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利用毛细现象治理沙漠

已有 2755 次阅读 2018-1-16 22:48 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记| 毛细现象, 沙漠治理, 模式, 水网, 节水

利用毛细现象治理沙漠

如果把水引到沙漠治理之,有以下几种水网布置方式:1,明渠和支渠漫灌;2,明渠和微灌(滴灌);3,水管和和微灌(滴灌);4,深埋水管和渗透灌。

我们必须从以上的几种模式中筛选出一种或者两种模式,做到投资小,见效快,好维护,水的利用率高。由于沙漠面积广大,不管是水渠还是水管,它的需求量很大,必须铺设合理科学,空间布局匀称才能够达到节省水渠水管,又能够灌溉全部沙漠的目的;水渠水管铺设得越多,路线越长,设备越复杂,那么维护成本越高,所以客观上要求使用一种简单的容易维护的设施。另外一个更加重要的因素是,我们的调水量是有限的,但是沙漠的蒸发量很大,如何做到节水的同时又把沙漠治理好呢?

我们讲,大面积治理沙漠的目的不是固定沙漠,而是要让沙漠变成绿洲,变成草原,能够有农牧业产出,能够固碳,能够重建植物群落和生态系统,必须重新形成土壤。所以,这种治理是立足于长远的,是要进行大面积的治理。这就要求水渠和水管必须经受长期的使用。所以,选择怎样的沙漠水网布置方式是一个复杂的工作,需要仔细研究。

如何做到以上要求呢?首先,明渠模式可以被淘汰,因为明渠暴露的太阳下,水的蒸发多,渗漏多。那么就必须选择管道形式了,管道形式是比较合理的选择。如果进行灌溉农业,那么选择需要选择水管和和微灌(滴灌)模式,但是如果需要大面积生态恢复。那选择什么方式呢?

山仑和朱显谟研究了黄土高原的土壤特点之后,提出了一个很有用的结论,黄土高原本身就是一个巨大的水库,它能够储存天然降水而不流失,黄土内储存的水足够发展农业生产使用。这个结论很重要,是在黄土高原上发展农牧业的基础理论。而且朱显谟回答了如何在黄土高原上发展农牧业的二十八字方针“全部降水就地入渗拦蓄,米粮下川上塬、林果下沟上岔、草灌上坡下坬”。为什么全部降水可以就地入渗拦蓄?水不会形成径流流失吗?黄土高原山坡上会不会有水?旱塬上会不会有水?黄土高坡和旱塬上有水,这些水是从哪里来的?这就需要讲一下毛细现象。

毛细现象是液体的表面张力在细小管状固体中的一种浸润现象。表面张力仅仅存在于液体物质,它是液体表面任意相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力。水的表面张力为72达因/厘米;水银表面张力为470达因/厘米。当液体和固体接触的时候,表面张力发挥作用,如果液体和固体相互浸润,那么液体会吸附在固体上面;如果液体和固体相互不浸润,那么液体会和固体不沾染。表现在具有很狭小的管状固体中,浸润液体会因为吸附而克服重力向管子里面垂直上升,这就是毛细现象。研究表明水在垂直玻璃中的浸润高度因玻璃管的粗细而不同,理论上管径1米的玻璃管可以浸润0.014毫米,管径1厘米的玻璃管可以浸润上升1.4毫米,管径0.1毫米的玻璃管可以浸润上升14厘米。液体的浸润上升高度和液体密度成反比,和重力加速度成反比,和毛细管半径成反比,和表面张力的系数成正比。正是因为黄土高原上的土壤颗粒非常细,水在黄土中的毛细现象非常明显,所以,黄土中的水分的表面张力非常大,足以抵抗重力,所以黄土具有很强的“持水能力”,有很强烈的毛细现象,能够做到“就地入渗拦蓄”而不会形成径流流失,甚至能够逆着重力,把水渗透到高处。所以说,黄土高原本身就是一个巨大的水库。

所以说,土壤和沙子的毛细现象本身就是一个自然界自生的“抽水机”,可以让水分爬坡,让水分达到沙丘顶部,或者让水分达到山坡顶部,它代替抽水机,从而保证土地中植物的水分。

其实,让我正真惊讶的毛细现象在毛乌素沙地。毛乌素沙地的农民家里都有一种井叫“压井(压力水井)”。这种井不需要很深的井,没有辘轳,没有井绳,不需要把桶伸进井里。它只是把一根6厘米粗细的钢管插入沙地下面3米多,钢管上面焊接一个直径大约12厘米的桶状管,然后在桶状管安装一个土法制作的活塞,活塞的密闭性比较好,当活塞向下运动的时候气门打开,空气排出水也排出,当活塞向上运动的时候,水会被吸上来,然后从出水口流出。这种水井和关中平原的水井迥然不同。但是,这种压力水井在毛乌素沙地的沙丘上也有,不管沙丘多高,沙丘表面多么干旱,但是沙丘下面一米多深就有水,而且水量很大,足够生活和牲畜使用。我初次见这种压力水井的时候很惊讶,说明沙丘的地下水水位很高,高过了沙丘的底部很多,难道沙丘中的水不下渗吗?这使我对于毛细现象有了更加直观、更加深刻的认识。毛乌素沙地渗出的水非常洁净甘甜,使得我对沙子的过滤净化作用印象很深。


那么,我们在治理其它沙漠的时候能不能利用这种毛细现象呢?我想完全可以在调水工程和治理沙漠的水网布设的时候利用毛细现象的抽水机功能。

由于有毛细现象的抽水机功能,所以可以有效地防止水资源的浪费。我们让水从土壤里面走,从沙丘地下走,不需要暴露在空气中。把水管埋在沙土下面2米深,然后每间隔一段距离开一个口,让水自己渗透到沙土中,然后通过毛细管渗透到沙地的临近地方和沙丘表面。使用水管深埋可以充分的利用毛细现象把水输送到各个地方,甚至高处,能够做到表面水分不蒸发;水管冬季不会冻坏;不需要安装水闸等控制设施,使用期限长等效果。

水管的开口因为有毛细管现象,所以开口不需要很多,可以实现重点地区开口。我们选择的重点地区就是沙丘的顶部。开口可以采用均匀分布和重点分布相互结合的方法,间距也可以适当大一些。当然,间距到底如何还需要试验确定。

沙地治理也可以采取“就地入渗拦蓄”的方略。具体的做法是在沙丘底部的汇水区域修建水坝,拦蓄渗透的径流水,让水能够持续向周围渗透。

陕西榆林人民在长期的治理毛乌素沙地过程中,创造了“片圈面”治沙模式,主要的方法是在沙地的平坦低洼地带,水容易渗出的地区发展农业,让农田成片分布,称为滩地,这是片;在沙丘下面,在滩地的外围和沙丘的结合部,修建生活区、养殖区、社区等人类生活、政治、文化、经济区域,由于处于沙丘外面,是环状,所以称为圈;农业区和生活区在总面积中占的比例比较小,而大部分地方是沙丘或者沙地,这里的水分较少,只适合生长树木和草灌,称为面。从景观上看,防护林的面上点缀了一片一片的农地斑块,而农地斑块周围是一圈一圈的社区斑块。其面积比大约是面占总面积的80%,片和圈大约各占总面积的10%。《陕北榆林沙地综合治理与农林牧高效复合经营新模式研究》。

榆林的这种“片圈面”治沙模式也可以应用在巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和乌兰布和沙漠的治理中。这种模式在榆林地区已经得到了很好的应用和普及,是一个成熟的模式。这个模式能够在水资源有限的情况下充分治理沙漠。

所以,在治理巴丹吉林沙漠等沙漠的时候,水管的布设一般按照一个沙丘能够控制的面积,或者一个出水口能够控制的面积来确定间距和数量,能够确保大部分地方都能够渗透到足够树木生长所需的水分。而这些水从高处向低处渗出以后,就地拦蓄成为水库,在水库周围开垦土地种植粮食,修建社区。

这样,我们就设计出了一种治沙模式,一种沙漠水资源的有效利用模式:使用水管埋在地下送水,把水引到沙丘顶部从地下释放,让其利用毛细现象自然渗透到各处,这样沙漠一米以下就普遍有水,可以栽植耐旱植物治理沙漠;水从低处渗出暴露到空气中以后修建水库拦蓄,然后在水库附近开垦土地,更远的沙丘周围修建社区。这种水网修建方式的水蒸发很少,非常节水,比坎儿井更加经济。所以我的水网使用“深埋水管和渗透灌”方式。



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1 魏焱明

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