張易辰 呂樂樂 吳永祥 羅廷赤 王福銀

（1.寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750001；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；3.寧夏公路管理中心,寧夏 銀川 750001；4.寧夏公路數(shù)字信息化工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750001）

在沙漠地區(qū)，風(fēng)途經(jīng)疏松的沙質(zhì)表面時(shí)，其固有的搬運(yùn)能力將沙粒吹動(dòng)或吹起，造成風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生風(fēng)沙流[1]。沙漠地區(qū)公路面臨的主要問題是風(fēng)沙流作用下線路兩側(cè)發(fā)生積沙堆積和吹蝕，產(chǎn)生沙埋和路基風(fēng)蝕，嚴(yán)重影響公路交通安全和養(yǎng)護(hù)維修工作[2]。

隨著我國(guó)公路建設(shè)不斷向沙漠腹地深入，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)對(duì)公路的危害問題愈加突出，對(duì)此眾多學(xué)者對(duì)沙漠公路地區(qū)的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)及其沙害進(jìn)行了深入的研究。1958年，茲納門斯基出版了《沙地風(fēng)蝕過程的實(shí)驗(yàn)研究和沙堆防止問題》，并將其率先用于公路防治沙害，標(biāo)志著風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的理論研究逐步邁入實(shí)際應(yīng)用。1981年，吳正、彭世古等編著了我國(guó)首部沙漠地區(qū)公路工程專著《沙漠地區(qū)公路工程》，對(duì)中華人民共和國(guó)成立以來30余年的沙漠地區(qū)公路建設(shè)成果進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，為沙漠地區(qū)公路沙害研究奠定了基礎(chǔ)。1997年，董治寶等建立了風(fēng)況資料與野外觀測(cè)相結(jié)合的研究方法，分析了塔里木石油公路風(fēng)沙危害的形成。隨后，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者依據(jù)風(fēng)況資料與實(shí)地觀測(cè)，對(duì)沙漠地區(qū)公路風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)與沙害進(jìn)行了深入研究。其中，張登山等（2016）[3]以青海湖東克土沙區(qū)為研究地，從起沙風(fēng)、輸沙勢(shì)等方面反映環(huán)湖東路的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。韓致文等（2005）[4]利用塔克拉瑪干沙漠公路沿線三個(gè)氣象站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)塔克拉瑪干沙漠公路沿線風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的時(shí)空特征進(jìn)行了研究。陳紅等（2015）[5]基于塔克拉瑪干沙漠東南緣的風(fēng)況數(shù)據(jù)和野外觀測(cè)的積沙蝕積數(shù)據(jù)分析，對(duì)區(qū)域內(nèi)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究。但由于沙漠地區(qū)范圍大，地形隨時(shí)間變化頻繁，且實(shí)地人工測(cè)量工作量大、周期長(zhǎng)、精確度低，所測(cè)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確地反映研究區(qū)的實(shí)際情況。

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是測(cè)繪遙感領(lǐng)域近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，以大范圍、高精度、高清晰度的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景。通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果，直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，保證精度的同時(shí)提升生產(chǎn)效率,可以獲取更多類型的測(cè)繪成果，在數(shù)字化成果應(yīng)用方面具有較好的前景。相對(duì)傳統(tǒng)人工測(cè)量，具有外業(yè)采集效率高、作業(yè)成本低、作業(yè)靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此很多學(xué)者通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)定期采集數(shù)字影像，對(duì)沙漠地區(qū)進(jìn)行研究。其中，錢廣強(qiáng)等（2019）[6]借助無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新月形沙丘群三維形態(tài)的精確測(cè)量，滿足了大比例尺地形測(cè)量的要求；李錦榮等（2021）[7]以烏蘭和布沙漠沿黃段沙丘為研究對(duì)象，應(yīng)用無人機(jī)航拍技術(shù)對(duì)沙丘的移動(dòng)速度及其影響因素進(jìn)行了解析；孔霄等（2020）[8]通過無人機(jī)傾斜攝影對(duì)別里庫(kù)姆沙漠進(jìn)行航拍，分析得到了回渦沙丘的形態(tài)特征與空間分布特征。

因此，本文以烏瑪高速公路騰格里沙漠腹地路基試驗(yàn)段為研究對(duì)象，基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和氣象站數(shù)據(jù)，研究沙丘遠(yuǎn)近不同時(shí)路基兩側(cè)的積沙變化，并對(duì)線路沙害特征及成因進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為沙漠地區(qū)公路選線和沙害防治提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于騰格里沙漠腹地，烏瑪高速公路正線K171+800區(qū)段附近修建的一條試驗(yàn)段公路（見圖1），無防護(hù)體系，全長(zhǎng)500 m，線路走向大致為西偏南45°，與正線走向基本一致。該區(qū)域沙丘分布廣泛、沙源充足、植被稀少、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)頻繁，路基兩側(cè)及表面存在多處積沙。

圖1 烏瑪高速試驗(yàn)段位置

1.2 風(fēng)況數(shù)據(jù)來源

本文氣象數(shù)據(jù)來源于烏瑪高速試驗(yàn)段設(shè)置的全自動(dòng)氣象儀，觀測(cè)高度為2.5 m，采集頻率為5 min/次，用于監(jiān)測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速、降水、氣溫等氣象數(shù)據(jù)，并建立氣象數(shù)字管理平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理（見圖2）。選擇2020年8月至2021年8月的氣象數(shù)據(jù)，以對(duì)應(yīng)積沙數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析。

圖2 全自動(dòng)氣象儀及氣象數(shù)字管理平臺(tái)

1.3 積沙數(shù)據(jù)來源

本文積沙數(shù)據(jù)來自烏瑪高速試驗(yàn)段的無人機(jī)傾斜攝影，為保證數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，航測(cè)選用多旋翼無人機(jī)（大疆M300RTK）與垂直起降式固定翼無人機(jī)Q10（見圖3）結(jié)合飛行的方式進(jìn)行項(xiàng)目數(shù)字地形采集。項(xiàng)目處于沙漠地區(qū)，飛行區(qū)域面積較大，且早晚天氣變化劇烈，能夠提供飛行的時(shí)間有限，為提高飛行效率，針對(duì)本項(xiàng)目選用的賽爾鏡頭和睿博鏡頭（見圖4）依據(jù)相機(jī)像素及相機(jī)特點(diǎn)，精確計(jì)算該鏡頭下航線高度，有效保證航拍效率，同時(shí)保證影像數(shù)據(jù)精確。

圖3 航測(cè)選用無人機(jī)

圖4 無人機(jī)鏡頭

軟件方面，采用Pix4D與Context Capture，配合生成傾斜攝影模型[9]（見圖5），選取2020年8月初到2021年7月末的傾斜攝影數(shù)據(jù)，并從中剔除測(cè)量范圍不完整、成像較差的數(shù)據(jù)，最終保留2020年8月初、10月、12月，以及2021年5月、7月底的傾斜攝影數(shù)據(jù)，分別作為2020年夏季至2021年夏季的積沙數(shù)據(jù)來源[10]。

圖5 傾斜攝影模型

1.4 路基典型斷面選取

為獲得公路路基兩側(cè)的積沙數(shù)據(jù)，根據(jù)不同季節(jié)的無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)，在直線段選取距沙丘不同距離的5個(gè)有沙害和1個(gè)無沙害路基斷面，以1984世界大地測(cè)量系統(tǒng)（world geodetic system 1984，WGS-84）為統(tǒng)一坐標(biāo)系，以垂直于線路方向分別提取路基兩側(cè)50 m范圍內(nèi)的積沙高程，斷面位置如表1和圖6所示。

表1 路基斷面位置

圖6 路基斷面位置示意圖

2 風(fēng)沙環(huán)境特征

2.1 起沙風(fēng)

風(fēng)是引起風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)右?，?dāng)風(fēng)速逐漸增大到沙粒的起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，地表沙粒才會(huì)開始脫離靜止?fàn)顟B(tài)而進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，形成風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)。騰格里沙漠起沙風(fēng)速為5 m/s[11]，以3月—5月為春季，6月—8月為夏季，9月—11月為春季，12月—次年2月為冬季，對(duì)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)整理分析得到起沙風(fēng)玫瑰圖（見圖7）。

由圖7可知，全年區(qū)域起沙風(fēng)以西北風(fēng)為主，東南風(fēng)和西南風(fēng)次之。風(fēng)速以春季和夏季最為強(qiáng)勁，冬季次之，秋季最弱。春季起沙風(fēng)向主要以NNW和SW為主，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的26%，SE次之，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的18%；夏季起沙風(fēng)向主要以ESE為主，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的21.3%，北風(fēng)次之，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的14.3%；秋季起沙風(fēng)向以SW為主，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的一半以上；冬季起沙風(fēng)主要以WNW和NNW為主，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的67.3%。

圖7 起沙風(fēng)玫瑰圖

2.2 輸沙勢(shì)

輸沙勢(shì)是衡量區(qū)域風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度及風(fēng)沙地貌演變的重要指標(biāo)，表示潛在的輸沙能力。依據(jù)Fryberger提出的輸沙勢(shì)方程進(jìn)行計(jì)算，繪制全年和各季節(jié)的輸沙勢(shì)玫瑰圖（見圖8）。

由圖8可知，全年區(qū)域合成輸沙勢(shì)為40.57 VU，合成輸沙方向RDD為120.57°，表明沙物質(zhì)從西北向東南方向輸送移動(dòng)。各季節(jié)合成輸沙勢(shì)以春季最大，為32.04 VU，方向114.60°，沙物質(zhì)從西北向東南方向輸送；冬季和夏季次之，分別為22.77 VU和19.94 VU，方向分別為124.99°和298.27°，分別向西北和東南方向輸沙；秋季最小，為3.69 VU，方向50.01°，向東北方向輸沙。根據(jù)Fryberger提出的通過方向變率(RDP/DP)劃分風(fēng)況的方法[12]，對(duì)四個(gè)季節(jié)的風(fēng)況進(jìn)行劃分，秋季和冬季在0.3～0.8之間，屬于鈍雙峰型或銳雙峰型；春季和夏季最小(＜0.3)，屬于復(fù)雜或鈍雙峰型。

3 遠(yuǎn)沙丘路基兩側(cè)積沙變化及沙害

3.1 遠(yuǎn)沙丘路基兩側(cè)積沙變化

路基斷面1兩側(cè)積沙變化情況如圖9所示，路基兩側(cè)是一片向下凹陷的沙地?？梢钥闯?，隨著時(shí)間的推移，路基迎風(fēng)側(cè)沙地和路基邊坡堆積的積沙變化具有明顯的季節(jié)性特征。秋季雖然風(fēng)速很小，但由于西南方向沙源稀少，風(fēng)沙流很難達(dá)到飽和，積沙厚度整體減少約3 m，在路基邊坡及坡腳處較小，僅減少10 cm；春冬兩季風(fēng)速較大，且西北方向由于沙丘的存在而沙源充足，風(fēng)沙流在凹陷沙地容易達(dá)到飽和[13]，積沙厚度逐漸增加，但變化幅度較小，厚度整體增加約2.5 m，在路基邊坡及坡腳處增加20～45 cm；夏季風(fēng)速較大，東南方向的風(fēng)沙流在路基左側(cè)形成減速沉降區(qū)[14]，積沙厚度增加20～40 cm，在路面產(chǎn)生積沙，厚度約為20 cm。背風(fēng)側(cè)積沙變化情況與迎風(fēng)側(cè)略有不同，主要表現(xiàn)為夏季積沙厚度減少，其他季節(jié)厚度逐漸增加，但路基邊坡及坡腳積沙變化程度很小。

圖9 路基斷面1兩側(cè)積沙變化

3.2 遠(yuǎn)沙丘路基兩側(cè)沙害分析

由遠(yuǎn)沙丘路基兩側(cè)積沙變化可知，迎風(fēng)側(cè)邊坡及坡腳處積沙緩慢堆積，直至夏季堆積至路面，而背風(fēng)側(cè)積沙蝕積程度相對(duì)較小，因此遠(yuǎn)沙丘路基兩側(cè)沙害主要為迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生的沙埋現(xiàn)象（見圖10）。

圖10 路基迎風(fēng)側(cè)沙埋

路基迎風(fēng)側(cè)積沙堆積是由近地風(fēng)沙流達(dá)到飽和導(dǎo)致的，風(fēng)沙流是否易飽和主要由沙源情況和風(fēng)速變化情況決定。其中沙源主要來源于路基迎風(fēng)側(cè)較遠(yuǎn)處的沙丘，路基附近風(fēng)速變化主要取決于凹陷沙地的特征。

為研究不同沙丘和沙地對(duì)遠(yuǎn)沙丘路基迎風(fēng)側(cè)沙埋的影響，將沙地坡度相同但沙埋程度不同的斷面1、斷面2、斷面3與無沙埋的斷面4分為兩組（見表2），并對(duì)第一組斷面的沙埋面積、沙埋量進(jìn)行測(cè)量（見圖11），其對(duì)比結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖11 沙埋測(cè)量

圖12 第一組沙埋面積

圖13 第一組沙埋量

表2 各斷面沙丘高度及沙地坡度

由第一組測(cè)量對(duì)比結(jié)果可知，在沙地坡度都為1:2條件下，隨著沙丘高度減小，迎風(fēng)側(cè)路面沙埋面積及沙埋量均呈下降趨勢(shì)。因此，迎風(fēng)側(cè)沙丘高度對(duì)沙埋有較為顯著的影響，當(dāng)沙地坡度一定時(shí)，沙丘高度越大，沙埋情況越加嚴(yán)重。

相對(duì)于第一組斷面，第二組沙丘高度增大1.8～3.3 m，但沙地坡度減小為1:3，對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)情況（見圖14）可以看出，積沙僅堆積到路塹邊緣，沒有在路面形成沙埋。由此可知，遠(yuǎn)沙丘路基迎風(fēng)側(cè)沙地坡度相對(duì)于沙丘高度，對(duì)沙埋有著更加顯著的影響，隨著沙地坡度減小，積沙堆積減弱。

圖14 第二組積沙

4 近沙丘路基兩側(cè)積沙變化及沙害

4.1 近沙丘路基兩側(cè)積沙變化

近沙丘路基兩側(cè)積沙變化情況如圖15所示，沙丘積沙變化為沙丘蝕積并逐漸移動(dòng)的過程。在路基迎風(fēng)側(cè)，秋季起沙風(fēng)主要為西南風(fēng)，風(fēng)速較弱，遇到高大沙丘風(fēng)沙流極易飽和，在沙丘形成堆積，厚度增加3～6 m；春冬兩季起沙風(fēng)主要為西北風(fēng)，風(fēng)速較大，風(fēng)沙流不易飽和，沙丘積沙厚度減少2～3 m的同時(shí)向路基移動(dòng)；夏季起沙風(fēng)主要為東南風(fēng)，雖然風(fēng)速較大，但東南方向沙源充足，風(fēng)沙流在遇到高大沙丘時(shí)容易飽和，在沙丘迎風(fēng)側(cè)形成堆積。路基背風(fēng)側(cè)沙丘矮小，積沙變化與背風(fēng)側(cè)基本一致，但略有不同，具體表現(xiàn)為沙丘蝕積程度較小且往遠(yuǎn)離路基方向移動(dòng)。

圖15 路基斷面6兩側(cè)積沙變化

4.2 近沙丘路基兩側(cè)沙害分析

由近沙丘路基兩側(cè)積沙變化可知，迎風(fēng)側(cè)沙丘逐漸移動(dòng)至路面，春季形成少量沙埋，之后夏季東南方向風(fēng)沙流飽和在沙丘迎風(fēng)側(cè)堆積，沙埋情況進(jìn)一步惡化（見圖16），而背風(fēng)側(cè)沙丘逐漸遠(yuǎn)離路基，且路基邊坡及坡腳積沙變化很小，沒有造成沙害。

圖16 沙埋對(duì)比

由此可知迎風(fēng)側(cè)沙丘特征對(duì)沙埋有著十分重要的影響，因此對(duì)迎風(fēng)側(cè)沙丘特征不同的斷面5與斷面6不同季節(jié)的沙埋面積及積沙量進(jìn)行測(cè)量（見圖17、圖18），研究不同特征沙丘（見表3）對(duì)迎風(fēng)側(cè)沙埋的影響。

圖17 路基斷面5沙埋測(cè)量

圖18 路基斷面6沙埋測(cè)量

表3 沙丘特征參數(shù)

圖19為兩斷面沙埋面積及路面積沙量變化，春季沙丘在西北風(fēng)作用下逐漸向路基移動(dòng)，由于斷面6沙丘略低于斷面5，移動(dòng)速度相對(duì)較快[15]，因此在春季斷面6形成的沙埋較大，其中沙埋面積達(dá)8.8%，路面積沙量達(dá)41.7%。

夏季東南方向的風(fēng)沙流飽和在沙丘迎風(fēng)側(cè)堆積，由圖19可知，沙埋面積及路面積沙量顯著增加。斷面5（沙丘迎風(fēng)側(cè)坡度為1:5），沙埋面積增加17.03 m2，增加約138%，沙埋量增加2.7 m3，增加約321%；斷面6（沙丘迎風(fēng)側(cè)坡度為1:2.7），沙埋面積增加27.8 m2，增加約207%，路面積沙量增加13.35 m3，增加約1122%。

圖19 不同斷面沙埋變化

因此，夏季風(fēng)沙流飽和產(chǎn)生的沙埋要遠(yuǎn)大于春冬兩季因沙丘移動(dòng)而產(chǎn)生的沙埋，并且當(dāng)沙丘迎風(fēng)側(cè)坡度較大時(shí)，沙埋情況更加嚴(yán)重。

5 結(jié)論

綜上所述，沙漠地區(qū)公路與沙丘遠(yuǎn)近不同時(shí)，路基兩側(cè)的積沙變化也不同，其沙害特征也不同。本文基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對(duì)烏瑪高速試驗(yàn)段路基兩側(cè)與沙丘遠(yuǎn)近不同時(shí)的積沙變化及沙害進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

（1）遠(yuǎn)沙丘路基迎風(fēng)側(cè)積沙在秋季減少，其他季節(jié)逐漸增加，直至夏季積沙延伸至路面；背風(fēng)側(cè)積沙在夏季減少，其他季節(jié)緩慢增加，路基邊坡及坡腳變化極小。

（2）遠(yuǎn)沙丘路基兩側(cè)沙害主要為迎風(fēng)側(cè)沙埋，當(dāng)遠(yuǎn)處沙丘高度越大、沙地坡度越大，沙埋現(xiàn)象越加嚴(yán)重，其中沙地坡度大小對(duì)沙埋的影響效果更加顯著。

（3）近沙丘路基兩側(cè)積沙變化為沙丘的蝕積和移動(dòng)過程，夏秋兩季為積沙增加，春冬兩季沙丘在吹蝕的過程中逐漸往東南方向移動(dòng)。

（4）近沙丘路基兩側(cè)沙害為迎風(fēng)側(cè)沙埋，夏季風(fēng)沙流飽和產(chǎn)生的沙埋要遠(yuǎn)大于春冬兩季因沙丘移動(dòng)而產(chǎn)生的沙埋，沙丘高度越小，沙丘迎風(fēng)側(cè)坡度越大，沙埋情況越嚴(yán)重。