考慮風(fēng)吹雪災(zāi)害的新疆克塔鐵路選線研究

祁延錄

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考慮風(fēng)吹雪災(zāi)害的新疆克塔鐵路選線研究

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(新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

在鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，如何降低風(fēng)吹雪災(zāi)害對(duì)鐵路安全運(yùn)營(yíng)的影響是鐵路選線和設(shè)計(jì)亟待解決的技術(shù)難題。以克拉瑪依至塔城鐵路2種選線方案為研究對(duì)象，利用氣象站點(diǎn)和風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，并結(jié)合天氣預(yù)報(bào)數(shù)值模擬結(jié)果和衛(wèi)星遙感影像以及區(qū)域氣候模擬結(jié)果，研究克塔鐵路2種選線方案沿線的風(fēng)雪災(zāi)害特征。研究結(jié)果表明：南方案大風(fēng)區(qū)路段長(zhǎng)度和可能發(fā)生風(fēng)吹雪的頻次都較北方案大，克塔鐵路最終以北方案通過(guò)風(fēng)雪區(qū)。本文所得結(jié)論可為新疆類似鐵路的選線和設(shè)計(jì)提供參考。

風(fēng)吹雪；鐵路選線；模擬分析；大風(fēng)特征；積雪分布

風(fēng)雪流又稱風(fēng)吹雪，是指風(fēng)攜帶雪粒運(yùn)行的天氣現(xiàn)象，是一種復(fù)雜的多相流[1?2]。風(fēng)雪流廣泛分布于我國(guó)北方地區(qū)，是北方冬季主要的自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響著交通運(yùn)輸、工業(yè)建筑、農(nóng)牧業(yè)和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全[3?10]。新建克塔線是連接克拉瑪依—塔城的一條重要鐵路干線。新建克塔線自奎北鐵路百口泉車站引出，沿白楊河沖洪積平原(屬烏爾禾盆地)向西北，穿過(guò)山口后進(jìn)入鐵廠溝?白楊河山間凹地，翻過(guò)克孜勒托別埡口(海拔920 m)后進(jìn)入塔城?額敏盆地，線路全長(zhǎng)約300 km。在整條線路中，經(jīng)過(guò)塔城老風(fēng)口(瑪依塔斯風(fēng)區(qū))約70 km。該風(fēng)區(qū)多大風(fēng)，尤其是冬季的偏東大風(fēng)，加上冬季的吹雪常形成強(qiáng)大的風(fēng)雪流，嚴(yán)重影響和制約著塔城地區(qū)的交通，并且極易發(fā)生交通和人員傷亡等事故。因此，如何避免或減少鐵路通過(guò)大風(fēng)災(zāi)害和風(fēng)吹雪災(zāi)害區(qū)域，是該項(xiàng)目選線及設(shè)計(jì)過(guò)程中急需解決的技術(shù)難題。影響風(fēng)吹雪的因素很多，除了風(fēng)、雪因素，還有地形、植被等因素，使得風(fēng)吹雪雪害成災(zāi)機(jī)理的研究變得更加復(fù)雜和困難。依據(jù)過(guò)往建設(shè)經(jīng)驗(yàn)與理論實(shí)踐可以了解到鐵路建設(shè)將局部改變地形、地貌，最終導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)變化，積雪堆積發(fā)生改變。雖然對(duì)風(fēng)吹雪機(jī)理以及防治的研究已經(jīng)很多，但是考慮風(fēng)吹雪災(zāi)害的鐵路選線過(guò)程仍面臨很多問(wèn)題。例如：克塔線勘察階段，站點(diǎn)觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)稀缺且分布稀疏，給研究區(qū)內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)特征研究增加了一定的困難；區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)有的站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，僅為風(fēng)變量數(shù)據(jù)，無(wú)降水(固態(tài)或液態(tài)降水)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；防風(fēng)與防雪設(shè)施的布置方式及其優(yōu)化，以減少風(fēng)雪害影響及運(yùn)行維護(hù)成本等。本文針對(duì)以上提出的風(fēng)吹雪災(zāi)害對(duì)鐵路選線存在的問(wèn)題進(jìn)行研究，結(jié)合站點(diǎn)觀測(cè)、遙感數(shù)據(jù)和數(shù)值模式模擬等手段，旨在為區(qū)域內(nèi)鐵路選線提供風(fēng)、雪災(zāi)害科學(xué)的時(shí)空分布信息，為克塔鐵路設(shè)計(jì)方案沿線的風(fēng)吹雪災(zāi)害評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 線路預(yù)選方案與研究方法

1.1 線路預(yù)選方案

克塔線北方案線路自克拉瑪依市境內(nèi)的奎北鐵路百口泉車站引出。線路向北通過(guò)百口泉油田區(qū)、沿木胡爾塔依河穿過(guò)白楊河礦區(qū)、鐵喇礦區(qū)至托里縣鐵廠溝鎮(zhèn)，再翻越兩棵樹(shù)埡口經(jīng)瑪依塔斯至額敏縣，最后向北至終點(diǎn)塔城市，線路總長(zhǎng)度290.587 km，其中分叉部分線路全長(zhǎng)131 km。其中部分線路靠近省道201線或建設(shè)中高速公路，交通方便。南方案與北方案的區(qū)別：線路從北方案CK148+900出岔，沿加依爾山北緣向西行至老風(fēng)口，折向北傍山行經(jīng)至額敏西，至終點(diǎn)塔城，其中鐵廠溝到塔城段線路總長(zhǎng)度136.7 km。北方案(瑪依塔斯行走方案)以及南方案(老風(fēng)口行走方案)的比較起，終點(diǎn)里程為CK148+900=C1K148+900，CK280+000=C1K285+607。見(jiàn)線路方案圖1。

圖1 克塔線線路方案圖

1.2 研究方法

研究的總體思路：

1) 利用有限的氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證遙感影像以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

2) 利用遙感影像及數(shù)值模式數(shù)據(jù)研究區(qū)域內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)和積雪分布特征，分析和評(píng)價(jià)線路方案。

項(xiàng)目最終對(duì)克塔鐵路沿線風(fēng)吹雪災(zāi)害的分布現(xiàn)狀進(jìn)行分析，分析時(shí)需要獲取鐵路沿線的風(fēng)速風(fēng)向變化、強(qiáng)風(fēng)分布規(guī)律和積雪時(shí)空分布規(guī)律。站點(diǎn)的風(fēng)速變化與主風(fēng)向主要由有限站點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)獲?。粩?shù)值天氣預(yù)報(bào)模式WRF(Weather Research Forecast)數(shù)據(jù)以及由WRF驅(qū)動(dòng)的CALMET模型模擬得到的研究區(qū)內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向的時(shí)空分布，分析沿克塔線風(fēng)速風(fēng)向變化以及老風(fēng)口?瑪依塔斯區(qū)域內(nèi)強(qiáng)風(fēng)分布規(guī)律；通過(guò)沿線氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以獲取研究區(qū)域內(nèi)冬季的降水及積雪分布特點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)的積雪時(shí)空分布規(guī)律則利用遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)獲取，與區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜等級(jí)、積雪埋深數(shù)據(jù)相結(jié)合用來(lái)分析克塔鐵路沿線的積雪堆積特征。

具體步驟如下：

1) 用統(tǒng)計(jì)分析方法分析研究區(qū)內(nèi)站點(diǎn)的風(fēng)速變化和主風(fēng)向，以及冬季降雪區(qū)域和降雪的年內(nèi)每月分布情況；

2) 根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式WRF模擬的結(jié)果對(duì)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速和風(fēng)向的空間分布規(guī)律進(jìn)行分析；在10 km，2 km2種尺度上對(duì)風(fēng)速分布規(guī)律進(jìn)行分析、研究，其中，克塔鐵路沿線不同等級(jí)風(fēng)速的風(fēng)向風(fēng)速發(fā)生頻次和鐵路沿線50 a一遇大風(fēng)的風(fēng)速分布情況的分析是在2 km的尺度上進(jìn)行的；

3) 利用大氣預(yù)測(cè)模式CALPUFF的氣象模塊CALMET來(lái)進(jìn)行克塔鐵路沿線風(fēng)場(chǎng)模擬，對(duì)30 km的WRF模式的驅(qū)動(dòng)下沿線風(fēng)速風(fēng)向的空間分布規(guī)律及不同季節(jié)最大風(fēng)速分布情況進(jìn)行分析[11]；

4) 根據(jù)實(shí)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的風(fēng)速變化及主風(fēng)向，結(jié)合WRF模式數(shù)據(jù)獲得的風(fēng)速風(fēng)向空間分布以及CALMET模擬的風(fēng)場(chǎng)分析克塔鐵路沿線風(fēng)速風(fēng)向變化和強(qiáng)風(fēng)區(qū)域的分布規(guī)律及特征；

5) 以MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品的屬性信息為依據(jù)，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的積雪分布規(guī)律及特征進(jìn)行分析；

6) 利用Landsat(TM)影像數(shù)據(jù)驗(yàn)證MODIS月積雪累計(jì)天數(shù)空間分布范圍數(shù)據(jù)的精度；

7) 根據(jù)雪深模式數(shù)據(jù)以及構(gòu)建的地形復(fù)雜程度指數(shù)，分析克塔鐵路沿線風(fēng)吹雪災(zāi)害的積雪堆積空間分布規(guī)律及特征；

8) 結(jié)合WRF模式2 km的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，以及模式的降雪數(shù)據(jù)，提取積雪信息情況，評(píng)估研究區(qū)風(fēng)吹雪發(fā)生的情況。

其中，數(shù)據(jù)資料主要有老風(fēng)口、瑪依塔斯、烏雪特鄉(xiāng)和鐵廠溝等4個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)氣象站近10 a雪深、降水及風(fēng)資料，4個(gè)距離鐵路稍近的自動(dòng)站累計(jì)3個(gè)年度對(duì)風(fēng)的逐時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和區(qū)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)7個(gè)測(cè)風(fēng)塔的數(shù)據(jù)。

2 研究區(qū)冬季大風(fēng)特征

蒙古?西伯利亞高壓的季節(jié)性轉(zhuǎn)變對(duì)塔額盆地、老風(fēng)口至瑪依塔斯帶產(chǎn)生冬季偏東大風(fēng)有著重要的影響，是蒙古?西伯利亞高壓的維持、發(fā)展與當(dāng)?shù)靥赜械牡匦?、地貌的共同作用。冬季蒙?西伯利亞的高壓穩(wěn)定加強(qiáng)，因此當(dāng)哈薩克斯坦東部的巴爾喀什湖一帶有氣壓低值的系統(tǒng)活動(dòng)出現(xiàn)明顯、急劇的減壓時(shí)，就會(huì)形成一直到蒙古一帶東高西低的氣壓場(chǎng)，同時(shí)由于地形的“峽口效應(yīng)”會(huì)使氣流產(chǎn)生擠壓加速作用，最終會(huì)在風(fēng)區(qū)產(chǎn)生劇烈的偏東大風(fēng)。

此外，區(qū)域內(nèi)秋末、冬季(一般10月至翌年4月)準(zhǔn)噶爾盆地與塔額盆地之間產(chǎn)生較高的溫度差，導(dǎo)致氣流發(fā)生移動(dòng)，由此形成的大風(fēng)將從高氣壓的準(zhǔn)噶爾盆地吹向低氣壓的塔額盆地，故老風(fēng)口?瑪依塔斯風(fēng)區(qū)主要為偏東大風(fēng)，這也是形成大風(fēng)的另一個(gè)原因。

由4個(gè)氣象站點(diǎn)2010~2012年所測(cè)得的2 min和10 min的小時(shí)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，采用風(fēng)資源分析軟件WASP分析得到該4個(gè)站點(diǎn)季節(jié)與年尺度上的風(fēng)玫瑰圖見(jiàn)表1。由表1可看出，各站點(diǎn)測(cè)的冬季風(fēng)向基本相同，以東南風(fēng)、東風(fēng)為主。各站點(diǎn)風(fēng)速冬季的風(fēng)比夏季的風(fēng)大，近3年的最大風(fēng)速超過(guò)26.8 m/s，其中鐵廠溝鎮(zhèn)的極大風(fēng)速超過(guò)37.0 m/s。2方案沿線附近的測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)所得結(jié)論與上述一致，冬季主風(fēng)向?yàn)闁|和東南，10 m高度最大風(fēng)速可達(dá)37.9 m/s?？傊?，幾個(gè)氣象站和測(cè)風(fēng)塔的數(shù)據(jù)顯示南北方案中均存在冬季超強(qiáng)大風(fēng)天氣。其中有3個(gè)氣象站點(diǎn)其50 a一遇風(fēng)速超過(guò)了30 m/s。

在研究區(qū)內(nèi)氣象觀測(cè)站點(diǎn)主要分布在鐵廠溝附近的峽谷地形中，在鐵廠溝風(fēng)電基地以西，僅有2個(gè)測(cè)風(fēng)塔和3個(gè)自動(dòng)氣象站(老風(fēng)口、烏雪特和瑪依塔斯)。因此研究區(qū)內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)較為稀缺。為了彌補(bǔ)觀測(cè)資料在研究區(qū)域內(nèi)時(shí)間和空間上的不足，在本次研究中采用了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式WRF和大氣污染模式CALPUFF中的氣象模塊CALMET對(duì)研究片區(qū)內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間序列的模擬。

表1 4個(gè)站點(diǎn)冬季風(fēng)玫瑰圖

(a) 鐵廠溝10 m高度驗(yàn)證；(b) 鐵廠溝模擬風(fēng)向與實(shí)測(cè)風(fēng)向?qū)Ρ?/p>

圖2和圖3是2種模式模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比。圖2為鐵廠溝一次大風(fēng)過(guò)程，圖3為某測(cè)風(fēng)塔3個(gè)月的風(fēng)速和風(fēng)向情況。從圖2中可以看出，在5 km尺度上WRF可以很好地捕捉到大風(fēng)過(guò)程的變化趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.504，且WRF模式能夠很好的捕捉到大風(fēng)過(guò)程中風(fēng)向的變化趨勢(shì)。

圖3中Calmet的模擬結(jié)果比風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速偏小，約為實(shí)測(cè)的50%左右，Calmet模擬風(fēng)向與實(shí)測(cè)值趨勢(shì)相同，但數(shù)值上存在明顯差異。2種模式對(duì)地表參數(shù)化(高程和植被)的誤差在一定程度上會(huì)影響到模式模擬結(jié)果。借助2種模式的模擬結(jié)果可以得到整個(gè)研究區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的風(fēng)速和風(fēng)向情況，進(jìn)而可以對(duì)兩方案沿線的風(fēng)場(chǎng)情況進(jìn)行深入的統(tǒng)計(jì)分析。

(a) 5 km尺度Calmet風(fēng)速數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比；(b) 5 km尺度Calmet 風(fēng)向數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)對(duì)比

數(shù)據(jù)源采用WRF，間隔為1 km，對(duì)鐵路南北段采樣，分析計(jì)算冬季南、北段克塔鐵路沿線不同風(fēng)速等級(jí)的頻次，如圖4所示。鐵路北方案9級(jí)風(fēng)速的發(fā)生區(qū)域?yàn)镃K146-CK148和CK171-CK176，鐵路南方案9級(jí)風(fēng)速的發(fā)生區(qū)域?yàn)镃1K201- C1K202和C1K206-C1K222。但是冬季鐵路南北方案均不存在10級(jí)以上的風(fēng)速。

(a) 2010~2012年冬季北方案不同等級(jí)風(fēng)速的小時(shí)數(shù)；(b) 2010~2012年冬季南方案不同等級(jí)風(fēng)速的小時(shí)數(shù)

用WASP軟件對(duì)鐵路南北方案每隔1 km提取的點(diǎn)計(jì)算50 a一遇的風(fēng)速，沿線風(fēng)速分布趨勢(shì)和圖5相似?？怂F路北方案中95個(gè)點(diǎn)50 a一遇風(fēng)速的平均值為20.6 m/s，其中最高值為37.4 m/s。南方案中92個(gè)點(diǎn)50 a一遇風(fēng)速的平均值為29.8 m/s，在老風(fēng)口附近風(fēng)速最高為56 m/s。北方案中50 a一遇的風(fēng)速大于17.8 m/s的主要區(qū)域?yàn)镃K146- CK185H，南方案中50 a一遇的風(fēng)速均大于17.8 m/s，最小值為19.9 m/s?？傮w來(lái)講克塔鐵路南方案50 a一遇的風(fēng)速大于北方案50 a一遇的風(fēng)速。

用WRF計(jì)算的2 km尺度的風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)分析冬季南北方案最大風(fēng)速的分布情況。時(shí)間序列是從2000?01?01?0時(shí)~2012?12?31?23時(shí)。多年最大季節(jié)風(fēng)速如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，北方案的CK145- CK185段在冬季的風(fēng)速都比其他區(qū)大，冬季最大風(fēng)速大于19 m/s。CK145-CK185位于南北方案分叉處，從此交叉處開(kāi)始，南北方案都是冬季風(fēng)速最大?？怂F路北方案冬季在CK275-CK285段的風(fēng)速相對(duì)于CK185-CK265有上升趨勢(shì)；南方案在C1K148- C1K163風(fēng)速大于17 m/s，向C1K285方向風(fēng)速大于15 m/s且比較穩(wěn)定?？傮w來(lái)講，CK145-CK148+ 900-CK180(35 km)和CK145-CK148+900-C1K224 (79 km)段內(nèi)是研究區(qū)的大風(fēng)區(qū)(≥8級(jí)風(fēng)速)。

(a) 北方案50 a一遇的大風(fēng)的風(fēng)速；(b) 南方案50 a一遇的大風(fēng)的風(fēng)速

圖6是克塔線南北方案冬季風(fēng)向發(fā)生的頻次。鐵路北方案沒(méi)有明確的主風(fēng)向，CK148-CK171區(qū)域內(nèi)的主風(fēng)向是東風(fēng)，次風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)和西北風(fēng)；CK171-CK174之間，東南風(fēng)是主風(fēng)向；CK193- CK235段主風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)與東北風(fēng)。克塔鐵路南方案冬季的主風(fēng)向基本無(wú)變化，為東風(fēng)、東南風(fēng)(附近樹(shù)木傾斜方向與此一致)。C1K151-C1K193段主風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，次風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)與西北風(fēng)；C1K193- C1K238段主風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，其他風(fēng)向的風(fēng)出現(xiàn)的頻次不高。

源數(shù)據(jù)使用的是WRF數(shù)據(jù)，并采用Calmet模式計(jì)算獲取分辨率為5 km與10 km的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。為了精細(xì)化鐵路沿線風(fēng)速情況，沿鐵路沿線將選取28個(gè)點(diǎn)用來(lái)分析鐵路沿線的風(fēng)速空間分布。通過(guò)對(duì)比5 km與10 km尺度上風(fēng)速的變化最后發(fā)現(xiàn)，總體趨勢(shì)無(wú)變化，最大風(fēng)速南方案大于北方案，南方案存在2個(gè)大風(fēng)區(qū)域：鐵路分為南北方案的交叉處(CK140-C1K160區(qū)域)和老風(fēng)口附近(C1K192-C1K 194區(qū)域)。

南北方案路上主要點(diǎn)的(2000~2012年)最大風(fēng)速和多年冬季(2000~2012年的1月)風(fēng)向玫瑰圖如圖7。從圖6中也可以觀察到冬季(1月份)的主風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，南方案的最大風(fēng)速比北方案的最大風(fēng) 速大。

(a) 2010~2012年冬季北方案各風(fēng)向風(fēng)發(fā)生的小時(shí)數(shù)；(b) 2010~2012年冬季南方案各風(fēng)向風(fēng)發(fā)生的小時(shí)數(shù)

3 鐵路沿線積雪特征

基于氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)資料，塔城地區(qū)近50 a冬季降水極值存在劇烈變化[12]。最近幾年，塔城地區(qū)的冬季降水以微小的速率(約為3.7 mm/10 a)增加，其中時(shí)間尺度為20 a左右的冬季降水序列的增加趨勢(shì)將會(huì)持續(xù)[13]。

新疆積雪變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)十分敏感，北疆平原地區(qū)積雪日數(shù)和積雪深度均呈增加趨勢(shì)，但波動(dòng)較大[13]；李培基等[14]研究表明，近50 a新疆消融期積雪日數(shù)、年累積積雪深度和年積雪日數(shù)各增加了1.6 d，20.8 cm，8.9 d，冬季降水量的增加與積雪的增加呈現(xiàn)同樣的變化規(guī)律。

根據(jù)塔城地區(qū)1961~2005年監(jiān)測(cè)的積雪數(shù)據(jù)，可以看出塔城地區(qū)積雪地域差異明顯，時(shí)空分布不均勻的特征。最近45 a來(lái)，除裕民站外，其余各站點(diǎn)的積雪日數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，并且冬季降水量的變化與最大積雪厚度表現(xiàn)無(wú)區(qū)別[13?15]。1961~ 2005年塔城地區(qū)最大積雪深度在40~65 cm范圍，均以1月累積積雪深度最大。

由于MODIS的日影像沒(méi)有進(jìn)行去云處理，所以本次需要采用TM影像對(duì)單景的MODIS積雪日影像進(jìn)行精度的驗(yàn)證。采用MODIS積雪日影像進(jìn)行積雪天數(shù)的統(tǒng)計(jì)，利用TM影像對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果令人滿意，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到同為積雪的比例達(dá)到74%。

每隔1 km對(duì)南、北方案中的路段進(jìn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)的提取，然后對(duì)兩方案的月積雪累計(jì)日進(jìn)行比較。2011年12月的沿線積雪天數(shù)比較結(jié)果如圖8所示。其他時(shí)間的積雪情況進(jìn)行類似的處理，發(fā)現(xiàn)南、北方案1月、2月份的月積雪累計(jì)天數(shù)比12月份和3月份的多；南方案月積雪累計(jì)天數(shù)比北方案少，但變化要大。

(a) 北方案；(b) 南方案

以雪深數(shù)據(jù)和克塔鐵路南北方案所在區(qū)域的地形、地貌復(fù)雜程度為依據(jù)，對(duì)區(qū)域內(nèi)鐵路風(fēng)吹雪的堆積進(jìn)行評(píng)估，將堆積等級(jí)劃分成較少、一般、較嚴(yán)重、嚴(yán)重4個(gè)等級(jí)(如表2)。對(duì)不同分辨率的GDEM取標(biāo)準(zhǔn)方差可獲得地形、地貌的復(fù)雜程度，雪深可以直接從模式數(shù)據(jù)上獲取。將獲得結(jié)果與較高精度的遙感影像進(jìn)行比較，同地形起伏相結(jié)合發(fā)現(xiàn)兩者區(qū)別較小。

(a) 北方案；(b) 南方案

表2 風(fēng)吹雪堆積等級(jí)劃分指標(biāo)

風(fēng)吹雪堆積區(qū)等級(jí)示意圖如圖9所示。從圖9看出：南北方案經(jīng)過(guò)的區(qū)域有所區(qū)別，南方案經(jīng)過(guò)積雪的堆積區(qū)比較低的區(qū)域，北方案則經(jīng)過(guò)了風(fēng)吹雪堆積區(qū)等級(jí)比較高的區(qū)域。北方案在CK173- CK215區(qū)域?qū)儆陲L(fēng)吹雪的堆積區(qū)，且經(jīng)過(guò)的堆積很嚴(yán)重的區(qū)域在地域分布上并不集中，多為較嚴(yán)重及一般區(qū)域。

將風(fēng)吹雪相關(guān)研究與新疆地區(qū)實(shí)際積雪的物理特性相結(jié)合，可以了解到風(fēng)吹雪現(xiàn)象產(chǎn)生的條件有兩點(diǎn)：一是風(fēng)速范圍達(dá)到3~11 m/s；二是伴隨降雪條件。本次研究主要依據(jù)是將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與風(fēng)吹雪現(xiàn)象產(chǎn)生判據(jù)相結(jié)合，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于RegCM- CLM模式數(shù)據(jù)的降雪數(shù)據(jù)和WRF模擬的10 m 風(fēng)速。

從圖1可以看出，自鐵廠溝鎮(zhèn)?瑪依塔斯區(qū)域，線路南方案發(fā)生風(fēng)吹雪段比北方案更長(zhǎng)，其他地段的風(fēng)吹雪較輕，這與實(shí)際觀測(cè)相吻合。

根據(jù)實(shí)地調(diào)查、沿線氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等資料的綜合分析結(jié)果可得：北方案受到風(fēng)吹雪輕度危害里程數(shù)為17.8 km(CK176~CK193+800)，較嚴(yán)重危害里程數(shù)12.1 km(CK148+900~CK157和CK172~CK 176)，嚴(yán)重危害里程數(shù)15 km(CK157~CK172)；南方案受到風(fēng)吹雪輕度危害里程為8 km(C1K210~C1K218)，較嚴(yán)重危害里程數(shù)35.1 km(CK148+900~C1K155，C1K161~C1K186和C1K206~C1K210)，嚴(yán)重危害里程數(shù)26 km(C1K155~C1K161和C1K186~C1K 206)。風(fēng)吹雪危害南方案嚴(yán)重和較嚴(yán)重的長(zhǎng)度比北方案長(zhǎng)。

圖9 風(fēng)吹雪積雪堆積區(qū)域示意圖

圖10 區(qū)域冬季風(fēng)吹雪發(fā)生頻率

4 結(jié)論

1) 綜合WRF和CALMET的結(jié)果，在北方案CK145-CK148+900-CK180(35 km)段，南方案CK 145-CK148+900-C1K224(79 km)段是研究區(qū)的大風(fēng)區(qū)(≥8級(jí))。南方案的風(fēng)速大于北方案。風(fēng)區(qū)內(nèi)冬季主風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)與東南風(fēng)。

2) 通過(guò)對(duì)MODIS遙感影像的統(tǒng)計(jì)獲得的積雪累積天數(shù)可知：南、北方案1月、2月份的月積雪累計(jì)天數(shù)比12月份和3月份的多。從積雪月累計(jì)天數(shù)的變化上比較，南方案比北方案的變化要大，但南方案月積雪累計(jì)天數(shù)比北方案要少。

3) 根據(jù)風(fēng)吹雪堆積區(qū)等級(jí)區(qū)劃圖可以看出：北方案經(jīng)過(guò)積雪的堆積比較嚴(yán)重的區(qū)域，而南方案經(jīng)過(guò)的區(qū)域積雪堆積較少，由此可以說(shuō)明北方案處于地面積雪趨于穩(wěn)定和受風(fēng)吹影響積雪移動(dòng)范圍較少的區(qū)域。

4) 以風(fēng)速數(shù)據(jù)和降雪量的模式數(shù)據(jù)為依據(jù)所獲取的風(fēng)吹雪可能發(fā)生的次數(shù)表明：分岔后的南北方案經(jīng)過(guò)的區(qū)域風(fēng)吹雪可能發(fā)生的頻次比較高；發(fā)生風(fēng)吹雪的頻次南方案比北方案整體要多；其中北方案受風(fēng)吹雪輕微、較嚴(yán)重、嚴(yán)重危害的段落長(zhǎng)度分別為17.8，12.1和15 km；南方案受風(fēng)吹雪輕微、較嚴(yán)重、嚴(yán)重危害的段落長(zhǎng)度分別為8，35.1和26 km；因此南方案受風(fēng)吹雪危害的段落比北方案整體長(zhǎng)24.2 km。

綜合考慮，為盡量避免風(fēng)雪災(zāi)害，克塔鐵路最終選擇了風(fēng)雪災(zāi)害影響較小的北方案。

5 經(jīng)驗(yàn)推廣

目前國(guó)內(nèi)外研究風(fēng)吹雪的形成機(jī)理、流場(chǎng)分布特征(動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律)、防治手段、風(fēng)吹雪地區(qū)路基形式等方面的較多，且主要是針對(duì)公路工程，還沒(méi)有大面積風(fēng)吹雪地區(qū)鐵路方案比選的實(shí)際案例，對(duì)風(fēng)雪區(qū)鐵路選線、工程布設(shè)原則和線位走行原則尚缺乏完善成熟的體系與規(guī)程。克塔鐵路風(fēng)雪區(qū)鐵路選線尚屬首例，針對(duì)克塔鐵路南北方案選線成功引出了風(fēng)吹雪地區(qū)的選線思路、方法及選線原則以供風(fēng)雪地區(qū)類似工程選線借鑒。

具體鐵路布設(shè)原則如下：

1) 考慮自然景觀和人造景觀的和諧；提供沿線冬季航拍照片；提供冬季現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，分析主導(dǎo)風(fēng)、主害風(fēng)方向。

2) 考慮沿線區(qū)域的地形、地貌、氣候等因素，以及建筑物的位置。所選線路位置盡可能放在吹蝕區(qū)域距堆積區(qū)域下風(fēng)側(cè)150~200 m處。

3) 軌道走向盡量與主風(fēng)向平行。鐵路隧道的出入口與本地積雪期的主風(fēng)向相垂直。

4) 從穩(wěn)雪角度宜選擇地表粗糙度比較高地段，對(duì)抑制風(fēng)吹雪有利。但路線通過(guò)的山地、丘陵植被蓋度低，應(yīng)盡量利用四面通風(fēng)的開(kāi)闊地、臺(tái)地、山梁等有利地形；或應(yīng)盡量靠近高大山體以減少風(fēng)的影響，對(duì)避風(fēng)和抑制風(fēng)吹雪有利，但要留夠儲(chǔ)雪區(qū)、避讓落石的距離。

5) 當(dāng)路線必須通過(guò)復(fù)雜、起伏較大的地形時(shí)，線路盡量避免路塹及低路堤工程，路塹及低路堤工程易被風(fēng)吹雪填平或掩埋，在有條件的前提下，應(yīng)盡量避免路塹工程。

6) 陽(yáng)坡日照時(shí)間較陰坡時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，雪融化快，所以路線一般應(yīng)設(shè)在陽(yáng)坡。

7) 背風(fēng)側(cè)雪害一般較迎風(fēng)側(cè)嚴(yán)重，盡量減少在背風(fēng)側(cè)盤繞。線路上風(fēng)一側(cè)如有突體，如土丘、巖體應(yīng)予以清除，以免引起渦旋產(chǎn)生積雪。

8) 若無(wú)法繞避嚴(yán)重風(fēng)雪地區(qū)，可因地制宜選擇里程最短的路線穿越，減小工程量，同時(shí)考慮有利于采取雪害防治措施的地形條件，以減少雪害防治、養(yǎng)護(hù)的投入。

9) 防雪柵或其它防風(fēng)吹雪控制措施要安置在上風(fēng)側(cè)。所選路線與周邊環(huán)境要有足夠的空間使得設(shè)置的防雪柵等控制措施有個(gè)適合的高度。

10) 在與既有道路工程并行段落，并行間距大于30 m，高度宜高于既有道路，適宜寬度150~ 200 m。

11) 該區(qū)域的最小合理路堤高度為2 m，在有條件的情況下，路堤工程高度宜控制在3~5 m之間，路堤過(guò)高除了增加成本外，風(fēng)吹雪易在迎風(fēng)坡堆積，到達(dá)路肩時(shí)風(fēng)速達(dá)到最大，而后急劇減小，在路軌處沉積。

12) 道路立交處，橋梁孔跨盡量留夠空間和凈高，線路盡量與風(fēng)向垂直或大角度相交，盡量采用大孔跨梁以免橋洞下產(chǎn)生風(fēng)積雪阻塞道路。

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Strategies of railway alignment selection for Karamay-Tacheng railway in Xinjiang considering snow drifting disasters

QI Yanlu

(Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co., Ltd, Urumqi 830011, China)

In the process of railway construction and operation, how to reduce the impact of wind blowing snow disaster on railway safety operation is a technical problem to be solved urgently in railway route selection and design. In this paper, two types of keta railway line selection scheme were taken as the research object, using meteorological stations and wind farm wind tower data and field measurement data. In combination with the numerical simulation results of weather forecast and satellite remote sensing images and regional climate simulation results, two types of characteristics of the Karamay-Tacheng railway line selection scheme along the snow disaster were studied. The results show that wind zone railway length and the frequency of occurrence of wind blown snow of the south case is longer and bigger compared to the north, finally, the north case is selected to through the snow area. The conclusions obtained in this paper can be used as reference for route selection and design of similar railways in Xinjiang.

snowdrift; route selection; simulation analysis; wind field characteristic; snow cover distribution

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.012

U212.35

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 2813 ? 12

2017?11?16

祁延錄(1976?)，男，蒙古族，青海樂(lè)都人，高級(jí)工程師，從事鐵路、公路路基設(shè)計(jì)及防護(hù)研究；E?mail：82588674@qq.com

(編輯 涂鵬)