何京麗 ，張三紅 ，崔 崴 ，郭建英 ，母吉君 ，陳全才 ，張 俊

（1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,010010，呼和浩特；2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)管理總局，015000，臨河；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市水保站,015000，臨河；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣水務(wù)局，015200，巴彥高勒）

一、基本情況

1.區(qū)域概況

黃河內(nèi)蒙古段穿行于我國(guó)北方干旱向半干旱地區(qū)的過(guò)渡地帶。區(qū)域內(nèi)干旱少雨，且大風(fēng)頻繁，兩岸的風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，直接進(jìn)入黃河，大量增加黃河的泥沙量。其中烏蘭布和沙漠位于黃河內(nèi)蒙古段 （烏?！憧冢┪靼叮颂幧衬l(fā)展強(qiáng)烈，沙丘密集高大，沙丘鏈高為 7～20m，最高達(dá)65 m，植被稀少，目前已有50km左右的流動(dòng)沙丘直接侵入黃河河道。

烏蘭布和沙漠沿黃段位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市烏達(dá)區(qū)與巴彥淖爾市磴口縣之間，右與鄂爾多斯市杭錦旗相鄰。該區(qū)氣候干燥，雨量稀少，多年平均年降水量142.7mm，年平均氣溫8.0℃，風(fēng)沙頻繁，地表風(fēng)蝕強(qiáng)烈，年平均風(fēng)速3.7 m/s，大風(fēng)和風(fēng)沙一年四季均有出現(xiàn)，以3—5月最多，風(fēng)向多為西北風(fēng)，多年平均大風(fēng)日數(shù)10～32d，多年平均揚(yáng)沙日數(shù) 75～79d，沙塵暴日數(shù)19～22d，屬于典型的中溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候。

2.風(fēng)積沙的危害

黃河沿岸烏蘭布和沙漠流動(dòng)沙丘延綿不斷，大部分為新月形流動(dòng)沙丘，呈西北高東南低，整個(gè)地勢(shì)傾向黃河。且地勢(shì)傾向與主風(fēng)方向相同，致使大量風(fēng)積沙直接向黃河傾瀉，風(fēng)積沙入黃以粗沙（大于0.1mm）為主，是黃河粗沙的重要策源地。據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)人士推測(cè)，烏蘭布和沙漠每年直接輸入黃河的泥沙為2800萬(wàn)～6000萬(wàn)t，是單位長(zhǎng)度內(nèi)使黃河水含沙量增幅最大的地區(qū)之一。

黃河泥沙含量的劇增，使黃河河床淤積抬高速度加快，造成烏蘭布和沙漠沿黃劉拐子沙頭段20 km黃河主流擺動(dòng)，河岸崩塌，沖毀農(nóng)田和林地，對(duì)下游三盛公黃河樞紐工程和其他水利工程構(gòu)成嚴(yán)重威脅。河道淤積造成同水位下過(guò)流量不斷減少，形成“地上懸河”，對(duì)當(dāng)?shù)胤懒璺姥垂ぷ髟斐删薮髩毫Γ箖?nèi)蒙古黃河段成為防凌防汛形勢(shì)最為嚴(yán)峻的河段。烏蘭布和沙漠使河套引水總干渠遭受流沙侵襲的危害，每年用于干、支、斗、農(nóng)、毛渠的清淤費(fèi)高達(dá)500萬(wàn)元。河道淤積嚴(yán)重威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，極大影響了當(dāng)?shù)睾拖掠蔚貐^(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

3.生態(tài)現(xiàn)狀及治理經(jīng)驗(yàn)

烏蘭布和沙漠地處我國(guó)西北地區(qū)荒漠半荒漠的前沿地帶，總面積為1.15萬(wàn)km2，其中流動(dòng)沙丘占36.9%，半固定沙丘占33.3%，固定沙丘占29.8%。黃河沿岸主要是流動(dòng)沙丘。土壤以灰漠土和風(fēng)沙土為主。植被以白刺和霸王構(gòu)成荒漠植被的重要建群種。

多年來(lái)國(guó)家在黃河沿岸實(shí)施了生態(tài)建設(shè)工程、水土保持綜合治理工程、日元貸款風(fēng)沙治理等項(xiàng)目，項(xiàng)目治理區(qū)取得了一定效果，積累了一些成功治理沙漠的經(jīng)驗(yàn)，如草方格沙障、紅土壓沙、營(yíng)造草灌植被帶等方法。但由于治理面積遠(yuǎn)小于危害面積，生態(tài)治理區(qū)相互獨(dú)立，未連成片，形成許多治理空缺，加之治理過(guò)程中的不連續(xù)性和對(duì)防治措施的科技投入十分有限，使得黃河沿岸的流動(dòng)沙丘沒(méi)有得到有效控制，嚴(yán)重威脅黃河河道的安全運(yùn)行。

二、研究的重要性和必要性

《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》已把黃河中上游、荒漠地區(qū)典型生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)及黃河綜合治理納入我國(guó)今后發(fā)展和研究的重點(diǎn)領(lǐng)域；《全國(guó)水土保持科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2008—2020年）》已明確把晉陜蒙粗沙多沙區(qū)不同尺度區(qū)域水土流失分布，及其水沙調(diào)控納入我國(guó)主要土壤侵蝕區(qū)水土保持研究重點(diǎn)；水利部有關(guān)科技發(fā)展規(guī)劃將黃河防洪防凌減災(zāi)問(wèn)題、黃河水沙調(diào)控問(wèn)題、水土流失問(wèn)題等作為近年研究的重點(diǎn)內(nèi)容；當(dāng)?shù)馗骷?jí)政府非常重視黃河沿岸的水土保持工作，將該區(qū)水土流失治理作為環(huán)境建設(shè)和改善人民生活的主要內(nèi)容，列入重要議事日程。因此，黃河內(nèi)蒙古段烏蘭布和沙漠入黃沙量監(jiān)測(cè)研究，符合國(guó)家和水利部有關(guān)科技發(fā)展規(guī)劃要求。

近年，為研究黃河上游水資源開(kāi)發(fā)利用、黃河泥沙運(yùn)移及治理問(wèn)題，以中科院孫鴻烈院士為首的5位院士及專(zhuān)家一行30多人到烏蘭布和沙漠沿黃劉拐子沙頭段實(shí)地考察了風(fēng)沙入黃情況和監(jiān)測(cè)治理現(xiàn)狀；國(guó)務(wù)院為出臺(tái)《關(guān)于促進(jìn)內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)又好又快發(fā)展若干意見(jiàn)》作準(zhǔn)備，由國(guó)家發(fā)改委牽頭組成的國(guó)家聯(lián)合調(diào)研生態(tài)組，對(duì)烏蘭布和沙漠沿黃段的監(jiān)測(cè)治理進(jìn)行專(zhuān)題調(diào)研；專(zhuān)家及各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)一致認(rèn)為在烏蘭布和沙漠黃河沿岸開(kāi)展風(fēng)積沙入黃監(jiān)測(cè)研究的科學(xué)意義重大。

開(kāi)展烏蘭布和沙漠沿黃段水土流失監(jiān)測(cè)是綜合治理工作的基礎(chǔ)，能及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映水土保持生態(tài)建設(shè)情況、水土流失動(dòng)態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì)，為水土流失防治、監(jiān)督和管理決策服務(wù)，為國(guó)家生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。長(zhǎng)期以來(lái)由于缺乏先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備與科學(xué)技術(shù)的支撐，致使烏蘭布和沙漠黃河沿岸段風(fēng)積沙入黃量的估算結(jié)果說(shuō)法不一，從0.28億m3/a至0.60億m3/a，數(shù)據(jù)相差太大,嚴(yán)重影響了各級(jí)政府和部門(mén)的防治決策。因此，開(kāi)展黃河內(nèi)蒙古段烏蘭布和沙漠入黃沙量監(jiān)測(cè)研究，可全面了解和掌握烏蘭布和沙漠黃河沿岸風(fēng)沙流的運(yùn)移特征、沙丘移動(dòng)規(guī)律和精確估算入黃風(fēng)積沙量，將為研究黃河泥沙問(wèn)題、維持黃河健康生命、不斷完善黃河沿岸綜合防護(hù)體系提供科學(xué)的決策依據(jù)。

三、監(jiān)測(cè)研究?jī)?nèi)容及初步結(jié)果分析

1.監(jiān)測(cè)研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)監(jiān)測(cè)研究在廣泛收集、整理、分析該區(qū)基礎(chǔ)資料和相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)烏蘭布和沙漠黃河（烏?！憧诙危┭匕讹L(fēng)積沙入黃淤積河道的現(xiàn)象，對(duì)黃河沿岸流動(dòng)沙丘的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、輸沙率與風(fēng)速及高度的相關(guān)關(guān)系、風(fēng)沙運(yùn)移規(guī)律、風(fēng)積沙入黃量、沙丘移動(dòng)速度、河岸坍塌速度、坍塌量等，進(jìn)行量化的監(jiān)測(cè)研究，探討烏蘭布和沙漠風(fēng)積沙入黃的危害，以期為黃河（烏?！憧诙危┘跋掠螏?kù)區(qū)淤積防治提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本項(xiàng)目采用的監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有自動(dòng)氣象站用于統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間段的風(fēng)速、風(fēng)向、沙丘表層土壤含水量；全方位定點(diǎn)集沙儀、全方位沙粒躍移梯度集沙儀測(cè)定不同方位和不同高度的積沙量；觀(guān)測(cè)樁布設(shè)于流沙侵入河道的典型地區(qū)，每隔20～30m布設(shè)一對(duì)，總長(zhǎng)2650m，依據(jù)汛期和風(fēng)沙活動(dòng)的強(qiáng)度，定期測(cè)量沙丘的向前推移距離和河道水位的變化；通過(guò)三維激光地貌掃描儀精準(zhǔn)掃描，生成項(xiàng)目區(qū)地形的點(diǎn)云圖及DEM圖，監(jiān)測(cè)該區(qū)域不同時(shí)期地形的變化情況，并可精確計(jì)算不同時(shí)期監(jiān)測(cè)區(qū)域的土方量變化以及流動(dòng)沙丘向河道推動(dòng)距離；同時(shí)結(jié)合遙感影像資料分析多年黃河沿岸流動(dòng)沙丘直接接觸河道的有效長(zhǎng)度及河岸坍塌的變化情況。

2.初步監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

烏蘭布和沙漠黃河沿岸風(fēng)積沙入黃主要表現(xiàn)為沙丘前移、風(fēng)沙流及岸邊坍塌三種形式。根據(jù)2010年5—6月對(duì)黃河流拐子沙頭段風(fēng)沙觀(guān)測(cè)場(chǎng)的野外觀(guān)測(cè)，當(dāng)氣象站高度（2m）風(fēng)速達(dá)到5.3m/s時(shí)，流動(dòng)沙丘表面即可起沙。

①測(cè)樁法監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。通過(guò)對(duì)沙漠沿黃段2650m斷面布設(shè)觀(guān)測(cè)樁監(jiān)測(cè)，每隔2 m測(cè)一個(gè)沙丘垂直斷面的水平向前移動(dòng)距離，經(jīng)對(duì)2010年5—6月11503個(gè)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，沙丘向黃河沿岸推進(jìn)的最大水平距離為9.66m，平均推進(jìn)3.78m。

②三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的單點(diǎn)獲取方式不同，地面三維激光掃描是從水平到垂直的全自動(dòng)高精度步進(jìn)式掃描測(cè)量，通過(guò)不同站點(diǎn)的連續(xù)掃描，可以得到完整的、全面的三維空間信息，滿(mǎn)足空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用需要。本文利用三維激光掃描儀對(duì)黃河沿岸23.96萬(wàn)km2的地形于2010年5月和6月兩次進(jìn)行了掃描，由后處理軟件對(duì)采集的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的模型，生成DEM圖。經(jīng)對(duì)黃河沿岸1244.56 m流動(dòng)沙丘的分析，風(fēng)積沙5—6月份進(jìn)入黃河河道的沙量為36.29萬(wàn)t，沙丘平均向前移動(dòng)3.94 m，與用測(cè)樁法監(jiān)測(cè)的結(jié)果3.78 m基本相近。

上述監(jiān)測(cè)結(jié)果僅為短期的初步監(jiān)測(cè)，年均入黃沙量尚需在進(jìn)行長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析總結(jié)其特征和規(guī)律的基礎(chǔ)上計(jì)算得出。

四、研究展望

研究烏蘭布和沙漠黃河沿岸入黃風(fēng)積沙運(yùn)移規(guī)律及防控機(jī)理是一項(xiàng)涉及面廣、復(fù)雜多樣、跨多學(xué)科的科研工作。還需從以下幾個(gè)方面開(kāi)展綜合、系統(tǒng)、連續(xù)、動(dòng)態(tài)、深入的監(jiān)測(cè)研究。

1.沿黃段風(fēng)積沙運(yùn)移規(guī)律研究

烏蘭布和沙漠沿黃段風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)具有不確定性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，需長(zhǎng)期對(duì)該地區(qū)不同風(fēng)力及沙物質(zhì)條件下風(fēng)沙流固體流量結(jié)構(gòu)、梯度分布、風(fēng)沙流輸沙量與各種影響因子之間的多元數(shù)量關(guān)系進(jìn)行研究，揭示黃河內(nèi)蒙古段風(fēng)沙流活動(dòng)的時(shí)空分布特性，建立烏蘭布和沙漠沿黃段風(fēng)沙流輸沙率函數(shù)模型，并進(jìn)行黃河沿岸風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模擬與預(yù)測(cè)。

2.烏蘭布和沙漠入黃風(fēng)積沙與河道泥沙耦合關(guān)系及運(yùn)移機(jī)理研究

受烏蘭布和沙漠風(fēng)積沙入黃的影響，該段河道水沙過(guò)程變異大、河道萎縮、主槽搖擺不定等新情況、新問(wèn)題不斷出現(xiàn)，對(duì)其進(jìn)行深入研究的科學(xué)意義和社會(huì)意義重大。因此，需對(duì)該地區(qū)風(fēng)積沙入黃后與河道泥沙的耦合關(guān)系、風(fēng)積沙入黃后的運(yùn)移與擴(kuò)散、泥沙分配和再分配、輸水河段含沙量的時(shí)空變化、上下游監(jiān)測(cè)站含沙量的關(guān)系分析、上下游監(jiān)測(cè)斷面淤積變化、水位變化對(duì)沿岸地形沖淤及其速率等方面開(kāi)展深入研究。

3.沿黃段風(fēng)積沙防控機(jī)理與水土保持關(guān)鍵技術(shù)研究

烏蘭布和沙漠沿黃段氣候、地形復(fù)雜多變，治理難度特別大，其治理成果很難發(fā)揮長(zhǎng)期效益，急需加強(qiáng)對(duì)沿黃段風(fēng)積沙防控機(jī)理與水土保持關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，對(duì)防治風(fēng)沙危害和改善黃河兩岸生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。需采用高新技術(shù)及多種方式開(kāi)展烏蘭布和沙漠沿黃段水土流失不同防治措施及其組合措施的防控機(jī)理和防護(hù)效益試驗(yàn)研究,提出合理的水土保持措施配置，為該區(qū)域黃河兩岸水土流失治理提供科學(xué)依據(jù)，使烏蘭布和沙漠沿黃段風(fēng)沙危害降到最低程度。

4.風(fēng)積沙監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

烏蘭布和沙漠沿黃段流動(dòng)沙丘遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和村莊，交通不便，無(wú)常規(guī)電源等基礎(chǔ)設(shè)施可用，且現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)設(shè)備多為自行研制的觀(guān)測(cè)設(shè)備，可移動(dòng)性差，智能化和精度低，不具備連續(xù)觀(guān)測(cè)的能力，加之該地區(qū)風(fēng)積沙入黃后與河道泥沙的耦合關(guān)系、輸水河段含沙量的時(shí)空變化、氣候變化等環(huán)境因子復(fù)雜多變，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行入黃風(fēng)積沙的長(zhǎng)期、連續(xù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)造成了極大的限制。隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，應(yīng)充分借助計(jì)算機(jī)科學(xué)、精密儀器制造等其他行業(yè)的發(fā)展促進(jìn)風(fēng)積沙監(jiān)測(cè)設(shè)備的改進(jìn)，注重儀器的自行研制、改裝。如利用嵌入式技術(shù)與GPRS技術(shù)對(duì)野外風(fēng)蝕風(fēng)沙以及小環(huán)境氣候長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究；引進(jìn)測(cè)量領(lǐng)域的三維激光掃描儀測(cè)量技術(shù)，對(duì)當(dāng)?shù)氐牡孛策M(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；采用遙感與地面定位觀(guān)測(cè)相結(jié)合的手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)；應(yīng)用高清晰自動(dòng)錄像監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)野外環(huán)境因子無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等的研發(fā)與引進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和監(jiān)測(cè)手段的智能化。

黃河內(nèi)蒙古段烏蘭布和沙漠入黃風(fēng)積沙監(jiān)測(cè)研究是一項(xiàng)多尺度、多場(chǎng)耦合、隨機(jī)性、非線(xiàn)性的復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題，是目前科學(xué)前沿所關(guān)注的共性和熱點(diǎn)課題，涉及水土保持與荒漠化防治、水文水資源、河流動(dòng)力與泥沙、氣象等學(xué)科和領(lǐng)域。由于我們只是初步研究探討，研究方法和思路有待完善，望相關(guān)研究領(lǐng)域的學(xué)者給予指教，同時(shí)期待國(guó)家及有關(guān)部門(mén)就烏蘭布和沙漠沿黃段風(fēng)積沙監(jiān)測(cè)研究引起高度重視，形成多渠道、多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)研究的平臺(tái)，使研究結(jié)果更好地為科學(xué)治理黃河泥沙問(wèn)題及完善黃河沿岸綜合防護(hù)體系提供科學(xué)依據(jù)。

[1]水利部，中國(guó)科學(xué)院,中國(guó)工程院.中國(guó)水土流失防治與生態(tài)安全·北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)卷[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]馬玉明，馬世威，等.沙漠學(xué)[M].呼和浩特：內(nèi)蒙古人民出版社.1998.

[3]春喜，陳發(fā)虎，范育新.烏蘭布和沙漠的形成與環(huán)境變化 [J].中國(guó)沙漠，2007，27（6）.

[4]賈鐵飛，石蘊(yùn)棕，銀山.烏蘭布和沙漠形成時(shí)代的初步判定及意義[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)（自然科學(xué)版），1997（3）.

[5]李清河，包耀賢，王志剛，等.烏蘭布和沙漠風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2003，17（4）.