引黃用沙分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系

引黃用沙分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系

黃河是一條集水區(qū)的河流，沉積物含量在世界河流中極為重要。泥沙既是黃河下游多次泛濫的根源,也是黃河下游重要的有待深入研究開發(fā)的資源,對(duì)下游的資源環(huán)境演變起著關(guān)鍵性作用。下游引黃用沙主要是指下游沿黃地區(qū)建國后人工利用黃河水沙改造鹽堿、沙地,提高土地生產(chǎn)力的活動(dòng)。它不僅成功改造了下游兩岸的土壤,而且影響下游景觀生態(tài)演化,是沿黃環(huán)境變化最強(qiáng)烈的人類活動(dòng)。但是因防洪抗災(zāi)的主導(dǎo)思想,黃河泥沙研究偏重于其來源、運(yùn)移規(guī)律,側(cè)重于流域中河道渠系治理技術(shù)與方法,并指導(dǎo)人工用沙改土淤堤取得了巨大成就,但入田泥沙對(duì)土地質(zhì)量及其環(huán)境變化的研究亟待深入。1下游排水設(shè)施黃河下游引水用沙最早見于宋代,1912～1949期間,也曾修建了幾次小規(guī)模虹吸過程,但都因規(guī)模小、時(shí)間短暫,沒有留下明顯的環(huán)境影響。新中國成立后,下游引黃用水用沙大規(guī)模興起,引黃站區(qū)、灌排渠道密布,成為我國最大的旱能灌、澇能排的連片自流灌區(qū)。90年代初統(tǒng)計(jì),下游流經(jīng)的地區(qū)已建成引水用沙干級(jí)以上灌渠464條,長5288km;支渠93198條,長9225km;斗渠4308條,長7950km;排水干支斗溝17091km;排水河道2613km,控制流域面積83422km2。1.1東兩省引黃水量黃河下游以鄭州北的桃花峪為界,至山東墾利縣的入?？?長767.7km,流經(jīng)河南、山東兩省107個(gè)縣(市區(qū))。1950～1999年,共計(jì)引黃水量3100.4億m3,50.18億t(表1)。經(jīng)過沉沙池、灌排渠系淤積之后,進(jìn)入農(nóng)田灌區(qū)的泥沙僅占全部泥沙的1/4,約10.6億t,按下游灌溉面積186hm2計(jì)算,平均抬高地面4～5cm。1.2引黃進(jìn)田泥沙在南部、四重式渠道內(nèi)分布下游引黃入田泥沙總量的空間分布與灌區(qū)的分布、渠道坡降、泥沙處理方式密切相關(guān),表現(xiàn)出明顯的地域差異,具有“山東省多于河南省,南岸多于北岸,渠道上游多于下游”的特點(diǎn)(圖1)。其原因是:一灌區(qū)和灌溉面積、引水工程及其設(shè)計(jì)能力等山東均超過河南。截止1990年調(diào)查,沿黃萬畝以上灌區(qū)96處,其中山東70處,河南20處;百萬畝灌區(qū)12處,其中山東7處,河南5處。1958～1990年共引沙入田8.85億t,下游山東省入田泥沙量2.01億t,低于河南省的6.81億t。建設(shè)渠首工程128處,河南45處,山東83處;其中包括引黃閘70座,河南30座,山東40座;虹吸28處,河南10處,山東18處;揚(yáng)水站30座,河南5處,山東25處?？傇O(shè)計(jì)引水能力3363m3/s,其中山東2134m3/s,河南1229m3/s;灌溉面積20.33萬hm2。另外,由于渠道的坡降及其泥沙處理方式的差別和灌溉模式的不同,入田泥沙沉降總量也存在較大區(qū)別,在坡降大、有高標(biāo)準(zhǔn)沉沙池的一次性集中處理灌區(qū),如引黃濟(jì)青入田泥沙僅占總量的1%;無沉沙池的灌區(qū),20%左右的泥沙進(jìn)入農(nóng)田。泥沙輸入田間比例為小坡降灌區(qū)普遍低于大比降渠道,如上游河南省灌區(qū)坡降大,輸沙較好的渠道,平均有40%多的泥沙進(jìn)入農(nóng)田,高者可達(dá)80%以上;下游山東省引黃渠道坡降一般較小,輸沙條件差,入田泥沙平均23%左右。同一渠道因坡降不同,也存在相似規(guī)律。入田泥沙分布,一般是渠道入田口處較高,但隨著耕作、翻動(dòng),相對(duì)較為均勻,目前尚未發(fā)現(xiàn)沙化現(xiàn)象。但在引黃渠首、沉沙池及渠道外堆放的大量泥沙,則潛伏著對(duì)附近農(nóng)田沙化的威脅。1.3農(nóng)田泥沙組成黃河泥沙來源主要是中上游黃土高原的地表沖蝕。黃土地表含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì),平均流失表土5000～11000t/km2.a,流失養(yǎng)分16000kg/km2.a以上,其中有機(jī)質(zhì)占95%,其余包括氮磷鉀等(黃委會(huì)陜西省綏德水保站資料,1998)。流失表土以粗沙居多,但在下游被隨水引出后,大于0.05mm的粗粒85%以上集中沉積在渠道上游,進(jìn)入農(nóng)田泥沙絕大部分是小于0.02mm的粉沙粒和粘粒,20%以下是大于0.05mm的粗粒。因此,黃委會(huì)研究認(rèn)為引黃不會(huì)引起明顯的土壤質(zhì)地粗化。多數(shù)泥沙組成發(fā)生了變化,養(yǎng)分水平也隨之變動(dòng)。據(jù)河南省灌區(qū)資料分析,與黃河兩岸原有的土壤相比,其養(yǎng)分含量依然表現(xiàn)出較高的富鉀特點(diǎn)(表2)。2自然災(zāi)害頻繁引黃用沙以前,黃河下游兩岸是大面積無法耕種的背河洼地,鹽堿風(fēng)沙、洪澇蝗蟲等自然災(zāi)害頻繁,冬春白茫茫,夏秋水汪汪。建國后,尤其是70年代后,對(duì)鹽堿荒沙地的大規(guī)模引黃淤改、引水洗鹽、灌淤種稻、壓堿壓沙等極大地改變了沿岸的生態(tài)景觀,土地質(zhì)量及其生產(chǎn)性能迅速提高。2.1鹽堿背河坑洼地、沙荒地土壤質(zhì)地的改良主要途徑有:引黃灌淤、渾水灌溉種稻。前者主要是對(duì)鹽堿背河坑洼地、沙荒地的改造,土壤類型有鹽化潮土、風(fēng)沙土,按照落淤層厚度大致分為厚、中、薄灌淤土。但其表層的土壤質(zhì)地表現(xiàn)出明顯差異,容重增加,粘粒含量增加(表3)。2.2改善土壤質(zhì)地,提高土地化肥引黃灌淤對(duì)土壤養(yǎng)分的提高主要原理是利用細(xì)粒泥沙較豐富的養(yǎng)分,通過調(diào)節(jié)引水流速,控制不同沙粒的淤積速度、沉積位置等來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)灌淤改土而言,按照“緊沙慢淤”的規(guī)律,通過控制引水進(jìn)入灌區(qū)的流速,淤積提高地面,降低地下水位,達(dá)到改善土壤質(zhì)地,提高土地肥力的目的(表4)。對(duì)渾水灌溉種稻而言,除用水灌溉之外,盡量使入田泥沙細(xì)化,提高土壤粘粒含量,增加土壤保水保肥能力。因此,伴隨土壤質(zhì)地改善,土壤肥力自然得以提高。當(dāng)然,我們不能否認(rèn)人工培肥土壤以增加肥力的作用。2.3下鹽堿地地表運(yùn)動(dòng)和排水沖洗研究引黃灌淤對(duì)土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的影響有兩種方式:一是引黃放淤,其作用原理是形成新土層,抬高地面,相對(duì)降低地下水位;或以水中粘粒壓蓋原土沙粒,抑制土壤返鹽,阻緩鹽分通過水載體沿土壤毛細(xì)管向上運(yùn)動(dòng),并在地表富集;二是通過灌溉和排水沖洗鹽分,減輕地表鹽分積累,如種稻改造鹽堿地,即可利用泥沙淤地,又可用水沖洗鹽分,所以,被總結(jié)為引黃灌溉中改造鹽堿地的成功模式——“稻改模式”。但在引水灌淤改良中,落淤層必須有一定厚度:重壤土和粘土淤積厚度50～100cm,最小30cm;沙土200～300cm,最小100cm。否則,極易返鹽。目前沿黃兩岸通過大面積放淤灌溉等,地表土壤鹽分含量大幅度降低,作物產(chǎn)量尤其是水稻產(chǎn)量明顯提高。3形成了比較完整的景觀體系引黃用沙最明顯的是背河洼地景觀的改變,過去鹽堿遍地的荒草湖泊變?yōu)楝F(xiàn)在的肥田沃野,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面貌煥然一新。首先是景觀的碎化,由于引黃渠道、灌排河渠及交通道路的修建,背河洼地被人為地切割為無數(shù)土地景觀類型(地塊);其次,居民點(diǎn)和工廠企事業(yè)單位建設(shè)擴(kuò)大,農(nóng)業(yè)用地的開發(fā)利用,增加了土地利用類型,強(qiáng)化了景觀的碎化,提高了景觀的生產(chǎn)功能和人類居住活動(dòng)空間功能;第三,引黃灌淤直接將原來的洼地坑塘、鹽堿、沙地改造為平坦的灌淤土,土地類型及其地域組合隨之演變,景觀的自然生態(tài)演化過程發(fā)生了根本性變化,自然調(diào)節(jié)生態(tài)功能被削弱,人工參與干擾作用占主導(dǎo)地位,自然演替退居弱小地位(圖2)。4黃河下游泥沙對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響引黃灌淤是黃河下游最明顯的人為干預(yù)自然環(huán)境演替的活動(dòng),通過淤壓沖洗鹽堿,降低地下水位,種稻改堿等,已經(jīng)獲取了土壤改良,糧棉增產(chǎn),居民增收的重大成就。但是,由于下游特有的地下水位高,僅距地表1～1.5m,黃河泥沙來量大、堆積多等,利用中稍有不慎,如連續(xù)旱作、灌排失當(dāng),灌淤土將有返鹽、沙化的危險(xiǎn)。近幾年,沉沙池渠外和堤背堆積泥沙已成為當(dāng)?shù)匦碌娘L(fēng)沙源地,危害臨近農(nóng)田村莊,河道泥沙淤積又影響了瀉洪排水等;另一方面,由于灌淤改變了原