CC BY
16
УДК 625.768.5
САМОДУРОВА ТАТЬЯНА ВАСИЛЬЕВНА, докт. техн. наук, профессор, samodurova@vgasu. vrn. ru
ГЛАДЫШЕВА ОЛЬГА ВАДИМОВНА, канд. техн. наук, доцент, ov-glad@ya. ru
АЛИМОВА НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА, аспирант, natalimowa@yandex. ru
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
УЧЕТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОГОДНЫХ ФАКТОРОВ НА ДИНАМИКУ СНЕГОНАКОПЛЕНИЙ В НЕРАСКРЫТЫХ ВЫЕМКАХ
Рассмотрена задача оценки воздействия погодных факторов на объем снегонакоплений на откосах и в кюветах нераскрытых выемок автомобильных дорог.
Представлена математическая модель для определения объемов снегонакоплений на откосах и в кюветах выемок в любой момент времени с учетом воздействия погодных факторов. Предложено уравнение баланса для расчета объемов снегоотложений в нераскрытых выемках. Исследовано воздействие погодных факторов на потери снега. Получено уравнение регрессии для оценки потерь снега от превышения температуры воздуха над климатической нормой.
Ключевые слова: зимнее содержание дорог, объем снегонакопления, снего-емкость откоса и кювета, нераскрытая выемка, влияние погодных факторов.
SAMODUROVA, TATIANA VASILJEVNA, Dr. of tech. sc., prof, samodurova@vgasu. vrn. ru
GLADYSHEVA, OLGA VADIMOVNA, Cand. of tech. sc., assoc. prof., ov-glad@ya. ru
ALIMOVA, NATALIA YURYEVNA, P.G., natalimowa@yandex. ru
Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering,
84 the 20th Anniversary of October st., Voronezh, 394006, Russia
CONSIDERATION OF WEATHER FACTORS INFLUENCE ON DYNAMICS OF SNOW ACCUMULATION IN UNSOLVED HOLLOW
The problems of weather factors influence on volume of snow accumulation on the slopes and in ditches of roadway hollows have been discussed in the article.
The mathematical model for calculation of volume of snow accumulation on the slopes and in ditches of hollows at any time has been given, taking into account the influence of weather factors. The balance equation for calculation of snow volumes in unsolved hollows has been offered. The weather factors influence on snow losses has been investigated. The regress equation for snow losses estimation from excess of air temperature over climatic norm has been received.
Keywords: winter maintenance of roads, snow accumulation volume, snow container of slopes and ditches, unsolved hollow, influence of weather factors.
© Т.В. Самодурова, О.В. Гладышева, Н.Ю. Алимова, 2011
При зимнем содержании автомобильных дорог одной из актуальных задач является оперативное управление работами для поддержания требуемого уровня содержания и обеспечения безопасности движения. Объемы работ и необходимые ресурсы на их проведение при снегоочистке могут быть рассчитаны на основе определения количества снега, подлежащего уборке с проезжей части дорог. Отряд снегоуборочной техники должен формироваться в соответствии с погодными условиями и геометрическими параметрами поперечного профиля дороги [1].
Особое внимание при зимнем содержании следует уделять сильнозано-симым участкам дорог, на которых в первую очередь наблюдается отложение снега на покрытии. Согласно действующей классификации, к таким участкам относятся нераскрытые выемки любой глубины, если на подветренном откосе не может разместиться весь снег, приносимый в течение зимы [1]. Для поддержания требуемого уровня содержания необходимо заблаговременно выявить опасные с точки зрения снегозаносимости участки дорог и провести работы по снегоочистке в отведенное директивное время.
Характер переноса и отложения снега в нераскрытой выемке зависит от многих факторов, что затрудняет проведение натурных экспериментальных исследований, поэтому количественную оценку накоплений снега в нераскрытой выемке целесообразно проводить методами математического моделирования.
Ранее авторами были предложены математические модели для определения количества снегоотложений на дорожном покрытии за весь зимний период на основе расчета общего объема снегоприноса к участку дороги [2, 3]. Модели учитывают изменение геометрических параметров поперечного профиля земляного полотна за счет накоплений снега на откосах и в кюветах от метелей и снегопадов. Расчеты проводятся на основе информации, полученной с метеорологических станций о свежих отложениях. Методика расчета не предусматривала учет изменений, происходящих в слое накопленного снега под воздействием погодных факторов. Для учета динамики снегонакоплений в нераскрытых выемках в течение зимнего периода необходимы исследования процессов, происходящих в слое накопленного снега с течением времени. Результаты этих исследований позволят дополнить предложенный комплекс математических моделей по оценке снегозаносимости нераскрытых выемок.
Баланс снежных отложений на откосах и в кюветах нераскрытой выемки
За зиму наблюдается неоднократное выпадение твердых осадков при прохождении метелей и снегопадов. В результате этих погодных явлений на откосах и в кюветах нераскрытых выемок объем снежных отложений увеличивается. Снегонакопления также происходит и при проведении снегоуборочных работ за счет снега, счищаемого с покрытия и отбрасываемого в сторону откосов и кюветов. В периоды между снегопадами и метелями сформировавшийся слой снега испытывает воздействие различных погодных факторов (ветер, температура воздуха), и, как следствие, объем накопленных снежных отложений уменьшается. Таким образом, в течение всего зимнего периода количество отложений в нераскрытых выемках постоянно изменяется.
Объем снегоотложений на откосах и в кюветах нераскрытой выемки в любой момент времени можно представить уравнением баланса:
О = О + О + О - О (1)
•^отл -^сн А-^мет А-'уб -^пот ’ V '
где Осн - объем снега, выпавший при снегопадах, м3/м; 0мет - объем снега, принесенный к выемке при метелях, м3/м; Оуб - объем снега, отброшенный на откосы и в кюветы выемки при патрульной снегоочистке, м3/м; Опот - объем потерь снега под действием погодных факторов, м3/м.
Для проведения расчетов по формуле (1) необходимо располагать информацией о динамике всех погодных процессов, произошедших на рассматриваемом участке до интересующего нас момента времени. Динамическая модель изменения количества снегонакоплений в течение зимнего периода может быть представлена в общем виде [4]:
Оотл (0 = /[Н (0, а (0, (], (2)
где Оотл - количество снежных отложений; Н() - множество природных и погодных факторов; а() - множество дорожных факторов; ^ - время.
Наиболее значимые природные факторы - рельеф местности и особенности снегосборного бассейна учитываются при расчете объемов снегоприно-са по известной методике [1].
Наиболее значимые погодные параметры, определяющие динамику сне-гоотложений на участках автомобильных дорог, и схема расчетов приведены на рис. 1.
Рис. 1. Погодные параметры, влияющие на динамику снегонакоплений в нераскрытых выемках, и схема расчета снегоотложений
По данным наблюдений метеорологических станций можно не только рассчитать количество свежих снежных отложений на откосах и в кюветах нераскрытой выемки сразу после прохождения метели или снегопада, но и скорректировать сформировавшиеся ранее объемы снегоотложений с учетом влияния погодных факторов в периоды между метелями и снегопадами, когда выпадение осадков не наблюдается.
В работе приведены результаты исследований процессов изменения (уменьшения) объемов снежных отложений на откосах и в кюветах нераскрытых выемок в период между снегопадами и метелями за счет воздействия погодных факторов.
Потери снежных отложений под воздействием погодных факторов
Уменьшение объема накопленного ранее снега обусловлено его таянием во время оттепелей, испарением и уплотнением под действием сил тяжести и ветрового воздействия [5]. Объем потерь снега можно выразить как
О = О + О + О , (3)
•^пот £^исп -^упл ’ V '
где 2т - объем потерь снега от таяния во время оттепелей, м3/м2; Оисп - объем потерь снега от испарения с поверхности снежного покрова, м3/м2; Оупл - объем потерь снега от самоуплотнения под действием сил тяжести, м3/м2.
Анализ существующих исследований о состоянии снежного покрова в течение зимнего периода позволил сделать вывод о том, что количественную оценку снегонакоплений с учетом потерь снега следует проводить через плотность снежных отложений, подвергшихся ветровому и температурному уплотнению [4].
Плотность снега, подвергшегося ветровому и термическому уплотнению, определялась по формуле, предложенной Н.Г. Дмитриевой [4, 6]:
5П = 5ср + 0,0024 • Т + к7Е^ , (4)
где 5ср - средняя плотность снегоотложений на откосе и в кювете, определенная на день прохождения предыдущей метели или снегопада, т/м3; Т - число суток со скоростью ветра более 5 м/с за период между предыдущей метелью (снегопадом) и последующей; - сумма положительных среднесуточных
температур воздуха за период между предыдущей метелью (снегопадом) и последующей; к - эмпирический коэффициент.
Объем снегоотложений на откосе и в кювете нераскрытой выемки с учетом потерь снега от ветрового и термического воздействия может быть рассчитан по формуле
Оп = Осв ^ , (5)
5п
где Осв - объем свежих снегоотложений на откосе и в кювете, м3/м.
В большинстве случаев отложение снега с объемом Осв г при очередной метели и снегопаде происходит на уже накопленный ранее снег, поэтому объем снегонакоплений на откосе и в кювете нераскрытой выемки в интересующий момент составит:
О = О + О , (6)
•^отл г -^св г л^п ’ V '
а средняя плотность снежных отложений на откосе и в кювете в любой момент времени может быть вычислена по формуле:
5п • Оп +§• Ос
Оп + Ос
5ф = п г , (7)
где 5 - плотность свежих снегоотложений, т/м3.
В качестве показателя, характеризующего потери снега в течение зимнего периода, примем отношение потерь снега к общему объему свежих накоплений:
(ык - ык )100
Рг 05 =^-------^------, (8)
Ык
где Ык - объем снегонакоплений без учета воздействия погодных факторов; Ыкпот - то же с учетом воздействия погодных факторов, м3/м2.
Предложенная методика позволяет уточнить объем снегоотложений на откосах и в кюветах в любой момент времени с учетом потерь снега от погодных факторов, а при наличии специализированного прогноза погоды помогает оценить возможность снегозаносимости нераскрытой выемки и рассчитать объем снега, подлежащего уборке.
Для расчета по предлагаемой методике необходима информация о геометрических параметрах поперечных профилей земляного полотна автомобильных дорог и данные наблюдений ближайшей метеостанции или автоматической дорожной метеостанции (АДМС), оснащенной необходимыми датчиками. Состав информации приведен на рис. 1.
Для исследования влияния погодных факторов на динамику снежных накоплений на откосах и в кюветах нераскрытых выемок использовались данные шести зимних сезонов метеостанции «Воронеж».
Среди рассматриваемых зимних сезонов на основе анализа среднесуточных и максимальных температур воздуха был выбран наиболее теплый из них, для которого значения температуры воздуха, рассчитанные как среднее арифметическое за 10 дней, значительно превышали климатические нормы [7]. Аналогичным образом был выбран наиболее суровый с точки зрения температурного режима зимний период. На протяжении практически всей зимы среднесуточные и максимальные температуры воздуха были ниже отметки 0 °С. Графики средних и максимальных температур воздуха для двух характерных зимних периодов представлены на рис. 2.
Анализ погодной информации показал, что наиболее теплой зимой наблюдалось максимальное количество дней со скоростью ветра более 5 м/с, а наиболее холодной зимой количество их было ниже среднего.
Рис. 2. Температурный режим зимнего периода:
а - наиболее теплого; 6 - наиболее холодного; — ■ - ■ - нормативные показатели среднесуточных температур воздуха; --нормативные показатели максимальных температур воздуха днем; ---- среднесуточная температура воздуха; -----максимальная температура воздуха днем
Расчет объемов снегоотложений на откосах и в кюветах нераскрытой выемки
На основании данных наблюдений на метеостанции рассчитаны объемы снегонакоплений на откосах и в кюветах нераскрытой выемки от метелей и снегопадов. Графики средних за шесть лет наблюдений объемов накопления снега без учета влияния погодных факторов и с учетом их влияния представлены на рис. 3.
(Я
ю
О
Рис. 3. Средние значения объемов накопления снега на откосах и в кюветах нераскрытой выемки:
-------без учета влияния погодных факторов; ----------с учетом их влияния
а
б
Как показывают результаты расчета, с течением времени возрастает разница между фактическим объемом снега, рассчитанным с учетом потерь от термического и ветрового воздействия, и объемом, рассчитанным путем суммирования свежих накоплений, и достигает максимума к концу зимнего периода.
Влияние погодных факторов на потери снега на протяжении наиболее холодного и наиболее теплого зимних сезонов представлено на рис. 4.
Наиболее холодный из рассматриваемых зимний период был скуден на оттепели и порывы ветра более 5 м/с, поэтому вплоть до последних чисел декабря потери снега были незначительны. Лишь в начале января наблюдались первые оттепели с порывами ветра более 5 м/с, что привело к уменьшению объема накоплений снега (рис. 4, а).
Заметно уменьшился объем накоплений в конце января, когда отмечалось несколько дней с температурой воздуха выше 0 °С. В этот период наметилась тенденция к регулярному уменьшению объема снега, хотя общий объем снегонакоплений возрастает за счет свежих отложений. Резкое сокращение объема снега началось с середины марта, когда температура воздуха не опускалась ниже 0 °С.
В целом рассматриваемый зимний сезон выдался относительно холодным, маловетренным и снежным. Но даже достаточно редкие оттепели внесли коррективы в объемы отложений, изменили общую картину динамики снежных накоплений. Суммарный объем свежих отложений без учета влияния погодных факторов в конце сезона составил 2,7 м3/м2, а за счет воздействия ветра и температур он сократился до 1,2 м3/м2.
Наиболее теплой зимой количество дней с оттепелями и порывами ветра свыше 5 м/с значительно возросло по сравнению со среднегодовыми показателями, что создало благоприятные условия для уменьшения объемов снегонакоплений (см. рис. 4, б).
Анализ результатов расчета показал, что начало зимнего периода характеризуется безветренными днями с отрицательной температурой и малыми объемами снегоотложений. Первый обильный снегопад с интенсивностью 8,1 мм воды наблюдался 23 ноября, затем 29 ноября прошла метель с объемом снегоприноса 4,8 м3/м, за счет чего объемы накоплений снега возросли. В это же время наблюдается повышение температуры воздуха и увеличение скорости ветра, как следствие - объемы накопившегося снега несколько уменьшились. Однако объемы свежих отложений превышают потери снега, поэтому общий объем снегонакоплений увеличивается вплоть до января. После чего температура воздуха часто повышается до положительных значений, более часты дни с порывами ветра свыше 5 м/с.
Таким образом, в течение всего зимнего сезона, несмотря на прохождение отдельных снегопадов и метелей, накопления снега на откосах и в кюветах нераскрытых выемок постоянно уменьшались под действием погодных факторов и к концу зимы составили около 0,6 м3/м2, в то время как суммарный объем накоплений без учета потерь превысил 1,6 м3/м2.
Динамика потерь снега в течение зимнего периода представлена на рис. 5. Как показывают результаты моделирования, количественное значение потерь снега на протяжении зимы постепенно возрастает и достигает своего максимума к концу зимнего периода во время активного снеготаяния.
Объем накоплений, м3/м2 Температура, °С Кол. дней Объем накоплений, м3/м2 Ъшшгргпура, °С Кол. дней
' \ ,#
_ ' 1
- * ' ' л*""--.
' - ' ’ ' *
✓ —
У
^ / -
' ^ V ^ /■ ' *
Ч ^ . — , *
N У
СО Ю ГЧ С7> Щ СП О ГЧ П СМ т- СЧ СО
Рис. 4. Взаимосвязь потерь снега и погодных факторов:
а - для наиболее холодного зимнего периода; б - наиболее теплого зимнего периода; .......количество дней с порывами ветра более 5 м/с; — ■ - ■ - среднесуточная температура воздуха;----------максимальная температура воздуха днем;
------ объем снегонакоплений без учета воздействия погодных факторов;
объем накоплений с учетом воздействия погодных факторов
Рис. 5. Отношение потерь снега к первоначально выпавшему объему снега: средние показатели отношения за рассматриваемый период;
......наиболее холодной зимой;-----наиболее теплой зимой
Величина потерь снега постоянно изменяется на протяжении всего зимнего сезона. В первые дни зимы, когда снежный покров только начинает формироваться и велика вероятность оттепели, потери снега могут быть существенными, что связано с малыми объемами накоплений. Так, в начале холодного зимнего периода общее количество накоплений не превышало 0,078 м3/м2, а потери снега составили 23 % (рис. 5). С течением времени температура воздуха снижается, что приостанавливает уменьшение количества снега.
Чем чаще и продолжительнее периоды оттепелей и дней с порывами ветра свыше 5 м/с, тем выше процент потерь снега. Всплески потерь снега приходятся на длительные периоды оттепелей и/или дни без осадков и с сильными порывами ветра. Так, в середине января холодного зимнего периода температура воздуха в течение двух недель не опускалась ниже 0 °С, помимо этого порывы ветра в эти дни достигали 9-13 м/с. Поэтому потери снега в этот период возросли на 18 %.
Резкое сокращение процентного отношения потерь снега к объему накоплений происходит за счет свежих отложений при метелях и снегопадах. Так, холодной зимой в безветренные дни с устойчивой отрицательной температурой и при наличии свежих снегоотложений потери несколько раз за сезон сокращались на 5-10 %. Периоды интенсивных потерь снега компенсируются периодами накопления свежих отложений, поэтому в течение большей части зимы потери снега составляют порядка 15-25 %.
На протяжении наиболее теплого зимнего периода оттепели наблюдались регулярно, и поэтому потери снега на протяжении всего сезона неуклонно возрастали и к концу зимы составили порядка 60 %.
Во время весеннего потепления, независимо от тенденции накопления в течение зимы, потери начинают активно возрастать и к периоду снеготаяния
в отдельные годы достигают 50-60 %. На рис. 5 приведены средние за 6 лет наблюдений показатели отношения потерь снега к первоначально выпавшему объему снега.
Исследована зависимость потерь снега на откосах и в кюветах нераскрытых выемок от превышения температуры воздуха над климатической нормой и составлено уравнение регрессии [8]:
Рг os = 0,6 ДТв2 + 3,267ЛТв + 3,974, (11)
где ЛТв - превышение температуры воздуха над климатической нормой, град.
Влияние факториального признака на результативный п > 0,95, что говорит о тесной корреляционной зависимости.
Коэффициент детерминации составляет: д = Г[ = 0,906, это доказывает, что превышение температуры воздуха над климатической нормой является доминирующим фактором (90,6 % потерь снега обусловливается температурным фактором, остальные 9,4 % обусловлены влиянием ветра).
Проверка адекватности регрессионного анализа проведена по критерию Фишера при уровне значимости а = 0,01. В результате установлено, что выдвинутая гипотеза взаимодействия не отвергается.
Выводы
1. Предложена методика расчета снегонакоплений в нераскрытых выемках, позволяющая учитывать изменения, происходящие в слое снега, ранее накопленного на откосах и в кюветах, под действием погодных факторов в периоды между снегопадами и метелями.
2. Выявлены погодные параметры, влияющие на динамику снегонакоплений от снегопадов и метелей в нераскрытых выемках.
3. Приведены результаты исследований влияния температуры воздуха и скорости ветра на потери снега в течение зимнего периода. Впервые получено уравнение регрессии, позволяющее рассчитывать потери снега в нераскрытых выемках от превышения температуры воздуха над климатической нормой.
4. Результаты исследований могут быть использованы для расчета динамики снегоотложений на снегозаносимых участках дорог и разработки рекомендаций по технологии проведения снегоуборочных работ.
Библиографический список
1. ОДМ 218.5.001-2008. Методические рекомендации по защите и очистке автомобильных дорог от снега. - Введ. 2008-03-01. - М. : Министерство транспорта Российской Федерации: Федеральное дорожное агентство (Росавтодор), 2008. - 98 с.
2. Гладышева, О.В. Определение количества метелевых снегоотложений на земляном полотне автомобильных дорог / О.В. Гладышева, Т.В. Самодурова // Известия вузов. Строительство. - 2003. - № 8. - С. 94-100.
3. Гладышева, О.В. Расчет снегоотложений на земляном полотне автомобильных дорог: Компьютерные учебные программы и инновации / О.В. Гладышева, Т.В. Самодурова // № ОФАП 5009, № ГР 50200501132. - 2005. - № 10. - 4 с.
4. Гладышева, О.В. Учет динамики снегоотложений на автомобильных дорогах / О.В. Гладышева // Известия вузов. Строительство. - 2006. - № 7. - С. 77-82.
5. Дюнин, А.К. Механика метелей / А.К. Дюнин. - Новосибирск : Изд-во СО АН СССР, 1963. - 378 с.
6. Дмитриева, Н.Г. Расчет плотности снежного покрова по метеорологическим данным / Н.Г. Дмитриева // Метеорология и гидрология. - 1950. - № 2. - С. 39-44.
7. Научно-прикладной справочник по климату СССР . Сер. 3. Многолетние данные. Ч. 1-6. Вып. 28. - Л. : Гидрометеоиздат, 1990. - 366 с.
8. Завадский, Ю.В. Статистическая обработка эксперимента / Ю. В. Завадский. - М. : 1976. - 270 с.
