道路交通是文明和生产力的重要标志^[1]，与人类生存和发展息息相关，同时作为一种地面构筑物，也受到区域多种自然条件的影响。风沙活动为一种气固两相流现象^[2]，主要发生在干旱半干旱地区，以及半湿润地区的河湖沿岸、沿海地区。中国沙区大多分布在内陆巨大山间盆地和广阔的高平原上，从西北、华北到东北地区呈一弧形条带，东西绵延约4 000 km，南北宽约60 km，总面积达1.308×10⁶ km²，约占国土面积的13.6%^[3]。

18世纪工业革命后，现代化道路（公路和铁路）的出现极大地促进了人类的发展^[1]。截至2019年底，中国公路总里程达4.8465×10⁶ km，其中高速公路1.426×10⁵ km；铁路营业里程达1.39×10⁵ km，其中高铁3.5×10⁴ km^[4]。20世纪50—80年代，伴随着交通干线的建设，中国在干旱半干旱地区的沙漠、沙漠边缘、戈壁等地开展了道路沙害防治工作，尤其是包兰铁路沙坡头段沙害防治^{[5, 6]}，为交通干线沙害防治积累了宝贵的经验和技术^{[7, 8]}。20世纪80—90年代，随着塔里木盆地油气资源勘探开发，我国成功修筑了纵贯塔克拉玛干沙漠的油田公路，攻克了流动沙漠公路风沙危害防治技术的难题^{[9, 10]}。2000年后，随着西部大开发战略的实施，沙区交通干线建设大规模开展，防沙技术得到逐步完善。2010年后，尤其是2013年“一带一路”倡议提出之后，沙区高速交通干线建设加快，防沙技术进一步得到提升^[11-13]。

1 交通干线的风沙危害形式及防治原则 1.1 风沙危害形式

风沙活动可造成道路设施损害（如路基风蚀、涵洞堵塞、标识牌损坏等）、行车环境恶化（如路基积沙或沙埋、能见度变差）、车辆机械损坏（如零件磨损、外观破损）、车辆倾覆、人员伤亡和财产损失^[14]，而通常所说的交通干线风沙危害形式仅限于风蚀及沙埋对交通设施的损害和对行车安全的威胁。

1.2 风沙危害防治原则

交通干线风沙危害防治应遵循以下原则：①预防为主，防治结合；②因地制宜，因害设防；③综合治理，充分发挥各种措施的效能^[15]。在交通干线设计阶段，应制定科学合理的线路方案，绕避严重风沙危害区段，尽量使线路走向与区域主导风向平行或小角度相交，并修建适宜断面形式的路基^{[8, 16]}。

公路路面光滑平展，风沙流可以非堆积搬运形式通过。目前，高等级公路常采用的波形板护栏容易引起路面积沙^[17]，故高等级公路防沙标准高于一般等级公路。而铁路道床（包括道砟、枕木、铁轨）粗糙起伏，易产生滞留积沙，不仅威胁交通安全，还易造成拱道危害^[16]。因此，铁路防沙标准高于公路。

2 交通干线防沙体系的配置及维护 2.1 防沙措施和防沙原理

在防沙实践中，中国创造了多种防沙措施，风沙危害得到了有效防治。根据防沙材料性质，防沙措施一般可以分为机械措施、化学措施和生物措施；根据力学原理将防沙措施分为封闭型（如片石封闭路基边坡）、固定型（如草方格）、阻拦型（如高立式沙障、林带）、输导型（如下导风）、转向型（如羽毛排）、消散型（如扬沙堤）等6类^[18]。不同防沙措施的作用原理主要包括：阻断或抑制风沙气固两相流与地面的接触及相互作用；增加积沙体或地表抗风蚀能力；增加或减小风沙流局地运动阻力；引导改变风沙流运动方向等。

在防沙工程建设中，须综合考虑沙源、风况、地貌、降水、地下水位等因素，尤其要充分考虑防沙材料。防沙材料主要包括天然无机材料、植物秸秆、人工高分子合成材料、低等植物和高等植物等。鉴于工程造价和环保要求，防沙工程多倾向采用乡土材料。

2.2 防沙体系的结构配置模式

防沙措施沿交通干线的空间结构配置称为防沙体系。防沙体系不仅关系工程安全，而且决定了工程建设成本及后期运行维护成本，必须贯彻因地制宜、因害设防理念。

风沙环境复杂多样，根据风力强弱和沙源多少的组合情况，可定性地将其分为4类：弱风少沙型、弱风多沙型、强风少沙型、强风多沙型（表 1）。相应地，沙区交通干线防沙体系可总结为4种结构模式：以固为主型、阻-固结合型、挡风输沙型、阻-固-输结合型（表 1）。此外，当线路与当地主导风向夹角较小且有适宜的导沙区域（如沟壑、河谷）时，阻-固结合模式的外侧阻沙措施可变为导沙措施^{[19, 20]}，即调整为导-固结合型模式。

2.3 防沙体系的维护

沙区交通干线不仅要进行路基和路面的防风蚀维护管理^[26]，也要重点开展防沙体系维护^[27]。防沙体系功能会随着其发挥防风固沙作用而衰减^[28]，防沙材料也会逐渐腐朽老化。为了延长防沙体系寿命，需要不断对其进行维护和更新。防沙功能衰减并非全都从防沙体系的迎风边缘向内部逐步推进，防沙体系内部地形起伏处也可同步发生风蚀和沙埋^[29]。防沙体系越宽，其维护成本越高；且由于日常的小范围、多点维护不具规模效益，长期维护成本高于一次更新成本。因此，防沙体系的理论计算宽度^[30]（多存在技术性的沙害夸大问题^[31]）在经济学上并非最优，而适宜宽度的防沙体系长期更新成本更低，更符合实际。

3 交通干线防沙模式与成功案例

多年来，我国科技工作者针对不同区域环境条件和风沙危害特征，综合集成机械、化学和生物防护措施的优势^[32]，合理配置、因地制宜，逐步构建和完善了沙区交通干线防沙体系，确保了道路的安全运营。

3.1 流动沙漠环境“四带一体”的风沙危害综合防治模式――包兰铁路

1958年，包兰铁路建成通车，该线路在沙坡头段穿越腾格里沙漠东南缘。大面积格状流动沙丘由西北向东南倾斜，呈阶梯状分布；而铁路正处于沙丘阶梯下方，加之常年盛行西北偏西风和西北风，铁路走向大致与主风向呈45°夹角，沙丘副梁前移埋压造成严重的风沙危害^{[32, 33]}。

经过长期试验，初步建立了由高立式栅栏构成的前沿阻沙带、草方格与无灌溉植物结合的固沙带、灌溉条件下的乔灌木林带、砾石平台缓冲输沙带的阻、固、输、导“四带一体”的防沙体系^{[32, 33]}。因利用砾石平台输沙难以实现，林带灌溉也受水资源限制，经不断改进，形成2个基本条带，即：流沙迎风方向最前沿设立高立式栅栏构成阻沙区；设置半隐蔽式1 m×1 m草方格沙障和沙障内栽植一定密度的固沙植物，形成固沙林带区，最终建立了“以固为主，阻-固结合”的综合防沙体系^[34]（图 1）。

沙坡头防沙体系的建立和完善，有效控制了区内风沙活动^[32]，防护效果良好。固沙区内近地表风速降低了50%以上、输沙量减少了近80%，沙丘表面稳定^[34]；格状沙丘上起初建立的灌木-半灌木人工林带逐渐演替为草本植物-半灌木天然植被，土壤结皮形成，藓类及一年生植物出现，生物固沙作用加强^[34]；由于环境改善，植被区内出现了新的动、植物种，构成了一个稳定的固定沙地生态系统，并有由隐域性（流沙）地理环境向地带性地理环境（草原化荒漠）演变的趋势^[34]。该防护体系积累了在流动沙漠中以工程固沙方法为主的沙害防治经验，成为我国流沙环境交通干线风沙危害防治的首个成功模式^[32]。

3.2 高寒风沙环境大网格高立式沙障风沙危害防治模式――青藏铁路

2006年建成通车的青藏铁路，是世界上第一条海拔最高、穿越多年冻土及沙漠的高原铁路。调查研究表明，该铁路沿线大部分地处高寒干旱半干旱区，而少雨多大风、风旱同期的气候状况为风沙活动提供了动力条件^{[34, 35]}。随着全球气候变化，青藏高原冰川退缩、多年冻土退化、冻融交替，导致地表土壤结构松散，沙源增多，风蚀沙化加剧^[35]。此外，铁路修建等人类活动对原始地表扰动也逐渐增加。青藏铁路沿线风沙危害日趋严重，沙害路段达到270 km^[36]，风沙危害防治刻不容缓。

针对青藏铁路沿线不同区域自然环境特点和沙害持续加剧的现实，在沙源丰富地段建立了结合生物、化学措施，以机械措施为主的远阻近固、输导结合的综合防护体系^{[35, 37]}。研究表明，由于空气密度不同，与低海拔地区相比，高海拔低气压环境具有较高的起动摩阻风速，且跃移沙粒比重及跃移高度也相对增高^[36]。依据高海拔区这一沙粒运动形式及风沙流结构特征，提出了通过增加工程措施布设高度以降风速、固流沙的思路，研发了大网格高立式沙障防沙关键技术^{[19, 36]}（图 2）。采用高密度聚乙烯（HDPE）高立式阻沙栅栏、大网格高立式固沙障、石方格、碎石压沙等机械措施，结合喷洒固沙剂、地表植被保护与恢复等措施，构建了适宜青藏铁路的风沙危害综合防治技术体系^{[32, 34-39]}。

基于高寒风沙环境大网格高立式沙障风沙危害防治技术，在青藏铁路沿线河谷型、季节性干湖盆型、退化草地型等沙源区，因地制宜布设了一系列防护措施^[36]，使得风沙流得到有效控制，天然植被盖度达到30%以上，年累计清沙量大幅降低，目前仅12 000 m^{3 [36]}，防治成效明显。该模式填补了高寒风沙区交通干线沙害防治的研究空白，为高寒生态脆弱区风沙危害的科学防治提供了借鉴。

3.3 干旱流沙环境苦咸水灌溉造林模式――塔里木沙漠公路

20世纪90年代，中国成功修建了纵贯塔克拉玛干沙漠的塔里木沙漠公路，对油气资源开发和新疆南疆经济发展发挥了重要作用^[40]。塔克拉玛干沙漠气候极端干旱，公路沿线大部分路段盛行东北风，风力强劲；沙丘形态复杂多样，区域组合差异明显；流沙覆盖率高，沙源充足^{[41, 42]}。风沙危害成为沙漠公路安全运行的重要威胁^{[43, 44]}。

机械防沙体系可保障沙漠公路运行初期的安全^[44]，但其寿命短，维护更新成本巨大。因此，建立以生物防沙为主体的防护林生态工程是确保沙漠公路长久畅通的最好选择。针对塔里木沙漠公路沿线淡水资源匮乏、盐分积累、风沙土保水能力差等不利条件，将土壤类型、植物种类、灌溉周期、灌溉方式、灌溉定额有机结合，确立了科学灌溉制度^[45]（造林初期柽柳、梭梭灌水定额30 kg/株，灌溉周期15— 20天；沙拐枣灌水定额20 kg/株，灌溉周期10— 15天；随着林龄增加灌溉量适当增加，灌溉周期相应延长^{[46, 47]}），创建了咸水灌溉育苗规程，形成流动沙地苦咸水灌溉条件植物育苗技术^①；提出了高位打井、相对均匀布井（井间距4 km）、分支管供水（根据植物耗水特征实现差异供水灌溉）、补偿式滴灌（压力补偿式小流量滴头灌溉）和少灌勤灌、年末压盐的苦咸水灌溉关键技术体系^{[45, 48]}。

① 塔里木盆地西南缘生态综合整治技术服务平台（http://3w.detts.org/Item/6769.aspx）。

研发形成的流动沙地苦咸水灌溉造林技术成果直接应用于塔里木沙漠公路防护林生态工程建设之中，建成了全长436 km、总体宽度72—78 m的人工绿色走廊^[45]（图 3），林带面积3 128 hm²，种植苗木2 000余万株，成活率85%以上，从而根治了沙漠公路风沙危害，确保了公路安全畅通。该技术模式拓展了生态建设的可利用水资源，突破了“非宜林区”的造林禁忌，为极端干旱区风沙危害防治和生态恢复重建提供了成功范例，在国内外得到广泛关注。

3.4 活化沙丘环境无灌溉造林模式――准噶尔沙漠明渠

21世纪初，国家投资实施了天山北坡经济带水资源工程，其中准噶尔沙漠明渠段及伴行公路穿越古尔班通古特沙漠。沙漠明渠沿线降水量少，蒸发量大，无任何灌溉水源^[49]；风力强劲，风向单一；由于工程扰动，植被遭到破坏，活化沙丘严重威胁渠道和公路安全。

古尔班通古特沙漠冬季有稳定积雪，降雪约占年降水量的30%^[49]；春季积雪融化，79%—92%的蓄存水转化为土壤水分，形成悬湿沙层^{[50, 51]}。经试验研究，创立了利用悬湿沙层土壤水分在固定、半固定沙地进行无灌溉造林的关键技术^[52]。该技术体系主要涉及10余个适宜植物种（如梭梭、白梭梭、沙拐枣、沙枣、文冠果、紫穗槐、花棒、刺沙蓬、盐生草、沙米、沙蒿、绢蒿等）、2个种植时段（晚秋和早春）、2种造林方法（植苗和直播）、2种处理方式（保水剂蘸根处理和客沙造林）、3种结构布局（株行距分别为2 m×2 m、2 m×1 m和1 m×1 m）、4种立地条件（填方段阴坡、填方段阳坡、挖方段阴坡、挖方段阴坡）等方面^[52-54]。

基于研发形成的无灌溉植被恢复技术，结合多种防沙技术，创建了固定、半固定沙漠地区工程防护体系建设的优化模式。该技术模式在准噶尔沙漠明渠工程全线（168 km）得到推广应用（图 4），造林面积达30 000亩，植物成活率达85%以上，防沙体系造价降低了80%以上，工程扰动区植被得到迅速恢复，渠道沿线生态环境得到明显改善^{[55, 56]}，从而确保了沙漠明渠的顺利施工和安全运行。该技术模式开创了沙漠地区悬湿沙层水的生态利用新途径，拓展了无灌溉造林和生态工程建设的技术领域和实施区域，产生了巨大的社会影响。

4 中国交通干线沙害防治技术的国际推广应用前景

世界干旱区和半干旱区约占全球陆地面积的40%^[57]，其中荒漠面积3.6×10⁷ km^{2 [57, 58]}。受气候变化和人类活动的共同影响，全球干旱和半干旱地区，尤其是“一带一路”沿线区域，面临严重的水资源短缺和荒漠化危害问题，这直接危及基础设施建设和安全，特别是交通干线面临严重的风沙危害威胁。“一带一路”六大经济走廊大都存在不同程度的干旱风沙问题，累计约有6 000 km长的风沙危害区段，直接危害铁路、公路、输油输气管线工程和能源资源基地等。

世界各国在交通干线风沙危害防治方面开展了较多试验研究，开发了一些实用技术，但这些技术存在着材料成本较高、措施相对单一、防护效益不佳、使用寿命较短和维护难度较大等问题，其推广应用存在一定的局限性。而针对我国交通干线沿线风沙环境特征，通过技术试验、示范、集成和应用，形成了流动沙漠环境、固定半固定沙漠环境、高寒风沙环境等地区交通干线风沙危害防治模式，并在包兰铁路、青藏铁路、塔里木沙漠公路、准噶尔沙漠明渠及众多沙区交通干线成功应用。这些成套、成熟的技术模式具有低成本、易操作、效益高、寿命长的优点，对全球风沙地区道路防沙及生态建设具有重要参考价值，在世界干旱、半干旱地区尤其是“一带一路”沿线区域具有广阔的应用前景。