青藏高原错那湖起沙气候变化特征分析

青藏高原错那湖起沙气候变化特征分析

1青藏铁路沿线沙害现状分析沙区的环境破坏一直是沙区道路建设和安全运营的主要因素。青藏铁路,是世界上最高、受地质灾害威胁严重的铁路之一,其中风沙灾害是重要的灾害之一。目前,青藏铁路沙害路段在200km以上,其中严重地段43km。主要分布在沱沱河、五道梁、秀水河及错那湖等地。风沙对铁路及相关设施会产生极大危害,主要表现在影响行车安全,甚至出现列车脱轨的危险;产生线路病害,降低线路质量;缩短钢轨和扣件的使用寿命;磨蚀铁轨、机车车辆和通信设施;填塞排水沟渠,影响冻土路基的稳定性;增加线路养护和维修工作量。自2001年青藏铁路建设以来,沿线生态环境及风沙防治问题受到了社会各界的关注[10,11,12,13,14,15,16,17]。随着铁路通车运行,现有防沙设施的不足之处已有所显露。笔者根据青藏铁路沿线风沙危害现状,选取错那湖路段为典型沙害研究区域,利用风况和输沙量资料,对起沙风、输沙势和输沙量进行分析。旨在初步揭示高寒环境下风沙运行规律及铁路沿线沙害形成机理,为青藏铁路和类似地区道路工程的沙害防治合理措施的制定提供理论依据。2青藏铁路沙害概况及立地条件研究区位于西藏自治区那曲地区安多县错那湖东岸,活动沙丘区呈扇形分布,面积2km2。错那湖地处藏北高原,属高原亚干旱气候区,平均海拔在4500m以上,年平均气温-1.3℃,最冷月平均气温-12.9℃,最热月平均气温8.0℃,极端最高气温24.2℃,极端最低气温-41.2℃,相对湿度50%,年平均降水量411mm,年最大降水量583.9mm,年平均蒸发量1690.7mm,年最大蒸发量2116.8mm,年平均降雪日数317天,最大积雪深度21.0cm,最大季节冻土深度281cm,年日照时数2847h。气候寒冷,空气稀薄,人烟稀少。错那湖地区植被类型主要为高寒草原和高寒草甸,以草本植物和垫状植物为主,无木本植物生长,自然条件恶劣。青藏铁路以NE向通过沙丘区,线路距错那湖1~2km。本段线路位于错那湖东岸洪积平原,海拔高程为4587~4592m,线路高出错那湖面4~9m,地势东高西低,地形起伏无植被,新月形沙丘发育。错那湖段是青藏铁路风沙灾害最为严重的路段,也是潜在沙害最大的路段,长约2km。近年来虽在错那湖段铁路沿线采取了大量的工程防沙措施,但冬春季节大面积的湖岸裸露造成大量流沙侵蚀铁路,尤其在大风季节,铁路沿线频繁遭受重沙害,特别是巴索曲河桥桥下积沙,积沙已接近桥梁,严重影响铁路行车安全。3输沙方向及方向变率指数rtp/dp2009年7月—2010年6月的风速数据来自安装于错那湖段的型号为ZAGFX200-11风速风向采集仪,风杯高度为2m,每10min记录一次风速和风向。按16个方向统计各月大于起沙风风速(6.3m·s-1)出现的频率和平均风速。输沙量数据来源于全方位集沙仪采集的8个方位的月总输沙量。输沙势计算采用Fryberger和Bagnold提出的输沙方程:式中:DP为输沙势,用矢量单位(vectorunit,简称VU)表示;V为大于临界启动值的风速;Vt为临界启动风速(6.3m·s-1),风速单位需换算为nmile·h-1;t为起沙风作用时间,用频率来表示,一般为观测时段内起沙风时间数与总观测时间数的百分数。由于风是一种矢量,根据矢量合成法则将16个方位输沙势进行合成,得到合成输沙势(resultantdriftpotential,简称RDP)和合成输沙方向(resultantdriftdirection,简称RDD),它可以反映一个地区净输沙能力大小。合成输沙势与输沙势的比值称为方向变率指数(RDP/DP),用来反映一个地区风向组合情况。Fryberger根据输沙势大小,将风环境分为高能(≥400VU)、中能(200~400VU)及低能(≤200VU),将方向变率指数分为大比率(≥0.8),中比率(0.3~0.8)和小比率(≤0.3)3种。4沙的活动强度的特点4.1主导风向和沙障走向分布平均风速是衡量风沙活动强度的指标之一,错那湖月平均风速如图1所示,11月、12月、2月和3月的月平均风速较大,分别为4.99m·s-1、4.87m·s-1、4.82m·s-1和4.6m·s-1。月平均风速最小的是9月3.52m·s-1,其次是8月3.59m·s-1。临界起沙风速是研究风沙运动规律、解决风沙工程问题的关键指标之一,它与地表性质有关,也因观测时距、观测高度、起动性质的变化而不同。错那湖各月起沙风时数占全年起沙风时间的频率如图1所示。11月起沙风频率最高,占17.14%,从10月到翌年3月属于起沙风频率较高的时段,占全年起沙风的65%以上。起沙风频率的变化规律与平均风速的月际变化基本一致。错那湖地段起沙风的月际变化比较明显(图2),10月至翌年4月风向单一,以W风为主,约占全年起沙风的65%以上。自5月开始,风向发生偏转,起沙风分布分散,各风向频次相对均衡,除W风外,在S和SE方向亦有分布。7月起沙风分布最为分散,主导风向不明显。从8月开始,S风和SW风有所增加,主导风向以偏南风为主。从起沙风动力玫瑰可见,错那湖年起沙风向以W风为主,W风约占全年总量的40.4%,因此,该段铁路阻沙防沙工程建设应充分考虑主导风向,使沙障走向与主导风向垂直,以提高阻沙效果,同时还应考虑5—9月主导风向发生的变化。由错那湖各月起沙风频率矢量合成图可见(图3),从10月至翌年4月合成输沙方向以W风为主,占全年总量的78%以上。5月、6月起沙风合成方向分别以WSW和SW为主,7、8月和9月的起沙风合成方向为偏南方向。错那湖段起沙风合成方向存在一定的季节变化,以W起沙风占主导(10月至翌年4月),WSW,SW和S向(5—9月)合成方向共存,沙害防治体系要充分考虑风向和风力的季节变化。4.2风向单一、风能量变幅输沙势是衡量区域风沙活动强度的重要指标,也是目前风沙活动强度计算应用最为广泛的方法。从各月输沙势(DP)、合成输沙势(RDP)、合成输沙方向(RDD)和方向变率来看(图4),10月至翌年4月输沙势最大,其中2月达到峰值1308.23VU,方向变率为0.96,属大比率,RDD为260.6°,说明2月风向单一,以西风为主。从10月到翌年4月DP值较高,RDD以西风为主,方向变率指数在0.9以上,属于大比率指数,说明该地区在这一时段以单风向为主。5月到9月DP值处于低峰,RDD由10月至翌年4月的W风向逐渐转为SW风向,风向较分散,方向变率指数由5月的0.61降到9月的0.36,属于中比率,出现了短时期的多风向。错那湖地段年输沙势为491.12VU,根据Fryberger提出的年平均风能量变幅分类标准,属于高风能环境(≥400VU)。年合成输沙势为445.44VU,年方向变率(RDP/DP)为0.91,属于大比率。输沙方向为262.54°,说明合成输沙风向以较单一的W风为主(图4)。4.3理论输沙势分析输沙势是衡量区域风沙活动强度和方向的重要指标之一,但实际输沙量的计算对区域沙害防治更有指导意义。2009年7月至2010年6月8方位月总输沙量玫瑰图(图5)显示,10月到翌年3月这一时段输沙强烈,其中11月输沙量最大,为119.7kg,以W、E向的集沙为主,其次是12月为102kg。4月到9月期间,月输沙量明显小于其他各月,7月输沙量最小,为10.5kg,主要来源于SW和E方向,与全年主导风向(W向)不一致。2009年7月—2010年6月全年8方位输沙量(图6)显示,W向输沙量最大(132.2kg),其次为E、SE、SW方位,分别为110kg、109.4kg和97.6kg。S向输沙量最小,为33.64kg,其次为N和NE向,分别为35.25kg和48kg。可见,错那湖段来沙方向比较分散,与前述起沙风和输沙势主导方向不完全一致,由此可以说明理论输沙势与实测输沙量并非完全一致。实际输沙量除了与风速有关外,受环境条件影响较大,尤其与周边沙源情况密切相关。4.4区域风速来确定输沙量的研究意义鉴于长期输沙量难以野外直接测定,但输沙势和月平均风速比较容易计算的现状,我们只要能够得到输沙量与输沙势和月平均风速之间的关系,即可通过输沙势和平均风速来确定输沙量,这对区域风沙活动的研究意义重大。从2009年7月—2010年6月输沙量与输沙势、月平均风速的月际分布(图7)可见,输沙量与输沙势和月平均风速基本呈正相关。月输沙量与月输沙势之间的拟合关系(图8A)显示,研究区输沙量与输沙势存在幂函数关系:式中:DP为输沙势;Q为输沙量。相关系数R为0.83。月输沙量与月平均风速之间(图8B)存在一定的线性关系,可以用线性函数表述:式中:DP为输沙势;Q为输沙量。相关系数R为0.74。5月平均风速与沙源关系近地面风沙活动强度是研究风沙地貌形成、演变及进行沙害防治的重要理论依据。研究初步发现,起沙风月际变化比较明显,10月至翌年4月风向单一,以西风为主,约占起沙风全年总量的65%以上。11月起沙风频率最高,占17.14%,起沙风频率变化与月平均风速月际变化规律具有一定的一致性。错那湖段起沙风向以西风为主(约占40.4%),在构建防沙体系时应使沙障走向与主导风向垂直,同时还应考虑5—9月主导风向的变化。研究区的输沙势和合成输沙势主要集中在10月至翌年4月,年输沙势为491.12VU,合成输沙