青藏铁路沿线风沙灾害特点及成因分析

安志山，张克存，屈建军，牛清河，张 号

（中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 沙漠与沙漠化重点实验室敦煌戈壁荒漠生态与环境研究站，甘肃省风沙灾害防治工程技术研究中心，兰州730000）

青藏高原是全球海拔最高、自然环境十分独特的巨型地域单元，也是土地沙漠化广为发生发展的重要区域之一[1]。作为环境演变敏感区域，青藏高原对全球变化的响应极为显著[2]，青藏铁路沿线生态环境系统具有原始、敏感、脆弱三大特点。近年来，由于自然和人为因素的双重影响，区域内草地退化[3]、水土流失加剧[4]、水环境失衡、生物多样性锐减[5]、生态环境日益恶化、土地沙化严重[6]。目前，沙化土地总面积达3.13万km2，占土地总面积的13.20%，潜在沙漠化土地2.99万 km2，占土地总面积的11.33%[7－9]。青藏铁路格拉段全长1 142km，穿越高原腹地，地跨昆仑山、唐古拉山和不少大峡深谷，通过永久冻土地带和广袤的高寒草原草甸，由于青藏高原独特的地理环境，其致灾过程出现不确定性，使得除已重视的冻土问题以外，风沙灾害已是青藏铁路沿线面临的又一大难题[10－15]。笔者通过2007年和2012年两次野外实地调查，对青藏铁路格拉段风沙灾害现状进行分析，同时结合地区气象资料，剖析出青藏铁路沙害的原因，为后期研究高海拔地区风沙灾害规律和制定更加完善有效的防护体系提供依据。

1 铁路沿线风沙灾害特点

（1）空间非均匀性。在空间上，青藏铁路沿线风沙灾害主要分布在青海格尔木至西藏安多措那湖段，分布呈非均匀性，严重和中度沙害路段主要分布在红梁河、秀水河、北麓河盆地、扎加藏布及措那湖滨河、滨湖地区[16]。目前，铁路沿线受风沙灾害威胁路段有269.7km，占全路段的23.62%。其中，严重沙害路段10.3km，中度沙害路段49.8km，轻度沙害路段209.5km。

（2）时间集中性。在时间上，青藏铁路处在独特的高原环境，受高空西风气流和柴达木盆地地面冷风影响，大陆性气候非常明显。气候干燥、风力强劲、气温低且温差大、气候要素变化剧烈、干湿季分明。降水集中、多暴雨，风水两相侵蚀营力时空交错。据统计，青藏铁路沿线各站点年均大风日数均超过了60d。如沱沱河125d，安多139.5d，五道梁110.1d，雨季主要集中在6－9月[13]。铁路所经之处起沙风均以西风为主（图1），主要集中在冬春季节[17]。

（3）沙源多样性。青藏铁路沿线地貌类型复杂，高原草甸草地以及干河床、湖盆广泛分布，地表物质松散，且冻融作用强烈，冻土内部赋存大量碎屑物。在长期冻融、风蚀交错作用下，碎屑物分解成细小颗粒，为风沙活动提供了极为丰富的物质基础。同时，随着全球变暖，冻土退化，高原草甸、草地地表、古沙丘地表结构和下垫面性质发生变化，加之冰川夏季融水增多，水蚀能力增强，大量碎屑物质被释放并携带至河湖之中，继而为风沙灾害的发生奠定良好的基础[17－19]。

（4）危害形式固定性。风沙流对铁路的危害主要表现在风蚀和沙埋。铁路的建成，改变了原有高原地区的局地气流，铁路周边流场和能量结构发生改变，携沙气流遇阻后，风速下降，携沙能力减弱，故沙粒沉积在铁路路基和道床上，形成沙埋，威胁行车安全。风蚀则主要出现在大风天气下，在强大的风力影响下，沙粒高速跃移，直接对路基和铁轨形成磨蚀，加剧钢轨的磨耗和锈蚀，降低铁路使用年限[17－19]。

2 沙害成因剖析

2.1 气候变暖，沙源增多

随着全球气候变暖，作为独一无二的地域系统，青藏高原对于全球变化的响应极为显著。从那曲、当雄、五道梁、安多、沱沱河和措那湖六地近50a年际气温趋势可知，青藏铁路沿线年平均气温逐年增加，其中以那曲年平均气温升高趋势最大，年均增加0.045℃；沱沱河年平均温度增高趋势最小，年均增加0.029 16℃（图2）。首先，气温升高，造成冰川融化，空气湿度增加，增强了岩石的物理风化作用。温度下降时，水汽大量凝结在岩石表面形成泥流，并因冻结膨胀产生压力而把裂隙附近的岩石压碎成块石和更细的物质，白天温度升高后，泥流将碎屑物质溶解带出裂隙后最终汇入河流，周而复始，导致岩石分崩离析。其次，冰川融化，河水径流量增大，对地表侵蚀能力增强，泥沙含量增大，大量泥沙沉积到河道和湖泊底部。再次，气温升高，冻融作用增强。随着温度的升高，多年冻土转变为季节性冻土，季节性冻土逐渐消融，原有冻土区内赋存的松散碎屑物质释放出来，夏季或温度升高后，大量融水将岩石裂隙、冻土间隙和松散土层内碎屑物质带出，形成冻土泥流，最终带入到河流湖泊之中，形成沙源。可见，随着全球变暖，改变了青藏铁路沿线环境，加之高原气候严酷、生态脆弱，冻融、风蚀交互作用，地表抗蚀能力差，扰动破坏易风蚀等特点，增加了沙物质的来源，致使沙源面积和数量增多。

2.2 风动力环境

2.2.1 起沙风 起沙风是确定风沙活动发生与否及其活动强度的重要依据，也是研究风沙运动规律、解决风沙工程问题的关键指标之一。对风沙地貌及沙害形成具有直接作用的是大于临界起沙风速的风，且应用范围较广[17－21]。因此，在分析风沙活动强度之前，首先要确定临界起沙风速。根据野外风洞实验和实地观测，青藏铁路沿线临界起沙风速确定为6.0 m／s。由图1可知，各点年合成起沙风以偏西风为主，沱沱河、五道梁、扎加藏布、安多、措那湖、红梁河合成起沙风向分别为：292°，284°，281°，268°，259°，317°。即合成输沙方向为偏东方向，与输沙势分析结论保持一致。其中，措那湖W风向占全年起沙风比例最高，为43.56%，五道梁、扎加藏布、安多、沱沱河、红梁河西风向占全年起沙风比例分别为37%，36.08%，27.58%，27.14%，18.75%。起沙风以西风为主，其主要原因是青藏高原地处盛行西风带，故偏西风频次较多，且因其海拔较高，所以风力较强。

图1 青藏铁路沿线各站点起沙风玫瑰

图2 青藏铁路沿线年际温度变化趋势

2.2.2 输沙势 由图3可以看出，除红梁河属于中能风环境外，输沙势DP值为342.11VU，RDP值为167.58VU，RDD为111°，其余各点均属于高能风环境，DP值大于400VU。其中，扎加藏布DP值最大，为722.6VU，RDP值为591.49VU，合成输沙方向为100°；五道梁其次，DP值为656.82VU，RDP值为438.08VU，合成输沙方向为94°；措那湖、沱沱河和安多 DP 值 分别 为 557.29VU，538.17VU 和415.86 VU，RDP值分别为396.96VU，320.3VU 和231.97 VU，合成输沙方向分别为：94°，97°，85°。且各点合成输沙方向都集中在85°—111°范围内，即东方向，由此可知，青藏铁路沿线盛行风向以西风为主。

图3 青藏铁路沿线各站点输沙势

2.2.3 最大可能输沙量 由最大可能输沙量分布（表1）可知，扎加藏布风沙活动最强烈，气流搬运能力最强，最大可能输沙量为67.68m3／（m·a），合成输沙 方 向 为 100°，其 次 为 五 道 梁，为 50.10 m3／（m·a）。青藏铁路沿线各站点合成输沙方向集中在83°—96°，即偏东方向。

表1 青藏铁路沿线各站点最大可能输沙量分布

2.3 风旱同季

从图4中青藏铁路沿线各站点多年月均风速可知，12月—次年5月期间月平均风速较6—11月大，月均风速最大值为3月份或者5月份，最小值则主要集中在7月份。由于拉萨和格尔木海拔相对较低，且城市建筑对气流的阻挡作用明显，故3月份平均风速较小，分别为2.35m／s和2.84m／s，其余各站点地处高海拔，风速相对较大，月均风速均超过3m／s。如沱沱河、安多和五道梁各站点月平均风速均超过5m／s，安多月均风速达到5.48m／s。

图4 青藏铁路沿线各站点多年平均风速与降水

分析各站点月平均降水量可知，各站点年内降水量变化趋势相似，成正态分布，以7月份月降水量最多。10月至次年4月期间，月平均降水量变化较小，降水量维持在较低水平，范围为0.4～4.1mm，4—7月期间，月降水量逐渐增多，7月份达到峰值，之后逐渐减少。其中，格尔木7月份降水量最小，仅为10.82 mm；其余各站点7月份月平均降水量均大于70mm，以当雄最大，为126.08mm。分析各站点多年月平均降水量和风速关系可知，降水量与风速存在反比关系，即风速较大时，降水量较小；风速较小时，降水量则较大，属于典型的“风旱同季”。冬春季节，降水量较小，植被盖度较低，对土壤保护作用减小，地表抗风蚀能力较小，而同期风速较大，极易造成土壤风蚀，破坏地表，形成更多的碎屑物质。夏季，平均风速降低，风蚀减弱，而同期降水量增大，河流径流量增大，水蚀增强。可见，“风旱同季”形成冻融、风蚀、水蚀交替出现的环境，导致地表土壤结构离散分解增强，进一步加剧了地表风沙活动的强度。

2.4 人为影响

随着全球温度的升高，青藏铁路沿线环境发生改变，沙源数量和面积增加，继而为风沙灾害提供了物质基础。其次，青藏高原常年盛行西风、且“风旱同季”的独特气候环境为风沙灾害提供了动力基础。两者为风沙灾害的发生提供了得天独厚的自然条件。

再次，青藏铁路的建设，改变了局地原有流场结构，铁路两侧流场形式和能量分布发生改变，风沙流在经过铁路时，在铁路迎风侧，气流受到铁路阻挡并抬升，风速降低，动能大量消耗，携沙能力减弱，大量沙尘在铁路迎风侧发生堆积。随着堆积体积增大，弱风的情况下，沙粒将以蠕移和跃移运动的方式搬至铁轨，进而形成二次危害。风力强劲时，风沙流处于不饱和状态，途经铁轨时，不产生沙埋危害，但易对铁轨形成磨蚀，降低铁轨的使用年限。可见，青藏铁路的修建，为风沙堆积创造了有利环境。

3 结论

综上可知，青藏高原风沙灾害呈现出空间非均匀性、时间集中性、沙源多样性以及危害形式固定性。其主要原因在于随着全球气温的升高，增加了青藏高原沙源面积和数量，加之其有利的动力环境以及青藏铁路建成后形成的易于沙粒沉降的局地环境，为风沙灾害发展提供了得天独厚的条件，最终导致风沙灾害的发生。并且，青藏铁路沿线地表类型复杂，独特的高寒地域环境，导致其风沙流结构与低海拔干旱、半干旱沙漠戈壁区存在重大差异，原有低海拔地区风沙灾害防治经验出现局限性。因此，对于高寒区青藏铁路的沙害问题研究工作有待深入，其致灾机理也待进一步研究与观测。

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