服务于快速路设计的冰雪影响程度预测模型研究

练象平，狄升贯

（天津市市政工程设计研究院，天津市　300074）

服务于快速路设计的冰雪影响程度预测模型研究

练象平，狄升贯

（天津市市政工程设计研究院，天津市300074）

该研究的任务是开发一个冰雪影响程度预测模型，计算一次降雪对道路交通的影响程度，综合考虑城市的气候条件、冰雪维护能力，针对现有快速路设计标准的不足，提出城市冰雪影响等级的划分方法，为冰雪条件下城市快速路设计优化提供基础。模型的建立需要3个步骤，首先，分析决定冰雪影响程度的6个因素；其次，使用多重回归模型建立一个值在0和1之间的冰雪影响程度模型；最后，模型根据冬季养护人员对冰雪影响程度的评分对模型进行修正，以产生合理客观的冰雪影响程度模型。

交通工程；冰雪影响程度；预测模型；城市快速路；除雪能力

0　引言

各地降雪情况不同，对城市道路的影响也有不同，单纯以降雪等级来划分城市降雪等级是不合理的，城市降雪等级应该由降雪等级以及降雪时间还有除雪能力共同决定。例如：在东北与南方地区，均会出现4种降雪等级（小雪、中雪、大雪、暴雪），然而东北因为气温较低以及降雪时间长，其冰雪的影响程度要远大于浙江，因此，为了更准确地划分冰雪影响区域，需要从历史降雪数据分析不同地区在冬季的日平均降雪量，以此反映不同地区冰雪影响的差异。

1　冰雪影响程度研究现状

1.1国内研究现状

2008年我国南方发生罕见的低温雨雪冰冻灾害后［1］，冰雪灾害的社会综合影响研究开始受重视。万素琴等［2］分别利用气象要素和灾情资料构建的综合指数来评估2008年冰雪灾害，陈正洪等［3］则以社会媒体信息反映的社会应急响应程度来评估冰雪灾害。近年来不少学者开展了冰雪灾害的行业评估研究，如冰雪灾害对安全行车最高车速［4］的影响评估。这些研究关注致灾因子——低温雨雪过程本身的影响和分析，而对造成冰雪灾害的其他因素研究相对较少，城市气象灾害方面的研究也多集中于综合灾害风险或突发性天气灾害事件的评估，如对北京冰雹、暴雨积涝和雷电的安全风险评估［6-8］，而对冰雪灾害的城市安全影响评估研究很少。

1.2国外研究现状

在本文中，冰雪影响程度的模型是基于Nixon和Stowe开发的冰雪影响模型［9］，并进行了修正。FHWA手册中对冰雪影响因素进行了描述［10］。这些费用非常的巨大以至于许多交通机构开始关注冰雪养护的研究。尽管如此，冬季维护活动的评估方法通常是主观的，这种方法测量不精确，这个缺点导致了任何形式的成本控制方法均难以实施。任何对冬季维护成本的控制都需要考虑安全和环境问题。因此，在这种情况下，有必要制定了一系列的量化措施，以及如何评估维护的有效性及实用性，以满足广泛的需求［11］。现有的冰雪影响预测是根据气候和季节条件来判断的。一个典型的冰雪影响程度指标以气温、降雪量和形成雾天的频率作为参数，并根据这些参数为整个冬季的冰雪严重程度打分［12］。Decker［13］修正了这一传统的计算方法，并制定了一个新的冰雪影响程度计算模型，模型考虑了每日的新降雪量。

为了完成一项冰雪影响程度的估计，需要考虑天气状况、道路信息以及政府对冬季维护的资金投入。尤为重要的是，维护工作的资金投入很大程度上取决于降雪的严重程度。因此，有必要对冰雪影响程度进行量化。

2　冰雪影响程度模型

2.1冰雪影响程度影响因素分析

冰雪天气极大困扰寒冷地区城市快速路的通行，对快速路交通安全以及运行效率造成严重影响。本文利用气象数据（大气温度、降雪量等），分析某一地区的日平均降雪量以及建立冰雪影响程度的计算方法，综合考虑降雪情况以及除雪能力，将我国分为冰雪影响程度不同的多个区域。降雪对快速路的影响程度与多种因素有关。

（1）降雪量

快速路上积雪量的多少直接影响快速路的通畅性。此外，降雪后，路面的积雪以及结冰状况会改变道路环境，如路面积雪、形成冰水混合物，甚至结冰。在冰雪路面上，轮胎与路面的附着摩擦系数比正常条件下的摩擦系数小很多，使车辆打滑，导致车辆追尾和行车速度降低。冰雪状态下路面环境如图1所示。

图1　冰雪路面道路条件

（2）降雪期间的温度

气温的高低直接影响着融雪速度、积雪厚度的变化和积雪延迟的天数。相同降雪量条件下，在气温较低的区域，道路积雪、结冰，影响行车安全。

（3）湿度

一次降雪过程的湿度直接影响着积雪厚度的变化和积雪延迟天数的变化。

（4）除雪速度

除雪机用来降低冰雪的影响，除雪速度对冰雪影响程度有缓解作用，对于冰雪影响程度大的地区可以通过投入更多除雪费用来降低冰雪的影响程度。

除此之外，冰雪影响时间段内的风速，快速路道路条件中的坡度、坡长，道路路面条件也决定冰雪对快速路交通的影响程度。从东北地区快速路降雪条件下的运行特性来看，冰雪影响程度是多种因子综合作用的结果。若能把所有的因子都考虑进去，不同等级降雪以及不同地区之间的差异就更加明显。但是在对冰雪影响程度等级进行定量研究时，若考虑的冰雪影响程度因素越多，所需试验观测的数据就愈多，建模就越复杂，处理时困难就愈大。

实际上，所有的这些冰雪影响程度的影响因子之间并非是相互独立的，为了简化建模过程，选定日降雪量、气温及除雪速度作为冰雪影响程度的主要判别因素。这是因为，降雪量与气温决定着路面条件，也决定着驾驶员的驾驶行为和能见度，是决定冰雪影响程度的主要因素。

2.2模型建立

该评价指标计算公式是基于Boselly等在1993年建立的风暴影响程度SSI指标公式。该公式基本形式如下：

式中：ST为降雪类型；Ti为降雪期间温度；Wi为降雪期间的风速；Bi为降雪前的天气状况；Tp为降雪后的温度；Wp为降雪后的风速；a，b是调整参数，保证指标在0到1之间。

本文对冰雪影响程度进行研究。冰雪对城市道路的影响主要体现在：路面形成雪面和冰面，导致道路表面的附着系数变小，从而引发各种交通问题。这些道路条件的形成与降雪量以及当地降雪期间与降雪后的气温有很大关系，而风速以及雪前的天气状况对此的影响不大，故对公式进行修正如下：

式中：ST为降雪类型；Ti为降雪期间温度；Tp为降雪后的温度变化情况；a，b是调整参数，保证指标在0到1之间。

为了下一步计算冰雪影响程度，需要对3个变量分配一个评分，然后得到不同天气组合下的冰雪影响程度评分。根据FHWA Manual of Practice推荐的方法，得到不同降雪与温度的初始评分见表1。

表1　不同降雪与温度的初始评分

3　冰雪影响程度模型应用

3.1冰雪影响程度模型标准化

在确定了这些初始值以后，对模型进行修正以使冰雪影响程度的值的频率分布接近获得一个正态分布。使用表1获得的3种影响因素的估计值，以及48类的因素组合成的48种天气状况，调整影响程度的值（通过a和b调整），从而使得所计算的冰雪影响程度指标值具有近似正态分布（见图2），此时：a=0.000 5，b=1.149 5。

3.2冰雪影响等级划分

为了测试和提高模型的准确度和实用性，在最后模型修正步骤中，将降雪影响程度按照冰雪影响程度选择了10种典型降雪类型。

图2　冰雪影响程度频率与累计频率

不同类型因素组成的天气状况冰雪影响程度值计算见表2。

按照冰雪影响程度值的分布规律，将冰雪影响程度划分为10个等级A、B、C、D、E、F、G、H、I、J，按顺序影响程度逐渐增加。A级代表冰雪影响程度最低：降雪类型为小雪，降雪期间温度大于0且降雪后温度继续升高；J代表冰雪影响程度最大：降雪类型为暴雪，降雪期间温度低于-10℃，雪后气温继续降低。

表2　不同降雪与温度的初始评分

续表2

3.3除雪能力对冰雪影响程度的影响

除雪机械以及融雪剂的应用提高了除雪效率，对于冰雪影响程度相同的地区，地区间所配备的除雪设备不同，其除雪速度也会存在区别。除雪的速度会降低冰雪的影响程度，除雪速度越快，冰雪的影响程度以及影响范围就变得越小。各种除雪器械有不同的除雪能力，其中，机械除雪速度为：

式中：n为除雪器械台数；v为除雪器械除雪速度，km/h；l为除雪器械作业宽度，m；t为规定除雪时间；k为除雪器械工作时间利用系数；δ为宽度利用系数；各种除雪器械的相关参数取值见表3。

表3　各种清融雪作业工具系数表

除雪的效率可以从除雪作业的时间来判断，假设城市快速路的除雪面积为S（m2），那么，从上述公式推导可知，城市根据自己对冬季快速路服务水平的要求，可以根据经济情况控制除雪作业的效率。比如在冰雪影响程度为1的城市，道路管理部门可以多购进除雪机械以及融雪剂以加快快速路的除雪作业，保证城市快速路的运行。在拥有的除雪机械数量和融雪剂固定的情况下，除雪作业所需的时间t（h）用下式表达：

城市快速路的除雪能力会降低冰雪的影响程度，将城市的除雪能力分为6个等级：A、B、C、D、E、F，每种除雪能力等级对应着一个冰雪影响程度的折减系数，折减系数用下式表示：

即：每天除雪时间所占的比例，其划分标准以及折减系数如表4所示。除雪所占时间越少，除雪对冰雪影响程度的折减越大，折减后，城市的冰雪影响程度等级会重新调整，在分析冰雪对快速路交通特性时，需要做出相应的调整。

表4　除雪时间所占的比例

4　结论

本文得到的冰雪影响强度指标计算公式，如果使用一次降雪的实际数据，那么计算出来的是一次降雪对城市道路的影响程度。为了适用于城市冰雪影响程度，可以将其中的温度和日降雪量换成降雪日的平均降雪量和平均温度，以此判断城市的平均冰雪影响程度；也可以计算所有降雪日的冰雪影响程度，为判定该城市冰雪对城市快速路的影响提供基础。同理，因为不同地区降雪量的不同，可以用同样方法将不同城市的降雪情况分为不同降雪区域，为完善快速路设计提供参考。

［1］王凌，高歌，张强.2008年1月我国大范围低温雨雪冰冻灾害分析I.气候特征与影响评估［J］.气象，2008，34（4）：95-100.

［2］万素琴，周月华，李兰，等.低温雨雪冰冻极端气候事件的多指标综合评估技术［J］.气象，2008，34（11）：40-46.

［3］陈正洪.社会对极端冰雪灾害响应程度的定量评估研究［J］.华中农业大学学报：社会科学版，2010，87（3）：119-122.

［4］程国柱，莫宣艳，毛程远.冰雪条件下城市道路交通安全评价方法研究［J］.交通运输系统工程与信息，2011，11（1）：130-134.

［5］扈海波，董鹏捷，熊亚军，等.北京奥运期间冰雹灾害风险评估［J］.气象，2008，34（12）：84-89.

［6］扈海波，轩春怡，诸立尚.北京地区城市暴雨积涝灾害风险预评估［J］.应用气象学报，2013，24（1）：99-108.

［7］郭虎，熊亚军.北京市雷电灾害易损性分析、评估及易损度区划［J］.应用气象学报，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

练象平（1978-），男，福建武平人，高级工程师，从事路桥工程设计工作。