拦截风和沙，高铁驰骋无牵挂 | 科技前线

兰新高铁是我国首条穿越戈壁大风区的高速铁路。强风过境后，大量沙物质沉积，导致高铁线路积沙严重，造成列车减速、停运，从而严重威胁到兰新高铁的安全运营。

近日，中国科学院西北生态环境资源研究院针对兰新高铁沿线戈壁大风区的风沙问题进行了深入研究，揭示了该区域风沙输移的特征，并为高铁线路的风沙灾害防治工作提供了理论支撑。相关研究成果发表于《土地退化与发展》。

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大风易防 沙流难挡

戈壁，是指在干旱或极端干旱区，受长期、强烈的风蚀或物理风化作用，广泛分布于地势开阔地带，地表由砾石覆盖的一类荒漠景观。

我国戈壁主要分布于新疆东部、甘肃河西走廊西北部、内蒙古西部阿拉善高原、准噶尔盆地、塔里木盆地及柴达木盆地等区域。

戈壁地表砾石层下伏丰富的沙、黏土等细颗粒物质，在大风作用下，极易形成戈壁风沙流。

兰新高铁自东往西途径烟墩、百里、三十里和达坂城等四大风区，传统的挡风墙、砾石方格等防沙措施虽有一定的效果，但仍有大量沙物质在强风后沉积，影响高铁的正常运营。揭示戈壁大风区近地表沙粒起动与输移动力机制，能为兰新高铁制定合理的风沙砾防治措施，并为保证其安全运营提供科学依据。

▲兰新高铁沿线风沙灾害照片。(a) 高铁线路积沙； (b) 列车设备仓积沙； (c) 挡风墙上风向积沙； (d) 防护体系内积沙

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沙粒跃移高且量大

风沙运动的发生受风速和沙源两方面因素控制，其中风是动力条件，沙是物质基础。当风速达到某一临界值时沙粒开始运动，该风速值即为临界起沙风速。

与相同粒径沙漠地表临界起沙风速仅为每秒5米相比，兰新高铁沿线戈壁大风区起沙风速为每秒11.2米，增大了2.2倍。戈壁大风区沙粒输移高度可达9米，其中90%沙量集中在0-2米高度，而在一般沙漠地区气流搬运的沙量绝大部分是在距离地表0.3米高度内通过的。

▲(a) 年输沙率随高度变化曲线；(b) 输沙率随高度累计频率曲线

气流在单位时间内通过单位宽度所搬运的沙量，被称作单宽输沙率。虽然戈壁地表沙源相比沙漠地区匮乏，但在大风作用下其年输沙率仍高达1648kg m⁻¹a⁻¹，接近我国塔克拉玛干沙漠腹地年输沙率 (1672kg m⁻¹a⁻¹)。戈壁风沙流中大于100微米的跃移颗粒占69%，小于100微米的总悬浮颗粒物占31%。

▲风沙流中跃移和总悬浮颗粒（TSP）含量随高度变化曲线

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多措并举 提高安全

阻沙栅栏是戈壁地区最主要的防沙措施，兰新高铁现有防沙体系拦截了风沙流中78%的粗颗粒（中沙、粗沙和极粗沙），但90%的细沙和总悬浮颗粒物依然可翻越防护体系，沉积在高铁线路上，并被吸入列车设备舱。

中国科学院西北生态环境资源研究院屈建军研究员团队在兰新高铁烟墩风区开展了戈壁地表风沙输移过程野外观测研究，通过风、沙高频协同观测，分析了研究区戈壁地表起沙风速、风沙流结构、年输沙量及沉积物粒度等参数。

研究团队基于对戈壁大风区风沙输移高度和高铁线路沉积物粒径组成的认识，建议将兰新高铁现有防护体系中阻沙栅栏高度由2米提高至3米，以拦截更多细颗粒。同时，建议减少诸如风电场建设等人为活动对戈壁地表的破坏，以降低戈壁地表沙尘释放量。

▲风沙流中跃移和TSP颗粒含量随高度变化曲线

这些研究成果和建议不仅为兰新高铁的风沙灾害防治提供了科学依据，也为其他类似环境地区的铁路防沙工作提供了重要参考。

未来随着改进措施的逐步实施，高铁在戈壁大风区的运营安全性和可靠性有望进一步提升。

来源：中国科学院西北生态环境资源研究院