新疆新亞歐大陸橋新疆段環(huán)境災(zāi)害特征分析

新疆新亞歐大陸橋新疆段環(huán)境災(zāi)害特征分析

新亞歐大陸橋是于20世紀(jì)90年代9月12日，新疆新疆的新疆鐵路通過(guò)阿拉山口-德洛伊巴鐵路與前蘇聯(lián)鐵路相連而建造的。它東起我國(guó)連云港,西至荷蘭鹿特丹港,全長(zhǎng)10837km。新亞歐大陸橋的貫通,把太平洋和大西洋連接起來(lái),是亞洲、歐洲經(jīng)濟(jì)的橋梁和沿橋國(guó)家經(jīng)濟(jì)合作的紐帶,對(duì)我國(guó)和全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生著重大影響。新亞歐大陸橋(以下簡(jiǎn)稱陸橋)新疆段東起疏勒河,西至我國(guó)的阿拉山口,全長(zhǎng)1447.75km,由蘭新線(疏勒河—烏魯木齊)和北疆鐵路(烏魯木齊—阿拉山口)兩部分組成,是陸橋的關(guān)鍵地段。同時(shí),也是環(huán)境災(zāi)害十分嚴(yán)重的區(qū)段。調(diào)查研究表明,蘭新線自1959年、北疆鐵路自1987年(包括南疆線自1982年)通車以來(lái),累計(jì)發(fā)生災(zāi)害1200余次,累計(jì)斷道時(shí)間4158h,嚴(yán)重影響了陸橋的暢通,制約著陸橋沿線的開(kāi)發(fā)建設(shè)。作者根據(jù)近3年野外實(shí)地考察及收集到的各種資料,就陸橋新疆段環(huán)境災(zāi)害成因及分布規(guī)律作一分析探討,為今后防止和減輕災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。1環(huán)境災(zāi)害類型陸橋東起甘肅省境內(nèi)的疏勒河車站進(jìn)入新疆段(表1),跨越北山蝕余丘陵、哈密—吐魯番盆地、天山斷塊隆升山地和準(zhǔn)噶爾盆地等4大地貌單元,孕育的環(huán)境災(zāi)害類型繁多(圖1)。它們是在一定孕災(zāi)環(huán)境下,由多種因素綜合作用的結(jié)果。1.1暴雨洪水原因分析水害是陸橋新疆段所有災(zāi)害類型中發(fā)生頻次最多影響最大的一種類型占災(zāi)害總數(shù)的76.36%。主要形成于暴雨山洪和春季融雪洪水,以水浸路基、水漫路基、水毀護(hù)堤、沖斷路基等形式造成路基下沉、行車限速、鐵路中斷運(yùn)營(yíng)等。其中嚴(yán)重水害事件均由暴雨山洪引起。通過(guò)對(duì)近40年的統(tǒng)計(jì)資料分析表明,不同地段由于區(qū)域環(huán)境的差異,水害災(zāi)變事件的臨界閾值是不同的,主要與日降水量和降雨強(qiáng)度有關(guān)。陸橋新疆段主要沿天山山體走向展布,垂直于順坡發(fā)育的各種沖溝和河流,加之植被無(wú)幾,地表涵養(yǎng)水能力差,一旦發(fā)生暴雨,產(chǎn)匯流迅速,隨即造成災(zāi)害。如陸橋新疆段鄯善工務(wù)段區(qū)間水害大多發(fā)生在15mm/10min或25mm/h雨強(qiáng)過(guò)程中;又如烏魯木齊工務(wù)段轄屬區(qū)間正好穿越天山山地,近40年發(fā)生過(guò)6次重大暴雨災(zāi)害事件,造成運(yùn)行中斷653h。導(dǎo)致這6次重大水害事件的臨界雨強(qiáng)是日降雨量大于30mm(表2)。顯示了新疆段的易損性。1.2風(fēng)翻列車事件與地形因素的關(guān)系新疆干旱區(qū)以肆虐的大風(fēng)和茫茫戈壁沙漠著稱于世。陸橋新疆段途徑“煙墩風(fēng)區(qū)”、“百里風(fēng)區(qū)”和“三十里風(fēng)區(qū)”,大風(fēng)日數(shù)達(dá)100～150天。風(fēng)沙災(zāi)害成為陸橋新疆段非常突出的問(wèn)題。雖然風(fēng)沙災(zāi)害僅占災(zāi)害總數(shù)的11.05%,但因風(fēng)翻列車和因沙害引起的列車脫軌造成的惡性事件和經(jīng)濟(jì)損失卻是十分嚴(yán)重的風(fēng)翻列車事件發(fā)生的頻次之高在國(guó)際上都少見(jiàn)。對(duì)風(fēng)沙嚴(yán)重區(qū)段的資料分析和實(shí)地考察表明,風(fēng)翻列車事件均發(fā)生在風(fēng)力10—12級(jí)以上,而且不僅與強(qiáng)勁的大風(fēng)有關(guān),還與地形因素有著密切的關(guān)系。風(fēng)翻列車事件多發(fā)生在山體豁口和鐵路橫跨呈“箱”型谷地的部位。如紅層—紅柳站、三個(gè)泉—天山站等地段?！跋洹毙凸鹊木埏L(fēng)效應(yīng)對(duì)風(fēng)力和風(fēng)速具有加積作用。1997～1998年兩年觀測(cè)資料表明,在“箱”型谷地的風(fēng)速約是谷肩部風(fēng)速的8～12倍。是造成風(fēng)翻列車的主要原因。陸橋新疆段沙害的形成與新疆的干旱環(huán)境、沙地分布以及地形條件直接有關(guān)。根據(jù)對(duì)哈密和奎屯兩個(gè)工務(wù)段沙害嚴(yán)重區(qū)段1993～1998年的實(shí)地觀測(cè),起沙風(fēng)速為≥6m/s,每年春季4月份的大多數(shù)時(shí)間里,這些地段的風(fēng)速都在該值以上。并且,風(fēng)吹沙顆粒組構(gòu)視風(fēng)力條件的不同隨之變化(表3),加之近東西走向的鐵路猶如一道屏障,垂直于主風(fēng)向,風(fēng)吹沙被攔截在鐵路線上,聚集形成沙害。沙埋厚度和沙害范圍與風(fēng)力和大風(fēng)持續(xù)時(shí)間有直接關(guān)系,大風(fēng)持續(xù)時(shí)間愈長(zhǎng),積沙厚度愈大、分布范圍愈廣。調(diào)查表明,路軌積沙厚度當(dāng)超過(guò)7cm時(shí),即可能造成列車脫軌事件發(fā)生。1.3土壤理化性質(zhì)濕陷性黃土、鹽漬土等不良路基引起的災(zāi)害主要表現(xiàn)為路基邊坡滑塌、路基下沉、翻漿冒泥等,造成路軌變形,行車限速,甚至中斷運(yùn)行。通過(guò)對(duì)不同區(qū)段實(shí)地觀測(cè)表明,其形成與季節(jié)性水熱條件的變化以及路基的土壤化學(xué)、物理特征密切相關(guān)。由表4觀測(cè)結(jié)果可見(jiàn),不良路基災(zāi)害主要發(fā)生在春季氣溫3日內(nèi)迅速回升至10～15℃期間,且冬季路基陰坡最大積雪厚度在20cm以上或出現(xiàn)降雨情況下。陸橋新疆段不良路基最嚴(yán)重區(qū)段為石河子工務(wù)段。因不良路基引起的災(zāi)害占該區(qū)段災(zāi)害總數(shù)的47.14%?？凸?wù)段轄區(qū)的四棵樹(shù)—古河和托托—伊里生處的鹽漬土路基災(zāi)害問(wèn)題也十分突出,多由夏季降雨引起的路基邊坡滑塌和變形。此外,陸橋新疆段還存在崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害和雪害,二者發(fā)生頻率較低,前者占災(zāi)害總數(shù)的3.29%,多由陣發(fā)型降雨引起;后者僅占2.97%,以雪埋路軌等形式中斷行車造成災(zāi)害。2自然災(zāi)害分布特點(diǎn)分析陸橋新疆段由于所經(jīng)地帶自然條件和孕災(zāi)環(huán)境的差異,災(zāi)害的空間分布有著鮮明的區(qū)域性特點(diǎn)。不同區(qū)段災(zāi)害類型、發(fā)生頻率、災(zāi)害強(qiáng)度很不相同。比較柳園、哈密、鄯善、烏魯木齊、石河子和奎屯6個(gè)工務(wù)段的災(zāi)害發(fā)生次數(shù)可見(jiàn)(圖2),柳園工務(wù)段轄區(qū)內(nèi)的災(zāi)害次數(shù)最高,占新疆段災(zāi)害總數(shù)的23.25%,次為鄯善工務(wù)段,約為21%。北疆鐵路的石河子工務(wù)段和奎屯工務(wù)段的統(tǒng)計(jì)年限由于較短(僅11年),區(qū)間災(zāi)害次數(shù)占總數(shù)比例較低,分別為13.97%和6.99%。為能詳盡分析災(zāi)害區(qū)域分布特點(diǎn),使其具有可比性,我們選擇災(zāi)害頻數(shù)、災(zāi)害密度、斷道次數(shù)、斷道時(shí)間密度等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)表5),雖然柳園工務(wù)段災(zāi)害次數(shù)較多,但年平均發(fā)生災(zāi)害的次數(shù),即災(zāi)害頻數(shù)低于石河子工務(wù)段,甚至低于奎屯工務(wù)段。烏魯木齊工務(wù)段轄區(qū)內(nèi)的災(zāi)害密度以及斷道時(shí)間和斷道次數(shù)密度均居第一位,表明該區(qū)段致災(zāi)因子活躍,易損性大。由于區(qū)域環(huán)境條件的差異,不同災(zāi)害類型在各區(qū)段的空間分布也是不同的(表6)。各區(qū)段雖然均以水害所占比例最高,如柳園工務(wù)段,奎屯工務(wù)段的水害比例占區(qū)段災(zāi)害總數(shù)的90%以上,而在哈密工務(wù)段和鄯善工務(wù)段轄區(qū)內(nèi),由于路經(jīng)“煙墩風(fēng)區(qū)”和“百里風(fēng)區(qū)和風(fēng)翻火車或因沙埋路軌區(qū)段內(nèi)風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重分別占其災(zāi)害總數(shù)的造成列車脫軌事件頻繁發(fā)生,是陸橋新疆段風(fēng)沙災(zāi)害最嚴(yán)重區(qū)段。烏魯木齊工務(wù)段轄區(qū)由于穿越天山山地,區(qū)段內(nèi)不僅洪水災(zāi)害頻發(fā),而且也常發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害,是陸橋新疆段崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害最嚴(yán)重地段。此外由于烏魯木齊工務(wù)段轄區(qū)穿越天山著名的“三十里風(fēng)區(qū)”,風(fēng)翻火車事件占其災(zāi)害總數(shù)的9.09%。北疆鐵路由鹽堿土、濕陷性黃土等不良路基造成路基下沉、滑塌、翻漿冒泥等地段主要分布在石河子工務(wù)段轄區(qū)內(nèi),占其災(zāi)害總數(shù)的47.14%,而風(fēng)沙災(zāi)害主要分布在奎屯工務(wù)段托托站以西區(qū)段。綜觀陸橋新疆段災(zāi)害空間分布,可以歸納為以下幾方面特點(diǎn)。2.1沿私家車間鐵路概況陸橋新疆段的水害多由暴雨形成。干旱區(qū)低山及山前丘陵帶植被稀疏,土壤涵養(yǎng)水能力低,一旦暴雨迅速匯流形成洪水,直接危害鐵路。如水害次數(shù)較高的龍崗—安北(K975+286～K987+428)、峽東—峽口(K1024+546～K1035+369)、小泉東-照東(K1074+370～K1117+804)、十三間房—鄯善(K1487+445～K1600+170)、火焰山—七泉湖(K1655+200～K1687+057)、天山—達(dá)板城(K1770+403～K1794+540)以及奎屯工務(wù)段的古河—伊里生(K2207+412～K2240+464)區(qū)段間的鐵路均是沿山麓及蝕余丘陵區(qū)展布,極易遭受洪水襲擊。再則,鐵路橫跨河流的大橋,如吐魯番大橋、白楊河大橋、瑪納斯河大橋等,常有嚴(yán)重水害事件發(fā)生。2.2風(fēng)翻列車事件發(fā)生時(shí)間地處風(fēng)口處的鐵路,不僅路基風(fēng)蝕嚴(yán)重,而且風(fēng)翻火車造成嚴(yán)重事故。其分布多集中在哈密工務(wù)段的K1233-K1265間的“煙墩風(fēng)區(qū)”、鄯善工務(wù)段K1440～K1570間的“百里風(fēng)區(qū)”(長(zhǎng)138km)和烏魯木齊工務(wù)段的K1750～K1780間的“三十里風(fēng)區(qū)”(長(zhǎng)43km),占總數(shù)85%的風(fēng)翻列車事件在此發(fā)生。這三個(gè)風(fēng)區(qū)不僅大風(fēng)日數(shù)多,而且風(fēng)力強(qiáng)勁,是新疆著名的三個(gè)風(fēng)區(qū),也是陸橋新疆段重點(diǎn)風(fēng)害防護(hù)區(qū)。2.3鐵路沙害嚴(yán)重地段的交通沙干旱區(qū)植被稀少,風(fēng)吹沙起,尤其穿越沙漠戈壁地帶的鐵路同時(shí)受到沙害和風(fēng)害的影響。三年連續(xù)野外實(shí)地考察和歷史資料分析表明,鐵路沙害嚴(yán)重地段均分布在沙漠戈壁地帶(表7),防風(fēng)治沙已成為消除路害的一大重要問(wèn)題。尤其大風(fēng)之后,沙埋路軌,甚至造成列車脫軌失事。2.4k1757k174后溝—穿越山區(qū)的鐵路受崩塌、滑坡、泥石流威脅統(tǒng)計(jì)陸橋新疆段崩塌滑坡泥石流災(zāi)害的空間分布約分布在烏魯木齊工務(wù)段的三個(gè)泉(K1757～K1764)和后溝—達(dá)板城(K1783～K1794)之間。該區(qū)段鐵路線由南向北穿越天山山地,鐵路夾峙在兩側(cè)山體中通過(guò),因而鐵路運(yùn)輸常因巖體崩塌、滑坡和泥石流作用受阻,是崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害的集中分布區(qū)。2.5不同類型環(huán)境災(zāi)害的垂直分布由鹽漬土、堿土、濕陷性黃土等不良路基造成的鐵路災(zāi)害主要分布在平原地帶。在陸橋新疆段主要分布在石河子工務(wù)段,以二宮(K1891+500～K1892+500)、昌吉—軍戶(K1915+500～K1916+500)、軍戶—樂(lè)土驛(K1936～K1969+325)和瑪納斯—奎屯(K1990～K2110+700)最為嚴(yán)重,此外奎屯工務(wù)段也存在鹽堿土等不良路基問(wèn)題,如四棵樹(shù)—古河(K2172～K2174+660)、博樂(lè)—阿拉山口(K2324+100～K2327+000)等。由綜上分析可見(jiàn),各不同類型環(huán)境災(zāi)害在空間的垂直分布上也有一定規(guī)律,表現(xiàn)為水害、崩塌、滑坡、泥石流及風(fēng)害的分布海拔較高的山地或扇形地中上部,其中水害分布范圍較寬,在山地和平原都有發(fā)生;沙害的分布低于前三者,多形成于扇形地中下部,不良路基災(zāi)害則分布于平原區(qū)或湖盆區(qū)。3橋新疆段災(zāi)害的年際全年變化災(zāi)害的時(shí)間分布取決于災(zāi)害因子。統(tǒng)計(jì)陸橋新疆段災(zāi)害時(shí)間分布可以發(fā)現(xiàn),不同類型災(zāi)害的年際年內(nèi)變化是有一定規(guī)律可尋的,與致災(zāi)因子變化有著密切的聯(lián)系。3.1災(zāi)害年際分布統(tǒng)計(jì)陸橋新疆段的災(zāi)害年際變化可見(jiàn)(圖3),幾乎每年都有災(zāi)害發(fā)生,80年代后期以來(lái),災(zāi)害次數(shù)有明顯增加的趨勢(shì),1988年至1997年10年中的災(zāi)害次數(shù)約占近40年災(zāi)害總數(shù)的58.48%。尤其進(jìn)入90年代,不僅災(zāi)害次數(shù)增加,而且災(zāi)害過(guò)程加強(qiáng)、影響范圍擴(kuò)大,一次洪水災(zāi)害常使多處鐵路受損。進(jìn)一步比較各不同類型災(zāi)害的年際分布可見(jiàn),水害年際變化的曲線形態(tài)與整個(gè)環(huán)境災(zāi)害的曲線形態(tài)十分相近亦呈明顯增加趨勢(shì)反映了以水害為主體的災(zāi)害特點(diǎn)。而風(fēng)沙害、崩塌、滑坡、泥石流及鹽堿等不良路基造成的災(zāi)害,年際變化不甚明顯。3.2月不同季節(jié)和季節(jié)動(dòng)態(tài)災(zāi)害發(fā)生情況通過(guò)對(duì)近40年陸橋新疆段環(huán)境災(zāi)害年內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析可以看出,全年各月都有災(zāi)害發(fā)生,其中以7月份災(zāi)害頻次最高,約占災(zāi)害總數(shù)的42.79%,次為6月份,再次為3月份。這是由于新疆干旱區(qū)暴雨多出現(xiàn)在夏季6～7月兩個(gè)月,尤其75%集中于7月份;3月份出現(xiàn)災(zāi)害高峰期,是由于春季融雪洪水造成災(zāi)害,如沖刷、水浸路基、鹽堿土路基翻漿冒泥、路基下沉等。比較4、5、8月三個(gè)月的災(zāi)害出現(xiàn)時(shí)間可見(jiàn),4月份最高。其原因在于陸橋新疆段幾個(gè)風(fēng)口的大風(fēng)日數(shù)主要出現(xiàn)在4月份,從而致使春季4月份的風(fēng)沙災(zāi)害頻次較高。并且,鹽堿土等不良路基造成的災(zāi)害在4月份也較高,約占其災(zāi)害總數(shù)的37.5%(圖4)。再者,不同類型災(zāi)害的出現(xiàn)時(shí)間不盡一致。水害出現(xiàn)時(shí)間以7月份最高,約占其災(zāi)害總數(shù)的57.57%,風(fēng)沙災(zāi)害多出現(xiàn)在4月份,占其災(zāi)害總數(shù)的48%,鹽堿土等不良路基造成的災(zāi)害以3～4月份最高,約占其災(zāi)害總數(shù)的87.5%(圖4)。反映了災(zāi)害時(shí)間分布的規(guī)律性特點(diǎn)。4防治水害的對(duì)策建議(1)陸橋新疆段環(huán)境災(zāi)害具有類型多、頻次高、時(shí)空分布規(guī)律性顯著等特點(diǎn)。3～4月份以鹽堿土等不良路基和風(fēng)沙災(zāi)害為主;6～7月份則以洪水、崩滑、泥石流災(zāi)害為主;雪害出現(xiàn)在冬季,反映了不同時(shí)期致災(zāi)因子的活動(dòng)狀況。(2)不同地段由于區(qū)域環(huán)境因子的差異,災(zāi)害類型和強(qiáng)度亦不盡一致。因此,可根據(jù)災(zāi)害分布規(guī)律和活動(dòng)特點(diǎn),針對(duì)性的制定防災(zāi)減災(zāi)方案和對(duì)策,最大限度地減少災(zāi)害損失。柳園工務(wù)段應(yīng)以水害防治為主,在可能的情況下,加大洪泛區(qū)涵、橋的行洪能力;哈密和鄯善工務(wù)段由于穿越風(fēng)區(qū),即要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)沙災(zāi)害的治理,還要