拦沙筑坝封堵大沙漠可行性研究

拦沙筑坝封堵大沙漠可行性研究1概述本项目是一种以沙治沙的工程治沙新技术，其原理是利用风沙流的强大搬运功能为自己构筑拦沙大坝，从而最终“自行了断”，实施方法是制作若干拦沙环呈一字形排开拦截风沙流，在持续积沙和间歇提升过程中将拦截到的沙粒构筑成拦沙大坝，只要风沙不停，沙坝会不断升高，直至最终降服“沙魔”。单个拦沙环如下图拦沙坝如下图2建设背景及其必要性目前，我国是受荒漠化危害最为严重的国家之一，全国14以上的国土已经荒漠化，据有关资料统计我国每年因荒漠化造成的直接经济损失达540亿元。尽管国家与地方政府投入了大量的人力、物力和财力，采取了各种方式与沙漠抗争，但仍未改变“局部改善，整体恶化”的大趋势，究其根本原因是至今仍然没有找到一种能够适用于大范围实施，并且能够收到立竿见影效果的封堵沙漠新技术，毫无疑问，如果听任沙漠继续扩张，则国土荒漠化现象难以遏制，最终将严重危害中华民族的生存与发展。本项目是一种适用于大范围实施，且能够收到立竿见影效果的创新技术，具有以下四个特点其一是尽管沙坝的建设规模极其宏大（可以称之为构筑“沙漠长城”），但造价却又极其低廉，这是因为筑坝所用的沙子，以及搬运沙子的工作全部都由风沙流自己来完成，人工干预仅仅是重复提升拦沙环而已。其二是收效快，当年实施立刻见效，流沙随即“刹车止步”。实施本新技术是与风沙进行正面交锋，与风沙“对着干”,风沙流越频繁，沙坝上升速度越快，只要风沙不停，沙坝会持续不断升高，直至最终降服“沙魔”。其三是沙坝一旦筑成，沙漠外围荒漠化地区植树种草的成活率将会大大提高，从此再不会遭受风沙流的掩埋。其四是在阻止沙漠扩张后，应选择“反守为攻”，进一步深入沙漠纵深构筑拦沙坝，若干数十年（或百年）后，沙坝将上升至数百米甚至千米以上，形成名副其实的“人造山脉”。合理规划并实施若干道“人造山脉”就可以改变沙漠地理环境，并由此改变沙漠气候，直至最终消灭“沙尘暴”。综上所述，首先构筑拦沙坝围合沙漠周边遏制住沙漠扩张，然后再深入沙漠制造“人造山脉”来改变沙漠气候，并配合植树种草等生物治沙工程，将是改造大沙漠并最终消灭沙尘暴的最佳选择，故该项目的实施是非常必要的。3技术方案31拦沙环构造制作一个直径2米，环高06米的拦沙环如图1、图2所示。拦沙环由钢筋圆环和立筋焊接成围仓网片，而后在网片上附着尼龙网作为拦沙屏障。若计划建造1公里长的拦沙坝，则需要制作相同规格的拦沙环500个。32拦沙筑坝将制作好的拦沙环呈一字形排开，紧密排列形成一条拦沙带（图3）。风沙流因受拦沙环尼龙网阻滞作用能量猝降，沙粒沉积在拦沙环内及周边，等拦沙环内的沙粒沉积到超过10厘米高度（图5）时，即可由4人一组（携带挖沙小铁锹）进行提升拦沙环作业，根据拦沙环内积沙量多少，大致可粗分为3种状态（1）拦沙环内积沙平均厚约1020厘米称为浅埋状态。由于积沙不多，对拦沙环产生的侧向摩阻力不大，故不必动用铁锹挖沙，可4人合力直接提升拦沙环即可（拦沙环自重34公斤，平均每人分摊约85公斤）。在浅埋状态提升拦沙环的工效最高，相当于普通人在平地慢速前行，估计4人一组一天可前行20公里，即相当于每人每天筑坝5公里。（2）拦沙环内积沙厚度在2035厘米称为中埋状态。此时如直接提升拦沙环已感觉吃力，有时需要清除压迫在拦沙环两侧的沙粒才能提升拦沙环，估计4人一组一天约前行10公里。（3）拦沙环内积沙厚度超过35厘米以上称为深埋状态，此时必须用铁锹挖出拦沙环两侧的沙粒才能提升拦沙环，在此状态下工效最差，估计4人一组一天约前行5公里。可见拦沙环的埋置深度对提升工效影响很大，除去人为因数（个人体力和劳动积极性）以外，就是根据风沙流的强度和持续时间长短而定。在大部分非大风频发季节，拦沙环一般处于浅埋状态，只需配置少量劳力就可高效率提升拦沙坝。但是到了风沙流频发季节，就需要适当增加劳动力，以仍能够维持在拦沙环处于浅埋状态或接近中埋状态就提升为最佳。如遇强风沙流或者沙尘暴，拦沙环必然会处于深埋状态。在此期间，通常情况下不必选择在恶劣气候下与“沙魔”抗争，可以选择回驻地休息，任凭拦沙环被灌满亦无妨。再强大的风沙流也只能灌满拦沙环，决不可能将其吹移，也不可能将其掩埋，因为经不断提升的拦沙坝坝顶始终是沙漠中的最高点。越过坝顶的风沙流由于地形突变下沉，在沙坝背坡处形成低压真空区，使风沙流在此产生反转涡流，其结果是大量的沙粒沉积在沙坝背风坡。这种现象在风洞试验中有过清楚地演示。待风沙流平静后，再动员较多劳力上沙坝顶突击提升拦沙环。拦沙环就象是一个永远也装不满的无底仓一样，在提升过程中使沙坝不断升高。而坝体的加厚则主要是靠沙坝本身的挡沙作用，风沙流在沙坝前受阻并转向，沙粒无力上坡便堆积在坝体的迎风面坡。33沙坝的稳定及优越性拦沙环的稳定是确保沙坝稳定的关键，从整体看，拦沙环并非是单独直立的挡风屏障，而是一个圆筒状构造物“趴”在沙坝顶面，其迎风面呈拱形可大大提高其变形刚度，因此拦沙环的几何形状是很有利于自身稳定的，只要拦沙环始终能够坚守在坝顶制高点，那么沙坝顶面的沙子就被拦沙环圈定了，风沙再强悍也不能将拦沙环连同环内的沙子一锅端，只要保住了沙坝顶面的沙子，沙坝就保住了，既不会被削减高度，也不会象流动沙丘一样发生迁移。这与敷设草方格固定沙丘是一样的道理草方格固定了沙丘表层沙子，从而固定了沙丘的移动。所不同是草方格是成片固定沙丘，而拦沙环是呈条状固定拦沙坝。另外，草方格没有拦截沙子和提升筑坝功能。草方格虽然价格低廉，操作简单，但是要在沙漠中进行大面积敷设，并年复一年地反复去做，最终将耗去大量财力、物力、劳力，苦不堪言，且永无出头之日。而构筑拦沙坝是一次实施，永远受益。实施初期主要依靠拦沙环拦截沙子，故提升拦沙环作业比较频繁，但是随着沙坝越来越高，沙坝本身的拦沙作用会越来越大，而坝顶处拦沙环拦截到的沙子会越来越少，故提升拦沙环作业的间隔时间也会越来越长。沙坝上升至足够高度后（可达数百米甚至千米），“沙魔”即被制服，风沙将大大减弱。其后甚至可在沙坝上植树种草绿化，直至最终形成一条绿色长城。沙坝顶面还可以铺设沥青路面，构筑沙漠长城公路。34沙坝选址和定线沙坝位置选择在沙漠边缘，根据现场地形布置，见图7。沙坝定线应避免采用短直线和急弯，为此可制定出两条定线基本标准其一是各直线段宜长不宜短，如最短直线长度规定不得小于100米；其二是不容许采用过大的转折角，例如规定各段直线转折点处的转向偏角不得大于10度。拦沙坝选线并不象公路选线一样要求高，只要看上去线型比较舒顺流畅即可。35布置拦沙环沙坝坝址定线完成后即可沿坝轴线铺设拦沙环（图9），由于初始地形起伏较大，拦沙环不能够紧密相连，在地形凸、凹处形成三角形豁口，这些豁口需要用尼龙网或秸秆类作物封堵住，随着人工逐渐将起伏地形整平，三角形豁口将逐渐合拢。为了尽早使沙坝成型，建议在不起沙或微起沙天气下，动员当地劳动力在坝址处“削峰填谷”。如现场风力加大，则恢复设置拦沙环，一则拦截风沙流，为筑坝添加沙粒；二则锁定沙坝，保护人工堆积的沙粒不让大风吹跑。这样由人工和风沙流交替作业，沙坝将会快速形成。一旦沙坝成型（即坝顶基本呈同一高程水准面），人工筑坝即告完成，继续向沙坝输送沙粒的任务由风沙流承担。人们只要随时监视拦沙环内沙粒的堆积状况，持续不断地提升拦沙环。标准的拦沙环是圆形，但根据需要也可适当压缩或拉伸成椭圆形，以适应地形变化，在直线段两点已经固定的前提下，地形起伏变化越大，需要铺设拦沙环的总长度越长，当地形调平后，间距缩短。除了采用压缩或拉伸成椭圆形来适应铺设长度发生变化外，还可以通过增加和减少拦沙环个数来调整铺设长度。4风洞试验2002年8月初，项目发明人赴兰州中国科学院寒区旱区环境与工程研究所（简称“寒旱所”）对此新技术进行风洞试验。在寒旱所沙漠与沙漠化研究室领导和专家的指导下拟定了试验方案，试验安排在中国科学院沙波头沙漠试验站进行。试验模型与拦沙环实际尺寸之比为120，在试验过程中对不同直径的拦沙环，以及不同规格的尼龙网进行对比优选试验，此外还进行提升拦沙环筑坝试验。通过风洞试验可清楚地观察到风沙流作用在拦沙环上的运动轨迹（图10），在相邻两拦沙环“夹缝”处（AA剖面），沙粒难以通过，首先堆积成一斜坡，而后续风沙流在“夹缝”处一分为二，分别转向两侧进入拦沙环，与直向进入拦沙环的气流碰撞。风沙流进入拦沙环有3次能量衰减首先是迎风面尼龙网的阻滞作用使得风沙流进入拦沙环后能量猝降；而后是因拦沙环两侧气流运动方向的改变，使不同方向气流在拦沙环内互相碰撞，两次消能后导致沙粒在拦沙环内大量沉积，即使在风力很大的情况下，少量沙粒也会在经过第二道尼龙网屏障后，沉积在沙坝背风坡，试验证明拦沙环的阻沙、积沙效果非常理想。5拦沙坝造价拦沙坝造价可分为基本建设费和运营费，基本建设费包括拦沙环的制作和运输，运营费是支付提升拦沙环的劳务费。以下以5年建造100公里拦沙坝估算拦沙坝的造价。51拦沙环设计参数可供比选的拦沙环设计参数如下拦沙环直径采用15米、2米和25米3种；制作拦沙环钢筋直径采用10毫米、12毫米和14毫米3种；尼龙网采用20目、25目和30目3种。采用以上述参数互相组合制作多种类型的拦沙环，经现场评价后确定拦沙环最优设计参数。52基建费现假定选择拦沙环直径为2米，钢筋直径为12毫米，计算拦沙环重量，及拦沙坝单位造价如下表建2米拦沙坝需要1个拦沙环，其钢筋材料计算如下表名称钢筋直径MM单根长M根数总长（M）单位重KG/M总重（KG）钢筋环126442560888227立筋1206211260888112总计339注4人1组，每人提升重量339/485（公斤）（未计沙粒摩阻力）建2米拦沙坝所需材料费用估算材料名称单位数量M单价复价（元）钢筋千克33936122尼龙网平方米4X515130制作及运输等48总计200注尼龙网每年更换1次，按5年更换5次计价。根据上表计算建2米拦沙坝需200元，建1公里拦沙坝基本建设投资应为10万元。53运营费及工程造价估算按4人1组提升拦沙环（直径2米），以及年平均日行10公里计，每100公里拦沙坝须配置劳动力100/10X440（人）若按每人每天给付劳务费50元，且1年平均按300天出勤（即每人年收入15万元），则5年需支付50（元）40（人）300（天）5（年）3000000元，即建造100公里拦沙坝需支付运营费300万元。建造100公里拦沙坝总造价基建费运营费101003001300万元，或13（万元/公里）。按每提升1次拦沙环拦沙坝升高015米计，5年提升300X51500次，拦沙坝上升高度为015X1500225米。以上劳动力配置及各项费用计算均应在项目实施过程中加以验证。6项目效益封堵沙漠虽然不能产生直接经济效益，但可以阻止沙漠扩展，保护周边土地和城镇不被流沙吞没，仅停止生态移民以及使沙漠周边土地升值就可为国家节约资金数百亿。故其产生的社会效益、环境效益及间接经济效益则远不是可以用金钱来计算的。据考察，目前在沙漠周围已经形成大片荒漠化或半荒漠化的无人区，其地价跌至5（元/亩），甚至可以免费赠送。如果有投资商愿意投资建造拦沙坝就可以与当地政府签定大片荒漠化土地承包合同，构筑拦沙坝后可以彻底解决沙子掩盖牧草的问题，能够生长牧草的土地价格将飙升数十、甚至数百倍，还可以深入沙漠做第二道、第三道拦沙坝，向沙漠圈地，不断“蚕食”沙漠，最终使沙漠越来越小经若干年（或者百年）提升拦沙环后，拦沙坝可上升至数百米或者超过千米，原来被描述成为的“沙漠长城”最终将形成名符其实的“人造山脉”围合并分割大沙漠，使原本一马平川的沙漠大平原改造为局部“山区”地形。众所周知，以长城之高度对地区气候不可能产