浅谈沙漠明渠工程生态环境恢复的措施及效果

全永威

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

1.1 地理位置

北疆供水工程自北向南穿越准噶尔盆地，经过沙漠的地段称为沙漠明渠。该渠段位于吉拉沟以南、五个沙疙瘩以北的古尔班通古特沙漠，以三个泉倒虹吸出口为沙漠渠道起点，到阜康市东北五个沙疙瘩、沙漠南部边缘出口，全长166.49km。由于沙漠地表的脆弱性，活化的沙土易影响到渠道的运行，因此，保证沙漠明渠安全输水是整个供水工程正常运行的关键。

1.2 工程地貌

古尔班通古特沙漠位于新疆北部准噶尔盆地腹心，面积约4.88万km2，海拔300～600m，是我国面积最大的固定和半固定沙漠。该沙漠腹地沙丘形态主要为沙垄，树枝状沙垄占绝对优势，占沙丘总面积的5%～80%。沙漠风积沙厚度约300m左右，沙粒组成以细沙为主，自北而南细颗粒含量逐渐增多。古尔班通古特沙漠不小于10℃的年积温3000～3500℃，年平均气温 6～10℃，年降水量 70～150mm，年蒸发量2000mm以上。以小半乔木梭梭(Haloxylon ammodendron)和白梭梭(H.persicum)为沙漠建群种，占据了沙丘中上部的位置;垄间低地和沙丘中下部分布有蛇麻黄(Ephedra distachya)群落。该沙漠还广泛分布着生物结皮(土壤微生物、藻类、地衣和苔藓植物等孢子植物类群与土壤形成的有机复合体)，对沙面起着明显稳定作用。目前，沙漠区域处于冷湿期状态，相对稳定，沙丘自然活化过程较慢。

1.3 风沙状况

根据沙漠渠道风向统计分析，当渠道与起沙风速主导风向夹角垂直时，风沙危害最大。根据沙漠渠道布置，北部和中部渠道与起沙风速主导风向夹角垂直，风沙危害较大;南部渠道多为弯道，施工期横切和斜切沙垄处较多，弯道与起沙风主导风向夹角垂直，易于积沙。总体来讲沙漠渠道风沙危害南部大于北部，填方渠段风沙危害要大于挖方渠段。

2 生态破坏及其反作用

沙漠明渠工程建设是一项大规模、高强度的人类活动行为，会对沙漠地表产生巨大扰动，破坏沙漠植物和沙漠地表生物结皮，使土壤表层遭到破坏，暴露下层砂物质，在沙漠中形成约200 m宽，166.472 km长的活化沙面。因局部环境破坏，伴随沙漠恶劣的气候条件，沙化将向周边侵蚀，不断扩大，对脆弱的沙漠自然生态环境产生强烈破坏。这种破坏持续不断地恶性循环，对沙漠自然环境产生巨大影响。

同时，沙漠渠道沿线的生态环境的破坏，极大地影响了渠道输水的安全。研究表明，沙漠中部全年起沙风出现频率为0.25%，4～10月输沙势占全年输沙势的90%以上。地表的活化将大大降低风沙启动风速，同时风沙活动频繁的季节与渠道输水季重叠，因此，渠道沿线的生态防护至关重要。沙漠明渠工程最为严重的风沙危害类型是风沙流的侵蚀堆积，增加入渠沙量，影响渠道的正常使用，造成维护费用显著增加。

3 机械防沙及其效果

沙漠风沙是沙漠渠道安全运行的主要危害之一，若不及时防护会造成渠道的淤塞、涌堵，产生渠道破坏，后果不堪想象。为研究沙漠风沙对沙漠明渠沿线不同下垫面影响程度，在沙漠明渠2号、3号试验段开展了渠道原位实验观测，同时在沙漠明渠北部、中部、南部建立了3个短期气候观测站，进行了风沙测定和环境参数的观测。主要观测内容包括:不同下垫面状况下起沙风速(包括施工地段、芦苇草方格植护固沙试验段)、入渠积沙量、24h风向风速、24h气温(其中包括日最高、最低气温)、相对湿度(包括日最小相对湿度、水气压)、深层地温(包括 5cm、10cm、20cm、40cm、80cm、160cm、320cm地温，最高、最低气温)、沙表面温度(包括日最高、最低沙表面温度)、冬季冻土厚度、气压、蒸发量、降水量等。

通过野外观测结果表明，沙漠明渠沿线起沙风速的空间分布特征为:北部大于南部，垄间地大于沙丘顶部，施工破坏区大于施工防护区。施工破坏区起沙风速为4.5～5.0m/s，草方格防护后(100cm×100cm，70cm长对折)起沙风速为9.0～10.0m/s，启动风速增加了一倍。气流中的含沙量在距地表不同的高度含量也不同，气流搬运沙量的绝大部分(约98%)是在距离地面30cm高度内，特别是集中在地表以上10cm的气层内(见下表)。因此，风沙运动是贴近地表面的沙粒搬运现象。风速增加时(大于起沙风速)风沙流中的含沙量会大量增加，他们之间遵循幂函数关系。根据观测结果，沙漠地区影响沙丘移动的风向主要为东北风和北风、西北风和西风，植被破坏的流沙地段沙丘移动速度较快。

沙漠明渠中部活动带距沙垄垄顶不同高度风沙流中含沙量分布表

根据平口积沙仪、不同风向下积沙仪、立体积沙仪、长方体积沙仪原型渠道观测结果分析、计算表明:施工破坏区未防护地段的年入渠沙量为8429 t/km，采取草方格防护措施的年入渠沙量为1769 t/km，即若不采取防护措施年入渠沙量为142万t，采取防护措施后年入渠沙量为30万t，后者仅为前者的约1/5。因此，机械固沙的效果非常明显。

4 生物防风固沙体系的建立

4.1 建立生物防风固沙体系的必要性

在沙漠明渠施工期防风固沙体系起主导作用的是机械固沙草方格植护，其他包括缓冲带的建设和伴渠道路等固化措施。由于草方格的材料是芦苇，在北疆沙漠地区，芦苇一般使用寿命在5～7年，因此为减少沙害，每5～7年，草方格就要进行更新。这需要花大量的人力、物力和财力。为解决芦苇老化以后造成防风固沙功能的减弱和丧失，减少后期运行管理费用，在机械防沙体系建设的同时，采取建立生物防护林防风固沙体系，来防止草方格防护功能失效后的风沙危害。

生物防护林防风固沙体系随着环境条件的改善，防护林内的植物种可以进行自然更新。同时可以增加土壤有机质，提高土壤肥力，增加土壤微生物的种类和数量，使被破坏的沙漠地表逐渐进入到一个良性的演化进程中，保持沙面的稳定。

4.2 建立生物防风固沙体系的条件

4.2.1 工程条件

生物防风固沙体系的建立是和机械固沙防护体系联系在一起的。生物防风固沙体系的建立必须是在机械固沙防护体系建成的基础上建立的;先通过机械固沙将活化沙丘固定，保持沙丘稳定，然后在稳定的沙丘上种植植物种，在机械固沙防护体系减弱和失去功效前，建成生物防风固沙体系。

4.2.2 自然气候条件

沙漠腹地年均降水有70～120 mm，冬季有稳定积雪，冬春两季降水合计占全年的30% ～40%。春季的积雪融化以及降水为荒漠草本植物萌发和生长提供了生存条件。

4.2.3 土壤水分条件

由融雪和降雨形成的地表120 cm厚悬湿砂层较稳定;土壤最大含水率可以达到8%，土壤含水量的变化主要集中在40～50 cm的深度范围内，而且这个深度也是沙漠植物自然分布的主要根系范围。

4.3 建立生物防风固沙体系植物种的选择

建立生物防沙防护体系的一个十分重要的内容是确立植物物种。在无灌溉条件下选择适宜的植物种用于沙漠生物防沙防护林的建设至关重要。在2002年进行了生物固沙植物种选择种植试验，试验工程包括四种立地类型(填方段阴坡、阳坡和挖方段阴坡、阳坡)、三种结构布局(株行距1m×1m、1m×2m和2m×2m)和两种造林方式(直播造林和植苗造林)，试验对植物种的选择、种植时间、种植方法进行了系统的研究。所选择的物种包括沙拐枣(Calligonum leucocladum)、梭梭(Haloxylon ammodendron)和刺沙蓬(Salsola ruthenica)。根据试验和研究我们选择了主要以梭梭为主的植物种;种植时间选择在早春积雪融化后2周到3周时间内进行植苗造林种植;结构布局选择1m×2m。

4.4 沙漠明渠生物防风固沙体系植物种植成效

根据以往在相同自然环境下其他沙漠地区在无灌溉条件下进行梭梭直播造林的经验看，由于干旱、多风和炎热，当年成活率普遍较低，一般只有10%左右，但是在降水较多的年份，当年成活率可以达到40%左右。为满足沙漠明渠防风固沙防护要求，保证明渠安全运行，通过前期机械固沙等工程措施手段，大大提高了在沙漠地区无灌溉条件下种植梭梭的成活率。从2007年当年成活率统计情况看，当年平均成活率达到了72%，最高达到84%。当年平均株高为44cm，冠幅为32.2cm×32.7cm。从2010年成活率统计情况看，多年平均成活率达到41%，最高达到79%(见下页图)。多年平均株高达到150cm，冠幅达到120cm×110cm。虽然植株的数量减少，但由于其高度和冠幅的增加，防风固沙效果保持稳定性和可持续性。

沙漠明渠梭梭成活率变化图

5 生物防风固沙体系的综合效应

5.1 防风固沙效果

沙漠明渠的形状为梯型，且许多段面两侧为工程推进时断开的沙垄。风活动极易将沙土及其他杂质推入渠中，且单次大的降水脉冲也可能将断面的沙土冲入渠道。研究表明，防护林建成10年后，土壤理化性质得到有效改善，普遍形成了地衣结皮。自然定居的植物由初期的8种增加到33种，定居植物多数由初期的1.4株/m2增加到14株/m2。植被的发育极大地固定了沙面，降低了水土流失的风险，增加了沙面活动的启动风速。

为验证生物防风固沙体系防风固沙效果，在2007年通过对沙漠明渠工程不同形式的断面进行风沙入渠测算，入渠沙量为151.8t/km，大大低于施工破坏区未防护地段的年入渠沙量8429t/km，和采取草方格防护措施的年入渠沙量1769t/km相比，说明生物防风固沙防护体系固沙效果非常明显。

5.2 生态效益

a.改善了自然环境，在沙漠渠道生态防护绿化效果显著，从2003年春季开始到2011年春季结束，沙漠明渠两侧共种植约1700万株梭梭和沙拐枣，在沿渠道两侧各100m范围内形成了两条160km长的绿色长廊，条带内植被长势优于条带外植被，取得了良好的景观和防护效果。

b.渠道周边局部气候得以改善，空气湿度得以提高，对沿线两侧的植被自然恢复有一定的促进作用。

c.渠道及生物防护体系区域内的动物数量明显增多。夏季鹅喉羚在渠道两侧及绿化区内活动频繁，种群数量也较大;生物防护体系内鸟类开始栖息繁殖，数量不断增加。

5.3 经济效益

机械固沙草方格植护平均每公里投资约30万元，总投资约5000万元，可使用5～7年。生物防护梭梭种植平均每公里投资约5万元，总投资约900万元，种植的植物可以自然更新，无需二次投入，即每5年每公里可节约投资20余万元，全线可节约3000余万元。

6 结语

北疆供水工程沙漠明渠段由北向南横穿古尔班通古特沙漠，全长166.49km，在沙漠中修建大型长距离输水明渠在中国水利史上是史无前例的。而建设沙漠明渠工程这种大规模、高强度的人类活动行为，必然造成沙漠局部自然环境的破坏，使沙丘活化面积加大，其特有的地理、地质、地貌、气候条件，强烈的风沙活动和潜在的风沙危害又对工程建设和运行构成了巨大的威胁。

为满足沙漠明渠防风固沙防护要求，保证明渠安全运行，通过工程措施手段，大大提高了在沙漠地区无灌溉条件下种植梭梭的成活率。从2003年春季开始到2011年春季结束，沙漠明渠两侧完成约1700万株梭梭和沙拐枣种植，并且随着自然植被的发育，在沿渠道两侧各100m范围内形成了两条160km长的绿色长廊，建立了生物防风固沙体系。沙漠明渠工程生物防风固沙体系的建立在防风固沙效果、生态效益和经济效益等方面都取得了显著作用。

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