中国是世界沙区铁路里程最长的国家^［1］。风沙危害一直是困扰沙区铁路建设和安全运营的主要因素^［1-2］。自2006年以来，随着中国铁路网体系结构的日益完善，西部铁路建设步伐加快，沙区铁路风沙危害及防治面临新的挑战^［3］。沙源和风动力是铁路沙害形成的主要环境因子，风沙流是造成各种风沙危害的原动力。风沙环境特征是揭示铁路沙害成因及防沙体系设计的重要前提和理论基础。学者们对包兰铁路^［4-5］、兰新铁路^［6-8］、青藏铁路^［9-12］、兰新第二双线^［13-14］、敦格铁路^［15-16］等铁路典型区段的风动力环境、沙害成因进行了分析，为防沙体系设计提供了科学依据。

酒额铁路（酒泉至额济纳旗铁路）酒泉至东风段升级改造工程，是国家“十三五”规划重大铁路建设项目，对促进区域经济建设和国防建设协调发展具有重要意义。铁路南起兰新铁路酒泉站，向北经酒泉市肃州区、金塔县至中国酒泉卫星发射中心，共新设肃州、金塔、大庄子、上元、河东里、大树里和东风南7个车站，全长243.7 km。自兰新铁路酒泉站接轨，利用华能甘肃酒泉电厂9.9 km线路后，新建铁路123 km，改建既有清绿线铁路109.1 km。酒额铁路酒泉至东风段升级改造工程沿线风沙路段长度约108 km，风沙活动强烈^［17-18］。沿线主要风沙地貌类型有戈壁、流动性沙丘、干涸湖盆等，风沙危害形式以戈壁风沙流和沙丘移动为主。开展酒额铁路酒泉至东风段沿线风沙环境研究，研究结论可为铁路风沙综合防护体系设计提供科学依据。

酒额铁路酒泉至东风段地处黑河下游区域，铁路线穿越金塔盆地和额济纳盆地南部（图1）。沿线风沙地貌类型以冲洪积戈壁、流动性沙丘和干涸尾闾湖湖盆为主，植被稀疏。所在区域深居内陆腹地，降水稀少、蒸发强烈。沿线多年平均降水量为30~60 mm，多年平均蒸发量为2 500~3 600 mm，为典型的大陆性干旱气候区。研究区多年平均气温8~10 ℃，多年平均风速3.4 m·s^-1，8级以上大风日数达54 d，沙尘日数每年多达29 d^［19］。

根据酒额铁路酒泉至东风段沿线铁路沙害现状，在DK78、DK105、DJK169和DJK207（DK表示施工里程，DJK表示既有线升级改造施工里程）架设HOBO风速、风向监测仪（图1~2），其风速量程为0~52 m·s^-1，风向分辨率为1.4°。风速、风向监测时间为2022年1—12月，风速仪架设高度为0.3 m和2 m，风向仪架设高度为2 m，采集频率为1 min，10 min记录一次。同时，在DK78、DK85、DK105、DJK169、DJK204和DJK207架设八方位集沙仪（图1~2），对沿线典型沙害区段不同方位输沙量进行监测。八方位集沙仪高度1 m，集沙效率约70%，分别监测N、NE、E、SE、S、SW、W和NW等8个方位输沙量，监测时段为2021年8月至2022年5月，该数据用来分析铁路沿线输沙量空间分异规律。

10 m高极大风速计算采用普朗特-冯卡·曼速度对数分布律公式：

式中：u为z高度处的风速（m·s^-1）；u_*为摩阻速度（m·s^-1）；κ为卡曼常数（0.4）；z₀为地面粗糙度（m）。通过0.3 m和2 m高度处极大风速计算u_*和z₀，然后代入公式（1）计算10 m高极大风速。

输沙势计算采用Fryberger等^［20］提出的公式：

式中：DP为输沙势，为矢量单位（VU）；V为大于起动风速值的风速（n mile·h^-1）；Vt为起动风速（n mile·h^-1）；t为起沙风作用时间，在统计表中以频率（%）表示。通过矢量合成法将16个方位输沙势进行合成后可以得到合成输沙势（RDP）和合成输沙方向（RDD），它们反映了一个地区输沙能力的大小和输沙净走向。合成输沙势与输沙势的比值称为方向变率（RDP/DP），用来反映一个地区风向组合情况和风信复杂的程度。Fryberger等^［20］根据输沙势大小分为高、中、低3种风能环境（表1）。RDP/DP值越大说明风信情况越单一，越小则说明风信越复杂。一般而言，小比率（<0.3）往往与复合风况相对应；中比率（0.3～0.8）对应锐双峰或钝双峰风况；而大比率（>0.8）则对应于单峰风况。本研究采用2 m高5 m·s^-1作为起沙风速进行输沙势计算。

通过振筛机筛分获取不同粒径组沙粒质量，计算戈壁地表沙粒和沙丘沙不同粒径组分百分含量。粒度分级采用伍登-温德华粒级标准。

酒额铁路酒泉至东风段沿线风沙地貌类型以戈壁为主，其中DK78和DJK169处戈壁砾石覆盖度40%~50%（图3A、B），戈壁地表之上分布流动性沙丘，以新月形沙丘和沙丘链为主。而DJK207处戈壁以沙砾质戈壁为主，砾石覆盖度30%~40%（图3C）。DK78砾石下伏沙以细沙为主，占总沙粒质量的52.2%（图4A），而DJK207沙砾质戈壁砾石下伏沙质层厚度大，以细沙和极细沙为主，含量占总颗粒物的68.2%（图4B），地表破坏后，在风力作用下极易释放沙物质。DK105处为流动性沙丘和干涸湖盆交错区（图3D），干涸湖盆之上的沙丘流动性强，且极易形成风沙流，风沙危害严重（图4C）。

2022年酒额铁路酒泉至东风段DK78起沙风频率为5.58%，主要分布在NW、E和NNW等3个方向，占起沙风总频率的69.05%。其中，NW占起沙风频率的35.00%；其次为E方向，占起沙风频率的17.45%；NNW占起沙风频率的16.60%（图5A）。2022年DK105起沙风频率为9.83%，主要出现在W和ENE两个方向，两者占起沙风速总频率的63.38%。其中，W占起沙风频率的47.88%，E方向占起沙风频率的15.50%（图5B）。DJK169起沙风频率为8.62%，起沙风向多，主要起沙风向为NNW、WSW、ENE、E和N，占起沙风速总频率的57.39%。其中，NNW占起沙风频率的14.65%，WSW方向占起沙风频率的14.14%，ENE方向占起沙风频率的10.22%（图5C）。2022年DJK207起沙风频率为18.44%，主要起沙风向为WNW、NW、NE和NNW，占起沙风速总频率的65.85%。其中，WNW占起沙风频率的26.30%，NW方向占起沙风频率的15.31%，NE方向占起沙风频率的12.43%（图5D）。

2022年酒额铁路酒泉至东风段DK78和DK105距地表2 m高处极大风速分别为18.12 m·s^-1和19.12 m·s^-1，风向分别为NW和ENE，根据风速廓线计算出的10 m高风速分别为21.53 m·s^-1和23.39 m·s^-1，相应风级均为9级。2022年DJK169和 DJK207 距地表2 m高极大风速分别为23.65 m·s^-1和22.14 m·s^-1，风向分别为SSW和WNW，相应10 m高风速为28.10 m·s^-1和26.61 m·s^-1，对应风级均为10级。

输沙势是目前风沙活动强度计算中应用最为广泛的方法，而且是衡量区域风沙活动强度极其重要的指标^［21-22］。 采用2022年酒额铁路酒泉至东风段沿线风速、风向数据资料，对年输沙势（DP）进行了计算。酒额铁路酒泉至东风段沿线年输沙势31.4~176.2VU，属于低风能环境（图6）。其中，DK78、DK105、DJK169、DJK207年输沙势依次增大，分别为31.4、73.2、80.2、176.2VU，RDP/DP分别为0.46、0.63、0.33、0.53，属中比率风况。

DK78为钝双峰风况，主要输沙方向分布在NW和E，两者分别占年输沙势的32.56%和19.43%。DK105为窄单峰风况，主要输沙方向为W，占年输沙势的55.76%。DJK169为复合风况，主要输沙方向分布在E、NNW和WSW，分别占年输沙势的15.54%、14.08%和13.70%。DJK207为锐双峰风况，主要输沙方向分布在WNW和NW，分别占年输沙势的25.81%和17.72%。

从输沙势季节分布看，酒额铁路酒泉至东风段沿线春季输沙势占比最高，占全年输沙势的47%~61%（图7）。

观测期间酒额铁路酒泉至东风段沿线输沙量1.3~3.5 m³·m^-1（图8）。根据铁路走向，将危害铁路的风向分为主害风和次害风。最大输沙量出现在DJK169处，为3.5 m³·m^-1，该处戈壁之上分布大量流动性沙丘，沙源充足，戈壁风沙流输沙量大。其中，主害风输沙方向（SW、W、NW、N）输沙量为2.0 m³·m^-1，次害风输沙方向（E、NE、SE、S）输沙量为1.5 m³·m^-1。第二输沙量出现在DK105处，为3.3 m³·m^-1。其中，主害风输沙方向（SW、W、NW、N、NE）输沙量为2.4 m³·m^-1，该处干涸湖盆地表之上分布大量流动性沙丘，在平坦干涸湖盆地表的作用下，极易形成风沙流，输沙量大。次害风输沙方向（E、SE、S）输沙量为0.9 m³·m^-1。第三输沙量出现在DJK204/207处，为2.8 m³·m^-1，该处为沙砾质戈壁区，风力强，在大风作用下输沙量大。其中，主害风输沙方向（NW、W、N、NE）输沙量为2.4 m³·m^-1，次害风输沙方向（E、SE、S、SW）输沙量为0.9 m³·m^-1（表2）。可以看出，酒额铁路酒泉至东风段沿线典型沙害区段主要分布在沙源充足地段，流动性沙丘和沙砾质戈壁是造成铁路沙害的主要沙源。

风况和沙源是铁路沙害形成的主要环境因子，剖析风沙环境特征对揭示铁路沙害成因、指导风沙防治具有重要的意义。相比沙区其他铁路，酒额铁路酒泉至东风段沿线输沙势与包兰铁路沙坡头段相似，两者均为低风能环境^［23］，而酒泉至东风段沿线输沙势小于兰新铁路、兰新第二双线大风区^［24-25］和青藏铁路^［11-12］，这三条铁路沿线区域多为中、高风能环境。然而，受地形影响，酒额铁路酒泉至东风段沿线起沙风向变化较大，4个监测点合成输沙方向分别为178.5°（S）、107.1°（ESE）、206.0°（SSW）和153.6°（SSE）。依据铁路走向，沿线具有明显的主害风和次害风。在河东里至东风南既有线路段，主害风为NNW、WNW和NW，输沙量与次害风E或ENE输沙量相当，铁路两侧风沙防护需同时加强防护强度。而在金塔至上元段，次害风（E或ENE）弱于主害风（NW或W），风沙防护以防治西北风、西风沙害为主，次害风防护强度低于主害风。

酒额铁路酒泉至东风段沿线年输沙量较大的区段为DJK169和DK105，路基沙害沙源主要为流动性沙丘，分别位于戈壁和干涸湖盆地表之上，风沙危害方式以过境风沙流和沙丘移动为主。因此，铁路风沙防治需要遵循固阻结合的防治原则：首先，固定流动性沙丘，切断沙源供给，可采用草方格进行固沙；其次，利用阻沙措施阻截戈壁和干涸湖盆过境风沙流。DJK204/207区段沙砾质戈壁输沙量略低于DJK169和DK105，但输沙势最大，风力强劲，区段要采用抗风性较强的阻沙措施，如HDPE板等阻沙材料，同时对沙砾质戈壁进行固沙，同样采用阻固结合的风沙防治原则。而DK78和DK85位于金塔绿洲内部，沙源有限，输沙量相对较小，戈壁风沙防治原则以阻为主。酒额铁路酒泉至东风段沿线风沙环境特征为铁路风沙危害防治提供了重要的科学依据。

酒额铁路酒泉至东风段以戈壁风沙路基为主，砾质戈壁砾石覆盖度为40%~50%，铁路沙害沙源为戈壁地表之上的流动性沙丘，而沙砾质戈壁砾石覆盖度约30%，沙物质丰富，是造成铁路沙害的沙源。

酒额铁路酒泉至东风段起沙风向以NW、W、NNW和WNW为主，也存在ENE、E和NE起沙风向，年起沙风频率5.58%~18.44%。沿线区域属低风能环境，输沙势31.4~176.2VU，从金塔至额济纳旗方向依次增大，风况为中比率，输沙势主要集中于春季。

2021年8月至2022年5月一个风季观测期间，铁路沿线输沙量1.3~3.5 m³·m^-1，主害风输沙量（偏西风）0.9~2.4 m³·m^-1， 次害风输沙量（偏东风）0.5~1.5 m³·m^-1。流动性沙丘和沙砾质戈壁是形成铁路沙害的主要沙源。