黄河内蒙古段乌兰布和沙漠入黄风积沙监测研究

何京丽 ，张三红 ，崔 崴 ，郭建英 ，母吉君 ，陈全才 ，张 俊

（1.水利部牧区水利科学研究所,010010，呼和浩特；2.内蒙古河套灌区管理总局，015000，临河；3.内蒙古自治区巴彦淖尔市水保站,015000，临河；4.内蒙古自治区磴口县水务局，015200，巴彦高勒）

一、基本情况

1.区域概况

黄河内蒙古段穿行于我国北方干旱向半干旱地区的过渡地带。区域内干旱少雨，且大风频繁，两岸的风沙活动强烈，直接进入黄河，大量增加黄河的泥沙量。其中乌兰布和沙漠位于黄河内蒙古段 （乌海—磴口）西岸，此处沙漠化发展强烈，沙丘密集高大，沙丘链高为 7～20m，最高达65 m，植被稀少，目前已有50km左右的流动沙丘直接侵入黄河河道。

乌兰布和沙漠沿黄段位于内蒙古自治区乌海市乌达区与巴彦淖尔市磴口县之间，右与鄂尔多斯市杭锦旗相邻。该区气候干燥，雨量稀少，多年平均年降水量142.7mm，年平均气温8.0℃，风沙频繁，地表风蚀强烈，年平均风速3.7 m/s，大风和风沙一年四季均有出现，以3—5月最多，风向多为西北风，多年平均大风日数10～32d，多年平均扬沙日数 75～79d，沙尘暴日数19～22d，属于典型的中温带大陆性干旱季风气候。

2.风积沙的危害

黄河沿岸乌兰布和沙漠流动沙丘延绵不断，大部分为新月形流动沙丘，呈西北高东南低，整个地势倾向黄河。且地势倾向与主风方向相同，致使大量风积沙直接向黄河倾泻，风积沙入黄以粗沙（大于0.1mm）为主，是黄河粗沙的重要策源地。据当地有关人士推测，乌兰布和沙漠每年直接输入黄河的泥沙为2800万～6000万t，是单位长度内使黄河水含沙量增幅最大的地区之一。

黄河泥沙含量的剧增，使黄河河床淤积抬高速度加快，造成乌兰布和沙漠沿黄刘拐子沙头段20 km黄河主流摆动，河岸崩塌，冲毁农田和林地，对下游三盛公黄河枢纽工程和其他水利工程构成严重威胁。河道淤积造成同水位下过流量不断减少，形成“地上悬河”，对当地防凌防汛工作造成巨大压力，使内蒙古黄河段成为防凌防汛形势最为严峻的河段。乌兰布和沙漠使河套引水总干渠遭受流沙侵袭的危害，每年用于干、支、斗、农、毛渠的清淤费高达500万元。河道淤积严重威胁人民群众的生命财产安全，极大影响了当地和下游地区经济社会的可持续发展。

3.生态现状及治理经验

乌兰布和沙漠地处我国西北地区荒漠半荒漠的前沿地带，总面积为1.15万km2，其中流动沙丘占36.9%，半固定沙丘占33.3%，固定沙丘占29.8%。黄河沿岸主要是流动沙丘。土壤以灰漠土和风沙土为主。植被以白刺和霸王构成荒漠植被的重要建群种。

多年来国家在黄河沿岸实施了生态建设工程、水土保持综合治理工程、日元贷款风沙治理等项目，项目治理区取得了一定效果，积累了一些成功治理沙漠的经验，如草方格沙障、红土压沙、营造草灌植被带等方法。但由于治理面积远小于危害面积，生态治理区相互独立，未连成片，形成许多治理空缺，加之治理过程中的不连续性和对防治措施的科技投入十分有限，使得黄河沿岸的流动沙丘没有得到有效控制，严重威胁黄河河道的安全运行。

二、研究的重要性和必要性

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》已把黄河中上游、荒漠地区典型生态脆弱区生态系统的动态监测技术及黄河综合治理纳入我国今后发展和研究的重点领域；《全国水土保持科技发展规划纲要（2008—2020年）》已明确把晋陕蒙粗沙多沙区不同尺度区域水土流失分布，及其水沙调控纳入我国主要土壤侵蚀区水土保持研究重点；水利部有关科技发展规划将黄河防洪防凌减灾问题、黄河水沙调控问题、水土流失问题等作为近年研究的重点内容；当地各级政府非常重视黄河沿岸的水土保持工作，将该区水土流失治理作为环境建设和改善人民生活的主要内容，列入重要议事日程。因此，黄河内蒙古段乌兰布和沙漠入黄沙量监测研究，符合国家和水利部有关科技发展规划要求。

近年，为研究黄河上游水资源开发利用、黄河泥沙运移及治理问题，以中科院孙鸿烈院士为首的5位院士及专家一行30多人到乌兰布和沙漠沿黄刘拐子沙头段实地考察了风沙入黄情况和监测治理现状；国务院为出台《关于促进内蒙古自治区经济社会又好又快发展若干意见》作准备，由国家发改委牵头组成的国家联合调研生态组，对乌兰布和沙漠沿黄段的监测治理进行专题调研；专家及各级领导一致认为在乌兰布和沙漠黄河沿岸开展风积沙入黄监测研究的科学意义重大。

开展乌兰布和沙漠沿黄段水土流失监测是综合治理工作的基础，能及时、准确、全面地反映水土保持生态建设情况、水土流失动态及其发展趋势，为水土流失防治、监督和管理决策服务，为国家生态建设提供科学依据。长期以来由于缺乏先进的监测设备与科学技术的支撑，致使乌兰布和沙漠黄河沿岸段风积沙入黄量的估算结果说法不一，从0.28亿m3/a至0.60亿m3/a，数据相差太大,严重影响了各级政府和部门的防治决策。因此，开展黄河内蒙古段乌兰布和沙漠入黄沙量监测研究，可全面了解和掌握乌兰布和沙漠黄河沿岸风沙流的运移特征、沙丘移动规律和精确估算入黄风积沙量，将为研究黄河泥沙问题、维持黄河健康生命、不断完善黄河沿岸综合防护体系提供科学的决策依据。

三、监测研究内容及初步结果分析

1.监测研究内容

本项监测研究在广泛收集、整理、分析该区基础资料和相关研究成果的基础上，针对乌兰布和沙漠黄河（乌海—磴口段）沿岸风积沙入黄淤积河道的现象，对黄河沿岸流动沙丘的风沙流结构、输沙率与风速及高度的相关关系、风沙运移规律、风积沙入黄量、沙丘移动速度、河岸坍塌速度、坍塌量等，进行量化的监测研究，探讨乌兰布和沙漠风积沙入黄的危害，以期为黄河（乌海—磴口段）及下游库区淤积防治提供科学的基础数据。

本项目采用的监测设备主要有自动气象站用于统计不同时间段的风速、风向、沙丘表层土壤含水量；全方位定点集沙仪、全方位沙粒跃移梯度集沙仪测定不同方位和不同高度的积沙量；观测桩布设于流沙侵入河道的典型地区，每隔20～30m布设一对，总长2650m，依据汛期和风沙活动的强度，定期测量沙丘的向前推移距离和河道水位的变化；通过三维激光地貌扫描仪精准扫描，生成项目区地形的点云图及DEM图，监测该区域不同时期地形的变化情况，并可精确计算不同时期监测区域的土方量变化以及流动沙丘向河道推动距离；同时结合遥感影像资料分析多年黄河沿岸流动沙丘直接接触河道的有效长度及河岸坍塌的变化情况。

2.初步监测结果分析

乌兰布和沙漠黄河沿岸风积沙入黄主要表现为沙丘前移、风沙流及岸边坍塌三种形式。根据2010年5—6月对黄河流拐子沙头段风沙观测场的野外观测，当气象站高度（2m）风速达到5.3m/s时，流动沙丘表面即可起沙。

①测桩法监测结果分析。通过对沙漠沿黄段2650m断面布设观测桩监测，每隔2 m测一个沙丘垂直断面的水平向前移动距离，经对2010年5—6月11503个观测数据的分析，沙丘向黄河沿岸推进的最大水平距离为9.66m，平均推进3.78m。

②三维激光扫描仪监测结果分析。与传统测量技术的单点获取方式不同，地面三维激光扫描是从水平到垂直的全自动高精度步进式扫描测量，通过不同站点的连续扫描，可以得到完整的、全面的三维空间信息，满足空间信息数据库的数据源和不同应用需要。本文利用三维激光扫描仪对黄河沿岸23.96万km2的地形于2010年5月和6月两次进行了扫描，由后处理软件对采集的点云和影像数据进行处理，将数据转换成绝对坐标系中的模型，生成DEM图。经对黄河沿岸1244.56 m流动沙丘的分析，风积沙5—6月份进入黄河河道的沙量为36.29万t，沙丘平均向前移动3.94 m，与用测桩法监测的结果3.78 m基本相近。

上述监测结果仅为短期的初步监测，年均入黄沙量尚需在进行长期的动态监测、分析总结其特征和规律的基础上计算得出。

四、研究展望

研究乌兰布和沙漠黄河沿岸入黄风积沙运移规律及防控机理是一项涉及面广、复杂多样、跨多学科的科研工作。还需从以下几个方面开展综合、系统、连续、动态、深入的监测研究。

1.沿黄段风积沙运移规律研究

乌兰布和沙漠沿黄段风沙运动具有不确定性和复杂性的特点，需长期对该地区不同风力及沙物质条件下风沙流固体流量结构、梯度分布、风沙流输沙量与各种影响因子之间的多元数量关系进行研究，揭示黄河内蒙古段风沙流活动的时空分布特性，建立乌兰布和沙漠沿黄段风沙流输沙率函数模型，并进行黄河沿岸风沙运动过程的模拟与预测。

2.乌兰布和沙漠入黄风积沙与河道泥沙耦合关系及运移机理研究

受乌兰布和沙漠风积沙入黄的影响，该段河道水沙过程变异大、河道萎缩、主槽摇摆不定等新情况、新问题不断出现，对其进行深入研究的科学意义和社会意义重大。因此，需对该地区风积沙入黄后与河道泥沙的耦合关系、风积沙入黄后的运移与扩散、泥沙分配和再分配、输水河段含沙量的时空变化、上下游监测站含沙量的关系分析、上下游监测断面淤积变化、水位变化对沿岸地形冲淤及其速率等方面开展深入研究。

3.沿黄段风积沙防控机理与水土保持关键技术研究

乌兰布和沙漠沿黄段气候、地形复杂多变，治理难度特别大，其治理成果很难发挥长期效益，急需加强对沿黄段风积沙防控机理与水土保持关键技术的研发，对防治风沙危害和改善黄河两岸生态环境,促进区域经济可持续发展具有十分重要的意义。需采用高新技术及多种方式开展乌兰布和沙漠沿黄段水土流失不同防治措施及其组合措施的防控机理和防护效益试验研究,提出合理的水土保持措施配置，为该区域黄河两岸水土流失治理提供科学依据，使乌兰布和沙漠沿黄段风沙危害降到最低程度。

4.风积沙监测技术研究

乌兰布和沙漠沿黄段流动沙丘远离城镇和村庄，交通不便，无常规电源等基础设施可用，且现有的监测设备多为自行研制的观测设备，可移动性差，智能化和精度低，不具备连续观测的能力，加之该地区风积沙入黄后与河道泥沙的耦合关系、输水河段含沙量的时空变化、气候变化等环境因子复杂多变，对该区域进行入黄风积沙的长期、连续、动态监测造成了极大的限制。随着社会进步和科技发展，应充分借助计算机科学、精密仪器制造等其他行业的发展促进风积沙监测设备的改进，注重仪器的自行研制、改装。如利用嵌入式技术与GPRS技术对野外风蚀风沙以及小环境气候长时间无人值守的监测系统的研究；引进测量领域的三维激光扫描仪测量技术，对当地的地貌进行动态监测；采用遥感与地面定位观测相结合的手段进行监测；应用高清晰自动录像监测；实现野外环境因子无线远程监控系统等的研发与引进，逐步实现监测设备的标准化和监测手段的智能化。

黄河内蒙古段乌兰布和沙漠入黄风积沙监测研究是一项多尺度、多场耦合、随机性、非线性的复杂科学问题，是目前科学前沿所关注的共性和热点课题，涉及水土保持与荒漠化防治、水文水资源、河流动力与泥沙、气象等学科和领域。由于我们只是初步研究探讨，研究方法和思路有待完善，望相关研究领域的学者给予指教，同时期待国家及有关部门就乌兰布和沙漠沿黄段风积沙监测研究引起高度重视，形成多渠道、多学科联合攻关研究的平台，使研究结果更好地为科学治理黄河泥沙问题及完善黄河沿岸综合防护体系提供科学依据。

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