阿和沙漠公路风沙运动规律研究

阿和沙漠公路风沙运动规律研究

风是形成地形的基本力量之一1。特别是在干旱气候条件下，它是沙漠表面形态的主要动力2，也是直接导致沙害的直接动力3-4。将长期历史资料与沙漠公路沿线短期风沙监测结果相结合,系统研究阿和沙漠公路沿线风沙运动规律性,为沙漠公路的安全行车和未来公路养护等提供科学依据。阿和沙漠公路位于塔克拉玛干沙漠西部,是纵贯新疆塔克拉玛干沙漠的第二条沙漠公路,以阿拉尔市南口镇为起点,和田市玉龙喀什镇为终点,全长424.7km。该公路沙漠路段长407.6km,公路等级为二级,也是我区第二条南北纵穿塔克拉玛干沙漠的公路。它的建成极大的改善了新疆南疆的交通条件,使阿克苏到和田的距离缩短了430km,阿拉尔到和田的距离缩短了550km,并与国道314线、国道315线共同构成南疆公路运输的主干线。该公路对改善我区公路网结构、公路网密度具有重要的作用,对促进新疆南北疆经济和社会发展有着十分重要的意义。塔克拉玛干沙漠是中国最大的沙漠,也是世界最大的流动性沙漠。朱震达在其专著中首次对沙丘类型、分布格局、运动等方面进行了深入、系统的研究,特别是关于沙漠西南部沙丘动态过程的研究,使塔克拉玛干沙漠风沙地貌研究进入一个崭新阶段［5］。20世纪80年代以后,沙漠油田开发和沙漠公路的贯通,为整个沙漠特别是沙漠腹地的研究提供了机遇。凌裕泉研究了近地表流场特征与输沙强度的关系,并对该区域沙漠化问题作了探讨［6］;王雪芹等着重研究了塔里木沙漠公路风沙危害评估指标体系［7］;徐海量［8］等研究风灾危险性评价以塔里木盆地为例;李生宇［9］等研究了塔克拉玛干沙漠腹地路面沙害的空间分布;俎瑞平［10］等对塔克拉玛干沙漠风况特征进行研究。上述研究均取得了一些重要成果,然而由于塔克拉玛干沙漠自然环境恶劣、交通不便、资料缺乏、风沙监测等条件制约,而对塔克拉玛干沙漠第二条沙漠公路风沙运动特征研究未见公开报道。2007年11月1日阿和沙漠公路的正式通车,为阿和沙漠公路风沙运动规律监测研究提供新机遇,马淑红［11］等率先研究了阿拉尔—和田沙漠公路防风阻沙效应参数分布特征;胡智峰［12］研究防沙技术在阿—和沙漠公路中的应用。阿和沙漠公路完全依靠防风阻沙体系保障畅通,随着时间的推移在强风天气下一部分防风阻沙体系出现破损甚至失效,国家每年都要投入大量人力物力来维护防风阻沙体系。因此,本文研究成果对于完善防风阻沙体系维护的理论和技术,保障沙漠公路的畅通具有重要科学意义和工程价值。1阿和从塔架内的风能分布以塔克拉玛干沙漠为研究区域,将覆盖塔克拉玛干沙漠的17个气象站近50a(1961-2010年)历史资料与沙漠公路沿线近3年(2007年4月~2010年4月)5层梯度风短期监测资料,以及沙漠公路七种防风阻沙体系下典型横断面5层梯度风监测资料,阿和沙漠公路沿线及周围气象台站分布图,如图1所示,采用气象学、风沙物理学、流体力学、统计学相结合方法,对阿和沙漠公路沿线风沙活动若干规律性进行研究。为阿和沙漠公路养护及防灾减灾提供科学依据。2建立沙公路沿线沙子站和k1275级自动气候站2.1防沙要素分区布设为了全面掌握阿拉尔——和田沙漠公路沿线风沙运动若干规律性,对沙漠公路沿线环境特征、地形地势、路堤和路堑高度进行了野外科学考察,并进行了沙漠公路沿线风沙监测站布点工作。布点原则根据QX/T61-2007有关技术规定［13］及WMO气象仪器和观测方法指南(第六版)有关规定［14］,以最大瞬时风速2a一遇设计为基础,参照国际中尺度地面观测网的设计思路和国家气象局在对不同地域的中小尺度自动气象站地面观测网布设原则,根据沙漠公路建设标准及相关要求和沿线气象条件、地理环境等因素,合理布设并适时调整风速风向仪的布设间距。在瞬间最大风速2a一遇设计风速Vmax≥20.0m/s路段,地形平旦区间20~40km布设风速计,特殊地形区间5~10km布设风速计。阿和沙漠公路七种防风阻沙体系分别简称如下:(1)芦苇草方格防风阻沙体系;(2)草帘子方格防风阻沙体系;(3)草把子方格防风阻沙体系;(4)棉秆方格防风阻沙体系;(5)绿工网方格防风阻沙体系;(6)黑工网方格防风阻沙体系;(7)土工袋方格防风阻沙体系。不同防风阻沙体系下横断面监测点为7~11个,在芦苇防沙体前(迎风侧)、公路、芦苇防沙体后(背风侧)分别布设监测站,并且确定在沙漠公路k127建立5层梯度风自动气象站。采用全球定位系统(GPS)对沙漠公路风沙监测布点精确定位,阿和沙漠公路不同防风阻沙体系下典型横断面风沙监测站布设,如图2所示。2.2阿和于阿的心理和设施2008年3月7日在阿和沙漠公路k127安装完成的沙漠公路5要素(风向、风速、相对湿度、温度、路面温度)5层(0.5m、1.0m、2.0m、4.0m、10.0m)梯度风自动气象站,采集每秒瞬间风向、风速及每分钟温湿度等资料。五要素5层梯度风自动气象站是一种野外无人值守型的全自动气象站。该设备采用气象部门通用中心站软件,模块化结构设计,以先进的GPRS通信方式进行无线传输,并以太阳能方式供电。阿和沙漠公路k127处防风阻沙效应5层梯度风自动气象站于2008年3月27日建成。它将为塔克拉玛干沙漠中西部资源开发、防灾减灾等提供及时准确的基础数据,在公路交通气象保障服务中发挥重要作用,为阿和沙漠公路沿线风沙活动若干规律研究提供基础数据。2.3最大显著风速分析在阿和沙漠公路沿线现场地形地貌考察和沙漠公路k127路段5层梯度风实际监测基础上,按照布点原则分别在阿和沙漠公路布设风速计,进行沙漠公路沿线强风对比监测,如图3所示。相关对比分析结果表明:阿和沙漠公路沿线气象站10m高度处最大瞬时风速与沙漠公路北部k127路段5层梯度风4.0m最大瞬时风速,以及沙漠公路沿线短期5层强风监测4.0m最大瞬时风速相关显著,相关系数在0.6501~0.9987,沙漠公路沿线气象站与强风监测站风速风向具有空间相关性,平原路段空间代表性为20~40km;特殊路段空间代表性为5~10km。阿和沙漠公路沿线气象站与强风短期监测站的最大瞬时风速比值K系数在0.80~1.40之间,其中k127处、k167处、k258处瞬间最大风速比阿拉尔气象站分别偏大1.15、1.32、1.40倍,路堑区间瞬间最大风速比阿拉尔气象站偏小0.86~0.97倍,见图4。沙漠公路沿线迎风侧最大瞬时风速比背风侧偏大1.15~1.30倍。3沙粒—沙漠公路风沙运动若干规律性沙漠公路沿线风沙活动的动力参数:地形地貌、风随高度变化α指数、最大瞬时风速、强风主风向、起沙风速、沙粒过路临界风速。其分布规律根据所在的位置、地形、下垫面状况、当地气候背景等不同,各有独特的特点。3.1阴山山地沉积相阿和沙漠公路全长424.372km,其中407km为塔克拉玛干沙漠半流动、流动沙地,地貌类型既有稀疏胡杨、红柳分布的风蚀裸露沙地,也有稀疏的新月形沙丘、沙垄带;还分布有密集的新月形沙丘链群,丘间有稀疏粗大的胡杨树根,间断分布有风蚀洼地;在靠近和田的部分区间为高大的新月形沙丘链群与格状沙丘(蜂窝状沙丘)相间分布区,沙丘高度5~40m。3.2最大显著风速分析假设阿和沙漠公路沙漠路段近地层内最大瞬时风速均值随高度变化遵循幂指数分布,公式［15］如下:式中:u为Z高度处的风速;u1为Z1高度处的风速;α为风速高度变化幂指数,其值的大小即表明了风速垂直切变的强度。根据(1)式,利用两个高度风速差,推导出如下计算公式:式中:u1为0.5m高度处的瞬时风速均值;u2为2.0m高度处的瞬时风速均值,根据监测期间大气呈中性层结时的数据共1873组,监测资料计算出幂指数α=0.100259。按幂指数α取值为0.10分别计算出不同高度的风速,绘制风随高度变化廓线图,见图5。并且计算了沙漠公路北部k127路段5层梯度风实际监测值与模式计算值差值和相对误差,结果表明:沙漠公路k127处5层梯度风不同高度处最大瞬时均值实际监测值与模式计算值差值在0.0~1.0m/s之间,平均相对误差5.86%,从而证实假设合理,沙漠公路沙漠路段近地层内最大瞬时风速均值随高度变化遵循幂指数分布,误差范围符合工程设计。进一步分析图5看出:0.5m以下集沙层实际监测最大瞬时风速均值比指数模式模拟的最大瞬间风速偏小0.6~1.0m/s,2.0m以上监测最大瞬时风速均值与幂指数模式模拟的最大瞬均值基本相等,这主要由于芦苇高立式沙障与芦苇草方格相结合防风阻沙体系(以下简称为芦苇草方格防风阻沙体系)影响所致。从而证实芦苇草方格防风阻沙体系使得0.5m以下瞬时风速均值偏低1.0m/s左右,防风阻沙效应显著。3.3最大时效一遇设计值最大瞬时风速定义为某个时段内出现的最大瞬时风速值。瞬时风速是指3s的滑动平均风速值;最大风速是指在某个时段内出现的最大十分钟平均风速值;极大风速是指在某个时段内出现的最大瞬时风速值。在沙漠公路沿线强风相关对比分析基础上,按照中华人民共和国国家标准GB50009-2001《建筑结构荷载规范》和(JTG/TD60-01-2004)《公路桥梁抗风设计规范》中有关技术规定［16-17］,依据阿和沙漠公路沿线气象站与强风监测站最大瞬时风速比值曲线图,应用距路面4.0m高度处任意里程100m×100m空间网格点上最大瞬时风速2a一遇设计值V4_2max,模式［18］如下:式中:V4_2max为沙漠公路距路面4m高处任意里程100m×100m空间网格点上最大瞬时风速2a一遇设计值,V10为高速公路沿线气象站10m高度处10min平均最大风速设计值,K1强风或阵风系数;K2为路堤高增速订正系数;K3为地形订正系数。进一步推论,建立沙漠公路沿线强风监测点以外区间最大瞬时风速2a一遇设计值计算模式:式中:V4_V为沙漠公路沿线强风监测点以外区间,距路面4.0m高度处2a一遇瞬时风速计算值(m/s),V为沙漠公路沿线气象站最大瞬时风速多年均值［19］(m/s),K0为比值系数。该模式的建立有助于提高阿和沙漠公路沿线强风预警系统中短期风速预测模式的精度,从而为阿和沙漠公路沿线距路面4.0m高度处任意里程100m×100m空间网格点上最大瞬时风速2a一遇设计值水平分布规律研究提供技术支撑,应用(4)式计算阿拉尔-和田沙漠公路沿线2a一遇最大瞬时风速,分析结果表明:阿和沙漠公路沿线2a一遇最大瞬时风速水平分布规律:以沙漠公路中部向南北部递减,最大值出现在k66.7~k326路段处。3.4最大风压单位面,线路与常用风风向对比分析强风定义:瞬时风速达到≥10.8m/s的风称为强风;强横风定义:瞬时风速达到≥15.0m/s,线路走向与主风向之间夹角在75~95°之间,称为强横风;大风定义:瞬时风速达到≥17.2m/s的风称为大风。由此提出强风主风向的概念,它是指月内该风向强风出现的次数占全月各强风风向出现的总次数的百分比,计算公式如下:式中:F为该月某强风风向频率;m为该强风风向出现次数的月合计;n为全月各强风风向记录总次数。把频率出现最多的强风风向称为强风主风向或强风盛行风向,绘制强风玫瑰图。它定量分析沙漠公路沿线气流情况。沙漠公路北部大多数路段强风天气下受西北气流和倒灌偏东气流的共同影响,全年强风主风向为WNW和N风,频率均为16.0%,次强风主风向ENE和NE,频率均为13.0%(图6a所示),线路与强风主风向夹角>45°,部分路段线路与强风主风向夹角甚至达到90°;沙漠公路中部以偏东风气流为主,其次是偏西风的影响,全年强风主风向ENE和NE,频率分别为21%和20%,次强风主风向NNW,频率均为12.0%(图6b所示),线路与强风主风向夹角在30°~60°;沙漠公路南部大多数路段主要受偏西风的影响,全年强风主风向W,频率为34.0%,次强风主风向WNW,频率为17.0%,如图6c所示,线路与强风主风向夹角>45°。全年强风玫瑰图能定量反映出阿和沙漠公路沿线的强风气流情况,是沙漠公路风沙运动规律和防沙阻沙效应研究中重要参数之一。3.5动态风速沙粒临界风速阿和沙漠公路沿线,典型路段路基横断面工程防风阻沙发挥了显著的防风阻沙效应。不同防风阻沙体系下风沙监测结果显示:7种防风阻沙体系中以芦苇、草帘子方格防风阻沙体系下起沙风速和沙粒过路临界风速为最大,分别为8.0~9.0m/s和10.0~11.0m/s,芦苇防风阻沙体系对输沙贡献最大的有效瞬间风速在8~15.0m/s之间;其次是草把子方格与芦苇高立式沙障相结合的防风阻沙体系下临界起沙风速为7.0~8.0m/s,沙粒过路临界风速为8.0~9.0m/s;棉秆方格与芦苇高立式沙障相结合的防风阻沙体系下临界起沙风速为6.0~7.0m/s,沙粒过路临界风速为7.0~8.0m/s;黑、绿工网方格与芦苇高立式沙障防风阻沙体系下起沙风速为5.0~6.0m/s,沙粒过路临界风速为6.0~7.0m/s;黑土工袋方格与芦苇高立式沙障防风阻沙体系下起沙风速为4.0~5.0m/s,沙粒过路临界风速为5.0~6.0m/s,如表1所示,建议更换。4阿、沙丘公路沿线最大时效风速(1)阿和沙漠公路沿线气象站10m高度最大瞬时风速与沿线梯度风监测站及短期监测站距路面4m高度最大瞬时风速相关显著,相关系数在0.6501~0.9987。也就是说沙漠公路沿线气象站与强风监测站风速风向具有空间相关性,平原路段空间代表性为20~40km;特殊路段空间代表性为5~10km。(2)阿和沙漠公路沿线气象站与强风短期监测站的最大瞬时风速比值K系数在0.80~1.40之间,其中k127处、k167处、k258处瞬间最大风速比阿拉尔气象站分别偏大1.15、1.32、1.40倍。阿和沙漠公路沿线迎风侧最大瞬时风速比背风侧偏大1.15~1.30倍。(3)阿和沙漠公路沙漠路段近地层内最大瞬时风速均值随高度变化遵循幂指数分布,监测资料计算出幂指数α=0.100259,幂指数α取值为0.10。(4)阿和沙漠公路沿