河西走廊風沙災害對水利工程的危害程度評價

何有華，張曉虹，景凌云

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730021)

河西走廊風沙災害對水利工程的危害程度評價

何有華，張曉虹，景凌云

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730021)

風沙災害；水利工程；危害程度；河西走廊

河西走廊干旱少雨、風大沙多，風沙對水庫及渠系的填埋淤積嚴重。以水庫為研究對象，選擇地形地貌、年均降水量、年均大風日數、自然植被覆蓋率、年平均風速及排沙設施為評價因素，分析計算了河西走廊141座水庫的風沙危害程度指數，并應用該指標將水庫受風沙危害程度劃分為無明顯危害、輕度危害、中度危害、重度危害和極險5個等級，列出了32座亟待進行風沙危害防治的水庫目錄。

河西走廊沃野千里，地面自南向北傾斜，河流比降大，易于灌溉，決定了水利開發工程造價低廉，這為河西地區開發水利提供了較為有利的地形條件。在水利工程建設的前提下，有了河西走廊綠洲的繁榮，使河西地區成為國家重要的商品糧基地、甘肅主要的工業基地和西北地區重要的生態安全屏障。但騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠在河西走廊北部幾乎由東向西貫通，風大沙多，致使當地部分水利工程長期遭受風沙填埋，水庫有效庫容減少、調蓄功能降低，渠系被填埋，不但減少了有效灌溉面積，而且每年要投入大量的人力財力進行渠系清淤。為提高水資源的時空調控與配置能力，完善水利基礎設施網絡建設與保護，對河西走廊水利工程的風沙危害程度進行評價，并提出相應的防治建議，不但必要，而且迫切。

1 研究區域概況

1.1 研究區域自然概況

本次研究范圍僅為河西走廊甘肅省內陸河流域范圍，包括蘇干湖、疏勒河、黑河、石羊河4個水系，不包括內蒙古自治區的范圍；在行政區劃上，包括嘉峪關、金昌、酒泉、張掖、武威五市(區)。研究區土地總面積約270 024 km2，占全省總土地面積的59.42%[1]。區內地勢平緩開闊，海拔1 500 m左右。由于干燥少雨，地表徑流較為貧乏，因此流水作用對地面的沖刷和切割微弱，但風的活動十分活躍，成為塑造地貌的重要外營力，易產生強烈的風蝕和風積作用，形成各種風沙地貌[2-3]。中部平原土層深厚地帶的各條內陸河沿河沖積平原土質肥沃、引水灌溉條件好，便于開發利用，形成武威、張掖、酒泉等大片綠洲，地貌景觀上表現為綠洲農業景觀；其余廣大地區以風力作用和干燥剝蝕作用為主，戈壁和沙漠廣泛分布，特別是嘉峪關以西地區，戈壁面積廣大，綠洲面積更小。區內荒漠地帶以灰棕漠土、鹽土、風沙土、灰鈣土為主，土壤團粒結構差，易被吹蝕。走廊地帶屬溫帶荒漠草原植被帶，植被稀疏，結構簡單，種類較少，以旱生、超旱生短命植物為主，植被覆蓋度低，地表多裸露。氣候類型屬于溫帶大陸性干旱氣候，自然降水總的分布趨勢是由東南向西北遞減，絕大部分地區年降水量在150 mm以下，西部年降水量在100 mm以下，其中敦煌、瓜州、鼎新年降水量小于60 mm，敦煌僅42.2 mm，是河西年降水量最少的地方。區內多大風，年大風日數的分布和降水量的分布正好相反，西部的瓜州高達70.7 d，為最多，東部的古浪4.4 d，為最少；年沙塵暴日數北部的民勤最多，為27.4 d，南部的肅南最少，為1.4 d[4]。總的氣候特點是干旱少雨，風大沙多，光照充足，晝夜溫差大。

1.2 區域水資源及水利設施情況

水利工程的建設是河西地區綠洲存在和發展的前提，當地水資源總量占全省的23.81%，而水澆地的面積為6 635 km2，占全省水澆地面積的67.67%[1]，成為甘肅省重要的糧食基地。同時，在全省未利用的土地面積中，河西地區未利用土地面積占全省的89.55%，主要受水資源總量的限制以大片的戈壁和沙漠形式存在，說明降水和水資源對當地土地開發利用的重要性。其水資源及水庫建設情況匯總于表1。

表1 河西地區水資源及大中型水庫建設情況匯總

2 風沙對水利工程的危害情況調查

河西地區風沙對水利工程最直接的危害表現在對水庫和渠系的填埋上，但是，風沙對水庫的填埋在很多時候容易被忽視，這是因為其危害在初期并不明顯，往往是隨著日積月累，當填埋的泥沙影響到水庫調蓄功能進而影響到正常灌溉的時候，人們才意識到危害已經很嚴重。查閱有記載的沙塵暴危害，每次沙塵暴過后，在調查統計上報災情的時候，通常是從能直觀看到的方面進行統計，比如損毀民房、樹木、日光溫室、電桿電線多少等，偶爾能見到填埋水渠多少公里的報道，從未見過填埋水庫、減少庫容損失方面的統計材料。但通過在河西地區的典型調查可知，風沙對水庫和渠系的危害是相當嚴重的。

以酒泉市金塔縣解放村水庫和鴛鴦池水庫為例，鴛鴦池水庫始建于1943年，解放村水庫始建于1969年，這兩座水庫均處于黑河一級支流北大河下游的戈壁平原上，為聯合調蓄的姊妹庫，白水泉沙系從北、西北、西包圍著庫區，流沙長驅直入，沉積水庫。據2007年的調查資料，鴛鴦池水庫有效庫容減少了4 700萬m3，占總庫容的27%，減少有效灌溉面積3 468 hm2；解放村水庫有效庫容減少了1 100萬m3，占總庫容的28.2%，減少有效灌溉面積800 hm2，水庫的調蓄功能受到嚴重影響，造成的經濟損失不可估量，同時對鴛鴦灌區的農業生產和人民群眾的生存構成了嚴重的威脅[5-6]。再以1970年建成的酒泉市瓜州縣榆林河水庫為例，榆林河水庫設計庫容為700萬m3，據榆林河水管所提供的監測數據，至2008年已淤積庫容325萬m3，占到了設計庫容的46%，使水庫的調蓄功能嚴重下降。關于風沙對渠系的填埋危害，我們在酒泉市境內進行了調查，干渠平均每年的填埋量約為873 m3/km，支渠約為173 m3/km，冬春季節部分渠段被風沙填平，到灌溉季節只能通過推土機在渠內推開一條輸水渠道，再通過“引水拉沙”疏通渠道，而泥沙隨水流進入灌區，還會淤積堵塞渠系建筑物，壓埋作物幼苗，造成農作物減產等經濟損失。

3 風沙對水利設施的危害程度評價

3.1 評價因素的確定

風沙對水利設施的危害是多種因素造成的，包括自然因素和人為因素。通過調查，筆者認為就河西地區的水利設施而言，其主要影響因素是自然因素，人為因素一般體現在建設排沙設施或防護林等有利于減輕風沙危害的影響方面。

3.1.1 氣候因素

氣候因素是形成風沙地貌的最主要因素，沙漠和戈壁首先是干旱氣候的產物。

(1)降水因素。河西走廊地帶大多地區年降水量在150 mm以下，同時降水的一個主要特征是連續無降水時間長，冬春季幾乎無有效降水。這種干旱的氣候特征使土壤干燥松散，地表沙殼結皮不易形成，遇起沙風速沙土易被搬運吹揚[7]。更主要的是，干旱的氣候特征不利于自然植被的存活，使地表裸露、沙源廣布，為風沙活動提供了物質基礎。

(2)大風因素。裸露地表在風的動力作用下，發生吹蝕、分選、搬運、沉積，形成風沙地貌。根據已有研究成果，使沙粒開始移動的臨界風速，即起沙風速，在2 m高度以上為4.5～5.0 m/s[8]。而河西地區大風(≥17 m/s)日數多，尤其是走廊西段的酒泉市，所轄范圍大風日數多，起沙風日數更多，有時一場大風便能將遠離綠洲的水利干渠填埋。

(3)植被因素。植被覆蓋度與地表風蝕強度有極為密切的負相關關系。河西走廊不但干旱少雨，而且晝夜溫差大，地表溫度日變化劇烈。這種干旱少雨和冷熱巨變的氣候特點極不利于植被的存活和生長，限制了植物的生長、發育，造成植物種類貧乏、植被結構簡單、景觀單調，多為旱生、超旱生的短命植物，覆蓋稀疏，并有大面積完全無植被覆蓋的裸露地表。裸露沙質地表在起沙風速的作用下被吹揚，遇渠系、水庫等水利工程時沉積，造成對渠系和水庫的填埋。

3.1.2 地形地貌因素

地形因素主要是考慮水庫所在地點屬于峽谷地形還是平原地形。峽谷地形處的水庫一般因溝谷兩側的山體會阻隔風沙的直接侵入，風沙危害程度較輕；如果是平原地形，則外圍沙源無自然山體阻隔，會直接進入水庫，風沙危害程度較重。地貌因素主要是指下墊面的物質組成及其粒徑級配，與抗風蝕強度直接相關，如風沙地貌和綠洲地貌的地表物質組成不同，其土壤含水量、土壤黏性等不同，抗風蝕強度會有很大差異；同為風沙地貌的情況下，不同地表物質粒徑級配不同，其對應的起沙風速、沙粒運移形式、吹揚距離等也大不相同，對水庫的危害程度有很大差別。

3.1.3 工程因素

水利工程本身的防沙害功能設計和建設在風沙區相當重要，對工程的淤積年限、清淤費用、灌溉保障程度等均有很大影響，如水庫有無排沙洞建構物，輸水工程是明渠、箱涵還是管道等因素。本文以水庫為分析評價對象，只考慮水庫有無排沙設施單個工程因素。經調查，河西地區水庫排沙洞的功能不能得到完全發揮，主要原因是在需要敞閘排沙的夏秋季節，是灌溉用水的高峰期，需要集所有水資源保障灌溉用水需要，在冬季非灌溉季節有余水沖沙，但庫底泥沙多已處于凍結狀態，沖沙效果不理想。

3.2 各評價因素及其權重的確定

因風沙危害的隨意性和無邊界性，其影響因素是非常龐雜的，根據河西地區的自然情況和評價對象，我們選擇了排沙設施、地形地貌、年均降水量、年均大風日數、自然植被覆蓋率、年平均風速6項評價因素，并在實地調查的基礎上，分別對各水庫的各項評價因素賦予分值，分值越高，其危害程度越強。各評價因素及其賦分標準如表2。在確定了各評價因素后，需對各因素的影響權重進行分析確定，目前關于各影響因素的權重比例未查到相關研究成果，在本次評價中，通過走訪、咨詢有關專家和當地水利管理人員，用專家評分法確定了各評價因素的權重，詳見表3。

3.3 危害程度等級劃分

在確定了評價因素和各因素的影響權重后，提出了“風沙危害程度指數”的概念，即各評價因素的賦分值與其權重之積的總和，并以此來劃分危害程度等級。計算公式為

式中：T為風沙危害程度指數；Si為各評價因素的賦分值；Ki為各評價因素所占權重。

表2 水庫風沙危害程度評價因素賦分標準

表3 水庫風沙危害程度評價因素權重分配

依據各評價因素的賦分和權重，計算出各水庫的風沙危害程度指數，指數越高，危害等級越高。共劃分了5個等級，詳見表4。

表4 水庫風沙危害程度分級標準

3.4 評價結果

通過計算河西地區大中小型141座水庫的風沙危害程度指數，結果表明，無明顯危害的有11座，輕度危害的有61座，中度危害的有37座，重度危害的有19座，極險的有13座，見表5。將評價結果重新與現場調查相印證，筆者認為，對重度和極險危害等級的水庫需盡早采取風沙災害防治措施，以確保水庫持續發揮應有作用，并將重度以上危害等級的水庫目錄列于表6。

表5 水庫風沙危害程度評價結果匯總

表6 河西地區亟待進行風沙危害防治的水庫目錄

4 結論與建議

(1)河西地區風沙對水利工程危害的主要影響因素是自然因素，一般為地形地貌、年均降水量、年均大風日數、自然植被覆蓋率、年平均風速等；人為因素一般體現在建設排沙設施或建設防護林等有利于減輕風沙危害的正面影響方面。河西地區水利工程受風沙危害的程度有由東向西、由南向北加重的地帶性分布規律，與降水量等值線的分布正好相反，說明自然因素尤其是氣候因素是形成風沙災害、填淤水庫的最主要因素。

(2)大中型水庫受風沙危害程度較小型水庫輕，注入式小型平原水庫受風沙危害程度最為嚴重。這主要與水庫所處地理位置及地形有關，大中型水庫多處在低山丘陵的峽谷位置，而小型水庫大多位于戈壁平原與綠洲的交匯地帶，無自然山體阻隔，風沙容易直入水庫，侵占庫容。

(3)依據風沙危害程度指數，將河西地區水庫受風沙危害程度劃分為無明顯危害、輕度危害、中度危害、重度危害和極險5個等級，列出了亟待進行風沙危害防治的32座水庫目錄，其中重度危害19座、極險13座，除民勤縣紅崖山水庫外，其余均分布在河西走廊西端的嘉酒地區，建議盡快進行風沙災害綜合防治，以減輕危害程度，減緩風沙填埋進程。

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(責任編輯 徐素霞)

S157

A

1000-0941(2015)02-0058-04

何有華(1965—)，男，甘肅靜寧縣人，教授級高級工程師，學士，主要從事水土保持生態規劃與設計工作。

2014-04-15