服務于快速路設計的冰雪影響程度預測模型研究

練象平，狄升貫

（天津市市政工程設計研究院，天津市　300074）

服務于快速路設計的冰雪影響程度預測模型研究

練象平，狄升貫

（天津市市政工程設計研究院，天津市300074）

該研究的任務是開發一個冰雪影響程度預測模型，計算一次降雪對道路交通的影響程度，綜合考慮城市的氣候條件、冰雪維護能力，針對現有快速路設計標準的不足，提出城市冰雪影響等級的劃分方法，為冰雪條件下城市快速路設計優化提供基礎。模型的建立需要3個步驟，首先，分析決定冰雪影響程度的6個因素；其次，使用多重回歸模型建立一個值在0和1之間的冰雪影響程度模型；最后，模型根據冬季養護人員對冰雪影響程度的評分對模型進行修正，以產生合理客觀的冰雪影響程度模型。

交通工程；冰雪影響程度；預測模型；城市快速路；除雪能力

0　引言

各地降雪情況不同，對城市道路的影響也有不同，單純以降雪等級來劃分城市降雪等級是不合理的，城市降雪等級應該由降雪等級以及降雪時間還有除雪能力共同決定。例如：在東北與南方地區，均會出現4種降雪等級（小雪、中雪、大雪、暴雪），然而東北因為氣溫較低以及降雪時間長，其冰雪的影響程度要遠大于浙江，因此，為了更準確地劃分冰雪影響區域，需要從歷史降雪數據分析不同地區在冬季的日平均降雪量，以此反映不同地區冰雪影響的差異。

1　冰雪影響程度研究現狀

1.1國內研究現狀

2008年我國南方發生罕見的低溫雨雪冰凍災害后［1］，冰雪災害的社會綜合影響研究開始受重視。萬素琴等［2］分別利用氣象要素和災情資料構建的綜合指數來評估2008年冰雪災害，陳正洪等［3］則以社會媒體信息反映的社會應急響應程度來評估冰雪災害。近年來不少學者開展了冰雪災害的行業評估研究，如冰雪災害對安全行車最高車速［4］的影響評估。這些研究關注致災因子——低溫雨雪過程本身的影響和分析，而對造成冰雪災害的其他因素研究相對較少，城市氣象災害方面的研究也多集中于綜合災害風險或突發性天氣災害事件的評估，如對北京冰雹、暴雨積澇和雷電的安全風險評估［6-8］，而對冰雪災害的城市安全影響評估研究很少。

1.2國外研究現狀

在本文中，冰雪影響程度的模型是基于Nixon和Stowe開發的冰雪影響模型［9］，并進行了修正。FHWA手冊中對冰雪影響因素進行了描述［10］。這些費用非常的巨大以至于許多交通機構開始關注冰雪養護的研究。盡管如此，冬季維護活動的評估方法通常是主觀的，這種方法測量不精確，這個缺點導致了任何形式的成本控制方法均難以實施。任何對冬季維護成本的控制都需要考慮安全和環境問題。因此，在這種情況下，有必要制定了一系列的量化措施，以及如何評估維護的有效性及實用性，以滿足廣泛的需求［11］。現有的冰雪影響預測是根據氣候和季節條件來判斷的。一個典型的冰雪影響程度指標以氣溫、降雪量和形成霧天的頻率作為參數，并根據這些參數為整個冬季的冰雪嚴重程度打分［12］。Decker［13］修正了這一傳統的計算方法，并制定了一個新的冰雪影響程度計算模型，模型考慮了每日的新降雪量。

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

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城市快速路的通行，對快速路交通安全以及運行效率造成嚴重影響。本文利用氣象數據（大氣溫度、降雪量等），分析某一地區的日平均降雪量以及建立冰雪影響程度的計算方法，綜合考慮降雪情況以及除雪能力，將我國分為冰雪影響程度不同的多個區域。降雪對快速路的影響程度與多種因素有關。

（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，路面的積雪以及結冰狀況會改變道路環境，如路面積雪、形成冰水混合物，甚至結冰。在冰雪路面上，輪胎與路面的附著摩擦系數比正常條件下的摩擦系數小很多，使車輛打滑，導致車輛追尾和行車速度降低。冰雪狀態下路面環境如圖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。相同降雪量條件下，在氣溫較低的區域，道路積雪、結冰，影響行車安全。

（3）濕度

一次降雪過程的濕度直接影響著積雪厚度的變化和積雪延遲天數的變化。

（4）除雪速度

除雪機用來降低冰雪的影響，除雪速度對冰雪影響程度有緩解作用，對于冰雪影響程度大的地區可以通過投入更多除雪費用來降低冰雪的影響程度。

除此之外，冰雪影響時間段內的風速，快速路道路條件中的坡度、坡長，道路路面條件也決定冰雪對快速路交通的影響程度。從東北地區快速路降雪條件下的運行特性來看，冰雪影響程度是多種因子綜合作用的結果。若能把所有的因子都考慮進去，不同等級降雪以及不同地區之間的差異就更加明顯。但是在對冰雪影響程度等級進行定量研究時，若考慮的冰雪影響程度因素越多，所需試驗觀測的數據就愈多，建模就越復雜，處理時困難就愈大。

實際上，所有的這些冰雪影響程度的影響因子之間并非是相互獨立的，為了簡化建模過程，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。這是因為，降雪量與氣溫決定著路面條件，也決定著駕駛員的駕駛行為和能見度，是決定冰雪影響程度的主要因素。

2.2模型建立

該評價指標計算公式是基于Boselly等在1993年建立的風暴影響程度SSI指標公式。該公式基本形式如下：

式中：ST為降雪類型；Ti為降雪期間溫度；Wi為降雪期間的風速；Bi為降雪前的天氣狀況；Tp為降雪后的溫度；Wp為降雪后的風速；a，b是調整參數，保證指標在0到1之間。

本文對冰雪影響程度進行研究。冰雪對城市道路的影響主要體現在：路面形成雪面和冰面，導致道路表面的附著系數變小，從而引發各種交通問題。這些道路條件的形成與降雪量以及當地降雪期間與降雪后的氣溫有很大關系，而風速以及雪前的天氣狀況對此的影響不大，故對公式進行修正如下：

式中：ST為降雪類型；Ti為降雪期間溫度；Tp為降雪后的溫度變化情況；a，b是調整參數，保證指標在0到1之間。

為了下一步計算冰雪影響程度，需要對3個變量分配一個評分，然后得到不同天氣組合下的冰雪影響程度評分。根據FHWA Manual of Practice推薦的方法，得到不同降雪與溫度的初始評分見表1。

表1　不同降雪與溫度的初始評分

3　冰雪影響程度模型應用

3.1冰雪影響程度模型標準化

在確定了這些初始值以后，對模型進行修正以使冰雪影響程度的值的頻率分布接近獲得一個正態分布。使用表1獲得的3種影響因素的估計值，以及48類的因素組合成的48種天氣狀況，調整影響程度的值（通過a和b調整），從而使得所計算的冰雪影響程度指標值具有近似正態分布（見圖2），此時：a=0.000 5，b=1.149 5。

3.2冰雪影響等級劃分

為了測試和提高模型的準確度和實用性，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種典型降雪類型。

圖2　冰雪影響程度頻率與累計頻率

不同類型因素組成的天氣狀況冰雪影響程度值計算見表2。

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

表2　不同降雪與溫度的初始評分

續表2

3.3除雪能力對冰雪影響程度的影響

除雪機械以及融雪劑的應用提高了除雪效率，對于冰雪影響程度相同的地區，地區間所配備的除雪設備不同，其除雪速度也會存在區別。除雪的速度會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，機械除雪速度為：

式中：n為除雪器械臺數；v為除雪器械除雪速度，km/h；l為除雪器械作業寬度，m；t為規定除雪時間；k為除雪器械工作時間利用系數；δ為寬度利用系數；各種除雪器械的相關參數取值見表3。

表3　各種清融雪作業工具系數表

除雪的效率可以從除雪作業的時間來判斷，假設城市快速路的除雪面積為S（m2），那么，從上述公式推導可知，城市根據自己對冬季快速路服務水平的要求，可以根據經濟情況控制除雪作業的效率。比如在冰雪影響程度為1的城市，道路管理部門可以多購進除雪機械以及融雪劑以加快快速路的除雪作業，保證城市快速路的運行。在擁有的除雪機械數量和融雪劑固定的情況下，除雪作業所需的時間t（h）用下式表達：

城市快速路的除雪能力會降低冰雪的影響程度，將城市的除雪能力分為6個等級：A、B、C、D、E、F，每種除雪能力等級對應著一個冰雪影響程度的折減系數，折減系數用下式表示：

即：每天除雪時間所占的比例，其劃分標準以及折減系數如表4所示。除雪所占時間越少，除雪對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會重新調整，在分析冰雪對快速路交通特性時，需要做出相應的調整。

表4　除雪時間所占的比例

4　結論

本文得到的冰雪影響強度指標計算公式，如果使用一次降雪的實際數據，那么計算出來的是一次降雪對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；也可以計算所有降雪日的冰雪影響程度，為判定該城市冰雪對城市快速路的影響提供基礎。同理，因為不同地區降雪量的不同，可以用同樣方法將不同城市的降雪情況分為不同降雪區域，為完善快速路設計提供參考。

［1］王凌，高歌，張強.2008年1月我國大范圍低溫雨雪冰凍災害分析I.氣候特征與影響評估［J］.氣象，2008，34（4）：95-100.

［2］萬素琴，周月華，李蘭，等.低溫雨雪冰凍極端氣候事件的多指標綜合評估技術［J］.氣象，2008，34（11）：40-46.

［3］陳正洪.社會對極端冰雪災害響應程度的定量評估研究［J］.華中農業大學學報：社會科學版，2010，87（3）：119-122.

［4］程國柱，莫宣艷，毛程遠.冰雪條件下城市道路交通安全評價方法研究［J］.交通運輸系統工程與信息，2011，11（1）：130-134.

［5］扈海波，董鵬捷，熊亞軍，等.北京奧運期間冰雹災害風險評估［J］.氣象，2008，34（12）：84-89.

［6］扈海波，軒春怡，諸立尚.北京地區城市暴雨積澇災害風險預評估［J］.應用氣象學報，2013，24（1）：99-108.

［7］郭虎，熊亞軍.北京市雷電災害易損性分析、評估及易損度區劃［J］.應用氣象學報，2008，19（1）：35-40.

［8］Nixon，W.A.and Stowe，R.，Operational Use of Weather Forecasts in Winter Maintenance:AMatrix Based Approach.In Proceedings of 12th International Road Weather ConferenceSIRWEC，Bingen，Germany，June 16-18，2004.

［9］Ketcham，S.A.，Minsk，L.D.，Blackburn，R.R.，and Fleege，E.J. Manual of Practice for anEffective Anti-icing Program（A Guide ForHighwayWinterMaintenancePersonnel）.ReportNo. HWA-RD-95-202.1996 Accessed Jan.2004.

［10］Transportation Research Board，Highway Deicing:Comparing Salt and Calcium MagnesiumAcetate.Special Report 235，National Research Council，Washington DC，1991.

［11］Adams，T.M.，Danijarsa，M.，Martinelli，T.，Stanuch，G.，and Vonderohe，A.PerformanceMeasures For Winter Operations.In TransportationResearchRecord:JournaloftheTransportation Research Board，No.1824，TRB，National Research Council，Washington，D.C.，2003，pp.87-97.

［12］Boselly，E.S.，Thornes，E.J.，and Ulburg，C.Road Weather InformationSystemsVolume1:ResearchReport.Strategic HighwayResearchProgramPublicationSHRP-H-350，NationalResearch Council，Washington，D.C.，1993，pp 90-93.

［13］Decker，R.，Bignell，J.L.，Lambertson，C.M.，and Porter，K.L. MeasuringEfficiencyofWinterMaintenancePractices.In Transportation Research Record:Journal of the Transportation.

［14］Hesham Rakha，Bin Yu.Truck Performance Curves Reflective of Truck and Pavement Characteristics［J］.Journal of Transportation Engineering，2004，130（6）:753-767.

［15］Sangjun Park，Hesham Rakha.Energy and Environmental Impacts of Roadway Grades.TRB Annual Meeting 06-0628.2005:6-18.

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，高級工程師，從事路橋工程設計工作。