阿和沙漠公路風(fēng)沙運動規(guī)律研究

阿和沙漠公路風(fēng)沙運動規(guī)律研究

風(fēng)是形成地形的基本力量之一1。特別是在干旱氣候條件下，它是沙漠表面形態(tài)的主要動力2，也是直接導(dǎo)致沙害的直接動力3-4。將長期歷史資料與沙漠公路沿線短期風(fēng)沙監(jiān)測結(jié)果相結(jié)合,系統(tǒng)研究阿和沙漠公路沿線風(fēng)沙運動規(guī)律性,為沙漠公路的安全行車和未來公路養(yǎng)護等提供科學(xué)依據(jù)。阿和沙漠公路位于塔克拉瑪干沙漠西部,是縱貫新疆塔克拉瑪干沙漠的第二條沙漠公路,以阿拉爾市南口鎮(zhèn)為起點,和田市玉龍喀什鎮(zhèn)為終點,全長424.7km。該公路沙漠路段長407.6km,公路等級為二級,也是我區(qū)第二條南北縱穿塔克拉瑪干沙漠的公路。它的建成極大的改善了新疆南疆的交通條件,使阿克蘇到和田的距離縮短了430km,阿拉爾到和田的距離縮短了550km,并與國道314線、國道315線共同構(gòu)成南疆公路運輸?shù)闹鞲删€。該公路對改善我區(qū)公路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、公路網(wǎng)密度具有重要的作用,對促進新疆南北疆經(jīng)濟和社會發(fā)展有著十分重要的意義。塔克拉瑪干沙漠是中國最大的沙漠,也是世界最大的流動性沙漠。朱震達在其專著中首次對沙丘類型、分布格局、運動等方面進行了深入、系統(tǒng)的研究,特別是關(guān)于沙漠西南部沙丘動態(tài)過程的研究,使塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙地貌研究進入一個嶄新階段［5］。20世紀(jì)80年代以后,沙漠油田開發(fā)和沙漠公路的貫通,為整個沙漠特別是沙漠腹地的研究提供了機遇。凌裕泉研究了近地表流場特征與輸沙強度的關(guān)系,并對該區(qū)域沙漠化問題作了探討［6］;王雪芹等著重研究了塔里木沙漠公路風(fēng)沙危害評估指標(biāo)體系［7］;徐海量［8］等研究風(fēng)災(zāi)危險性評價以塔里木盆地為例;李生宇［9］等研究了塔克拉瑪干沙漠腹地路面沙害的空間分布;俎瑞平［10］等對塔克拉瑪干沙漠風(fēng)況特征進行研究。上述研究均取得了一些重要成果,然而由于塔克拉瑪干沙漠自然環(huán)境惡劣、交通不便、資料缺乏、風(fēng)沙監(jiān)測等條件制約,而對塔克拉瑪干沙漠第二條沙漠公路風(fēng)沙運動特征研究未見公開報道。2007年11月1日阿和沙漠公路的正式通車,為阿和沙漠公路風(fēng)沙運動規(guī)律監(jiān)測研究提供新機遇,馬淑紅［11］等率先研究了阿拉爾—和田沙漠公路防風(fēng)阻沙效應(yīng)參數(shù)分布特征;胡智峰［12］研究防沙技術(shù)在阿—和沙漠公路中的應(yīng)用。阿和沙漠公路完全依靠防風(fēng)阻沙體系保障暢通,隨著時間的推移在強風(fēng)天氣下一部分防風(fēng)阻沙體系出現(xiàn)破損甚至失效,國家每年都要投入大量人力物力來維護防風(fēng)阻沙體系。因此,本文研究成果對于完善防風(fēng)阻沙體系維護的理論和技術(shù),保障沙漠公路的暢通具有重要科學(xué)意義和工程價值。1阿和從塔架內(nèi)的風(fēng)能分布以塔克拉瑪干沙漠為研究區(qū)域,將覆蓋塔克拉瑪干沙漠的17個氣象站近50a(1961-2010年)歷史資料與沙漠公路沿線近3年(2007年4月~2010年4月)5層梯度風(fēng)短期監(jiān)測資料,以及沙漠公路七種防風(fēng)阻沙體系下典型橫斷面5層梯度風(fēng)監(jiān)測資料,阿和沙漠公路沿線及周圍氣象臺站分布圖,如圖1所示,采用氣象學(xué)、風(fēng)沙物理學(xué)、流體力學(xué)、統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合方法,對阿和沙漠公路沿線風(fēng)沙活動若干規(guī)律性進行研究。為阿和沙漠公路養(yǎng)護及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。2建立沙公路沿線沙子站和k1275級自動氣候站2.1防沙要素分區(qū)布設(shè)為了全面掌握阿拉爾——和田沙漠公路沿線風(fēng)沙運動若干規(guī)律性,對沙漠公路沿線環(huán)境特征、地形地勢、路堤和路塹高度進行了野外科學(xué)考察,并進行了沙漠公路沿線風(fēng)沙監(jiān)測站布點工作。布點原則根據(jù)QX/T61-2007有關(guān)技術(shù)規(guī)定［13］及WMO氣象儀器和觀測方法指南(第六版)有關(guān)規(guī)定［14］,以最大瞬時風(fēng)速2a一遇設(shè)計為基礎(chǔ),參照國際中尺度地面觀測網(wǎng)的設(shè)計思路和國家氣象局在對不同地域的中小尺度自動氣象站地面觀測網(wǎng)布設(shè)原則,根據(jù)沙漠公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)要求和沿線氣象條件、地理環(huán)境等因素,合理布設(shè)并適時調(diào)整風(fēng)速風(fēng)向儀的布設(shè)間距。在瞬間最大風(fēng)速2a一遇設(shè)計風(fēng)速Vmax≥20.0m/s路段,地形平旦區(qū)間20~40km布設(shè)風(fēng)速計,特殊地形區(qū)間5~10km布設(shè)風(fēng)速計。阿和沙漠公路七種防風(fēng)阻沙體系分別簡稱如下:(1)蘆葦草方格防風(fēng)阻沙體系;(2)草簾子方格防風(fēng)阻沙體系;(3)草把子方格防風(fēng)阻沙體系;(4)棉稈方格防風(fēng)阻沙體系;(5)綠工網(wǎng)方格防風(fēng)阻沙體系;(6)黑工網(wǎng)方格防風(fēng)阻沙體系;(7)土工袋方格防風(fēng)阻沙體系。不同防風(fēng)阻沙體系下橫斷面監(jiān)測點為7~11個,在蘆葦防沙體前(迎風(fēng)側(cè))、公路、蘆葦防沙體后(背風(fēng)側(cè))分別布設(shè)監(jiān)測站,并且確定在沙漠公路k127建立5層梯度風(fēng)自動氣象站。采用全球定位系統(tǒng)(GPS)對沙漠公路風(fēng)沙監(jiān)測布點精確定位,阿和沙漠公路不同防風(fēng)阻沙體系下典型橫斷面風(fēng)沙監(jiān)測站布設(shè),如圖2所示。2.2阿和于阿的心理和設(shè)施2008年3月7日在阿和沙漠公路k127安裝完成的沙漠公路5要素(風(fēng)向、風(fēng)速、相對濕度、溫度、路面溫度)5層(0.5m、1.0m、2.0m、4.0m、10.0m)梯度風(fēng)自動氣象站,采集每秒瞬間風(fēng)向、風(fēng)速及每分鐘溫濕度等資料。五要素5層梯度風(fēng)自動氣象站是一種野外無人值守型的全自動氣象站。該設(shè)備采用氣象部門通用中心站軟件,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,以先進的GPRS通信方式進行無線傳輸,并以太陽能方式供電。阿和沙漠公路k127處防風(fēng)阻沙效應(yīng)5層梯度風(fēng)自動氣象站于2008年3月27日建成。它將為塔克拉瑪干沙漠中西部資源開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)等提供及時準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在公路交通氣象保障服務(wù)中發(fā)揮重要作用,為阿和沙漠公路沿線風(fēng)沙活動若干規(guī)律研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2.3最大顯著風(fēng)速分析在阿和沙漠公路沿線現(xiàn)場地形地貌考察和沙漠公路k127路段5層梯度風(fēng)實際監(jiān)測基礎(chǔ)上,按照布點原則分別在阿和沙漠公路布設(shè)風(fēng)速計,進行沙漠公路沿線強風(fēng)對比監(jiān)測,如圖3所示。相關(guān)對比分析結(jié)果表明:阿和沙漠公路沿線氣象站10m高度處最大瞬時風(fēng)速與沙漠公路北部k127路段5層梯度風(fēng)4.0m最大瞬時風(fēng)速,以及沙漠公路沿線短期5層強風(fēng)監(jiān)測4.0m最大瞬時風(fēng)速相關(guān)顯著,相關(guān)系數(shù)在0.6501~0.9987,沙漠公路沿線氣象站與強風(fēng)監(jiān)測站風(fēng)速風(fēng)向具有空間相關(guān)性,平原路段空間代表性為20~40km;特殊路段空間代表性為5~10km。阿和沙漠公路沿線氣象站與強風(fēng)短期監(jiān)測站的最大瞬時風(fēng)速比值K系數(shù)在0.80~1.40之間,其中k127處、k167處、k258處瞬間最大風(fēng)速比阿拉爾氣象站分別偏大1.15、1.32、1.40倍,路塹區(qū)間瞬間最大風(fēng)速比阿拉爾氣象站偏小0.86~0.97倍,見圖4。沙漠公路沿線迎風(fēng)側(cè)最大瞬時風(fēng)速比背風(fēng)側(cè)偏大1.15~1.30倍。3沙?！衬凤L(fēng)沙運動若干規(guī)律性沙漠公路沿線風(fēng)沙活動的動力參數(shù):地形地貌、風(fēng)隨高度變化α指數(shù)、最大瞬時風(fēng)速、強風(fēng)主風(fēng)向、起沙風(fēng)速、沙粒過路臨界風(fēng)速。其分布規(guī)律根據(jù)所在的位置、地形、下墊面狀況、當(dāng)?shù)貧夂虮尘暗炔煌?各有獨特的特點。3.1陰山山地沉積相阿和沙漠公路全長424.372km,其中407km為塔克拉瑪干沙漠半流動、流動沙地,地貌類型既有稀疏胡楊、紅柳分布的風(fēng)蝕裸露沙地,也有稀疏的新月形沙丘、沙壟帶;還分布有密集的新月形沙丘鏈群,丘間有稀疏粗大的胡楊樹根,間斷分布有風(fēng)蝕洼地;在靠近和田的部分區(qū)間為高大的新月形沙丘鏈群與格狀沙丘(蜂窩狀沙丘)相間分布區(qū),沙丘高度5~40m。3.2最大顯著風(fēng)速分析假設(shè)阿和沙漠公路沙漠路段近地層內(nèi)最大瞬時風(fēng)速均值隨高度變化遵循冪指數(shù)分布,公式［15］如下:式中:u為Z高度處的風(fēng)速;u1為Z1高度處的風(fēng)速;α為風(fēng)速高度變化冪指數(shù),其值的大小即表明了風(fēng)速垂直切變的強度。根據(jù)(1)式,利用兩個高度風(fēng)速差,推導(dǎo)出如下計算公式:式中:u1為0.5m高度處的瞬時風(fēng)速均值;u2為2.0m高度處的瞬時風(fēng)速均值,根據(jù)監(jiān)測期間大氣呈中性層結(jié)時的數(shù)據(jù)共1873組,監(jiān)測資料計算出冪指數(shù)α=0.100259。按冪指數(shù)α取值為0.10分別計算出不同高度的風(fēng)速,繪制風(fēng)隨高度變化廓線圖,見圖5。并且計算了沙漠公路北部k127路段5層梯度風(fēng)實際監(jiān)測值與模式計算值差值和相對誤差,結(jié)果表明:沙漠公路k127處5層梯度風(fēng)不同高度處最大瞬時均值實際監(jiān)測值與模式計算值差值在0.0~1.0m/s之間,平均相對誤差5.86%,從而證實假設(shè)合理,沙漠公路沙漠路段近地層內(nèi)最大瞬時風(fēng)速均值隨高度變化遵循冪指數(shù)分布,誤差范圍符合工程設(shè)計。進一步分析圖5看出:0.5m以下集沙層實際監(jiān)測最大瞬時風(fēng)速均值比指數(shù)模式模擬的最大瞬間風(fēng)速偏小0.6~1.0m/s,2.0m以上監(jiān)測最大瞬時風(fēng)速均值與冪指數(shù)模式模擬的最大瞬均值基本相等,這主要由于蘆葦高立式沙障與蘆葦草方格相結(jié)合防風(fēng)阻沙體系(以下簡稱為蘆葦草方格防風(fēng)阻沙體系)影響所致。從而證實蘆葦草方格防風(fēng)阻沙體系使得0.5m以下瞬時風(fēng)速均值偏低1.0m/s左右,防風(fēng)阻沙效應(yīng)顯著。3.3最大時效一遇設(shè)計值最大瞬時風(fēng)速定義為某個時段內(nèi)出現(xiàn)的最大瞬時風(fēng)速值。瞬時風(fēng)速是指3s的滑動平均風(fēng)速值;最大風(fēng)速是指在某個時段內(nèi)出現(xiàn)的最大十分鐘平均風(fēng)速值;極大風(fēng)速是指在某個時段內(nèi)出現(xiàn)的最大瞬時風(fēng)速值。在沙漠公路沿線強風(fēng)相關(guān)對比分析基礎(chǔ)上,按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和(JTG/TD60-01-2004)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)技術(shù)規(guī)定［16-17］,依據(jù)阿和沙漠公路沿線氣象站與強風(fēng)監(jiān)測站最大瞬時風(fēng)速比值曲線圖,應(yīng)用距路面4.0m高度處任意里程100m×100m空間網(wǎng)格點上最大瞬時風(fēng)速2a一遇設(shè)計值V4_2max,模式［18］如下:式中:V4_2max為沙漠公路距路面4m高處任意里程100m×100m空間網(wǎng)格點上最大瞬時風(fēng)速2a一遇設(shè)計值,V10為高速公路沿線氣象站10m高度處10min平均最大風(fēng)速設(shè)計值,K1強風(fēng)或陣風(fēng)系數(shù);K2為路堤高增速訂正系數(shù);K3為地形訂正系數(shù)。進一步推論,建立沙漠公路沿線強風(fēng)監(jiān)測點以外區(qū)間最大瞬時風(fēng)速2a一遇設(shè)計值計算模式:式中:V4_V為沙漠公路沿線強風(fēng)監(jiān)測點以外區(qū)間,距路面4.0m高度處2a一遇瞬時風(fēng)速計算值(m/s),V為沙漠公路沿線氣象站最大瞬時風(fēng)速多年均值［19］(m/s),K0為比值系數(shù)。該模式的建立有助于提高阿和沙漠公路沿線強風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)中短期風(fēng)速預(yù)測模式的精度,從而為阿和沙漠公路沿線距路面4.0m高度處任意里程100m×100m空間網(wǎng)格點上最大瞬時風(fēng)速2a一遇設(shè)計值水平分布規(guī)律研究提供技術(shù)支撐,應(yīng)用(4)式計算阿拉爾-和田沙漠公路沿線2a一遇最大瞬時風(fēng)速,分析結(jié)果表明:阿和沙漠公路沿線2a一遇最大瞬時風(fēng)速水平分布規(guī)律:以沙漠公路中部向南北部遞減,最大值出現(xiàn)在k66.7~k326路段處。3.4最大風(fēng)壓單位面,線路與常用風(fēng)風(fēng)向?qū)Ρ确治鰪婏L(fēng)定義:瞬時風(fēng)速達到≥10.8m/s的風(fēng)稱為強風(fēng);強橫風(fēng)定義:瞬時風(fēng)速達到≥15.0m/s,線路走向與主風(fēng)向之間夾角在75~95°之間,稱為強橫風(fēng);大風(fēng)定義:瞬時風(fēng)速達到≥17.2m/s的風(fēng)稱為大風(fēng)。由此提出強風(fēng)主風(fēng)向的概念,它是指月內(nèi)該風(fēng)向強風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)占全月各強風(fēng)風(fēng)向出現(xiàn)的總次數(shù)的百分比,計算公式如下:式中:F為該月某強風(fēng)風(fēng)向頻率;m為該強風(fēng)風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)的月合計;n為全月各強風(fēng)風(fēng)向記錄總次數(shù)。把頻率出現(xiàn)最多的強風(fēng)風(fēng)向稱為強風(fēng)主風(fēng)向或強風(fēng)盛行風(fēng)向,繪制強風(fēng)玫瑰圖。它定量分析沙漠公路沿線氣流情況。沙漠公路北部大多數(shù)路段強風(fēng)天氣下受西北氣流和倒灌偏東氣流的共同影響,全年強風(fēng)主風(fēng)向為WNW和N風(fēng),頻率均為16.0%,次強風(fēng)主風(fēng)向ENE和NE,頻率均為13.0%(圖6a所示),線路與強風(fēng)主風(fēng)向夾角>45°,部分路段線路與強風(fēng)主風(fēng)向夾角甚至達到90°;沙漠公路中部以偏東風(fēng)氣流為主,其次是偏西風(fēng)的影響,全年強風(fēng)主風(fēng)向ENE和NE,頻率分別為21%和20%,次強風(fēng)主風(fēng)向NNW,頻率均為12.0%(圖6b所示),線路與強風(fēng)主風(fēng)向夾角在30°~60°;沙漠公路南部大多數(shù)路段主要受偏西風(fēng)的影響,全年強風(fēng)主風(fēng)向W,頻率為34.0%,次強風(fēng)主風(fēng)向WNW,頻率為17.0%,如圖6c所示,線路與強風(fēng)主風(fēng)向夾角>45°。全年強風(fēng)玫瑰圖能定量反映出阿和沙漠公路沿線的強風(fēng)氣流情況,是沙漠公路風(fēng)沙運動規(guī)律和防沙阻沙效應(yīng)研究中重要參數(shù)之一。3.5動態(tài)風(fēng)速沙粒臨界風(fēng)速阿和沙漠公路沿線,典型路段路基橫斷面工程防風(fēng)阻沙發(fā)揮了顯著的防風(fēng)阻沙效應(yīng)。不同防風(fēng)阻沙體系下風(fēng)沙監(jiān)測結(jié)果顯示:7種防風(fēng)阻沙體系中以蘆葦、草簾子方格防風(fēng)阻沙體系下起沙風(fēng)速和沙粒過路臨界風(fēng)速為最大,分別為8.0~9.0m/s和10.0~11.0m/s,蘆葦防風(fēng)阻沙體系對輸沙貢獻最大的有效瞬間風(fēng)速在8~15.0m/s之間;其次是草把子方格與蘆葦高立式沙障相結(jié)合的防風(fēng)阻沙體系下臨界起沙風(fēng)速為7.0~8.0m/s,沙粒過路臨界風(fēng)速為8.0~9.0m/s;棉稈方格與蘆葦高立式沙障相結(jié)合的防風(fēng)阻沙體系下臨界起沙風(fēng)速為6.0~7.0m/s,沙粒過路臨界風(fēng)速為7.0~8.0m/s;黑、綠工網(wǎng)方格與蘆葦高立式沙障防風(fēng)阻沙體系下起沙風(fēng)速為5.0~6.0m/s,沙粒過路臨界風(fēng)速為6.0~7.0m/s;黑土工袋方格與蘆葦高立式沙障防風(fēng)阻沙體系下起沙風(fēng)速為4.0~5.0m/s,沙粒過路臨界風(fēng)速為5.0~6.0m/s,如表1所示,建議更換。4阿、沙丘公路沿線最大時效風(fēng)速(1)阿和沙漠公路沿線氣象站10m高度最大瞬時風(fēng)速與沿線梯度風(fēng)監(jiān)測站及短期監(jiān)測站距路面4m高度最大瞬時風(fēng)速相關(guān)顯著,相關(guān)系數(shù)在0.6501~0.9987。也就是說沙漠公路沿線氣象站與強風(fēng)監(jiān)測站風(fēng)速風(fēng)向具有空間相關(guān)性,平原路段空間代表性為20~40km;特殊路段空間代表性為5~10km。(2)阿和沙漠公路沿線氣象站與強風(fēng)短期監(jiān)測站的最大瞬時風(fēng)速比值K系數(shù)在0.80~1.40之間,其中k127處、k167處、k258處瞬間最大風(fēng)速比阿拉爾氣象站分別偏大1.15、1.32、1.40倍。阿和沙漠公路沿線迎風(fēng)側(cè)最大瞬時風(fēng)速比背風(fēng)側(cè)偏大1.15~1.30倍。(3)阿和沙漠公路沙漠路段近地層內(nèi)最大瞬時風(fēng)速均值隨高度變化遵循冪指數(shù)分布,監(jiān)測資料計算出冪指數(shù)α=0.100259,冪指數(shù)α取值為0.10。(4)阿和沙漠公路沿