北疆铁路沿线风沙危害的研究

第24卷　第2期2004年3月

中　国　沙　漠

JOURNALOFDESERTRESEARCH

Vol.24　No.2

Mar.

2004

文章编号:10002694X(2004)0220182205

北疆铁路沿线风沙危害的研究

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:U216.413

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55km)。,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

疆铁路沙害的成因、,,指出其中存在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。

图1　北疆铁路风沙危害路线周围的地貌图

Fig.1　LandformsalongNorthXinjiangrailwaysuffered

fromblownsandharm

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

　　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"(G2000048705)资助

),男(汉族),山东博兴人,博士研究生,主要从事沙漠化研究。　　作者简介:孙庆伟(1976—E2mail:[email protected]

2期孙庆伟等:北疆铁路沿线风沙危害的研究183

和阿拉山口的年平均降水量分别是109mm和98mm。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

图2　沙泉子段线路两侧沙障内部形成积沙

Fig.2　Sandaccumulationinsidesand2barrier

besideShaquanzisectionofrailway

阿拉山口是我国著名的大风口,全年大于8级的

-1

大风日数平均164d,最大瞬时风速55m・s,而从精河开始铁路正好位于大风主线上,据统计,精河年平

-1

均大风日数是32d,最大瞬时风速40m・s。频繁的大风为风沙地貌发育提供了有利条件。

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半流动沙垄带,,东南走向,与铁路呈30,宽100～300m,长于5%,顶部裸露,,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

2.3　丰富的沙物质来源

扇

,处铁路北侧一剖面为例(图3):,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。

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。

图3　沙泉子附近地层剖面图

Fig.3　StrataprofilenearShaquanzisite

2　风沙危害的成因

2.1　气候干旱,降水稀少

2.4　铁路施工对环境的破坏

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

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

184中　国　沙　漠24

卷

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

km。艾比湖的缩小导致湖滨植被大面积死亡,加上

2

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,有植被的条带(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]

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　3.1　。图6是无植被条带状沙障、有植被的条带状

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2m×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

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。有植被的条带状沙障的粗糙度大于没有植被的条带状沙障的原因是植被的存在增大了地表的粗糙度。草方格的粗糙度最大是因为这种方式下芦苇的密度较条带状沙障更大,所以这种结构比条带状排列更有利于保护地表,另外,虽然条带状沙障内植被的树龄

、

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

图4　条带状沙障

Fig.4　Stripsandbarrier

30cm以内不同,喷灌更适合于农业,在沙地造林中

不太合适。今后应该扩大滴灌的面积,因为滴灌和喷灌一样可以克服地形带来的影响,在崎岖不平的地表上不宜用沟灌的地方可以方便部署,同时滴灌也大大地提高了水资源的利用率,减少地下水的损耗,有利于维护铁路周围的生态平衡。

4　一个新的综合防沙体系

通过以上分析可以看出,北疆铁路沿线的风沙危害出现的根本原因是干旱多风的气候条件和丰

图5　草方格沙障

Fig.5　Checkerboardsand

barrier

富的沙物质来源。但是在原本是固定沙丘或者戈壁

的线路周围的风沙危害的出现与铁路施工对线路两侧地表的破坏有密切的关系,所以在这些地段的表,,,以获得长远的效益。虽然这里的降水不多,但是冬季有一定的降雪,天山山麓在夏季偶有洪水,对植被的恢复有利,线路两侧的地下水也比较丰富,可以发展滴灌,所以建立人工林带是可行的。这是在以沙泉子为典型的固定沙丘和戈壁地段建立防沙体系的指导思想。在精河车站至蘑菇滩段的流动沙丘上应该适当增加机械防沙体系的宽度,在博乐车站附近的艾比湖底地段由于湖底淤泥的盐碱含量很高,植物无法生长,仍然采取以草方格为主的机械防沙措施,根据以上的指导思想,同时参考我国其他地区铁路和公路防沙的经验[5～11],我们设计了一个较优化的防沙体系(图7),布置防沙措施的铁路区间长度共501335km,包括了上述3个沙害严重的地段,新的防沙体系由机械防沙措施和生物防沙措施构成:①在保持原有林带的基础上,

在距离铁路道心

图6　几种防沙设施的风速廓线

Fig.6　Windspeedoutlineofseveralsandbarriers

冠幅和密度都比草方格内的大,然而它的粗糙度依然

较草方格的粗糙度小,这是因为植被只有达到一定的密度和高度才对粗糙度有更大的影响,也就是说才具有明显的防护效应,所以铁路防沙前期的机械防沙措施是必不可少的,它是生物固沙措施的前提。3.3　现有生物防沙体系的效益分析

根据上文对空气动力学粗糙度的分析可以看到现有植被带的防沙效益并不十分明显,仍然不能取代机械防沙措施。目前植被带的灌溉主要采取喷灌和滴灌结合的方式,大面积的喷灌不仅造成水资源的极大浪费,而且由于该区位于阿拉山口大风区下风向,大风频繁,炎热的夏季气温又多在40℃左右,喷灌形成的大量雾状水粒很容易蒸发;其次,喷灌使水分均匀分布在许多没有植被的炎热沙质地表上,大部分水分没有渗透到地下就蒸发了,所以,喷灌的后果是极大地消耗了地下水,造成天然植被的死亡,影响铁路周围的生态平衡,最终形成更大规模的风沙危害。最后,旱生植物的根系多分布在50cm以下,与农作物的根系多分布在较浅的10～

图7　沙泉子区间优化的防沙体系示意图

Fig.7　Optimizedsanddefendingsystem

atShaquanzisectionofrailway

25m处线路两侧布置新的防护林带,宽40m,在沙害

严重的地段,设计3条林带,总宽度100m,造林树种

2

是红柳和沙拐枣,林带密度有3330株・hm,6675株・22hm和10005株・hm三种类型,林带采用喷灌灌溉;②在林带外侧设置草方格沙障,宽50m,在沙害严重地段宽150m,草方格规格2m×2m,采用芦苇做材料;③在草方格外侧10m处设置阻沙沙障,高113m,采用芦苇做原料,疏透结构;④在博乐车站西侧铁路通过艾比湖湖滨盐碱地地段,采用砾石压沙措施,砾石带紧靠路基,宽150m。　　与现有防沙体系相比,优化体系的主要不同是:①林带布置在机械防沙措施内侧,紧靠铁路,以充分发挥生物防沙措施的效益,并且相应地增加了林带的密度,针对沙害严重地段,增加了林带宽度。②林带全部采用滴灌技术,提高水资源的利用率,减少对地下水的消耗,有利于保护铁路沿线的原生植被。③由于草方格沙障对地表具有更好的保护作用,固沙采用草方格沙障,盐碱地,,,[4,7]。

定和防沙效果最好,其次为有植被的条带状沙障,无植被的条带状沙障最差。

原有的防沙设施存在的主要问题是机械防沙设施和生物防沙设施配置和布局的不合理,所以在优化的防沙体系中采取了防沙草方格沙障作为机械防沙设施的主体,在外侧辅以高立式沙障,并且在靠近铁路的内侧建立防沙林带,阻挡线路上的风沙流。

致谢:感谢乌鲁木齐铁路局北疆铁路公司在野外调查给予帮助和提供相关资料。参考文献(References):

[1]

李炳文,周兴佳,黄丕振,等.兰新铁路沙泉子段风沙危害特点及防治思路[A]..兰新铁路乌[1999.33-44.

[2],,王涛[J(:375-383.

,GSDW.Modelingtheroughnessproperties

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York:Methuen,1941.85-95.

[5]　沙坡头沙漠科学研究站.腾格里沙漠东南缘铁路沿线流沙固

5　结论

北疆铁路沿线风沙危害有三种形式:一是沙泉

子段风沙流造成的线路积沙;二是精河至蘑菇滩段流动沙丘掩埋铁路的威胁;三是博乐段艾比湖底风蚀造成的盐碱对线路设施的腐蚀。

由于流动沙丘只是小范围内存在,大部分地段地表固定程度较好,并且沿线有一定的地下水供应,通过保护地表,建立人工林带,帮助恢复自然植被从而治理风沙危害是可行的。　　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固

定的原理与措施[J].中国沙漠,1986,6(3):1-19.

[6]　王训明,陈广庭,韩致文,等.塔里木沙漠公路机械防沙体系效

益分析[J].中国沙漠,1999,19(2):120.

[7]　刘　心.包兰铁路沙坡头地段铁路防沙体系的建立及其效益

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国沙漠,2002,22(3):304-307.

[9]　刘家琼.草原与荒漠交界地区流沙的固定———以沙坡头铁路

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[10]　胡孟春,赵爱国,李农.沙坡头铁路防护体系阻沙效益风洞

实验研究[J].中国沙漠,2002,22(6):598-601.

[11]　何兴东,赵爱国,段争虎,等.极端干旱沙漠中无沙埋干扰时

几种固沙植物栽植试验研究[J].中国沙漠,2003,23(3):246

-251.

BlownSandHarmalongNorthXinjiangRailwayanditsControl

SUNQing2wei,WANGTao,HANZhi2wen,ZHANGWei2min

(KeyLaboratoryofDesertandDesertification,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)

Abstract:BlownsandactivitiesisthreateningnorthXinjiangrailway.Inthisarticle,wefirstanalyzedthe

causeandmechanismofblownsandharm,andpointedoutthatthereasonofsandharmliesinthevulnera2bleenvironmentandirrationalhumanactivities;thentheefficiencyoftheexistingsandcontrolfacilitieswereevaluatedbymeasuringtheiraerodynamicroughnesslength;atlastanoptimizedsandcontrolsystemwasproposed.

Keywords:northXinjiangrailway;blownsandharm;desertification;aerodynamicroughnesslength

第24卷　第2期2004年3月

中　国　沙　漠

JOURNALOFDESERTRESEARCH

Vol.24　No.2

Mar.

2004

文章编号:10002694X(2004)0220182205

北疆铁路沿线风沙危害的研究

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:U216.413

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55km)。,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

疆铁路沙害的成因、,,指出其中存在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。

图1　北疆铁路风沙危害路线周围的地貌图

Fig.1　LandformsalongNorthXinjiangrailwaysuffered

fromblownsandharm

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

　　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"(G2000048705)资助

),男(汉族),山东博兴人,博士研究生,主要从事沙漠化研究。　　作者简介:孙庆伟(1976—E2mail:[email protected]

2期孙庆伟等:北疆铁路沿线风沙危害的研究183

和阿拉山口的年平均降水量分别是109mm和98mm。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

图2　沙泉子段线路两侧沙障内部形成积沙

Fig.2　Sandaccumulationinsidesand2barrier

besideShaquanzisectionofrailway

阿拉山口是我国著名的大风口,全年大于8级的

-1

大风日数平均164d,最大瞬时风速55m・s,而从精河开始铁路正好位于大风主线上,据统计,精河年平

-1

均大风日数是32d,最大瞬时风速40m・s。频繁的大风为风沙地貌发育提供了有利条件。

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半流动沙垄带,,东南走向,与铁路呈30,宽100～300m,长于5%,顶部裸露,,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

2.3　丰富的沙物质来源

扇

,处铁路北侧一剖面为例(图3):,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。

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。

图3　沙泉子附近地层剖面图

Fig.3　StrataprofilenearShaquanzisite

2　风沙危害的成因

2.1　气候干旱,降水稀少

2.4　铁路施工对环境的破坏

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

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

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卷

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

km。艾比湖的缩小导致湖滨植被大面积死亡,加上

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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,有植被的条带(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]

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　3.1　。图6是无植被条带状沙障、有植被的条带状

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2m×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

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。有植被的条带状沙障的粗糙度大于没有植被的条带状沙障的原因是植被的存在增大了地表的粗糙度。草方格的粗糙度最大是因为这种方式下芦苇的密度较条带状沙障更大,所以这种结构比条带状排列更有利于保护地表,另外,虽然条带状沙障内植被的树龄

、

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

图4　条带状沙障

Fig.4　Stripsandbarrier

30cm以内不同,喷灌更适合于农业,在沙地造林中

不太合适。今后应该扩大滴灌的面积,因为滴灌和喷灌一样可以克服地形带来的影响,在崎岖不平的地表上不宜用沟灌的地方可以方便部署,同时滴灌也大大地提高了水资源的利用率,减少地下水的损耗,有利于维护铁路周围的生态平衡。

4　一个新的综合防沙体系

通过以上分析可以看出,北疆铁路沿线的风沙危害出现的根本原因是干旱多风的气候条件和丰

图5　草方格沙障

Fig.5　Checkerboardsand

barrier

富的沙物质来源。但是在原本是固定沙丘或者戈壁

的线路周围的风沙危害的出现与铁路施工对线路两侧地表的破坏有密切的关系,所以在这些地段的表,,,以获得长远的效益。虽然这里的降水不多,但是冬季有一定的降雪,天山山麓在夏季偶有洪水,对植被的恢复有利,线路两侧的地下水也比较丰富,可以发展滴灌,所以建立人工林带是可行的。这是在以沙泉子为典型的固定沙丘和戈壁地段建立防沙体系的指导思想。在精河车站至蘑菇滩段的流动沙丘上应该适当增加机械防沙体系的宽度,在博乐车站附近的艾比湖底地段由于湖底淤泥的盐碱含量很高,植物无法生长,仍然采取以草方格为主的机械防沙措施,根据以上的指导思想,同时参考我国其他地区铁路和公路防沙的经验[5～11],我们设计了一个较优化的防沙体系(图7),布置防沙措施的铁路区间长度共501335km,包括了上述3个沙害严重的地段,新的防沙体系由机械防沙措施和生物防沙措施构成:①在保持原有林带的基础上,

在距离铁路道心

图6　几种防沙设施的风速廓线

Fig.6　Windspeedoutlineofseveralsandbarriers

冠幅和密度都比草方格内的大,然而它的粗糙度依然

较草方格的粗糙度小,这是因为植被只有达到一定的密度和高度才对粗糙度有更大的影响,也就是说才具有明显的防护效应,所以铁路防沙前期的机械防沙措施是必不可少的,它是生物固沙措施的前提。3.3　现有生物防沙体系的效益分析

根据上文对空气动力学粗糙度的分析可以看到现有植被带的防沙效益并不十分明显,仍然不能取代机械防沙措施。目前植被带的灌溉主要采取喷灌和滴灌结合的方式,大面积的喷灌不仅造成水资源的极大浪费,而且由于该区位于阿拉山口大风区下风向,大风频繁,炎热的夏季气温又多在40℃左右,喷灌形成的大量雾状水粒很容易蒸发;其次,喷灌使水分均匀分布在许多没有植被的炎热沙质地表上,大部分水分没有渗透到地下就蒸发了,所以,喷灌的后果是极大地消耗了地下水,造成天然植被的死亡,影响铁路周围的生态平衡,最终形成更大规模的风沙危害。最后,旱生植物的根系多分布在50cm以下,与农作物的根系多分布在较浅的10～

图7　沙泉子区间优化的防沙体系示意图

Fig.7　Optimizedsanddefendingsystem

atShaquanzisectionofrailway

25m处线路两侧布置新的防护林带,宽40m,在沙害

严重的地段,设计3条林带,总宽度100m,造林树种

2

是红柳和沙拐枣,林带密度有3330株・hm,6675株・22hm和10005株・hm三种类型,林带采用喷灌灌溉;②在林带外侧设置草方格沙障,宽50m,在沙害严重地段宽150m,草方格规格2m×2m,采用芦苇做材料;③在草方格外侧10m处设置阻沙沙障,高113m,采用芦苇做原料,疏透结构;④在博乐车站西侧铁路通过艾比湖湖滨盐碱地地段,采用砾石压沙措施,砾石带紧靠路基,宽150m。　　与现有防沙体系相比,优化体系的主要不同是:①林带布置在机械防沙措施内侧,紧靠铁路,以充分发挥生物防沙措施的效益,并且相应地增加了林带的密度,针对沙害严重地段,增加了林带宽度。②林带全部采用滴灌技术,提高水资源的利用率,减少对地下水的消耗,有利于保护铁路沿线的原生植被。③由于草方格沙障对地表具有更好的保护作用,固沙采用草方格沙障,盐碱地,,,[4,7]。

定和防沙效果最好,其次为有植被的条带状沙障,无植被的条带状沙障最差。

原有的防沙设施存在的主要问题是机械防沙设施和生物防沙设施配置和布局的不合理,所以在优化的防沙体系中采取了防沙草方格沙障作为机械防沙设施的主体,在外侧辅以高立式沙障,并且在靠近铁路的内侧建立防沙林带,阻挡线路上的风沙流。

致谢:感谢乌鲁木齐铁路局北疆铁路公司在野外调查给予帮助和提供相关资料。参考文献(References):

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[5]　沙坡头沙漠科学研究站.腾格里沙漠东南缘铁路沿线流沙固

5　结论

北疆铁路沿线风沙危害有三种形式:一是沙泉

子段风沙流造成的线路积沙;二是精河至蘑菇滩段流动沙丘掩埋铁路的威胁;三是博乐段艾比湖底风蚀造成的盐碱对线路设施的腐蚀。

由于流动沙丘只是小范围内存在,大部分地段地表固定程度较好,并且沿线有一定的地下水供应,通过保护地表,建立人工林带,帮助恢复自然植被从而治理风沙危害是可行的。　　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固

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-251.

BlownSandHarmalongNorthXinjiangRailwayanditsControl

SUNQing2wei,WANGTao,HANZhi2wen,ZHANGWei2min

(KeyLaboratoryofDesertandDesertification,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)

Abstract:BlownsandactivitiesisthreateningnorthXinjiangrailway.Inthisarticle,wefirstanalyzedthe

causeandmechanismofblownsandharm,andpointedoutthatthereasonofsandharmliesinthevulnera2bleenvironmentandirrationalhumanactivities;thentheefficiencyoftheexistingsandcontrolfacilitieswereevaluatedbymeasuringtheiraerodynamicroughnesslength;atlastanoptimizedsandcontrolsystemwasproposed.

Keywords:northXinjiangrailway;blownsandharm;desertification;aerodynamicroughnesslength