烏瑪高速公路中衛段風沙環境及輸移規律

王金國,安志山,張克存,屈建軍,何明珠

(1.寧夏交投工程建設管理有限公司,銀川 750000;2.中國科學院 西北生態環境資源研究院 沙漠與沙漠化重點實驗室 敦煌戈壁荒漠生態與環境研究站,蘭州 730000;3.中國科學院大學,北京 100049)

烏瑪高速公路是內蒙古烏海至青海瑪沁高速公路的簡稱，設計時速100 km/h，采用雙向四車道標準建設，途徑內蒙、寧夏、甘肅和青海四省份，是“一帶一路”戰略重要的運輸通道，其建成與通車對于緩解寧夏自治區運輸壓力有著重要意義。但穿越的騰格里沙漠由于流動沙丘廣布，其對烏瑪高速公路的建設、維護及安全運營帶來了極大挑戰。雖我國有包括塔克拉瑪干石油公路、京新高速公路等穿越沙漠或邊緣公路的既有建設和維護經驗，但前者或公路設計等級略低，或風沙環境略弱，加之區域環境的異質性，故以往既得經驗無法直接應用在烏瑪高速公路防護體系的設計之中[1-2]。

自包蘭鐵路在騰格里沙漠東南緣修建之日起，研究者對區域的風沙環境、沙丘類型及移動規律等進行了詳細分析，為包蘭鐵路沙坡頭段的建設和正常運行提供了理論依據[3-8]。后期隨著包蘭鐵路防護體系的建設與運營，鐵路防護措施的防護效益、防護機理以及周邊生態環境效益逐漸得到明晰[9-16]，成為我國防沙治沙工程的標桿。包蘭鐵路沙坡頭段防護體系的有效性為烏瑪高速公路的建設和維護提供可借鑒的現有經驗，充分驗證了烏瑪高速公路的建設可行性。但受區域風況環境、地形等因素影響，烏瑪高速公路所經區域的風能環境、沉積物及沉積環境均有別于前者，甚至存在明顯差異。因此亟需對烏瑪高速公路沿線風能環境、沉積物特征等風沙輸移規律進行研究，繼而為烏瑪高速公路的建設及沿線風沙防護體系的設計提供參考和指導，具有重要的科學和實踐意義。

1 研究區概況和數據來源

騰格里沙漠是我國第四大沙漠，常年受蒙古高壓控制，干旱少雨，區域內流動沙丘廣布，沙丘類型以格狀沙丘為主[1,3,17]，線性沙壟和金字塔沙丘偶有分布。烏瑪高速公路騰格里沙漠段共計21 km，自東北向西南方向延伸。本文采樣點共設置5個，兩兩相距4 km。其中，1號采樣點東側和東北側為太陽能光伏電廠，2號、3號、4號采樣點為流動沙丘，5號采樣點靠近包蘭鐵路，屬于包蘭鐵路防護體系內部，周邊沙丘已經固定，植被覆蓋度超過30%，植被以人工灌木花棒(Hedysarumscoparium)等為主。

區域風速觀測采用定位觀測，儀器型號為HOBO U30，風速風向統一架設高度為2.0 m(圖1)。風沙流觀測采用中科院沙漠與沙漠化重點實驗室自制的口琴式集沙儀，儀器高60 cm，共30層，單個進樣口徑2 cm×2 cm。沙樣采集采用人工剖挖法，采集深度分別為5，10，20，50，100 cm，使用環刀取樣。于實驗室內對樣品進行粒度分析，粒度分析使用Malvern Matersizer 2000激光粒度儀完成，采用Folk-Ward圖解法計算平均粒徑、偏度、峰態及分選參數，具體計算公式如下[13,18]：

圖1 野外采樣

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Mz為平均粒徑；Sd為標準偏度或分選系數；Sk為偏度；Ku為峰態；Φ為尤登溫德華氏等比例粒級。

2 區域風速分布

如圖2所示，最大平均風速值出現在8月，7月次之，最小風速值出現在6月，僅為1.46 m/s。總體來看，5月、6月的風速較小，到了7月風速開始突變，增加2.5倍左右，持續到9月結束，1—4月、10—12月風速變化較為平穩，平均為2.34 m/s。與平均風速變化趨勢相比，月平均起沙風(>5 m/s)的分布規律略有差別，1—6月平均起沙風速變化幅度較小，7月、8月起沙風速達到最大值，之后開始減小。

圖2 風速分布

從風速分布情況看，0～5 m/s等級風速占全年風速的90.45%，僅有不足10%左右分布在其他風速等級，并且隨著風速的增加，高風速頻次的比重逐漸減小。進一步分析可知，0～5 m/s的風速頻率最大月份為6月，接近20%，而本月平均風速為全年最小，可見6月的風速特征是頻次高、風速低。5～6，6～7 m/s等級的風速主要分布在4月份，其他較高風速等級出現在8月份。大于12 m/s的風速值多數出現在4月和8月，頻次分別為13，10次，其余月份較少或沒有。

3 輸沙勢變化

輸沙勢是衡量區域風沙活動強度及風沙地貌演變的重要指標，也是目前應用較為廣泛的方法[1,3,7]。如圖3所示，2019年輸沙勢為37.93 VU，合成輸沙勢9.35 VU，合成輸沙方向107.46°，方向變率0.25。2020年輸沙勢較2019年有所減小，為19.17 VU，合成輸沙勢7.02 VU，合成輸沙方向117.91°，方向變率0.37。進一步分析可知2019年和2020年輸沙勢主要集中在西北方向、東方向和偏南方向，方向相對穩定，但強度略有變化。其中，2019年上述三個方向的輸沙勢分別為5.69 VU，4.56 VU和2.11 VU，2020年則為4.16 VU，2.42 VU和1.32 VU。可見研究區各個風向的輸沙勢雖有變化，但風能環境基本穩定，屬于低風能環境，且風向較為穩定，主要集中西北、東和偏南方向。

圖3 輸沙勢分布

4 沉積物粒度特征

4.1 沉積物空間分布

如圖4所示，1號采樣點5 cm深度處沉積物的粒徑主要分布在1.26～1.76 Φ，百分含量為65.03%。隨著深度的增加，上述范圍內的顆粒百分含量有增加趨勢，分別為70.68%，84.69%，74.03%，78.46%，且分布范圍擴大至1.5～2.76 Φ，但平均粒徑呈減小趨勢。進一步分析不同深度沉積物百分含量分布曲線可知5 cm和50 cm沉積物的百分含量分布曲線峰形較窄，其余深度沉積物分布曲線峰形較寬，但均為單峰態分布。從累計百分比曲線可以看出，5 cm和50 cm深度處沉積物的累計百分比增長速率最快，斜率最大，表明該深度的土壤粒徑分布最為集中。

圖4 沉積物粒徑百分含量和累積頻率

與1號采樣點沉積物百分含量分布曲線相比，2號采樣點沉積物分布曲線也為單峰態分布，但峰態較1號窄，粒徑分布范圍也存在差異。其中，5 cm深度處沉積物粒徑范圍集中在2.0～2.51 Φ，百分含量為74.71%，其余深度分布范圍集中在1.76～2.76 Φ，分布范圍較1號點寬，百分含量集中在70.77%～85.33%。與1號采樣點累計百分比曲線相比，2號采樣點所有深度沉積物的累計百分比曲線相似性較1號高。

3號采樣點粒徑分布范圍集中在1.25～2.5 Φ，4號采樣點粒徑分布范圍集中在1.5～2.5 Φ，均為單峰態分布。3號采樣點不同深度沉積物的累計百分比曲線差異性較小，4號采樣點5 cm和100 cm深度處的沉積物粒徑分布相對集中，其他深度沉積物累計百分比曲線相似性較高。

5號采樣點沉積物粒徑分布范圍較上述4個采樣點寬，分布范圍為1.0～2.76 Φ，但粒徑分布曲線相似性較高。受區域內植被影響，5 cm和10 cm深度沉積物百分含量分布曲線呈單峰態，20，50，100 cm深度沉積物粒徑百分含量分布曲線呈雙峰態。分析累計百分比曲線可知20，50，100 cm處累計百分含量圖中出現兩次斜率陡增，拐點均為粒徑分布的峰值處。

綜上可知，上述所有采樣點粒徑范圍集中在1.0～2.76 Φ，即所有顆粒均屬于沙，以細沙和中沙為主，不含粉沙和礫石。除5號采樣點部分深度沉積物百分含量分布曲線呈雙峰態，其余均為單峰態，峰形較窄，說明沉積物經過了充分分選，離物源區相對距離遠。5號采樣點從表層至深層粒徑百分含量分布曲線由單峰態逐漸過渡為雙峰態，說明區域風況發生過改變，由早期兩組主導風向轉變為近期的單組風向。

4.2 沉積物垂直分布

分析不同采樣點相同深度沉積物粒度特征可知(圖4)：5個采樣點相同深度沉積物百分含量分布曲線和累計百分比曲線存在差異。以5 cm深度沉積物百分含量分布曲線為例，1號、2號和4號沉積物百分含量分布曲線呈單峰態，峰形略窄，3號采樣點百分含量分布曲線峰態較寬，5號采樣點為雙峰態分布。分析峰值所對應的粒徑大小，可知2號、3號和5號采樣點峰值處粒徑最大，4號采樣點其次，1號采樣點最小。

與5 cm深度沉積物百分含量分布曲線趨勢相比，1號、3號和5號采樣點10 cm深度處沉積物百分含量分布曲線峰態平緩，即沉積物粒徑分布范圍較廣，分選性較差，2號和4號采樣點10 cm深度處沉積物粒徑分布范圍較窄，沉積物粒徑分布較為集中，優勢粒徑位于2.25 Φ。

1號和5號采樣點20 cm深度處沉積物土壤粒徑分布規律存在相似性，兩者分布相對集中，如1.5～2.76 Φ粒徑范圍百分含量分別為84.69%，84.06%。其他采樣點20 cm深度處沉積物粒徑則集中分布在1.5～2.5 Φ。除5號采樣點50 cm和100 cm深度處沉積物百分含量分布曲線呈雙峰態，其余均呈單峰態分布。

4.3 粒度參數

平均粒徑、分選系數、偏度和峰度是沙粒的基本參數特征，是解析風沙環境的重要參考[11]，見表1。通過分析各樣品粒度參數可知，1號采樣點除5 cm深度處沉積物以中沙為主，其余以細沙為主。隨著深度的增加，粗沙比例逐漸減小，20 cm深度后粗沙消失。除5 cm深度處沉積物中沙百分含量為71.44%和50 cm深度中沙百分含量為14.1%外，其余深度沉積物中沙百分含量均維持在30%左右。細沙和極細沙含量隨深度增加呈現先增加后減少趨勢，50 cm深度處，細沙和極細沙百分含量最大，分別為70.38%，15.52%。沉積物平均粒徑隨著深度增加逐漸變小，分選性和峰度則無明顯變化規律，分選性均為較好，偏度為正偏，峰態屬于寬峰態。

表1 沉積物粒度特征

2號采樣點以細沙為主，粗沙含量極少。隨著深度的增加，中沙百分含量呈上升趨勢，細沙百分含量呈下降趨勢，極細沙含量與深度無明顯相關性。與1號采樣點相比，2號采樣點平均粒徑偏小，說明此地區沉積物受風力侵蝕較弱，樣品分選性除10 cm深度分選性最差外，其余沉積物分選性很好，偏度為正偏和極正偏。

3號采樣點沉積物以中沙和細沙為主，沉積物平均粒徑介于0.24～0.29，與深度相關性較小。除5 cm深度處沉積物分選性中等，其余分選性好或較好，正偏或極正偏，寬峰態分布。

4號采樣點仍以中沙和細沙為主，且細沙含量大于中沙。隨著深度的增加，中沙百分含量逐漸減小，細沙百分含量增加，說明此處前期風力侵蝕能力較弱，后期風能環境增強，粒度變粗。沉積物平均粒徑隨深度增加逐漸變小，沙粒逐漸變細。分析粒度參數可知10 cm、20 cm和50 cm深度處沉積物分選性較好，5 cm和100 cm深度處沉積物分選性很好，百分含量分布曲線為寬峰和中等峰態。

5號采樣點5 cm深度處沉積物以細沙為主，占比為63.26%，極細沙百分含量是所有樣品的最大值，達到20.63%。除100 cm深度處沉積物以中沙為主外，10 cm、20 cm和50 cm深度處沉積物均以細沙為主。各粒級百分含量隨深度無明顯變化規律，分選性隨深度先變好后變差，表明區域風沙環境存在一定變化。50 cm深度處沉積物為對稱分布，其余為極正偏分布，峰態為寬峰或常峰。

5 風沙流結構

風沙流結構是指沙量隨高度的變化特征，是沙粒運動的基本形式和過程。風沙流結構可以反映沙粒的躍移高度和運動軌跡，是揭示區域風沙活動的重要參數，更是設置風沙工程的重要參考標志之一[3]。風沙流結構與地形、沙粒粒徑組成、濕度密切相關，但氣流的波動和速度對其影響更大。依據野外多梯度口琴式集沙儀的觀測數據可知：研究區內的風沙流主要集中在30 cm以下，占總輸沙量的89.46%。地表0—20 cm高度內的輸沙量占總輸沙量的63.81%，進一步擬合輸沙量與高度的關系可知兩者符合指數函數，見圖5。

圖5 風沙流結構

6 討論與結論

表層沉積物的粒徑分布曲線及特征參數對于研究區域的風況環境和沉積環境有著重要指示意義[18]。研究結果表明：沿烏瑪高速公路自東北向西南方向，沉積物粒徑范圍集中在1.0～2.76 Φ，以細沙和中沙為主，不含粉沙和礫石。除5號采樣點20 cm、50 cm和100 cm深度沉積物的百分含量分布曲線呈雙峰態，其余樣品全部表現為單峰態，說明區域內沉積物經過了充分分選和運移，局地沉積環境由早期的兩組主導風向轉變為近期的單組風向，主要原因是包蘭鐵路防護體系的影響。隨著深度的增加，1號采樣點的粗沙百分含量減小，細沙和極細沙含量隨深度增加呈先增加后減少趨勢。2號采樣點中沙百分含量呈現上升趨勢，細沙百分含量呈下降趨勢。3號采樣點和4號采樣點沉積物以中沙和細沙為主，隨著深度的增加，4號采樣點中沙百分含量逐漸減小，細沙百分含量增加。5號采樣點沉積物以細沙為主，各粒級百分含量隨深度無明顯變化規律。區域0～5 m/s等級的風速頻次占全年風速的90.45%，僅有不足10右的頻次分布在其他等級，起沙風向集中在西北、東和偏南方向，合成輸沙方向為偏東南方向，屬于低風能環境。區域內沙粒的運移高度集中在30 cm以下，且超過50%的沙粒在20 cm高度以下運移，即本區域內沙粒的跳躍高度不超過20 cm[3]，建議區域固沙措施的設置高度不低于20 cm。

綜上可知，沿烏瑪高速公路騰格里沙漠段，沉積物粒徑分布范圍、百分含量及累計曲線存在一定的差異性，區域風況環境發生過變化。但從固定氣象觀測設備的分析結論可知上述差異性較小，對烏瑪高速公路的影響范圍和程度也弱，故在防護體系的設置中，設計者也應恰當考慮，建議收集當地長時間序列的氣象資料，研究其風能環境變化趨勢，并在公路沿線增加固定氣象觀測點，獲取更多更詳細的風況資料，繼而為防護體系的設置和高速公路的安全運營保駕護航。