乌玛高速公路是内蒙古乌海至青海省玛沁的高速公路，对宁夏沿黄经济带发展有着重要意义。乌玛高速公路腾格里沙漠路段风沙活动强烈，对乌玛高速公路安全运营以及风沙防护体系的维护带来了极大挑战。乌玛高速公路建设过程中设计了“六带一体”的风沙防护体系^［1］，根据地貌和风沙危害程度不同，部分路段防护体系建设中的配置措施有所调整。风沙防护体系最大程度上保障了乌玛高速公路的安全运营，但由于风蚀和沙埋造成防护体系的防护效应衰退，大部分路段防护体系外围阻沙栅栏和高立式大网格沙障前后积沙严重，形成新的沙垄，产生新的沙源对公路形成威胁。此外，草方格沙障和尼龙网沙障遭沙埋和掏蚀严重，防护效应衰减严重，且在某些路段靠近公路砾石覆盖工程区形成新的沙丘并向公路移动，大风天气某些路段出现路面积沙，严重威胁公路的安全运营（图1），因此，对现有防护体系进行防沙效率评估显得尤为重要。

中国在交通干线风沙防治理论和实践上都取得了丰硕成果，尤其以包兰铁路沙坡头段为代表的流动沙丘地区铁路沙害防治^［2］，以兰新线为代表的戈壁风沙灾害防治体系^［3］，以及以塔克拉玛干沙漠公路风沙灾害防治体系为代表的极端干旱区高大流动沙丘地区公路沙害防治已成为交通干线沙害治理的典型案例^［4-6］。近年来国内学者对腾格里沙漠东缘的风沙活动以及交通干线的风沙防护体系进行了系统研究^［7-11］，对不同防风固沙工程措施的作用机理、防护效益进行了研究^［12-13］。刘恕^［14］认为防护体系外围高立式阻沙栅栏不仅阻止沙丘前移，而且显著减少进入防护体系内的流沙。防护体系内草方格沙障能够形成稳定凹曲面^［15］，增加细颗粒组分含量，改善土壤微环境，为沙生植物生长提供有利条件^［16］。但目前针对沙区公路不同防沙配置措施固沙效应的研究较少，尤其缺乏对防护体系建立后风蚀与积沙区域的定量分析。本研究选择乌玛高速腾格里段不同配置措施典型沙害路段，对防护体系内外风况、防护体系内新形成沙丘的移动特征以及发生风蚀和积沙的区域进行研究，结果对完善乌玛高速公路风沙防治体系具有重要指导意义，可为复杂风向沙漠区域交通干线风沙防护体系建设提供有益借鉴。

研究区位于腾格里沙漠东南缘沙坡头区。沙坡头区年平均气温9.7 ℃，月平均气温6.7~24.1 ℃，多年平均降水量186.6 mm。年平均风速2.9~3.9 m·s^-1，多西北风，一般风力7~8级，最大风力可达12级，沙坡头地区年起沙风2 938次，集中于3—5月。

本研究在乌玛高速公路腾格里沙漠段典型沙害路段选取两个断面（K357、K358）进行风沙活动观测。两个断面直线距离相距1.7 km左右，地貌类型、植被盖度等基本一致。K357断面从上风向至路基边坡依次为220 m宽草方格（1 m×1 m）沙障和20 m宽砾石覆盖带，下风向从路基边坡开始依次为20 m宽砾石覆盖带和120 m宽草方格沙障。K358防护体系防护措施配置较为完善，从上风向到公路路基边坡依次为阻沙栅栏（2 m高尼龙网高立式沙障）、高立式大网格沙障（高2 m，2 m×2 m）、草方格沙障（1 m×1 m）、尼龙网沙障（1 m×1 m）、草方格沙障和砾石覆盖带，上风向防护体系总长为245 m，下风向从公路路基边坡开始依次为砾石覆盖带、草方格沙障、高立式大网格沙障、草方格沙障和高阻沙栅栏，下风向防护体系总长为140 m。

为分析防护体系内外风况空间差异，分别在断面K357和K358上风向风沙防护体系外围流动沙丘区和防护体系内靠近公路草方格沙障带架设二维超声风速仪。测风塔高度为2 m，数据采集时间间隔为1 min，观测时段为2022年12月26日至2023年4月6日。

风况特征分析包括观测时段内风速与风向变化特征分析以及输沙势计算。输沙势（DP）表示在一定时间内潜在最大输沙量，在数值上以矢量单位（VU）表示。罗盘16方位输沙势合成方向和合成矢量分别称作合成输沙方向（RDD）和合成输沙势（RDP）。方向变率指数（RDP/DP）是指合成输沙势与输沙势的比率。

输沙势的计算采用目前国际上应用最广泛的Fryberger等^［17］的方法，计算方法为：

式中：Q为输沙势，矢量单位（VU）；V为风速，节；V_t 为起动风速（野外观测表明，本区域平坦地表沙粒起动风速为6 m·s^-1），节；t为起沙风时间数，为观测时段内测得的起沙风时间数与总观测时间数的百分比。

无人机摄影技术是近年来发展起来的地形测量方法，具有效率高、精度高、非接触等优点。本研究采用大疆多旋翼无人机（DJI Phantom 4 Pro），具体方法见参考文献［18］。航测高度为70 m，航拍时航向重叠率为80%，旁向重叠率为70%。根据三维重建技术从重叠的影像中计算得到曝光瞬间相机位置，自动提取连接点并结合地面控制点，进行光束平差完成空中三角测量^［19］。

无人机航测时在地面布置18个控制点，均匀布置在航拍区域，其精确位置由拓普康GTS-720全站仪和GR-3 TEK GPS相结合测得，以评估三维数字模型的测量精度。地面控制点和检查点的误差可以满足研究要求。由于断面K357处于禁飞区边缘因此规划了一个梯形区域进行测量。基于两期无人机测量数据和插钎法监测沙丘移动。

基于无人机航测获得正射影像，首先在ArcGIS10中通过目视解译的方法划分防护体系内各防护措施带，然后根据各风沙防护措施的完整程度和风沙灾害程度目视判读得到防护体系内各防风固沙措施带内发生风蚀-积沙区和未发生风蚀-积沙区的面积。

风速是衡量风沙活动强度的重要指标，是沙丘形成与演化的最重要因子。观测断面K357流动沙丘区起沙风平均风速为8.21 m·s^-1、起沙风频率为21.97%。风向以偏北风为主：NNW（28.97%）、NW（9.78%）、WNW（9.33%）；次风向为ESE（11.71%）、SE（9.27%，图2）。从各风速段频率来看，6~8、8~10、10~12、12~14、14~16 m·s^-1和大于16 m·s^-1风速分别占57.0%、26.57%、10.73%、4.01%、1.38%和0.30%。草方格沙障带起沙风平均风速为7.79 m·s^-1、起沙风频率为15.88%。风向以WNW（22.44%）、NW（22.29%）、NNW（9.78%）、W（9.63%）为主，E为次风向（10.39%，图2）。可见防护体系的作用和地形起伏导致风向发生了变化。草方格沙障带6~8、8~10、10~12、12~14、14~16 m·s^-1和大于16 m·s^-1风速分别占总起沙风的64.89%、25.64%、7.27%、1.92%、0.24%和0.04%。同流动沙丘区相比，草方格沙障带起沙风平均风速减小，流动沙丘区6~8 m·s^-1风速频率小于草方格沙障带，其他各风速段均大于草方格沙障带。

观测断面K358上风向流动沙丘区由于上风向光伏电厂的建设造成风速减小，平均风速仅为2.27 m·s^-1，起沙风平均风速6.96 m·s^-1，起沙风频率仅为5.73%；风向以偏西风为主：W（30.35%）、NW（18.31%）、WNW（13.51%）、NNW（11.13%）、WSW（10.55%）。次风向为ENE（4.22%）、E（3.18%）。6~8、8~10、10~12、12~14 m·s^-1风速分别占总起沙风的88.43%、10.88%、0.68%、0.02%，无大于14 m·s^-1以上风速记录。草方格沙障带平均风速3.57 m·s^-1，起沙风平均风速8.05 m·s^-1，起沙风频率21.78%。风向以NW（25.87%）、WNW（24.89%）为主，ESE为次风向（11.97%），6~8、8~10、10~12、12~14、14~16 m·s^-1和大于16 m·s^-1风速分别占总起沙风的58.72%、27.76%、10.17%、2.63%、0.63%和0.09%（图2）。

K357流动沙丘区输沙势为39.18VU，合成输沙势为24.01VU，合成输沙方向为153.69°，RDP/DP为0.61，属于中变率钝双峰风况（图3）。沙丘区输沙势以NNW、NW为主（53.4%、16.9%），其次为ESE、WNW（9.3%、6.8%）。

K357草方格沙障带输沙势为24.93VU，合成输沙势为19.04VU，合成输沙方向为130.70°，RDP/DP为0.76，属于中变率钝双峰风况（图3）。防护体系内输沙势以NW（46.6%）、WNW为主（23.2%），其次为NNW（10.8%）、W（6.4%）和E（6.3%）。经过防护体系对风的衰减作用，输沙势减小了36.4%、合成输沙势减小了20.7%。

K358 上风向为新建的光伏电厂。由图3可知K358流动沙丘区输沙势仅为2.40VU，合成输沙势为1.77VU，合成输沙方向为107.78°，RDP/DP为0.74），属于中变率钝双峰风况。输沙势以W、NW、WNW和WSW为主（39.29%、18.89%、13.51%、11.94%），其次为NNW、ENE（6.93%、4.72%）。K358草方格沙障带输沙势为41.90VU，合成输沙势为28.55VU，合成输沙方向为122.0°，RDP/DP为0.68，属于中变率钝双峰风况。输沙势以NW、WNW为主（45.18%、29.74%），其次为ESE（7.40%）和W（4.55%）。靠近公路草方格沙障带输沙势是流动沙丘区的16.46倍、合成输沙势是15.12倍。

基于两次航测获得的正射影像对断面K357和K358防护体系内风蚀与积沙区域进行分析。由图4可知K357草方格沙障带风蚀和积沙较为明显，砾石覆盖带积沙也较多，上风向砾石覆盖带已经形成新的沙丘，随着沙丘的移动逐渐对路基造成危害。统计分析表明草方格沙障带中风蚀-积沙区占41.51%（表1），草方格沙障形态保留比较完整未发生明显风蚀和积沙的区域占58.49%；砾石覆盖带中发生风蚀-积沙的区域占32.33%，未发生明显风蚀-积沙区域占67.67%。

K358上风向靠近流动沙丘草方格沙障带风蚀和积沙较严重，而尼龙网方格沙障带和砾石覆盖带风蚀和积沙区域均较小（图4）。下风向草方格沙障带和砾石覆盖带发生风积和风蚀的区域也较小。可见防护体系外围高立式栅栏和高立式大网格沙障防风固沙效应显著。由表1可知断面K358草方格沙障带发生风蚀和积沙区域占31.7%，草方格沙障带未发生明显积沙和风蚀区域占68.3%；砾石覆盖带风蚀和积沙区域占5.6%，未发生明显风蚀和积沙区域占94.4%。尼龙网方格沙障覆盖带中风蚀和积沙区占3.1%，未发生明显风蚀和积沙区域占96.9%。

基于无人机测量和插钎法对观测断面K357防护体系内的沙丘移动进行监测。在断面K357上风向靠近路基砾石覆盖带内形成3个长度40.2~46.3 m的横向沙丘（图5），观测时段内沙丘A、B、C高度分别增加了0.12 、0.23、0.11 m，沙丘脊线移动了0.57~4.17 m，沙丘A、B、C最高处脊线沿西北至东南方向分别移动了2.39、2.48、2.13 m。沙丘脊线离公路12.6~22.48 m，移动方向与合成输沙势的方向一致。

断面K358防护体系外围高立式尼龙网沙障被沙埋和风蚀防护效应衰减。上风向草方格沙障带积沙区域较大，下风向草方格沙障带和砾石覆盖带积沙区域很小，风沙活动对下风向防护体系的破坏程度较轻，可见防护体系外围高立式栅栏和高立式大网格沙障防风固沙效应显著。但该段防护体系配置措施较全（防护体系外围设置栅栏和高立式大网格沙障），这主要因为上风向光伏电厂建设期将沙丘推平，增加了沙源供应，客观上增强了风沙流活动。随着光伏电站建设后期和运营期会对地表配置相关防风固沙措施将对公路防风体系和公路安全运营起到积极作用。

防护体系外围阻沙栅栏建立后，在栅栏前后低风能区形成的积沙区域宽度为栅栏高度的18~20 倍^［16］，阻沙栅栏被埋到一定高度时理应拔起或重设；但金昌宁等^［20］发现即使阻沙栅栏完全被沙埋，仍能起到阻沙的作用，这是因为形成的“栅栏沙丘”^［2］能够降低下风向10倍沙丘高度范围内的近地表风速，有效减小防护体系内输沙率^［21-22］，从而减弱对防护体系内各类沙障的风蚀，延长沙障的使用年限。断面K358外围阻沙栅栏与高立式大网格沙障沙埋、破损情况比较严重，在栅栏前后的积沙区域形成的“栅栏沙丘”高度1.5 m左右，对防护体系内近地表流场和输沙量的影响需要进一步结合实地观测做出科学判断。断面K357草方格沙障被风蚀、沙埋严重，路基上风向砾石覆盖带流沙堆积形成新的沙丘向公路移动，观测期移动速度大于该地区格状沙丘移动速度1.48 m·a^-1［7］。

王训明等^［23］认为沙障的有效使用年限一般为5年，研究区防护体系建立3年左右，防护体系外围未配置高立式栅栏的断面K357草方格沙障带发生风蚀和积沙的区域已达41.51%，这些区域沙障遭风蚀或被埋，防护效应减弱，在防护体系内部形成新的沙源，为防护体系内沙丘的形成和发育提供了有利条件，对高速公路安全运营造成安全隐患。而K358各沙障带发生风蚀和积沙的面积较小，风沙防护效应较好。

乌玛高速公路未设置栅栏和高立式大网格沙障的断面K357防护体系内发生积沙风蚀的区域较大，风沙灾害严重。而配置了高立式栅栏和高立式大网格沙障的断面K358防护体系内发生风蚀和积沙的区域较小，防风固沙效果较好。断面K357草方格沙障带起沙风平均风速、起沙风频率、输沙势与合成输沙势比上风向流动沙丘区显著降低。断面K358由于上风向光伏电厂的建设导致上风向流动沙丘区平均风速、起沙风的平均风速、起沙风频率均小于草方格沙障带。

断面K357防护体系内新形成的横向沙丘移动方向与合成输沙势的方向基本一致，且沙丘脊线离公路仅12.6~22.48 m，形成新的潜在次生沙害，对乌玛高速公路的安全运营不容忽视，应对沙害典型路段风沙防护体系采取优化和修复措施，确保乌玛高速公路运营安全。