青藏鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害特點(diǎn)及成因分析

安志山，張克存，屈建軍，牛清河，張 號(hào)

（中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室敦煌戈壁荒漠生態(tài)與環(huán)境研究站，甘肅省風(fēng)沙災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，蘭州730000）

青藏高原是全球海拔最高、自然環(huán)境十分獨(dú)特的巨型地域單元，也是土地沙漠化廣為發(fā)生發(fā)展的重要區(qū)域之一[1]。作為環(huán)境演變敏感區(qū)域，青藏高原對(duì)全球變化的響應(yīng)極為顯著[2]，青藏鐵路沿線生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)具有原始、敏感、脆弱三大特點(diǎn)。近年來(lái)，由于自然和人為因素的雙重影響，區(qū)域內(nèi)草地退化[3]、水土流失加劇[4]、水環(huán)境失衡、生物多樣性銳減[5]、生態(tài)環(huán)境日益惡化、土地沙化嚴(yán)重[6]。目前，沙化土地總面積達(dá)3.13萬(wàn)km2，占土地總面積的13.20%，潛在沙漠化土地2.99萬(wàn) km2，占土地總面積的11.33%[7－9]。青藏鐵路格拉段全長(zhǎng)1 142km，穿越高原腹地，地跨昆侖山、唐古拉山和不少大峽深谷，通過(guò)永久凍土地帶和廣袤的高寒草原草甸，由于青藏高原獨(dú)特的地理環(huán)境，其致災(zāi)過(guò)程出現(xiàn)不確定性，使得除已重視的凍土問(wèn)題以外，風(fēng)沙災(zāi)害已是青藏鐵路沿線面臨的又一大難題[10－15]。筆者通過(guò)2007年和2012年兩次野外實(shí)地調(diào)查，對(duì)青藏鐵路格拉段風(fēng)沙災(zāi)害現(xiàn)狀進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合地區(qū)氣象資料，剖析出青藏鐵路沙害的原因，為后期研究高海拔地區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害規(guī)律和制定更加完善有效的防護(hù)體系提供依據(jù)。

1 鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害特點(diǎn)

（1）空間非均勻性。在空間上，青藏鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害主要分布在青海格爾木至西藏安多措那湖段，分布呈非均勻性，嚴(yán)重和中度沙害路段主要分布在紅梁河、秀水河、北麓河盆地、扎加藏布及措那湖濱河、濱湖地區(qū)[16]。目前，鐵路沿線受風(fēng)沙災(zāi)害威脅路段有269.7km，占全路段的23.62%。其中，嚴(yán)重沙害路段10.3km，中度沙害路段49.8km，輕度沙害路段209.5km。

（2）時(shí)間集中性。在時(shí)間上，青藏鐵路處在獨(dú)特的高原環(huán)境，受高空西風(fēng)氣流和柴達(dá)木盆地地面冷風(fēng)影響，大陸性氣候非常明顯。氣候干燥、風(fēng)力強(qiáng)勁、氣溫低且溫差大、氣候要素變化劇烈、干濕季分明。降水集中、多暴雨，風(fēng)水兩相侵蝕營(yíng)力時(shí)空交錯(cuò)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，青藏鐵路沿線各站點(diǎn)年均大風(fēng)日數(shù)均超過(guò)了60d。如沱沱河125d，安多139.5d，五道梁110.1d，雨季主要集中在6－9月[13]。鐵路所經(jīng)之處起沙風(fēng)均以西風(fēng)為主（圖1），主要集中在冬春季節(jié)[17]。

（3）沙源多樣性。青藏鐵路沿線地貌類型復(fù)雜，高原草甸草地以及干河床、湖盆廣泛分布，地表物質(zhì)松散，且凍融作用強(qiáng)烈，凍土內(nèi)部賦存大量碎屑物。在長(zhǎng)期凍融、風(fēng)蝕交錯(cuò)作用下，碎屑物分解成細(xì)小顆粒，為風(fēng)沙活動(dòng)提供了極為豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)，隨著全球變暖，凍土退化，高原草甸、草地地表、古沙丘地表結(jié)構(gòu)和下墊面性質(zhì)發(fā)生變化，加之冰川夏季融水增多，水蝕能力增強(qiáng)，大量碎屑物質(zhì)被釋放并攜帶至河湖之中，繼而為風(fēng)沙災(zāi)害的發(fā)生奠定良好的基礎(chǔ)[17－19]。

（4）危害形式固定性。風(fēng)沙流對(duì)鐵路的危害主要表現(xiàn)在風(fēng)蝕和沙埋。鐵路的建成，改變了原有高原地區(qū)的局地氣流，鐵路周邊流場(chǎng)和能量結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，攜沙氣流遇阻后，風(fēng)速下降，攜沙能力減弱，故沙粒沉積在鐵路路基和道床上，形成沙埋，威脅行車安全。風(fēng)蝕則主要出現(xiàn)在大風(fēng)天氣下，在強(qiáng)大的風(fēng)力影響下，沙粒高速躍移，直接對(duì)路基和鐵軌形成磨蝕，加劇鋼軌的磨耗和銹蝕，降低鐵路使用年限[17－19]。

2 沙害成因剖析

2.1 氣候變暖，沙源增多

隨著全球氣候變暖，作為獨(dú)一無(wú)二的地域系統(tǒng)，青藏高原對(duì)于全球變化的響應(yīng)極為顯著。從那曲、當(dāng)雄、五道梁、安多、沱沱河和措那湖六地近50a年際氣溫趨勢(shì)可知，青藏鐵路沿線年平均氣溫逐年增加，其中以那曲年平均氣溫升高趨勢(shì)最大，年均增加0.045℃；沱沱河年平均溫度增高趨勢(shì)最小，年均增加0.029 16℃（圖2）。首先，氣溫升高，造成冰川融化，空氣濕度增加，增強(qiáng)了巖石的物理風(fēng)化作用。溫度下降時(shí)，水汽大量凝結(jié)在巖石表面形成泥流，并因凍結(jié)膨脹產(chǎn)生壓力而把裂隙附近的巖石壓碎成塊石和更細(xì)的物質(zhì)，白天溫度升高后，泥流將碎屑物質(zhì)溶解帶出裂隙后最終匯入河流，周而復(fù)始，導(dǎo)致巖石分崩離析。其次，冰川融化，河水徑流量增大，對(duì)地表侵蝕能力增強(qiáng)，泥沙含量增大，大量泥沙沉積到河道和湖泊底部。再次，氣溫升高，凍融作用增強(qiáng)。隨著溫度的升高，多年凍土轉(zhuǎn)變?yōu)榧竟?jié)性凍土，季節(jié)性凍土逐漸消融，原有凍土區(qū)內(nèi)賦存的松散碎屑物質(zhì)釋放出來(lái)，夏季或溫度升高后，大量融水將巖石裂隙、凍土間隙和松散土層內(nèi)碎屑物質(zhì)帶出，形成凍土泥流，最終帶入到河流湖泊之中，形成沙源?？梢姡S著全球變暖，改變了青藏鐵路沿線環(huán)境，加之高原氣候嚴(yán)酷、生態(tài)脆弱，凍融、風(fēng)蝕交互作用，地表抗蝕能力差，擾動(dòng)破壞易風(fēng)蝕等特點(diǎn)，增加了沙物質(zhì)的來(lái)源，致使沙源面積和數(shù)量增多。

2.2 風(fēng)動(dòng)力環(huán)境

2.2.1 起沙風(fēng) 起沙風(fēng)是確定風(fēng)沙活動(dòng)發(fā)生與否及其活動(dòng)強(qiáng)度的重要依據(jù)，也是研究風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、解決風(fēng)沙工程問(wèn)題的關(guān)鍵指標(biāo)之一。對(duì)風(fēng)沙地貌及沙害形成具有直接作用的是大于臨界起沙風(fēng)速的風(fēng)，且應(yīng)用范圍較廣[17－21]。因此，在分析風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度之前，首先要確定臨界起沙風(fēng)速。根據(jù)野外風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和實(shí)地觀測(cè)，青藏鐵路沿線臨界起沙風(fēng)速確定為6.0 m／s。由圖1可知，各點(diǎn)年合成起沙風(fēng)以偏西風(fēng)為主，沱沱河、五道梁、扎加藏布、安多、措那湖、紅梁河合成起沙風(fēng)向分別為：292°，284°，281°，268°，259°，317°。即合成輸沙方向?yàn)槠珫|方向，與輸沙勢(shì)分析結(jié)論保持一致。其中，措那湖W風(fēng)向占全年起沙風(fēng)比例最高，為43.56%，五道梁、扎加藏布、安多、沱沱河、紅梁河西風(fēng)向占全年起沙風(fēng)比例分別為37%，36.08%，27.58%，27.14%，18.75%。起沙風(fēng)以西風(fēng)為主，其主要原因是青藏高原地處盛行西風(fēng)帶，故偏西風(fēng)頻次較多，且因其海拔較高，所以風(fēng)力較強(qiáng)。

圖1 青藏鐵路沿線各站點(diǎn)起沙風(fēng)玫瑰

圖2 青藏鐵路沿線年際溫度變化趨勢(shì)

2.2.2 輸沙勢(shì) 由圖3可以看出，除紅梁河屬于中能風(fēng)環(huán)境外，輸沙勢(shì)DP值為342.11VU，RDP值為167.58VU，RDD為111°，其余各點(diǎn)均屬于高能風(fēng)環(huán)境，DP值大于400VU。其中，扎加藏布DP值最大，為722.6VU，RDP值為591.49VU，合成輸沙方向?yàn)?00°；五道梁其次，DP值為656.82VU，RDP值為438.08VU，合成輸沙方向?yàn)?4°；措那湖、沱沱河和安多 DP 值 分別 為 557.29VU，538.17VU 和415.86 VU，RDP值分別為396.96VU，320.3VU 和231.97 VU，合成輸沙方向分別為：94°，97°，85°。且各點(diǎn)合成輸沙方向都集中在85°—111°范圍內(nèi)，即東方向，由此可知，青藏鐵路沿線盛行風(fēng)向以西風(fēng)為主。

圖3 青藏鐵路沿線各站點(diǎn)輸沙勢(shì)

2.2.3 最大可能輸沙量 由最大可能輸沙量分布（表1）可知，扎加藏布風(fēng)沙活動(dòng)最強(qiáng)烈，氣流搬運(yùn)能力最強(qiáng)，最大可能輸沙量為67.68m3／（m·a），合成輸沙 方 向 為 100°，其 次 為 五 道 梁，為 50.10 m3／（m·a）。青藏鐵路沿線各站點(diǎn)合成輸沙方向集中在83°—96°，即偏東方向。

表1 青藏鐵路沿線各站點(diǎn)最大可能輸沙量分布

2.3 風(fēng)旱同季

從圖4中青藏鐵路沿線各站點(diǎn)多年月均風(fēng)速可知，12月—次年5月期間月平均風(fēng)速較6—11月大，月均風(fēng)速最大值為3月份或者5月份，最小值則主要集中在7月份。由于拉薩和格爾木海拔相對(duì)較低，且城市建筑對(duì)氣流的阻擋作用明顯，故3月份平均風(fēng)速較小，分別為2.35m／s和2.84m／s，其余各站點(diǎn)地處高海拔，風(fēng)速相對(duì)較大，月均風(fēng)速均超過(guò)3m／s。如沱沱河、安多和五道梁各站點(diǎn)月平均風(fēng)速均超過(guò)5m／s，安多月均風(fēng)速達(dá)到5.48m／s。

圖4 青藏鐵路沿線各站點(diǎn)多年平均風(fēng)速與降水

分析各站點(diǎn)月平均降水量可知，各站點(diǎn)年內(nèi)降水量變化趨勢(shì)相似，成正態(tài)分布，以7月份月降水量最多。10月至次年4月期間，月平均降水量變化較小，降水量維持在較低水平，范圍為0.4～4.1mm，4—7月期間，月降水量逐漸增多，7月份達(dá)到峰值，之后逐漸減少。其中，格爾木7月份降水量最小，僅為10.82 mm；其余各站點(diǎn)7月份月平均降水量均大于70mm，以當(dāng)雄最大，為126.08mm。分析各站點(diǎn)多年月平均降水量和風(fēng)速關(guān)系可知，降水量與風(fēng)速存在反比關(guān)系，即風(fēng)速較大時(shí)，降水量較小；風(fēng)速較小時(shí)，降水量則較大，屬于典型的“風(fēng)旱同季”。冬春季節(jié)，降水量較小，植被蓋度較低，對(duì)土壤保護(hù)作用減小，地表抗風(fēng)蝕能力較小，而同期風(fēng)速較大，極易造成土壤風(fēng)蝕，破壞地表，形成更多的碎屑物質(zhì)。夏季，平均風(fēng)速降低，風(fēng)蝕減弱，而同期降水量增大，河流徑流量增大，水蝕增強(qiáng)?？梢?，“風(fēng)旱同季”形成凍融、風(fēng)蝕、水蝕交替出現(xiàn)的環(huán)境，導(dǎo)致地表土壤結(jié)構(gòu)離散分解增強(qiáng)，進(jìn)一步加劇了地表風(fēng)沙活動(dòng)的強(qiáng)度。

2.4 人為影響

隨著全球溫度的升高，青藏鐵路沿線環(huán)境發(fā)生改變，沙源數(shù)量和面積增加，繼而為風(fēng)沙災(zāi)害提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。其次，青藏高原常年盛行西風(fēng)、且“風(fēng)旱同季”的獨(dú)特氣候環(huán)境為風(fēng)沙災(zāi)害提供了動(dòng)力基礎(chǔ)。兩者為風(fēng)沙災(zāi)害的發(fā)生提供了得天獨(dú)厚的自然條件。

再次，青藏鐵路的建設(shè)，改變了局地原有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，鐵路兩側(cè)流場(chǎng)形式和能量分布發(fā)生改變，風(fēng)沙流在經(jīng)過(guò)鐵路時(shí)，在鐵路迎風(fēng)側(cè)，氣流受到鐵路阻擋并抬升，風(fēng)速降低，動(dòng)能大量消耗，攜沙能力減弱，大量沙塵在鐵路迎風(fēng)側(cè)發(fā)生堆積。隨著堆積體積增大，弱風(fēng)的情況下，沙粒將以蠕移和躍移運(yùn)動(dòng)的方式搬至鐵軌，進(jìn)而形成二次危害。風(fēng)力強(qiáng)勁時(shí)，風(fēng)沙流處于不飽和狀態(tài)，途經(jīng)鐵軌時(shí)，不產(chǎn)生沙埋危害，但易對(duì)鐵軌形成磨蝕，降低鐵軌的使用年限。可見，青藏鐵路的修建，為風(fēng)沙堆積創(chuàng)造了有利環(huán)境。

3 結(jié)論

綜上可知，青藏高原風(fēng)沙災(zāi)害呈現(xiàn)出空間非均勻性、時(shí)間集中性、沙源多樣性以及危害形式固定性。其主要原因在于隨著全球氣溫的升高，增加了青藏高原沙源面積和數(shù)量，加之其有利的動(dòng)力環(huán)境以及青藏鐵路建成后形成的易于沙粒沉降的局地環(huán)境，為風(fēng)沙災(zāi)害發(fā)展提供了得天獨(dú)厚的條件，最終導(dǎo)致風(fēng)沙災(zāi)害的發(fā)生。并且，青藏鐵路沿線地表類型復(fù)雜，獨(dú)特的高寒地域環(huán)境，導(dǎo)致其風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)與低海拔干旱、半干旱沙漠戈壁區(qū)存在重大差異，原有低海拔地區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害防治經(jīng)驗(yàn)出現(xiàn)局限性。因此，對(duì)于高寒區(qū)青藏鐵路的沙害問(wèn)題研究工作有待深入，其致災(zāi)機(jī)理也待進(jìn)一步研究與觀測(cè)。

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