这条铁路穿越“魔鬼风区”,全年8级以上大风多达150天

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  新疆是我国面积最大的省级行政区,这里物产丰饶,资源丰富,但在历史上却长期受制于不便的交通,发展缓慢。

  新中国成立后,高强度的基础建设投入使得新疆各地之间逐渐被铁路联结,到2019年初,整个新疆只剩下最后一座州府——塔城市,仍然没有通铁路。

  直到2019年5月30日,连接克拉玛依与塔城的克塔铁路建成通车,塔城不通铁路的历史终于结束。

  

  (一)塔城通铁路为何重要?这里是北疆重要通商口岸

  塔城与哈萨克斯坦毗邻,是北疆重要的通商口岸,因此,不通铁路严重制约了中哈贸易的发展。

  刚刚建成的克塔铁路,是国家铁路网新疆铁路网奎北铁路一条客货两用型支线铁路,全长272.49公里。它从奎北铁路克拉玛依市百口泉站接轨起建,沿百口泉油田向北,经托里县铁厂沟镇、额敏县、塔城市,终点为中国与哈萨克斯坦边境的巴克图口岸,总投资46.87亿元。

  建成后,这里每天开行3对旅客列车,近期年货运量1042万吨,远期年运量可达1500万吨。目前,国家发改委已将克塔铁路列为新亚欧大陆桥北线方案(又称“第三条亚欧大陆桥”)的国内最西段。

  该条铁路建成后,将成为国际铁路干线的重要组成部分,也成为新疆继阿拉山口、霍尔果斯之后的第三条通往中亚及欧洲的大通道。

  

  (克拉玛依油田)

  克塔铁路横穿塔城地区、克拉玛依市和兵团九师,沿途经过六个工业园区和城市新区,穿越和什托洛盖煤田和新疆克拉玛依油田两大能源基地,铁路的两端分别建设有中电投塔城、国电克拉玛依两个2×35万千瓦热电联产项目,沿线还将实施一批关系经济社会发展的重大工程,均涉及大批量燃料用煤和产品运输。

  塔城地区矿藏种类多、储量大,在建铁路穿越区域有煤炭、花岗岩、黄金、铜、铁矿石等矿产资源,克塔铁路的建设对当地促进优势资源开发,提高开发企业效益具有重要意义。

  

  (国电克拉玛依热电联产项目)

  新疆盛产水果,每年都有大量的新鲜果蔬出口到周边的哈萨克斯坦、俄罗斯、吉尔吉斯斯坦等国家。

  过去由于缺乏铁路,农产品只能靠客车运输,不仅抬高了运费,而且大大增加了损耗率,水果很难新鲜地运送到目的地。

  铁路建成后,将会大大降低运输成本,提高运输效率。新鲜果蔬、农牧产品的贸易会被显著激活,便捷的铁路可以将许许多多的客商和游客带到了塔城,当地人前往乌鲁木齐也更加方便了。

  这样一条能源大通道、关系到北疆国计民生的重要铁路,为什么一直到了2019年才修好呢?这要从北疆恶劣的自然环境说起。

  (二)克塔铁路为何修得如此晚?铁路要穿越“魔鬼城”

  在克塔铁路经过的地段,自然环境十分之恶劣。

  在全程中穿越玛依塔斯风区的区段全长70多公里,这里被称为“魔鬼风区”,属于典型的雅丹地貌。

  

  (雅丹地貌)

  雅丹地貌是一种干燥地区的风蚀地貌,河湖相土状沉积物所形成的地面,经风化作用、间歇性流水冲刷和风蚀作用,形成与盛行风向平行、相间排列的风蚀土墩和风蚀凹地(沟槽)地貌组合。

  这里的8级以上大风每年多达150天,干燥的风夹杂着沙、雪会对地面与地面上的建筑物造成严重侵蚀,严重影响着交通运输和人的正常生活。

  尤其是冬季,穿越塔城老风口的偏东大风,会形成强大的风雪流,极易造成交通事故和人员伤亡,也给施工造成了严重的阻碍。

  影响风吹雪的因素很多,除了风、雪因素,还有地形、植被等因素,这使得风吹雪雪害的成灾机理研究变得更加复杂和困难。

  因此,如何避免或减少铁路通过大风灾害和风吹雪灾害区域,是该项目选线及设计过程中急需解决的技术难题。

  

  (新疆的风吹雪气候)

  然而,由于新疆特有的地广人稀特性,在克塔铁路的勘察阶段站点观测气象数据稀缺且分布稀疏,只有风变量数据而缺乏降水、降雪数据,这给研究区内的风场特征增加了许多困难。

  因此,对于克塔铁路的气象研究而言,需要利用有限的气象站点监测数据验证遥感影像以及数值天气预报等预测数据的准确性,利用遥感影像及数值模式数据研究区域内的风场和积雪分布特征,分析和评价线路方案。

  

  (克塔铁路线路方案图)

  项目对克塔铁路沿线风吹雪灾害分布的现状进行了分析,并建立了数值天气预报模式WRF,以及其驱动的CALMET模型,模拟得到了风速风向的时空分布,进而得到老风口-玛依塔斯区内强风的分布规律。然后又结合遥感影响数据得到的区域内积雪时空分布规律,以及沿线仅有的一些气象站点的监测数据,最终推测出克塔铁路沿线冬季风吹雪的灾害模式和强度。

  

  (克塔铁路沿线四个站点的冬季风玫瑰图)

  在铁路的选线上,工程师们做出了南、北两个方案,并进行比选以尽可能地避开大风危害区。

  工程师们尽可能地选择地表粗糙度高的路面,这有利于抑制雪的移动。阳坡日照时间较阴坡时间长,太阳辐射强,雪融化快,所以路线应优先设在阳坡。

  通过计算机模拟和实际勘测,工程师们发现,北线方案经过的路段中积雪堆积较多,而南线积雪较少,这恰恰说明北线受风吹影响较小,积雪堆积稳定,而南线风速快,受风雪灾害较大。

  

  (克塔铁路沿线的积雪堆积)

  通过克塔铁路的修建,工程师们还积累了大量的应对风吹雪灾害的经验,可以推广到其它工程上。

  除了满足工程需要外,工程师们还考虑了自然景观和人造景观的和谐,让风雪中的铁路更有工业美感。

  

  (铺轨中的克塔铁路)

  (三)长期干旱+短时强降雨,这样的水文环境对铁路也是个大麻烦

  新疆给人的刻板印象历来是,远离海洋,干旱缺水。这在大体上是对的,但有些时候,新疆也会遭遇短时的强降雨。

  这对于大多数时间处于干旱的克塔铁路而言是一个很麻烦的事情。

  克塔铁路处于准噶尔盆地中,沿线包括白杨河流域、额敏河流域两个水系,这些河流水量小,流程短,下游水系不整合,很多河流不到干流就下渗或被引用了。

  这样一来,河道对于突发降水的容纳量很小,加之沿线由于长期干旱和大风侵蚀,地表植被覆盖较差,很容易被急促降水冲垮。

  

  (新疆的内流河,水容量小)

  工程师们经过广泛的数据采集和严密的计算,验证了克塔铁路沿线的水文安全性,根据计算结果科学合理地布置了桥梁涵洞等排水设施,做到节约投资,把洪水灾害的程度降到最低,防患于未然,确保铁路运输的安全和畅通。

  在适当的位置,工程师们还会选择高架方案,通过大孔桥梁将轨道抬升离开地面,既有利于夏季排水,也可以避免冬季时积雪覆盖在铁轨上阻塞道路。

  结语

  煤田、油田、电力项目、工业园区,克塔铁路的沿途都是资源丰富的宝地,建成通车后,它会把西部的资源优势转化为经济优势,带动当地经济的发展,惠及塔城地区各族群众。

  克塔铁路还将与其他交通方式共同构建北疆区域综合交通运输体系,为新丝绸之路的建设做出重要贡献。

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  编辑| 史文慧

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