库木托拜沙漠公路风沙-风雪复合灾害的形成机制及治理方案

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00032

库木托拜沙漠公路风沙-风雪复合灾害的形成机制及治理方案

李生宇^,¹^,²^,³^,⁴^,⁶, 丁刚⁷, 王世杰¹^,²^,³^,⁵^,⁶, 赵亚洲¹^,²^,³^,⁴^,⁶, 徐新文¹^,²^,³^,⁵^,⁶, 郑婷婷⁸, 武新成⁹

1.中国科学院新疆生态与地理研究所，国家荒漠-绿洲生态建设工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830011

2.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011

3.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆干旱区环境污染与生态修复重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011

4.中国科学院新疆生态与地理研究所，莫索湾沙漠研究站，新疆乌鲁木齐 830011

5.中国科学院新疆生态与地理研究所，塔克拉玛干沙漠研究站，新疆乌鲁木齐 830011

6.中国科学院大学，北京 100049

7.新疆维吾尔自治区应急管理厅风险监测和综合减灾处，新疆乌鲁木齐 830011

8.吉木乃县自然资源局（林业和草原局），新疆吉木乃 836899

9.新疆交通建设集团股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830016

Formation mechanism and control scheme of the compound disaster of blown sand and snow drift on the Kete Highway in the Kumtoba Desert in Xinjiang， China

Li Shengyu^,¹^,²^,³^,⁴^,⁶, Ding Gang⁷, Wang Shijie¹^,²^,³^,⁵^,⁶, Zhao Yazhou¹^,²^,³^,⁴^,⁶, Xu Xinwen¹^,²^,³^,⁵^,⁶, Zheng Tingting⁸, Wu Xincheng⁹

1.National Engineering Technology Research Center for Desert-Oasis Ecological Construction /, Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China

2.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology /, Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China

3.Xinjiang Key Laboratory of Environmental Pollution and Ecological Restoration in Arid Region /, Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China

4.Mosuowan Desert Research Station /, Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China

5.Taklimakan Desert Research Station, Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China

6.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

7.Department of Risk Monitoring and Comprehensive Disaster Reduction，Agency of Emergency Management of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，China

8.Natural Resources Bureau （Forestry and Grassland Bureau） of Jeminay County，Jeminay 836899，Xinjiang，China

9.Xinjiang Communications Construction Group Co. LTD，Urumqi 830016，China

收稿日期: 2022-03-09 修回日期: 2022-04-04

基金资助:

中国科学院A类战略性科技先导专项. XDA2003020201

Received: 2022-03-09 Revised: 2022-04-04

作者简介 About authors

李生宇（1975—），男，河北宣化人，教授级高工，主要从事风沙灾害与荒漠化防治研究E-mail：lishy_hb@163.com , E-mail：lishy_hb@ 163.com

摘要

伴随交通建设的快速发展，极端环境对交通造成了复杂多样的灾害。穿越新疆库木托拜沙漠的克特公路冬季遭遇频发的风沙-风雪复合灾害，危害严重。此种灾害的发生与区域特殊孕灾环境有关（冬季有强劲的“闹海风”和丰富的风沙（雪）源），也与公路防沙体系布局和路基断面设置以及清沙（雪）堆放等人为扰动有关。本研究按照因地制宜、因害设防、顺应自然、标本兼治的防治原则，提出了加强防护能力、机械防治与植物防治相衔接的防治思路，制定了路侧地形平整、阻-固-输结合防护体系建设及后期科学管护的综合治理方案，以统筹防治春季风沙灾害与冬季风沙-风雪复合灾害。

关键词： 风沙-风雪复合灾害 ; 孕灾环境 ; 形成机制 ; 治理方案 ; 库木托拜沙漠 ; 吉木乃县

Abstract

In recent years， with the rapid expansion of highway construction area in China， some problems about wind force disasters on highway have appeared under special environmental conditions， which seriously threaten the safety of highway traffic. The compound disaster of snow drift and blown sand on Kete Highway in Altay Prefecture of Xinjiang just is a special seasonal wind-driven disaster. It is found that the occurrence of this kind of disaster is related to the regional disaster-pregnant environment with the reginonal east gale and abundant sand & snow sources in winter， as well as the layout of sand control system， the configuration of subgrade section and the artificial disturbance such as sand or snow stacking. In accordance with the principle of adapting measures to local conditions， fortifing against harm， complying with nature and addressing both symptoms and root causes， strengthening protection ability， and linking mechanical control with plant control have been formed in order to comprehensively control the blown sand disaster in spring and sand-snow compound disaster in winter. A comprehensive treatment scheme of road side terrain leveling， resistance-solid-transport structure protection system construction and later scientific management and protection has been formulated. This research results can provide a scientific plan for the disaster prevetion of Kete Highway， and also provide a reference for similar disaster control in other areas.

Keywords： compound disaster of blown sand and snow drift ; disaster-pregnant environment ; formation mechanism ; control scheme ; Kumutoba Desert ; Jeminay County

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本文引用格式

李生宇, 丁刚, 王世杰, 赵亚洲, 徐新文, 郑婷婷, 武新成. 库木托拜沙漠公路风沙-风雪复合灾害的形成机制及治理方案. 中国沙漠[J], 2022, 42(6): 14-24 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00032

Li Shengyu, Ding Gang, Wang Shijie, Zhao Yazhou, Xu Xinwen, Zheng Tingting, Wu Xincheng. Formation mechanism and control scheme of the compound disaster of blown sand and snow drift on the Kete Highway in the Kumtoba Desert in Xinjiang， China. Journal of Desert Research[J], 2022, 42(6): 14-24 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00032

0 引言

灾害及灾害系统均具有复杂性^［1-2］。复合灾害通常指一个灾害的发生引发其他类型的灾害^［3］。与单一灾害相比，复合灾害更加复杂，治理难度也更大^［4］。

风沙流和风吹雪都是风力驱动下的地表气固两相流，均是陆表物质的再分配过程^［5-6］。风沙流是干旱、半干旱地区典型的地表过程，在沙漠和沙地尤为活跃，是风沙地貌塑造的重要外营力。风雪流在全球广泛分布在温带、寒带及高山地区^［7］，是改变积雪分布的重要过程^［6］。以往研究多关注单独的风沙过程^［7-9］和风雪过程^［10-12］，而对两者共同发生的情况关注较少。青藏高原、内蒙古高原等地区在一定条件下可发育风雪流^［13-15］。风沙流和风吹雪是重要的自然致灾因素^［16-17］，对交通线路危害极大^［18-19］，而冬季的风沙-风雪复合灾害危害更大^［20］。实际上，风沙-风雪复合活动存在地域较广，影响很大，是制约新丝绸之路经济带交通发展的重要问题，但目前对这种灾害认识程度较低，亟待开展相关研究。

本文以新疆阿勒泰地区吉木乃县境内的库木托拜沙漠为研究区，针对区内克特公路普遍存在的风沙-风雪复合灾害，通过实地调查、数据和理论分析，结合相关研究成果，构建了克特公路综合防灾体系，对于确保区域交通畅通和保障生产生活具有重要实践价值，也可促进中国交通安全保障的科技进步。

1 区域背景

1.1　地理位置

库木托拜沙漠位于额尔齐斯河中国段下游，是哈-布-吉沙漠群（近期学者称其为恰夏克多库姆沙漠^［21］）中的一片沙漠，而在早期文献中称作库姆求别沙漠^［22］，具体位于新疆准噶尔盆地西部的萨吾尔山北麓和额尔齐斯河南岸，西南距吉木乃县城约20 km（图1）。它跨越中国-哈萨克斯坦边境，西部发源于哈萨克斯坦斋桑泊东岸的荒漠区，向东绵延扩展至中国新疆阿勒泰地区吉木乃县境内，东西长39.18 km，南北宽12.52 km，总面积230.30 km²（国外部分75.87 km²，占32.94%，中国部分154.43 km²，占60.06%）。该沙漠地势整体呈西低东高（最大高差达120 m），主体为流动沙漠（植被盖度低于10%），分布有横向沙垄、新月形沙丘链和新月形沙丘，南北缘为固定、半固定沙漠，发育有线性沙垄（图1），地表稀疏分布有银灰杨(Populus canescens)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、沙拐枣(Calligonum mongolicum)、梭梭(Haloxylon ammodendron)等植物。

图1

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图1 库木托拜沙漠和克特公路地理位置示意图

Fig.1 Map of the location of Kumtoba Desert and Kete Highway in Northwest Xinjiang， China

1.2　自然条件

吉木乃县为温带大陆性气候，多年平均气温4.2 ℃，7月最高日平均气温28 ℃，1月最低日平均气温-17 ℃，年极端最低和最高气温分别为-38.8、37.2 ℃。区内气候干旱，多年平均降水量202.8 mm，而蒸发量达2 140 mm；降水集中在夏季（占32.56%），秋季（占26.25%）和春季（占25.70%）其次，冬季（占15.49%）最少，而降水日数季节分布相对均匀，而11月和12月相对较多（图2）。

图2

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图2 吉木乃县气温和降水的年内变化

Fig.2 Annual variation of air temperature and precipitation in Jeminay County

该区纬度较高，气温较差大，无霜期短，由于地处西伯利亚寒潮入侵通道，加之山谷地形影响，雷暴、冰雹、大风、沙尘暴等灾害性天气较多，年均大风日数达39.8 d，为额尔齐斯河谷西部风区的重要组成部分，是新疆九大风口之一。

1.3　克特公路

为了改善边境团场交通条件，2007年新疆生产建设兵团第十师沿中哈边境修筑了克特公路（初为砂砾石路面，2012年改为沥青路面，图1）。它全线位于新疆阿勒泰地区的哈巴河县和吉木乃县境内，北起185团团部的克孜乌雍克，南至186团的特什特巴依阔腊斯，北连阿黑土别克口岸和185团边防站，南连吉木乃口岸和186团边防站，为三级公路，全长113.94 km。克特公路是新疆生产建设兵团农十师边境团场的重要干线公路，是边境巡护和物资输送的交通要道，为新疆阿勒泰地区公路网的重要补充，对保障国防安全、发展区域经济具有重要意义。克特公路南北穿越库木托拜沙漠，沙漠段全长约11.4 km。

2 公路沿线的风营力灾害

库木托拜沙漠地处风口，风力强劲，地表沙源丰富，冬季漫长，降雪量大，风力对沙物质和积雪搬运形成风沙流和风雪流，致使区域风沙和风雪灾害多发，威胁克特公路沿线基础设施安全，影响交通运输及牧业生产。

2.1　基础设施灾害

实地调查发现，克特公路沿线的国界碑（图3A）和围栏基座（图3B）因风蚀而出露或悬空，稳定性下降乃至倾倒；也因沙丘移动而被掩埋（图3C），形成多段防护漏洞区，维护投入大。

图3

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图3 克特公路沿线国防设备的风沙灾害

Fig.3 Sand disaster of the national defense equipments along Kete Highway

2.2　公路灾害

克特公路沿线强烈的风沙和风雪活动使能见度降低，司机视野变差，路况恶化，风沙（图4A、B、C）、风雪、风沙-风雪复合灾害严重（图4D）。这些风营力灾害集中发生在流动沙漠段，而固定、半固定沙漠则很少发生。风沙灾害不仅有片状积沙（图4C），也有沙丘前移压埋（图4B），既可发生在春季（风季），在冬季还能与风雪灾害一起发生，大面积路面被沙、雪混合物掩埋（图4D、E），车辆通行困难，严重影响巡护工作。夏季只有用铲车多次清理路面积沙（图4F）才能保障克特公路畅通，冬季仅铲出部分路面使车辆勉强通行，车辆遇险则需紧急救援。每年清沙、清雪等维护费用高昂。

图4

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图4 克特公路沿线的风营力灾害

A、B、C春季风沙灾害，D、E、F冬季风沙-风雪复合灾害

Fig.4 Wind force disasters along Kete Highway

风雪灾害也是阿勒泰地区、塔城地区及天山山区普遍的交通线路灾害^［23-25］，该区的公路风沙灾害与其他地区基本类似，但风沙-风雪复合灾害则是克特公路面临的季节性特殊灾害。由于冬季气候严寒，沙雪混合物融冻变化明显，清理难度大，对车辆通行影响大。

3 公路风沙-风雪复合灾害的发生机制

3.1　孕灾环境条件

3.1.1　丰富的沙源和降雪

库木托拜沙漠降水量大于古尔班通古特沙漠，但由于冬季大风盛行，降雪多被吹走，少有积雪，积雪融水对土壤水分补给少，而大风又增强水分蒸发，使沙层含水量整体较低，满足不了灌草植物种子的萌发条件，地表状态不稳定，苗木难以生长，因此该沙漠整体为流动沙漠。沙丘以横向沙垄、新月形沙丘及沙丘链为主，高10—20 m，个别高达100 m^［21］。克特公路沿线沙面裸露，植被稀少，仅在沙丘迎风坡和背风坡脚有芦苇（Elumus gigantus）和雅葱（Scorzonera sp.）生长，在稍低的流动沙丘的迎风坡有稀疏的红皮沙拐枣（Calligonum flavidum）。因而克特公路沙漠段沙源极为丰富。

根据《新疆气候》^［26］，阿勒泰地区多年平均降雪量可达69.7 mm，占全年降水量的30%，降雪日数可达37.9 d，稳定积雪期达130 d；吉木乃县年平均降雪量为54.8 mm，平均积雪厚度为24.6 cm，最大积雪厚度75 cm。这为风吹雪和雪暴发生提供了丰富的物质条件。

3.1.2　强劲的风动力条件

由于库木托拜沙漠没有系统的气象观测记录，本文用距离最近的吉木乃气象站观测数据近似代替。据吉木乃气象站风况资料（2016—2021年），区内多年平均风速为4.00 m·s^-1，最大瞬时风速达36.5 m·s^-1，全年8级（>17.2 m·s^-1）以上大风天气在54 d以上；整体以偏西风（WNW）和偏南风（SSW）为主，也有一定的偏东风（ESE，图5A）。从起沙风（>6 m·s^-1）和输沙势来看，该区为方向相反的双风向环境，按照起沙风频率，主风向为偏西风（WNW、W），次风向为偏东风（ESE，图5B）；而按照输沙势，主导风向为偏东风（ESE），次风向为偏西风（WNW、W，图5C）。该区年均输沙势（DP）达到494.08 VU，年均合成输沙势（RDP）为65.84 VU，年均风向变率为0.14，合成输沙方向（RDD）为12.83°（NNE），合成风方向（RWD）为192.83°（SSW），这与该沙漠整体向东缓慢扩展的实际略有差异。按照Fryberger风能环境划分标准，该区属于高风能（>400 VU）环境，风向方向变率属于小比率（<0.3）。

图5

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图5 吉木乃县风况

Fig.5 Wind regime of Jeminay County

该区风动力条件存在较大的年际变化，尤其以偏东风（ESE）变化最为明显（图6A），年合成输沙方向变化较大（表1）。风动力年内变化明显（图6B），4—9月为风季，尤其春季4、5月风速最大，而10—12月和1—3月为非风季，风速较小；但非风季（尤其11月和12月）降水天气多（图2），多强风，输沙势远大于风季中的6—9月，因此区域冬季的强风不可忽视。

图6

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图6 吉木乃县输沙势时空变化

Fig.6 Temporal and spatial variation of drift potential in Jeminay County

表1 吉木乃县年输沙势变化

Table 1 Drift potential variation of Jeminay County

年份	输沙势 DP	合成输沙势 RDP	方向变率	合成输沙方向 RDD	备注	合成风方向 RWD	备注
2016	613.23	58.41	0.10	350.69	N	170.69	S
2017	388.36	71.69	0.18	87.51	E	267.51	W
2018	615.55	55.98	0.09	355.91	N	175.91	S
2019	495.26	35.76	0.07	2.90	N	182.90	S
2020	409.42	74.33	0.18	66.13	ENE	246.13	WSW
2021	442.64	98.85	0.22	314.25	NW	134.25	SE
平均或总体	494.08	65.84	0.14	12.83	NNE	192.83	SSW

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图7

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图7 吉木乃县风雪期的风况

Fig.7 Wind regime during snow period in Jeminay County

图8

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图8 吉木乃县“闹海风”的日变化

Fig.8 Diurnal variation of reginonal east gale in Jeminay County

图9

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图9 克特公路被风雪流掩埋的草方格沙障及其表面的风沙流

Fig.9 Straw checkerboard buried by snow and wind-sand flow on its surface along the Kete Highway

在风雪期（11月至翌年3月），该区以南风（S）为主，偏西风（WNW）和偏东风（ESE）次之^［27］，但起沙风以偏东风（ESE）为主，偏西风（WNW）次之（图7A）；输沙势也以偏东风（ESE）占绝对优势，偏西风（WNW）输沙势仅为偏东风（ESE）的1/8（图7B）。偏西风（WNW）和偏东风（ESE）是造成公路风沙-风雪灾害的主要风向，尤其以偏东风（ESE）作用最强。偏东风（ESE）是该区重要的风向，一年中59.47%集中发生在风雪期，风雪期输沙势占年总输沙势的71.67%。

偏东大风（ESE）是受吉木乃县东部山脉“峡谷效应”影响而形成的，并伴有雪暴或吹雪等天气现象，当地称为“闹海风”（来源于蒙古语，意为狗狂叫），对农牧业、交通运输业及居民生活危害极大。“闹海风”是一种回流性偏东大风，与冷暖空气的活动以及独特的地形作用密切相关^［28］，具有午后增强而夜间减弱的日变化特征（图8）。吉木乃县年均“闹海风”在8.5 d左右，90%以上集中发生在12、1、2月，而3月出现很少。由于新增积雪在地面滞留时间短而松软，在“闹海风”作用下极易形成吹雪和雪暴天气，80%的“闹海风”发生在小量降雪天气后6 h^［28］。

3.1.3　风向与公路走向大角度相交

无论春季的偏西风（WNW、W），还是冬季的偏东风（ESE），风向与克特公路沙漠段走向夹角均大于60°，正反两个风向输移的风沙和风雪均可入侵公路，因而克特公路沙漠段极易遭受风营力灾害。

3.2　成灾机理及发生过程

3.2.1　冬季活跃的风雪流和风沙流运动

降雪和积雪是风吹雪的物质来源，风是风吹雪的动力^［29］。区内冬季多降雪，且“闹海风”风力强劲，降雪时或降雪后，风力达到一定强度时，吹扬雪粒随风运动，形成风雪流。被风雪流搬运的雪粒在风速减弱的地方堆积起来，形成吹积雪。从风雪流到吹积雪的全过程称为风吹雪（简称吹雪，俗称白毛风）^［29］，是寒冷多风地区的重要地表过程，使自然积雪发生重新分配。根据风速（10 m 高处）对雪粒的吹扬高度以及对能见度的影响，把风吹雪分为低吹雪（风速5—7 m·s^-1，吹扬高度2 m以下，水平能见度大于10 km）、高吹雪（风速8—10.7 m·s^-1，吹扬高度2 m以上，水平能见度小于10 km）和暴风雪（风速大于10.8 m·s^-1，水平能见度小于1 km）^［29-30］。

使地表雪粒开始运动的近地表风速为风雪流的起动风速。影响雪粒起动风速的因素较多，与积雪本身的物理力学性质（积雪密度、雪粒粒径、积雪深度、硬度等）有关，也与环境条件（太阳辐射、气温、地温、地面粗糙度等）有关，其中积雪密度对起动风速和吹雪强度影响较大。随着积雪时间增加及多次搬运，雪粒的粒径和密度逐渐增加，起动风速也逐渐增大（表2），具有随雪粒粒径平方根线性增大的规律^［29］。雪粒密度远远小于沙粒密度（1 141—1 171 g·cm^-3［31］），比表面积大，因而起动风速也远小于沙粒^［32］（表2—3），易于被风吹扬和搬运。

表2 气温低于-6 ℃时10 m 高度不同粒径雪粒的起动风速（引自文献［19］）

Table 2 Threshold wind velocity of snow particles with different particle sizes at height of 10 meters when the temperature is below -6 ℃ （Quoted from Literature ［19］）

积雪种类	干燥新雪	细雪	老细粒雪
粒径/mm	<1	<0.5	0.5－1
平均密度/（g·cm^-3）	0.06	0.18	0.23
起动风速/（m·s^-1）	2.0	3.7－4.2	6－8

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表3 2 m高度不同沙粒粒径的起动风速（引自文献［22］）

Table 3 Threshold wind velocity of sand particles with different particle sizes at height of 2 meters （Quoted from Literature ［22］）

不同沙粒	沙粒粒径/mm
不同沙粒	0.10－0.25	0.25－0.50	0.50－1.00	>1.00
起动风速/（m·s^-1）	4.0	5.6	6.7	7.1

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库木托拜沙漠冬季降雪时及雪停后，较小的风速即可引起风雪流运动，覆盖沙面的新降积雪逐渐被风蚀，直至下伏流沙出露地表，形成积雪与流沙斑块镶嵌分布格局。如风速进一步增大，并达到沙粒的起动风速，则形成风沙流运动，此时地表就形成风雪流和风沙流的复合运动。

3.2.2　公路防沙体系的风雪流灾害

风雪流和风雪流蚀积规律非常相似。当风雪（沙）流经过起伏较大地表、遇到障碍物或地表粗糙度增大时，就会产生旋涡，形成旋涡阻力，使近地表气流发生分离，风速急剧减弱，气流挟雪（沙）能力下降，形成雪（沙）堆积。

为了防治公路风沙灾害，克特公路东西两侧建设了芦苇沙障（图9A），西侧为1道阻沙栅栏（1.2 m高）和100—200 m宽的固沙草方格（1 m×1 m），东侧为20—50 m宽的固沙草方格。沙障地表粗糙度较高，不仅可以防止地表风蚀，还能拦截入侵的风雪（沙）流。该区冬季降雪多，风雪流极为发育，入冬后沙障内即可拦截积雪（含少量积沙，图9A）。经历几场降雪天气过程后，公路防沙体系积雪范围逐渐扩大，乃至阻沙栅栏两侧大量积雪、固沙带绝大多数草方格被填满或完全埋没（图9B）。此时，沙障表面变得平顺，粗糙度较低，防护能力很低，风沙（雪）流则可顺利通过，直达路面（图9C）。冬季实地调查也发现，当年更新的草方格固沙带内形成大量风雪堆积，部分地貌部位草方格甚至被全部埋没。可见，风雪流质轻、易被风搬运的特性及风吹雪活跃的区域特点，使该区公路防沙体系的防护能力在冬季被快速消耗殆尽（翌年春季，积雪融化后，沙障再度出露地表，仍可以再度发挥防沙作用）。

3.2.3　路面风沙-风雪复合灾害

当防沙体系被冬季积雪快速掩埋后，风雪流和风沙流就可从较低粗糙度的沙障积雪表面轻易通过，直达公路路基。在天然沙丘（图10A）、筑路剩余砂砾石堆、路边倾倒沙堆（图10B）、护桩（图10C）以及植物等路侧起伏地形及路堑断面（图10D）的扰动作用下，风雪流和风沙流搬运能力大幅下降，气流挟带雪粒和沙粒堆积在路基上（多呈雪-沙互层结构层理，图11），影响行车安全。在持续的风雪流和风沙流作用下，路基上的堆积物厚度增加、范围扩大，乃至车辆难以通行。

图10

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图10 克特公路的路面风沙-风雪复合灾害

Fig.10 The blowing snow-sand compound disasters on the road surface of Kete Highway

图11

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图11 克特公路的路面风沙-风雪复合灾害形成机制示意图

Fig.11 The diagram of blowing snow-sand composite disaster formation mechanism of Kete Highway

4 风沙-风雪复合灾害的治理对策

4.1　前期防护体系建设的不足

自克特公路建成以来，沙漠段防沙体系几经更新（图12A），基本保障了沿路的国防设施安全（图12B），但防沙体系失效快（图12C），公路风营力灾害几乎连年发生，对交通运输影响极大，成为制约当地经济社会发展的突出问题。

图12

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图12 克特公路沿线新建及被沙埋的草方格沙障

Fig.12 New straw checkerboard and sand-buried straw checkerboard along the Kete Highway

克特公路之前防护体系设计主要存在以下问题：①对该区风营力环境的特殊性认识不足，忽视了区域反风向风雪流的叠加作用，西强东弱的防护体系设计与区域风沙环境不完全适应，东侧防护能力极弱，难以有效防治冬季反风向导致的风沙-风雪复合灾害；②防沙措施较为单一，仅采用常用的阻沙和固沙措施，整体防护能力较弱，防护寿命较短，未利用区域相对较好的天然降水条件，建设植物防护体系；③路基两侧的起伏地形和公路养护沿路倾倒物诱发和加剧了路面灾害。

4.2　治理方案

4.2.1　整体治理思路

为了根治克特公路风沙（雪）灾害，基于对区域特殊风沙环境特点的深入认识和汲取的前期防护教训，风沙-风雪复合灾害防治应坚持顺应自然、因地制宜、科学防治的理念，抓住治理的关键环节，将冬季次风向产生的风沙-风雪复合灾害与春季主导风向产生的风沙灾害统筹协同治理，增强东侧防沙体系的防护功能，提升防沙措施的阻固能力，挖掘区域植被恢复潜力种植耐旱植物种建立植物防沙措施，去除路基两侧的地形起伏干扰，并建设输沙（雪）带，形成阻、固、输相结合的防护体系（图13）。在实际使用时，整个防护体系各带的宽度还需科学确定。

图13

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图13 防沙体系结构示意图

Fig.13 The schematic diagram of sand control system structure

4.2.2　阻沙（雪）带

由于该区风沙和风雪活动输移量大，应着力增强防沙体系的阻挡功能，以延长内部防沙措施的使用寿命。在公路两侧防沙体系的边缘，应建立多道组合式阻沙栅栏（两道间距10 H），以大量拦截入侵风沙（雪）流，并阻挡沙丘移动，也可为固沙（雪）带内防护植物生长赢得时间。组合式阻沙栅栏由2条阻沙栅栏组成，间距为2—3 H^［33-34］，它不仅拦截沙（雪）量大，而且障间堆积体稳定，增强了沙障的整体稳定性，能有效阻挡沙丘移动，并将沙丘分解为风沙流^［35］。由于阻沙带间蚀积变化强烈，植物生长较为困难，无须种植植物。

4.2.3　固沙（雪）带

固沙（雪）带是防护体系的主要功能区，既能防止地表风蚀，还可长期拦截、固定大部分过境风沙（雪），减少进入输沙带和路基的风沙（雪）量。

常规的草方格沙障地表出露高度较小（15—20 cm左右），因而阻截风沙（雪）的空间较小，不适于高输沙（雪）地区，而中立式方格沙障则具有较高的阻、固能力。在阻沙（雪）带内侧，设置较宽的中立式方格沙障（出露高度60—80 cm，边长2—4 m）^［36］。

由图8可知，在草方格固沙带内已经生长了一些植物，说明固沙措施通过捕获降雪和减少蒸发^［37］可以改善土壤水分条件。可以预见，中立式方格沙障冬季可以拦截大量积雪，因而春季方格内具有良好的墒情，可以种植梭梭、柽柳（Tamarix）、沙拐枣、锦鸡儿（Caragana）等耐旱灌木苗木或撒播种子。苗木有中立式方格沙障的保护，可以较好生长并形成防护林带。防护林带能够大幅增强防护体系的固沙（雪）能力，是确保公路长久安全运行的关键。

4.2.4　输沙（雪）带

风沙（雪）流受扰动是产生路面积沙（雪）的关键。在路基两侧建设地形平坦且粗糙度小的输沙（雪）带，经过阻、固带到达的风沙（雪）流受扰动较小，可以以非堆积搬运形式通过输沙带和路面，进入下风侧固沙带，而在输沙带和路面不形成积沙（雪）^［38］。

对于一般路基和浅路堑路段，将公路路基两侧一定宽度范围内的起伏地形进行机械粗平（保持与路面基本平齐），并用芦苇等植物秸秆^［39］、砾石、固沙剂等材料进行固定，形成输沙（雪）带。对中高路基段，在路基两侧一定宽度内进行填方，降低路基的相对高度，去除原设置的护桩或护栏。对深路堑路段，在路基两侧进行挖方，增加路堑宽度，减少回涡气流引发的堆积。

根据公路风雪林带研究，风速减速区范围一般为树高的10—15倍，防雪林带须与路基保持一定距离，以防止积雪上路，产生更大雪害^［40］。输沙（雪）带位于固沙（雪）带与路基之间，固沙（雪）带林背风侧积沙（雪）可在此堆积，因而输沙（雪）带必须保持足够宽度，以防止堆积物掩埋路基。

此外，为了保持输沙（雪）带地形平顺，较高大的风沙（雪）堆积和生长较高植物应及时清除，运输到合适的处置地点，严禁沿路随意堆放。

5 结论与建议

随着中国公路建设地域范围的快速扩展，在特殊环境条件下出现了诸多公路风营力灾害问题，严重威胁公路交通安全，而在新疆阿勒泰地区克特公路发生的风沙-风雪复合灾害就是其中一种特殊的季节性风营力灾害类型。这种灾害的发生与区域丰富的风沙（雪）源和冬季频发的强烈东风引起的风雪-风沙复合运动有关，也与既有公路防沙体系布局、路基断面设置及路侧清沙（雪）堆放有关，而对环境条件的认识不足和对防治难度的低估也是过去治理成效差的重要原因。结合风沙、风雪运动机理及常规工程治理措施和经验，提出了路侧地形平整与阻-固-输结合防护体系建设及利用自然生态恢复潜力在机械防护体系基础上建设植物防护体系的综合治理对策，并给出了维持路侧输沙带功能的后期管护建议。在克特公路风沙-风雪复合灾害具体治理时，还须对公路沿线风动力环境进行定点监测和科学分析，并据此对防护体系配置进一步优化。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

史培军

灾害系统复杂性与综合防灾减灾

［J］.中国减灾，2014，24（21）：20-21.