服務(wù)于快速路設(shè)計(jì)的冰雪影響程度預(yù)測(cè)模型研究

練象平，狄升貫

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市　300074）

服務(wù)于快速路設(shè)計(jì)的冰雪影響程度預(yù)測(cè)模型研究

練象平，狄升貫

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300074）

該研究的任務(wù)是開(kāi)發(fā)一個(gè)冰雪影響程度預(yù)測(cè)模型，計(jì)算一次降雪對(duì)道路交通的影響程度，綜合考慮城市的氣候條件、冰雪維護(hù)能力，針對(duì)現(xiàn)有快速路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不足，提出城市冰雪影響等級(jí)的劃分方法，為冰雪條件下城市快速路設(shè)計(jì)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。模型的建立需要3個(gè)步驟，首先，分析決定冰雪影響程度的6個(gè)因素；其次，使用多重回歸模型建立一個(gè)值在0和1之間的冰雪影響程度模型；最后，模型根據(jù)冬季養(yǎng)護(hù)人員對(duì)冰雪影響程度的評(píng)分對(duì)模型進(jìn)行修正，以產(chǎn)生合理客觀的冰雪影響程度模型。

交通工程；冰雪影響程度；預(yù)測(cè)模型；城市快速路；除雪能力

0　引言

各地降雪情況不同，對(duì)城市道路的影響也有不同，單純以降雪等級(jí)來(lái)劃分城市降雪等級(jí)是不合理的，城市降雪等級(jí)應(yīng)該由降雪等級(jí)以及降雪時(shí)間還有除雪能力共同決定。例如：在東北與南方地區(qū)，均會(huì)出現(xiàn)4種降雪等級(jí)（小雪、中雪、大雪、暴雪），然而東北因?yàn)闅鉁剌^低以及降雪時(shí)間長(zhǎng)，其冰雪的影響程度要遠(yuǎn)大于浙江，因此，為了更準(zhǔn)確地劃分冰雪影響區(qū)域，需要從歷史降雪數(shù)據(jù)分析不同地區(qū)在冬季的日平均降雪量，以此反映不同地區(qū)冰雪影響的差異。

1　冰雪影響程度研究現(xiàn)狀

1.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2008年我國(guó)南方發(fā)生罕見(jiàn)的低溫雨雪冰凍災(zāi)害后［1］，冰雪災(zāi)害的社會(huì)綜合影響研究開(kāi)始受重視。萬(wàn)素琴等［2］分別利用氣象要素和災(zāi)情資料構(gòu)建的綜合指數(shù)來(lái)評(píng)估2008年冰雪災(zāi)害，陳正洪等［3］則以社會(huì)媒體信息反映的社會(huì)應(yīng)急響應(yīng)程度來(lái)評(píng)估冰雪災(zāi)害。近年來(lái)不少學(xué)者開(kāi)展了冰雪災(zāi)害的行業(yè)評(píng)估研究，如冰雪災(zāi)害對(duì)安全行車(chē)最高車(chē)速［4］的影響評(píng)估。這些研究關(guān)注致災(zāi)因子——低溫雨雪過(guò)程本身的影響和分析，而對(duì)造成冰雪災(zāi)害的其他因素研究相對(duì)較少，城市氣象災(zāi)害方面的研究也多集中于綜合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)或突發(fā)性天氣災(zāi)害事件的評(píng)估，如對(duì)北京冰雹、暴雨積澇和雷電的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［6-8］，而對(duì)冰雪災(zāi)害的城市安全影響評(píng)估研究很少。

1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀

在本文中，冰雪影響程度的模型是基于Nixon和Stowe開(kāi)發(fā)的冰雪影響模型［9］，并進(jìn)行了修正。FHWA手冊(cè)中對(duì)冰雪影響因素進(jìn)行了描述［10］。這些費(fèi)用非常的巨大以至于許多交通機(jī)構(gòu)開(kāi)始關(guān)注冰雪養(yǎng)護(hù)的研究。盡管如此，冬季維護(hù)活動(dòng)的評(píng)估方法通常是主觀的，這種方法測(cè)量不精確，這個(gè)缺點(diǎn)導(dǎo)致了任何形式的成本控制方法均難以實(shí)施。任何對(duì)冬季維護(hù)成本的控制都需要考慮安全和環(huán)境問(wèn)題。因此，在這種情況下，有必要制定了一系列的量化措施，以及如何評(píng)估維護(hù)的有效性及實(shí)用性，以滿足廣泛的需求［11］。現(xiàn)有的冰雪影響預(yù)測(cè)是根據(jù)氣候和季節(jié)條件來(lái)判斷的。一個(gè)典型的冰雪影響程度指標(biāo)以氣溫、降雪量和形成霧天的頻率作為參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)為整個(gè)冬季的冰雪嚴(yán)重程度打分［12］。Decker［13］修正了這一傳統(tǒng)的計(jì)算方法，并制定了一個(gè)新的冰雪影響程度計(jì)算模型，模型考慮了每日的新降雪量。

為了完成一項(xiàng)冰雪影響程度的估計(jì)，需要考慮天氣狀況、道路信息以及政府對(duì)冬季維護(hù)的資金投入。尤為重要的是，維護(hù)工作的資金投入很大程度上取決于降雪的嚴(yán)重程度。因此，有必要對(duì)冰雪影響程度進(jìn)行量化。

2　冰雪影響程度模型

2.1冰雪影響程度影響因素分析

冰雪天氣極大困擾寒冷地區(qū)城市快速路的通行，對(duì)快速路交通安全以及運(yùn)行效率造成嚴(yán)重影響。本文利用氣象數(shù)據(jù)（大氣溫度、降雪量等），分析某一地區(qū)的日平均降雪量以及建立冰雪影響程度的計(jì)算方法，綜合考慮降雪情況以及除雪能力，將我國(guó)分為冰雪影響程度不同的多個(gè)區(qū)域。降雪對(duì)快速路的影響程度與多種因素有關(guān)。

（1）降雪量

快速路上積雪量的多少直接影響快速路的通暢性。此外，降雪后，路面的積雪以及結(jié)冰狀況會(huì)改變道路環(huán)境，如路面積雪、形成冰水混合物，甚至結(jié)冰。在冰雪路面上，輪胎與路面的附著摩擦系數(shù)比正常條件下的摩擦系數(shù)小很多，使車(chē)輛打滑，導(dǎo)致車(chē)輛追尾和行車(chē)速度降低。冰雪狀態(tài)下路面環(huán)境如圖1所示。

圖1　冰雪路面道路條件

（2）降雪期間的溫度

氣溫的高低直接影響著融雪速度、積雪厚度的變化和積雪延遲的天數(shù)。相同降雪量條件下，在氣溫較低的區(qū)域，道路積雪、結(jié)冰，影響行車(chē)安全。

（3）濕度

一次降雪過(guò)程的濕度直接影響著積雪厚度的變化和積雪延遲天數(shù)的變化。

（4）除雪速度

除雪機(jī)用來(lái)降低冰雪的影響，除雪速度對(duì)冰雪影響程度有緩解作用，對(duì)于冰雪影響程度大的地區(qū)可以通過(guò)投入更多除雪費(fèi)用來(lái)降低冰雪的影響程度。

除此之外，冰雪影響時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)速，快速路道路條件中的坡度、坡長(zhǎng)，道路路面條件也決定冰雪對(duì)快速路交通的影響程度。從東北地區(qū)快速路降雪條件下的運(yùn)行特性來(lái)看，冰雪影響程度是多種因子綜合作用的結(jié)果。若能把所有的因子都考慮進(jìn)去，不同等級(jí)降雪以及不同地區(qū)之間的差異就更加明顯。但是在對(duì)冰雪影響程度等級(jí)進(jìn)行定量研究時(shí)，若考慮的冰雪影響程度因素越多，所需試驗(yàn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)就愈多，建模就越復(fù)雜，處理時(shí)困難就愈大。

實(shí)際上，所有的這些冰雪影響程度的影響因子之間并非是相互獨(dú)立的，為了簡(jiǎn)化建模過(guò)程，選定日降雪量、氣溫及除雪速度作為冰雪影響程度的主要判別因素。這是因?yàn)椋笛┝颗c氣溫決定著路面條件，也決定著駕駛員的駕駛行為和能見(jiàn)度，是決定冰雪影響程度的主要因素。

2.2模型建立

該評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式是基于Boselly等在1993年建立的風(fēng)暴影響程度SSI指標(biāo)公式。該公式基本形式如下：

式中：ST為降雪類(lèi)型；Ti為降雪期間溫度；Wi為降雪期間的風(fēng)速；Bi為降雪前的天氣狀況；Tp為降雪后的溫度；Wp為降雪后的風(fēng)速；a，b是調(diào)整參數(shù)，保證指標(biāo)在0到1之間。

本文對(duì)冰雪影響程度進(jìn)行研究。冰雪對(duì)城市道路的影響主要體現(xiàn)在：路面形成雪面和冰面，導(dǎo)致道路表面的附著系數(shù)變小，從而引發(fā)各種交通問(wèn)題。這些道路條件的形成與降雪量以及當(dāng)?shù)亟笛┢陂g與降雪后的氣溫有很大關(guān)系，而風(fēng)速以及雪前的天氣狀況對(duì)此的影響不大，故對(duì)公式進(jìn)行修正如下：

式中：ST為降雪類(lèi)型；Ti為降雪期間溫度；Tp為降雪后的溫度變化情況；a，b是調(diào)整參數(shù)，保證指標(biāo)在0到1之間。

為了下一步計(jì)算冰雪影響程度，需要對(duì)3個(gè)變量分配一個(gè)評(píng)分，然后得到不同天氣組合下的冰雪影響程度評(píng)分。根據(jù)FHWA Manual of Practice推薦的方法，得到不同降雪與溫度的初始評(píng)分見(jiàn)表1。

表1　不同降雪與溫度的初始評(píng)分

3　冰雪影響程度模型應(yīng)用

3.1冰雪影響程度模型標(biāo)準(zhǔn)化

在確定了這些初始值以后，對(duì)模型進(jìn)行修正以使冰雪影響程度的值的頻率分布接近獲得一個(gè)正態(tài)分布。使用表1獲得的3種影響因素的估計(jì)值，以及48類(lèi)的因素組合成的48種天氣狀況，調(diào)整影響程度的值（通過(guò)a和b調(diào)整），從而使得所計(jì)算的冰雪影響程度指標(biāo)值具有近似正態(tài)分布（見(jiàn)圖2），此時(shí)：a=0.000 5，b=1.149 5。

3.2冰雪影響等級(jí)劃分

為了測(cè)試和提高模型的準(zhǔn)確度和實(shí)用性，在最后模型修正步驟中，將降雪影響程度按照冰雪影響程度選擇了10種典型降雪類(lèi)型。

圖2　冰雪影響程度頻率與累計(jì)頻率

不同類(lèi)型因素組成的天氣狀況冰雪影響程度值計(jì)算見(jiàn)表2。

按照冰雪影響程度值的分布規(guī)律，將冰雪影響程度劃分為10個(gè)等級(jí)A、B、C、D、E、F、G、H、I、J，按順序影響程度逐漸增加。A級(jí)代表冰雪影響程度最低：降雪類(lèi)型為小雪，降雪期間溫度大于0且降雪后溫度繼續(xù)升高；J代表冰雪影響程度最大：降雪類(lèi)型為暴雪，降雪期間溫度低于-10℃，雪后氣溫繼續(xù)降低。

表2　不同降雪與溫度的初始評(píng)分

續(xù)表2

3.3除雪能力對(duì)冰雪影響程度的影響

除雪機(jī)械以及融雪劑的應(yīng)用提高了除雪效率，對(duì)于冰雪影響程度相同的地區(qū)，地區(qū)間所配備的除雪設(shè)備不同，其除雪速度也會(huì)存在區(qū)別。除雪的速度會(huì)降低冰雪的影響程度，除雪速度越快，冰雪的影響程度以及影響范圍就變得越小。各種除雪器械有不同的除雪能力，其中，機(jī)械除雪速度為：

式中：n為除雪器械臺(tái)數(shù)；v為除雪器械除雪速度，km/h；l為除雪器械作業(yè)寬度，m；t為規(guī)定除雪時(shí)間；k為除雪器械工作時(shí)間利用系數(shù)；δ為寬度利用系數(shù)；各種除雪器械的相關(guān)參數(shù)取值見(jiàn)表3。

表3　各種清融雪作業(yè)工具系數(shù)表

除雪的效率可以從除雪作業(yè)的時(shí)間來(lái)判斷，假設(shè)城市快速路的除雪面積為S（m2），那么，從上述公式推導(dǎo)可知，城市根據(jù)自己對(duì)冬季快速路服務(wù)水平的要求，可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)情況控制除雪作業(yè)的效率。比如在冰雪影響程度為1的城市，道路管理部門(mén)可以多購(gòu)進(jìn)除雪機(jī)械以及融雪劑以加快快速路的除雪作業(yè)，保證城市快速路的運(yùn)行。在擁有的除雪機(jī)械數(shù)量和融雪劑固定的情況下，除雪作業(yè)所需的時(shí)間t（h）用下式表達(dá)：

城市快速路的除雪能力會(huì)降低冰雪的影響程度，將城市的除雪能力分為6個(gè)等級(jí)：A、B、C、D、E、F，每種除雪能力等級(jí)對(duì)應(yīng)著一個(gè)冰雪影響程度的折減系數(shù)，折減系數(shù)用下式表示：

即：每天除雪時(shí)間所占的比例，其劃分標(biāo)準(zhǔn)以及折減系數(shù)如表4所示。除雪所占時(shí)間越少，除雪對(duì)冰雪影響程度的折減越大，折減后，城市的冰雪影響程度等級(jí)會(huì)重新調(diào)整，在分析冰雪對(duì)快速路交通特性時(shí)，需要做出相應(yīng)的調(diào)整。

表4　除雪時(shí)間所占的比例

4　結(jié)論

本文得到的冰雪影響強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算公式，如果使用一次降雪的實(shí)際數(shù)據(jù)，那么計(jì)算出來(lái)的是一次降雪對(duì)城市道路的影響程度。為了適用于城市冰雪影響程度，可以將其中的溫度和日降雪量換成降雪日的平均降雪量和平均溫度，以此判斷城市的平均冰雪影響程度；也可以計(jì)算所有降雪日的冰雪影響程度，為判定該城市冰雪對(duì)城市快速路的影響提供基礎(chǔ)。同理，因?yàn)椴煌貐^(qū)降雪量的不同，可以用同樣方法將不同城市的降雪情況分為不同降雪區(qū)域，為完善快速路設(shè)計(jì)提供參考。

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U491

A

1009-7716（2016）01-0144-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.042

2015-07-15

練象平（1978-），男，福建武平人，高級(jí)工程師，從事路橋工程設(shè)計(jì)工作。