临哈（临河-哈密）铁路全长1 333 km，横穿内蒙古、甘肃、新疆3 省区，是连接中国西北、华北的重要通道，也是“一带一路”连接欧亚大陆最便捷的重要通道^［1］。临哈铁路的建设对于沟通边疆与内地的联系，促进“一带一路”经济建设和社会发展，加强民族团结，巩固国防建设具有重要意义。

临哈铁路位于中国西北内陆干旱区，沿线自然环境恶劣。由东至西依次经过黄河河套平原区、山前洪积平原区、阴山山脉的狼山中山区以及巴彦淖尔-阿拉善剥蚀平原区。线路通过乌兰布和沙漠、亚玛雷克沙漠、巴丹吉林沙漠和广袤的沙砾质、砾质戈壁分布区，沿线风力强劲、风沙活动剧烈，是中国北方沙漠化强烈发生地区^［2］。临哈铁路沿线自然条件恶劣，各种自然因素的不确定性强，铁路沙害形式、成因多样，沙害发生地段、发生时间随机、复杂，潜在的沙害程度大大增加，且各路段也有较大的差异性。尤其是戈壁地区，在主体工程设计时，虽然采取绕避方法，但仍未能充分考虑到风沙流危害防治问题。

临哈铁路沿线途径灌丛沙堆、流动沙丘、沙砾质戈壁、砾质戈壁和剥蚀丘陵等地貌类型，自然条件恶劣，沙害程度严重，环境敏感，沙害囊括了中国西部地区铁路沙害的各种类型，成因复杂，尤其是上风向地形开阔，沙源富集，防治难度大。目前已成为全球遭受沙害最严重的铁路之一，沙害已直接威胁到铁路的畅通和安全运行^{。另外，临哈铁路沿线沙害严重，目前对其风沙环境和新建措施的防护效益仍缺乏系统的观测与总结，特别是额济纳旗至哈密段的沙砾质戈壁地区，该区同类研究也仅集中在临策铁路的沙害防治方面［3-9］。因此，该研究以临哈铁路沿线路域范围风沙灾害为研究对象，通过对工程区三维流场、水分、粒度和植被特征的野外系统观测，筛选和优化既有防沙措施，从而为“一带一路”类似的铁路、公路风沙防治提供技术参考和经验积累。}

选择临哈铁路K420和天策（天鹅湖-策克口岸）铁路K25防沙工程区建立三维气流场观测断面（图1）。该路段经过巴彦淖尔-阿拉善剥蚀平原区，中夹杂分布低山丘陵、山间洼地，海拔900~1 800 m，地势由南向北、由西向东缓倾，最后过渡为额济纳河冲积平原区。地貌单元较为复杂，以剥蚀地貌为主，其间包含低山丘陵、山间洼地、湖积平原、冲洪积倾斜平原、戈壁、风积沙丘等次一级地貌。剥蚀丘陵多呈低矮浑圆状；湖积平原区可见少量硬盐壳和龟裂地；山间洼地中受风沙影响可见固定、半固定沙丘、沙地；戈壁平原平坦、开阔，地面微起伏，植被稀少，零星生长红砂、梭梭和白刺等灌木；冲积平原主要展布在额济纳绿洲，地形平坦、开阔，河谷宽浅，支流众多，阶地不发育，平原宽15~20 km。

本区地处亚洲大陆腹地的内陆高原，远离海洋，周围群山环抱，为典型的中温带大陆性干旱气候。区内光照充足，热量丰富，降水量少，蒸发量大，干旱少雨，春秋两季大风弥漫，风大沙多，夏季酷热，冬季严寒，无霜期较长，昼夜温差悬殊，四季气候特征明显。区域年平均气温7.3~9.2 ℃，极端最高气温44.8 ℃，极端最低气温-31.6 ℃，最热月平均气温24.1 ℃，最冷月平均气温-10.9 ℃；雨季多集中在每年的6—8月，年降水量35.2~154.2 mm，年蒸发量2 265.6~4 217.8 mm，年平均风速2.1~4.7 m·s^-1，最大风速28.6 m·s^-1，年大风日数（≥8级）4.8~61.1 d，主导风向WNW、WSW等。研究区土壤类型主要有灰棕漠土、风沙土、石质土、潮土、灌淤土等，植被类型以半灌木、矮半灌木荒漠植被为主。

观测断面既有防沙措施包括PE网格沙障和高立式沙障。PE网格沙障孔隙度为30%~40%，规格一般为1 m×1 m×0.3 m、1.5 m×1.5 m×0.3 m、3 m×3 m×0.5 m。高立式沙障在主害风侧距路基坡脚100~150 m，次害风侧80~100 m，并与线路平行， PE网高度为1.2 m或1.5 m，网空隙率为30%~45%，固定桩之间相隔4~6 m。

使用WindMaster PRO三维超声风速仪和CR3000数采仪，分别在临哈铁路K420防沙工程区和天策铁路K25防沙工程区，沿现场风向布设三维流场观测断面（图2），同步观测固定点和移动点的三维风速，固定点观测位置设在防沙工程上风向的戈壁旷野，观测高度为1 m，移动点观测高度为0.25、1、2.5 m（图3），用1 m高度处同步观测的移动点风速和固定点风速的比例代表不同位置流场变化，即阻风效率，阻风效率值越低，则工程对风速的抑制作用越强。研究已经证实该方法在连续几小时和几百米的时空尺度内，适用于复杂地形或风沙防治工程区域的流场特征研究。

临哈铁路K420位置观测断面长度430 m（图2A），共计44个移动观测点。风向为西南偏西262°，铁路走向为西北偏西300°，风向与铁路走向呈38°锐角相交，基本满足观测需要。天策铁路K25位置观测断面长度481 m（图2B），共计69个移动观测点。风向为西南260°，铁路走向为西北偏北355°，风向与铁路走向呈95°相交，完全满足观测需要。移动点的设置包含了每种防沙工程各个典型位置，每个移动点观测时间为3~10 min，固定点为连续观测，数据记录频率均为1 s。

观测期主方向为西南260°左右，由于南北U和垂直风速W分量很小，合成三维风速、合成水平风速和东西向风速分量V很接近，因此结果仅分析了三维阻风效率、南北向分量U阻风效率、垂直向分量W阻风效率和垂直风速的变化特征。所有数据中，U是南北方向风速分量，以南向为正，V是东西方向风速分量，以东向为正，W是垂直方向风速分量，以上方向为正。

2018年4月，在沿线防沙工程区（K327、K334、K362、K407、K420、K431、K586、古居延泽和天草站滴灌试验段），使用便携式土壤湿度仪测量沙层湿度，主要包括防沙网格内、高立式沙障积沙带和周边戈壁不同深度的湿度值。使用激光粒度仪，对典型风沙路段20个表面沙样进行了粒度分析。采用样方调查法，对沿线典型防沙工程区的植被特征进行了统计。

风沙对临哈铁路的危害形式为沙埋和风蚀。首先，风沙流在途经铁路过程中，由于其流场结构发生变化，产生遇阻堆积，沙粒沉积于路基附近、路基和道床，引起列车脱轨掉道、道床板结，加剧钢轨的磨耗和锈蚀；其次，强风携带高能量沙粒流对路基和道床的风蚀破坏，主要发生在风力较大、地表缺乏保护的地区。具体表现在风沙侵入道心、覆埋轨道（图4）、堵塞涵洞、沙进隧道、掩埋侧沟，路堑成为集沙槽^［10-12］。

临哈铁路沿乌兰布和沙漠北部边缘至狼山脚下进入内蒙古高原阿拉善台地，再沿巴丹吉林沙漠北部边缘与中蒙边境线之间的戈壁荒漠行进，沿线的沙砾质戈壁和风蚀宽谷的松散细物质经风蚀起沙，在防沙工程和路基附近的风影区，由于饱和风沙流遇阻回流，继而沙粒运动能量减弱产生堆积^［1］。而低山戈壁和风蚀宽谷地区分布的沙丘和沙片大部分来自于上风向更大空间尺度（几十至几百千米）的剥蚀丘陵和开阔戈壁地区。

从空间来看，目前临哈铁路风沙灾害主要分布在额济纳旗至哈密段。沙害非均匀分布，主要在K67+77（流动沙丘、灌丛沙堆）、K85-91（山前流动沙丘、灌丛沙堆）、K209-217（流动沙丘、灌丛沙堆）、K325-339（低山戈壁、流动沙丘、沙片）、K342（低山戈壁）、K362-365（流动沙丘、沙片）、K420（戈壁）、K540（低山砾质戈壁、流动沙丘、沙片）、辉森K586（戈壁、高路堤）、K740（流动沙丘、戈壁）以及天策铁路K10-27（戈壁）等地区。

从时间上讲，临哈铁路冬春季大风日数多，尤其是额哈段上风向有开阔沙源的区域（例如K360、420、天策铁路K10等位置区段），全年八级以上大风日数12~70 d，沙尘暴日数10~50 d，风期5~6个月。年平均风速2.1~4.7 m·s^-1，沿线主风向为西风、西北风，伴有西南风。冬春季无积雪覆盖，地表极度干燥，同时这一时期也是大风多发时期，最高风速达28.6 m·s^-1。

近十余年采取的主要防沙措施包括：外围布设1.2~1.5 m高立式沙障、内侧布设规格不同的HDPE固沙网格、在天策铁路和K745路段分别开展了梭梭人工灌溉造林和滴灌种植试验段、在接近临河区段飞播沙生植物（柠条、梭梭、花棒、白刺、白沙蒿和沙枣等）。整体上沿线主要防沙体系依据远阻、近固原则，采用不同宽度防沙带和空白带的间隔设置。

从图5A可以看出，无论沙障、网格还是路基，对南北方向风速分量U均缺乏抑制作用，阻风效率几乎都大于1，而对东西方向风速分量V的抑制作用较大。图5B表明，东西方向阻风效率大多小于1。这可能与观测期间的主风方向（西南偏西262°）相关，东西方向风速分量V遇到障碍物时，大部分被阻挡（图5B），另一部分向南分流导致了U值正向增大，即阻风效率大于1（图5A）。

图5C表明垂直阻风效率变化很大，在沙障积沙区1 m高度垂直方向上最大阻风效率为15.24，出现在沙障顶上风向2 m位置处，而不是在沙障顶部，这与三维阻风效率特征一致。网格区（2 m宽、30 cm高）平均垂直阻风效率为1.53。在路基迎风侧，垂直风速开始随坡面急速上升，到达路肩位置阻风效率为8.35，而后继续增加直到背风侧钢轨位置达到极值9.28，在背风侧路肩位置，垂直风速的阻风效率急速下降至0.56。在铁路背风侧的网格区平均垂直阻风效率为0.46。

观测期主方向为西南偏西262°，南北和垂直分量很小，因此合成三维风速（图5D）、合成水平风速和东西向风速分量V（图5B）很接近。图5D表明，在高立式沙障积沙区上风向，曲线有一定的波动，这可能与灌丛沙堆（高度为30 cm，覆盖率约为10%）的扰动相关。在气流到达高立式沙障顶部之前，三维风速随地势上升开始加速，到达沙障顶，1 m高度处的三维风速达到最大值，是固定点相应值的1.21倍，背风坡区域三维风速开始急速下降，到背风坡中部位置，下降到固定点相应值的0.62倍，在背风坡脚为相应值的0.75倍。网格区（2 m宽、30 cm高）1 m高度处的平均阻风效率为0.90。在路基区，三维风速比值开始由迎风侧坡脚的0.88增加到迎风侧路肩的1.27，但最大比值1.35出现在距离路肩5 m处的迎风坡面上，在背风侧，比值逐渐下降到背风坡脚位置处的0.71。在路基背风侧的网格区（1.5 m宽、30 cm高）阻风效率为0.96，更大的网格区（2.5 m宽、40 cm高）阻风效率为0.85。在下风向旷野区域基本恢复为上风向旷野区域的风况。整体上，沙障背风侧和网格区的平均三维阻风效率分别为0.79和0.90，均小于上风向原始旷野的三维风速。因此，阻沙障和网格的设置有效减小了三维风速，抑制了起沙的发生。

图5E表明，除了沙障和路基的背风侧，其余大部分观测点垂直风速基本向上，说明防沙工程和路基背风侧存在下沉气流，但下沉气流的速度很小，平均值仅为-0.19 m·s^-1。上升气流的速度在沙障顶和迎风侧路肩达到最大值，分别为2.31 m·s^-1和1.78 m·s^-1。

图6A表明，工程区南北向阻风效率大部分小于1，说明南北向风速分量被抑制。东西向阻风效率（图6B）的大小和趋势基本与三维阻风效率一致（图6D）。

图6C表明，垂直阻风效率很高，在路基区的迎风侧路肩位置甚至达到了123.74，这可能与固定点垂直风速特别小有关，平均值仅为-0.0047 m·s^-1。在沙障积沙区和路基区域的阻风效率呈现出迎风坡增加、背风坡减少的基本趋势。样带的小网格区376 m位置处在一片洼地的下风向边缘，因此出现了极大值-159.36。

图6D表明，天策铁路K25风沙工程区各观测点1 m高度三维阻风效率基本都小于1，说明该区域风沙工程的布设有效降低了三维风速。上风向共设置4道沙障，平均间距为35 m，其中第四道沙障前后都设置有小网格（1 m宽、20 cm高），每道沙障顶到下一道沙障迎风坡脚的平均阻风效率依次为0.80、0.86、0.90、0.45。如果多道沙障的阻风效率存在叠加效应，阻风效率将依次减小，但前三道沙障的阻风效率依次增加了，可能说明沙障间距设置偏大，前一道沙障没有有效地保护到后一道沙障，第四道沙障阻风效率为0.45，可能受到前后网格的影响。间距设置偏大可能导致沙障间积沙量的减少，多道沙障整体阻沙效率降低^［13-15］。据此，建议后期沙障设置过程中将沙障间距缩小为20 m，提高前一道沙障对后一道沙障的保护作用，使后排沙障的阻风作用层层递增，从而增加积沙量，减少风沙向铁路的输送。另外，在铁路迎风侧小网格（1 m宽、20 cm高）的阻风效率平均值为0.75，大网格（2 m宽、50 cm高）的阻风效率平均值为0.67，表明大网格抑制风速的能力更强，具有更强的阻沙、固沙作用。

图6E表明， 除了迎风坡脚到沙障顶或道心，垂直风速基本呈现向上且增大趋势，其余位置气流通过沙障顶或道心后急速向下俯冲且增大，在背风坡脚和背风路肩位置时达到最大，说明防沙工程导致了下沉气流，有效抑制了起沙的发生。整体垂直风速-0.91~1.44 m·s^-1，变化趋势基本与三维风速比例相同，即迎风侧增加，背风侧减小。铁路迎风侧小网格区（1 m宽、20 cm高）的平均垂直风速为 -0.11 m·s^-1，大网格区（2 m宽、50 cm高）的平均垂直风速为-0.15 m·s^-1。

图7表明，整体上防沙网格内沙层湿度明显高于沙障积沙带的沙层湿度，防沙网格内沙层湿度随深度递增，通常在20 cm深度达到最大湿度，尔后缓慢增加或趋于稳定。K361和K420位置防沙网格内5~30 cm厚的沙层湿度3.5%~8%，K586辉森和古居延泽位置不同深度的沙层湿度2.0%~10%，K431湿度较好，5~25 cm深的沙层湿度4%~16%。

受灌溉影响的K407梭梭植树坑内，30~50 cm深度的沙层湿度为6%~20%，天草站滴灌试验段距滴头20 cm处，5~60 cm深度的沙层湿度为12%~20%。可见，在灌溉情况下，防沙网格内底部沙层湿度大于10%，高于梭梭种植的最低需水量4%，在保障灌溉的前提下，可满足梭梭在该戈壁沙害区段的种植需要。所有调查区段内，沙障积沙带的高度一般低于2 m，其顶部、底部和戈壁近地表的湿度值均小于梭梭种植的最低湿度值4%。

以上分析表明，防沙工程积沙会导致沙层湿度的增加，特别是在防沙网格内^［16］。4月防沙网格内较之沙障积沙带具有更高的湿度，深层湿度大于4%，在有灌溉情况下可达10%以上，因此防沙网格积沙后，在保证初期灌溉情况下，可达到梭梭种植的水分要求。

沙粒平均粒径为0.133~0.497 mm，在天草站滴灌试验段，因为有砾浪分布，沙粒的平均粒径较粗，在沙山底部网格内地表沙粒的平均粒径达到了0.50 mm（表1）。另外，固沙网格内沙粒平均粒径为0.259 mm，大于沙障积沙带顶部的沙粒平均粒径0.219 mm，可能是由于沙障较之网格，阻风效应更强，背风侧具有更大的风影区和更小的风速，有利于细颗粒的沉积。底层沙粒粒径为0.160 mm，较表层沙粒0.338 mm更细。轨道间的沙粒粒径为0.146 mm，属于所有样品中的偏细沙，这说明在风沙传输过程中，细颗粒有更大概率越过沙障，继而沉积在路基区域，而防沙工程对固定较粗的沙粒更加有效。

在典型沙害区段K66-67、K85-91和K209-217，梭梭、柠条和白刺的盖度可达到20%左右，是区域主要建群种，另外白沙蒿也有10%左右的盖度（表2）。临哈铁路、天策铁路沿线各防沙工程区内植物种类仅为1~6种，植物总种数为17种，其中3个路段（K67-77、K85-91和K209-217）通过十余年的治理，总盖度已大于45%，依次为61.02%、53%和45.75%，沙面已经处于稳定状态，但由于上风向的流动沙丘、沙片分布较广，在防沙体系外围，后续仍需补强工程和生物防沙措施，以巩固固沙效果^［17］。

两个典型防沙工程断面的三维流场观测数据表明，高立式沙障和大小网格在一定程度上均减少了工程区1 m高度的三维风速，有效抑制了风沙上路的几率。整体上，K420防沙工程样带沙障背风侧和网格区1 m高度处，平均三维阻风效率分别为0.79和0.90，均小于上风向原始旷野的相应值；天策铁路K25防沙工程样带1 m高度处大网格（2 m宽、50 cm高）平均三维阻风效率为0.67，优于小网格（1 m宽、20 cm高）的阻风效率0.75。在垂直方向上，防沙工程造成的下沉气流，有效抑制了起沙的发生，特别是大网格会导致更大的下沉气流。在天策铁路多道沙障的设置中，建议将沙障间距由目前的35 m减小到20 m，使每道沙障都处在前道沙障的风影区内，以增强前道沙障对后道沙障的保护作用，提高多道沙障阻风效应的叠加性能，使后续沙障的障后风速降到更低，更多的沙粒沉降固定在沙障之间，继而减少风沙掩埋路基的危害。

在4月梭梭种植季的沙层湿度调查发现，整体上防沙工程积沙后会在一定程度上增加沙层湿度，防沙网格内沙层湿度明显高于沙障积沙带，且湿度随深度递增，通常在20 cm深度达到最大值，尔后缓慢增加或趋于稳定。在防沙网格内，深层湿度大于4%，在有灌溉情况下可达10%以上，因此定植期间保证灌溉，可满足梭梭的种植和正常生长。沿线粒度分析表明，沙粒平均粒径固沙网格内（0.259 mm）>沙障积沙带顶部（0.219 mm）>轨道间（0.146 mm），这说明在风沙传输过程中，细颗粒有更大概率越过沙障，继而沉积在路基区域，而防沙工程对固定较粗的沙粒更加有效。植被样方调查表明，临哈铁路、天策铁路沿线各防沙工程区内植物种类仅为1~6种，植物种总数为17种，梭梭、柠条、白刺和白沙蒿是区域主要建群种。通过飞播营造的柠条和白刺灌丛沙堆，在固定流动沙丘方面发挥了重要作用。

研究结论对戈壁地区铁路的工程防沙具有一定的实践指导意义。首先，大网格导致更强的下沉气流，并具有更高的阻风效率，积沙量多，使用年限更长，因此，在沙源充足地区，戈壁铁路的风沙治理建议使用大网格；其次，将目前35 m的沙障间距减小到20 m，使前排沙障的障后风影区和后排沙障的障前低速区部分重叠，会提高前排沙障对后排沙障的保护作用，增加两道沙障之间的积沙，从而减少风沙向路基部位的输移量；另外，戈壁风沙流有遇阻堆积的特征，长期来讲，积沙严重区域的工程措施将面临掩埋后失效的风险，建立低成本、极少灌溉条件下的梭梭、白刺林阻沙带是一条可行措施。该区沙层湿度调查也表明，某些区段防沙网格内积沙后，能够达到梭梭建植的沙层湿度要求。因此，研发此类植物防沙措施，较机械工程措施而言，在戈壁铁路风沙防治中可能会起到更加长期而持续的效果。