郝國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070;3.河西學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅張掖 734000)

針對(duì)各地區(qū)沙漠類(lèi)型、地形和地貌、氣候條件不同，目前國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者提出了幾種典型的沙害治理模式及防護(hù)體系。包蘭線沙坡頭段“五帶一體”鐵路防護(hù)體系，代表干旱流動(dòng)沙丘地區(qū)鐵路沙害防治［1］。蘭新線玉門(mén)段鐵路防護(hù)體系，代表戈壁地區(qū)鐵路沙害防治，采用“阻護(hù)結(jié)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(fēng)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(qū)流動(dòng)沙漠地區(qū)工礦交通的沙害治理，結(jié)合“先導(dǎo)試驗(yàn)”的生物防沙與植物防沙相結(jié)合的固沙體系，為道路的安全運(yùn)營(yíng)提供了很好的保障［3］。東勝精煤礦區(qū)，代表半干旱沙地地區(qū)工礦開(kāi)發(fā)建設(shè)中沙害的治理，針對(duì)煤礦開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目的特點(diǎn)和土地荒漠化的程度，治沙工程主要圍繞“線”、“點(diǎn)”及“面”進(jìn)行措施配置，形成了工礦開(kāi)發(fā)沙害治理模式［4］。

穿越毛烏素沙地的太(原)中(衛(wèi))銀(川)鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“太中銀鐵路”)定(邊)銀(川)線梅花井區(qū)段，處于半干旱流動(dòng)沙丘地區(qū)，線路附近存在高大流動(dòng)沙丘，威脅鐵路安全，影響交通運(yùn)營(yíng)，需針對(duì)該地區(qū)氣候及沙害特點(diǎn)建立相應(yīng)的防沙治沙體系。針對(duì)太中銀鐵路梅花井區(qū)間的防沙治沙體系，進(jìn)行調(diào)查、測(cè)試、研究并評(píng)價(jià)分析了該區(qū)段的防沙治沙效益，觀測(cè)時(shí)間從2012年1月持續(xù)到2013年1月。

1 研究區(qū)段氣候、沙害及植被調(diào)查

1.1 梅花井區(qū)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(jīng) 106°6'至 106°40'，北緯 37°58'至38°04'之間。沙區(qū)冬春季節(jié)盛行西北風(fēng)，冬春兩季風(fēng)力強(qiáng)勁、頻繁;年平均風(fēng)速4.1 m/s。日照豐富，總輻射量608.37 kJ/cm2左右，平均時(shí)間為3 000 h左右。氣候干燥、冷熱劇變、大風(fēng)頻繁、日照強(qiáng)烈是該地區(qū)的四大氣候特征［5］。該區(qū)段黃沙漫天，流動(dòng)沙丘連綿不絕，植被覆蓋率很低，地表粗糙度極低，嚴(yán)重危害到列車(chē)的行車(chē)安全;對(duì)軌道、設(shè)備等的磨損比較嚴(yán)重。

1.2 沙害的時(shí)間分布特點(diǎn)

根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，該地區(qū)大風(fēng)天氣主要集中在冬春季節(jié)，測(cè)試主風(fēng)向大致在NNW—WNW之間。2012年平均風(fēng)速、最大風(fēng)速值如圖1所示。該地區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)比較強(qiáng)烈，實(shí)測(cè)流沙地的起沙風(fēng)速為4.46 m/s，進(jìn)入冬季到翌年春季這段時(shí)間內(nèi)，平均風(fēng)速值大于起沙風(fēng)速;觀測(cè)記錄到的最大風(fēng)速值為15.92 m/s;線路在大風(fēng)過(guò)后積沙比較嚴(yán)重，沙土上道，排水溝被沙埋現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)沙活動(dòng)異常強(qiáng)烈，其中在2011年11月到2012年1月該段時(shí)間內(nèi)起沙天數(shù)達(dá)到35 d，起沙次數(shù)達(dá)到81次。嚴(yán)重威脅到鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

1.3 沙源的空間分布特點(diǎn)

位于梅花井區(qū)段裝車(chē)區(qū)間的南側(cè)，沙害尤為嚴(yán)重?？拷€路附近為流沙地，植被稀少，覆蓋率極低，稍遠(yuǎn)處為裸露高大沙丘。靠近線路處順線路方向沙丘長(zhǎng)度達(dá)3 km，縱深達(dá)30 km，其中有兩處為高大沙丘。此處沙源豐富，風(fēng)沙流活動(dòng)強(qiáng)烈，風(fēng)力的作用將沙粒源源不斷地輸送到線路上，對(duì)線路造成嚴(yán)重的沙埋，影響行車(chē)安全。

圖1 梅花井段2012年風(fēng)速特征值

1.4 線路附近植被調(diào)查

通過(guò)對(duì)鐵路沿線沙丘及沙地的實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)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(qū)的氣候條件，生長(zhǎng)狀況良好，可供本區(qū)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(jù)該區(qū)段的自然環(huán)境特征、沙丘分布規(guī)律以及沙害成因、特點(diǎn)，確立了“因地制宜，因害設(shè)防，就地取材，遠(yuǎn)阻近固，固阻結(jié)合，工程措施與植物措施相結(jié)合，植物措施為根本”的防沙治沙原則［6］。由于該區(qū)段沙丘高大，風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，沙丘逐漸向線路逼近，沙粒經(jīng)過(guò)風(fēng)力的作用沉積在線路上，嚴(yán)重影響線路的安全運(yùn)營(yíng)。因此需要立即采取措施對(duì)沙害進(jìn)行治理，并能發(fā)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(zhǎng)環(huán)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(yuǎn)處的高大沙丘處建立阻沙、固沙結(jié)合帶，同時(shí)在固沙、阻沙帶內(nèi)部種植草、灌植物形成混合植物沙障帶，形成適合該區(qū)段氣候條件、地形地貌的防風(fēng)治沙體系。

(1)固沙帶

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

(2)固阻結(jié)合帶

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

圖2 尼龍網(wǎng)格狀沙障

圖3 高立式阻沙柵欄

2.2 植物措施

春秋季節(jié)在固沙帶內(nèi)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(wǎng)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(fēng)速，同時(shí)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(duì)植物是否能夠良好生長(zhǎng)起到?jīng)Q定性的作用。在不同措施內(nèi)各選取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)每隔10 d取樣1次，測(cè)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(nèi)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(nèi)距離濕沙層表面50 cm處的平均含水率可達(dá)到5.37%?？芍搮^(qū)段沙層含水率基本滿足植物的生長(zhǎng)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(fēng)速

觀測(cè)地點(diǎn)均選取地勢(shì)較為平坦的地段，2012年11月至2013年4月不同下墊面大風(fēng)天氣的平均風(fēng)速值如表2所示。不同下墊面高度位于0.5、2 m的平均風(fēng)速與流沙地對(duì)比，風(fēng)速降低很明顯，尤其近地表風(fēng)速降低值平均達(dá)到59.2%。當(dāng)平坦流沙地風(fēng)速大于起沙風(fēng)速4.46 m/s時(shí)，沙障內(nèi)風(fēng)速都降低至起沙風(fēng)速以下，起到了降低風(fēng)速的作用。

表2 不同下墊面高度風(fēng)速值與風(fēng)速降低值

3.3 地表粗糙度

地表粗糙度是反映風(fēng)沙流空間分布的重要參數(shù)，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(wǎng)、阻沙柵欄的地表粗糙度都有所提高。尼龍格狀防沙網(wǎng)內(nèi)粗糙度為5.75 cm，高于草方格內(nèi)的4.37 cm。而阻沙柵欄內(nèi)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(shí)間內(nèi)通過(guò)單位寬度或者單位面積所搬運(yùn)的沙量，叫作風(fēng)沙流的固體流量，也稱(chēng)輸沙率［7］。

表4 不同位置的輸沙量與輸沙率

3種措施內(nèi)2 m高度處平均風(fēng)速為8.57 m/s時(shí)，0～50 cm高度范圍內(nèi)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(wǎng)內(nèi)輸沙率為流沙地的1.01%;草方格沙障內(nèi)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(cè)得平行線路20 m處的輸沙率為0.007 6 g/min。由此可見(jiàn)，措施建立起來(lái)后，線路附近的輸沙量明顯降低。

3.5 風(fēng)蝕

平坦流沙地觀測(cè)一年內(nèi)的平均風(fēng)蝕量為51.3 cm。沙障內(nèi)的風(fēng)蝕沙埋情況如圖4所示，圖中距離0～3 m范圍內(nèi)為草方格或尼龍格狀防沙網(wǎng)外部，距離3～16 m范圍內(nèi)為兩種沙障內(nèi)部。草方格沙障邊緣處最大沙埋量為17.8 cm，尼龍網(wǎng)格邊緣最大沙埋量為23.0 cm。兩種措施6 m以?xún)?nèi)，風(fēng)沙環(huán)境都處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，平均蝕積量絕對(duì)值在0～1.5 cm，可為植物的生長(zhǎng)提供了穩(wěn)定的環(huán)境。草方格沙障及尼龍格狀防沙網(wǎng)沙障邊緣無(wú)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(nèi)部的蝕積量(“－”代表風(fēng)蝕，“+”代表沙埋)

3.6 植被覆蓋率

在沙障布設(shè)1年之后，沙障內(nèi)植被覆蓋率達(dá)到25%，沙拐棗、沙米長(zhǎng)勢(shì)良好。該區(qū)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(qū)應(yīng)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(nèi)沙拐棗長(zhǎng)勢(shì)良好，阻沙柵欄兩側(cè)也形成了沙米等“植物墻”，植物生長(zhǎng)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(nèi)植物

圖6 阻沙柵欄前植物

4 結(jié)論

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

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

(3)該區(qū)段防護(hù)體系中，在工程措施實(shí)施一年后，植物覆蓋度調(diào)高到25%，達(dá)到了快速治理沙害的效果。

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