南疆鐵路吐魚段風沙活動規(guī)律研究

吳麗華，李凱崇，葛盛昌，蔣富強

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，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，酷熱嚴寒［1］。受西伯利亞、烏拉爾山南下冷空氣的影響，風力強勁，大風頻繁。當冷重空氣進入準噶爾盆地后，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］。當冷空氣強度達到一定的程度，沿天山山脈的埡口奪路而出，形成大風天氣。南疆鐵路吐魯番至魚兒溝段，地處吐善托盆地西北部邊緣。線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，地形平緩開闊，地勢從山前向盆地中心緩傾，北西高南東低。線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泉、小草湖(也稱白楊河)、克爾堿、布爾堿4個風口，鐵路里程近100 km，習慣上將這4個風口區(qū)統(tǒng)稱為南疆線前百公里風區(qū)。其中，三個泉風口、小草湖風口、克爾堿風口均屬特大風地區(qū)，常年最大風力大于40 m/s，風蝕風積地貌明顯發(fā)育，礫浪呈大片分布［4-6］。大風時常伴隨強沙塵活動，常常致使沙埋鋼軌、道床板結(jié)、橋涵堵塞、路肩吹蝕、鐵路標志被吹毀，嚴重影響行車安全。新疆鐵路主要風口分布見圖1。

圖1 新疆鐵路主要風口分布

王錫來等［7］通過在南疆線巴楚地區(qū)設置定位觀測站，對活動沙丘特征進行觀測研究，得到了沙丘移動的定量數(shù)據(jù)，為風沙防護提供了一定的設計依據(jù)。王曉剛等［8］通過現(xiàn)場調(diào)研、分析計算，提出了南疆鐵路擋風墻的設計依據(jù)及結(jié)構形式，保證了行車安全。繆啟龍、何清等［9］通過對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)風沙災害的成因及發(fā)展變化規(guī)律提供了理論支撐。但上述學者大多側(cè)重于普通沙漠地段的風沙災害運動特征及鐵路沙害防治，而對于戈壁強風地區(qū)風沙運動規(guī)律研究較少。本文旨在對南疆鐵路前百公里風區(qū)風沙運動及氣象條件進行現(xiàn)場觀測的基礎上，了解戈壁地區(qū)風沙運動規(guī)律，為風沙災害防治提供一定的基礎支撐。

2 研究方法

2.1 觀測系統(tǒng)介紹

通過在南疆鐵路吐魯番至魚兒溝段建立風沙觀測站，觀測該區(qū)域風沙流結(jié)構及風力條件，風沙觀測站由集沙儀和大風監(jiān)測系統(tǒng)2部分構成。集沙儀由集沙器、集沙塔、地錨、底座、避雷針及測風塔等主要部件組成，集沙器的觀測高度分別為 0、0.5、1、2、3、5、7、9 m，見圖2。大風監(jiān)測系統(tǒng)由烏魯木齊鐵路局構建，主要監(jiān)測風速風向等氣象資料。

2.2 觀測系統(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，周圍有高山，附近有一個半固定沙丘，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。輸沙強度觀測系統(tǒng)集沙口方向為北偏西30°(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 大風一般規(guī)律

風是沙子發(fā)生運動的動力因素，風沙運動是一種貼近地表的氣流搬運沙子的現(xiàn)象［10-11］。因此，研究風沙運動的機理，首先要了解近地風的特征。南疆鐵路所經(jīng)吐魯番至魚兒溝段大風十分頻繁，根據(jù)現(xiàn)場觀測統(tǒng)計數(shù)據(jù)和大風監(jiān)測歷史資料初步統(tǒng)計(圖3)，自1998年至2006年，該地區(qū)年大風天數(shù)(出現(xiàn)大于等于8級風的天數(shù))都在120 d以上，最高可達到150 d，平均年大風天數(shù)約為136 d，遠遠高于普通地區(qū)，是典型的戈壁大風區(qū)代表。

圖3 南疆線前百公里風區(qū)年大風天數(shù)

將每年出現(xiàn)大風次數(shù)的天數(shù)按照月份進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)3～5月是年大風多發(fā)時間，4月份最高，占全年大風天數(shù)的47%左右(圖4)。說明由于新疆冷空氣的入侵具有明顯的季節(jié)性，相應的新疆鐵路風區(qū)的大風也呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化趨勢。一般地，春季和秋季，氣溫變化較大，冷空氣活動頻繁，大風日數(shù)多，最大風速也較高;春季冷空氣強度最大，天山南北氣壓差也最大，相應地，一年中的最強大風也就出現(xiàn)在春季。近年來由于氣候變化，夏季大風有增多趨勢，但最大風速及大風持續(xù)時間均明顯小于春季。

圖4 南疆線前百公里風區(qū)大風頻率

3.2 大風攜沙垂直度變化

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

圖5為南疆鐵路觀測點2008年4月至2009年3月集沙量隨高度變化擬合曲線，從圖中可以看出大風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，當高度上升到2 m以上后，其變化趨勢明顯變緩。集沙量與高度顯現(xiàn)e的負指數(shù)變化，高度越高集沙量越小，其關系可用通式Q=A+B·e-CH來表示(式中，A、B、C為常數(shù);H為高度)。表1為南疆線2008年4月～2009年3月集沙量統(tǒng)計，對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以上的集沙量僅為總量4%左右，這也進一步說明風沙流運動主要發(fā)生在貼地層，其攜沙量基本集中在2 m以下。因此，針對戈壁強風地區(qū)的構(建)筑物來說，2 m以下區(qū)域是風沙災害防護的重點區(qū)域。

圖5 南疆線集沙量隨高度變化擬合曲線

表1 南疆線2008年4月～2009年3月集沙量統(tǒng)計

3.3 大風攜帶沙礫的顆分

沙物質(zhì)是風沙流形成和風沙危害的物質(zhì)基礎。對風沙流進行顆粒分析，可以進一步了解風沙流結(jié)構及風沙流運動規(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，說明風力對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，說明隨著高度的增加，集沙儀中細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，這也就進一步說明風沙流運動存在著一定的分層現(xiàn)象，地表沙粒運動形式主要以大顆粒的地表蠕移為主，隨著高度的上升，沙粒的運動形式則以中間沙粒的躍移活動為主，隨著垂直度的進一步升高，沙粒的運動形式則以細小顆粒的懸移為主。但整體來看，大風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

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

(2)南疆鐵路吐魚段為戈壁強風地區(qū)，大風攜沙量的垂直分布十分明顯，集沙量與高度顯現(xiàn)e的負指數(shù)變化，高度越高集沙量越小。2 m以下累計集沙量占總集沙量的96%左右，說明風沙流運動主要發(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，同時隨著高度的增加，集沙儀中細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，表明風沙流運動存在著一定的分層現(xiàn)象，隨高度的增加，沙粒主要運動形式由躍移轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙啤?/p>

5 建議

(1)南疆鐵路吐魚段為大風頻發(fā)區(qū)，建議在兩側(cè)沙害嚴重地段加強風沙防護措施，保證線路的安全性。

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

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