馬奔騰， 程建軍， 雷加強， 丁泊淞， 高 麗， 安元鋒， 鄭智鵬

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

在建塔中-38 團沙漠公路全長151 km，貫穿塔克拉瑪干沙漠東南緣，為且末墾區(qū)“一主三輔”干線路網(wǎng)布局中“三輔”的重要組成部分。塔克拉瑪干沙漠為世界第二大流動沙漠，內(nèi)部廣泛分布著高大沙丘，沙源極為豐富，沙丘丘體由松散堆積的粉砂、細(xì)砂風(fēng)積物組成。沿線風(fēng)沙活動頻繁，風(fēng)力強勁，該公路途徑范圍內(nèi)存在中、低2 種風(fēng)能環(huán)境［1-2］，風(fēng)是決定沙漠地表形態(tài)的主要動力，同時也是引起沙害的直接因素［3-5］，沙漠公路全程中等、嚴(yán)重風(fēng)沙危害程度總占比為56.9%，主要風(fēng)沙危害形式為沙埋路面和風(fēng)蝕路基，強烈的風(fēng)沙活動對該條線路的建設(shè)以及后續(xù)的安全通行、服役、養(yǎng)護等都帶來極大技術(shù)挑戰(zhàn)，亟需對沿線風(fēng)沙環(huán)境特征進行研究并提出防治措施。

20世紀(jì)50年代，包蘭鐵路成為我國首個流動沙漠區(qū)道路風(fēng)沙防治成功的案例，為沙漠區(qū)道路修筑與防護積累了經(jīng)驗，半個多世紀(jì)以來，眾多學(xué)者對沙漠地區(qū)的沙丘移動［6-10］、風(fēng)沙環(huán)境［11-12,2］、風(fēng)沙防治措施［13-15］及防治效益等進行了深入的研究，為風(fēng)沙危害的治理奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。蔡東旭等［16］通過對風(fēng)沙環(huán)境、風(fēng)沙危害定位的系統(tǒng)研究，按照阻沙-固沙-輸沙工程復(fù)合防沙原則，建立了由機械、生物組成的防沙體系，基本達到風(fēng)沙防治要求；張克存等［17］分析了烏瑪公路沿線的風(fēng)沙環(huán)境和沙害形式，提出“六帶一體”的防沙體系來應(yīng)對沿線風(fēng)沙危害；Dong等［14］在研究中指出，蘆葦、稻草固沙方格是最經(jīng)濟、最有效的固沙措施，多種沙障形成的防沙體系能有效地延長防護時間。防沙體系的建立關(guān)鍵在于掌握沙丘的移動規(guī)律，風(fēng)作為沙丘移動的動力因素，必須考慮在內(nèi)，有關(guān)沙丘移動與風(fēng)沙環(huán)境特征的研究多使用固定氣象站數(shù)據(jù)或短時間的野外觀測數(shù)據(jù)進行分析，楊軍懷等［6］、賽亞熱·賽都拉等［18］利用氣象站數(shù)據(jù)分別對庫魯克和庫姆塔格沙漠的沙丘移動情況和風(fēng)沙環(huán)境特征進行了分析，但受限于風(fēng)況數(shù)據(jù)的完整性和氣象站與研究區(qū)距離較遠(yuǎn)，未能很好地反映出研究區(qū)整體風(fēng)沙環(huán)境特征。沙漠惡劣的自然條件嚴(yán)重制約了風(fēng)況數(shù)據(jù)的收集工作，導(dǎo)致遠(yuǎn)離氣象站區(qū)域內(nèi)的沙丘移動時空差異性無法與風(fēng)沙環(huán)境建立精準(zhǔn)聯(lián)系，對沙漠道路風(fēng)沙危害的防治帶來困難；也有學(xué)者采用氣象站數(shù)據(jù)對近距離區(qū)域內(nèi)沙丘進行監(jiān)測分析。但是利用遙感影像數(shù)據(jù)分析不同區(qū)域沙丘移動速度和方向，并結(jié)合全范圍風(fēng)況數(shù)據(jù)分析特定區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境，從而提出針對性防治措施的系統(tǒng)研究較少。

本文以塔中-38 團沙漠公路為研究對象，對沿線不同區(qū)段內(nèi)沙丘移動速度、方向和風(fēng)沙環(huán)境、風(fēng)沙危害等進行監(jiān)測，在掌握各區(qū)段風(fēng)沙環(huán)境特征的情況下，設(shè)計合理的防沙體系框架，旨在確定沿線獨特的風(fēng)沙環(huán)境，為沙漠公路有針對性的設(shè)置防沙體系提供理論依據(jù)，對該沙漠公路的正常通車與其他沙漠地區(qū)的風(fēng)沙防治提供重要的理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

塔中-38團沙漠公路為二級公路，全長151 km，從塔克拉瑪干沙漠腹地塔中延伸至沙漠東南緣38團地區(qū)，整體呈NW-SE 走向，基于該公路經(jīng)行范圍內(nèi)衛(wèi)星影像的更新頻率及影像質(zhì)量，沿線優(yōu)選出8段研究區(qū)（圖1）；沿線屬典型的大陸性溫帶干旱氣候，年均降水量不足25 mm，蒸發(fā)強烈且晝夜溫差大，年平均氣溫10.5 ℃；根據(jù)實地勘測數(shù)據(jù)，公路所穿越地貌單元可劃分為4 種類型，即固定灌叢沙丘區(qū)（全線占比9.33%）、半固定沙丘區(qū)（占比7.58%）、復(fù)合型橫向沙丘鏈區(qū)（占比37.53%）及高大復(fù)合型縱向沙壟區(qū)（占比45.56%）。勘測結(jié)果表明：沿線風(fēng)沙危害類型主要為沙埋和風(fēng)蝕2 種，其中危害輕微段共65.40 km，嚴(yán)重段共72.03 km，主要位于復(fù)合型橫向沙丘鏈區(qū)的鏈體段和高大復(fù)合型縱向沙壟區(qū)的壟體段；中等危害程度長14.33 km，主要位于復(fù)合型橫向沙丘鏈區(qū)的鏈間平沙地區(qū)段和半固定沙丘區(qū)的丘體段。

圖1 塔中-38團沙漠公路沿線研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area along the Tazhong-38th Corp desert highway

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感影像數(shù)據(jù)主要來自Quickbird，空間分辨率為0.61 m，不同區(qū)域衛(wèi)星影像時期各異，各研究區(qū)獲取2 個時期的衛(wèi)星影像進行沙丘移動的分析，獲取衛(wèi)星影像信息如表1 所示；風(fēng)況資料為大氣再分析全球氣候數(shù)據(jù)ERA5，從ECMWF官網(wǎng)（https://cds.climate.copernicus.eu/）獲取，時空分辨率分別為1 h 和0.25°×0.25°，由于風(fēng)是沙丘移動的動力因素，所以本文用與衛(wèi)星影像同年份的ERA5 數(shù)據(jù)進行處理分析。

表1 衛(wèi)星影像信息Tab.1 Information of satellite images

1.3 研究方法

1.3.1 沙丘移動速度與方向 對影像進行幾何校正來消除由影像錯動帶來的誤差，幾何校正后各控制點的總殘差小于1 像元，滿足精度需求。采用手動數(shù)字化法提取出沙脊線［19］，以沙脊線的移動作為沙丘移動的判斷依據(jù)，采用5 點平均法計算沙脊線的移動速度和方向，點位應(yīng)沿脊線均勻分布且選擇脊線明顯特征處如迎風(fēng)坡底、背風(fēng)坡底等，本文按此原則選擇圖2 所示5 點；所選沙脊線的年平均移動速度總和與年份跨度的比值作為該研究區(qū)沙丘年平均移動速度，沙脊線上5 點的角度平均值作為該沙丘的移動方向。

圖2 沙脊線移動示意圖Fig.2 Diagram of sand beamline movement

1.3.2 研究區(qū)風(fēng)沙環(huán)境 利用ERA5 數(shù)據(jù)計算出風(fēng)速和風(fēng)向，利用風(fēng)速進一步計算出起沙風(fēng)頻率和輸沙勢（DP），DP計算公式為［20］：

式中：DP為輸沙勢（VU）；V、Vt分別為起沙風(fēng)速和臨界起沙風(fēng)速（單位為節(jié)）；t為起沙風(fēng)時間，以起沙風(fēng)小時數(shù)與總觀測小時數(shù)的百分比表示；DP矢量求和得到合成輸沙勢（RDP）和合成輸沙方向（RDD），RDP/DP為風(fēng)向變率指數(shù)。根據(jù)Fyberger 等［20］對風(fēng)能環(huán)境的劃分，DP＞400 VU為高風(fēng)能環(huán)境、200～400 VU 為中風(fēng)能環(huán)境、＜200 VU 為低風(fēng)能環(huán)境；風(fēng)向變率指數(shù)越大，表明該地區(qū)風(fēng)向越穩(wěn)定，反之越易變化。

為證明ERA5 數(shù)據(jù)的適用性，選取塔中氣象站2014—01—2016—10的數(shù)據(jù)與同時期ERA5數(shù)據(jù)進行起沙風(fēng)頻率和輸沙勢的計算，并分別對起沙風(fēng)頻率和輸沙勢進行比值分析，由圖3 可知，2 種因素的比值分別在1上下輕微波動，表明ERA5數(shù)據(jù)在該地區(qū)適用性良好。

圖3 多因素對比分析Fig.3 Multi-factor comparative analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 起沙風(fēng)頻率

起沙風(fēng)是沙粒運動的動力因素，起沙風(fēng)速是指沙粒開始脫離地面摩擦和重力約束開始運動時的臨界風(fēng)速，因此對起沙風(fēng)的研究是設(shè)置防沙工程的重要依據(jù)。塔克拉瑪干沙漠臨界起沙風(fēng)速為4～5 m·s-1［2］，本文采用其平均值4.5 m·s-1，8 段研究區(qū)內(nèi)起沙風(fēng)頻率介于21.7%～33.8%，段1～段8 研究區(qū)起沙風(fēng)頻率呈上升趨勢，起沙風(fēng)主方向ENE出現(xiàn)較大增幅，頻率介于7.5%～14.29%，NE、E 方向的起沙風(fēng)頻率分別由2.62%、5.83%發(fā)展為8.37%、1.7%，NE方向起沙風(fēng)頻率超過E 方向起沙風(fēng)頻率；按矢量求和法則計算得到合成起沙風(fēng)向，段1～段8研究區(qū)合成起沙風(fēng)向由WSW方向向S方向過渡，風(fēng)向特征由銳雙峰態(tài)勢逐步發(fā)展為鈍雙峰態(tài)勢。

圖4 表明，段1～段3 研究區(qū)各方向起沙風(fēng)頻率變化一致，主導(dǎo)方向為ENE、E，最大頻率分別為8.7%和5.6%，NNE、ESE 起沙風(fēng)頻率次之；段4 研究區(qū)ENE 方向起沙風(fēng)頻率相對段1～段3 研究區(qū)出現(xiàn)明顯增幅，NNE、ESE頻率相對降低。段5～段7研究區(qū)內(nèi)起沙風(fēng)頻率向NE、ENE、E 集中，頻率最高為6.74%、14.3%和5.48%；在這3 段研究區(qū)內(nèi)，ENE 起沙風(fēng)頻率依舊占比最大，且相對段4 研究區(qū)有較大增幅，NE方向的頻率增幅在3%左右，其余方向的頻率相對段1～段4 研究區(qū)普遍降低。段8 研究區(qū)中，逆主風(fēng)向WSW、SW 起沙風(fēng)頻率陡增，最大達3%和2.9%，該研究區(qū)中ENE 方向的起沙風(fēng)小時頻數(shù)為1059，NE 為667；WSW 頻 數(shù)254，為ENE 方 向 的24%；SW 頻數(shù)266，為NE 方向的40%，因此，該研究區(qū)下風(fēng)側(cè)沙丘極易發(fā)生逆向移動給公路帶來破壞。

圖4 研究區(qū)各方向起沙風(fēng)頻率Fig.4 Sand-driving wind frequency in the study area

2.2 輸沙勢

研究區(qū)各方向DP與起沙風(fēng)頻率變化趨勢表現(xiàn)出良好的一致性（圖5），DP主導(dǎo)方向為NE、ENE、E，RDD與盛行起沙風(fēng)方向基本保持一致（表2）。段1～段4研究區(qū)DP主導(dǎo)方向為ENE、E，段5～段8研究區(qū)DP主導(dǎo)方向轉(zhuǎn)變?yōu)镹E、ENE。數(shù)據(jù)表明，段1～段8研究區(qū)內(nèi)DP值在E方向大幅下降，逐漸失去主導(dǎo)地位；ENE方向DP穩(wěn)步增長，并逐步表現(xiàn)出單一主導(dǎo)方向的趨勢，公路上風(fēng)側(cè)風(fēng)沙活動程度上升。段8研究區(qū)中由于逆主風(fēng)向WSW、SW起沙風(fēng)的存在，導(dǎo)致該段RDD和RDP與整體產(chǎn)生差異（表2），逆向DP的作用導(dǎo)致段8研究區(qū)2010年RDP僅為26.35 VU，RDD為221°；2013年中逆主方向的DP相對較小，對RDP、RDD的影響也就小。

圖5 表明，段1～段3 輸沙主導(dǎo)方向為ENE、E，3處研究區(qū)的RDP/DP介于0.59～0.73 之間，說明風(fēng)向較穩(wěn)定，E、ENE方向的起沙風(fēng)對沙丘移動起主要作用；段4～段7 研究區(qū)ENE 方向DP急速增長，NE 的DP穩(wěn)步提升，E方向DP迅速減小，輸沙主導(dǎo)方向為NE、ENE、E，并不斷表現(xiàn)出ENE 方向單一主導(dǎo)的趨勢；段8研究區(qū)SW方向的DP有明顯增幅，將對輸沙活動產(chǎn)生較大影響；表2 數(shù)據(jù)說明段1～段8 研究區(qū)風(fēng)能環(huán)境整體中等，RDP/DP整體有變小趨勢，說明段1～段8研究區(qū)的風(fēng)向變化逐漸頻繁，風(fēng)況環(huán)境逐漸復(fù)雜，應(yīng)注意公路的多方向防護。

表2 各研究區(qū)DP、RDP、RDD、RDP/DPTab.2 DP，RDP，RDD，RDP/DP by study area

圖5 研究區(qū)各方向輸沙勢Fig.5 Drift potential in each direction in the study area

2.3 沙丘移動特征

勘測結(jié)果表明，沙漠公路沿線地貌為高大復(fù)合型縱向沙壟和復(fù)合型橫向沙丘鏈，壟體和鏈體上多分布次級沙丘，沙丘高度在3～20 m 之間，且存在高度小于3 m的小型沙丘，小型沙丘移動速度更快，更容易對沙漠公路產(chǎn)生較大影響［21］，本文以次級沙丘和小型沙丘的移動速度、方向來表征研究區(qū)內(nèi)沙丘移動規(guī)律，研究區(qū)內(nèi)沙丘年平均移動速度介于3.16～6.26 m·a-1，移動方向介于195.65°～241.51°（圖6）。

段1、段2研究區(qū)內(nèi)沙丘年平均移動速度分別為4.09 m·a-1和5.47 m·a-1，平均移動方向相差小于2°，數(shù)據(jù)表明這2 處研究區(qū)風(fēng)沙環(huán)境相似，但段1 研究區(qū)內(nèi)沙丘形態(tài)明顯大于段2 研究區(qū)沙丘，沙丘形態(tài)大小與移動速度呈負(fù)相關(guān)，由此可能造成這兩研究區(qū)內(nèi)沙丘移動速度的差異；段3～段6研究區(qū)RDP/DP屬中等變率，說明此段研究區(qū)風(fēng)向較穩(wěn)定，但沙丘移動方向卻出現(xiàn)較大波動，與整體表現(xiàn)出較大差異（圖6），且沙丘移動速度也出現(xiàn)小幅降低；圖5表明，段3～段6 研究區(qū)內(nèi)輸沙主導(dǎo)方向由ENE、E 方向逐漸變?yōu)閱我坏腅NE方向，且ENE方向的輸沙活動強度不斷增大，此段研究區(qū)內(nèi)沙丘移動方向應(yīng)該與RDD一致，但遙感影像顯示，段3～段6 研究區(qū)內(nèi)沙丘錯亂復(fù)雜、類型多樣，由此可能造成沙丘移動規(guī)律的差異性，說明此段研究區(qū)內(nèi)存在其他因素影響著沙丘的移動方向和速度；段7 研究區(qū)內(nèi)的沙丘年平均移動速度達到了6.26 m·a-1，在此研究區(qū)內(nèi)，各方向起沙風(fēng)頻率和DP都以ENE 為主導(dǎo)，風(fēng)沙活動強烈，沙丘移動方向與RDD高度同步，在公路修建和養(yǎng)護過程中，上風(fēng)側(cè)必然遭受嚴(yán)重沙害，在考慮防護寬度的同時，還要注意沙障材料的抗破損能力；段8研究區(qū)內(nèi)風(fēng)向紊亂且風(fēng)力強勁，逆主風(fēng)向起沙風(fēng)的作用導(dǎo)致該研究區(qū)沙丘移動速度最小，但下風(fēng)側(cè)沙丘極易逆向移動掩埋路面。

圖6 沙丘移動信息Fig.6 Information of dunes movement

3 公路沙害防治體系框架

風(fēng)作為動力因素對沙丘移動產(chǎn)生巨大影響，研究結(jié)果表明，8段研究區(qū)內(nèi)的風(fēng)沙環(huán)境各異，整體來看，段1～段8 起沙風(fēng)頻率穩(wěn)步上升，數(shù)據(jù)表明，塔中-38團地區(qū)風(fēng)沙環(huán)境逐步惡劣，越靠近38團地區(qū)，沙丘移動方向、速度的規(guī)律性越弱，沙丘掩埋路面的動力條件越來越充分，因此公路的防沙措施應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)因地制宜合理設(shè)置。植物防治能從根本上解決風(fēng)沙災(zāi)害問題［22-23］，條件允許情況下可優(yōu)先采用植物防沙，但植物防沙產(chǎn)生效果的周期較長，因此該公路防沙措施主要以機械防治為主，并形成防沙體系，避免單一防治措施的快速失效。鑒于此，防沙體系采用高立式沙障與固沙方格相結(jié)合，防沙體系遠(yuǎn)端垂直主風(fēng)向設(shè)置高立式蘆葦網(wǎng)格降低風(fēng)速、沉積沙粒，高立式沙障作用范圍在障前3.5 H（H為沙障的高度）和障后17 H內(nèi)［24］，使用壽命約8 a；當(dāng)風(fēng)沙超出沙障的作用范圍后，配合設(shè)置的固沙單元，固沙方格通過增大地表粗糙度實現(xiàn)固沙；采用土工網(wǎng)和蘆葦2種材料制作阻沙方格，土工網(wǎng)的使用壽命長于蘆葦，兩者搭配使用將延長阻沙單元的作用周期。高立式沙障網(wǎng)格長、寬、高規(guī)格為10 m、5 m、0.8 m，寬邊平行于公路設(shè)置，固沙方格規(guī)格0.2 m×1 m×1 m［25-26］，結(jié)合前人理論基礎(chǔ)研究設(shè)置防治寬度［27］。

段1、段2、段7 研究區(qū)內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向為ENE，沙丘移動速度分別為4.09 m·a-1、5.49 m·a-1和6.26 m·a-1，在上下風(fēng)側(cè)防沙體系的遠(yuǎn)端各設(shè)置30 m 和20 m 寬度高立式蘆葦沙障網(wǎng)格，沙障間距過小防護效果達不到最優(yōu)化，間距過大達不到防護效果。段3～段6、段8 研究區(qū)風(fēng)環(huán)境為高頻大風(fēng)，且NW 方向起沙風(fēng)對沙丘移動產(chǎn)生較大影響，移動速度分別為3.78 m·a-1、3.44 m·a-1、3.13 m·a-1、3.23 m·a-1和3.16 m·a-1，增加下風(fēng)側(cè)的防治寬度以防沙逆向移動掩埋路面，上下風(fēng)側(cè)各設(shè)置30 m 寬高立式沙障網(wǎng)格。固沙單元與阻沙單元的間隔應(yīng)保證在最后一道阻沙單元的作用范圍內(nèi)，在與高立式沙障間隔12 m（15 H）處向道路方向設(shè)置固沙方格。蘆葦方格的失效年限一般為4 a，土工網(wǎng)方格相對蘆葦方格失效時間更長，在公路上風(fēng)側(cè)設(shè)置90 m（1 m×1 m）寬度固沙方格［28］，外圍為50 m寬度土工網(wǎng)方格，道路一側(cè)設(shè)置40 m寬蘆葦草方格；下風(fēng)側(cè)固沙方格設(shè)置40 m，2種材料的方格各20 m，土工網(wǎng)方格依舊設(shè)置在外圍；防護體系的整體寬度應(yīng)由沙丘移動速度和公路不進行大修的年份綜合考慮，公路設(shè)計資料要求12 a內(nèi)不進行大修，則防護體系最低寬度為12×沙丘移動速度［29］。按照圖7所示，綜合上述各防沙措施的寬度，在每段研究區(qū)內(nèi)進行相應(yīng)的防沙措施布置，形成防沙體系，為避免偶然火災(zāi)事件的發(fā)生，各類型沙障橫向每隔500 m設(shè)置1 m間隔的防火帶。

圖7 公路防沙體系布置示意圖Fig.7 Sand control system layout diagram of highway

4 結(jié)論

（1）塔中-38 團沙漠公路沿線研究區(qū)盛行起沙風(fēng)方向為ENE、NE 和E，頻率分別介于7.5%～14.29%、2.62%～8.37%、1.7%～5.83%之間，塔中-38團年起沙風(fēng)頻率逐步增大，風(fēng)向特征由銳雙峰態(tài)勢發(fā)展為鈍雙峰態(tài)勢。塔中-38團沙漠公路沿線研究區(qū)存在低、中2 種風(fēng)能環(huán)境，各方向DP存在明顯差異，其變化趨勢與起沙風(fēng)頻率有良好的一致性；段1～段8 研究區(qū)RDP/DP在0.54～0.74 之間，為中等風(fēng)向變率，段8研究區(qū)2010年的風(fēng)向變率僅為0.09，風(fēng)向極易變化。

（2）塔中-38 團沙漠公路沿線研究區(qū)沙丘平均移動方向為195.65°～241.51°，年平均移動速度在3.16～6.26 m·a-1之間，沙丘移動速度和方向存在明顯時空差異。

（3）在塔中-38 團沙漠公路沿線采用阻-固結(jié)合的防沙體系，段1、段2、段7研究區(qū)沙丘年平均移動速度大，風(fēng)向變化弱，加強上風(fēng)側(cè)的風(fēng)沙防治，相對于沿線其余區(qū)段，應(yīng)加寬段1、段2、段7研究區(qū)上風(fēng)側(cè)高立式沙障的寬度；段3～段6、段8研究區(qū)沙丘年平均移動速度較小，但風(fēng)力強勁，風(fēng)向易變化，應(yīng)加寬下風(fēng)側(cè)高立式沙障寬度，防止沙丘逆向移動。