蘆葦方格沙障內部積沙形態演化的野外觀測

摘要：蘆葦方格沙障作為和若鐵路重要的工程固沙措施之一，其內部積沙形態的演變對蘆葦方格的防沙性能有重要影響。為了解蘆葦方格沙障內部真實的積沙狀態，依托和若鐵路建設工程，采用野外監測的手段對蘆葦方格沙障內部積沙形態的演變進行為期6個月的監測。結果顯示，蘆葦方格沙障的積沙量分布沿著主風的方向向后移動。在風向垂直斷面上，蘆葦方格沙障邊緣的積沙厚度要比中心位置大。整個監測時段內，蘆葦方格沙障內部的積沙厚度可以用Rotion Tayor曲面函數來很好地描述，并且曲面沿著主風方向凹陷。蘆葦方格沙障的結構參數、風速、風向和風速占比是塑造方格內部復雜積沙形態的主要原因。以上研究結果對野外自然狀態下蘆葦方格沙障內部積沙演變的認識具有重要意義。

關鍵詞：蘆葦方格沙障；積沙形態；輸沙；鐵路安全

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0143

中圖分類號：S151，X43 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）11020406

和若鐵路沿線氣候干燥、沙源豐富，頻發的大風是導致該地區風沙災害頻發的主要原因。風沙災害嚴重影響了該地區交通、環境和人們的生存空間。蘆葦方格沙障作為和若鐵路防治流沙的重要措施之一，發揮著重要的風沙防護作用。蘆葦方格沙障的作用一是增大地表空氣動力學粗糙度，從而顯著降低近地層風速，使之低于起沙風速，維持方格內部沙面穩定；二是直接作用為物理障礙阻擋風沙流，促使過境風沙流迅速沉降；三是落入蘆葦方格沙障內部的沙粒很難在同等風速條件下逃逸出蘆葦方格。蘆葦方格沙障的這些作用在防護體系前沿固沙帶表現尤為突出[1]。蘆葦方格沙障積沙不僅改變風沙流結構，同時改變了地表蝕積狀況。在風沙流強度大、沙面活動力強的地區，合理設置蘆葦方格沙障是有效的防沙固沙措施[23]。

蘆葦方格沙障的這些防沙優勢引起很多學者對其防治效果和優化設計進行研究[4-6]。針對方格的固沙性能和內部蝕積狀態，國內外研究者分別從野外觀測[78]、理論分析[9]和數值模擬[10-13]等方面展開了研究。朱震達等[1]提出了圓弧沙面模型，認為沙粒的休止角和蘆葦方格內圓弧弦切角存在相等關系，在此基礎上進一步探討了蘆葦方格沙障內風蝕深度與方格沙障間距的關系。Tian等[7]通過在青海湖附近沙漠地區的野外觀測，測定了蘆葦方格沙障內部的積蝕形態，并討論了高寒沙地風向、蘆葦方格間距和積蝕特征之間的關系，但并未給出方格內部積沙隨時間以及風速變化的積沙演變。Qu等[8]根據野外監測結果給出了不同規格方格的風沙防護效果。王振亭等[9]提出了草方格的單排理想渦列模型，通過經典流體力學流函數與勢函數方法分析，給出了蘆葦頭露出高度和蘆葦方格沙障間距之間的合理關系。Bo等[1011]通過對二維方格陣列的數值模擬，計算了蘆葦方格上空沿程風速變化特征，討論了蘆葦方格尺寸對上空風速的影響。Huang等[12]通過二維的大渦模擬分析了蘆葦方格內沙粒沿流向的二維彌散特征，給出了二維風場下蘆葦方格沙障內的風速、輸沙率以及沙粒速度等信息。Xu 等[13]通過三維RANS/LES 混合方法與拉格朗日顆粒追蹤法對蘆葦方格內的風沙流進行了計算模擬，結果表明，蘆葦方格內部同時存在流向渦與展向渦，展向渦可使進入蘆葦方格內顆粒向兩側壁面運動，使得風沙流過境時兩側壁面沙粒的堆積量高于中心區域，由于流向渦可以使得后部顆粒向前搬運，因此自然狀態下蘆葦方格形成了中間低四周高的堆積形態。

總之，大多數研究者是將多個蘆葦方格群作為一個研究整體，并利用野外觀測和數值模擬等手段探討其固沙機制。對于復雜風況和地形條件下的單個蘆葦方格沙障內部不同位置的長時間積沙觀測數據還較少。鑒于此，本研究對平坦地區的防護體系前沿的蘆葦方格沙障內部積沙形態進行長時間觀測，以補充和完善人們對單個蘆葦方格長時間積沙形態演化的認識。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗監測點位于中國新疆維吾爾自治區塔克拉瑪干沙漠東南邊緣的和若鐵路（和田至若羌）沿線，距離若羌縣146 km（ 38.721°N、86.659°E）。該地區氣候干燥，年均降水量36.2 mm，年均蒸發量1 837.6 mm；沙源豐富，大風頻發，極易形成風沙流。為防止鐵路被風沙影響，在該地布置了蘆葦方格沙障進行固沙，本研究對其內部積沙形態演變進行監測。

1.2 試驗方法及儀器布置

本試驗利用氣象站來監測蘆葦方格沙障周圍的風場情況；用插釬（需準備插釬若干）法[14]測量蘆葦方格沙障內部各位置的積沙演變情況。蘆葦方格沙障尺寸1.0 m×1.0 m×0.3 m，整個試驗儀器布置方式如圖1所示， 圖1B、1C中的G、H、I、J代表監測蘆葦方格的頂點。

氣象站主要包括風速測量探針、風向測量探針，固定氣象站的鋼絲拉索和地錨、控制器和讀取數據的計算機。測量探針由4個風速測量探針和1個風向測量探針組成，其中風速測量探針的分布高度分別是0.5、1.0、2.0和3.0 m，風向探針的布置高度位于3.0 m處；氣象站的控制器采用單片機ARM32；數據讀取計算機具有防寒、防風沙的功能。讀取氣象數據時，控制器和計算機采用USB數據線通信。整個氣象站用3個地錨和3根鋼絲拉線固定在蘆葦方格沙障附近的平坦地表，3根拉線沿著周向120°均勻布置（圖1A）。被監測蘆葦方格尺寸為1.0 m×1.0 m×0.3 m，采用插釬的方法來測量整個蘆葦方格內部的積沙形態的演變，其中插釬總數為17個，占用區域為90 cm×90 cm，布置間距均勻，并且以蘆葦方格的頂點G作為坐標原點，GH邊作為X 軸，GJ邊作為Y 軸，建立空間直角坐標系對其內部積沙狀態進行監測和分析（圖1B）。插釬布置實際效果如圖1C所示，插釬的初始外露高度為25 cm。