南疆铁路吐鱼段风沙活动规律研究

吴丽华，李凯崇，葛盛昌，蒋富强

(1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000;2.乌鲁木齐铁路局，乌鲁木齐 830014)

1 概述

新疆地处亚欧腹地大陆性气候明显，干燥少雨，酷热严寒［1］。受西伯利亚、乌拉尔山南下冷空气的影响，风力强劲，大风频繁。当冷重空气进入准噶尔盆地后，受天山阻挡，在天山北麓形成冷空气堆积，与天山南麓的吐鄯托盆地形成了巨大的气压差［2-3］。当冷空气强度达到一定的程度，沿天山山脉的垭口夺路而出，形成大风天气。南疆铁路吐鲁番至鱼儿沟段，地处吐善托盆地西北部边缘。线路位于北天山与中天山间，吐善托盆地的山前洪积倾斜平原，地形平缓开阔，地势从山前向盆地中心缓倾，北西高南东低。线路自兰新铁路吐鲁番站出站后，沿吐善托盆地西北边缘绕行，自西向东先后穿越三个泉、小草湖(也称白杨河)、克尔碱、布尔碱4个风口，铁路里程近100 km，习惯上将这4个风口区统称为南疆线前百公里风区。其中，三个泉风口、小草湖风口、克尔碱风口均属特大风地区，常年最大风力大于40 m/s，风蚀风积地貌明显发育，砾浪呈大片分布［4-6］。大风时常伴随强沙尘活动，常常致使沙埋钢轨、道床板结、桥涵堵塞、路肩吹蚀、铁路标志被吹毁，严重影响行车安全。新疆铁路主要风口分布见图1。

图1 新疆铁路主要风口分布

王锡来等［7］通过在南疆线巴楚地区设置定位观测站，对活动沙丘特征进行观测研究，得到了沙丘移动的定量数据，为风沙防护提供了一定的设计依据。王晓刚等［8］通过现场调研、分析计算，提出了南疆铁路挡风墙的设计依据及结构形式，保证了行车安全。缪启龙、何清等［9］通过对塔克拉玛干沙漠近地层地-气之间物质和能量交换特征研究，了解了沙漠陆气的相互作用情况，为研究南疆地区风沙灾害的成因及发展变化规律提供了理论支撑。但上述学者大多侧重于普通沙漠地段的风沙灾害运动特征及铁路沙害防治，而对于戈壁强风地区风沙运动规律研究较少。本文旨在对南疆铁路前百公里风区风沙运动及气象条件进行现场观测的基础上，了解戈壁地区风沙运动规律，为风沙灾害防治提供一定的基础支撑。

2 研究方法

2.1 观测系统介绍

通过在南疆铁路吐鲁番至鱼儿沟段建立风沙观测站，观测该区域风沙流结构及风力条件，风沙观测站由集沙仪和大风监测系统2部分构成。集沙仪由集沙器、集沙塔、地锚、底座、避雷针及测风塔等主要部件组成，集沙器的观测高度分别为 0、0.5、1、2、3、5、7、9 m，见图2。大风监测系统由乌鲁木齐铁路局构建，主要监测风速风向等气象资料。

2.2 观测系统所处地理位置

铁路里程 K62+880，地理位置为 E88°19'499，N 43°04'403，高程524 m，气压 976mb，地形起伏较大，周围有高山，附近有一个半固定沙丘，地表为粗砂粒，地表形成一层硬壳，粒径5～30 mm，地表植被少或无。输沙强度观测系统集沙口方向为北偏西30°(与地表砾浪相垂直)，离地面最近的集沙口距地表为0 cm。

图2 集沙仪示意

3 结果及讨论

3.1 大风一般规律

风是沙子发生运动的动力因素，风沙运动是一种贴近地表的气流搬运沙子的现象［10-11］。因此，研究风沙运动的机理，首先要了解近地风的特征。南疆铁路所经吐鲁番至鱼儿沟段大风十分频繁，根据现场观测统计数据和大风监测历史资料初步统计(图3)，自1998年至2006年，该地区年大风天数(出现大于等于8级风的天数)都在120 d以上，最高可达到150 d，平均年大风天数约为136 d，远远高于普通地区，是典型的戈壁大风区代表。

图3 南疆线前百公里风区年大风天数

将每年出现大风次数的天数按照月份进行统计分析，发现3～5月是年大风多发时间，4月份最高，占全年大风天数的47%左右(图4)。说明由于新疆冷空气的入侵具有明显的季节性，相应的新疆铁路风区的大风也呈现出明显的季节性变化趋势。一般地，春季和秋季，气温变化较大，冷空气活动频繁，大风日数多，最大风速也较高;春季冷空气强度最大，天山南北气压差也最大，相应地，一年中的最强大风也就出现在春季。近年来由于气候变化，夏季大风有增多趋势，但最大风速及大风持续时间均明显小于春季。

图4 南疆线前百公里风区大风频率

3.2 大风携沙垂直度变化

气流所携带的沙子在搬运层内随高度的分布，称为风沙流结构，它决定着沙子吹蚀和堆积过程的发展［12］。气流所携带沙粒在重力和运动气流上浮力的双重作用下，会存在着一定的分层现象，这也就直接决定了风沙防护措施的设置高度，所以研究大风携沙量的垂直变化有十分重要的意义。

图5为南疆铁路观测点2008年4月至2009年3月集沙量随高度变化拟合曲线，从图中可以看出大风携沙量的垂直分布十分明显，在2 m以下区域随着高度的增加携沙量显现急剧下降趋势，当高度上升到2 m以上后，其变化趋势明显变缓。集沙量与高度显现e的负指数变化，高度越高集沙量越小，其关系可用通式Q=A+B·e-CH来表示(式中，A、B、C为常数;H为高度)。表1为南疆线2008年4月～2009年3月集沙量统计，对比不同高度的集沙量可以看出，0 m处的集沙量最大，占总集沙量的41%左右，2 m以下的集沙量之和占到总集沙量的96%左右，而2 m以上的集沙量仅为总量4%左右，这也进一步说明风沙流运动主要发生在贴地层，其携沙量基本集中在2 m以下。因此，针对戈壁强风地区的构(建)筑物来说，2 m以下区域是风沙灾害防护的重点区域。

图5 南疆线集沙量随高度变化拟合曲线

表1 南疆线2008年4月～2009年3月集沙量统计

3.3 大风携带沙砾的颗分

沙物质是风沙流形成和风沙危害的物质基础。对风沙流进行颗粒分析，可以进一步了解风沙流结构及风沙流运动规律。从表2中可以看出，集沙量随沙粒粒径大小显现出明显的正态分布，风积沙粒径的最大分布区间主要出现在0.1～0.25 mm粒径段，其集沙量占所在高度总集沙量的32%以上;其次为0.25～0.5 mm和0.075～0.1 mm两段，二者之和约占总集沙量的18%左右;而粒径≥2 mm的沙粒仅占总量的2.0%左右，说明风力对积沙有明显的筛选作用，而随着集沙高度的增加，＜0.1 mm的沙粒所占的比重则显现增加的趋势，说明随着高度的增加，集沙仪中细沙粒和戈壁土的含量在逐渐增高，而粗沙粒的含量则在逐渐降低，这也就进一步说明风沙流运动存在着一定的分层现象，地表沙粒运动形式主要以大颗粒的地表蠕移为主，随着高度的上升，沙粒的运动形式则以中间沙粒的跃移活动为主，随着垂直度的进一步升高，沙粒的运动形式则以细小颗粒的悬移为主。但整体来看，大风所携沙粒仍以粒径为0.1～0.25 mm粒径段的沙粒为主。

表2 南疆铁路不同高度沙粒粒径分布百分比 %

4 结语

(1)南疆铁路吐鱼段大风频发，年平均大风天数高达136d。受冷空气入侵的影响，新疆铁路风区的大风也呈现出明显的季节性变化趋势，每年的春季是大风高发季节，尤其以4月份为最，大风天数约占全年大风天数的47%左右。

(2)南疆铁路吐鱼段为戈壁强风地区，大风携沙量的垂直分布十分明显，集沙量与高度显现e的负指数变化，高度越高集沙量越小。2 m以下累计集沙量占总集沙量的96%左右，说明风沙流运动主要发生在贴地层，其携沙量基本集中在2 m以下。

(3)集沙量随沙粒粒径大小显现出较明显的正态分布，其最大分布区间主要出现在0.1～0.25 mm之间，同时随着高度的增加，集沙仪中细沙粒和戈壁土的含量在逐渐增高，而粗沙粒的含量则在逐渐降低，表明风沙流运动存在着一定的分层现象，随高度的增加，沙粒主要运动形式由跃移转变为悬移。

5 建议

(1)南疆铁路吐鱼段为大风频发区，建议在两侧沙害严重地段加强风沙防护措施，保证线路的安全性。

(2)大风携沙量主要集中在2 m高度以下，建议该地区阻沙设施的布设高度以不超过2 m为宜，且选用耐久性较好的材料，增加防沙工程的抗风蚀能力。

［1］田长彦，宋郁东，胡明芳.新疆荒漠化现状、成因及对策［J］.中国沙漠，1999，19(3):214-218.

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