戈壁地表风沙动力过程及道路工程沙害防治研究进展

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00032

摘要/Abstract

摘要：

戈壁是干旱区典型荒漠景观，也是沙区道路工程沿线的主要地表类型。受下垫面性质、地表物质组成和沙源储量的影响，戈壁地区风沙动力机制及道路工程沙害防治侧重点不同。针对砾质戈壁与沙砾质戈壁，深入探究了近地表风动力环境与风沙输移过程的差异，围绕道路工程沿线的2种戈壁沙害特点、形成机理以及防护体系构建及其效益评价等，系统总结了戈壁地区道路工程沙害防治研究进展，梳理了戈壁地区道路工程主要防沙措施及其应用情景。沙砾质地表为隐性潜在沙源，兼具沙、砾和粉沙夹层分布的特点，加强沙砾质地表风沙过程研究有助于保障西部戈壁地区道路工程行车安全和提升交通运输能力。

关键词: 戈壁, 地表类型, 风沙动力过程, 防沙工程, 效益评价

Abstract:

Gobi is a typical arid desert landscape and a major surface type along road in sandy regions. Influenced by underlying surface properties， surface material composition， and sand source reserves， the aeolian dynamic mechanisms and the focus of sand hazard prevention priorities in road engineering differ in gobi regions. This study delved into the differences in near-surface wind dynamics and aeolian transport processes between gravelly gobi surface and sandy-gravelly gobi surface. It systematically summarized the research progress on sand disaster prevention and control in road engineering in gobi regions， focusing on the characteristics， formation mechanisms， protective system， and their effectiveness evaluation of the two types of gobi sand hazards along road engineering routes. It also reviewed the main sand control measures and their applications in gobi road engineering. The sandy-gravelly surface， being a latent potential sand source with a mixed distribution of sand， gravel， and powdery sand layers， made it essential to strengthen the study of aeolian processes on sandy-gravelly surfaces. This helped ensure road safety and enhanced transport capacity in the gobi regions of the western China.

Key words: gobi, surface type, aeolian dynamics, sand control engineering, effectiveness evaluation

中图分类号:

张克存, 潘加朋, 安志山, 谢胜波, 薛承杰, 王军战. 戈壁地表风沙动力过程及道路工程沙害防治研究进展[J]. 中国沙漠, 2025, 45(3): 39-49.

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图/表 8

图1 戈壁地区道路沙害

Fig.1 Sand hazards on road in gobi regions

图2 典型戈壁地表风沙环境对比

Fig.2 Particularity of aeolian environment in gobi regions

表1 戈壁风沙起动及输移过程关键参数及其定量化表征

Table 1 Key parameters and quantitative characterization of sand initiation and transport processes in gobi regions

名称	公式	提出者（提出年份）	应用范围	编号
起沙风速	$u = 5.75 A ρ s - ρ ρ g d l g Z Z 0$	Bagnold (1941)^[34]	表征能使戈壁地表松散沙粒起动的最低风速	（1）
风沙流结构特征值	$λ = Q 2 - 10 Q 0 - 2$	Wu等 (1965)^[35]	评估戈壁地区沙与砾石表面上的风沙流输送状态	（2）
粗糙元	$R S = τ S τ R S e S$	Gillette等 (1989)^[36]	确定位于戈壁砾石间的可蚀表面所承受的动量通量分量	（3）
阻力系数	$l n C d = a + b / C 0.5$	Dong等 (2002)^[37]	不同自由来流风速下戈壁砾石与阻力系数的关系	（4）
沙粒起动剪切风速比值	$R t = 1 1 - m σ λ 0.5 1 + m β λ 0.5$	Raupach等 (1993)^[38]	评估戈壁砾石对地表的保护作用	（5）
沙粒起动剪切风速比值	$R t = u * t S u * t R$	Tan等 (2019)^[39]	评估戈壁砾石对地表的保护作用	（6）
输沙率	$Q = C d D ρ g u * 3$	Bagnold (1941)^[34]	评估戈壁地区的输沙能力，侧重于相对平坦开阔的戈壁地形且有一定松散沙源	（7）
	$Q = K 4 ρ s g u * - u * t u * + u * t 2$	Kawamura (1951)^[40]		（8）
	$Q = C e β v - u$	尹永顺 (1989)^[41]		（9）
输沙通量垂直分布方程	$q = b z + a 1 / n$	Zingg (1953)^[42]	评估戈壁地区的输沙能力，侧重于相对均一的戈壁地貌且沙源有一定的流动性	（10）
	$q = a + b e x p - 0.5 h - c d 2$	Dong等 (2004)^[43]		（11）
	$q = k 1 e x p - h k 2$	Dong等 (2004)^[43]		（12）

表1 戈壁风沙起动及输移过程关键参数及其定量化表征

Table 1 Key parameters and quantitative characterization of sand initiation and transport processes in gobi regions

名称	公式	提出者（提出年份）	应用范围	编号
起沙风速	$u = 5.75 A ρ s - ρ ρ g d l g Z Z 0$	Bagnold (1941)^[34]	表征能使戈壁地表松散沙粒起动的最低风速	（1）
风沙流结构特征值	$λ = Q 2 - 10 Q 0 - 2$	Wu等 (1965)^[35]	评估戈壁地区沙与砾石表面上的风沙流输送状态	（2）
粗糙元	$R S = τ S τ R S e S$	Gillette等 (1989)^[36]	确定位于戈壁砾石间的可蚀表面所承受的动量通量分量	（3）
阻力系数	$l n C d = a + b / C 0.5$	Dong等 (2002)^[37]	不同自由来流风速下戈壁砾石与阻力系数的关系	（4）
沙粒起动剪切风速比值	$R t = 1 1 - m σ λ 0.5 1 + m β λ 0.5$	Raupach等 (1993)^[38]	评估戈壁砾石对地表的保护作用	（5）
沙粒起动剪切风速比值	$R t = u * t S u * t R$	Tan等 (2019)^[39]	评估戈壁砾石对地表的保护作用	（6）
输沙率	$Q = C d D ρ g u * 3$	Bagnold (1941)^[34]	评估戈壁地区的输沙能力，侧重于相对平坦开阔的戈壁地形且有一定松散沙源	（7）
	$Q = K 4 ρ s g u * - u * t u * + u * t 2$	Kawamura (1951)^[40]		（8）
	$Q = C e β v - u$	尹永顺 (1989)^[41]		（9）
输沙通量垂直分布方程	$q = b z + a 1 / n$	Zingg (1953)^[42]	评估戈壁地区的输沙能力，侧重于相对均一的戈壁地貌且沙源有一定的流动性	（10）
	$q = a + b e x p - 0.5 h - c d 2$	Dong等 (2004)^[43]		（11）
	$q = k 1 e x p - h k 2$	Dong等 (2004)^[43]		（12）

表2 部分穿越戈壁地区的道路工程

Table 2 Representative road engineering projects traversing the gobi regions

区间	地表类型	长度	道路类型	通车时间
大草滩-玉门	砾质	130 km	国铁Ⅰ级	1962年
镜铁山-烟墩	砾质、沙砾质	400 km	国铁Ⅰ级	1962年
西宁-格尔木	沙砾质	816.5 km	国铁Ⅰ级	1984年
库尔勒-喀什	砾质、沙砾质	1075 km	国铁Ⅰ级	1999年
嘉峪关-安西	沙砾质	235 km	一级公路	2006年
临河-策克	砾质	707 km	国铁Ⅱ级	2010年
额济纳旗-哈密	砾质、沙砾质	629.9 km	国铁Ⅰ级	2015年
酒泉-额济纳旗	砾质、沙砾质	395 km	国铁Ⅱ级	2021年

图3 戈壁地表道路沙害防治工程示意图注：各防护带间宽度及间隔因公路所受沙害空间分异而不同，故在此不标明具体宽度，仅展示防沙工程设计方式

Fig.3 Diagram of sand damage prevention and control engineering for gobi surface roads

图4 戈壁地区道路沿线阻沙栅栏

Fig.4 Sand-blocking fences along the roads in gobi regions

图5 戈壁地区道路沿线挡风墙

Fig.5 Wind-blocking walls along the roads in gobi regions

图6 沙砾质地表风沙动力过程及道路工程沙害防治研究框架

Fig.6 Research framework for aeolian dynamical processes on sandy-gravelly surfaces and prevention of sand hazards in road engineering

参考文献 91

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