攔截風和沙，高鐵馳騁無牽掛 | 科技前線_風聞

蘭新高鐵是我國首條穿越戈壁大風區的高速鐵路。強風過境後，大量沙物質沉積，導致高鐵線路積沙嚴重，造成列車減速、停運，從而嚴重威脅到蘭新高鐵的安全運營。

近日，中國科學院西北生態環境資源研究院針對蘭新高鐵沿線戈壁大風區的風沙問題進行了深入研究，揭示了該區域風沙輸移的特徵，併為高鐵線路的風沙災害防治工作提供了理論支撐。相關研究成果發表於《土地退化與發展》。

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大風易防 沙流難擋

戈壁，是指在乾旱或極端乾旱區，受長期、強烈的風蝕或物理風化作用，廣泛分佈於地勢開闊地帶，地表由礫石覆蓋的一類荒漠景觀。

我國戈壁主要分佈於新疆東部、甘肅河西走廊西北部、內蒙古西部阿拉善高原、準噶爾盆地、塔里木盆地及柴達木盆地等區域。

戈壁地表礫石層下伏豐富的沙、黏土等細顆粒物質，在大風作用下，極易形成戈壁風沙流。

蘭新高鐵自東往西途徑煙墩、百里、三十里和達坂城等四大風區，傳統的擋風牆、礫石方格等防沙措施雖有一定的效果，但仍有大量沙物質在強風后沉積，影響高鐵的正常運營。揭示戈壁大風區近地表沙粒起動與輸移動力機制，能為蘭新高鐵製定合理的風沙礫防治措施，併為保證其安全運營提供科學依據。

▲蘭新高鐵沿線風沙災害照片。(a) 高鐵線路積沙； (b) 列車設備倉積沙； (c) 擋風牆上風向積沙； (d) 防護體系內積沙

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沙粒躍移高且量大

**風沙運動的發生受風速和沙源兩方面因素控制，其中風是動力條件，沙是物質基礎。**當風速達到某一臨界值時沙粒開始運動，該風速值即為臨界起沙風速。

與相同粒徑沙漠地表臨界起沙風速僅為每秒5米相比，蘭新高鐵沿線戈壁大風區起沙風速為每秒11.2米，增大了2.2倍。戈壁大風區沙粒輸移高度可達9米，其中90%沙量集中在0-2米高度，而在一般沙漠地區氣流搬運的沙量絕大部分是在距離地表0.3米高度內通過的。

▲(a) 年輸沙率隨高度變化曲線；(b) 輸沙率隨高度累計頻率曲線

氣流在單位時間內通過單位寬度所搬運的沙量，被稱作單寬輸沙率。雖然戈壁地表沙源相比沙漠地區匱乏，但在大風作用下其年輸沙率仍高達1648kg m−1a−1，接近我國塔克拉瑪干沙漠腹地年輸沙率 (1672kg m−1a−1)。戈壁風沙流中大於100微米的躍移顆粒佔69%，小於100微米的總懸浮顆粒物佔31%。

▲風沙流中躍移和總懸浮顆粒（TSP）含量隨高度變化曲線

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多措並舉 提高安全

阻沙柵欄是戈壁地區最主要的防沙措施，蘭新高鐵現有防沙體系攔截了風沙流中78%的粗顆粒（中沙、粗沙和極粗沙），但90%的細沙和總懸浮顆粒物依然可翻越防護體系，沉積在高鐵線路上，並被吸入列車設備艙。

中國科學院西北生態環境資源研究院屈建軍研究員團隊在蘭新高鐵煙墩風區開展了戈壁地表風沙輸移過程野外觀測研究，通過風、沙高頻協同觀測，分析了研究區戈壁地表起沙風速、風沙流結構、年輸沙量及沉積物粒度等參數。

研究團隊基於對戈壁大風區風沙輸移高度和高鐵線路沉積物粒徑組成的認識，建議將蘭新高鐵現有防護體系中阻沙柵欄高度由2米提高至3米，以攔截更多細顆粒。同時，建議減少諸如風電場建設等人為活動對戈壁地表的破壞，以降低戈壁地表沙塵釋放量。

▲風沙流中躍移和TSP顆粒含量隨高度變化曲線

這些研究成果和建議不僅為蘭新高鐵的風沙災害防治提供了科學依據，也為其他類似環境地區的鐵路防沙工作提供了重要參考。

未來隨着改進措施的逐步實施，高鐵在戈壁大風區的運營安全性和可靠性有望進一步提升。

來源：中國科學院西北生態環境資源研究院