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中国交通干线风沙危害防治模式及国际行使前景

中国网/中国发展门户网讯 道路交通是雅致和生产力的主要标志,与人类生存和发展互有关注,同时行为一种地面构筑物,也受到区域多种天然条件的影响。风沙活动为一种气固两相流表象,主要发生在干旱半干旱地区,以及半润湿地区的河湖沿岸、沿海地区。中国沙区大多分布在内地重大山间盆地和汜博的高平原上,从西北、华北到东北地区呈一弧形条带,东西绵延约 4 000 km,南北宽约 60 km,总面积达 1.308×106km2,约占国土面积的 13.6%。

18 世纪工业革命后,当代化道路(公路和铁路)的展现极大地促进了人类的发展。截至 2019 岁暮,中国公路总里程达 4.8465×106 km,其中高速公路1.426×105 km;铁路买卖里程达 1.39×105 km,其中高铁 3.5×104 km。20 世纪 50—80 年代,陪同着交通干线的建设,中国在干旱半干旱地区的沙漠、沙漠边缘、戈壁等地开展了道路沙害防治做事,尤其是包兰铁路沙坡头段沙害防治,为交通干线沙害防治积累了珍贵的经验和技术。20 世纪 80—90 年代,随着塔里木盆地油气资源勘探开发,吾国成功修筑了直通塔克拉玛干沙漠的油田公路,占有了起伏沙漠公路风沙危害防治技术的难题。2000 年后,随着西部大开发战略的实走,沙区交通干线建设大周围开展,防沙技术得到渐渐完善。2010 年后,尤其是 2013 年“一带一块儿”倡议挑出之后,沙区高速交通干线建设添快,防沙技术进一步得到升迁。

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交通干线的风沙危害形势及防治原则

风沙危害形势

风沙活动可造成道路设施侵害(如路基风蚀、涵洞阻滞、标识牌毁坏等)、走车环境凶化(如路基积沙或沙埋、能见度变差)、车辆死板毁坏(如零件磨损、表面侵害)、车辆推翻、人员伤亡和财产亏损,而清淡所说的交通干线风沙危害形势仅限于风蚀及沙埋对交通设施的侵害和对走车坦然的胁迫。

风沙危害防治原则

交通干线风沙危害防治答按照以下原则:预防为主,防治结相符;相机走事,因害设防;综相符治理,足够发挥各种措施的效能。在交通干线设计阶段,答制定科学相符理的线路方案,绕避主要风沙危害区段,尽量使线路走向与区域主导风向平走或幼角度相交,并修筑适答断面形势的路基。

公路路面平滑平整,风沙流能够非堆积搬运形势议决。现在,高等级公路常采用的波形板护栏容易引首路面积沙,故高等级公路防沙标准高于清淡等级公路。而铁路道床(包括道砟、枕木、铁轨)粗糙首伏,易产生滞留积沙,不光胁迫交通坦然,还易造成拱道危害。所以,铁路防沙标准高于公路。

交通干线防沙体系的配置及维护

防沙措施和防沙原理

在防沙实践中,中国创造了多种防沙措施,风沙危害得到了有效防治。按照防沙原料性质,防沙措施清淡能够分为死板措施、化学措施和生物措施;按照力学原理将防沙措施分为封闭型(如片石封闭路基边坡)、固定型(如草方格)、阻截型(如高立式沙障、林带)、输导型(如下导风)、转向型(如羽毛排)、消逝型(如扬沙堤)等 6 类。迥异防沙措施的作用原理主要包括:阻断或按捺风沙气固两相流与地面的接触及相互作用;增补积沙体或地外抗风蚀能力;增补或减幼风沙流局地活动阻力;引导转折风沙流活动倾向等。

在防沙工程建设中,须综相符考虑沙源、风况、地貌、降水、地下水位等因素,尤其要足够考虑防沙原料。防沙原料主要包括天然无机原料、植物秸秆、人造高分子相符成原料、矮等植物和高等植物等。鉴于工程造价和环保请求,防沙工程多倾向采用乡土原料。

防沙体系的组织配置模式

防沙措施沿交通干线的空间组织配置称为防沙体系。防沙体系不光有关工程坦然,而且决定了工程建设成本及后期运走维护成本,必须贯彻相机走事、因害设防理念。

风沙环境复杂多样,按照风力强弱和沙源多少的组相符情况,可定性地将其分为 4 类:弱风少沙型、弱风多沙型、强风少沙型、强风多沙型(外 1)。响答地,沙区交通干线防沙体系可总结为 4 种组织模式:以固为主型、阻-凝结相符型、挡风输沙型、阻-固-输结相符型(外 1)。此外,当线路与当地主导风向夹角较幼且有适答的导沙区域(如沟壑、河谷)时,阻-凝结相符模式的外侧阻沙措施可变为导沙措施,即调整为导-凝结相符型模式。

防沙体系的维护

沙区交通干线不光要进走路基和路面的防风蚀维护管理,也要重点开展防沙体系维护。防沙体系功能会随着其发挥防风固沙作用而衰减,防沙原料也会渐渐腐朽老化。为了延迟防沙体系寿命,必要不息对其进走维护和更新。防沙功能衰减并非全都从防沙体系的迎风边缘向内部渐渐推进,防沙体系内部地形首伏处也可同步发生风蚀和沙埋。防沙体系越宽,其维护成本越高;且原由平时的幼周围、多点维护不具周围收好,永远维护成本高于一次更新成本。所以,防沙体系的理论计算宽度(多存在技术性的沙害夸大题目)在经济学上并非最优,而适答宽度的防沙体系永远更新成本更矮,更相符实际。

交通干线防沙模式与成功案例

多年来,吾国科技做事者针对迥异区域环境条件和风沙危害特征,综相符集成死板、化学和生物防护措施的上风,相符理配置、相机走事,渐渐构建和完善了沙区交通干线防沙体系,确保了道路的坦然运营。

起伏沙漠环境“四带一体”的风沙危害综相符防治模式——包兰铁路

1958 年,包兰铁路建成通车,该线路在沙坡头段穿越腾格里沙漠东南缘。大面积格状起伏沙丘由西北向东南倾斜,呈阶梯状分布;而铁路正处于沙丘阶梯下方,添之常年通走西北偏西风和西北风,铁路走向大致与主风向呈 45° 夹角,沙丘副梁前移埋压造成主要的风沙危害。

经过永远试验,初步竖立了由高立式栅栏组成的前沿阻沙带、草方格与无灌溉植物结相符的固沙带、灌溉条件下的乔灌木林带、砾石平台缓冲输沙带的阻、固、输、导“四带一体”的防沙体系。因行使砾石平台输沙难以实现,林带灌溉也受水资源局限,经不息改进,形成 2 个基本条带,即:流沙迎风倾向最前沿竖立高立式栅栏组成阻沙区;设置半暗藏式 1 m×1 m 草方格沙障和沙障内种植必定密度的固沙植物,形成固沙林带区,最后竖立了“以固为主,阻-凝结相符”的综相符防沙体系(图 1)。

沙坡头防沙体系的竖立和完善,有效控制了区内风沙活动,防护成绩卓异。固沙区内近地外风速降矮了 50% 以上、输沙量缩短了近 80%,沙丘表面安详;格状沙丘上首初竖立的灌木-半灌木人造林带渐渐演替为草本植物-半灌木天然植被,土壤结皮形成,藓类及一年生植物展现,生物固沙作用强化;原由环境改善,植被区内展现了新的动、植物种,组成了一个安详的固定沙地生态编制,并有由隐域性(流沙)地理环境向地带性地理环境(草原化荒漠)演变的趋势。该防护体系积累了在起伏沙漠中以工程固沙手段为主的沙害防治经验,成为吾国流沙环境交通干线风沙危害防治的首个成功模式。

高寒风沙环境大网格高立式沙障风沙危害防治模式——青藏铁路

2006 年建成通车的青藏铁路,是世界上第一条海拔最高、穿越多年冻土及沙漠的高原铁路。调查钻研外明,该铁路沿线大片面地处高寒干旱半干旱区,而少雨多大风、风旱同期的气候状况为风沙活动挑供了动力条件。随着全球气候转折,青藏高原冰川退守、多年冻土退化、冻融交替,导致地外土壤组织疏松,沙源添多,风蚀沙化添剧。此外,铁路修筑等人类活动对原首地外扰动也渐渐增补。青藏铁路沿线风沙危害日趋主要,沙害路段达到 270 km,论坛风沙危害防治千钧一发。

针对青藏铁路沿线迥异区域天然环境特点和沙害赓续添剧的实际,在沙源雄厚地段竖立了结相符生物、化学措施,以死板措施为主的远阻近固、输导结相符的综相符防护体系。钻研外明,原由空气密度迥异,与矮海拔地区相比,高海拔矮气压环境具有较高的首动摩阻风速,且跃移沙粒比重及跃移高度也相对添高。按照高海拔区这一沙粒活动形势及风沙流组织特征,挑出了议决增补工程措施布设高度以降风速、固流沙的思路,研发了大网格高立式沙障防沙关键技术(图 2)。采用高密度聚乙烯(HDPE)高立式阻沙栅栏、大网格高立式固沙障、石方格、碎石压沙等死板措施,结相符喷洒固沙剂、地外植被珍惜与恢复等措施,构建了适答青藏铁路的风沙危害综相符防治技术体系。

基于高寒风沙环境大网格高立式沙障风沙危害防治技术,在青藏铁路沿线河谷型、季节性干湖盆型、退化草地型等沙源区,相机走事布设了一系列防护措施,使得风沙流得到有效控制,天然植被盖度达到 30% 以上,年累计清沙量大幅降矮,现在仅 12 000 m3,防治收获清晰。该模式填补了高寒风沙区交通干线沙害防治的钻研空白,为高寒生态薄弱区风沙危害的科学防治挑供了借鉴。

干旱流沙环境苦咸水灌溉造林模式——塔里木沙漠公路

20 世纪 90 年代,中国成功修筑了直通塔克拉玛干沙漠的塔里木沙漠公路,对油气资源开发和新疆南疆经济发展发挥了主要作用。塔克拉玛干沙漠气候极端干旱,公路沿线大片面路段通走东北风,风力强劲;沙丘形态复杂多样,区域组相符迥异清晰;流沙隐瞒率高,沙源优裕,风沙危害成为沙漠公路坦然运走的主要胁迫。

死板防沙体系可保障沙漠公路运走初期的坦然 ,但其寿命短,维护更新成本重大。所以,竖立以生物防沙为主体的防护林生态工程是确保沙漠公路永远通顺的最好选择。针对塔里木沙漠公路沿线淡水资源清贫、盐分积累、风沙土保水能力差等不幸条件,将土壤类型、植物种类、灌溉周期、灌溉手段、灌溉定额有机结相符,竖立了科学灌溉制度(造林初期柽柳、梭梭灌水定额 30 kg/株,灌溉周期 15—20 天;沙拐枣灌水定额 20 kg/株,灌溉周期 10—15 天;随着林龄增补灌溉量正当增补,灌溉周期响答延迟),创建了咸水灌溉育苗规程,形成起伏沙地苦咸水灌溉条件植物育苗技术①;挑出了高位打井、相对均匀布井(井间距 4 km)、分支管供水(按照植物耗水特征实现迥异供水灌溉)、赔偿式滴灌(压力赔偿式幼流量滴头灌溉)和少灌勤灌、岁暮压盐的苦咸水灌溉关键技术体系。

研发形成的起伏沙地苦咸水灌溉造林技术收获直接行使于塔里木沙漠公路防护林生态工程建设之中,建成了全长 436 km、总体宽度 72—78 m 的人造绿色走廊(图 3),林带面积 3 128 hm2,种植苗木 2 000 余万株,成活率 85% 以上,从而根治了沙漠公路风沙危害,确保了公路坦然通顺。该技术模式拓展了生态建设的可行使水资源,突破了“非宜林区”的造林禁忌,为极端干旱区风沙危害防治和生态恢复重修挑供了成功范例,在国内外得到普及关注。

活化沙丘环境无灌溉造林模式——准噶尔沙漠明渠

21 世纪初,国家投资实走了天山北坡经济带水资源工程,其中准噶尔沙漠明渠段及伴走公路穿越古尔班通古特沙漠。沙漠明渠沿线降水量少,挥发量大,无任何灌溉水源;风力强劲,风向单一;原由工程扰动,植被遭到毁坏,活化沙丘主要胁迫渠道和公路坦然。

古尔班通古特沙漠冬季有安详积雪,降雪约占年降水量的 30%;春季积雪消融,79%—92% 的蓄存水转化为土壤水分,形成悬湿沙层。经试验钻研,竖立了行使悬湿沙层土壤水分在固定、半固定沙地进走无灌溉造林的关键技术。该技术体系主要涉及 10 余个适答植物种(如梭梭、白梭梭、沙拐枣、沙枣、文冠果、紫穗槐、花棒、刺沙蓬、盐生草、沙米、沙蒿、绢蒿等)、2 个种植时段(晚秋和早春)、2 种造林手段(植苗和直播)、2 种处理手段(保水剂蘸根处理和客沙造林)、3 种组织组织(株走距别离为 2 m×2 m、2 m×1 m 和 1 m×1 m)、4 种立地条件(填方段阴坡、填方段阳坡、挖方段阴坡、挖方段阴坡)等方面。

基于研发形成的无灌溉植被恢复技术,结相符多种防沙技术,创建了固定、半固定沙漠地区工程防护体系建设的优化模式。该技术模式在准噶尔沙漠明渠工程全线(168 km)得到推广行使(图 4),造林面积达 30 000 亩,植物成活率达 85% 以上,防沙体系造价降矮了 80% 以上,工程扰动区植被得到快捷恢复,渠道沿线生态环境得到清晰改善,从而确保了沙漠明渠的顺手施工和坦然运走。该技术模式开创了沙漠地区悬湿沙层水的生态行使新途径,拓展了无灌溉造林和生态工程建设的技术周围和实走区域,产生了重大的社会影响。

中国交通干线沙害防治技术的国际推广行使前景

世界干旱区和半干旱区约占全球陆地面积的40%,其中荒漠面积 3.6×107 km2。受气候转折和人类活动的共同影响,全球干旱和半干旱地区,尤其是“一带一块儿”沿线区域,面临主要的水资源欠缺和荒漠化危害题目,这直接危及基础设施建设和坦然,稀奇是交通干线面临主要的风沙危害胁迫。“一带一块儿”六大经济走廊大都存在迥异水平的干旱风沙题目,累计约有 6 000 km 长的风沙危害区段,直接危害铁路、公路、输油输气管线工程和能源资源基地等。

世界各国在交通干线风沙危害防治方面开展了较多试验钻研,开发了一些实用技术,但这些技术存在着原料成本较高、措施相对单一、防护收好欠安、行使寿命较短和维护难度较大等题目,其推广行使存在必定的局限性。而针对吾国交通干线沿线风沙环境特征,议决技术试验、示范、集成和行使,形成了起伏沙漠环境、固定半固定沙漠环境、高寒风沙环境等地区交通干线风沙危害防治模式,并在包兰铁路、青藏铁路、塔里木沙漠公路、准噶尔沙漠明渠及多多沙区交通干线成功行使。这些成套、成熟的技术模式具有矮成本、易操作、收好高、寿命长的益处,对全球风沙地区道路防沙及生态建设具有主要参考价值,活着界干旱、半干旱地区尤其是“一带一块儿”沿线区域具有汜博的行使前景。

(作者李生宇,中国科学院新疆生态与地理钻研所荒漠环境与生态修复钻研室主任,雷强化、徐新文、任宏晶,中国科学院新疆生态与地理钻研所;屈建军,中国科学院西北生态环境资源钻研院 。《中国科学院院刊》供稿 )

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