太中銀鐵路典型地段沙害治理效果研究

郝國林，楊有海，3，劉 輝，呂曉星

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州 730070;2.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070;3.河西學院土木工程學院，甘肅張掖 734000)

針對各地區沙漠類型、地形和地貌、氣候條件不同，目前國內專家學者提出了幾種典型的沙害治理模式及防護體系。包蘭線沙坡頭段“五帶一體”鐵路防護體系，代表干旱流動沙丘地區鐵路沙害防治［1］。蘭新線玉門段鐵路防護體系，代表戈壁地區鐵路沙害防治，采用“阻護結合、前緊后疏”的配置方式，與線路平行或近似平行組成以林帶為主的“四帶一體”防風阻沙體系［2］。塔里木沙漠公路和塔中油田防沙工程，代表極端干旱區流動沙漠地區工礦交通的沙害治理，結合“先導試驗”的生物防沙與植物防沙相結合的固沙體系，為道路的安全運營提供了很好的保障［3］。東勝精煤礦區，代表半干旱沙地地區工礦開發建設中沙害的治理，針對煤礦開發區內建設項目的特點和土地荒漠化的程度，治沙工程主要圍繞“線”、“點”及“面”進行措施配置，形成了工礦開發沙害治理模式［4］。

穿越毛烏素沙地的太(原)中(衛)銀(川)鐵路(以下簡稱“太中銀鐵路”)定(邊)銀(川)線梅花井區段，處于半干旱流動沙丘地區，線路附近存在高大流動沙丘，威脅鐵路安全，影響交通運營，需針對該地區氣候及沙害特點建立相應的防沙治沙體系。針對太中銀鐵路梅花井區間的防沙治沙體系，進行調查、測試、研究并評價分析了該區段的防沙治沙效益，觀測時間從2012年1月持續到2013年1月。

1 研究區段氣候、沙害及植被調查

1.1 梅花井區段氣候條件

梅花井段鐵路里程為K1 563+500～K1 566+500，地理位置位于東經 106°6'至 106°40'，北緯 37°58'至38°04'之間。沙區冬春季節盛行西北風，冬春兩季風力強勁、頻繁;年平均風速4.1 m/s。日照豐富，總輻射量608.37 kJ/cm2左右，平均時間為3 000 h左右。氣候干燥、冷熱劇變、大風頻繁、日照強烈是該地區的四大氣候特征［5］。該區段黃沙漫天，流動沙丘連綿不絕，植被覆蓋率很低，地表粗糙度極低，嚴重危害到列車的行車安全;對軌道、設備等的磨損比較嚴重。

1.2 沙害的時間分布特點

根據觀測點記錄數據，該地區大風天氣主要集中在冬春季節，測試主風向大致在NNW—WNW之間。2012年平均風速、最大風速值如圖1所示。該地區的風沙活動比較強烈，實測流沙地的起沙風速為4.46 m/s，進入冬季到翌年春季這段時間內，平均風速值大于起沙風速;觀測記錄到的最大風速值為15.92 m/s;線路在大風過后積沙比較嚴重，沙土上道，排水溝被沙埋現象時有發生。觀測時間段內，風沙活動異常強烈，其中在2011年11月到2012年1月該段時間內起沙天數達到35 d，起沙次數達到81次。嚴重威脅到鐵路的安全運營。

1.3 沙源的空間分布特點

位于梅花井區段裝車區間的南側，沙害尤為嚴重。靠近線路附近為流沙地，植被稀少，覆蓋率極低，稍遠處為裸露高大沙丘。靠近線路處順線路方向沙丘長度達3 km，縱深達30 km，其中有兩處為高大沙丘。此處沙源豐富，風沙流活動強烈，風力的作用將沙粒源源不斷地輸送到線路上，對線路造成嚴重的沙埋，影響行車安全。

圖1 梅花井段2012年風速特征值

1.4 線路附近植被調查

通過對鐵路沿線沙丘及沙地的實地調查，發現沿線植物主要有草本植物、半灌木、灌木以及高大喬木。草本植物有沙米、豬毛草、冰草、燈籠草等;半灌木植物有沙蒿、油蒿;灌木植物有沙柳、花棒、沙拐棗;喬木植物有沙棗、小葉楊等。這些植物適宜該地區的氣候條件，生長狀況良好，可供本區段沙害治理選擇。

2 防沙體系建立及沙害治理措施選擇

根據該區段的自然環境特征、沙丘分布規律以及沙害成因、特點，確立了“因地制宜，因害設防，就地取材，遠阻近固，固阻結合，工程措施與植物措施相結合，植物措施為根本”的防沙治沙原則［6］。由于該區段沙丘高大，風沙活動強烈，沙丘逐漸向線路逼近，沙粒經過風力的作用沉積在線路上，嚴重影響線路的安全運營。因此需要立即采取措施對沙害進行治理，并能發揮持久作用。首先采取工程措施抑制沙害，為植物提供良好的生長環境;隨后采取植物措施，最終依靠植物治理沙害。

2.1 工程措施

近線路處建立固沙帶，遠處的高大沙丘處建立阻沙、固沙結合帶，同時在固沙、阻沙帶內部種植草、灌植物形成混合植物沙障帶，形成適合該區段氣候條件、地形地貌的防風治沙體系。

(1)固沙帶

靠近線路附近扎設1 m×1 m的麥草方格以及1 m×1 m的尼龍格狀防沙網(圖2)，減小近地表風速，防止就地起沙，減小了輸沙量，阻止沙丘向線路移動，同時為植物的生長提供一個穩定的環境，起到保持水分、蓄積植物所需養分的作用［7-8］。

(2)固阻結合帶

在高大沙丘的三分之二高度處扎設高立式阻沙柵欄(圖3)，即采用玉米秸稈扎設為長、寬均為2 m、高度為1 m的積沙方格，同時在柵欄的南側扎設1 m×1 m的尼龍格狀防沙網，形成固阻結合帶，阻止沙丘向線路方向移動。

圖2 尼龍網格狀沙障

圖3 高立式阻沙柵欄

2.2 植物措施

春秋季節在固沙帶內播撒油蒿、沙米草籽，并扦插沙拐棗、檸條、花棒等灌木幼苗。在阻沙柵欄、尼龍格狀防沙網以及草方格中最終形成植物沙障，提高地表植被覆蓋率，降低近地表風速，同時使輸沙量大大降低。

3 防沙體系效果分析

3.1 沙層含水率

沙層含水率的高低及變化對植物是否能夠良好生長起到決定性的作用。在不同措施內各選取10個測試點，觀測時間段內每隔10 d取樣1次，測得干沙層平均厚度和沙層表面下不同位置0～50 cm深度范圍內的平均含水率如表1所示，距離濕沙層表面20 cm以下沙層平均含水率均大于3%，草方格沙障內距離濕沙層表面50 cm處的平均含水率可達到5.37%。可知該區段沙層含水率基本滿足植物的生長條件［9］。

表1 不同位置處干沙層平均厚度及沙層平均含水率

3.2 風速

觀測地點均選取地勢較為平坦的地段，2012年11月至2013年4月不同下墊面大風天氣的平均風速值如表2所示。不同下墊面高度位于0.5、2 m的平均風速與流沙地對比，風速降低很明顯，尤其近地表風速降低值平均達到59.2%。當平坦流沙地風速大于起沙風速4.46 m/s時，沙障內風速都降低至起沙風速以下，起到了降低風速的作用。

表2 不同下墊面高度風速值與風速降低值

3.3 地表粗糙度

地表粗糙度是反映風沙流空間分布的重要參數，也可以反映防沙工程的效益［7，10-12］。各種措施地表粗糙度如表3所示。與平坦流沙地比較，草方格、尼龍格狀防沙網、阻沙柵欄的地表粗糙度都有所提高。尼龍格狀防沙網內粗糙度為5.75 cm，高于草方格內的4.37 cm。而阻沙柵欄內粗糙度提高到25.96 cm，起到了提高地表粗糙度的效果。

表3 不同下墊面的地表粗糙度

3.4 輸沙率

在單位時間內通過單位寬度或者單位面積所搬運的沙量，叫作風沙流的固體流量，也稱輸沙率［7］。

表4 不同位置的輸沙量與輸沙率

3種措施內2 m高度處平均風速為8.57 m/s時，0～50 cm高度范圍內的輸沙率明顯降低。流沙地的輸沙率為14.73 g/min，尼龍格狀防沙網內輸沙率為流沙地的1.01%;草方格沙障內輸沙率為流沙地的1.42%，而阻沙柵欄的輸沙率則更小，為0.04 g/min，測得平行線路20 m處的輸沙率為0.007 6 g/min。由此可見，措施建立起來后，線路附近的輸沙量明顯降低。

3.5 風蝕

平坦流沙地觀測一年內的平均風蝕量為51.3 cm。沙障內的風蝕沙埋情況如圖4所示，圖中距離0～3 m范圍內為草方格或尼龍格狀防沙網外部，距離3～16 m范圍內為兩種沙障內部。草方格沙障邊緣處最大沙埋量為17.8 cm，尼龍網格邊緣最大沙埋量為23.0 cm。兩種措施6 m以內，風沙環境都處于較為穩定的狀態，平均蝕積量絕對值在0～1.5 cm，可為植物的生長提供了穩定的環境。草方格沙障及尼龍格狀防沙網沙障邊緣無措施處形成一條寬約5 m、深度約1 m左右的凹槽，2種沙障邊緣被沙埋的寬度約4 m左右，平均最大積沙高度為20.4 cm。

圖4 沙障邊緣及內部的蝕積量(“－”代表風蝕，“+”代表沙埋)

3.6 植被覆蓋率

在沙障布設1年之后，沙障內植被覆蓋率達到25%，沙拐棗、沙米長勢良好。該區段沙拐棗相比種植的檸條、花棒成活率較高，檸條、花棒由于野兔啃食成活率較低，該地區應選擇沙拐棗作為后期灌木叢帶首選植被。如圖5、圖6所示，草方格沙障內沙拐棗長勢良好，阻沙柵欄兩側也形成了沙米等“植物墻”，植物生長狀況良好，提高了地表粗糙度，起到了阻沙固沙的作用。

圖5 草方格沙障內植物

圖6 阻沙柵欄前植物

4 結論

(1)太中銀鐵路定銀線梅花井區段采用了草障植物固沙帶和固阻結合阻沙帶綜合治理沙害。

(2)綜合防風固沙措施實施后，措施內干沙層厚度在4.5～8.5 cm范圍內，干沙層以下50 cm深度處的含水率均大于4%;近地表風速明顯減弱，地表粗糙度均顯著增大;措施內部以及線路附近輸沙率大幅度減少，為植物生長創造了良好的條件。

(3)該區段防護體系中，在工程措施實施一年后，植物覆蓋度調高到25%，達到了快速治理沙害的效果。

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