狮泉河盆地风沙灾害治理工程研究

狮泉河盆地风沙灾害治理工程研究

风灾现场在中国北方非常严重。我国政府一直十分重视对风沙灾害的治理,已取得绿洲防护体系、区域性荒漠化土地综合整治方面的许多成功先例。然而由于自然和社会经济条件限制,青藏高原的风沙灾害问题到20世纪80年代才正式引起科学家和政府部门的重视,相继在风沙灾害类型、分布、成因、发展趋势、防治对策等方面取得了重要进展,但区域性尤其是城镇的风沙灾害防治理论与应用工程研究仍处于探索阶段。中国科学院兰州沙漠研究所(原)在全面调查风沙灾害特征的基础上,率先开展了西藏阿里地区狮泉河盆地的城镇风沙灾害及其整治研究,并完成了狮泉河盆地第一期防沙工程的规划和设计。遗憾的是由于种种原因,该设计方案并未得到落实。由于日益严重的风沙灾害,狮泉河镇一度面临被迫搬迁的威胁。面对这一严峻形势,在西藏自治区政府的支持下,作者等人从1998年开始对狮泉河盆地的风沙灾害特征及其综合整治进行了系统研究,相继完成了狮泉河盆地第二期和第三期治沙工程的规划和设计,并已得到实施(2000-2004年)。狮泉河盆地是青藏高原西北部的一个内陆河谷盆地。受新构造运动和河流摆动影响,在冈底斯山脉的两条支脉巴康塔木切隆山和孔龙琚山之间形成东西长约30km,南北宽5~10km的狭长盆地。按地貌形态和沉积物特点,可将盆地划分为4个地貌区,即森格藏布冲积、风积区、砂砾质戈壁区、山前砂砾质丘陵区和剥蚀石质山地区。狮泉河镇位于盆地东北部(图1),地貌部位属于森格藏布现代冲积、风积区,海拔高度4200m以上。狮泉河(森格藏布)自东北向西南贯穿盆地中央,是仅有的常流性河流。狮泉河盆地自然条件极为严酷,年平均气温仅为0.2℃,年降水69.5mm,蒸发则达2450.2mm,属典型的高寒温带季风极端干旱气候。它是中国西部边陲重要的政治、经济、军事中心,人口约3.5万。恶劣的生态环境是制约狮泉河镇经济发展的主要原因。1沙害的发生和特征1.1盆地内部沙与粉沙组分含量的变化干旱多风的气候、丰富的地表沙源、稀疏的植被是狮泉河盆地风沙灾害的主要原因。狮泉河盆地上空的大气环流主要受高空西风带控制,近乎东西向的狭长山间河谷盆地地形,使偏西风进入河谷地带后,产生“狭管效应”,气流很快被加速,形成盛行的强偏西风。根据狮泉河镇气象站资料,盆地多年平均风速为3.0m·s-1,年平均风速≥6.0m·s-1的风速累积时间达1470h,其中(6m·s-1的偏西风累积时间1212h(表1)。1962-1975年间出现≥17m·s-1的大风日数多达113.4d·a-1,1976-2001年间的大风日数减少为40d·a-1(图2(a))。而最大瞬时风速可达23m·s-1。狮泉河盆地周围基岩山地在长期剥蚀风化的地质作用下形成大量的风化碎屑物,经重力、流水和风力搬运而沉积于盆地的各个地貌部位,并使得地表沉积物中沙与粉沙相对集中,有的以夹层形式出现,有的直接覆盖地表。因此,盆地内部的地表沉积物中普遍含有较大比例的沙与粉沙组分(表2),这些组分为风沙活动提供了丰富的物质基础。极度干旱的气候导致盆地内广大沙砾质地表以及山坡基岩风化物一般无植被生长,即使在狮泉河沿岸,也只是散生或片状分布少量的秀丽水柏枝(Myriaelegans)、变色锦鸡儿(Caraganaversicolor)和藏西蒿(Artemisiatibetica)等灌丛以及稀疏的针茅与禾草群落。地表绝大部分处于裸露或半裸露状态,松散的沙质地表直接暴露于风力作用之下。上世纪50-70年代,当地居民对植被的毁灭性破坏是导致植被消失的主要原因之一。植被条件的显著变化对沙尘日数剧增扮演了非常重要的角色:在1970年之前,年大风日数远高于1962-2001年间的平均数,年降水量相对较低,但年沙尘日数却明显少于1962-2001年间的平均值(图2(a));相反,1970年以后年降水量略有增加,大风日数低于平均值,而年沙尘日数大大超过平均值。可见,沙尘日数与大风日数之间并没有密切的相关性,沙尘天气更重要的是地表条件(主要是植被)发生改变的产物。1.2：年际、月际和日变化沙丘主要分布在狮泉河盆地的西部,面积较小,但由于整个盆地地表都是松散的沙砾质沉积物,由风力作用引起的风蚀、风沙流、风沙沉积、沙丘前移和粉尘吹扬等风沙活动过程却十分强烈。就盆地内部的风沙活动过程而言,在空间上存在明显的区域性差异。在现代冲积、风积区,西部盐碱、沼泽地区以风蚀和风沙流为主;中、东部形成斑块状积沙区,表现为零星分布的沙丘和灌丛沙堆,风沙活动以风沙沉积和沙丘前移为主。其它地区,包括舒缓砂砾质戈壁区、山前砂砾质丘陵区和剥蚀石质山地区除局部地区因地形变化和植被阻挡,存在一些风沙沉积和沙丘前移过程外,大部分地区以风蚀和戈壁风沙流过程为主。风沙活动期间,被风力吹扬起来的粉尘和极细沙部分,则在整个盆地上空形成沙尘暴天气。在时间上,风沙活动存在年际、月际和日变化。根据狮泉河镇气象站多年观测统计资料,1962-2001年间多年平均沙尘天气为17.35d,但年际变率很大(图2(a))。年内的沙尘天气主要发生在1-6月(图2(b)),占全年沙尘天气的64%。除非有大的天气系统过境,沙尘天气一般在一天中的14~20h发生。戈壁风沙流分布高度大且聚集的能量高,具有极强的破坏力,一旦遇到障碍物即发生积沙现象和强烈的打磨作用。狮泉河镇位于风蚀、风积和戈壁风沙流区的下风向,受过境风沙流的强烈侵袭。长期以来造成城镇附近草地退化、积沙掩埋城镇建筑物和街道、毁坏水利设施、阻塞交通等问题。据不完全统计,上世纪70年代以来,位于狮泉河北岸的风口区和南岸的戈壁区的建筑物被流沙埋压约146间。街道积沙厚度0.2~0.4m,房前屋后积沙0.5~2.0m,人车通行困难。当地政府于1989年10月在县城西南和西北30m处修建了一条高1.9m、长450m的挡沙墙,但在随后的6个月内就被流沙摧毁。此外,沙尘天气造成严重的大气环境污染,干扰通讯线路,严重干扰城镇居民的正常生产和生活。2狮泉河-普兰公路典型案例狮泉河盆地风沙灾害防治工程在狮泉河镇以西、狮泉河-普兰公路两侧平均4km的戈壁区实施。防治措施主要由砾石沙障、防护林带和人工草地组成,灌溉系统仅作为生物工程的辅助措施。2.1砂石障碍2.1.1沙障对单次沙障的控制作用砾石沙障主要作用有两个,一是增大地表粗糙度,降低近地表风速,抑制地表风蚀起沙,同时减小气流的挟沙能力,促使戈壁风沙流沉降堆积。二是有效保护砾石沙障间刚刚栽种的植物幼苗。治沙工程中常见的阻沙栅栏、行列式沙障、草方格沙障、粘土沙障等措施没有被选择,其原因是当地缺乏这些材料,如果从其他地方购买,运输费用过高。此外,在狮泉河盆地这样的沙砾质地表进行施工将十分困难。砾石沙障属于紧密型防风阻沙工程措施。刘贤万认为单列紧实沙障前后的绕流和能量分布形势属于剪切流下的二元平板绕流。在沙障前后两侧近地面处分别有一个阻滞回流低速区和反向回流低速区。对单个砾石沙障进行的风洞模拟实验表明,当风洞轴心风速为10m·s-1时,沙障背风侧距地表0.1m高度处,3H,5H,9H,10H,13H,15H处相同高度测得的风速依次为4.8,4.2,5.7,6.3,7.7,8.6m·s-1,分别比轴心风速降低了52%,58%,43%,37%,23%和14%,5~15H之间流速基本表现为线性回升,28H以远恢复到轴心风速。上述实验在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所风洞实验室完成,砾石沙障按1∶6模型缩小,即模型横截面尺寸为底宽0.3m、高0.2m的三角形。在砾石沙障对戈壁风沙流影响的风洞模拟实验中,将3条砾石沙障模型平行设置,间距为14H即2.8m,并与风洞轴线方向垂直。沙障之间以及第一条沙障上风向铺设在工程区采集的沙砾石物质(图3(a))。在轴心风速分别为10m·s-1和15m·s-1条件下,分别吹蚀5min和2min。结果显示,各条沙障前后的回流低速区沉积了不同质量的沙物质(图3(b),3(c)),其中第一条沙障前后沉积的沙物质最多,第二条次之,第三条最少。这一现象间接地反映了多条沙障对近地面流场的削弱作用远大于单条沙障。2.1.2参数(1)盆地沙障走向确定理论上,沙障走向与主害风向垂直时治沙效果最佳。但沙障间的林、草植物需要灌溉才能成活,为了实现自流灌溉,必须根据地形和灌溉系统的布局,在综合考虑沙障治沙效果和自流灌溉两个因素基础之上而确定沙障走向。根据狮泉河镇气象站资料,狮泉河盆地优势主风向为274.1°。在狮泉河盆地风沙灾害治理工程中,沙障走向确定为351.1°,与盆地主害风向的夹角为77°。(2)沙粒的输沙量分布研究区戈壁地表的实地观测表明,地表以上1m高处的风速为7.78m·s-1时,0.2m高度以下的输沙量占总量的88%,0.5m以下高度的输沙量占总量的97%左右,0.8m以上高度的输沙量不足总量的1%以上(图4)。尽管强风天气风沙流分布高度较更大,但约占总输沙量90%的沙粒仍集中在1m以下。因此,为获得理想的治沙效果,沙障高度确定为1.2m。根据块、砾石的材料特性,沙障设计为底宽1.65m,高1.2m,横截面呈等腰三角形。(3)考虑风蚀起沙的风速关系按20%的防护效应计算,根据风洞实验结果,砾石沙障的有效防护距离约为10H。因此在未作更进一步计算分析的情况下,砾石沙障间距最初保守设计为10H,即12m。但后来的实践表明,砾石沙障10H间距的设计过于保守,增加了工程量。以下的计算表明,沙障间距为12H,即14.4m时,也可达到理想的防护效果,而且具有更加可靠的理论依据。根据现场观测,以1m高处的风速为标准,戈壁地表起沙风速为6.4~8.0m·s-1,现代冲积、风积区地表起沙风速约为6.0m·s-1。狮泉河镇气象站的风力统计结果表明(表1),狮泉河盆地>15m·s-1的强风一年内总计仅1h左右,15~6m·s-1的风力作用时间则多达1468.9h。因此,气象站15m·s-1的风速作为工程设计的参考值。由于工程区地表基本全部为戈壁,故可以利用该区典型戈壁地表的风速廓线和表面空气动力学粗糙度将气象站观测风速换算为近地层风速。根据多点自记风速仪对狮泉河盆地戈壁表面的风速观测结果,戈壁表面的风速廓线满足对数关系:U=a+blnz(1)U=a+blnz(1)式中:U为高度z(m)处的风速(m·s-1);a,b为回归系数,随风速的变化而改变(表3)。根据空气动力学粗糙度(z0)的定义,z0的值为z0=exp(−a/b)(2)z0=exp(-a/b)(2)当1m高度的风速(Uz=1m)介于7.43~11.45m·s-1之间时,戈壁地表的空气动力学粗糙度介于0.001~0.004m(表3)。按照式(1),(2),z0分别取值0.001m和0.004m,气象站观测风速(Uz=10m)取15m·s-1时,1m高度的风速(Uz=1m)分别为11.252m·s-1和10.586m·s-1。这一风速远大于工程区戈壁地表的临界起沙风速(6.4~8.0m·s-1),是狮泉河盆地风沙灾害防治工程中砾石沙障间距设计的近地层参考风速值。风洞实验中沙障背风侧12H处近地层风速降低27.5%。按此计算,旷野近地表风速分别为11.252m·s-1和10.586m·s-1时,沙障背风侧12H处风速分别为8.158m·s-1和7.675m·s-1。沙障间距为12H时,第二条沙障背风侧12H处近地表风速分别降低到5.915m·s-1和5.564m·s-1,低于工程区戈壁地表的临界起沙风速。可见在多条沙障平行设置、沙障间距12H的情况下,第二条沙障下风向的工程区近地面风速即被控制在起沙风速之下,工程区不再会有风蚀起沙现象发生。因沙障走向与盆地主害风向的夹角为77°,实际上沿主害风向的沙障间距为12H/sin77°即14.78m,与沙障垂直于主害风向时的间距只有2.6%的偏差,对整个沙障工程的防护效果不会构成明显影响。据此,砾石沙障间距最终确定为12H。2.2生物工程2.2.1重建禾草植被,重塑土地生产力砾石沙障存在寿命较短(仅8~10a)、功能单一的缺陷,而生物工程则不仅具有强大的防风固沙、阻沙功能,而且在防护体系内具有机械沙障无法实现的综合生态效应。防护林带被广泛应用于风沙工程中。周世威等野外流场观测表明,林带背风侧存在一个显著湍流化的低速区,当林带疏透度约为0.35时,带后贴地层风速在15H以远上升到旷野风速的60%,19H以远上升到80%,40H以远恢复到旷野风速。刘贤万根据烟风洞绕流实验和气流场测定,进一步证实在林带前部气流受阻抬升,顶部集流加速,带内和带后产生涡漩运动。流场特征的改变导促使风沙流产生沉积。BofahandAhmad的野外观测发现,在疏透林带的前后形成了一个处于近似动态平衡沙丘;Gandemer在风洞中也观察到相似的积沙现象。重建沙障间的禾草植被,能够避免地表易风蚀的沙物质直接暴露于风力作用之下,消除地表起沙;同时,表土细粒物质和肥力得以保存,并在禾草生长过程中加速成土过程,提高土地生产力。研究表明,地表植被特别是禾草植被以阻挡风力对地表土壤物质的直接作用、分散近地表风动量、截留部分被蚀物质等形式阻止地表风蚀或风沙活动。既便是稀疏植被,也可以起到显著的保护作用。狮泉河盆地的土壤中粉沙和粘粒含量很低(表2),后者与土壤持水能力和有机质、养分的富集密切相关。林、草植被可以捕获近地面大气中的沙尘,这些细粒物质不仅可以促进表层土壤有机质和养分积累,而且对加速植物定居具有重要意义。2.2.2明确出以防风阻沙为目的的景东林的设计原则防护林带是狮泉河盆地风沙灾害防治工程的主体工程之一。关于林带的设计,Mohammedetal.提出以防风阻沙为目的的单行林带设计原则,而多行林带的参数设计迄今没有系统的概括。本文根据狮泉河盆地风力环境、水资源状况以及工程区地形条件,提出以降低近地表风速、阻滞戈壁风沙流为目的、适于当地自然环境的防护林带设计方案。(1)班公柳班公柳选用当地适宜生长的班公柳为造林树种。狮泉河盆地气候条件异常恶劣,乡土树种只有秀丽水柏枝、变色荆棘儿等寥寥可数的几种灌木树种,班公柳是1989年从狮泉河附近日土县引进的生长速度较快的乔木树种,它同时具有灌木特性,适宜营造防护林带。而试种的其他树种如新疆杨(P.alblaL.varpyramidalisBge.)、沙枣(Elaeagnusangastifolia)等只在当年成活率达到50%左右,但都不能越冬成活。(2)道路上的高效设计理想的林带走向应与当地优势主风向垂直。但是考虑到林带的灌溉问题,林带走向必须参考地势的倾向,而砾石沙障的走向设计也考虑了林带的灌溉因素,因此林带走向同样确定为351.1°,和砾石沙障平行,与主害风向呈77°的夹角。(3)防沙设施配置的选择原则研究表明林带疏透度介于0.3~0.5之间时防风效果最佳。尽管较密林带的防风蚀和阻沙效果非常显著,但紧密林带背风侧形成的湍流强度较大,不利于带后地表的保护,且工程造价和需水量较大。而水资源正是最大的限制性因素之一,因此较密林带的选择受到限制。林带和高达1.2m砾石沙障在布局上的恰当配置可以有效克服上述矛盾,二者的结合显然会产生高于任何单项措施的防风阻沙效果,因此林带疏透度可以设计得更大一些,以尽可能地减少需水量。据此,在砾石沙障背风坡脚1m的距离设置防护林带,其冬春季落叶期间的疏透度确定为0.5~0.8。(4)班公松树形林主要取决于当地可利用的水资源状况林带宽度。本项工作中林带宽度应在保证降低风速防止地表起沙和沉积戈壁风沙流的前提下,限制在最低宽度水平。根据班公柳树形特征,为获得上述最低疏透度要求,每条林带至少应由3行组成。按1m×1m株行距,成熟林带的宽度约为3m。(5)班公林带的高度林带间距主要取决于林带高度和疏透度。周世威根据风洞模拟和野外测定,疏透度为0.45的单行林带的有效防护距离约为16H,因此疏透度大于0.5的林带有效防护距离小于16H。正常生长条件下,成林后的班公柳林带高度可以达到5~7m,但狮泉河盆地的地表水资源毕竟有限,且戈壁区水分利用率低,成熟林带的高度平均只有3~4m(如阿里地区草原站附近人工栽植的班公柳),因此单行林带的有效防护距离低于48m。考虑到林带和砾石沙障的配置,林带间距最终确定为43.2m(约为14H),即每隔3条砾石沙障设置1条林带。防护林带和砾石沙障的标准配置关系见图5(a)。工程区的最西端林带加密设置,即在最西端的第1,2条沙障间设置2条林带,第2,3条和第3,4条沙障间分别设置1条林带(图5(b)),第4条沙障以后防护林带按标准配置。2.2.3防风固沙林的配置可利用的水资源是戈壁地区生物治沙工程最大的限制性因素。林木生长所需水分条件较高,而狮泉河水量有限,因此在保证防风阻沙所必须的林带规模的前提下,所有未利用空地全部种植草本植物。由于土地肥力低下,工程初期选择耐瘠薄的披碱草(Clinelymusdahuricus)、无芒雀麦(B.inermisLeyss.)等草种。3关于砾石沙障、防护林带和人工草地的间距问题高寒干旱的气