沙漠地區(qū)高速公路綜合防沙體系研究——以營雙高速公路八步沙段為例

楊 凱， 張小由， 韓致文， 賀曉萍， 徐定艷， 許克璽

(1.甘肅省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州 730070；2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅蘭州 730000)

?

沙漠地區(qū)高速公路綜合防沙體系研究
——以營雙高速公路八步沙段為例

楊 凱1， 張小由2*， 韓致文2， 賀曉萍1， 徐定艷1， 許克璽1

(1.甘肅省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州 730070；2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅蘭州 730000)

在野外調(diào)查和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)示范段建設(shè)，針對營雙公路邊坡類型劃分出邊坡風(fēng)沙的危害等級與標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明：營雙高速公路全線有4種地貌類型：低山丘陵、中低山丘陵、綠洲和風(fēng)沙化土地，前3種類型風(fēng)沙活動對公路影響小，風(fēng)沙化土地類型風(fēng)沙活動對公路影響大；將對公路運(yùn)營影響大的風(fēng)沙化地段的邊坡根據(jù)原有地形、地貌特征和開挖、填方強(qiáng)度劃分為丘間低地或緩平沙地(填方)、挖方型邊坡。將不同類型邊坡對公路危害大小劃分為危害嚴(yán)重、危害中度和危害輕3個等級，并針對不同危害等級提出不同固沙防沙體系和模式，建立相應(yīng)的示范區(qū)；示范區(qū)經(jīng)過半年風(fēng)沙考驗(yàn)，各種防護(hù)體系具有一定作用，人工植被成功越冬、先鋒植物在防護(hù)區(qū)定居生根，植被蓋度、蝕積量均有所增加。

高速公路；防沙固沙；沙漠地區(qū)

西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施使得我國西部沙漠地區(qū)公路建設(shè)得到了長足的發(fā)展[1]。然而，沙漠地區(qū)風(fēng)力強(qiáng)勁，極易造成公路沙害[2]，若不及時清理，會增加汽車輪胎和路面表層的磨耗，加快路面表面性能的損失[3]。在嚴(yán)酷的自然條件下，要保證公路的暢通和正常運(yùn)營就必須建立防沙體系[4-5]。建設(shè)綜合防沙體系是控制沙害、保障公路暢通的重要技術(shù)措施。近年來，學(xué)者們從不同專業(yè)角度對沙漠公路沿線風(fēng)沙環(huán)境及沙害特征進(jìn)行了研究，如董治寶等[6-7]針對塔里木沙漠石油公路沿線風(fēng)沙危害的形成機(jī)理、沙丘移動規(guī)律、風(fēng)沙危害程度的評判模式及時空分布規(guī)律進(jìn)行了研究；王雪芹等[8]同樣針對塔里木沙漠公路沿線風(fēng)沙危害的影響因素、水平和垂直分異的原因及規(guī)律進(jìn)行了分析；王訓(xùn)明等[9]針對塔里木沙漠公路肖塘至塔中段的風(fēng)沙危害和現(xiàn)有防沙體系進(jìn)行了評價；韓致文等[10]針對塔克拉瑪干沙漠公路的風(fēng)沙防護(hù)體系的構(gòu)建進(jìn)行了研究。營盤水(甘寧界)至古浪(雙塔)高速公路是青島至銀川國家高速公路陜西定邊至武威連接線(G2012)的重要組成路段，也是甘肅省高速公路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分。營雙高速公路全線位于騰格里沙漠南緣，主要沙害路段為K448+300至K458+927，全長10.6 km。課題組在營雙高速公路八步沙林場附近，選擇風(fēng)沙危害嚴(yán)重地段作為試驗(yàn)示范工程，對試驗(yàn)段內(nèi)植物生長情況、蝕積量等進(jìn)行觀測，旨在為該地區(qū)綜合防沙體系的建立提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

營雙高速公路東起寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市營盤水，經(jīng)過甘肅省景泰縣，向西延伸，至甘肅省古浪縣雙塔，全長158.5 km，是青島至銀川國家高速公路陜西定邊至武威連接線(G2012)的重要組成路段(圖1)。公路全線屬蒙新溫帶干旱氣候區(qū)，具有太陽輻射強(qiáng)、干燥少雨、四季分明(春季多風(fēng)、夏季酷熱、秋季干燥、冬季寒冷)等特點(diǎn)。試驗(yàn)段長度為29 km，公路兩邊主要是在固定沙地，植被生長良好，覆蓋度在40%左右，生長植物有白刺、沙蒿、沙米和沙冰草等，在部分區(qū)域形成高度0.5 m左右白刺沙包，固沙作用較好，基本上不產(chǎn)生風(fēng)沙流。

2 邊坡防沙固沙體系建立

2.1 地貌類型調(diào)查及邊坡類型劃分 調(diào)查結(jié)果顯示：營雙高速公路全線有4種地貌類型：低山丘陵、中低山丘陵、綠洲和風(fēng)沙化土地，前3種類型風(fēng)沙活動對公路影響小，風(fēng)沙化土地類型對公路影響大。將對公路運(yùn)營影響大的風(fēng)沙化地段的邊坡根據(jù)原有地形、地貌特征和開挖、填方強(qiáng)度劃分為丘間低地或緩平沙地(填方)、挖方型邊坡。

2.2 風(fēng)沙危害等級劃分 根據(jù)公路建設(shè)后邊坡形成高度、公路走向與主風(fēng)向夾角、植物生長狀況以及上風(fēng)向植被蓋度將公路風(fēng)沙危害劃分為3個等級：①危害嚴(yán)重。邊坡高度在5 m以上、公路與主風(fēng)向>30°、邊坡坡度>25°、坡面植被覆蓋度<5%，邊坡上(上風(fēng)向)以流沙地和半流動沙丘為主，植被蓋度<10%；②危害中度。邊坡高度1～5 m，公路與主風(fēng)向<30°、邊坡坡度<25°、坡面植被覆蓋度5%～10%，邊坡上(上風(fēng)向)以固定沙地為主，植被蓋度>10%；③危害輕。邊坡高度<1 m或者低于路面(包括丘間低地、填方推平緩平沙地)。

2.3 邊坡防沙固沙體系 根據(jù)風(fēng)沙危害劃分等級的不同采取不同防沙固沙措施。

2.3.1 危害輕。屬于丘間低地(圖2)或者是矮小沙丘推平后形成緩平沙地(圖3)，在公路圍封范圍內(nèi)，地形起伏小，植被蓋度達(dá)到40%～60%，用于固定沙地。防沙固沙模式：在路域范圍內(nèi)封育保護(hù)，依靠自然植被進(jìn)行防護(hù)。

圖1 營雙高速公路全線遙感影像Fig.1 Remote sensing image of Yingshuang Expressway

圖2 丘間低地防沙固沙體系示意Fig.2 Hilly slow land sand control system

圖3 緩平沙地防沙固沙體系示意Fig.3 Slow sand sand control system

2.3.2 危害中度。屬于固定沙丘或者固定沙地，邊坡高度在2～4 m(圖4)，植被蓋度20%～40%。防護(hù)模式：在路肩礫石壓沙并種植2行檉柳或者檸條，排水溝種植檉柳、檸條，在坡面下部種植檉柳、檸條，中上部和坡頂至路域防護(hù)網(wǎng)種植梭梭、花棒。這樣組成了“三帶一體”防沙體系，即坡頂至防護(hù)網(wǎng)梭梭前沿阻沙帶，邊坡由梭梭、沙蒿組成固沙帶，礫石和排水溝的植物組成綠化帶。

圖4 淺路塹敞開式路塹橫斷面防沙固沙體系示意Fig.4 Shallow cutting open cut section sand control system

2.3.3 危害嚴(yán)重。屬于高大沙丘或者沙地，邊坡高度大于4 m(圖5)，屬于半流動沙地，植被蓋度<20%。防護(hù)模式：采取工程措施與植物防沙固沙相結(jié)合的綜合防沙體系，由路肩礫石和檉柳、排水溝和檉柳組成綠化壓沙帶，坡面按1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m 設(shè)置PE防沙網(wǎng)，在防沙網(wǎng)中央種植梭梭、花棒和檸條組成的綜合固沙帶，在坡上至公路防護(hù)網(wǎng)種植梭組成的梭防風(fēng)固沙帶。若在上風(fēng)向有流動沙地則需設(shè)置1.0 m×1.0 m防沙網(wǎng)，種植沙蒿和梭梭，組成前沿阻沙帶，形成以工程措施下的生物固沙帶為主體的“三帶一體”或“四帶一體”的綜合防護(hù)體系。

圖5 深路塹橫斷面防沙固沙體系示意Fig.5 Deep cutting cross section sand control system

3 防沙固沙效益觀測

3.1 植物生長情況觀測 試驗(yàn)段完工后，課題組根據(jù)試驗(yàn)需求，對試驗(yàn)段土壤、植被、氣候等資料進(jìn)行了調(diào)查，根據(jù)所選用的生態(tài)修復(fù)植物物種的習(xí)性對其蓋度、密度和高度進(jìn)行了觀測。在試驗(yàn)段內(nèi)設(shè)立對照樣地1個(在公路防護(hù)網(wǎng)外側(cè))，3個危害等級對應(yīng)的地區(qū)各設(shè)置2個樣方，其中沙障高度在20 cm和50 cm水平各設(shè)置1個。

3.1.1 植被蓋度觀測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在建立試驗(yàn)段24個月后，除丘間地類型植被覆蓋度大于對照樣地外，其他類型天然植被覆蓋度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對照樣地，如果將人工植被覆蓋度與天然植被覆蓋度一并統(tǒng)計，其覆蓋度也沒有對照樣地高(表1)。這是由于植被蓋度是在植被生長季節(jié)測定，4月植物才開始生長，此時測定值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際值。

3.1.2 植物生長密度觀測。該地區(qū)原生植物生長密度一般僅為10～20株/m2，分布于該地區(qū)的植物(如禾本科針茅屬紫花針茅等)生長密度均較少。按照試驗(yàn)段設(shè)計要求，于試驗(yàn)段施工后半年對各試驗(yàn)點(diǎn)植物生長密度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見表2。3.1.3 植物生長高度觀測。按照試驗(yàn)段設(shè)計要求，于試驗(yàn)段施工后半年對各試驗(yàn)點(diǎn)植物生長高度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見表3。

表1 不同類型植被覆蓋度變化

表2 不同類型植物密度變化

表3 不同類型植物高度變化

試驗(yàn)段植物在成功越冬后的第2年，先鋒植物開始侵入固沙區(qū)并開始生長，人工種植灌木適應(yīng)當(dāng)?shù)刈匀粭l件，開始穩(wěn)定生長，且平均高度高于當(dāng)?shù)靥烊恢脖弧?/p>

3.2 蝕積量觀測 2015年11月12日采用扦插方法，針對不同防護(hù)措施樣地進(jìn)行蝕積量觀測(從邊坡底部至坡頂各插50根，共計200根)。測算結(jié)果表明：丘間低地蝕積量為0.1 t/(m2·a)，平緩邊坡蝕積量為0.2 t/(m2·a)，沙障高20 cm和50 cm的高大邊坡蝕積量分別為0.3和0.2 t/(m2·a)。從測定結(jié)果來看，各種防護(hù)措施均可起到一定固沙效果，這主要是因?yàn)?015年風(fēng)季平均風(fēng)速小于往年，風(fēng)沙活動較弱；公路走向與主風(fēng)向相近，風(fēng)對邊坡影響小。

4 結(jié)論

(1)該研究表明，營雙高速公路全線有4種地貌類型：低山丘陵、中低山丘陵、綠洲和風(fēng)沙化土地，前3種類型風(fēng)沙活動對公路影響小，風(fēng)沙化土地類型風(fēng)沙活動對公路影響大。

(2)將公路運(yùn)營影響大的風(fēng)沙化地段的邊坡根據(jù)原有地形、地貌特征和開挖、填方強(qiáng)度劃分為丘間低地或緩平沙地(填方)、挖方型邊坡；根據(jù)公路建設(shè)后邊坡形成高度、公路走向與主風(fēng)向夾角、植物生長狀況以及上風(fēng)向植被蓋度將公路風(fēng)沙危害劃分為3個等級，針對不同危害等級提出不同固沙防沙體系和模式，建立相應(yīng)的示范區(qū)。

(3)示范區(qū)經(jīng)過半年風(fēng)沙考驗(yàn)，結(jié)果顯示：各種防護(hù)體系具有一定作用，人工植被成功越冬，先鋒植物在防護(hù)區(qū)定居生根，植被蓋度、蝕積量均有所增加。

[1] 陸海平,趙國平,胡春元,等.沙漠地區(qū)公路植物防沙體系維護(hù)技術(shù)及效益分析：以 G304 國道公路植物防沙體系維護(hù)技術(shù)為例[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,27(4)：20-26.

[2] 王智遠(yuǎn),徐占云,崔琳,等.高速公路沙害防治技術(shù)研究：以丹東—拉薩高速公路新地—麻黃溝段為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2005,19(5)：204-208.

[3] 程榮雙,姚曉陽.沙漠公路防沙體系機(jī)理研究及應(yīng)用實(shí)例[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2009(3)：158-160.

[4] 左合君,董智,魏江生,等.沙漠地區(qū)高速公路工程防沙體系效益分析[J].水土保持研究,2006,12(6)：222-225.

[5] 徐新文,胡玉坤.塔里木沙漠公路防沙體系的防護(hù)效益[J].干旱區(qū)研究,1998,15(1)：21-26.

[6] 董治寶,陳廣庭,韓致文,等.塔里木沙漠石油公路風(fēng)沙危害[J].環(huán)境科學(xué),1997,18(1):5-9.

[7] 董治寶,陳廣庭,顏長珍,等.塔里木沙漠石油公路沿線沙丘移動規(guī)律[J].中國沙漠,1998,18(4):328-333.

[8] 王雪芹,雷加強(qiáng).塔里木沙漠公路沙危害分異規(guī)律的研究[J].中國沙漠,2000,20(4)：438-442.

[9] 王訓(xùn)明,陳廣庭.塔里木沙漠公路沿線機(jī)械防沙體系效益評價及防沙帶合理寬度的初步探討[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,1997,11(4)：28-35.

[10] 韓致文,王濤,孫慶偉,等.塔克拉瑪干沙漠公路風(fēng)沙危害與防治[J].地理學(xué)報,2003,58(2)：201-208.

Study on the Sediment Control System around the Highways in the Desert Areas——A Case Study of Babusha Section of Yingshuang Highway

YANG Kai1,ZHANG Xiao-you2*,HAN Zhi-wen2et al

(1.Gansu Province Road Bridge Construction Group Co.Ltd.,Lanzhou,Gansu 730070;2.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou,Gansu 730000)

Based on the field survey,experiments and construction of project,we figured out the types of the side slopes and the degrees of sand hazard.The results were as follows：there are four geomorphic types around the Yingshuang highways：low mountains and hills,middle and low mountains and hills,oasis and windy and sandy lands.The wind-sand activities of the former three geomorphic types have little influence on the highways,while the last geomorphic type has an great influence on the highways.The side slopes that have great influence on the highways were divided into interdunal depressions and excavation slopes according to the characteristics of the landforms and mining intensity.The degrees of the damages can be divided into great,middle and low levels.We proposed the systems and models for different damage degrees,and built the demonstration areas.After half a year,all kinds of protection systems played roles,artifiticial vegetations were still alive through the winter and the vanguard plants were all settled down.Vegetation coverage and corrosion both increased.

Highway; Sand defense and solidification; Desert areas

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271037)；甘肅省交通運(yùn)輸廳“沙漠地區(qū)高速公路緩邊坡綜合固沙應(yīng)用技術(shù)研究”項(xiàng)目。

楊凱(1973- )，男，甘肅平?jīng)鋈?，高級工程師，從事公路工程及綠化施工管理工作。*通訊作者，研究員，從事生態(tài)水文學(xué)研究。

2016-08-05

S 157

A

0517-6611(2016)28-0050-03