阿和沙漠公路風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

阿和沙漠公路風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)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?jiǎng)恿?，也是直接導(dǎo)致沙害的直接動(dòng)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(cè)結(jié)果相結(jié)合,系統(tǒng)研究阿和沙漠公路沿線風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律性,為沙漠公路的安全行車和未來公路養(yǎng)護(hù)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(diǎn),和田市玉龍喀什鎮(zhèn)為終點(diǎn),全長424.7km。該公路沙漠路段長407.6km,公路等級(jí)為二級(jí),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(yùn)輸?shù)闹鞲删€。該公路對(duì)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(duì)促進(jìn)新疆南北疆經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(dòng)性沙漠。朱震達(dá)在其專著中首次對(duì)沙丘類型、分布格局、運(yùn)動(dòng)等方面進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究,特別是關(guān)于沙漠西南部沙丘動(dòng)態(tài)過程的研究,使塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙地貌研究進(jìn)入一個(gè)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(gè)沙漠特別是沙漠腹地的研究提供了機(jī)遇。凌裕泉研究了近地表流場(chǎng)特征與輸沙強(qiáng)度的關(guān)系,并對(duì)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(píng)估指標(biāo)體系［7］;徐海量［8］等研究風(fēng)災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(duì)塔克拉瑪干沙漠風(fēng)況特征進(jìn)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(cè)等條件制約,而對(duì)塔克拉瑪干沙漠第二條沙漠公路風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特征研究未見公開報(bào)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(yùn)動(dòng)規(guī)律監(jiān)測(cè)研究提供新機(jī)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(shí)間的推移在強(qiáng)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(hù)防風(fēng)阻沙體系。因此,本文研究成果對(duì)于完善防風(fēng)阻沙體系維護(hù)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(jià)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(gè)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(cè)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(cè)資料,阿和沙漠公路沿線及周圍氣象臺(tái)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(jì)學(xué)相結(jié)合方法,對(duì)阿和沙漠公路沿線風(fēng)沙活動(dòng)若干規(guī)律性進(jìn)行研究。為阿和沙漠公路養(yǎng)護(hù)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(jí)自動(dòng)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(yùn)動(dòng)若干規(guī)律性,對(duì)沙漠公路沿線環(huán)境特征、地形地勢(shì)、路堤和路塹高度進(jìn)行了野外科學(xué)考察,并進(jìn)行了沙漠公路沿線風(fēng)沙監(jiān)測(cè)站布點(diǎn)工作。布點(diǎn)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(cè)方法指南(第六版)有關(guān)規(guī)定［14］,以最大瞬時(shí)風(fēng)速2a一遇設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),參照國際中尺度地面觀測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路和國家氣象局在對(duì)不同地域的中小尺度自動(dòng)氣象站地面觀測(cè)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(shí)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(jì)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(jì),特殊地形區(qū)間5~10km布設(shè)風(fēng)速計(jì)。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(cè)點(diǎn)為7~11個(gè),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(cè)站,并且確定在沙漠公路k127建立5層梯度風(fēng)自動(dòng)氣象站。采用全球定位系統(tǒng)(GPS)對(duì)沙漠公路風(fēng)沙監(jiān)測(cè)布點(diǎn)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(cè)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(duì)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(dòng)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(dòng)氣象站是一種野外無人值守型的全自動(dòng)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(jì),以先進(jìn)的GPRS通信方式進(jìn)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(chǎng)地形地貌考察和沙漠公路k127路段5層梯度風(fēng)實(shí)際監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上,按照布點(diǎn)原則分別在阿和沙漠公路布設(shè)風(fēng)速計(jì),進(jìn)行沙漠公路沿線強(qiáng)風(fēng)對(duì)比監(jiān)測(cè),如圖3所示。相關(guān)對(duì)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(shí)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(shí)風(fēng)速,以及沙漠公路沿線短期5層強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測(cè)4.0m最大瞬時(shí)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(qiáng)風(fēng)監(jiān)測(cè)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(qiáng)風(fēng)短期監(jiān)測(cè)站的最大瞬時(shí)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(shí)風(fēng)速比背風(fēng)側(cè)偏大1.15~1.30倍。3沙?！衬凤L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)若干規(guī)律性沙漠公路沿線風(fēng)沙活動(dòng)的動(dòng)力參數(shù):地形地貌、風(fēng)隨高度變化α指數(shù)、最大瞬時(shí)風(fēng)速、強(qiáng)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(dú)特的特點(diǎn)。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(dòng)、流動(dòng)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(shí)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(qiáng)度。根據(jù)(1)式,利用兩個(gè)高度風(fēng)速差,推導(dǎo)出如下計(jì)算公式:式中:u1為0.5m高度處的瞬時(shí)風(fēng)速均值;u2為2.0m高度處的瞬時(shí)風(fēng)速均值,根據(jù)監(jiān)測(cè)期間大氣呈中性層結(jié)時(shí)的數(shù)據(jù)共1873組,監(jiān)測(cè)資料計(jì)算出冪指數(shù)α=0.100259。按冪指數(shù)α取值為0.10分別計(jì)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(jì)算了沙漠公路北部k127路段5層梯度風(fēng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值與模式計(jì)算值差值和相對(duì)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(shí)均值實(shí)際監(jiān)測(cè)值與模式計(jì)算值差值在0.0~1.0m/s之間,平均相對(duì)誤差5.86%,從而證實(shí)假設(shè)合理,沙漠公路沙漠路段近地層內(nèi)最大瞬時(shí)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(jì)。進(jìn)一步分析圖5看出:0.5m以下集沙層實(shí)際監(jiān)測(cè)最大瞬時(shí)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(cè)最大瞬時(shí)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(shí)蘆葦草方格防風(fēng)阻沙體系使得0.5m以下瞬時(shí)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(shí)效一遇設(shè)計(jì)值最大瞬時(shí)風(fēng)速定義為某個(gè)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的最大瞬時(shí)風(fēng)速值。瞬時(shí)風(fēng)速是指3s的滑動(dòng)平均風(fēng)速值;最大風(fēng)速是指在某個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的最大瞬時(shí)風(fēng)速值。在沙漠公路沿線強(qiáng)風(fēng)相關(guān)對(duì)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(jì)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(qiáng)風(fēng)監(jiān)測(cè)站最大瞬時(shí)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(diǎn)上最大瞬時(shí)風(fēng)速2a一遇設(shè)計(jì)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(diǎn)上最大瞬時(shí)風(fēng)速2a一遇設(shè)計(jì)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(jì)值,K1強(qiáng)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(jìn)一步推論,建立沙漠公路沿線強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外區(qū)間最大瞬時(shí)風(fēng)速2a一遇設(shè)計(jì)值計(jì)算模式:式中:V4_V為沙漠公路沿線強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外區(qū)間,距路面4.0m高度處2a一遇瞬時(shí)風(fēng)速計(jì)算值(m/s),V為沙漠公路沿線氣象站最大瞬時(shí)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(qiáng)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)中短期風(fēng)速預(yù)測(cè)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(diǎn)上最大瞬時(shí)風(fēng)速2a一遇設(shè)計(jì)值水平分布規(guī)律研究提供技術(shù)支撐,應(yīng)用(4)式計(jì)算阿拉爾-和田沙漠公路沿線2a一遇最大瞬時(shí)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(shí)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?qiáng)風(fēng)定義:瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到≥10.8m/s的風(fēng)稱為強(qiáng)風(fēng);強(qiáng)橫風(fēng)定義:瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)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(qiáng)橫風(fēng);大風(fēng)定義:瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到≥17.2m/s的風(fēng)稱為大風(fēng)。由此提出強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向的概念,它是指月內(nèi)該風(fēng)向強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)占全月各強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向出現(xiàn)的總次數(shù)的百分比,計(jì)算公式如下:式中:F為該月某強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向頻率;m為該強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)的月合計(jì);n為全月各強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向記錄總次數(shù)。把頻率出現(xiàn)最多的強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向稱為強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向或強(qiáng)風(fēng)盛行風(fēng)向,繪制強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向?yàn)閃NW和N風(fēng),頻率均為16.0%,次強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向ENE和NE,頻率均為13.0%(圖6a所示),線路與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向夾角>45°,部分路段線路與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向夾角甚至達(dá)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(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向ENE和NE,頻率分別為21%和20%,次強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向NNW,頻率均為12.0%(圖6b所示),線路與強(qiáng)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(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向W,頻率為34.0%,次強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向WNW,頻率為17.0%,如圖6c所示,線路與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向夾角>45°。全年強(qiáng)風(fēng)玫瑰圖能定量反映出阿和沙漠公路沿線的強(qiáng)風(fēng)氣流情況,是沙漠公路風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律和防沙阻沙效應(yīng)研究中重要參數(shù)之一。3.5動(dòng)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(cè)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(duì)輸沙貢獻(xiàn)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(shí)效風(fēng)速(1)阿和沙漠公路沿線氣象站10m高度最大瞬時(shí)風(fēng)速與沿線梯度風(fēng)監(jiān)測(cè)站及短期監(jiān)測(cè)站距路面4m高度最大瞬時(shí)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(qiáng)風(fēng)監(jiān)測(cè)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(qiáng)風(fēng)短期監(jiān)測(cè)站的最大瞬時(shí)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(shí)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(shí)風(fēng)速均值隨高度變化遵循冪指數(shù)分布,監(jiān)測(cè)資料計(jì)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