基于wrf模式新疆铁路网大风灾害研究-聂新民.pdf

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1、第6l卷第12期2017年12月铁道标准设计RAILWAY STANDARD DESIGNV016lDecNo122017文章编号：10042954(2017)12013604基于WRF模式新疆铁路网大风灾害研究聂新民(新疆铁道勘察设计院岩土事业部，乌鲁木齐830011)摘 要：大风灾害对铁路建设影响日益突显，为解决偏远地区铁路前期规划设计阶段常常遇到气象资料匮乏问题，使用高分辨率WRF模式模拟风速作为常规气象风速观测补充，分析研究新疆铁路网沿线日平均风速，为已建成铁路沿线防风工程和未来铁路规划提供基础数据。研究表明：通过对比站点实测风速与模拟风速，可以发现新疆北疆地区模拟风速在冬季呈现高估现

2、象，而在夏季呈现低估现象；模拟风速在新疆南疆地区整体呈现高估现象。总体上，模式模拟风速可以模拟新疆复杂地形下风速变化。在19792013年间，多年平均大风日数反映出已建成的兰新铁路和南疆铁路仅在百里风区、三十里风区、南疆前三十里风区有较大值；规划中的克塔铁路、库格铁路、和罗铁路和哈将铁路在山区复杂地区大风日数有较大值。除兰新铁路三十里风区附近地区大风日数呈现减弱趋势，新疆其余地区大风日数呈现不同程度增加趋势。大风指数分析发现规划中和罗铁路、库格铁路、哈将铁路、克塔铁路大部分线路大风指数均处在高值区，且均以每10年8 ms以上速率增加。关键词：铁路；气象；选线；大风；沙漠中图分类号：U2131+

3、54 文献标识码：A DOI：1013238jissn10042954201712028Study on Wind Disaster of Xinjiang Railway NetworksBased on WRF ModelNIE Xinmin(Department of Geoteehnieal Engineering，Xinjiang Railway Survey and Design Institute，Urumqi 8300 1 1，China)Abstract：To solve the lack of wind speed observation in the planning a

4、nd construction of railway inremote areas，this study uses high resolution WRF modelS simulation to study gale wind disastersTheresult shows that the WRFS wind speed can generally capture the wind speedS spatial patterns inXinjiang complex terrainIn 19792013，the mean days with gale wind reflects that

5、 Sanshili windregion，Baili wind region and Nanjiang Sanshili wind region along the constructed Lanxin Railway andNanjiang Railway have more strong wind days than other regions in XinjiangThe railways on planninghave more strong wind days only in mountainous region with complex terrainAll regions exc

6、ept Bailiwind zone tend to have more gale daysThe gale wind index analysis shows that most sections of theplanned railways，such as Luohe Railway，Kuge Railway，Hajiang Railway and Keta Railway are locatedin regions with higher gale wind index with increasing rate of 8 ms per 1 0 years收稿日期：2017一0131；修回

7、日期：20170309作者简介：聂新民(1964一)，男，高级工程师，2004年毕业于北方交通大学建筑与土木工程专业，工学硕士，E-mail：niexinmin2008163com。“。un-一c一91012Key words：Railway；Meteorology； Routineselection；Gale wind；Desert谭燕铁路交通引发场地振动的传播规律与隔振措施研究D武汉：华中科技大学，2011梁波，蔡英不平顺条件下高速铁路路基的动力分析J铁道学报，1999，21(2)：9397韩海燕软土路基上高速列车引起地面振动的数值模拟分析D成都：西南交通大学，2012张光明高速铁路路基段

8、地面振动响应研究D成都：西南交通131415_-nf-、-4P-，uc一一大学，2014刘海鹏，兆文忠，杨巨平，等C70A(C70AH)型运煤敞车的研制J铁道车辆，2007(4)：1518朱晓嘉CRTSII型轨道板温度效应及其对列车运行安全性的影响分析D成都：西南交通大学，2012郭帅杰基于桩帽尺寸调整的桩网复合地基沉降控制方法研究J铁道标准设计，2016，60(11)：59万方数据第12期 聂新民一基于WRF模式新疆铁路网大风灾害研究 1371 概述 2研究方法在经济快速发展的大环境下，新疆地区铁路规模预测将会持续增长。在“十二五”和“十三五”规划中，兰新铁路第二双线、喀和线、哈罗线也相继竣

9、工。随着新丝绸之路经济带的提出，连接喀什一瓜达尔港的中巴铁路建设也提上日程。这条铁路是中国除两条“欧亚大陆桥”铁路外，又一条连接欧洲和非洲的通道。由此可见，新疆铁路网已成为中国铁路规划和建设的重要地区之一。然而新疆铁路自兰新铁路通车以来，饱受自然灾害危害，其中以大风灾害最为频繁。大风灾害除直接对铁路客货运输安全、铁路设备和人员造成影响外心剖，还会产生次生灾害，如精伊霍铁路和克塔铁路沿线冬春两季的风吹雪灾害”-71和百里风区的沙害8】。乌鲁木齐铁路局除在行车组织规则中规定大风天气行车注意事项外，还根据大风监测系统和野外试验数据科学制定了大风天气列车安全运行办法，以确保行车安全一1。在针对大风灾害

10、的研究中，发现从进疆开始的安西风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区到南疆前百里风区，大风主要发生在春、夏两季，风速以910级(蒲式风速)较为普遍0。在大风灾害监测和研究过程中，发现大风监测网中25 m高度气象站测得秒级脉动风速和2 min平均风速比气象观测中常用10 min平均风速，更能体现大风强度，并确保列车运行安全H。随着研究深入，相应工程防治措施也开始应用在受大风灾害影响的铁路沿线。在兰新铁路试验路段，挡风墙对铁路线路内侧大风风速减弱作用显著”1。在兰新铁路第二双线选线工作中，挡风墙和半封闭(全封闭)防风走廊设计已经在风区铁路沿线应用“。针对铁路沿线大风灾害除了工程防治措施外，乌鲁木齐

11、铁路局还组织建设了风区大风监测系统4151和大风预警系统，确保列车行车安全。根据近些年气象部门提供的数据，新疆已建成线路和规划中线路沿线平均风速、极端风速和大风13数均呈现下降趋势-2“。然而，大风监测系统仅在风区关键地点部署，气象部门气象站基本部署在村镇、城市附近，使得新疆其他规划建设中铁路沿线附近均无气象站监测风速。这样在具体的选线工作中无翔实的风速数据，因此无法评估大风灾害对铁路线路建设和运营影响及估算后期防护工程建设成本。为了解决偏远地区铁路规划所需风速资料匮乏问题，使用高分辨率数值模式模拟风速作为常规气象站点监测风速的补充，分析研究新疆铁路网19792013年间大风灾害。本研究以新疆

12、行政区域范围作为研究区(图1)，观测验证数据采用中国气象科学数据共享服务网提供的中国地面观测资料日值数据集19792005年逐13 13平均风速。在新疆地区，选取71站作为本研究观测数据，站点空间分布见图1(审图号：GS(2008)1390)。风速数据在数据质量控制中，均通过阈值范围检查(013平均风速40 ms)。按照新疆“三山两盆”的地貌特征将站点分为4个部分，分别为：位于准噶尔盆地的北疆站点(114号站，共14站)，位于新疆中部的中天山站点(1543号站，共29站，其中乌鲁木齐河流域2831号站，共4站)，位于塔里木盆地的南疆站点(4466号站，共23站)，位于东天山附近站点(6771号

13、站，共5站)。WRF风速数据由中国西北地区1979-2013年WRF模式气温和降水数据集L http：westdcwestgisacendata40895 e03一t9 194721893fa6fee9feab81)原始数据提取。(绿线为已建成铁路，红线为规划中铁路，蓝点为气象站点数字为文中气象站编号；灰圈为主要风区位置)图1 新疆铁路网分布WRF(Weather Research Forecasting)是由美国多个研究部门及大学共同参与开发研究的新一代中尺度预报模式。目前已经在世界大多数国家的天气预报业务和相关的业务部门及科研单位广泛应用。在西北地区，WRF模式已经广泛应用于大气低层近地风

14、速的模拟工作中旧52 6|。因此，可以使用WRF模式模拟大范围的风场。为了评估WRF模式双线性插值后的10 m风速模拟精度，以实测数据为参考。采用皮尔逊相关系数r和平均误差m，作为统计指标对风速模拟结果进行评估。相关系数和平均误差的计算公式分别为(x；一刁(菇。一刁r=三!一 厂iF一荟c菇，一刁2。；c菇。一刁21nmc 2亡荟c矿(1)(2)万方数据138 铁道标准设计 第6l卷式中，r为相关系数；m。为平均误差；菇：为模拟数据；戈。为实测数据；i为天数的索引；7,为计算时期中总天数。相关系数的阈值在一11，越接近1，说明模拟风速和观测风速的变化越接近；越接近一1，说明模拟风速和观测风速的

15、变化呈现相反的变化。m。接近0，说明模拟风速和观测风速差异较小，相反若m，越大说明模拟风速和观测风速差异较大。在单位时间内，少数几次极值风速会对车辆、接触网和线路造成灾害影响，多次大风风速会对车辆、接触网等产生金属疲劳、共振等影响。乌鲁木齐铁路局大风天气列车安全运行办法中规定，当风速超过8级(风速大于172 ms)列车须停轮避风。因此，为了综合衡量大风灾害对于铁路的影响，本研究定义大风指数，即日平均风速大于17 ms的风速之和。其中，大风指数单位为ms，统计时间为1年。大风指数主要考虑大风风速和大风持续时间(频率)两个要素，即相同的大风指数，可以是少数几次极值风速构成，也可是多次较小的大风风速

16、之和。3 结果31 模式风速评估在新疆北疆地区(116号站)，冬半年(11月至次年3月)风速呈现高估状态(见图2(a)，高估最多达345 ms，平均为110 ms；夏半年(4月至10月)除布尔津(3号站)和福海(4号站)外，日平均风速呈现低估现象，平均低估为一039 ms。中天山北坡(1824号站)年内变化格局与北疆地区类似，但表现强度偏弱，夏半年平均低估为一033 ms，冬半年平均高估为003 ms。乌鲁木齐河流域(2831号站)年内风速变化格局也与北疆地区类似。东天山西部(3236号站)年内变化格局中天山北坡类似。南疆地区的塔里木盆地(4466号站)风速呈现高估现象，全年平均高估为082

17、ms。风速在东天山东部(6971号站)整体呈现低估现象，平均值为一097 ms。从总体上看，北疆风速冬季呈现高估趋势，夏季呈现低估趋势；南疆整体也呈现高估趋势，但夏季高估明显。在新疆7I站中(图2(b)，北疆地区哈巴河(1)相关系数在北疆最高(061)。北疆其余各站在夏半年(4月至10月)相关系数较高。中天山北坡(1824号站)相关系数相对于北疆下降，年平均相关系数为022。乌鲁木齐河流域(2831号站)整体相关系数较低，年平均仅为011。东天山西部(3236号站)中木垒(33号站)、十三间房(34号站)、托克逊(35号站)全年相关系数均较高，平均为061。南疆地区的塔里木盆地(4466号站)

18、在春季(2月至5月)相关系数为029，秋季(9月和10月)相关系数为025，其余各月相关系数在02以下。东天山东部(697l号站)仅红柳河(71号站)平均相关系数为051，其余站点相关系数平均为010。总体上，在新疆大部分站点相关系数在02以上，个别站点相关系数超过07以上。萎溯l移妒润站点号站点尺度风速偏差) 10 5 21I二)【)1 4(J 43)OIJ n)O站点譬相关系数(纵轴为112月，横轴为图1中气象站编号)图2 站点尺度风速偏差和相关系数32大风日数分析在气象学中，一般定义风速8级风(风速大于172 ms)以上的天数为大风日数。图3(a)是由WRF模式模拟风速计算出的多年平均大

19、风日数图。图中新疆大部分地区大风日数均小于12 d，仅在克塔铁路玛依塔斯地区，精伊霍铁路山区段，哈将铁路天山北坡和兰新铁路百里风区、三十里风区等地区大风日数超过30 d。图3(b)是大风日数在19792013年的趋势图。在图3中，可以看到兰新铁路和南疆铁路交汇处的三十里风区、达坂城风区和南疆铁路前百里风区的大风日数以0406 d10年的速率减少，这与兰新铁路第二双线大风专项研究结果一致。而在兰新铁路的百里风区呈现微弱的增加趋势(02 dlO年)。新疆境内铁路，克塔铁路中部玛依塔斯地区大风日数以081 d10年的速率剧烈增加；哈将铁路在十三间房附近天山北坡大风日数和精伊霍铁路山区地段也以08 d

20、10年的速率剧烈增加。在库格铁路从若羌开始进入阿尔金山大风日数以08 d10年趋势增加，进入柴达木盆地后和新疆大多数地区大风日数的趋势类似，以002 dlO年速率增加。万方数据第12期 聂新民一基于WRF模式新疆铁路网大风灾害研究 139W媳N舶N一。“N一赵40N好3l“弘N、 、，；、一，、。 ， 岛醢摹。一jr慧堕蕊!：!E 75E 78E HI F 84E 197E 帅E q强 96E 岬|=I=E=-O 6 2 R 24 ，()”42 38 54 60经度(。)(a)多年平均大风日数一， J_ 经腹 (1 Jl，)大mIj数趋势图3新疆地区多年平均大风13数及趋势33大风指数分析图4

21、(a)是多年平均累计大风指数。哈将铁路穿越天山至将军庙，多年平均大风指数在180 ms左右。克塔铁路克拉玛依至玛依塔斯段大风指数在240300 ms。和罗铁路和库格铁路大部分线路大风指数在80 ms以内。兰新铁路的三十里风区大风指数在经度(。)a)多年平均累积大风指数lI，J累扒人眦指数趋势图4新疆地区多年平均累计大风指数及趋势320 ms以上。在图4(b)中，大风指数的趋势在克塔铁路的玛依塔斯地区和哈将铁路天山北坡附近大风指数呈现以每10年24 ms速率显著增加趋势。在兰新铁路达坂城风区和三十里风区呈现以每10年16 ms速率减弱趋势。和罗铁路大部分地段，大风指数呈现以每10年8 ms速率微

22、弱增加趋势。4 结论本研究与文献1724存在一定差异。因为模式的分辨率为12 km，这样对于峡谷地形不能体现复杂地形对风速的影响。在模式的计算过程采用的风速数值是每3 h保存的结果，而实际观测一般为3 s和2 min时间平均的瞬时风速超过17 ms就计算为大风日数，这样会使模拟风速计算出的大风日数小于实际由站点计算出的大风日数，但可以看出计算得出的大风日数空间位置和相关文献基本一致。在评估过程中，发现获取的气象站点的坐标和在Google Earth软件中查找到的气象站点有显著的差异，最大的误差经纬方向超过03。这样对于地形复杂地区，含误差的坐标站点会直接影响评估结果的可信度，这也是评估模拟风速

23、相关系数和偏差较低的原因之一。通过对WRF模式风速可信度验证和大风天气分析，可以得出以下结论。(1)通过站点观测风速与模式模拟风速的对比，可以发现北疆风速冬季呈现高估趋势，夏季呈现低估趋势；南疆整体呈现高估趋势，而夏季高估明显。总体上模式模拟风速可以模拟新疆复杂地形下的风速变化。(2)WRF模式35年模拟的多年大风日数反映出已建成的兰新铁路和南疆铁路仅在百里风区、三十里风区、南疆前三十里风区有较大值；规划中的克塔铁路、库格铁路、和罗铁路和哈将铁路在山区复杂地区大风日数有较大值。在19792013年间，全疆仅兰新铁路三十里风区附近地区大风日数呈现减弱趋势，其余地区均呈现不同程度的增加趋势。(3)

24、在大风指数分析中，发现规划中和罗铁路、库格铁路、哈将铁路、克塔铁路大部分线路和大风指数均处在高值区，且均以每10年8 ms以上速率增加。参考文献：1于洋，王琳，陈军团我国西北地区铁路网规模测算研究J中国铁路，2011(5)：43472李荧新疆铁路风区苫盖篷布车辆运行安全性分析J铁道车辆，2012(5)：22233吴芊新疆百里风区接触网行为探讨D成都：西南交通大学。20144 钱征宇西北地区铁路大风灾害及其防治对策J中国铁路，2009(3)：14万方数据第6l卷第12期2017年12月铁道标准设计RAILWAY STANDARD DESIGNV0161DecNO122017文章编号：100429

25、54(2017)12014005黄土地区铁路建设项目对地下水环境的影响研究张 颖(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)摘要：在我国西北地区，铁路项目的隧道工程越来越多，其对黄土含水层的地下水环境影响受到关注。为减轻隧道工程对地下水环境的影响，保证当地居民正常的生活用水及生态用水，以穿越黄土地区的铁路项目南惠隧道为例，在现场调查的基础上，介绍该隧道工程线路附近区域的水文地质条件及隧道外环境现状，重点分析该隧道工程的建设对线位附近地表水库、两侧村民饮用水井及对隧道洞顶植被可能产生的影响，并结合工程的具体情况，提出相应的环境保护措施，确保工程对地下水环境的影响降到最低。并对同类隧道工程

26、给出工程环保选线上的一些建议。关键词：黄土地区；铁路；隧道；地下水；环境影响中图分类号：X8203 文献标识码：A DOl：1013238jissn10042954201712029Study on Influence of Railway Construction Project onGroundwater Environment in Loess AreaZHANG Ying(China Railway First SurveyDesign Institute Group Co，Ltd，Xian 710043，China)收稿日期：20170305；修回日期：20170322作者简介：张颖

27、(1988一)，男，工程师，2013年毕业于中国地质大学(武汉)环境学院水利工程专业，工学硕士，主要从事铁路环境保护与环境影响评价工作，E-mail：383235742qqcorn。Abstract：In the northwestern region of China，tunnel projects are getting more and more inrailway engineering and their impact on the5 高卫东，刘明哲，魏文寿，等铁路沿线风吹雪灾害及其防治研究J中国铁道科学，2004(5)：991036 刘双进精伊霍铁路风吹雪灾害预防和治理探讨J路基工

28、程，2008(4)：74767 罗新文新疆克拉玛依至塔城铁路风雪灾害特征研究J铁道标准设计，2014(10)：10168 牛权，史永革，张小勇新疆铁路百里风区既有防风沙工程薄弱点分析J铁道技术监督，201I(8)：43459 葛盛昌新疆铁路风区大风天气列车安全运行办法研究J铁道运输与经济，2009(8)：323410薛春晓，蒋富强，程建军，等兰新铁路百里风区挡沙墙防沙效益研究J冰川冻土，2011(4)：85986211李红军，赵勇，霍文，等新疆“百里、三十里风区”铁路沿线设计风速研究J干旱区地理，2011(6)：94194812姜强，薛洁铁路大风监测与行车安全试验J新疆气象，2006(3)：2

29、52713张太红兰新铁路第二双线穿越大风区综合选线研究J铁道标准设计，2015(7)：283214卡哈尔江艾海提铁路风监测系统改造方案研究J铁道通信信号，2013(4)：666915盛其平高速铁路上的侧风问题J铁道标准设计，2006(4)：19211617181920212223242526肖建华，姚正毅，屈建军，等兰新铁路百里风区极端风况特征及形成机制J中国铁道科学，2016(3)：130137田莉，奚晓霞近50年西北地区风速的气候变化特征J安徽农业科学。2011(32)：2006520068曹兴，万瑜，陆辉，等近30a新疆达坂城风区大风特征及其变化规律J干旱区研究，2015(1)：1161

30、22张占峰，张焕平，马小萍柴达木盆地平均风速与大风日数的变化特征J干旱区资源与环境，2014(10)：9094刘强吉，武胜利，罗兰，等近54年来新疆和田地区平均风速时空变化J西南师范大学学报(自然科学版)，2016(4)：4551何毅，杨太保，陈杰，等19602013年南北疆风速变化特征分析J干旱区地理，2015(2)：249259张克新，潘少明，曹立国19612010年河西地区平均风速时空变化趋势分析J地理科学，2014(1I)：14041408陈洪武，辛渝，陈鹏翔，等新疆多风区极值风速与大风日数的变化趋势J气候与环境研究。2010(4)：479490祁延录，王怀军大风对新疆铁路的影响及防护J西部探矿工程，2009(6)：161163王澄海，胡菊，靳双龙，等中尺度WRF模式在西北西部地区低层风场模拟中的应用和检验J干旱气象，2011(2)：161167王勇基于WRF模式的酒泉风电基地近地层风场特征模拟研究D兰州：兰州大学，2012万方数据