徐蘭鈺

(黑龍江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

根據(jù)公路風(fēng)吹雪雪害的形成條件,在易發(fā)生風(fēng)吹雪的路段附近營(yíng)造防雪林、種植植被,或者適當(dāng)利用路線兩側(cè)既有的草木植被,對(duì)風(fēng)吹雪進(jìn)行有效干擾,使風(fēng)吹雪的雪粒在植被、防雪林帶內(nèi)及其附近堆積,減輕和防止道路雪害,是比較經(jīng)濟(jì)有效的方法[1]。它既能防止風(fēng)吹雪影響車輛通行,又能美化、綠化沿線環(huán)境,提高木材蓄積量。在有條件的地區(qū),應(yīng)盡可能采用營(yíng)造防雪林等植物措施來(lái)防治風(fēng)吹雪雪害。

1 防雪林的作用和適用環(huán)境

1.1 防雪林的作用

(1)降低風(fēng)速、攔截風(fēng)吹雪雪粒并減輕視覺(jué)阻礙。

防雪林能夠通過(guò)阻擋氣流和攔截風(fēng)吹雪中的雪粒,使風(fēng)吹雪中的雪粒改變落點(diǎn),并降低風(fēng)吹雪強(qiáng)度、減輕視覺(jué)阻礙,同時(shí)還能夠起到一定的視線誘導(dǎo)作用。

(2)協(xié)調(diào)路域環(huán)境,改善沿線景觀。

防雪林可以美化、綠化公路沿線的自然環(huán)境,增加植被覆蓋率,改善附近的微氣象條件,提高司機(jī)和乘客的感官舒適性。同時(shí),還可以遮擋沿線的不協(xié)調(diào)景物,調(diào)和路線景觀。

(3)吸收有害氣體、降低噪音。

防雪林作為高蓄積量的綠色載體,能夠有效吸收汽車排出的一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、鉛等有害氣體,同時(shí)具有良好的減音降噪功能。

(4)調(diào)整氣流。

防雪林可以降低地面附近的風(fēng)吹雪流速,同時(shí)提高樹林頂部的氣流速度,在攔截、降速的同時(shí),可以調(diào)節(jié)風(fēng)吹雪氣流分布,改變雪害路段風(fēng)吹雪的空間跨越位置和形成條件。

(5)增大地表氣流阻力、提高積雪顆粒的啟動(dòng)風(fēng)速。

防雪林可以有效增大地表附近的氣流阻力,伴隨空氣流動(dòng)阻力的增加,風(fēng)吹雪啟動(dòng)地面積雪顆粒的風(fēng)速也相應(yīng)增大,地面積雪顆粒的流動(dòng)難度明顯提高。另外,由于防雪林兼具儲(chǔ)雪、固土的功能,對(duì)風(fēng)吹雪的防治、春季風(fēng)沙的緩解、土壤改良及固土保墑十分有利[2-3]。

1.2 防雪林的適用環(huán)境

(1)土地價(jià)格低廉且容易取得土地使用權(quán)的公路風(fēng)吹雪易發(fā)位置。

(2)迫切需要協(xié)調(diào)公路沿線景觀、綠化路域環(huán)境的位置。

(3)線路附近土地條件較差,使用可能性較小之處。

(4)能夠充分利用現(xiàn)有樹林或綠化帶的地方。

(5)將現(xiàn)有的其它防雪設(shè)施改造為防雪林,能夠起到更大作用的位置。

(6)由于條件限制,無(wú)法設(shè)置防雪柵、防雪墻等的路段位置。

2 防雪林的種類與結(jié)構(gòu)

2.1 防雪林的種類

(1)喬木類。

喬木防雪林主要有由紅松、樟子松、落葉松、黑松、白松、臭松、花曲柳、白楊、黑楊、紅楊、椴樹、柞樹、樺樹、水曲柳、胡桃楸、榆樹等樹種組成。

喬木類一般比較高大,占地相對(duì)寬闊。由于公路風(fēng)吹雪雪害發(fā)生在冬季,而大多數(shù)樹木在冬季都會(huì)落葉,故防止風(fēng)吹雪效果較好的是紅松、樟子松、黑松、臭松等枝葉比較茂密,枝下空間較小的樹種。

(2)灌木類。

灌木林主要由榛柴、柳樹、映山紅、黑加侖、山丁子、山里紅、紫穗槐、黃槐、重瓣榆葉梅、東北連翹等樹種組成。

灌木類的林木相對(duì)矮小,但枝條密集、生長(zhǎng)繁茂,因此阻擋低空氣流和風(fēng)吹雪顆粒的效果良好。

(3)喬灌混交類。

喬灌混交林兼具喬木高大和灌木密集的優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)了高大喬木林下空間較大的不足,同時(shí)也提高了灌木林的防風(fēng)吹雪的能力。喬灌木混交林是防雪林類型中的優(yōu)勢(shì)組合,防雪效果也較為理想。

2.2 防雪林的結(jié)構(gòu)

防雪林的風(fēng)吹雪防治效果與防雪林的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。根據(jù)樹冠密度,防雪林林帶可以大致分為三級(jí)[4]。

(1)緊密結(jié)構(gòu)的防雪林(樹冠密度0.80及以上)。

(2)疏透結(jié)構(gòu)的防雪林(樹冠密度0.50～0.79)。

(3)透風(fēng)結(jié)構(gòu)的防雪林(樹冠密度0.10～0.49)。

由于防雪林是沿路線種植,故林帶的長(zhǎng)度一般遠(yuǎn)大于寬度。為了達(dá)到防治風(fēng)吹雪的目的,一般需要采用密集程度較高的林帶,其樹冠密度宜在0.80及以上?？紤]到林帶樹木生長(zhǎng)的需要,在樹冠密度達(dá)到1.00之前,需要進(jìn)行間伐、修枝等,故間伐、修剪后,在入冬前的樹冠密度應(yīng)達(dá)到0.80以上。

為了有效減少枝下空間,提高公路防雪林防治風(fēng)吹雪的功效,還可以在林帶的迎風(fēng)側(cè)種植灌木,以增強(qiáng)防雪林阻擋低空氣流、截留積雪的效果。

3 防雪林結(jié)構(gòu)組成與風(fēng)吹雪防護(hù)寬度

防雪林有喬木林、灌木林、喬灌混交林之分,林帶結(jié)構(gòu)又有緊密結(jié)構(gòu)、疏透結(jié)構(gòu)和透風(fēng)結(jié)構(gòu)的不同。由于樹木品種、樹木高度、枝下空間、結(jié)構(gòu)緊密程度的不同,防雪林對(duì)公路風(fēng)吹雪雪害的防護(hù)距離和防護(hù)效果不盡相同,主要體現(xiàn)在以下方面。

(1)樹木高大,防雪效果較好。在防雪效果基本相當(dāng)時(shí),防雪林越高,對(duì)公路風(fēng)吹雪雪害的防護(hù)寬度就越大。實(shí)際采用時(shí),防雪林的邊緣與路線邊緣的距離以樹高的10～15倍為宜。

(2)樹冠密度越大,防雪林的防雪效果越好,對(duì)公路風(fēng)吹雪雪害的防護(hù)寬度就越大。由于防護(hù)林的生長(zhǎng)需要保持一定的空隙及透光性,故樹冠密度以保持在0.80～1.0為宜。

(3)防雪林林帶越寬,防治公路風(fēng)吹雪雪害的效果越好,對(duì)風(fēng)吹雪的防護(hù)寬度范圍就越大。由于沿線用地等的局限,防雪林的寬度一般取10～30 m。

(4)防雪林的枝下空間小,防治公路風(fēng)吹雪雪害的效果較好,防護(hù)寬度也較大。因此,可以采用枝下高度較低的樹木,或采用喬灌混交林帶。

4 防雪林結(jié)構(gòu)組成與阻雪量

4.1 防雪林的阻雪量

防雪林?jǐn)r截風(fēng)吹雪的阻雪量與防雪林的結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān),樹木高度、枝下空間、樹冠密度、林帶寬度的影響較大?？傮w而言,樹木高度、樹冠密度、林帶寬度大,枝下空間低矮,則阻雪效果越好,繞過(guò)或通過(guò)防雪林的風(fēng)吹雪雪花顆粒就越少。

4.2 防雪林樹冠密度

防雪林的樹冠密度與阻雪量關(guān)系密切。當(dāng)其它條件不變,樹冠密度越大,阻雪量就越大。因樹冠密度不同,阻擋積雪所形成的雪丘位置也不相同。如前所述,兼顧風(fēng)吹雪防治、林木生長(zhǎng)需要,樹冠密度保持在0.8～1.0較好。

4.3 防雪林枝下空間

防雪林枝下空間的大小主要體現(xiàn)在枝下高度的不同。當(dāng)其它條件相同時(shí),枝下高度越低,攔截風(fēng)吹雪的效果越好。由于風(fēng)吹雪的雪花顆粒大部分集中在低空,故枝下高度對(duì)風(fēng)吹雪雪花顆粒的沉降影響極大,對(duì)形成的積雪雪丘位置也有較大影響。

4.4 防雪林寬度

防雪林的寬度與阻雪量關(guān)系密切,不同的林帶寬度,其阻雪量也大不相同。當(dāng)其它條件固定時(shí),阻雪量隨防雪林寬度的增大而逐漸提高,當(dāng)防雪林的寬度達(dá)到某一數(shù)值時(shí),阻雪量增加速度趨緩,阻雪量接近峰值。

5 防雪林的風(fēng)吹雪防治機(jī)理及阻雪效果觀測(cè)

5.1 防雪林風(fēng)吹雪防治機(jī)理

公路風(fēng)吹雪防雪林的上下結(jié)構(gòu)一般都比較緊密,當(dāng)風(fēng)吹雪經(jīng)過(guò)防雪林時(shí),大部分氣流從林帶的上方穿越而過(guò),其余部分則會(huì)通過(guò)林帶或繞過(guò)林帶邊緣。

由于風(fēng)吹雪受到防雪林的阻擋,風(fēng)吹雪氣流的動(dòng)能迅速下降,流動(dòng)速度明顯降低。根據(jù)防雪林寬度的不同、枝下空間高度的不同、樹冠密度的不同,使風(fēng)吹雪雪花顆粒迅速沉降在防雪林的前、中、后位置,堆積形成雪丘。

基于公路風(fēng)吹雪的防治需求,防雪林的寬度越大,樹木越高,樹冠密度越大,枝下空間越小,其治理效果越好。防雪林的結(jié)構(gòu)組成條件不同,會(huì)導(dǎo)致風(fēng)吹雪防治效果的改變。如引起風(fēng)吹雪積雪沉降形成的雪丘位置和形狀的變化,可由林前、林中改變到林后。

由于防雪林的攔截阻擋作用,風(fēng)吹雪氣流一般會(huì)在防雪林之前,8～10倍防雪林高度的距離附近承受減速作用,在防雪林之后10～15倍防雪林高度的距離范圍內(nèi)減速作用最強(qiáng),風(fēng)吹雪裹挾的雪花顆粒將會(huì)沉積在減速區(qū)范圍內(nèi)。

5.2 防雪林阻雪及流場(chǎng)特征觀測(cè)

(1)防雪林阻雪效果觀測(cè)。

風(fēng)吹雪觀測(cè)路段位于“土龍公路”黑龍江省樺南縣境內(nèi),技術(shù)等級(jí)為三級(jí)公路?！巴笼埞贰憋L(fēng)吹雪雪害路段防雪林的樹木品種為樟子松,當(dāng)年樹木高度約8 m,防雪林寬度55 m,樹木種植間距2.5 m。冬季對(duì)該處防雪林阻擋風(fēng)吹雪的效果進(jìn)行了觀測(cè),有關(guān)位置的積雪情況如圖1所示。

圖1 觀測(cè)路段防雪林附近的積雪厚度

由圖1可見,防雪林前(迎風(fēng)向)滯留的積雪寬度累計(jì)44 m,防雪林全寬55 m,林內(nèi)積雪寬度累計(jì)約30 m,防雪林后(背風(fēng)向)的積雪寬度累計(jì)44 m。防雪林前后的積雪寬度分別達(dá)到樹木高度的5.5倍。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,該路段防雪林平均阻雪量52.9 m3/m。

(2)防雪林附近空氣流場(chǎng)觀測(cè)。

根據(jù)風(fēng)吹雪天氣的空氣流場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果繪制流場(chǎng)分布圖,如圖2所示。根據(jù)流場(chǎng)分布(將迎風(fēng)向遠(yuǎn)端,距地面1 m高度的正常風(fēng)速設(shè)定為100%,風(fēng)速變化以此為基準(zhǔn)。圖中等高線上的數(shù)據(jù)為風(fēng)速百分比)。

圖2 觀測(cè)路段防雪林附近的風(fēng)速流場(chǎng)(單位:%)

由圖2可知,防雪林迎風(fēng)面的風(fēng)速變化與氣流距離地面的高度有關(guān)。較低處的風(fēng)速會(huì)逐漸下降,在通過(guò)防雪林后速度降至30%～50%;較高處的氣流受到防雪林的阻擋而抬升,空氣流速反而增大,達(dá)到原風(fēng)速的110%～140%,至越過(guò)防雪林后,逐漸恢復(fù)原有風(fēng)速。因此,防雪林在阻擋、攔截作用之外,還有使風(fēng)吹雪中的雪花顆粒加速并輸送至較遠(yuǎn)距離的作用,充分利用這一特性,能夠?qū)⒎e雪地點(diǎn)遠(yuǎn)離路基路面范圍,從而避免或減輕風(fēng)吹雪雪害。

6 樹木生長(zhǎng)程度對(duì)構(gòu)建防雪林的影響

使用不同生長(zhǎng)階段的樹木構(gòu)建防雪林,有不同的適用特點(diǎn),匯總?cè)绫?。

表1 不同生長(zhǎng)程度樹木作為防雪林木的特點(diǎn)

7 對(duì)構(gòu)建防雪林的具體要求

防雪林的樹木間距較小,防雪效果相應(yīng)較強(qiáng)。為兼顧防雪和林木生長(zhǎng)的需要,以1.0～2.5 m的樹木間距的防雪林效果較好。對(duì)于間距較大、樹木比較高大的林帶,以混種灌木等為好。

對(duì)于防雪林的具體位置,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[4-7],減速區(qū)的范圍一般為樹高的10～15倍。因此,防雪林以距離路基坡腳10～15倍樹高為宜。

防雪林的防雪效果,與林帶、風(fēng)吹雪風(fēng)向形成的夾角有關(guān)。兩者成90°夾角時(shí),防治效果最好。當(dāng)風(fēng)向與林帶的夾角在60°以上時(shí),防治風(fēng)吹雪的效果顯著。即防雪林的長(zhǎng)邊應(yīng)盡可能與風(fēng)吹雪的方向成直角,且不應(yīng)小于60°。

防雪林的長(zhǎng)度,應(yīng)取公路風(fēng)吹雪雪害路段的長(zhǎng)度和以主風(fēng)向?yàn)榛A(chǔ)的斜角延伸長(zhǎng)度的合計(jì)。

8 草木植被的防治功效和主要影響因素

8.1 植被對(duì)風(fēng)吹雪的作用和影響

在風(fēng)吹雪路段,如果路基兩側(cè)有生長(zhǎng)茂盛的草木植被,低空風(fēng)吹雪氣流在抵達(dá)路基之前,將受到雜草樹木的影響而減速,不同數(shù)量的雪花顆粒被攔截在雜草樹木之中,能明顯減輕公路表面及其附近的積雪程度。在平原區(qū),植被的防護(hù)效果尤其顯著;在山區(qū)公路,半填半挖、深路塹形成的迎風(fēng)、背風(fēng)的路段較多,如果路側(cè)有森林阻擋,發(fā)生風(fēng)吹雪的可能性也明顯降低。

8.2 草木植被對(duì)風(fēng)吹雪的主要影響因素

(1)植被覆蓋程度。

當(dāng)發(fā)生風(fēng)吹雪時(shí),受路基兩側(cè)雜草及樹木的影響,風(fēng)速下降,風(fēng)吹雪裹挾的雪花顆粒沉降在雜草和樹木之中,落到路面及其附近的雪花顆粒相應(yīng)減少。所以植被的覆蓋程度越高,積雪、存雪效果就越好,同時(shí)積雪顆粒的啟動(dòng)也更加困難,風(fēng)吹雪的防治作用增強(qiáng)。

(2)植被高度。

與防雪林的效用相仿,當(dāng)植被高度增加時(shí),對(duì)風(fēng)的影響高度就越大,更高范圍內(nèi)的風(fēng)速相應(yīng)減弱。同理,若使積雪顆粒啟動(dòng),就需要更高的風(fēng)速。基于以上因素,充分利用路線兩側(cè)農(nóng)作物的立地秸稈,也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)可取、行之有效的方案。

9 結(jié) 語(yǔ)

在易發(fā)生風(fēng)吹雪的公路路段附近,通過(guò)營(yíng)造防雪林、種植植被,或者充分利用路線兩側(cè)既有的草木植被、農(nóng)作物立地秸稈等,對(duì)風(fēng)吹雪進(jìn)行有效干擾,使風(fēng)吹雪的雪花顆粒加速沉降,積存于防雪林內(nèi)、草木叢中,并在其附近堆積滯留,以減輕和防止風(fēng)吹雪雪害,是比較經(jīng)濟(jì)有效的方法。能夠在防止風(fēng)吹雪妨礙交通的同時(shí),綠化公路環(huán)境,協(xié)調(diào)路線景觀。在有條件的地區(qū),應(yīng)盡可能地采用適宜的樹木種類、適當(dāng)?shù)臉淠鹃g距、合理的喬灌混交方式,構(gòu)建防雪林、防雪植被等來(lái)防治風(fēng)吹雪雪害。