防護林防風固沙體系，來防止草方格防護功能失效后的風沙危害。

生物防護林防風固沙體系隨著環境條件的改善，防護林內的植物種可以進行自然更新。同時可以增加土壤有機質，提高土壤肥力，增加土壤微生物的種類和數量，使被破壞的沙漠地表逐漸進入到一個良性的演化進程中，保持沙面的穩定。

4.2 建立生物防風固沙體系的條件

4.2.1 工程條件

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

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厚懸濕砂層較穩定;土壤最大含水率可以達到8%，土壤含水量的變化主要集中在40～50 cm的深度范圍內，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 建立生物防風固沙體系植物種的選擇

建立生物防沙防護體系的一個十分重要的內容是確立植物物種。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林的建設至關重要。在2002年進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)、三種結構布局(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、種植方法進行了系統的研究。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周時間內進行植苗造林種植;結構布局選擇1m×2m。

4.4 沙漠明渠生物防風固沙體系植物種植成效

根據以往在相同自然環境下其他沙漠地區在無灌溉條件下進行梭梭直播造林的經驗看，由于干旱、多風和炎熱，當年成活率普遍較低，一般只有10%左右，但是在降水較多的年份，當年成活率可以達到40%左右。為滿足沙漠明渠防風固沙防護要求，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無灌溉條件下種植梭梭的成活率。從2007年當年成活率統計情況看，當年平均成活率達到了72%，最高達到84%。當年平均株高為44cm，冠幅為32.2cm×32.7cm。從2010年成活率統計情況看，多年平均成活率達到41%，最高達到79%(見下頁圖)。多年平均株高達到150cm，冠幅達到120cm×110cm。雖然植株的數量減少，但由于其高度和冠幅的增加，防風固沙效果保持穩定性和可持續性。

沙漠明渠梭梭成活率變化圖

5 生物防風固沙體系的綜合效應

5.1 防風固沙效果

沙漠明渠的形狀為梯型，且許多段面兩側為工程推進時斷開的沙壟。風活動極易將沙土及其他雜質推入渠中，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，防護林建成10年后，土壤理化性質得到有效改善，普遍形成了地衣結皮。自然定居的植物由初期的8種增加到33種，定居植物多數由初期的1.4株/m2增加到14株/m2。植被的發育極大地固定了沙面，降低了水土流失的風險，增加了沙面活動的啟動風速。

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

5.2 生態效益

a.改善了自然環境，在沙漠渠道生態防護綠化效果顯著，從2003年春季開始到2011年春季結束，沙漠明渠兩側共種植約1700萬株梭梭和沙拐棗，在沿渠道兩側各100m范圍內形成了兩條160km長的綠色長廊，條帶內植被長勢優于條帶外植被，取得了良好的景觀和防護效果。

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

c.渠道及生物防護體系區域內的動物數量明顯增多。夏季鵝喉羚在渠道兩側及綠化區內活動頻繁，種群數量也較大;生物防護體系內鳥類開始棲息繁殖，數量不斷增加。

5.3 經濟效益

機械固沙草方格植護平均每公里投資約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年每公里可節約投資20余萬元，全線可節約3000余萬元。

6 結語

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。而建設沙漠明渠工程這種大規模、高強度的人類活動行為，必然造成沙漠局部自然環境的破壞，使沙丘活化面積加大，其特有的地理、地質、地貌、氣候條件，強烈的風沙活動和潛在的風沙危害又對工程建設和運行構成了巨大的威脅。

為滿足沙漠明渠防風固沙防護要求，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年春季結束，沙漠明渠兩側完成約1700萬株梭梭和沙拐棗種植，并且隨著自然植被的發育，在沿渠道兩側各100m范圍內形成了兩條160km長的綠色長廊，建立了生物防風固沙體系。沙漠明渠工程生物防風固沙體系的建立在防風固沙效果、生態效益和經濟效益等方面都取得了顯著作用。

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