沙漠地區高速公路綜合防沙體系研究——以營雙高速公路八步沙段為例

楊 凱， 張小由， 韓致文， 賀曉萍， 徐定艷， 許克璽

(1.甘肅省路橋建設集團有限公司，甘肅蘭州 730070；2.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所，甘肅蘭州 730000)

?

沙漠地區高速公路綜合防沙體系研究
——以營雙高速公路八步沙段為例

楊 凱1， 張小由2*， 韓致文2， 賀曉萍1， 徐定艷1， 許克璽1

(1.甘肅省路橋建設集團有限公司，甘肅蘭州 730070；2.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所，甘肅蘭州 730000)

在野外調查和試驗研究的基礎上進行試驗示范段建設，針對營雙公路邊坡類型劃分出邊坡風沙的危害等級與標準。結果表明：營雙高速公路全線有4種地貌類型：低山丘陵、中低山丘陵、綠洲和風沙化土地，前3種類型風沙活動對公路影響小，風沙化土地類型風沙活動對公路影響大；將對公路運營影響大的風沙化地段的邊坡根據原有地形、地貌特征和開挖、填方強度劃分為丘間低地或緩平沙地(填方)、挖方型邊坡。將不同類型邊坡對公路危害大小劃分為危害嚴重、危害中度和危害輕3個等級，并針對不同危害等級提出不同固沙防沙體系和模式，建立相應的示范區；示范區經過半年風沙考驗，各種防護體系具有一定作用，人工植被成功越冬、先鋒植物在防護區定居生根，植被蓋度、蝕積量均有所增加。

高速公路；防沙固沙；沙漠地區

西部大開發戰略的實施使得我國西部沙漠地區公路建設得到了長足的發展[1]。然而，沙漠地區風力強勁，極易造成公路沙害[2]，若不及時清理，會增加汽車輪胎和路面表層的磨耗，加快路面表面性能的損失[3]。在嚴酷的自然條件下，要保證公路的暢通和正常運營就必須建立防沙體系[4-5]。建設綜合防沙體系是控制沙害、保障公路暢通的重要技術措施。近年來，學者們從不同專業角度對沙漠公路沿線風沙環境及沙害特征進行了研究，如董治寶等[6-7]針對塔里木沙漠石油公路沿線風沙危害的形成機理、沙丘移動規律、風沙危害程度的評判模式及時空分布規律進行了研究；王雪芹等[8]同樣針對塔里木沙漠公路沿線風沙危害的影響因素、水平和垂直分異的原因及規律進行了分析；王訓明等[9]針對塔里木沙漠公路肖塘至塔中段的風沙危害和現有防沙體系進行了評價；韓致文等[10]針對塔克拉瑪干沙漠公路的風沙防護體系的構建進行了研究。營盤水(甘寧界)至古浪(雙塔)高速公路是青島至銀川國家高速公路陜西定邊至武威連接線(G2012)的重要組成路段，也是甘肅省高速公路網規劃的重要組成部分。營雙高速公路全線位于騰格里沙漠南緣，主要沙害路段為K448+300至K458+927，全長10.6 km。課題組在營雙高速公路八步沙林場附近，選擇風沙危害嚴重地段作為試驗示范工程，對試驗段內植物生長情況、蝕積量等進行觀測，旨在為該地區綜合防沙體系的建立提供科學依據。

1 研究區域概況

營雙高速公路東起寧夏回族自治區中衛市營盤水，經過甘肅省景泰縣，向西延伸，至甘肅省古浪縣雙塔，全長158.5 km，是青島至銀川國家高速公路陜西定邊至武威連接線(G2012)的重要組成路段(圖1)。公路全線屬蒙新溫帶干旱氣候區，具有太陽輻射強、干燥少雨、四季分明(春季多風、夏季酷熱、秋季干燥、冬季寒冷)等特點。試驗段長度為29 km，公路兩邊主要是在固定沙地，植被生長良好，覆蓋度在40%左右，生長植物有白刺、沙蒿、沙米和沙冰草等，在部分區域形成高度0.5 m左右白刺沙包，固沙作用較好，基本上不產生風沙流。

2 邊坡防沙固沙體系建立

2.1 地貌類型調查及邊坡類型劃分 調查結果顯示：營雙高速公路全線有4種地貌類型：低山丘陵、中低山丘陵、綠洲和風沙化土地，前3種類型風沙活動對公路影響小，風沙化土地類型對公路影響大。將對公路運營影響大的風沙化地段的邊坡根據原有地形、地貌特征和開挖、填方強度劃分為丘間低地或緩平沙地(填方)、挖方型邊坡。

2.2 風沙危害等級劃分 根據公路建設后邊坡形成高度、公路走向與主風向夾角、植物生長狀況以及上風向植被蓋度將公路風沙危害劃分為3個等級：①危害嚴重。邊坡高度在5 m以上、公路與主風向>30°、邊坡坡度>25°、坡面植被覆蓋度<5%，邊坡上(上風向)以流沙地和半流動沙丘為主，植被蓋度<10%；②危害中度。邊坡高度1～5 m，公路與主風向<30°、邊坡坡度<25°、坡面植被覆蓋度5%～10%，邊坡上(上風向)以固定沙地為主，植被蓋度>10%；③危害輕。邊坡高度<1 m或者低于路面(包括丘間低地、填方推平緩平沙地)。

2.3 邊坡防沙固沙體系 根據風沙危害劃分等級的不同采取不同防沙固沙措施。

2.3.1 危害輕。屬于丘間低地(圖2)或者是矮小沙丘推平后形成緩平沙地(圖3)，在公路圍封范圍內，地形起伏小，植被蓋度達到40%～60%，用于固定沙地。防沙固沙模式：在路域范圍內封育保護，依靠自然植被進行防護。

圖1 營雙高速公路全線遙感影像Fig.1 Remote sensing image of Yingshuang Expressway

圖2 丘間低地防沙固沙體系示意Fig.2 Hilly slow land sand control system

圖3 緩平沙地防沙固沙體系示意Fig.3 Slow sand sand control system

2.3.2 危害中度。屬于固定沙丘或者固定沙地，邊坡高度在2～4 m(圖4)，植被蓋度20%～40%。防護模式：在路肩礫石壓沙并種植2行檉柳或者檸條，排水溝種植檉柳、檸條，在坡面下部種植檉柳、檸條，中上部和坡頂至路域防護網種植梭梭、花棒。這樣組成了“三帶一體”防沙體系，即坡頂至防護網梭梭前沿阻沙帶，邊坡由梭梭、沙蒿組成固沙帶，礫石和排水溝的植物組成綠化帶。

圖4 淺路塹敞開式路塹橫斷面防沙固沙體系示意Fig.4 Shallow cutting open cut section sand control system

2.3.3 危害嚴重。屬于高大沙丘或者沙地，邊坡高度大于4 m(圖5)，屬于半流動沙地，植被蓋度<20%。防護模式：采取工程措施與植物防沙固沙相結合的綜合防沙體系，由路肩礫石和檉柳、排水溝和檉柳組成綠化壓沙帶，坡面按1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m 設置PE防沙網，在防沙網中央種植梭梭、花棒和檸條組成的綜合固沙帶，在坡上至公路防護網種植梭組成的梭防風固沙帶。若在上風向有流動沙地則需設置1.0 m×1.0 m防沙網，種植沙蒿和梭梭，組成前沿阻沙帶，形成以工程措施下的生物固沙帶為主體的“三帶一體”或“四帶一體”的綜合防護體系。

圖5 深路塹橫斷面防沙固沙體系示意Fig.5 Deep cutting cross section sand control system

3 防沙固沙效益觀測

3.1 植物生長情況觀測 試驗段完工后，課題組根據試驗需求，對試驗段土壤、植被、氣候等資料進行了調查，根據所選用的生態修復植物物種的習性對其蓋度、密度和高度進行了觀測。在試驗段內設立對照樣地1個(在公路防護網外側)，3個危害等級對應的地區各設置2個樣方，其中沙障高度在20 cm和50 cm水平各設置1個。

3.1.1 植被蓋度觀測。根據監測數據顯示，在建立試驗段24個月后，除丘間地類型植被覆蓋度大于對照樣地外，其他類型天然植被覆蓋度遠遠小于對照樣地，如果將人工植被覆蓋度與天然植被覆蓋度一并統計，其覆蓋度也沒有對照樣地高(表1)。這是由于植被蓋度是在植被生長季節測定，4月植物才開始生長，此時測定值遠遠小于實際值。

3.1.2 植物生長密度觀測。該地區原生植物生長密度一般僅為10～20株/m2，分布于該地區的植物(如禾本科針茅屬紫花針茅等)生長密度均較少。按照試驗段設計要求，于試驗段施工后半年對各試驗點植物生長密度進行監測，結果見表2。3.1.3 植物生長高度觀測。按照試驗段設計要求，于試驗段施工后半年對各試驗點植物生長高度進行監測，結果見表3。

表1 不同類型植被覆蓋度變化

表2 不同類型植物密度變化

表3 不同類型植物高度變化

試驗段植物在成功越冬后的第2年，先鋒植物開始侵入固沙區并開始生長，人工種植灌木適應當地自然條件，開始穩定生長，且平均高度高于當地天然植被。

3.2 蝕積量觀測 2015年11月12日采用扦插方法，針對不同防護措施樣地進行蝕積量觀測(從邊坡底部至坡頂各插50根，共計200根)。測算結果表明：丘間低地蝕積量為0.1 t/(m2·a)，平緩邊坡蝕積量為0.2 t/(m2·a)，沙障高20 cm和50 cm的高大邊坡蝕積量分別為0.3和0.2 t/(m2·a)。從測定結果來看，各種防護措施均可起到一定固沙效果，這主要是因為2015年風季平均風速小于往年，風沙活動較弱；公路走向與主風向相近，風對邊坡影響小。

4 結論

(1)該研究表明，營雙高速公路全線有4種地貌類型：低山丘陵、中低山丘陵、綠洲和風沙化土地，前3種類型風沙活動對公路影響小，風沙化土地類型風沙活動對公路影響大。

(2)將公路運營影響大的風沙化地段的邊坡根據原有地形、地貌特征和開挖、填方強度劃分為丘間低地或緩平沙地(填方)、挖方型邊坡；根據公路建設后邊坡形成高度、公路走向與主風向夾角、植物生長狀況以及上風向植被蓋度將公路風沙危害劃分為3個等級，針對不同危害等級提出不同固沙防沙體系和模式，建立相應的示范區。

(3)示范區經過半年風沙考驗，結果顯示：各種防護體系具有一定作用，人工植被成功越冬，先鋒植物在防護區定居生根，植被蓋度、蝕積量均有所增加。

[1] 陸海平,趙國平,胡春元,等.沙漠地區公路植物防沙體系維護技術及效益分析：以 G304 國道公路植物防沙體系維護技術為例[J].內蒙古農業大學學報(自然科學版),2006,27(4)：20-26.

[2] 王智遠,徐占云,崔琳,等.高速公路沙害防治技術研究：以丹東—拉薩高速公路新地—麻黃溝段為例[J].干旱區資源與環境,2005,19(5)：204-208.

[3] 程榮雙,姚曉陽.沙漠公路防沙體系機理研究及應用實例[J].公路交通科技(應用技術版),2009(3)：158-160.

[4] 左合君,董智,魏江生,等.沙漠地區高速公路工程防沙體系效益分析[J].水土保持研究,2006,12(6)：222-225.

[5] 徐新文,胡玉坤.塔里木沙漠公路防沙體系的防護效益[J].干旱區研究,1998,15(1)：21-26.

[6] 董治寶,陳廣庭,韓致文,等.塔里木沙漠石油公路風沙危害[J].環境科學,1997,18(1):5-9.

[7] 董治寶,陳廣庭,顏長珍,等.塔里木沙漠石油公路沿線沙丘移動規律[J].中國沙漠,1998,18(4):328-333.

[8] 王雪芹,雷加強.塔里木沙漠公路沙危害分異規律的研究[J].中國沙漠,2000,20(4)：438-442.

[9] 王訓明,陳廣庭.塔里木沙漠公路沿線機械防沙體系效益評價及防沙帶合理寬度的初步探討[J].干旱區資源與環境,1997,11(4)：28-35.

[10] 韓致文,王濤,孫慶偉,等.塔克拉瑪干沙漠公路風沙危害與防治[J].地理學報,2003,58(2)：201-208.

Study on the Sediment Control System around the Highways in the Desert Areas——A Case Study of Babusha Section of Yingshuang Highway

YANG Kai1,ZHANG Xiao-you2*,HAN Zhi-wen2et al

(1.Gansu Province Road Bridge Construction Group Co.Ltd.,Lanzhou,Gansu 730070;2.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou,Gansu 730000)

Based on the field survey,experiments and construction of project,we figured out the types of the side slopes and the degrees of sand hazard.The results were as follows：there are four geomorphic types around the Yingshuang highways：low mountains and hills,middle and low mountains and hills,oasis and windy and sandy lands.The wind-sand activities of the former three geomorphic types have little influence on the highways,while the last geomorphic type has an great influence on the highways.The side slopes that have great influence on the highways were divided into interdunal depressions and excavation slopes according to the characteristics of the landforms and mining intensity.The degrees of the damages can be divided into great,middle and low levels.We proposed the systems and models for different damage degrees,and built the demonstration areas.After half a year,all kinds of protection systems played roles,artifiticial vegetations were still alive through the winter and the vanguard plants were all settled down.Vegetation coverage and corrosion both increased.

Highway; Sand defense and solidification; Desert areas

國家自然科學基金項目(41271037)；甘肅省交通運輸廳“沙漠地區高速公路緩邊坡綜合固沙應用技術研究”項目。

楊凱(1973- )，男，甘肅平涼人，高級工程師，從事公路工程及綠化施工管理工作。*通訊作者，研究員，從事生態水文學研究。

2016-08-05

S 157

A

0517-6611(2016)28-0050-03