乌玛高速公路沙漠段沙丘流动规律研究

摘要：对乌玛高速公路沙漠段沙丘流动规律进行研究，对于制定有效的防沙治沙措施、保障公路安全运营具有重要意义。本文采用现场气象数据观测，影像数据提取分析的方法，对乌玛高速公路沙漠段的沙丘移动规律进行分析，结果表明：该区域气温变化幅度大，冬季和春季温差变化幅度大；春夏两季风速最大，主导风向为西北风，沙粒从西北向东南方向输送移动。

关键词：沙漠公路；沙丘流动；温度；输沙势

0 引言

风沙活动给生态环境带来了极大挑战，同时也阻碍了经济的发展，国内外学者针对风沙活动进行了大量研究，常用的手段有现场观测、风洞试验，数值模拟等。董治宝[1]通过对肖塘南2km试验路段100ｍ×100ｍ沙丘移动监测区1991年10月、1992年10月及1993年10月的3次详测，总体上可以认为，沙丘各几何形态参数间存在着较好的相关性。杨军怀[2]利用风况资料和Google Earth卫星影像，对该沙漠的风沙地貌及其移动特征进行分析。方兆琪[3]列举了公路沙害的主要类型，详细介绍了针对不同类型的沙害应采取的防护措施。董玉祥[4]采用RTK-GPS技术与测量方法，于2006—2008年对中国海岸沙丘主要分布区域之一的河北昌黎黄金海岸翡翠岛的典型海岸新月形沙丘和横向沙脊的移动进行了高精度观测。李建军[5]研究沙丘移动规律与空间分异特征有助于准确了解风沙活动的危害程度，为区域城镇规划和青藏高原国家生态安全屏障保护与建设提供参考。许明静[6]利用Google Earth卫星影像对2002—2015年毛乌素沙地西北部裸露沙丘和植被覆盖沙丘进行监测，分析了植被覆盖与沙丘移动之间的内在联系。王静璞[7]以Google Earth平台高分辨率遥感影像为基础，选择毛乌素沙地中未经过固沙措施、沿迎风坡进行单圈植被固定、沿迎风坡进行多圈植被固定和生物与非生物沙障相结合的四种固沙措施条件下的新月形沙丘共70座，通过影像测量，并结合研究区风况资料，分析了2002-2010年，不同固沙措施下的新月形沙丘移动的性质、强度以及沙丘移动与高度的变化规律。

综上所述，以乌玛高速公路沙漠段为背景，采用现场调研、理论分析等手段，对风沙环境、沙丘沙脊线位置、沙丘坡度、沙丘形态参数等进行详细研究，可为沙漠地区类似工程提供一定的参考。

1 风沙环境特征

利用建立在乌玛高速公路腾格里沙漠段的全要素气象监测站，其中试验段加设3套监测站，在高速公路沿线架设7套观测站，其分别位于K162+500处、K166+600处、K169+000处、K171+900处、K174+500处、K176+600处、K179+000处、数据采集步长为1min，采集数起止日期为2020年6月1日2021年5月31日。可实时监测沿线不同区域的风速、风向、温度、湿度、降雨量、光照度等气象参数。

图1 全要素气象监测站

1.1 温度变化特征

从图2~图5中可以看出，在观测期一年的时间内，气温变化幅度较大，年气温变化幅度最高达61.9℃，高温（日最高温度大于35℃）天数为4天，最高温度为35.8℃，其高温出现日期为夏季7月及8月上旬；低温（当地24h降温10℃或当地48h降温12℃且最低温度低于-5℃）天数为62天，最低温度为-26.1℃，自11月下旬至2月上旬最低温度均不超过-5℃，且3月份也出现了温度急剧变化的情况，最低温度可低至-13.8℃。

从温差变化曲线图可看出温差大于20℃的天数为4天，且主要在冬季及春季出现；其温差频数最大处为10℃至15℃之间，其频数为158天，约占全年总数的43.3%，其次为5℃至10℃之间以及15℃至20℃之间，其频数分别为83天以及79天，占全年总数的22.7%、21.6%。

从表1中可以看出7月月平均气温最高，其值为30.5℃，12月月平均气温最低，最低为-13.4℃，四季气温由高到低温度依次为：夏季、春季、秋季、冬季。冬季温差最大，可达12.9℃。秋季温差最小，为11.5℃。四季与年平均温差相差不大。影响一年四季环境温度的主要原因是由于太阳直射点的位置随着季节的变化而导致的其温度的变化。

表1 月、季、年平均气温

从一年数据中取出某一日的数据进行分析，在本文中取2020/07/01及2021年3月1日数据，绘制处温度随时刻的变化图，从图6中可以看出，夏季最高温度出现在15:00，且高温持续时间长达6h，最低温出现在早晨5:30左右的时间。在早春时节，最高温出现在下午16:00至17:00之间，温度保持时间短；最低温出现在早晨4:00。日最高温与最低温出现时间与季节变化关系性不大。

其原因由于早晨空气湿度较高，由于空气中水分子较多，导致出现凝华现象，因此最低温度出现在早晨4:00至6:00，而在4:00之间温度较高的原因是由于前一天的温度较高，温度损失较慢，在清晨由于空气中水分子增多，导致其温度迅速降低。

1.2 风力风向分析

图6为乌玛高速腾格里沙漠段的起沙风玫瑰图，经分析可得，该区域全年总起沙风以起沙风频次占全年总起风频次的16.8%，其中5～9m/s起沙风速所占比例最大，达90.8%，风速大于12m/s的占全年起沙频率的0.9%，主要发生在夏季;

春季及夏季风速最大，冬季次之，秋季最小；秋季静风频率最高，达17.6%，春季静风频率最低为6.8%。春季起沙风主要以NNW及NW风为主，分别占该季节起沙风的13.1%、12.9%，其次为东南风(ESE和SE)占起沙风频率的18.7%；夏季主要以ESE风为主，其中ESE风占该季节起沙风的21.3%，其次为N风占14.3%，该区主要盛行东南风；进入秋季，静风频率增大，起沙风占总起风频次的3.8%，在起沙风中，主要以西南风为主，占该季节总起沙风的一半以上；冬季以西北风和偏西北风为主，占该季节起沙风的67.3%。在观测期内，大风日为4日，分别为6月4日，6月27日，7月29日，8月11日。

图6  2020/6-2021/6起沙风玫瑰图

1.3 输沙势

该区域年输沙势DP为174.73VU，合成输沙势RDP为40.57，根据Fryberger所提出的风能环境划分标准，该区域属于低能环境，不同方向的输沙势差异较为明显，其中偏西北方向及北方向输沙势最大，为60.32VU，其次西南方向输沙势为40.26VU，再其次东南方向输沙势为东南方向输沙势为30.30VU，方向变率为0.23，属于复杂风况，输沙方向存在多个方向，合成输沙方向RDD为120.57°，表明沙物质从西北向东南方向输送移动。

研究区呈现出较强的季节性变化特征。春季输沙势最大，为79.50VU，夏季输沙势次之，为67.21VU，秋季输沙势最小为5.89VU。合成输沙势表现为春季最大为32.04VU，夏季及冬季次之，分别为19.94VU和22.77VU，秋季最小为3.69VU，春季及夏季的方向变率指数<0.3，属于高变率，风向情况较为复杂，秋季及冬季的方向变率指数在0.3至0.8之间，属于中变率，风况类型为双峰型。春季及冬季的合成输沙方向较为相似，其值在120°左右，表明沙物质从西北向东南方向输送移动；夏季合成输沙方向RDD=298.27°，表明沙物质从东南向西北方向输送移动；秋季合成输沙方向RDD=50.01°，表明沙物质从西南方向向东北方向输送移动。

图7 乌玛高速公路沙漠段输沙势

2 沙丘沙脊线位置变化

本文根据倾斜摄影数据进行分析，得到沙丘脊线位置变化示意图，如图8所示。整体来看，2021年4月沙丘较为平缓，主梁沙丘可明显看出，但沙脊线不明显，次梁成丘形态较少，发育不明显；2021年8月沙丘格状沙丘更为明显，主梁可明显看出沙丘流动现象，次梁可较为明显看出，发育状态较04月明显。

提取沙脊线处坐标，利用参考点对沙丘位置进行修正，得到沙脊线坐标及高程，可明显看出，主梁沙丘沙脊线呈东北-西南，且夹角在10°~45°，对比两次数据可发现，沙脊线整体向西北方向移动0.4~0.5m。

图8 沙丘脊线位置变化示意图

3 沙丘坡度变化

沙丘下部坡度变化较小，沙脊线附近坡度较大，沙丘移动主要体现在沙脊线附近，随着风向变化，沙脊线处沙丘的迎风坡与背风坡坡度变化较为剧烈。

对倾斜摄影数据进行坡度计算，可发现，在4月份，沙丘东南侧为顺风侧，坡度基本一致，大致呈13~19°，沙丘西北侧为背风侧，坡度呈两种出现，在沙脊线附近，在顺风侧经加速的风沙跌落，主要堆积在该处，坡度较大，呈18~28°，在背风侧下侧位置处，沙丘较为平坦，坡度较小，呈6~10°；

在8月，沙丘西北侧为顺风侧，在顺风侧，沙丘较顶侧，坡度较大，约呈17~25°，沙丘底部坡度较小，呈8~16°，在背风侧，沙丘坡度同样呈现两种，在较顶部，坡度较陡，约呈18~28°，在底部坡度较缓，约呈11~21°。

通过对沙丘心态进行分析可知，风向等因素主要影响沙丘顶部形态变化，且沙丘移动主要通过沙丘顶部沙脊线移动进行判断与分析，沙丘迎风侧与背风侧的坡度进行对比可知，沙丘同一侧沙丘底部坡度变化较缓，由于风向及风速大小的影响，沙脊线附近坡度变化最为剧烈，在沙脊线附近顺风侧坡度小于背风侧坡度。

图9 2021年4月、8月沙丘坡度对比

4 沙丘体积变化

通过contxt capture viewer测量沙丘体积，通过对不同沙丘进行体积测量，结果如表2所示。

表2 沙丘体积变化总结

通过表2可发现，2021年8月沙丘体积均大于2021年4月沙丘体积，且体积变化率在2%~21%之间，可表明，在4月间，该沙区风向多变，导致沙丘形态较小、体积较小，在8月间，该区风向单一，极易形成沙丘，导致其体积增大。

结 论

1.乌玛高速公路沙漠段区域气温变化幅度大，冬季和春季温差变化幅度大；春夏两季风速最大，主导风向为西北风，沙粒从西北向东南方向输送移动。

2.沙丘同一侧沙丘底部坡度变化较缓，由于风向及风速大小的影响，沙脊线附近坡度变化最为剧烈，在沙脊线附近顺风侧坡度小于背风侧坡度。

3.在多风向作用下，该区域沙丘形态体积小，在单风向条件下，沙丘形态体积大。

参考文献

[1] 董治宝，陈广庭，颜长珍，等. 塔里木沙漠石油公路沿线沙丘移动规律[J]. 中国沙漠， 1998(04): 34-39.

[2] 杨军怀，董治宝，刘铮瑶，等. 库鲁克沙漠风沙地貌与沙丘移动[J]. 中国沙漠， 2019， 39(04): 1-8.

[3] 方兆琪，茆兰南. 沙漠地区公路防沙[J]. 公路， 1998(07): 40-43.

[4] 董玉祥，黄德全. 河北昌黎翡翠岛海岸沙丘移动的初步观测[J]. 中国沙漠， 2013， 33(02): 486-492.

[5] 李建军，焦菊英，曹雪，等. 柴达木盆地沙丘移动的空间分异及对形态参数的响应[J]. 农业工程学报， 2021， 37(07): 309-314.

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