南疆鐵路吐魚(yú)段風(fēng)沙活動(dòng)規(guī)律研究

吳麗華，李凱崇，葛盛昌，蔣富強(qiáng)

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000;2.烏魯木齊鐵路局，烏魯木齊 830014)

1 概述

新疆地處亞歐腹地大陸性氣候明顯，干燥少雨，酷熱嚴(yán)寒［1］。受西伯利亞、烏拉爾山南下冷空氣的影響，風(fēng)力強(qiáng)勁，大風(fēng)頻繁。當(dāng)冷重空氣進(jìn)入準(zhǔn)噶爾盆地后，受天山阻擋，在天山北麓形成冷空氣堆積，與天山南麓的吐鄯托盆地形成了巨大的氣壓差［2-3］。當(dāng)冷空氣強(qiáng)度達(dá)到一定的程度，沿天山山脈的埡口奪路而出，形成大風(fēng)天氣。南疆鐵路吐魯番至魚(yú)兒溝段，地處吐善托盆地西北部邊緣。線(xiàn)路位于北天山與中天山間，吐善托盆地的山前洪積傾斜平原，地形平緩開(kāi)闊，地勢(shì)從山前向盆地中心緩傾，北西高南東低。線(xiàn)路自蘭新鐵路吐魯番站出站后，沿吐善托盆地西北邊緣繞行，自西向東先后穿越三個(gè)泉、小草湖(也稱(chēng)白楊河)、克爾堿、布爾堿4個(gè)風(fēng)口，鐵路里程近100 km，習(xí)慣上將這4個(gè)風(fēng)口區(qū)統(tǒng)稱(chēng)為南疆線(xiàn)前百公里風(fēng)區(qū)。其中，三個(gè)泉風(fēng)口、小草湖風(fēng)口、克爾堿風(fēng)口均屬特大風(fēng)地區(qū)，常年最大風(fēng)力大于40 m/s，風(fēng)蝕風(fēng)積地貌明顯發(fā)育，礫浪呈大片分布［4-6］。大風(fēng)時(shí)常伴隨強(qiáng)沙塵活動(dòng)，常常致使沙埋鋼軌、道床板結(jié)、橋涵堵塞、路肩吹蝕、鐵路標(biāo)志被吹毀，嚴(yán)重影響行車(chē)安全。新疆鐵路主要風(fēng)口分布見(jiàn)圖1。

圖1 新疆鐵路主要風(fēng)口分布

王錫來(lái)等［7］通過(guò)在南疆線(xiàn)巴楚地區(qū)設(shè)置定位觀測(cè)站，對(duì)活動(dòng)沙丘特征進(jìn)行觀測(cè)研究，得到了沙丘移動(dòng)的定量數(shù)據(jù)，為風(fēng)沙防護(hù)提供了一定的設(shè)計(jì)依據(jù)。王曉剛等［8］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、分析計(jì)算，提出了南疆鐵路擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)依據(jù)及結(jié)構(gòu)形式，保證了行車(chē)安全?？妴?、何清等［9］通過(guò)對(duì)塔克拉瑪干沙漠近地層地-氣之間物質(zhì)和能量交換特征研究，了解了沙漠陸氣的相互作用情況，為研究南疆地區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害的成因及發(fā)展變化規(guī)律提供了理論支撐。但上述學(xué)者大多側(cè)重于普通沙漠地段的風(fēng)沙災(zāi)害運(yùn)動(dòng)特征及鐵路沙害防治，而對(duì)于戈壁強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究較少。本文旨在對(duì)南疆鐵路前百公里風(fēng)區(qū)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)及氣象條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，了解戈壁地區(qū)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為風(fēng)沙災(zāi)害防治提供一定的基礎(chǔ)支撐。

2 研究方法

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)介紹

通過(guò)在南疆鐵路吐魯番至魚(yú)兒溝段建立風(fēng)沙觀測(cè)站，觀測(cè)該區(qū)域風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及風(fēng)力條件，風(fēng)沙觀測(cè)站由集沙儀和大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2部分構(gòu)成。集沙儀由集沙器、集沙塔、地錨、底座、避雷針及測(cè)風(fēng)塔等主要部件組成，集沙器的觀測(cè)高度分別為 0、0.5、1、2、3、5、7、9 m，見(jiàn)圖2。大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由烏魯木齊鐵路局構(gòu)建，主要監(jiān)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向等氣象資料。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)所處地理位置

鐵路里程 K62+880，地理位置為 E88°19'499，N 43°04'403，高程524 m，氣壓 976mb，地形起伏較大，周?chē)懈呱?，附近有一個(gè)半固定沙丘，地表為粗砂粒，地表形成一層硬殼，粒徑5～30 mm，地表植被少或無(wú)。輸沙強(qiáng)度觀測(cè)系統(tǒng)集沙口方向?yàn)楸逼?0°(與地表礫浪相垂直)，離地面最近的集沙口距地表為0 cm。

圖2 集沙儀示意

3 結(jié)果及討論

3.1 大風(fēng)一般規(guī)律

風(fēng)是沙子發(fā)生運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力因素，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)是一種貼近地表的氣流搬運(yùn)沙子的現(xiàn)象［10-11］。因此，研究風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，首先要了解近地風(fēng)的特征。南疆鐵路所經(jīng)吐魯番至魚(yú)兒溝段大風(fēng)十分頻繁，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和大風(fēng)監(jiān)測(cè)歷史資料初步統(tǒng)計(jì)(圖3)，自1998年至2006年，該地區(qū)年大風(fēng)天數(shù)(出現(xiàn)大于等于8級(jí)風(fēng)的天數(shù))都在120 d以上，最高可達(dá)到150 d，平均年大風(fēng)天數(shù)約為136 d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通地區(qū)，是典型的戈壁大風(fēng)區(qū)代表。

圖3 南疆線(xiàn)前百公里風(fēng)區(qū)年大風(fēng)天數(shù)

將每年出現(xiàn)大風(fēng)次數(shù)的天數(shù)按照月份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)3～5月是年大風(fēng)多發(fā)時(shí)間，4月份最高，占全年大風(fēng)天數(shù)的47%左右(圖4)。說(shuō)明由于新疆冷空氣的入侵具有明顯的季節(jié)性，相應(yīng)的新疆鐵路風(fēng)區(qū)的大風(fēng)也呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化趨勢(shì)。一般地，春季和秋季，氣溫變化較大，冷空氣活動(dòng)頻繁，大風(fēng)日數(shù)多，最大風(fēng)速也較高;春季冷空氣強(qiáng)度最大，天山南北氣壓差也最大，相應(yīng)地，一年中的最強(qiáng)大風(fēng)也就出現(xiàn)在春季。近年來(lái)由于氣候變化，夏季大風(fēng)有增多趨勢(shì)，但最大風(fēng)速及大風(fēng)持續(xù)時(shí)間均明顯小于春季。

圖4 南疆線(xiàn)前百公里風(fēng)區(qū)大風(fēng)頻率

3.2 大風(fēng)攜沙垂直度變化

氣流所攜帶的沙子在搬運(yùn)層內(nèi)隨高度的分布，稱(chēng)為風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，它決定著沙子吹蝕和堆積過(guò)程的發(fā)展［12］。氣流所攜帶沙粒在重力和運(yùn)動(dòng)氣流上浮力的雙重作用下，會(huì)存在著一定的分層現(xiàn)象，這也就直接決定了風(fēng)沙防護(hù)措施的設(shè)置高度，所以研究大風(fēng)攜沙量的垂直變化有十分重要的意義。

圖5為南疆鐵路觀測(cè)點(diǎn)2008年4月至2009年3月集沙量隨高度變化擬合曲線(xiàn)，從圖中可以看出大風(fēng)攜沙量的垂直分布十分明顯，在2 m以下區(qū)域隨著高度的增加攜沙量顯現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，當(dāng)高度上升到2 m以上后，其變化趨勢(shì)明顯變緩。集沙量與高度顯現(xiàn)e的負(fù)指數(shù)變化，高度越高集沙量越小，其關(guān)系可用通式Q=A+B·e-CH來(lái)表示(式中，A、B、C為常數(shù);H為高度)。表1為南疆線(xiàn)2008年4月～2009年3月集沙量統(tǒng)計(jì)，對(duì)比不同高度的集沙量可以看出，0 m處的集沙量最大，占總集沙量的41%左右，2 m以下的集沙量之和占到總集沙量的96%左右，而2 m以上的集沙量?jī)H為總量4%左右，這也進(jìn)一步說(shuō)明風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在貼地層，其攜沙量基本集中在2 m以下。因此，針對(duì)戈壁強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的構(gòu)(建)筑物來(lái)說(shuō)，2 m以下區(qū)域是風(fēng)沙災(zāi)害防護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

圖5 南疆線(xiàn)集沙量隨高度變化擬合曲線(xiàn)

表1 南疆線(xiàn)2008年4月～2009年3月集沙量統(tǒng)計(jì)

3.3 大風(fēng)攜帶沙礫的顆分

沙物質(zhì)是風(fēng)沙流形成和風(fēng)沙危害的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)風(fēng)沙流進(jìn)行顆粒分析，可以進(jìn)一步了解風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從表2中可以看出，集沙量隨沙粒粒徑大小顯現(xiàn)出明顯的正態(tài)分布，風(fēng)積沙粒徑的最大分布區(qū)間主要出現(xiàn)在0.1～0.25 mm粒徑段，其集沙量占所在高度總集沙量的32%以上;其次為0.25～0.5 mm和0.075～0.1 mm兩段，二者之和約占總集沙量的18%左右;而粒徑≥2 mm的沙粒僅占總量的2.0%左右，說(shuō)明風(fēng)力對(duì)積沙有明顯的篩選作用，而隨著集沙高度的增加，＜0.1 mm的沙粒所占的比重則顯現(xiàn)增加的趨勢(shì)，說(shuō)明隨著高度的增加，集沙儀中細(xì)沙粒和戈壁土的含量在逐漸增高，而粗沙粒的含量則在逐漸降低，這也就進(jìn)一步說(shuō)明風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)存在著一定的分層現(xiàn)象，地表沙粒運(yùn)動(dòng)形式主要以大顆粒的地表蠕移為主，隨著高度的上升，沙粒的運(yùn)動(dòng)形式則以中間沙粒的躍移活動(dòng)為主，隨著垂直度的進(jìn)一步升高，沙粒的運(yùn)動(dòng)形式則以細(xì)小顆粒的懸移為主。但整體來(lái)看，大風(fēng)所攜沙粒仍以粒徑為0.1～0.25 mm粒徑段的沙粒為主。

表2 南疆鐵路不同高度沙粒粒徑分布百分比 %

4 結(jié)語(yǔ)

(1)南疆鐵路吐魚(yú)段大風(fēng)頻發(fā)，年平均大風(fēng)天數(shù)高達(dá)136d。受冷空氣入侵的影響，新疆鐵路風(fēng)區(qū)的大風(fēng)也呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化趨勢(shì)，每年的春季是大風(fēng)高發(fā)季節(jié)，尤其以4月份為最，大風(fēng)天數(shù)約占全年大風(fēng)天數(shù)的47%左右。

(2)南疆鐵路吐魚(yú)段為戈壁強(qiáng)風(fēng)地區(qū)，大風(fēng)攜沙量的垂直分布十分明顯，集沙量與高度顯現(xiàn)e的負(fù)指數(shù)變化，高度越高集沙量越小。2 m以下累計(jì)集沙量占總集沙量的96%左右，說(shuō)明風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在貼地層，其攜沙量基本集中在2 m以下。

(3)集沙量隨沙粒粒徑大小顯現(xiàn)出較明顯的正態(tài)分布，其最大分布區(qū)間主要出現(xiàn)在0.1～0.25 mm之間，同時(shí)隨著高度的增加，集沙儀中細(xì)沙粒和戈壁土的含量在逐漸增高，而粗沙粒的含量則在逐漸降低，表明風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)存在著一定的分層現(xiàn)象，隨高度的增加，沙粒主要運(yùn)動(dòng)形式由躍移轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙啤?/p>

5 建議

(1)南疆鐵路吐魚(yú)段為大風(fēng)頻發(fā)區(qū)，建議在兩側(cè)沙害嚴(yán)重地段加強(qiáng)風(fēng)沙防護(hù)措施，保證線(xiàn)路的安全性。

(2)大風(fēng)攜沙量主要集中在2 m高度以下，建議該地區(qū)阻沙設(shè)施的布設(shè)高度以不超過(guò)2 m為宜，且選用耐久性較好的材料，增加防沙工程的抗風(fēng)蝕能力。

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