北疆铁路沿线风沙危害的研究
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文章编号:10002694X (2004)022*******北疆铁路沿线风沙危害的研究 收稿日期:2003201216;改回日期:2003206208 基金项目:973项目“中国北方沙漠化与防治研究"(G 2000048705)资助 作者简介:孙庆伟(1976—),男(汉族),山东博兴人,博士研究生,主要从事沙漠化研究。
E 2mail :xianxue @孙庆伟,王涛,韩致文,张伟民(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃兰州 730000)摘 要:北疆铁路沿线存在着严重的风沙危害。
在三个典型路段风沙危害有不同的表现形式,北疆铁路沿线风沙危害发生与当地干旱多风的气候条件、铁路沿线下伏含沙地层、铁路施工对地表的破坏以及艾比湖周围沙漠化的发展有关。
作者通过实验计算空气动力学粗糙度,比较了三种典型的机械防沙措施的效果,指出了其中存在的不足。
并根据研究结果,提出了一个优化的防沙体系方案。
关键词:北疆铁路;风沙危害;沙漠化;空气动力学粗糙度中图分类号:U 216.413文献标识码:A 北疆铁路从乌鲁木齐向西沿天山北麓直达中国与哈萨克斯坦的边境口岸阿拉山口,位于我国亚欧大陆桥的最西段,是我国与中亚联系的重要通道。
由于北疆铁路大部分位于天山北麓的冲积洪积扇中下部,以至于从托托车站到阿拉山口120km 的路段中有55km 长的路段自1992年建成通车起就一直受到风沙活动的长期危害(图1)。
尽管北疆铁路公司采取了,并开展了相应的研究,在一些路段初步控制了风沙危害[1],然而由于缺乏长期的实地观测,对当地风沙危害的规律和长期发展趋势认识并不十分清楚。
因此,现有的防沙体系存在着一些不足之处,尤其是铁路通过的流动和半流动沙垄地段,沙害依然严重,而且原来的许多机械防沙设施出现老化,面临着风蚀和沙埋的危险。
根据中国科学院寒区旱区环境与工程研究所与乌鲁木齐铁路局北疆铁路公司的有关合作研究协议,作者详细考察了北图1 北疆铁路风沙危害路线周围的地貌图Fig.1 Landforms along North Xinjiang railway sufferedfrom blown sand harm疆铁路沙害的成因、沙害的分布规律以及表现形式,研究了北疆铁路现有体系的防沙效益,指出其中存在的不足,并根据实际调查情况和研究结果提出了一个兼顾长期经济和生态效益的防沙体系方案。
1 北疆铁路风沙危害严重的地段1.1 沙泉子附近本区间线路长约20km 。
铁路位于天山山前冲积洪积扇中下部,植被以梭梭、麻黄、沙拐枣、猪毛菜为主,覆盖度在10%左右。
除少数地段有流动和半流动沙丘发育外,地表主要为砾石和粗沙混合层,这种结构的地表抗风蚀能力较强[2],所以铁路附近的就地起沙没有沙漠地区流动沙丘对铁路的直接危害大。
但是由于修筑铁路路基时取土导致铁路线两侧100m 以内的地表砾石层和植被遭到破坏,疏松的下伏地层出露,被风吹蚀,在许多地段形成了沙片和沙波纹等风沙地貌,这是对铁路最直接的威胁(图2)。
另外,在铁路北侧2km 处就是干涸的艾比湖的湖底,现在已经形成密集的灌丛沙堆,由于正好位于线路的上风向,这里风沙地貌的发育对铁路的影响值得关注。
1992—1997年该段线路因道床积沙导致断道停车事故共72次,带来直接经济损失约1310000元,其他经济损失3118864元。
1998年采取实验性的机械和生物防沙措施后,本区间的沙害已经得到了初步的控制。
1.2 精河火车站至蘑菇滩站本区间线路长约20km 。
铁路位于天山冲积洪第24卷 第2期2004年3月中 国 沙 漠JOURNA L OF DESERT RESE ARCHV ol.24 N o.2Mar.2004图2 沙泉子段线路两侧沙障内部形成积沙Fig.2 Sand accumulation inside sand2barrierbeside Shaquanzi section of railway积扇扇缘地带,精河绿洲与艾比湖湖滨交接地区,地势平坦,地下水位较浅,有地下水露头。
植被以柽柳、梭梭、白刺、盐穗木、罗布麻、芦苇等耐盐植物为主,覆盖度在20%以上。
此处铁路沙害的直接原因是铁路北侧一条东西长约20km,南北宽约10km的流动和半流动沙垄带,这些沙垄与主导风向一致,呈西北东南走向,与铁路呈10°～30°夹角。
沙垄高10～30m,宽100～300m,长400～1000m,中上部植被覆盖度小于5%,顶部裸露,表面松软,流动性大,在主导风向下,以每年10m以上的速度向东南方向快速移动。
现在,沙垄已经有两处横穿铁路,断面长约4km,其他沙垄位于铁路北侧几十米到几公里处,由于铁路低于沙垄表面,在大风情况下,沙子经常埋没铁路,每年必须投入大量人力物力清沙。
1.3 博乐火车站西本区间线路长约5km。
铁路修筑在艾比湖湖滨,有些线路通过艾比湖干涸的湖底,湖底淤泥的盐碱含量极高,几乎没有任何植被生长,地面平坦干燥,因为临近阿拉山口大风区,风蚀十分严重,含盐沉积物被大风吹蚀堆积在铁路上强烈腐蚀钢轨及其固件,在K2324～K2327区间,1991年新铺的钢轨因腐蚀严重于1996年被全部卸换,而钢轨的正常使用寿命为30年以上。
本区间的主要问题不是沙埋铁路,而是强风风蚀湖底造成的钢轨被含盐沉积物的腐蚀,所以工程的重点是防止风蚀。
2 风沙危害的成因2.1 气候干旱,降水稀少精河至阿拉山口地区是北疆降水最少的地区,根据当地的气候统计资料,1991—2001年期间,精河和阿拉山口的年平均降水量分别是109mm和98 mm。
气候的极度干旱导致当地植被稀疏,地表裸露,除了绿洲地区和艾比湖湖滨地区外,大部分地区的植被覆盖度仅在10%左右,缺少植被覆盖的地表很容易遭风蚀而起沙。
2.2 大风频繁阿拉山口是我国著名的大风口,全年大于8级的大风日数平均164d,最大瞬时风速55m・s-1,而从精河开始铁路正好位于大风主线上,据统计,精河年平均大风日数是32d,最大瞬时风速40m・s-1。
频繁的大风为风沙地貌发育提供了有利条件。
2.3 丰富的沙物质来源北疆铁路位于天山北麓冲积洪积扇中下部、扇缘地带和湖滨地区,地表物质疏松,沙物质来源丰富。
以沙泉子以西3km处铁路北侧一剖面为例(图3):地表粗化,覆盖着一层直径约012～2cm左右的砾石,其上生长红柳和梭梭;剖面A层厚度60cm,为小石子粗沙层,无层理;B层厚30cm,为淡黄色沙粘土层,有明显的水平层理,质地坚硬,均匀,估计为水成,其中有一层1～215cm厚的风成沙层;C层厚26cm,为灰色的粗沙层,松散,有水平层理。
D层厚14cm,为砂砾石层,砾石最大6cm,估计是冲积洪积相物质;E层厚30cm,为浅黄色细沙层,无层理;F层厚24 cm,为淤泥和细沙互层,层理近似水平,估计是湖滨相沉积。
这些下伏的冲积洪积相和湖相地层是潜在的沙物质来源。
图3 沙泉子附近地层剖面图Fig.3 Strata profile near Shaquanzi site2.4 铁路施工对环境的破坏由于铁路路基的修筑要从路基两侧取土,不可避免地破坏了覆盖在地表的砾石层和植被,使得下伏3812期孙庆伟等:北疆铁路沿线风沙危害的研究含沙地层遭风蚀,就地起沙。
2.5 艾比湖周围沙漠化的发展艾比湖原是奎屯河、古尔图河、四棵树河、大河沿河、精河和博尔塔拉河的尾闾湖,因为从20世纪50年代以后,人口剧增,促使绿洲面积扩大。
由于灌溉用水增加,修筑水库等原因,奎屯河、古尔图河、四棵树河在20世纪70年代末期已无河水流入艾比湖,其他河流的水量也大大减少,导致艾比湖迅速萎缩,湖面从20世纪50年代的1200km2,减少到今天的500 km2。
艾比湖的缩小导致湖滨植被大面积死亡,加上人口增加引起燃料不足,大片的湖岸林被砍伐。
这些因素促使了艾比湖周围沙漠化的出现并且迅速扩大。
现在艾比湖700km2的干涸湖底已经出现了灌丛沙堆密布的景观,由于干涸的湖盆离铁路线仅仅只有2 km左右,艾比湖周围的沙漠化发展是对北疆铁路的一个潜在威胁。
3 现有的防沙措施及其效益分析3.1 现有的防沙体系在铁路施工完成时,北疆铁路公司就采用了平铺草方格防沙措施,但是由于本区风速太大,平铺草方格很快就失效。
后来与中科院新疆生土所合作研究,采取了固阻结合的机械和生物防沙体系,在许多地段初步控制了风沙危害。
机械固沙采用芦苇条带状沙障,芦苇埋深20～25cm,出露地面25～30cm,行距115～2m,走向与风向大体垂直,机械固沙带宽度50～70m。
生物固沙采用梭梭、沙拐枣、红柳,行株距2 m×015m,宽度50～30m,依靠喷灌和滴灌方式灌溉。
在固沙带外侧是阻沙带,由高立式沙障和羽毛排沙障组成,沙障高113m,阻沙带和固沙带之间留有10m的积沙空间。
另外,在沙泉子有小片的规格为2m×2m的草方格沙障用于对比实验研究,用芦苇做材料,芦苇出露地面25～30cm,草方格内种植红柳,株距2m,观测时这些红柳只有一年树龄,高度20～50cm,密度和冠幅比条带状沙障内的植被小。
3.2 现有机械防沙体系的效益分析根据我们的调查和观测,现有的防沙体系在大部分地段起到了初步的防沙效果,道路积沙现象基本得到控制,线路两侧没有大规模的流沙出现。
只是在流动和半流动沙垄地区沙埋铁路的现象依然比较明显。
阻沙沙障两侧积沙严重,有些地段已经形成1 m高的沙垄,埋没了沙障。
固沙带内大部分地表已经固定,表面粗化,但是在芦苇两侧40cm范围内有细沙堆积,导致芦苇条带周围的地表高出周围地表,这种现象在条带状沙障内表现明显且普遍存在,在对比实验区内的草方格沙障内不明显,地表没有积沙,固定程度比条带状沙障内的地表固定程度高。
条带状沙障内由于植被生长只有两年,密度和冠幅都比较小,没有起到明显的防沙效果,所以地表与没有植被的条带状沙障内的地表一样。
上面只是对现有防沙体系的一些定性的评价。
地表的空气动力学粗糙度是一个客观反映地表空气动力学性质的指标[3],地表状况、植被高度和密度都可以较好地反映在粗糙度上,而粗糙度通过测量边界层风速廓线就可以计算得到。
所以粗糙度可以作为比较不同防沙措施对地表保护程度的一个综合的量化指标。
我们分别对无植被条带状沙障、有植被的条带状沙障(图4)和草方格沙障(图5)进行了观测,采用的观测仪器是原兰州沙漠研究所研制的十路自动风速采集仪,计算粗糙度的公式是:u/u3=1/k(ln(z/z0))[4]。
图6是无植被条带状沙障、有植被的条带状沙障和草方格沙障的风速廓线,它们的粗糙度分别是214cm、710cm和1115cm。
野外观测和空气动力学粗糙度的研究表明现有三种类型沙障的防沙效益与它们的空气动力学粗糙度有很好的对应关系,草方格沙障对地表的保护程度最强,其次为有植被的条带状沙障,无植被的条带状沙障最差,这一结论从风速廓线的形状也可以直观得到。
