芻議沙漠地區(qū)生態(tài)水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)

雷 臻

(新疆水利電力建設(shè)總公司，烏魯木齊830000)

1 工程概況

1.1 整體概況

新疆占我國(guó)國(guó)土面積的1/6，其中荒漠和沙漠面積占70%，綠洲面積占4.2%。新疆灌區(qū)具有悠久的灌溉歷史，南疆有大片耕地的山前傾斜平原，農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的自然條件優(yōu)越，但水資源短缺，時(shí)空分布不均。整個(gè)新疆地區(qū)年平均徑流深48.2 mm，為全國(guó)平均值的17%;多年平均降雨量約為154.5 mm，為全國(guó)平均值的23%;年平均蒸發(fā)量約為2 000～3 000 mm，是典型的干旱氣候，蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量，干旱指數(shù)一般在30以上，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，許多骨干水利工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，規(guī)劃設(shè)計(jì)不完善，資源利用率低，農(nóng)業(yè)用水的利用率只有40%左右，嚴(yán)重影響了新疆的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 案例工程概況

某水利工程所處區(qū)域全年晴多雨少，年均日照率高達(dá)62% ～64%，月際差別較大，年平均風(fēng)速2.1 m/s，6—7月份是蒸發(fā)量最大月份，沙塵暴主要發(fā)生在4—9月。水源主要來自于四條河流和地下水，已建成5座引水樞紐工程，工程性防滲渠道3 000余km，排水渠道1 000余km，年引水量約12億m3，總體經(jīng)多年建設(shè)完善較建設(shè)前取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，社會(huì)指標(biāo)有了一定增長(zhǎng)，但工程質(zhì)量不高，引水工程配套不完善，生態(tài)環(huán)境面臨著嚴(yán)重的影響。同時(shí)，人為的河流整治和渠道建設(shè)改變了河流的流動(dòng)性和多樣性，使得該工程所在區(qū)域的水深、水溫和水文規(guī)律發(fā)生了變化，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的影響不容忽視。

2 面臨的問題

2.1 對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響

新疆為保證糧食的生產(chǎn)和工業(yè)原料的供應(yīng)，在沖積扇以下的沖積平原上認(rèn)為的改造形成了大面積的人工灌溉綠洲，并把大面積的濕地和坡地改造成了旱地或水田，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)失衡明顯。開荒破壞了植被，造成土地沙化;由于前期的水利工程規(guī)劃未從整體上考慮其生態(tài)功能，水利工程建成后，弊病開始暴露;同時(shí)，部分水利工程年久失修，滲漏灌溉網(wǎng)上水的滲漏使得地下水位普遍升高，灌溉水經(jīng)渠道引水灌溉防滲和工程技術(shù)不完善造成水大量蒸發(fā)和滲漏，出現(xiàn)鹽化，對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成了一定的影響。

2.2 水資源過度開采

新疆屬水資源緊缺地區(qū)，由于水資源的過度開采和不合理使用，造成了大量浪費(fèi)，建成的水利工程雖緩解了這一問題，但前期的過度開采和水利工程的部分區(qū)域不合理規(guī)劃使得該區(qū)域河流流域的地下水位下降驚人，高達(dá)近10 m，部分河流的主干支流甚至出現(xiàn)斷流和干涸。同時(shí)，水利工程建成后灌溉引水量增長(zhǎng)較快，減少了維護(hù)自然生態(tài)的用水，造成該區(qū)域天然林、草地的枯死衰敗，綠州面積減少，干旱區(qū)自然生態(tài)的動(dòng)植物多樣性逐漸變得單一。

2.3 水資源污染

水資源的污染使得可利用水減少，水利工程所包含的河流及灌溉渠在區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境自凈化能力接近0，排入的有害物質(zhì)難以稀釋和降解，水的礦化度上升，其中1條河流的淡水只約占其年徑流量的35%，淡咸水反而占了大多數(shù)。該區(qū)域某3條河流礦化度近幾次的變化曲線如下:

圖1 某3條河流礦化度近幾次測(cè)定值

3 水利工程問題分析

3.1 控制性調(diào)蓄水庫(kù)缺乏

該地域干旱少雨，天然來水和灌區(qū)需水并不同步，難以滿足農(nóng)牧業(yè)灌溉的需要。春季來水量有時(shí)還不能達(dá)到全年的10%，水庫(kù)調(diào)蓄能力的不足在農(nóng)作物需水高峰期暴露無遺，使得灌區(qū)旱情嚴(yán)重。由于缺少灌溉調(diào)節(jié)水利工程，加上農(nóng)牧業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱，春秋季來水與用水矛盾突出，夏季來水占全年來水量的60%左右，而冬季的閑水又不能充分利用，對(duì)水資源的合理開發(fā)利用造成了不利影響。由于缺乏控制性骨干水利工程，且工程配套不完善，使得水面蒸發(fā)量與滲漏量較大達(dá)到了40% ～60%，水庫(kù)調(diào)蓄能力不足，超標(biāo)準(zhǔn)的短期水流量使泥沙淤積等問題十分突出，引水工程也受到了不同程度的破壞。

3.2 引水渠首工程規(guī)劃設(shè)計(jì)不完善

該區(qū)域建成的5座引水樞紐工程及幾千公里的防滲渠道和排水渠道由于配套不完善，設(shè)施設(shè)備逐漸老化，效益降低較快。引水工程的供水能力不足設(shè)計(jì)供水量的80%。某些灌區(qū)引水口為標(biāo)準(zhǔn)較低或者臨時(shí)性的設(shè)施，引水保證率無法保證;某些渠首規(guī)劃太集中，泥沙綜合處理存在問題;渠首引水比逐步提高，減少了沖沙水，造成引水渠首下游淤積抬高，河床斷面改變較大;另外，有的引水渠首位于寬闊的河床，主流擺動(dòng)很頻繁，泄洪水流過于分散。

3.3 生態(tài)水利工程規(guī)劃意識(shí)不足

由于部分水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)更多的是考慮經(jīng)濟(jì)效益，忽略了對(duì)環(huán)境的影響，工程建成后后期配套設(shè)施仍按原規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行建造，環(huán)境效益隨時(shí)間的推移逐步下降。正是由于意識(shí)不足，才出現(xiàn)了在技術(shù)相對(duì)發(fā)達(dá)的今天和配套相對(duì)完善的條件下，利用率仍沒有得到很大改善。同時(shí)，相關(guān)激勵(lì)機(jī)制還不完善，存在動(dòng)機(jī)機(jī)制問題。水資源的污染和過度開發(fā)也與此存在較大聯(lián)系。

4 生態(tài)水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)

4.1 明確規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則

4.1.1 安全性與經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合原則

生態(tài)水利工程屬于綜合性工程，在水利綜合治理中不但要滿足人的需求，更要兼顧生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展。工程設(shè)施必須滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使其能夠承受自然力的荷載，如河流治理時(shí)要充分考慮河流泥沙輸移、淤積、侵蝕和沖刷等，確保河流生態(tài)修復(fù)工程的耐久性。同時(shí)要遵循風(fēng)險(xiǎn)最小和效益最大原則，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)帶有一定風(fēng)險(xiǎn)程度的生態(tài)水利工程進(jìn)行方案比選，針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和評(píng)估要足夠重視。

4.1.2 自我恢復(fù)原則

生態(tài)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)是一種“指導(dǎo)性”的設(shè)計(jì)，需要依靠水利工程生態(tài)系統(tǒng)的自設(shè)計(jì)和自組織功能，由水利工程聯(lián)接區(qū)域的自然界選擇合適物種，以此形成合理結(jié)構(gòu)，完成和實(shí)現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)。因此，新水利工程的建設(shè)和舊水利工程的改造都必須放棄原始的控制自然界的動(dòng)機(jī)，樹立嶄新的工程理念，利用生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)功能實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧。

4.1.3 反饋調(diào)整原則

生態(tài)水利工程系統(tǒng)的成長(zhǎng)和形成是一個(gè)較為長(zhǎng)期的過程，發(fā)展的趨勢(shì)是增加和提高結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、生物群落的多樣性、系統(tǒng)的有序性和內(nèi)部的穩(wěn)定性，同時(shí)，整個(gè)水利生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界干擾的抵抗力也逐漸增強(qiáng)，這是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，期望水利系統(tǒng)的修復(fù)能夠短期奏效是不現(xiàn)實(shí)。為盡快完成系統(tǒng)的建立，規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)可模仿成熟的水利工程生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立最終可形成的健康、可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)。由于時(shí)間較長(zhǎng)和水利工程生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力的存在，在形成成熟系統(tǒng)的過程中充滿了許多不確定性，這就需要不斷進(jìn)行生物和水文監(jiān)測(cè)并盡快反饋進(jìn)行評(píng)估。通過對(duì)話和協(xié)商尋求共同利益，加強(qiáng)多學(xué)科的交流和融合，提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

4.2 改善措施

4.2.1 加固水利工程

對(duì)于進(jìn)水閘泥沙沉積和引水量不能滿足引水要求的彎道渠首，改建時(shí)主要是對(duì)彎道進(jìn)行縮窄，加大彎道曲率，利用用水少的間歇過程和汛期集中暢泄。根據(jù)原有淤積現(xiàn)狀及渠道的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行改造和除險(xiǎn)加固。位于高烈度區(qū)的水庫(kù)，除險(xiǎn)加固要加寬加厚壩體，增強(qiáng)其穩(wěn)定性，插入土壩部分的黏土區(qū)土料要盡可能采用高塑性含黏量的土料填筑。明渠排水在該區(qū)占有很大比重，仍以排水干、支渠為主控制地下水位，應(yīng)逐步開展灌區(qū)豎井排灌。在地下水位較高、適于開采的區(qū)域建立水源地，開采地下水，以控制地下水位，減少無效蒸發(fā)。

4.2.2 引入節(jié)水灌溉技術(shù)

該區(qū)灌溉面積中絕大部分為地面灌溉，浪費(fèi)比較嚴(yán)重，節(jié)水潛力很大。目前，膜上灌、低壓灌、滴灌、噴灌和壓管灌等灌溉新技術(shù)具有明顯的節(jié)水功效。《新疆綠州農(nóng)業(yè)學(xué)》以種植棉花為例對(duì)各類灌溉技術(shù)的成本和效益進(jìn)行了對(duì)比，見表1。

表1 不同灌溉技術(shù)的成本與效益比較

根據(jù)上表的對(duì)比，結(jié)合該區(qū)域各地實(shí)際情況，選擇合適的灌溉新技術(shù)。該區(qū)域蒸發(fā)強(qiáng)烈，滲漏厲害，建議采用膜下節(jié)水滴灌，減少蒸發(fā)的時(shí)候也同時(shí)降低鹽堿在耕作層表面的積累，改造該區(qū)的低產(chǎn)田及改善灌區(qū)下游生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)論

新疆是沙漠面積大，是一個(gè)干旱缺水的地區(qū)，水利工程的建設(shè)不但要結(jié)合實(shí)際不斷調(diào)整和完善，更要注重可持續(xù)發(fā)展。要盡量做到水資源利用效率的提高與灌區(qū)保護(hù)和下游生態(tài)環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，合理開發(fā)利用地下水，控制地下水位。做好水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)，促成生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

［1］張紅麗.新扭節(jié)水生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)理論與制度創(chuàng)新研究［D］.武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

［2］李山，李擎坤.新疆農(nóng)牧灌區(qū)建設(shè)與水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)［J］. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2004，23(3):56-60.

［3］張俊芝.水利水電工程理論研究及技術(shù)應(yīng)用［M］.武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［4］彭東華.生態(tài)水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)［J］.江西建材，2012(3):180-182.