本文將刊載於《中國科學院院刊》2020年第6期
專題：荒漠化治理與可持續發展
李生宇1,2,3,4,6 雷加強1,2,4,6* 徐新文1,2,4,6屈建軍5,6 任宏晶1,2,3,4
1 中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室
2 中國科學院新疆生態與地理研究所國家荒漠-綠洲生態建設工程技術研究中心
3 中國科學院新疆生態與地理研究所莫索灣沙漠研究站
4 中國科學院新疆生態與地理研究所塔克拉瑪幹沙漠研究站
5 中國科學院西北生態環境資源研究院
6 中國科學院大學
我國風沙地區交通幹線風沙危害的防治一直是國民經濟和社會發展中的大事。針對我國風沙環境特徵，面向鐵路、公路安全運營的需求，我國開展了大量的交通幹線風沙危害試驗研究和防治實踐，並在包蘭鐵路、青藏鐵路、塔裡木沙漠公路、準噶爾沙漠明渠等工程中得到成功應用。中國的交通幹線風沙危害防治技術成果在世界乾旱沙區尤其是「一帶一路」沿線區域具有廣闊的應用前景。
道路交通是文明和生產力的重要標誌，與人類生存和發展息息相關，同時作為一種地面構築物，也受到區域多種自然條件的影響。風沙活動為一種氣固兩相流現象，主要發生在乾旱半乾旱地區，以及半溼潤地區的河湖沿岸、沿海地區。中國沙區大多分布在內陸巨大山間盆地和廣闊的高平原上，從西北、華北到東北地區呈一弧形條帶，東西綿延約 4000 km，南北寬約 60 km，總面積達 1308000平方千米，約佔國土面積的 13.6%。
18 世紀工業革命後，現代化道路（公路和鐵路）的出現極大地促進了人類的發展。截至2019 年底，中國公路總裡程達 4846500 km，其中高速公路142600 km；鐵路營業裡程達 139000 km，其中高鐵 35000 km。
20 世紀 50—80 年代，伴隨著交通幹線的建設，中國在乾旱半乾旱地區的沙漠、沙漠邊緣、戈壁等地開展了道路沙害防治工作，尤其是包蘭鐵路沙坡頭段沙害防治，為交通幹線沙害防治積累了寶貴的經驗和技術。20 世紀 80—90 年代，隨著塔裡木盆地油氣資源勘探開發，我國成功修築了縱貫塔克拉瑪幹沙漠的油田公路，攻克了流動沙漠公路風沙危害防治技術的難題。2000 年後，隨著西部大開發戰略的實施，沙區交通幹線建設大規模開展，防沙技術得到逐步完善。2010 年後，尤其是 2013 年「一帶一路」倡議提出之後，沙區高速交通幹線建設加快，防沙技術進一步得到提升。
包蘭鐵路
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交通幹線的風沙危害形式及防治原則
風沙危害形式
風沙活動可造成道路設施損害（如路基風蝕、涵洞堵塞、標識牌損壞等）、行車環境惡化（如路基積沙或沙埋、能見度變差）、車輛機械損壞（如零件磨損、外觀破損）、車輛傾覆、人員傷亡和財產損失，而通常所說的交通幹線風沙危害形式僅限於風蝕及沙埋對交通設施的損害和對行車安全的威脅。
風沙危害防治原則
交通幹線風沙危害防治應遵循以下原則：
1.預防為主，防治結合；
2.因地制宜，因害設防；
3.綜合治理，充分發揮各種措施的效能。
在交通幹線設計階段，應制定科學合理的線路方案，繞避嚴重風沙危害區段，儘量使線路走向與區域主導風向平行或小角度相交，並修建適宜斷面形式的路基。
公路路面光滑平展，風沙流可以非堆積搬運形式通過。目前，高等級公路常採用的波形板護欄容易引起路面積沙，故高等級公路防沙標準高於一般等級公路。而鐵路道床（包括道砟、枕木、鐵軌）粗糙起伏，易產生滯留積沙，不僅威脅交通安全，還易造成拱道危害。因此，鐵路防沙標準高於公路。
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交通幹線防沙體系的配置及維護
防沙措施和防沙原理
在防沙實踐中，中國創造了多種防沙措施，風沙危害得到了有效防治。根據防沙材料性質，防沙措施一般可以分為機械措施、化學措施和生物措施；根據力學原理將防沙措施分為封閉型（如片石封閉路基邊坡）、固定型（如草方格）、阻攔型（如高立式沙障、林帶）、輸導型（如下導風）、轉向型（如羽毛排）、消散型（如揚沙堤）等 6 類。不同防沙措施的作用原理主要包括：阻斷或抑制風沙氣固兩相流與地面的接觸及相互作用；增加積沙體或地表抗風蝕能力；增加或減小風沙流局地運動阻力；引導改變風沙流運動方向等。
在防沙工程建設中，須綜合考慮沙源、風況、地貌、降水、地下水位等因素，尤其要充分考慮防沙材料。防沙材料主要包括天然無機材料、植物秸稈、人工高分子合成材料、低等植物和高等植物等。鑑於工程造價和環保要求，防沙工程多傾向採用鄉土材料。
防沙體系的結構配置模式
防沙措施沿交通幹線的空間結構配置稱為防沙體系。防沙體系不僅關係工程安全，而且決定了工程建設成本及後期運行維護成本，必須貫徹因地制宜、因害設防理念。
表1 風沙環境定性分類及交通幹線防沙模式
風沙環境複雜多樣，根據風力強弱和沙源多少的組合情況，可定性地將其分為 4 類：弱風少沙型、弱風多沙型、強風少沙型、強風多沙型（表 1）。相應地，沙區交通幹線防沙體系可總結為 4 種結構模式：以固為主型、阻-固結合型、擋風輸沙型、阻-固-輸結合型（表 1）。此外，當線路與當地主導風向夾角較小且有適宜的導沙區域（如溝壑、河谷）時，阻-固結合模式的外側阻沙措施可變為導沙措施，即調整為導-固結合型模式。
防沙體系的維護
沙區交通幹線不僅要進行路基和路面的防風蝕維護管理，也要重點開展防沙體系維護。防沙體系功能會隨著其發揮防風固沙作用而衰減，防沙材料也會逐漸腐朽老化。為了延長防沙體系壽命，需要不斷對其進行維護和更新。防沙功能衰減並非全都從防沙體系的迎風邊緣向內部逐步推進，防沙體系內部地形起伏處也可同步發生風蝕和沙埋。防沙體系越寬，其維護成本越高；且由於日常的小範圍、多點維護不具規模效益，長期維護成本高於一次更新成本。因此，防沙體系的理論計算寬度（多存在技術性的沙害誇大問題）在經濟學上並非最優，而適宜寬度的防沙體系長期更新成本更低，更符合實際。
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交通幹線防沙模式與成功案例
多年來，我國科技工作者針對不同區域環境條件和風沙危害特徵，綜合集成機械、化學和生物防護措施的優勢，合理配置、因地制宜，逐步構建和完善了沙區交通幹線防沙體系，確保了道路的安全運營。
流動沙漠環境「四帶一體」的風沙危害綜合防治模式——包蘭鐵路
1958 年，包蘭鐵路建成通車，該線路在沙坡頭段穿越騰格里沙漠東南緣。大面積格狀流動沙丘由西北向東南傾斜，呈階梯狀分布；而鐵路正處於沙丘階梯下方，加之常年盛行西北偏西風和西北風，鐵路走向大致與主風向呈 45° 夾角，沙丘副梁前移埋壓造成嚴重的風沙危害。
經過長期試驗，初步建立了由高立式柵欄構成的前沿阻沙帶、草方格與無灌溉植物結合的固沙帶、灌溉條件下的喬灌木林帶、礫石平臺緩衝輸沙帶的阻、固、輸、導「四帶一體」的防沙體系。因利用礫石平臺輸沙難以實現，林帶灌溉也受水資源限制，經不斷改進，形成 2 個基本條帶，即：流沙迎風方向最前沿設立高立式柵欄構成阻沙區；設置半隱蔽式 1 m×1 m 草方格沙障和沙障內栽植一定密度的固沙植物，形成固沙林帶區，最終建立了「以固為主，阻-固結合」的綜合防沙體系（圖 1）。
圖 1 包蘭鐵路沙坡頭段風沙危害防治工程
沙坡頭防沙體系的建立和完善，有效控制了區內風沙活動，防護效果良好。固沙區內近地表風速降低了 50% 以上、輸沙量減少了近 80%，沙丘表面穩定；格狀沙丘上起初建立的灌木-半灌木人工林帶逐漸演替為草本植物-半灌木天然植被，土壤結皮形成，蘚類及一年生植物出現，生物固沙作用加強；由於環境改善，植被區內出現了新的動、植物種，構成了一個穩定的固定沙地生態系統，並有由隱域性（流沙）地理環境向地帶性地理環境（草原化荒漠）演變的趨勢。該防護體系積累了在流動沙漠中以工程固沙方法為主的沙害防治經驗，成為我國流沙環境交通幹線風沙危害防治的首個成功模式。
高寒風沙環境大網格高立式沙障風沙危害防治模式——青藏鐵路
2006 年建成通車的青藏鐵路，是世界上第一條海拔最高、穿越多年凍土及沙漠的高原鐵路。調查研究表明，該鐵路沿線大部分地處高寒乾旱半乾旱區，而少雨多大風、風旱同期的氣候狀況為風沙活動提供了動力條件。隨著全球氣候變化，青藏高原冰川退縮、多年凍土退化、凍融交替，導致地表土壤結構鬆散，沙源增多，風蝕沙化加劇。此外，鐵路修建等人類活動對原始地表擾動也逐漸增加。青藏鐵路沿線風沙危害日趨嚴重，沙害路段達到 270 km，風沙危害防治刻不容緩。
針對青藏鐵路沿線不同區域自然環境特點和沙害持續加劇的現實，在沙源豐富地段建立了結合生物、化學措施，以機械措施為主的遠阻近固、輸導結合的綜合防護體系。研究表明，由於空氣密度不同，與低海拔地區相比，高海拔低氣壓環境具有較高的起動摩阻風速，且躍移沙粒比重及躍移高度也相對增高。依據高海拔區這一沙粒運動形式及風沙流結構特徵，提出了通過增加工程措施布設高度以降風速、固流沙的思路，研發了大網格高立式沙障防沙關鍵技術（圖 2）。採用高密度聚乙烯（HDPE）高立式阻沙柵欄、大網格高立式固沙障、石方格、碎石壓沙等機械措施，結合噴灑固沙劑、地表植被保護與恢復等措施，構建了適宜青藏鐵路的風沙危害綜合防治技術體系。
圖 2 青藏鐵路風沙危害防治工程
基於高寒風沙環境大網格高立式沙障風沙危害防治技術，在青藏鐵路沿線河谷型、季節性幹湖盆型、退化草地型等沙源區，因地制宜布設了一系列防護措施，使得風沙流得到有效控制，天然植被蓋度達到 30% 以上，年累計清沙量大幅降低，目前僅 12000 m3，防治成效明顯。該模式填補了高寒風沙區交通幹線沙害防治的研究空白，為高寒生態脆弱區風沙危害的科學防治提供了借鑑。
乾旱流沙環境苦鹹水灌溉造林模式——塔裡木沙漠公路
20 世紀 90 年代，中國成功修建了縱貫塔克拉瑪幹沙漠的塔裡木沙漠公路，對油氣資源開發和新疆南疆經濟發展發揮了重要作用。塔克拉瑪幹沙漠氣候極端乾旱，公路沿線大部分路段盛行東北風，風力強勁；沙丘形態複雜多樣，區域組合差異明顯；流沙覆蓋率高，沙源充足。風沙危害成為沙漠公路安全運行的重要威脅。
機械防沙體系可保障沙漠公路運行初期的安全，但其壽命短，維護更新成本巨大。因此，建立以生物防沙為主體的防護林生態工程是確保沙漠公路長久暢通的最好選擇。針對塔裡木沙漠公路沿線淡水資源匱乏、鹽分積累、風沙土保水能力差等不利條件，將土壤類型、植物種類、灌溉周期、灌溉方式、灌溉定額有機結合，確立了科學灌溉制度（造林初期檉柳、梭梭灌水定額 30 kg/株，灌溉周期 15—20 天；沙拐棗灌水定額 20 kg/株，灌溉周期 10—15 天；隨著林齡增加灌溉量適當增加，灌溉周期相應延長），創建了鹹水灌溉育苗規程，形成流動沙地苦鹹水灌溉條件植物育苗技術；提出了高位打井、相對均勻布井（井間距 4 km）、分支管供水（根據植物耗水特徵實現差異供水灌溉）、補償式滴灌（壓力補償式小流量滴頭灌溉）和少灌勤灌、年末壓鹽的苦鹹水灌溉關鍵技術體系。
圖 3 塔裡木沙漠公路防護林生態工程
研發形成的流動沙地苦鹹水灌溉造林技術成果直接應用於塔裡木沙漠公路防護林生態工程建設之中，建成了全長 436 km、總體寬度 72—78 m 的人工綠色走廊（圖 3），林帶面積 3128 hm2，種植苗木 2000 餘萬株，成活率 85% 以上，從而根治了沙漠公路風沙危害，確保了公路安全暢通。該技術模式拓展了生態建設的可利用水資源，突破了「非宜林區」的造林禁忌，為極端乾旱區風沙危害防治和生態恢復重建提供了成功範例，在國內外得到廣泛關注。
活化沙丘環境無灌溉造林模式——準噶爾沙漠明渠
21 世紀初，國家投資實施了天山北坡經濟帶水資源工程，其中準噶爾沙漠明渠段及伴行公路穿越古爾班通古特沙漠。沙漠明渠沿線降水量少，蒸發量大，無任何灌溉水源；風力強勁，風向單一；由於工程擾動，植被遭到破壞，活化沙丘嚴重威脅渠道和公路安全。
古爾班通古特沙漠冬季有穩定積雪，降雪約佔年降水量的 30%；春季積雪融化，79%—92% 的蓄存水轉化為土壤水分，形成懸溼沙層。經試驗研究，創立了利用懸溼沙層土壤水分在固定、半固定沙地進行無灌溉造林的關鍵技術。該技術體系主要涉及 10 餘個適宜植物種（如梭梭、白梭梭、沙拐棗、沙棗、文冠果、紫穗槐、花棒、刺沙蓬、鹽生草、沙米、沙蒿、絹蒿等）、2 個種植時段（晚秋和早春）、2 種造林方法（植苗和直播）、2 種處理方式（保水劑蘸根處理和客沙造林）、3 種結構布局（株行距分別為 2 m×2 m、2 m×1 m 和 1 m×1 m）、4 種立地條件（填方段陰坡、填方段陽坡、挖方段陰坡、挖方段陰坡）等方面。
基於研發形成的無灌溉植被恢復技術，結合多種防沙技術，創建了固定、半固定沙漠地區工程防護體系建設的優化模式。該技術模式在準噶爾沙漠明渠工程全線（168 km）得到推廣應用（圖 4），造林面積達 30000 畝，植物成活率達 85% 以上，防沙體系造價降低了 80% 以上，工程擾動區植被得到迅速恢復，渠道沿線生態環境得到明顯改善，從而確保了沙漠明渠的順利施工和安全運行。該技術模式開創了沙漠地區懸溼沙層水的生態利用新途徑，拓展了無灌溉造林和生態工程建設的技術領域和實施區域，產生了巨大的社會影響。
圖 4 古爾班通古特沙漠明渠防護林生態工程
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中國交通幹線沙害防治技術的國際推廣應用前景
世界乾旱區和半乾旱區約佔全球陸地面積的40%，其中荒漠面積 36000000 平方千米。受氣候變化和人類活動的共同影響，全球乾旱和半乾旱地區，尤其是「一帶一路」沿線區域，面臨嚴重的水資源短缺和荒漠化危害問題，這直接危及基礎設施建設和安全，特別是交通幹線面臨嚴重的風沙危害威脅。「一帶一路」六大經濟走廊大都存在不同程度的乾旱風沙問題，累計約有 6000 km 長的風沙危害區段，直接危害鐵路、公路、輸油輸氣管線工程和能源資源基地等。
世界各國在交通幹線風沙危害防治方面開展了較多試驗研究，開發了一些實用技術，但這些技術存在著材料成本較高、措施相對單一、防護效益不佳、使用壽命較短和維護難度較大等問題，其推廣應用存在一定的局限性。而針對我國交通幹線沿線風沙環境特徵，通過技術試驗、示範、集成和應用，形成了流動沙漠環境、固定半固定沙漠環境、高寒風沙環境等地區交通幹線風沙危害防治模式，並在包蘭鐵路、青藏鐵路、塔裡木沙漠公路、準噶爾沙漠明渠及眾多沙區交通幹線成功應用。這些成套、成熟的技術模式具有低成本、易操作、效益高、壽命長的優點，對全球風沙地區道路防沙及生態建設具有重要參考價值，在世界乾旱、半乾旱地區尤其是「一帶一路」沿線區域具有廣闊的應用前景。
李生宇中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠環境與生態修復研究室主任、莫索灣沙漠研究站站長，教授級高工。中國水土保持學會理事，中國地理學會地貌與第四紀專業委員會委員。新疆維吾爾自治區青年科技創新人才，中國科學院關鍵技術人才。長期開展風沙地貌與風沙災害防治的應用基礎理論研究以及應用技術和儀器設備開發。
雷加強中國科學院新疆生態與地理研究所創新研究員，博士生導師，泛非「綠色長城」研究中心主任，中國科學院戰略性先導科技專項（A類）「泛第三極環境變化與綠色絲綢之路建設」項目三「重點地區和重要工程的環境問題與災害風險防控」首席科學家，乾旱區防沙治沙與沙產業國家創新聯盟理事長，中國治沙暨沙業學會勘察設計研究專業委員會主任。主要從事風沙環境及防沙治沙研究，先後承擔國家「973」計劃課題、國家科技支撐計劃項目、國家自然科學基金重點項目、國際合作項目等 30 餘項，研究成果獲國家科技進步獎二等獎 2 項、省部級科技進步獎一等獎 2 項和二等獎 8 項，享受國務院政府特殊津貼。
文章源自：
李生宇,雷加強,徐新文,屈建軍,任宏晶.中國交通幹線風沙危害防治模式及應用.中國科學院院刊,2020,(6):665-674.
總監製：楊柳春
責任編輯：張帆
助理編輯、校對：PAN
排版：筱小鹿
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