风沙活动强度3种估算指标对比及适用性分析
1.
2.
Applicability of three indexes for estimating the intensity of blown-sand activity
1.
2.
收稿日期: 2021-01-21 修回日期: 2021-03-16 网络出版日期: 2021-05-26
基金资助: |
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Received: 2021-01-21 Revised: 2021-03-16 Online: 2021-05-26
作者简介 About authors
王兆云(1994—),女,山东潍坊人,硕士研究生,研究方向为防沙工程E-mail:
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王兆云, 牛改红, 柳本立.
Wang Zhaoyun, Niu Gaihong, Liu Benli.
0 引言
中国是全球沙区交通线路最长的国家,累计长度约为2.3万km[1-2],其中约有6 000 km的风沙危害区段[3],困扰着沙区的交通建设和安全运营[4-5]。为保障交通道路的正常运营,沙区交通路段两侧通常需要进行防护以防止流沙掩埋线路[6-8]。在防护体系设计中,首先需要根据当地的风沙活动强度,确定所需的防护措施和规模[9]。风沙活动强度主要决定于风力和下垫面状况两个因素,评价指标有多种[10],其中风蚀气候侵蚀力、土壤风蚀量常用来评判土地风蚀强度[11],沙尘暴日数、大气降尘量等指标可从宏观上反映不同区域的风沙活动强度差异[12-13],输沙势和沙丘活化指数是常用的风沙活动强度指标[14-15]。
在几十年的实践中,包兰铁路和塔克拉玛干沙漠石油公路防护体系等重大工程的成功,为其他交通线路风沙灾害防治提供了成功的经验。凌裕泉[16]、胡孟春等[17]、王训明等[18]、冯连昌等[19]和徐峻岭等[6]在考虑风沙运动规律、沙丘移动速度和有效使用年限等因子的基础上,结合风洞试验与野外实际观测,分别提出了风沙灾害防护体系的基本宽度模型。这些模型多采用沙丘移动速度作为参考指标,但不同部位的沙丘移动速度有显著差异,受防护体系影响,沙丘移动速度会显著减缓;另一方面,即使沙丘主体没有到达工程区,也会有大量风沙物质以风沙流的形式导致风沙危害;此外,很多工程项目建设在没有沙丘的地区,因此沙丘的移动速度难以直接作为防护宽度设计的参考。更重要的是,这些指标一般仅考虑风力,不能表达风速、降水、温度等气候因子的综合作用,难以在特定研究区外推广。
具体风沙灾害防护体系的设计,应当综合考虑气候条件、地表特征、工程走向等多方面参数。目前,输沙势、风蚀气候侵蚀力和沙丘活化指数是广泛使用的风沙活动强度估算指标,可获得量化的结果,但各自的适用性如何,鲜有相关研究报道。在中国北方风沙区选择多个防沙工程的具体案例,分别计算其风蚀气候侵蚀力、沙丘活化指数和输沙势,并分析地表覆盖度、工程走向导致的差异,指出各指标的优缺点和环境适宜性,以期提出一种准确度高、适用性广、可操作性强的具体工程风沙活动强度估算指标。
1 研究方法
1.1 研究区概况
1.1.1 工程案例选择及自然环境概况
共选取6条沙区铁路、两条沙区公路的14个路段。其中,沙区铁路包括包兰铁路(包头-兰州)K707段(RB707)和K709段(RB709),临哈铁路(临河-哈密)K420段(RL420)和K745(RL745),天策铁路(天鹅湖-策克)K25段(RT25),兰新高铁(兰州-乌鲁木齐)K2828段(RX2828)和K3010段(RX3010),敦格铁路(敦煌-格尔木)K77段(RD77),哈罗铁路(哈密-罗中)K105段(RH105)、K107段(RH107)和K109段(RH109);公路工程包括内蒙古S315公路K19段(S19)、K23段(S23)和民湖公路南段(M)。分布区域为内蒙古西部阿拉善高原地区、甘肃西北部河西走廊、敦煌地区和新疆东部哈密地区等(图1),是亚洲内陆沙漠和戈壁集中连片分布的地方,地势平坦且风速较大,分布有巴丹吉林、腾格里沙漠和库姆塔格沙漠,沙源丰富,总体风大沙多,风沙活动频繁。研究区范围为36°—44°N、92°—107°E,气候条件多样,自东向西由干旱区过渡到极端干旱区,所选案例可以覆盖沙区的大多数气候类型。
图1
降水和风速是最主要的气候要素,也是风蚀气候侵蚀力和沙丘活化指数使用的计算参数。如图2所示,包兰铁路案例段和民湖公路南段案例段年降水量分别为133.64 mm和118.27 mm,属于干旱区,其余路段年降水量均在50 mm以下,属极端干旱区。研究区最小月均风速出现在民湖公路段,为1.31 m·s-1,最大月均风速出现在兰新高铁K3010段,为6.44 m·s-1。风沙活动强度的科学估算指标,应当充分考虑降水和风速的差异。
图2
图2
工程案例区域的年降水量和风速
Fig.2
Annual precipitation and mean wind speed in the engineering case sections
1.1.2 防沙工程概况
由于沙区交通线路不同侧风沙危害可能存在明显差异,有的仅在一侧布设防护工程。所选路段共有23个具体工程案例,包括包兰铁路K707段和K709段两侧、民湖公路南段两侧、天策铁路K25段两侧、临哈铁路K420段南侧和K745段两侧、S315公路K19段和K23段两侧、敦格铁路K77段西侧、兰新高铁K2828段和K3010段两侧、哈罗铁路K105段和K107段西侧、K109段北侧。通过卫星影像识别、实地考察和查阅文献等方式获取每个工程段工程体系的布设走向、地表特征和风沙危害现状,具体信息见表1。
表1 选取的防沙工程体系信息
Table 1
工程案例段 | 工程走向 | 方向 | 编号 |
---|---|---|---|
包兰铁路K707段 | ENE-WSW | 东侧 | RB707-E |
西侧 | RB707-W | ||
包兰铁路K709段 | NE-SW | 东侧 | RB709-E |
西侧 | RB709-W | ||
民湖公路南段 | ESE-WNW | 北侧 | M-N |
南侧 | M-S | ||
临哈铁路K420段 | ESE-WNW | 南侧 | RL420-S |
天策铁路K25段 | N-S | 东侧 | RT25-E |
西侧 | RT25-W | ||
S315公路K19段 | NNE-SSW | 东侧 | S19-E |
西侧 | S19-W | ||
S315公路K23段 | 东侧 | S23-E | |
西侧 | S23-W | ||
临哈铁路K745段 | W-E | 北侧 | RL745-N |
南侧 | RL745-S | ||
敦格铁路K77段 | N-S | 西侧 | RD77-W |
兰新高铁K2828段 | NNW-SSE | 东侧 | RX2828-E |
西侧 | RX2828-W | ||
哈罗铁路K105段 | NNE-SSW | 西侧 | RH105-W |
哈罗铁路K107段 | W-E | 西侧 | RH107-W |
哈罗铁路K109段 | 北侧 | RH109-N | |
兰新高铁K3010段 | W-E | 北侧 | RX3010-N |
南侧 | RX3010-S |
1.2 评价指标与数据来源
1.2.1 评价指标
1.2.1.1 风蚀气候侵蚀力(C)
式中:u
式中:u2为2 m高度风速,u10为10 m高度风速。
使用气温、相对湿度等数据,计算月潜在蒸发量[26]:
式中:Ti为月平均气温(℃);ri为月平均相对湿度(%)。
1.2.1.2 沙丘活化指数(M)
式中:W为风力因子;PM为降水因子;PE为蒸散发因子。W为关于月平均风速的函数W∝u3;PM取当月与前月降水量的均值,以表达降水对土壤风蚀影响的延迟效应[29],即:
式中:P-1为前月降水量(mm);P0为当月降水量(mm)
PE根据Thornthwaite公式计算获得[30],其表达式为:
式中:L为各月的日照时间(h);N为各月天数(d);T为月平均气温(℃),小于0按0计;I为热量指数;a为关于I的系数。
1.2.1.3 输沙势( )
输沙势是用来衡量区域风沙活动强度的重要指标之一,反映风速统计中某一方位风在一定时间内搬运沙的能力,又称为输沙风能。目前输沙势计算比较通用的公式为Fryberger选用的莱托方程[20],即:
式中:DP为潜在输沙率,即输沙势(矢量单位:VU);u为风速(节);ut为起沙风速(节,1节≈0.5 m·s-1)。不同的案例区域,受沙粒粒径和植被覆盖度等因素的影响,起沙风速有所差异,其中,兰新高铁路段途径烟墩风区与百里风区,均为戈壁大风区,依据沿线实测起沙风速[31-32],确定RX2828起沙风速为8 m·s-1,RX3010为12 m·s-1,其余案例均为5 m·s-1[33]。
1.2.2 数据来源
沙丘活化指数与风蚀气候侵蚀力计算过程中,所用的指标包括月平均风速、降水量、平均气温和平均相对湿度。对所选工程案例段就近选取气象站获取数据资料。其中,包兰铁路案例段采用宁夏沙坡头沙漠生态系统国家野外科学观测研究站所得数据集(
表2 气象数据来源说明
Table 2
工程案例段 | 就近选取 的气象站 | HOBO自动气象仪 数据时间 |
---|---|---|
RB707/RB709 | 沙坡头 | 2010-06-01—2020-05-31 |
M | 民勤 | 2014-01-01—2016-12-31 |
RL745 | 额济纳旗 | 2019-07-01—2020-07-01 |
RL420 | 2019-11-10—2020-11-10 | |
RT25 | 2019-11-10—2020-08-27 | |
S19/S23 | 2016-06-01—2017-05-31 | |
RD77 | 敦煌 | 2016-06-10—2017-05-31 |
RX2828 | 哈密 | 2018-01-01—2018-12-31 |
RX3010 | 2016-01-01—2016-12-31 | |
RH105/RH107/RH109 | 2018-04-01—2019-03-30 |
2 结果与分析
图3
图3
工程案例区段3种指标风沙活动强度
Fig.3
Distribution of three intensity of blown-sand activity indexes in Engineering Cases
2.1 计算结果的一致性
图4
2.2 计算结果的相对准确性
RT25、RL420、RL745和RH107段的计算结果中,输沙势表征的风沙活动强度最大,其次是沙丘活化指数,最后是风蚀气候侵蚀力,各指标间的差异明显。对比工程案例实际风沙灾害状况发现,RT25段为开阔沙砾质戈壁区,分布有大面积流动沙丘,路基上存有积沙(图5A),RL420段和RL745段途径砂砾质戈壁和风蚀宽谷的松散细物质[35],沿线沙源丰富,铁路线路上同样存在积沙现象(图5B、C),表征此处风沙活动强度高,风沙危害大;RH107段所经地区,大风频繁,地表基本无植被,呈现荒漠戈壁景观,地表细颗粒土被吹蚀搬运,致使防护体系内积沙厚0—0.5 m,局部可达1 m,风沙活动强度高,对路基造成极大威胁(图5D)。输沙势表征的风沙活动强度结果高于风蚀气候侵蚀力和沙丘活化指数,工程受到的实际风沙灾害都较为严重,表明在降水稀少的极端干旱地区,3种指标计算结果虽然整体趋势较为一致,但根据高精度风速风向数据得出的输沙势指示意义更加明显。
图5
图6
图6
RB707、RB709段和M段输沙势玫瑰图
Fig.6
Roses of sand transport potential in RB707, RB709 and M sections
2.3 计算结果的工程线路的方向差异性
在沙区交通沿线,同一个区域依据风力资料得出的风沙活动强度一般只有一个数值,但由于交通线路走向和线路本身的阻挡作用,线路两侧的实际风沙状况可能存在较大差别;在野外实际考察中,同一条线路工程两侧风沙灾害状况有显著差异,例如RT25段,西侧风沙活动强度高于东侧(图7)。为对比同一工程不同侧别的风沙活动强度,分别选取工程两侧上风向的9个方位的输沙势,根据矢量合成法则得到两侧的合成输沙势(RDP)。因为所选线路存在偏东西和偏南北两种走向,故根据工程走向按东侧/南侧、西侧/北侧进行计算。
图7
由图8可以看出,同一个工程案例两侧的输沙势存在不同程度的差异。在所选的工程中,整体上呈现出西侧/北侧大于东侧/南侧的趋势,与中国北方地区西北风偏多、风速更大的情况一致。其中,RB707、RB709、RD77和M段两侧输沙强度十分接近,其他路段两侧差异均十分明显,最大差异出现在RX3010段,此处输沙势两侧相差90多倍,差值为1 133.91 VU。
图8
图8
工程案例不同侧输沙势
Fig.8
Sand drift potential on different sides of the engineering cases
这说明在实际的工程应用中,同样的防护体系,在线路两侧会有截然不同的防护效果。在进行风沙活动强度评估、指导防护体系建设时,所用指标应能反映工程走向导致的风沙活动强度差异,但目前除输沙势以外,大多数指标中并没有表达风向的参数。
3 讨论
受植被覆盖度和沙源的影响,几种指标计算的风沙活动强度与实际的风沙危害程度不一定对应,例如RX3010段的指标数值最高,但沙害程度比RX2828低。中国沙区面积广阔,不同区域沙源与地表覆盖因子有显著差别,戈壁砾石、植被起到显著的稳定地表、阻截流沙等作用[36]。因此,在沙源丰富程度与植被覆盖度大致相同的地区,采用本文所选的3种指标结果较为一致。
在年降水量少于50 mm的极端干旱地区,输沙势的计算结果更高,表征风沙活动强度的能力更加灵敏,如RT25、RL420、RL745和RH107段;但在年降水量大于100 mm的一般干旱地区,如RB707、RB709和M段,降水、气温等其他要素的影响显著,输沙势计算结果比另两个指标低。这说明输沙势考虑的因子单一,估算结果较为局限,而沙丘活化指数和风蚀气候侵蚀力计算过程使用风速、降水和气温等多个气象数据,考虑的参数更全面。
所选线路两侧的风沙活动和沙害情况存在显著差异,月平均风速最大的RX3010段,两侧输沙势差异最高可逾90倍。在实际的风沙活动强度评估工作时,高精度的风速风向数据不易获取,往往需要重新架设观测仪器;而风蚀气候侵蚀力和沙丘活化指数计算涉及的月平均气温、降水量等要素可以通过就近气象站获得长期资料,计算结果也具有一定的实用性,但不能考虑风沙活动的方向性。因此,应考虑结合3种指标的优点,同时注意地表沙源特点及工程走向,提出一种能够更加全面反映气候特征、沙源丰富程度、风沙活动方向性的指标。
4 结论
在不同的气候区,沙丘活化指数、风蚀气候侵蚀力、输沙势3种估算指标反映的风沙活动强度总体趋势较为一致,其中输沙势在极端干旱地区更加灵敏,但其考虑的要素单一,在降水相对较多的区域较为局限。
受沙源丰富程度和植被覆盖度等因素的影响,风沙活动强度估算结果与实际的风沙危害程度可能存在明显差异。
工程两侧的风沙活动强度和风沙危害存在巨大差异,尤其是风速较大的地区,但目前除输沙势以外的大多数指标不能反映该差异。
因此,开展具体工程的风沙活动强度估算和风沙危害防护工程设计,应结合沙丘活化指数、风蚀气候侵蚀力、输沙势等3种指标各自的优势,考虑风速、降水、气温等多种气候参数,同时结合实地沙源丰富程度、植被覆盖度和工程走向的差异,提出一种准确度高、适用性广、可操作性强的风沙活动强度新指标,使其既能表达长期气候特征,又能反映局地工程特点,从而为合理建设风沙防治工程提供指导。
参考文献
风沙危害防治的主要工程措施及其机理
[J].
Wind regime and sand transport in China's Badain Jaran Desert
[J].
铁路沙害治理体系的风沙物理学原理:以包兰铁路为例
[M]//中国科学院兰州沙漠研究所沙坡头沙漠可续研究站.
Development of linear dunes in the southwestern Kalahari,Southern Africa
[J].
Responses of dune activity and desertification in China to global warming in the twenty-first century
[J].
An approach toward a rational classification of climate
[J].
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