公路风吹雪植物防治技术

徐兰钰

(黑龙江省交通规划设计研究院集团有限公司,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 前 言

根据公路风吹雪雪害的形成条件,在易发生风吹雪的路段附近营造防雪林、种植植被,或者适当利用路线两侧既有的草木植被,对风吹雪进行有效干扰,使风吹雪的雪粒在植被、防雪林带内及其附近堆积,减轻和防止道路雪害,是比较经济有效的方法[1]。它既能防止风吹雪影响车辆通行,又能美化、绿化沿线环境,提高木材蓄积量。在有条件的地区,应尽可能采用营造防雪林等植物措施来防治风吹雪雪害。

1 防雪林的作用和适用环境

1.1 防雪林的作用

(1)降低风速、拦截风吹雪雪粒并减轻视觉阻碍。

防雪林能够通过阻挡气流和拦截风吹雪中的雪粒,使风吹雪中的雪粒改变落点,并降低风吹雪强度、减轻视觉阻碍,同时还能够起到一定的视线诱导作用。

(2)协调路域环境,改善沿线景观。

防雪林可以美化、绿化公路沿线的自然环境,增加植被覆盖率,改善附近的微气象条件,提高司机和乘客的感官舒适性。同时,还可以遮挡沿线的不协调景物,调和路线景观。

(3)吸收有害气体、降低噪音。

防雪林作为高蓄积量的绿色载体,能够有效吸收汽车排出的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、铅等有害气体,同时具有良好的减音降噪功能。

(4)调整气流。

防雪林可以降低地面附近的风吹雪流速,同时提高树林顶部的气流速度,在拦截、降速的同时,可以调节风吹雪气流分布,改变雪害路段风吹雪的空间跨越位置和形成条件。

(5)增大地表气流阻力、提高积雪颗粒的启动风速。

防雪林可以有效增大地表附近的气流阻力,伴随空气流动阻力的增加,风吹雪启动地面积雪颗粒的风速也相应增大,地面积雪颗粒的流动难度明显提高。另外,由于防雪林兼具储雪、固土的功能,对风吹雪的防治、春季风沙的缓解、土壤改良及固土保墒十分有利[2-3]。

1.2 防雪林的适用环境

(1)土地价格低廉且容易取得土地使用权的公路风吹雪易发位置。

(2)迫切需要协调公路沿线景观、绿化路域环境的位置。

(3)线路附近土地条件较差,使用可能性较小之处。

(4)能够充分利用现有树林或绿化带的地方。

(5)将现有的其它防雪设施改造为防雪林,能够起到更大作用的位置。

(6)由于条件限制,无法设置防雪栅、防雪墙等的路段位置。

2 防雪林的种类与结构

2.1 防雪林的种类

(1)乔木类。

乔木防雪林主要有由红松、樟子松、落叶松、黑松、白松、臭松、花曲柳、白杨、黑杨、红杨、椴树、柞树、桦树、水曲柳、胡桃楸、榆树等树种组成。

乔木类一般比较高大,占地相对宽阔。由于公路风吹雪雪害发生在冬季,而大多数树木在冬季都会落叶,故防止风吹雪效果较好的是红松、樟子松、黑松、臭松等枝叶比较茂密,枝下空间较小的树种。

(2)灌木类。

灌木林主要由榛柴、柳树、映山红、黑加仑、山丁子、山里红、紫穗槐、黄槐、重瓣榆叶梅、东北连翘等树种组成。

灌木类的林木相对矮小,但枝条密集、生长繁茂,因此阻挡低空气流和风吹雪颗粒的效果良好。

(3)乔灌混交类。

乔灌混交林兼具乔木高大和灌木密集的优点,弥补了高大乔木林下空间较大的不足,同时也提高了灌木林的防风吹雪的能力。乔灌木混交林是防雪林类型中的优势组合,防雪效果也较为理想。

2.2 防雪林的结构

防雪林的风吹雪防治效果与防雪林的结构有密切关系。根据树冠密度,防雪林林带可以大致分为三级[4]。

(1)紧密结构的防雪林(树冠密度0.80及以上)。

(2)疏透结构的防雪林(树冠密度0.50～0.79)。

(3)透风结构的防雪林(树冠密度0.10～0.49)。

由于防雪林是沿路线种植,故林带的长度一般远大于宽度。为了达到防治风吹雪的目的,一般需要采用密集程度较高的林带,其树冠密度宜在0.80及以上。考虑到林带树木生长的需要,在树冠密度达到1.00之前,需要进行间伐、修枝等,故间伐、修剪后,在入冬前的树冠密度应达到0.80以上。

为了有效减少枝下空间,提高公路防雪林防治风吹雪的功效,还可以在林带的迎风侧种植灌木,以增强防雪林阻挡低空气流、截留积雪的效果。

3 防雪林结构组成与风吹雪防护宽度

防雪林有乔木林、灌木林、乔灌混交林之分,林带结构又有紧密结构、疏透结构和透风结构的不同。由于树木品种、树木高度、枝下空间、结构紧密程度的不同,防雪林对公路风吹雪雪害的防护距离和防护效果不尽相同,主要体现在以下方面。

(1)树木高大,防雪效果较好。在防雪效果基本相当时,防雪林越高,对公路风吹雪雪害的防护宽度就越大。实际采用时,防雪林的边缘与路线边缘的距离以树高的10～15倍为宜。

(2)树冠密度越大,防雪林的防雪效果越好,对公路风吹雪雪害的防护宽度就越大。由于防护林的生长需要保持一定的空隙及透光性,故树冠密度以保持在0.80～1.0为宜。

(3)防雪林林带越宽,防治公路风吹雪雪害的效果越好,对风吹雪的防护宽度范围就越大。由于沿线用地等的局限,防雪林的宽度一般取10～30 m。

(4)防雪林的枝下空间小,防治公路风吹雪雪害的效果较好,防护宽度也较大。因此,可以采用枝下高度较低的树木,或采用乔灌混交林带。

4 防雪林结构组成与阻雪量

4.1 防雪林的阻雪量

防雪林拦截风吹雪的阻雪量与防雪林的结构组成密切相关,树木高度、枝下空间、树冠密度、林带宽度的影响较大。总体而言,树木高度、树冠密度、林带宽度大,枝下空间低矮,则阻雪效果越好,绕过或通过防雪林的风吹雪雪花颗粒就越少。

4.2 防雪林树冠密度

防雪林的树冠密度与阻雪量关系密切。当其它条件不变,树冠密度越大,阻雪量就越大。因树冠密度不同,阻挡积雪所形成的雪丘位置也不相同。如前所述,兼顾风吹雪防治、林木生长需要,树冠密度保持在0.8～1.0较好。

4.3 防雪林枝下空间

防雪林枝下空间的大小主要体现在枝下高度的不同。当其它条件相同时,枝下高度越低,拦截风吹雪的效果越好。由于风吹雪的雪花颗粒大部分集中在低空,故枝下高度对风吹雪雪花颗粒的沉降影响极大,对形成的积雪雪丘位置也有较大影响。

4.4 防雪林宽度

防雪林的宽度与阻雪量关系密切,不同的林带宽度,其阻雪量也大不相同。当其它条件固定时,阻雪量随防雪林宽度的增大而逐渐提高,当防雪林的宽度达到某一数值时,阻雪量增加速度趋缓,阻雪量接近峰值。

5 防雪林的风吹雪防治机理及阻雪效果观测

5.1 防雪林风吹雪防治机理

公路风吹雪防雪林的上下结构一般都比较紧密,当风吹雪经过防雪林时,大部分气流从林带的上方穿越而过,其余部分则会通过林带或绕过林带边缘。

由于风吹雪受到防雪林的阻挡,风吹雪气流的动能迅速下降,流动速度明显降低。根据防雪林宽度的不同、枝下空间高度的不同、树冠密度的不同,使风吹雪雪花颗粒迅速沉降在防雪林的前、中、后位置,堆积形成雪丘。

基于公路风吹雪的防治需求,防雪林的宽度越大,树木越高,树冠密度越大,枝下空间越小,其治理效果越好。防雪林的结构组成条件不同,会导致风吹雪防治效果的改变。如引起风吹雪积雪沉降形成的雪丘位置和形状的变化,可由林前、林中改变到林后。

由于防雪林的拦截阻挡作用,风吹雪气流一般会在防雪林之前,8～10倍防雪林高度的距离附近承受减速作用,在防雪林之后10～15倍防雪林高度的距离范围内减速作用最强,风吹雪裹挟的雪花颗粒将会沉积在减速区范围内。

5.2 防雪林阻雪及流场特征观测

(1)防雪林阻雪效果观测。

风吹雪观测路段位于“土龙公路”黑龙江省桦南县境内,技术等级为三级公路。“土龙公路”风吹雪雪害路段防雪林的树木品种为樟子松,当年树木高度约8 m,防雪林宽度55 m,树木种植间距2.5 m。冬季对该处防雪林阻挡风吹雪的效果进行了观测,有关位置的积雪情况如图1所示。

图1 观测路段防雪林附近的积雪厚度

由图1可见,防雪林前(迎风向)滞留的积雪宽度累计44 m,防雪林全宽55 m,林内积雪宽度累计约30 m,防雪林后(背风向)的积雪宽度累计44 m。防雪林前后的积雪宽度分别达到树木高度的5.5倍。据现场调查,该路段防雪林平均阻雪量52.9 m3/m。

(2)防雪林附近空气流场观测。

根据风吹雪天气的空气流场观测结果绘制流场分布图,如图2所示。根据流场分布(将迎风向远端,距地面1 m高度的正常风速设定为100%,风速变化以此为基准。图中等高线上的数据为风速百分比)。

图2 观测路段防雪林附近的风速流场(单位:%)

由图2可知,防雪林迎风面的风速变化与气流距离地面的高度有关。较低处的风速会逐渐下降,在通过防雪林后速度降至30%～50%;较高处的气流受到防雪林的阻挡而抬升,空气流速反而增大,达到原风速的110%～140%,至越过防雪林后,逐渐恢复原有风速。因此,防雪林在阻挡、拦截作用之外,还有使风吹雪中的雪花颗粒加速并输送至较远距离的作用,充分利用这一特性,能够将积雪地点远离路基路面范围,从而避免或减轻风吹雪雪害。

6 树木生长程度对构建防雪林的影响

使用不同生长阶段的树木构建防雪林,有不同的适用特点,汇总如表1。

表1 不同生长程度树木作为防雪林木的特点

7 对构建防雪林的具体要求

防雪林的树木间距较小,防雪效果相应较强。为兼顾防雪和林木生长的需要,以1.0～2.5 m的树木间距的防雪林效果较好。对于间距较大、树木比较高大的林带,以混种灌木等为好。

对于防雪林的具体位置,根据现场观测和风洞试验结果[4-7],减速区的范围一般为树高的10～15倍。因此,防雪林以距离路基坡脚10～15倍树高为宜。

防雪林的防雪效果,与林带、风吹雪风向形成的夹角有关。两者成90°夹角时,防治效果最好。当风向与林带的夹角在60°以上时,防治风吹雪的效果显著。即防雪林的长边应尽可能与风吹雪的方向成直角,且不应小于60°。

防雪林的长度,应取公路风吹雪雪害路段的长度和以主风向为基础的斜角延伸长度的合计。

8 草木植被的防治功效和主要影响因素

8.1 植被对风吹雪的作用和影响

在风吹雪路段,如果路基两侧有生长茂盛的草木植被,低空风吹雪气流在抵达路基之前,将受到杂草树木的影响而减速,不同数量的雪花颗粒被拦截在杂草树木之中,能明显减轻公路表面及其附近的积雪程度。在平原区,植被的防护效果尤其显著;在山区公路,半填半挖、深路堑形成的迎风、背风的路段较多,如果路侧有森林阻挡,发生风吹雪的可能性也明显降低。

8.2 草木植被对风吹雪的主要影响因素

(1)植被覆盖程度。

当发生风吹雪时,受路基两侧杂草及树木的影响,风速下降,风吹雪裹挟的雪花颗粒沉降在杂草和树木之中,落到路面及其附近的雪花颗粒相应减少。所以植被的覆盖程度越高,积雪、存雪效果就越好,同时积雪颗粒的启动也更加困难,风吹雪的防治作用增强。

(2)植被高度。

与防雪林的效用相仿,当植被高度增加时,对风的影响高度就越大,更高范围内的风速相应减弱。同理,若使积雪颗粒启动,就需要更高的风速。基于以上因素,充分利用路线两侧农作物的立地秸秆,也是一个经济可取、行之有效的方案。

9 结 语

在易发生风吹雪的公路路段附近,通过营造防雪林、种植植被,或者充分利用路线两侧既有的草木植被、农作物立地秸秆等,对风吹雪进行有效干扰,使风吹雪的雪花颗粒加速沉降,积存于防雪林内、草木丛中,并在其附近堆积滞留,以减轻和防止风吹雪雪害,是比较经济有效的方法。能够在防止风吹雪妨碍交通的同时,绿化公路环境,协调路线景观。在有条件的地区,应尽可能地采用适宜的树木种类、适当的树木间距、合理的乔灌混交方式,构建防雪林、防雪植被等来防治风吹雪雪害。