河西走廊风沙灾害对水利工程的危害程度评价

何有华，张晓虹，景凌云

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730021)

河西走廊风沙灾害对水利工程的危害程度评价

何有华，张晓虹，景凌云

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730021)

风沙灾害；水利工程；危害程度；河西走廊

河西走廊干旱少雨、风大沙多，风沙对水库及渠系的填埋淤积严重。以水库为研究对象，选择地形地貌、年均降水量、年均大风日数、自然植被覆盖率、年平均风速及排沙设施为评价因素，分析计算了河西走廊141座水库的风沙危害程度指数，并应用该指标将水库受风沙危害程度划分为无明显危害、轻度危害、中度危害、重度危害和极险5个等级，列出了32座亟待进行风沙危害防治的水库目录。

河西走廊沃野千里，地面自南向北倾斜，河流比降大，易于灌溉，决定了水利开发工程造价低廉，这为河西地区开发水利提供了较为有利的地形条件。在水利工程建设的前提下，有了河西走廊绿洲的繁荣，使河西地区成为国家重要的商品粮基地、甘肃主要的工业基地和西北地区重要的生态安全屏障。但腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠在河西走廊北部几乎由东向西贯通，风大沙多，致使当地部分水利工程长期遭受风沙填埋，水库有效库容减少、调蓄功能降低，渠系被填埋，不但减少了有效灌溉面积，而且每年要投入大量的人力财力进行渠系清淤。为提高水资源的时空调控与配置能力，完善水利基础设施网络建设与保护，对河西走廊水利工程的风沙危害程度进行评价，并提出相应的防治建议，不但必要，而且迫切。

1 研究区域概况

1.1 研究区域自然概况

本次研究范围仅为河西走廊甘肃省内陆河流域范围，包括苏干湖、疏勒河、黑河、石羊河4个水系，不包括内蒙古自治区的范围；在行政区划上，包括嘉峪关、金昌、酒泉、张掖、武威五市(区)。研究区土地总面积约270 024 km2，占全省总土地面积的59.42%[1]。区内地势平缓开阔，海拔1 500 m左右。由于干燥少雨，地表径流较为贫乏，因此流水作用对地面的冲刷和切割微弱，但风的活动十分活跃，成为塑造地貌的重要外营力，易产生强烈的风蚀和风积作用，形成各种风沙地貌[2-3]。中部平原土层深厚地带的各条内陆河沿河冲积平原土质肥沃、引水灌溉条件好，便于开发利用，形成武威、张掖、酒泉等大片绿洲，地貌景观上表现为绿洲农业景观；其余广大地区以风力作用和干燥剥蚀作用为主，戈壁和沙漠广泛分布，特别是嘉峪关以西地区，戈壁面积广大，绿洲面积更小。区内荒漠地带以灰棕漠土、盐土、风沙土、灰钙土为主，土壤团粒结构差，易被吹蚀。走廊地带属温带荒漠草原植被带，植被稀疏，结构简单，种类较少，以旱生、超旱生短命植物为主，植被覆盖度低，地表多裸露。气候类型属于温带大陆性干旱气候，自然降水总的分布趋势是由东南向西北递减，绝大部分地区年降水量在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，敦煌仅42.2 mm，是河西年降水量最少的地方。区内多大风，年大风日数的分布和降水量的分布正好相反，西部的瓜州高达70.7 d，为最多，东部的古浪4.4 d，为最少；年沙尘暴日数北部的民勤最多，为27.4 d，南部的肃南最少，为1.4 d[4]。总的气候特点是干旱少雨，风大沙多，光照充足，昼夜温差大。

1.2 区域水资源及水利设施情况

水利工程的建设是河西地区绿洲存在和发展的前提，当地水资源总量占全省的23.81%，而水浇地的面积为6 635 km2，占全省水浇地面积的67.67%[1]，成为甘肃省重要的粮食基地。同时，在全省未利用的土地面积中，河西地区未利用土地面积占全省的89.55%，主要受水资源总量的限制以大片的戈壁和沙漠形式存在，说明降水和水资源对当地土地开发利用的重要性。其水资源及水库建设情况汇总于表1。

表1 河西地区水资源及大中型水库建设情况汇总

2 风沙对水利工程的危害情况调查

河西地区风沙对水利工程最直接的危害表现在对水库和渠系的填埋上，但是，风沙对水库的填埋在很多时候容易被忽视，这是因为其危害在初期并不明显，往往是随着日积月累，当填埋的泥沙影响到水库调蓄功能进而影响到正常灌溉的时候，人们才意识到危害已经很严重。查阅有记载的沙尘暴危害，每次沙尘暴过后，在调查统计上报灾情的时候，通常是从能直观看到的方面进行统计，比如损毁民房、树木、日光温室、电杆电线多少等，偶尔能见到填埋水渠多少公里的报道，从未见过填埋水库、减少库容损失方面的统计材料。但通过在河西地区的典型调查可知，风沙对水库和渠系的危害是相当严重的。

以酒泉市金塔县解放村水库和鸳鸯池水库为例，鸳鸯池水库始建于1943年，解放村水库始建于1969年，这两座水库均处于黑河一级支流北大河下游的戈壁平原上，为联合调蓄的姊妹库，白水泉沙系从北、西北、西包围着库区，流沙长驱直入，沉积水库。据2007年的调查资料，鸳鸯池水库有效库容减少了4 700万m3，占总库容的27%，减少有效灌溉面积3 468 hm2；解放村水库有效库容减少了1 100万m3，占总库容的28.2%，减少有效灌溉面积800 hm2，水库的调蓄功能受到严重影响，造成的经济损失不可估量，同时对鸳鸯灌区的农业生产和人民群众的生存构成了严重的威胁[5-6]。再以1970年建成的酒泉市瓜州县榆林河水库为例，榆林河水库设计库容为700万m3，据榆林河水管所提供的监测数据，至2008年已淤积库容325万m3，占到了设计库容的46%，使水库的调蓄功能严重下降。关于风沙对渠系的填埋危害，我们在酒泉市境内进行了调查，干渠平均每年的填埋量约为873 m3/km，支渠约为173 m3/km，冬春季节部分渠段被风沙填平，到灌溉季节只能通过推土机在渠内推开一条输水渠道，再通过“引水拉沙”疏通渠道，而泥沙随水流进入灌区，还会淤积堵塞渠系建筑物，压埋作物幼苗，造成农作物减产等经济损失。

3 风沙对水利设施的危害程度评价

3.1 评价因素的确定

风沙对水利设施的危害是多种因素造成的，包括自然因素和人为因素。通过调查，笔者认为就河西地区的水利设施而言，其主要影响因素是自然因素，人为因素一般体现在建设排沙设施或防护林等有利于减轻风沙危害的影响方面。

3.1.1 气候因素

气候因素是形成风沙地貌的最主要因素，沙漠和戈壁首先是干旱气候的产物。

(1)降水因素。河西走廊地带大多地区年降水量在150 mm以下，同时降水的一个主要特征是连续无降水时间长，冬春季几乎无有效降水。这种干旱的气候特征使土壤干燥松散，地表沙壳结皮不易形成，遇起沙风速沙土易被搬运吹扬[7]。更主要的是，干旱的气候特征不利于自然植被的存活，使地表裸露、沙源广布，为风沙活动提供了物质基础。

(2)大风因素。裸露地表在风的动力作用下，发生吹蚀、分选、搬运、沉积，形成风沙地貌。根据已有研究成果，使沙粒开始移动的临界风速，即起沙风速，在2 m高度以上为4.5～5.0 m/s[8]。而河西地区大风(≥17 m/s)日数多，尤其是走廊西段的酒泉市，所辖范围大风日数多，起沙风日数更多，有时一场大风便能将远离绿洲的水利干渠填埋。

(3)植被因素。植被覆盖度与地表风蚀强度有极为密切的负相关关系。河西走廊不但干旱少雨，而且昼夜温差大，地表温度日变化剧烈。这种干旱少雨和冷热巨变的气候特点极不利于植被的存活和生长，限制了植物的生长、发育，造成植物种类贫乏、植被结构简单、景观单调，多为旱生、超旱生的短命植物，覆盖稀疏，并有大面积完全无植被覆盖的裸露地表。裸露沙质地表在起沙风速的作用下被吹扬，遇渠系、水库等水利工程时沉积，造成对渠系和水库的填埋。

3.1.2 地形地貌因素

地形因素主要是考虑水库所在地点属于峡谷地形还是平原地形。峡谷地形处的水库一般因沟谷两侧的山体会阻隔风沙的直接侵入，风沙危害程度较轻；如果是平原地形，则外围沙源无自然山体阻隔，会直接进入水库，风沙危害程度较重。地貌因素主要是指下垫面的物质组成及其粒径级配，与抗风蚀强度直接相关，如风沙地貌和绿洲地貌的地表物质组成不同，其土壤含水量、土壤黏性等不同，抗风蚀强度会有很大差异；同为风沙地貌的情况下，不同地表物质粒径级配不同，其对应的起沙风速、沙粒运移形式、吹扬距离等也大不相同，对水库的危害程度有很大差别。

3.1.3 工程因素

水利工程本身的防沙害功能设计和建设在风沙区相当重要，对工程的淤积年限、清淤费用、灌溉保障程度等均有很大影响，如水库有无排沙洞建构物，输水工程是明渠、箱涵还是管道等因素。本文以水库为分析评价对象，只考虑水库有无排沙设施单个工程因素。经调查，河西地区水库排沙洞的功能不能得到完全发挥，主要原因是在需要敞闸排沙的夏秋季节，是灌溉用水的高峰期，需要集所有水资源保障灌溉用水需要，在冬季非灌溉季节有余水冲沙，但库底泥沙多已处于冻结状态，冲沙效果不理想。

3.2 各评价因素及其权重的确定

因风沙危害的随意性和无边界性，其影响因素是非常庞杂的，根据河西地区的自然情况和评价对象，我们选择了排沙设施、地形地貌、年均降水量、年均大风日数、自然植被覆盖率、年平均风速6项评价因素，并在实地调查的基础上，分别对各水库的各项评价因素赋予分值，分值越高，其危害程度越强。各评价因素及其赋分标准如表2。在确定了各评价因素后，需对各因素的影响权重进行分析确定，目前关于各影响因素的权重比例未查到相关研究成果，在本次评价中，通过走访、咨询有关专家和当地水利管理人员，用专家评分法确定了各评价因素的权重，详见表3。

3.3 危害程度等级划分

在确定了评价因素和各因素的影响权重后，提出了“风沙危害程度指数”的概念，即各评价因素的赋分值与其权重之积的总和，并以此来划分危害程度等级。计算公式为

式中：T为风沙危害程度指数；Si为各评价因素的赋分值；Ki为各评价因素所占权重。

表2 水库风沙危害程度评价因素赋分标准

表3 水库风沙危害程度评价因素权重分配

依据各评价因素的赋分和权重，计算出各水库的风沙危害程度指数，指数越高，危害等级越高。共划分了5个等级，详见表4。

表4 水库风沙危害程度分级标准

3.4 评价结果

通过计算河西地区大中小型141座水库的风沙危害程度指数，结果表明，无明显危害的有11座，轻度危害的有61座，中度危害的有37座，重度危害的有19座，极险的有13座，见表5。将评价结果重新与现场调查相印证，笔者认为，对重度和极险危害等级的水库需尽早采取风沙灾害防治措施，以确保水库持续发挥应有作用，并将重度以上危害等级的水库目录列于表6。

表5 水库风沙危害程度评价结果汇总

表6 河西地区亟待进行风沙危害防治的水库目录

4 结论与建议

(1)河西地区风沙对水利工程危害的主要影响因素是自然因素，一般为地形地貌、年均降水量、年均大风日数、自然植被覆盖率、年平均风速等；人为因素一般体现在建设排沙设施或建设防护林等有利于减轻风沙危害的正面影响方面。河西地区水利工程受风沙危害的程度有由东向西、由南向北加重的地带性分布规律，与降水量等值线的分布正好相反，说明自然因素尤其是气候因素是形成风沙灾害、填淤水库的最主要因素。

(2)大中型水库受风沙危害程度较小型水库轻，注入式小型平原水库受风沙危害程度最为严重。这主要与水库所处地理位置及地形有关，大中型水库多处在低山丘陵的峡谷位置，而小型水库大多位于戈壁平原与绿洲的交汇地带，无自然山体阻隔，风沙容易直入水库，侵占库容。

(3)依据风沙危害程度指数，将河西地区水库受风沙危害程度划分为无明显危害、轻度危害、中度危害、重度危害和极险5个等级，列出了亟待进行风沙危害防治的32座水库目录，其中重度危害19座、极险13座，除民勤县红崖山水库外，其余均分布在河西走廊西端的嘉酒地区，建议尽快进行风沙灾害综合防治，以减轻危害程度，减缓风沙填埋进程。

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(责任编辑 徐素霞)

S157

A

1000-0941(2015)02-0058-04

何有华(1965—)，男，甘肃静宁县人，教授级高级工程师，学士，主要从事水土保持生态规划与设计工作。

2014-04-15