青藏鐵路沿線風沙災害特點及成因分析

安志山，張克存，屈建軍，牛清河，張 號

（中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 沙漠與沙漠化重點實驗室敦煌戈壁荒漠生態與環境研究站，甘肅省風沙災害防治工程技術研究中心，蘭州730000）

青藏高原是全球海拔最高、自然環境十分獨特的巨型地域單元，也是土地沙漠化廣為發生發展的重要區域之一[1]。作為環境演變敏感區域，青藏高原對全球變化的響應極為顯著[2]，青藏鐵路沿線生態環境系統具有原始、敏感、脆弱三大特點。近年來，由于自然和人為因素的雙重影響，區域內草地退化[3]、水土流失加劇[4]、水環境失衡、生物多樣性銳減[5]、生態環境日益惡化、土地沙化嚴重[6]。目前，沙化土地總面積達3.13萬km2，占土地總面積的13.20%，潛在沙漠化土地2.99萬 km2，占土地總面積的11.33%[7－9]。青藏鐵路格拉段全長1 142km，穿越高原腹地，地跨昆侖山、唐古拉山和不少大峽深谷，通過永久凍土地帶和廣袤的高寒草原草甸，由于青藏高原獨特的地理環境，其致災過程出現不確定性，使得除已重視的凍土問題以外，風沙災害已是青藏鐵路沿線面臨的又一大難題[10－15]。筆者通過2007年和2012年兩次野外實地調查，對青藏鐵路格拉段風沙災害現狀進行分析，同時結合地區氣象資料，剖析出青藏鐵路沙害的原因，為后期研究高海拔地區風沙災害規律和制定更加完善有效的防護體系提供依據。

1 鐵路沿線風沙災害特點

（1）空間非均勻性。在空間上，青藏鐵路沿線風沙災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[16]。目前，鐵路沿線受風沙災害威脅路段有269.7km，占全路段的23.62%。其中，嚴重沙害路段10.3km，中度沙害路段49.8km，輕度沙害路段209.5km。

（2）時間集中性。在時間上，青藏鐵路處在獨特的高原環境，受高空西風氣流和柴達木盆地地面冷風影響，大陸性氣候非常明顯。氣候干燥、風力強勁、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，風水兩相侵蝕營力時空交錯。據統計，青藏鐵路沿線各站點年均大風日數均超過了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]。鐵路所經之處起沙風均以西風為主（圖1），主要集中在冬春季節[17]。

（3）沙源多樣性。青藏鐵路沿線地貌類型復雜，高原草甸草地以及干河床、湖盆廣泛分布，地表物質松散，且凍融作用強烈，凍土內部賦存大量碎屑物。在長期凍融、風蝕交錯作用下，碎屑物分解成細小顆粒，為風沙活動提供了極為豐富的物質基礎。同時，隨著全球變暖，凍土退化，高原草甸、草地地表、古沙丘地表結構和下墊面性質發生變化，加之冰川夏季融水增多，水蝕能力增強，大量碎屑物質被釋放并攜帶至河湖之中，繼而為風沙災害的發生奠定良好的基礎[17－19]。

（4）危害形式固定性。風沙流對鐵路的危害主要表現在風蝕和沙埋。鐵路的建成，改變了原有高原地區的局地氣流，鐵路周邊流場和能量結構發生改變，攜沙氣流遇阻后，風速下降，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。風蝕則主要出現在大風天氣下，在強大的風力影響下，沙粒高速躍移，直接對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，作為獨一無二的地域系統，青藏高原對于全球變化的響應極為顯著。從那曲、當雄、五道梁、安多、沱沱河和措那湖六地近50a年際氣溫趨勢可知，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最大，年均增加0.045℃；沱沱河年平均溫度增高趨勢最小，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，增強了巖石的物理風化作用。溫度下降時，水汽大量凝結在巖石表面形成泥流，并因凍結膨脹產生壓力而把裂隙附近的巖石壓碎成塊石和更細的物質，白天溫度升高后，泥流將碎屑物質溶解帶出裂隙后最終匯入河流，周而復始，導致巖石分崩離析。其次，冰川融化，河水徑流量增大，對地表侵蝕能力增強，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。隨著溫度的升高，多年凍土轉變為季節性凍土，季節性凍土逐漸消融，原有凍土區內賦存的松散碎屑物質釋放出來，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碎屑物質帶出，形成凍土泥流，最終帶入到河流湖泊之中，形成沙源。可見，隨著全球變暖，改變了青藏鐵路沿線環境，加之高原氣候嚴酷、生態脆弱，凍融、風蝕交互作用，地表抗蝕能力差，擾動破壞易風蝕等特點，增加了沙物質的來源，致使沙源面積和數量增多。

2.2 風動力環境

2.2.1 起沙風 起沙風是確定風沙活動發生與否及其活動強度的重要依據，也是研究風沙運動規律、解決風沙工程問題的關鍵指標之一。對風沙地貌及沙害形成具有直接作用的是大于臨界起沙風速的風，且應用范圍較廣[17－21]。因此，在分析風沙活動強度之前，首先要確定臨界起沙風速。根據野外風洞實驗和實地觀測，青藏鐵路沿線臨界起沙風速確定為6.0 m／s。由圖1可知，各點年合成起沙風以偏西風為主，沱沱河、五道梁、扎加藏布、安多、措那湖、紅梁河合成起沙風向分別為：292°，284°，281°，268°，259°，317°。即合成輸沙方向為偏東方向，與輸沙勢分析結論保持一致。其中，措那湖W風向占全年起沙風比例最高，為43.56%，五道梁、扎加藏布、安多、沱沱河、紅梁河西風向占全年起沙風比例分別為37%，36.08%，27.58%，27.14%，18.75%。起沙風以西風為主，其主要原因是青藏高原地處盛行西風帶，故偏西風頻次較多，且因其海拔較高，所以風力較強。

圖1 青藏鐵路沿線各站點起沙風玫瑰

圖2 青藏鐵路沿線年際溫度變化趨勢

2.2.2 輸沙勢 由圖3可以看出，除紅梁河屬于中能風環境外，輸沙勢DP值為342.11VU，RDP值為167.58VU，RDD為111°，其余各點均屬于高能風環境，DP值大于400VU。其中，扎加藏布DP值最大，為722.6VU，RDP值為591.49VU，合成輸沙方向為100°；五道梁其次，DP值為656.82VU，RDP值為438.08VU，合成輸沙方向為94°；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°。且各點合成輸沙方向都集中在85°—111°范圍內，即東方向，由此可知，青藏鐵路沿線盛行風向以西風為主。

圖3 青藏鐵路沿線各站點輸沙勢

2.2.3 最大可能輸沙量 由最大可能輸沙量分布（表1）可知，扎加藏布風沙活動最強烈，氣流搬運能力最強，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最大可能輸沙量分布

2.3 風旱同季

從圖4中青藏鐵路沿線各站點多年月均風速可知，12月—次年5月期間月平均風速較6—11月大，月均風速最大值為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較低，且城市建筑對氣流的阻擋作用明顯，故3月份平均風速較小，分別為2.35m／s和2.84m／s，其余各站點地處高海拔，風速相對較大，月均風速均超過3m／s。如沱沱河、安多和五道梁各站點月平均風速均超過5m／s，安多月均風速達到5.48m／s。

圖4 青藏鐵路沿線各站點多年平均風速與降水

分析各站點月平均降水量可知，各站點年內降水量變化趨勢相似，成正態分布，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7月份月平均降水量均大于70mm，以當雄最大，為126.08mm。分析各站點多年月平均降水量和風速關系可知，降水量與風速存在反比關系，即風速較大時，降水量較小；風速較小時，降水量則較大，屬于典型的“風旱同季”。冬春季節，降水量較小，植被蓋度較低，對土壤保護作用減小，地表抗風蝕能力較小，而同期風速較大，極易造成土壤風蝕，破壞地表，形成更多的碎屑物質。夏季，平均風速降低，風蝕減弱，而同期降水量增大，河流徑流量增大，水蝕增強。可見，“風旱同季”形成凍融、風蝕、水蝕交替出現的環境，導致地表土壤結構離散分解增強，進一步加劇了地表風沙活動的強度。

2.4 人為影響

隨著全球溫度的升高，青藏鐵路沿線環境發生改變，沙源數量和面積增加，繼而為風沙災害提供了物質基礎。其次，青藏高原常年盛行西風、且“風旱同季”的獨特氣候環境為風沙災害提供了動力基礎。兩者為風沙災害的發生提供了得天獨厚的自然條件。

再次，青藏鐵路的建設，改變了局地原有流場結構，鐵路兩側流場形式和能量分布發生改變，風沙流在經過鐵路時，在鐵路迎風側，氣流受到鐵路阻擋并抬升，風速降低，動能大量消耗，攜沙能力減弱，大量沙塵在鐵路迎風側發生堆積。隨著堆積體積增大，弱風的情況下，沙粒將以蠕移和躍移運動的方式搬至鐵軌，進而形成二次危害。風力強勁時，風沙流處于不飽和狀態，途經鐵軌時，不產生沙埋危害，但易對鐵軌形成磨蝕，降低鐵軌的使用年限。可見，青藏鐵路的修建，為風沙堆積創造了有利環境。

3 結論

綜上可知，青藏高原風沙災害呈現出空間非均勻性、時間集中性、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量，加之其有利的動力環境以及青藏鐵路建成后形成的易于沙粒沉降的局地環境，為風沙災害發展提供了得天獨厚的條件，最終導致風沙災害的發生。并且，青藏鐵路沿線地表類型復雜，獨特的高寒地域環境，導致其風沙流結構與低海拔干旱、半干旱沙漠戈壁區存在重大差異，原有低海拔地區風沙災害防治經驗出現局限性。因此，對于高寒區青藏鐵路的沙害問題研究工作有待深入，其致災機理也待進一步研究與觀測。

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