徐蘭鈺

(黑龍江省交通規(guī)劃設計研究院集團有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

根據(jù)公路風吹雪雪害的形成條件,在易發(fā)生風吹雪的路段附近營造防雪林、種植植被,或者適當利用路線兩側(cè)既有的草木植被,對風吹雪進行有效干擾,使風吹雪的雪粒在植被、防雪林帶內(nèi)及其附近堆積,減輕和防止道路雪害,是比較經(jīng)濟有效的方法[1]。它既能防止風吹雪影響車輛通行,又能美化、綠化沿線環(huán)境,提高木材蓄積量。在有條件的地區(qū),應盡可能采用營造防雪林等植物措施來防治風吹雪雪害。

1 防雪林的作用和適用環(huán)境

1.1 防雪林的作用

(1)降低風速、攔截風吹雪雪粒并減輕視覺阻礙。

防雪林能夠通過阻擋氣流和攔截風吹雪中的雪粒,使風吹雪中的雪粒改變落點,并降低風吹雪強度、減輕視覺阻礙,同時還能夠起到一定的視線誘導作用。

(2)協(xié)調(diào)路域環(huán)境,改善沿線景觀。

防雪林可以美化、綠化公路沿線的自然環(huán)境,增加植被覆蓋率,改善附近的微氣象條件,提高司機和乘客的感官舒適性。同時,還可以遮擋沿線的不協(xié)調(diào)景物,調(diào)和路線景觀。

(3)吸收有害氣體、降低噪音。

防雪林作為高蓄積量的綠色載體,能夠有效吸收汽車排出的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、鉛等有害氣體,同時具有良好的減音降噪功能。

(4)調(diào)整氣流。

防雪林可以降低地面附近的風吹雪流速,同時提高樹林頂部的氣流速度,在攔截、降速的同時,可以調(diào)節(jié)風吹雪氣流分布,改變雪害路段風吹雪的空間跨越位置和形成條件。

(5)增大地表氣流阻力、提高積雪顆粒的啟動風速。

防雪林可以有效增大地表附近的氣流阻力,伴隨空氣流動阻力的增加,風吹雪啟動地面積雪顆粒的風速也相應增大,地面積雪顆粒的流動難度明顯提高。另外,由于防雪林兼具儲雪、固土的功能,對風吹雪的防治、春季風沙的緩解、土壤改良及固土保墑十分有利[2-3]。

1.2 防雪林的適用環(huán)境

(1)土地價格低廉且容易取得土地使用權(quán)的公路風吹雪易發(fā)位置。

(2)迫切需要協(xié)調(diào)公路沿線景觀、綠化路域環(huán)境的位置。

(3)線路附近土地條件較差,使用可能性較小之處。

(4)能夠充分利用現(xiàn)有樹林或綠化帶的地方。

(5)將現(xiàn)有的其它防雪設施改造為防雪林,能夠起到更大作用的位置。

(6)由于條件限制,無法設置防雪柵、防雪墻等的路段位置。

2 防雪林的種類與結(jié)構(gòu)

2.1 防雪林的種類

(1)喬木類。

喬木防雪林主要有由紅松、樟子松、落葉松、黑松、白松、臭松、花曲柳、白楊、黑楊、紅楊、椴樹、柞樹、樺樹、水曲柳、胡桃楸、榆樹等樹種組成。

喬木類一般比較高大,占地相對寬闊。由于公路風吹雪雪害發(fā)生在冬季,而大多數(shù)樹木在冬季都會落葉,故防止風吹雪效果較好的是紅松、樟子松、黑松、臭松等枝葉比較茂密,枝下空間較小的樹種。

(2)灌木類。

灌木林主要由榛柴、柳樹、映山紅、黑加侖、山丁子、山里紅、紫穗槐、黃槐、重瓣榆葉梅、東北連翹等樹種組成。

灌木類的林木相對矮小,但枝條密集、生長繁茂,因此阻擋低空氣流和風吹雪顆粒的效果良好。

(3)喬灌混交類。

喬灌混交林兼具喬木高大和灌木密集的優(yōu)點,彌補了高大喬木林下空間較大的不足,同時也提高了灌木林的防風吹雪的能力。喬灌木混交林是防雪林類型中的優(yōu)勢組合,防雪效果也較為理想。

2.2 防雪林的結(jié)構(gòu)

防雪林的風吹雪防治效果與防雪林的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。根據(jù)樹冠密度,防雪林林帶可以大致分為三級[4]。

(1)緊密結(jié)構(gòu)的防雪林(樹冠密度0.80及以上)。

(2)疏透結(jié)構(gòu)的防雪林(樹冠密度0.50～0.79)。

(3)透風結(jié)構(gòu)的防雪林(樹冠密度0.10～0.49)。

由于防雪林是沿路線種植,故林帶的長度一般遠大于寬度。為了達到防治風吹雪的目的,一般需要采用密集程度較高的林帶,其樹冠密度宜在0.80及以上?？紤]到林帶樹木生長的需要,在樹冠密度達到1.00之前,需要進行間伐、修枝等,故間伐、修剪后,在入冬前的樹冠密度應達到0.80以上。

為了有效減少枝下空間,提高公路防雪林防治風吹雪的功效,還可以在林帶的迎風側(cè)種植灌木,以增強防雪林阻擋低空氣流、截留積雪的效果。

3 防雪林結(jié)構(gòu)組成與風吹雪防護寬度

防雪林有喬木林、灌木林、喬灌混交林之分,林帶結(jié)構(gòu)又有緊密結(jié)構(gòu)、疏透結(jié)構(gòu)和透風結(jié)構(gòu)的不同。由于樹木品種、樹木高度、枝下空間、結(jié)構(gòu)緊密程度的不同,防雪林對公路風吹雪雪害的防護距離和防護效果不盡相同,主要體現(xiàn)在以下方面。

(1)樹木高大,防雪效果較好。在防雪效果基本相當時,防雪林越高,對公路風吹雪雪害的防護寬度就越大。實際采用時,防雪林的邊緣與路線邊緣的距離以樹高的10～15倍為宜。

(2)樹冠密度越大,防雪林的防雪效果越好,對公路風吹雪雪害的防護寬度就越大。由于防護林的生長需要保持一定的空隙及透光性,故樹冠密度以保持在0.80～1.0為宜。

(3)防雪林林帶越寬,防治公路風吹雪雪害的效果越好,對風吹雪的防護寬度范圍就越大。由于沿線用地等的局限,防雪林的寬度一般取10～30 m。

(4)防雪林的枝下空間小,防治公路風吹雪雪害的效果較好,防護寬度也較大。因此,可以采用枝下高度較低的樹木,或采用喬灌混交林帶。

4 防雪林結(jié)構(gòu)組成與阻雪量

4.1 防雪林的阻雪量

防雪林攔截風吹雪的阻雪量與防雪林的結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān),樹木高度、枝下空間、樹冠密度、林帶寬度的影響較大?？傮w而言,樹木高度、樹冠密度、林帶寬度大,枝下空間低矮,則阻雪效果越好,繞過或通過防雪林的風吹雪雪花顆粒就越少。

4.2 防雪林樹冠密度

防雪林的樹冠密度與阻雪量關(guān)系密切。當其它條件不變,樹冠密度越大,阻雪量就越大。因樹冠密度不同,阻擋積雪所形成的雪丘位置也不相同。如前所述,兼顧風吹雪防治、林木生長需要,樹冠密度保持在0.8～1.0較好。

4.3 防雪林枝下空間

防雪林枝下空間的大小主要體現(xiàn)在枝下高度的不同。當其它條件相同時,枝下高度越低,攔截風吹雪的效果越好。由于風吹雪的雪花顆粒大部分集中在低空,故枝下高度對風吹雪雪花顆粒的沉降影響極大,對形成的積雪雪丘位置也有較大影響。

4.4 防雪林寬度

防雪林的寬度與阻雪量關(guān)系密切,不同的林帶寬度,其阻雪量也大不相同。當其它條件固定時,阻雪量隨防雪林寬度的增大而逐漸提高,當防雪林的寬度達到某一數(shù)值時,阻雪量增加速度趨緩,阻雪量接近峰值。

5 防雪林的風吹雪防治機理及阻雪效果觀測

5.1 防雪林風吹雪防治機理

公路風吹雪防雪林的上下結(jié)構(gòu)一般都比較緊密,當風吹雪經(jīng)過防雪林時,大部分氣流從林帶的上方穿越而過,其余部分則會通過林帶或繞過林帶邊緣。

由于風吹雪受到防雪林的阻擋,風吹雪氣流的動能迅速下降,流動速度明顯降低。根據(jù)防雪林寬度的不同、枝下空間高度的不同、樹冠密度的不同,使風吹雪雪花顆粒迅速沉降在防雪林的前、中、后位置,堆積形成雪丘。

基于公路風吹雪的防治需求,防雪林的寬度越大,樹木越高,樹冠密度越大,枝下空間越小,其治理效果越好。防雪林的結(jié)構(gòu)組成條件不同,會導致風吹雪防治效果的改變。如引起風吹雪積雪沉降形成的雪丘位置和形狀的變化,可由林前、林中改變到林后。

由于防雪林的攔截阻擋作用,風吹雪氣流一般會在防雪林之前,8～10倍防雪林高度的距離附近承受減速作用,在防雪林之后10～15倍防雪林高度的距離范圍內(nèi)減速作用最強,風吹雪裹挾的雪花顆粒將會沉積在減速區(qū)范圍內(nèi)。

5.2 防雪林阻雪及流場特征觀測

(1)防雪林阻雪效果觀測。

風吹雪觀測路段位于“土龍公路”黑龍江省樺南縣境內(nèi),技術(shù)等級為三級公路?！巴笼埞贰憋L吹雪雪害路段防雪林的樹木品種為樟子松,當年樹木高度約8 m,防雪林寬度55 m,樹木種植間距2.5 m。冬季對該處防雪林阻擋風吹雪的效果進行了觀測,有關(guān)位置的積雪情況如圖1所示。

圖1 觀測路段防雪林附近的積雪厚度

由圖1可見,防雪林前(迎風向)滯留的積雪寬度累計44 m,防雪林全寬55 m,林內(nèi)積雪寬度累計約30 m,防雪林后(背風向)的積雪寬度累計44 m。防雪林前后的積雪寬度分別達到樹木高度的5.5倍。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,該路段防雪林平均阻雪量52.9 m3/m。

(2)防雪林附近空氣流場觀測。

根據(jù)風吹雪天氣的空氣流場觀測結(jié)果繪制流場分布圖,如圖2所示。根據(jù)流場分布(將迎風向遠端,距地面1 m高度的正常風速設定為100%,風速變化以此為基準。圖中等高線上的數(shù)據(jù)為風速百分比)。

圖2 觀測路段防雪林附近的風速流場(單位:%)

由圖2可知,防雪林迎風面的風速變化與氣流距離地面的高度有關(guān)。較低處的風速會逐漸下降,在通過防雪林后速度降至30%～50%;較高處的氣流受到防雪林的阻擋而抬升,空氣流速反而增大,達到原風速的110%～140%,至越過防雪林后,逐漸恢復原有風速。因此,防雪林在阻擋、攔截作用之外,還有使風吹雪中的雪花顆粒加速并輸送至較遠距離的作用,充分利用這一特性,能夠?qū)⒎e雪地點遠離路基路面范圍,從而避免或減輕風吹雪雪害。

6 樹木生長程度對構(gòu)建防雪林的影響

使用不同生長階段的樹木構(gòu)建防雪林,有不同的適用特點,匯總?cè)绫?。

表1 不同生長程度樹木作為防雪林木的特點

7 對構(gòu)建防雪林的具體要求

防雪林的樹木間距較小,防雪效果相應較強。為兼顧防雪和林木生長的需要,以1.0～2.5 m的樹木間距的防雪林效果較好。對于間距較大、樹木比較高大的林帶,以混種灌木等為好。

對于防雪林的具體位置,根據(jù)現(xiàn)場觀測和風洞試驗結(jié)果[4-7],減速區(qū)的范圍一般為樹高的10～15倍。因此,防雪林以距離路基坡腳10～15倍樹高為宜。

防雪林的防雪效果,與林帶、風吹雪風向形成的夾角有關(guān)。兩者成90°夾角時,防治效果最好。當風向與林帶的夾角在60°以上時,防治風吹雪的效果顯著。即防雪林的長邊應盡可能與風吹雪的方向成直角,且不應小于60°。

防雪林的長度,應取公路風吹雪雪害路段的長度和以主風向為基礎(chǔ)的斜角延伸長度的合計。

8 草木植被的防治功效和主要影響因素

8.1 植被對風吹雪的作用和影響

在風吹雪路段,如果路基兩側(cè)有生長茂盛的草木植被,低空風吹雪氣流在抵達路基之前,將受到雜草樹木的影響而減速,不同數(shù)量的雪花顆粒被攔截在雜草樹木之中,能明顯減輕公路表面及其附近的積雪程度。在平原區(qū),植被的防護效果尤其顯著;在山區(qū)公路,半填半挖、深路塹形成的迎風、背風的路段較多,如果路側(cè)有森林阻擋,發(fā)生風吹雪的可能性也明顯降低。

8.2 草木植被對風吹雪的主要影響因素

(1)植被覆蓋程度。

當發(fā)生風吹雪時,受路基兩側(cè)雜草及樹木的影響,風速下降,風吹雪裹挾的雪花顆粒沉降在雜草和樹木之中,落到路面及其附近的雪花顆粒相應減少。所以植被的覆蓋程度越高,積雪、存雪效果就越好,同時積雪顆粒的啟動也更加困難,風吹雪的防治作用增強。

(2)植被高度。

與防雪林的效用相仿,當植被高度增加時,對風的影響高度就越大,更高范圍內(nèi)的風速相應減弱。同理,若使積雪顆粒啟動,就需要更高的風速?；谝陨弦蛩?充分利用路線兩側(cè)農(nóng)作物的立地秸稈,也是一個經(jīng)濟可取、行之有效的方案。

9 結(jié) 語

在易發(fā)生風吹雪的公路路段附近,通過營造防雪林、種植植被,或者充分利用路線兩側(cè)既有的草木植被、農(nóng)作物立地秸稈等,對風吹雪進行有效干擾,使風吹雪的雪花顆粒加速沉降,積存于防雪林內(nèi)、草木叢中,并在其附近堆積滯留,以減輕和防止風吹雪雪害,是比較經(jīng)濟有效的方法。能夠在防止風吹雪妨礙交通的同時,綠化公路環(huán)境,協(xié)調(diào)路線景觀。在有條件的地區(qū),應盡可能地采用適宜的樹木種類、適當?shù)臉淠鹃g距、合理的喬灌混交方式,構(gòu)建防雪林、防雪植被等來防治風吹雪雪害。