关于沙漠公路沙埋过程及其防护系统退化过程的数值研究

《Powder Technology》：Numerical study on the sand burial process of desert highway and the degradation process of highway protected system

该研究将荒漠高速公路及保护区引入耦合尺度沙丘场模型，模拟不同防护措施下沙埋演变与保护区退化过程。结果表明，防护不足导致上风区沙丘发展，引发沙粒运输并覆盖保护区；定量分析显示植被覆盖率、保护区面积及风速对沙埋比例和沙源厚度有显著影响，为荒漠公路防护设计提供依据。

　　沙漠公路作为连接偏远地区与经济中心的重要基础设施，在沙漠环境中发挥着不可替代的作用。然而，由于沙漠地区特殊的自然条件，如强风、沙尘暴和干旱，这些公路面临着严重的沙埋问题。沙埋不仅影响公路的正常通行，还对沿线的经济活动和生态环境造成威胁。因此，研究沙漠公路的沙埋过程及其防护区的退化机制，对于保障公路的安全运行和促进可持续发展具有重要意义。

在沙漠地区，风沙运动是沙埋的主要驱动因素。风沙运动通常被视为大气表层中的一种两相流系统，由沙粒和湍流共同作用形成。在这一过程中，近地表的跳跃沙粒（saltating sand）是形成和演变风沙丘的主要动力。随着风沙运动的持续，风沙丘的形态和分布会不断变化，进而影响沙漠公路的沙埋过程。研究发现，风沙丘的扩张是导致沙漠公路沙埋的关键路径之一。因此，建立一个能够模拟风沙丘演变过程的模型，并将沙漠公路及其防护区纳入其中，是实现沙埋过程和防护区退化机制定量预测的重要手段。

现有的风沙丘模型主要分为连续模型和离散模型两大类。连续模型以Sauermann等[16]、Durán和Herrmann[17]、Luna等[18]提出的连续跳跃沙丘模型为代表，这类模型主要适用于单个沙丘的形成与迁移过程，以及多个沙丘的碰撞行为研究。而离散模型则以Werner[19]提出的细胞模型和Nishimori与Ouchi[20]提出的耦合映射晶格模型为代表，虽然这些模型能够较好地模拟风沙丘的形态特征，但在沙丘的定量几何尺度、迁移速度等方面仍存在与实验结果的显著差异。为了提高风沙丘模型的预测精度，Bo和Zheng[21]提出了一种耦合尺度风沙丘模型（CSCDUNE），该模型基于介观尺度的沙体元素（SBE）运动来预测风沙丘的形成与演变过程。通过引入植被、草方格沙障、放牧和土壤风蚀等因素，该模型还能够研究过渡区的沙漠扩张过程和草地退化机制。

然而，目前大多数风沙丘模型尚未应用于沙漠公路的沙埋过程和防护区退化机制的研究。因此，本研究旨在将沙漠公路及其防护区引入到耦合尺度风沙丘模型中，通过模拟两种不同的防护措施——草方格沙障和植被恢复——在防护区内的布置情况，进一步探讨其对沙埋过程的影响。此外，本研究还考虑了不同因素，如沙漠公路的高度、防护区的大小和植被覆盖率，这些因素在实际工程中对沙丘的形成和迁移具有重要影响。通过这些模拟，可以更全面地了解沙丘的演变过程以及防护措施对沙丘运动的调控作用。

研究发现，随着时间的推移，沙漠公路的上风区会形成横向沙丘或新月形沙丘链，同时沙体体积也会增加。而在下风区，由于沙源的缺乏，会出现空旷区域。如果防护区未能得到妥善维护，上风区的防护区将被沙丘掩埋，失去其固沙功能，导致该区域的沙粒开始被搬运。这些区域主要出现在上风区新月形沙丘的臂部。搬运的沙粒不仅会沉积在公路表面，还可能掩埋下风区的防护区，从而形成一个沙粒运输通道。定量分析表明，植被覆盖率的降低会导致沙埋区域比例（Rra）增加，而沙埋沙源的平均厚度（Hrs）则会减少；防护区面积的增大也会导致Rra的增加；风速的增加则会减少Rra，同时增加Hrs。植被高度和公路高度主要影响防护区内的无量纲沙体积和沙埋区域比例。这些研究结果为沙漠公路防护区的设计和维护提供了重要的参考依据。

此外，本研究还探讨了沙埋过程对公路运行的影响。在交通安全方面，沙埋会导致公路路面被掩埋，使得车辆无法正常通行，严重时甚至会造成交通中断。在经济层面，沙埋会降低公路的通行能力和运输效率，从而增加物流成本。同时，沙埋还会导致公路路面、桥梁和排水设施的侵蚀和损坏，增加维护成本。因此，深入研究沙埋过程的复杂机制，并开发相应的预测模型，对于制定有效的沙埋监测和预警系统，以及开发适用于沙漠地区的低成本、高效率的防沙技术具有重要意义。

目前，针对沙漠公路的沙埋监测和预警技术，主要采用遥感技术、地理信息系统（GIS）和地面监测设备，用于实时监测沙丘的运动和沙埋风险。然而，这些方法虽然能够提供风沙运动和沙埋现象的观测数据，但仅能揭示沙丘演变的历史过程和当前状态，难以有效预测未来的沙埋发展趋势。因此，现有的监测手段在提供有效预警方面仍存在局限性。相比之下，数值模拟方法能够更系统地分析沙丘的演变过程，以及防护措施对沙丘运动的影响。例如，Wang等[13]利用计算流体动力学（CFD）方法分析了沙漠公路不同区域的沙粒输运速率变化，为优化公路的几何结构提供了依据。Wang等[14]则通过Fluent数值模拟分析了沙障的高度和间距对沙粒输运的影响，确定了理想的沙障高度和间距配置。这些研究结果表明，沙障的高度应控制在1.5–2.0米之间，间距应为沙障高度的两倍。Han等[8]结合观测实验和CFD方法，研究了移动沙丘区域的沙流变化和沙损形成机制，发现与平坦地形上的公路相比，沙丘的存在会改变流场结构，并影响沙粒在公路表面的沉积分布。

Yin等[15]通过现场观测和数值模拟，研究了在强风环境下，综合防护措施对沙漠公路后方区域的沙阻性能。研究结果表明，高垂直沙障能够有效降低风速，减少携带沙粒的气流能量，并使大颗粒沙粒主要沉积在迎风面和沙障内部。这些研究结果进一步说明了现有模型在揭示沙漠公路对沙粒输运的影响方面具有一定的成效，但尚未能够系统地研究防护区的退化过程。因此，本研究通过引入沙漠公路和防护区到耦合尺度风沙丘模型中，结合两种不同的防护措施，对沙埋过程和防护区退化机制进行了更深入的分析。

在实际应用中，防护措施的评估通常面临较长的实验周期，且评估结果可能受到人为因素的影响。此外，防护技术的评估成本较高，限制了其在实际工程中的广泛应用。例如，An等[12]在腾格里沙漠的乌海—马圈公路中提出了六带防沙系统，并通过现场监测评估了其防沙效果。长期观测结果表明，该防沙系统能够显著降低控制区域内的风速，最大风速下降率达到95.88%。然而，这些实验方法虽然能够提供实际数据，但难以全面预测未来的沙埋发展趋势，也无法为防护措施的优化提供系统的理论支持。

因此，本研究通过数值模拟方法，对沙漠公路的沙埋过程和防护区的退化机制进行了深入分析。通过将沙漠公路和防护区引入到耦合尺度风沙丘模型中，结合草方格沙障和植被恢复两种防护措施，对不同工况下的沙丘演变和沙埋过程进行了模拟。模拟结果表明，防护措施对沙丘的形成和迁移具有显著影响，能够有效减少沙丘对公路的掩埋作用。同时，研究还发现，沙丘的演变过程与防护区的退化机制密切相关，因此，需要将这两个因素纳入到风沙丘模型的定量分析中。

此外，本研究还探讨了不同因素对沙埋过程的影响。例如，沙漠公路的高度、防护区的大小和植被覆盖率等参数，都会影响沙丘的形成和迁移。研究发现，随着公路高度的增加，沙丘的掩埋作用会减弱，而防护区的面积增大则会增强其防沙效果。植被覆盖率的增加能够有效减少沙丘的形成和迁移，从而降低沙埋风险。而风速的增加则会加剧沙丘的形成和迁移，提高沙埋的可能性。这些研究结果表明，防护措施的设计和实施需要综合考虑多种因素，以实现最佳的防沙效果。

通过本研究的模拟，可以更全面地了解沙漠公路的沙埋过程及其防护区的退化机制。研究结果不仅能够为沙漠公路的防沙设计和维护提供科学依据，还能够为相关工程提供理论支持。此外，本研究还揭示了沙丘的演变过程与防护区的退化机制之间的相互作用，为未来的研究提供了新的思路。通过这些研究，可以更好地预测沙漠公路的沙埋发展趋势，并制定相应的防沙策略，以保障公路的长期安全运行。

在实际应用中，本研究的方法可以为沙漠公路的防护区设计和维护提供指导。例如，通过模拟不同防护措施对沙丘形成和迁移的影响，可以确定最优的防护配置，从而减少沙丘对公路的掩埋作用。此外，本研究还揭示了防护措施对沙丘演变的调控作用，为未来的研究提供了新的视角。通过这些研究，可以更好地理解沙丘的形成和迁移机制，以及防护措施对沙丘演变的干预效果，从而为沙漠公路的防沙设计和维护提供科学依据。

本研究的成果表明，将沙漠公路和防护区引入到风沙丘模型中，能够有效模拟沙丘的演变过程和沙埋机制。通过结合草方格沙障和植被恢复两种防护措施，可以更全面地分析其对沙丘形成和迁移的影响。研究还发现，不同因素如公路高度、防护区面积和植被覆盖率等对沙丘的形成和迁移具有重要影响，因此，在防护措施的设计和实施过程中，需要综合考虑这些因素，以实现最佳的防沙效果。此外，本研究还揭示了沙丘的演变过程与防护区的退化机制之间的相互作用，为未来的研究提供了新的思路。

通过本研究的模拟，可以更好地预测沙漠公路的沙埋发展趋势，并制定相应的防沙策略。这些策略不仅能够减少沙丘对公路的掩埋作用，还能够降低防护区的退化风险，从而保障公路的长期安全运行。此外，本研究还为相关工程提供了理论支持，使得防护措施的设计和实施更加科学化和系统化。通过这些研究，可以更好地理解沙丘的形成和迁移机制，以及防护措施对沙丘演变的干预效果，从而为沙漠公路的防沙设计和维护提供科学依据。

综上所述，本研究通过将沙漠公路和防护区引入到耦合尺度风沙丘模型中，结合两种不同的防护措施，对沙埋过程和防护区退化机制进行了深入分析。研究结果表明，防护措施对沙丘的形成和迁移具有显著影响，能够有效减少沙丘对公路的掩埋作用。此外，研究还揭示了沙丘的演变过程与防护区的退化机制之间的相互作用，为未来的研究提供了新的思路。通过这些研究，可以更好地预测沙漠公路的沙埋发展趋势，并制定相应的防沙策略，以保障公路的长期安全运行。这些研究成果不仅能够为沙漠公路的防沙设计和维护提供科学依据，还能够为相关工程提供理论支持，推动沙漠地区的可持续发展。