Определение и прогнозирование момента образования гололеда на покрытии

     Техническая поваренная соль NаСl-наиболее распространенная в природе соль (каменная, самоосадочная) в виде минералов галита и сильвини-га. Из сырья поваренной соли выпускают пищевую, содержащую более 93-99,7% NаСl, и техническую соль, содержащую более 93% NаСl. Для борьбы с зимней скользкостью используют молотую соль крупностью от 1,2 до 4,5 мм. Техническая соль силъвинитовых отвалов КСl, NаСl - кристаллический продукт, отход производства калийных удобрений. Этот продукт, накопленный в огромных количествах в отвалах калийных комбинатов содержит от 90 до 95% в основном хлористого натрия, 2-3% хлористого калия и 0,5-1% хлористого магния. Частицы соли сильвинитовых отвалов имеют крупность до 4 мм при наличии включений крупностью до 10 мм. Недостатки этого продукта - высокая влажность (8-12%), слеживаемость при положительной температуре и смерзаемость при низкой отрицательной температуре. 

     Рисунок 1 – Фазовая диаграмма растворения противогололедных солей 

     Хлористый кальций СаСl₂-побочный продукт содового производства. Частицы его похожи на чешуйки диаметром около 15 мм и толщиной 1 мм, поэтому он называется чешуированным и содержит 67% хлористого кальция.

     Хлористый кальций фосфатированный  (ХКФ)-смесь чешуированного хлористого кальция с ингибитором (суперфосфатом). Добавка 5-7% ингибитора (от массы соли) существенно снижает коррозионное действие хлоридов. Стоимость хлористого кальция намного выше, чем хлористого натрия. Кроме этого, СаСl₂ более дефицитный и агрессивный материал, поэтому создают смеси оптимального хлоридного состава, применяемые при более низких температурах, чем чистая соль NaСl. Исследования Гипродорнии показали, что оптимальны смеси состава NаСl:СаСl₂ как 88:12 при условии применения че-шуированного хлористого кальция. Крупный недостаток твердых хлоридов- их слеживаемость, так как при определенных влажностно-температурных условиях она адсорбирует (поглощает) влагу из воздуха. Способность соли впитывать воду называется гигроскопичностью. Увлажнение соли происходит только тогда, когда влажность воздуха выше гигроскопического порога для данной соли. Этот порог составляет для хлористого натрия 75% относительной влажности воздуха, для хлористого кальция и ХКФ-22%. Это означает, что СаСl₂ и ХКФ практически всегда впитывают воду из воздуха- На поверхности каждой частицы образуются новые кристаллы соли, которые служат как бы спайками между зернами соли, что и приводит к ее омоноличиванию. Поэтому СаСl₂ и ХКФ можно перевозить только в полиэтиленовых мешках или другой закрытой таре и хранить в закрытых складах.

     Жидкие  хлориды для борьбы с зимней скользкостью широко применяют в виде естественных и промышленных рассолов, а иногда и искусственно приготавливаемых растворов. Жидкие хлориды пригодны только с концентрацией солей более 150 г/л, т. е. с содержанием основного вещества более 15%. Нельзя проводить работы по борьбе со скользкостью при температуре воздуха ниже температуры замерзания жидкого хлорида, т.е. от -10 до -17°С для рассолов различного вида и концентрации.

     Жидкие  естественные рассолы  широко распространены на территории СССР. Они залегают на глубине 800-1000 м в артезианских бассейнах (пластовые воды), содержатся в соленых озерах и лиманах. Естественные рассолы многокомпонентны с преобладанием ионов кальция, натрия, магния. Добычу рассолов производят из скважин, которые могут эксплуатировать сами дорожные организации. Примером организации такой добычи может служить опыт дороги Москва Ленинград, которая по предложению Гипродорнии заказала бурение скважины глубиной 1300 м, из которой ежедневно можно получать до 100 м³ природного рассола с содержанием солей более 200 г/л. Пластовые воды с высоким содержанием хлоридов часто получают на нефтяных месторождениях как отходы при добыче нефти. Кроме того, жидкие хлориды получают в виде отходов химического и других промышленных производств.

     Помимо  перечисленных материалов, для борьбы с зимней скользкостью применяют  такие природные материалы, как  зубер, бишофит, сильвинит, карналит, каинит, а также другие твердые или  жидкие продукты, являющиеся отходами промышленности и содержащие не менее 25% хлориды натрия, кальция и магния. На применение местных материалов нужно  получить разрешение санитарно-эпидемиологической станции. Учитывая большое разнообразие твердых и жидких химических реагентов, разработаны каталоги, нормы и условия их применения. Для распределения твердых и жидких хлоридов применяют комбинированные дорожные машины с универсальным оборудованием. Летом их используют для мойки и очистки покрытий, зимой с их помощью распределяют смеси и очищают покрытия. Оборудование этой машины позволяет выполнять: снегоочистку шириной захвата 3 м; распределять песчано-соляные смеси в объеме до 3 м³ при ширине посыпки до 8,5 м; подметать покрытия шириной захвата 2,2 м; поливать и мыть покрытия при расходе воды до 6 м³; распределять жидкие противогололедные материалы (рассолы) при ширине захвата 7 м, рабочая скорость до 40 км/ч. Перспективен распределитель твердых хлоридов ЭД-403 на базе ЗИЛ-133 объемом бункера 5 м³ и шириной распределения 10 м. Кроме того, готовится к серийному производству ДМ многоцелевого назначения МАШ-100, которая сможет распределять твердые и жидкие противогололедные материалы. 

      5 Прогнозирование момента образования  гололеда 

     Для получения оперативной информации о метеорологических условиях, необходимых  для расчета прогноза состояния  дорожного покрытия, используются пункты дорожного метеоконтроля, создаваемые  на основе автоматических дорожных метеорологических  станций (далее - АДМС) с набором датчиков, измеряющих метеорологические параметры  и состояния поверхности дорожного  покрытия. АДМС рекомендуется укомплектовывать датчиками:         - температуры воздуха;          - относительной влажности воздуха;       - температуры поверхности дорожного покрытия;     - температуры под поверхностью дорожного покрытия на глубине 4 - 7 см;              - состояния поверхности дорожного покрытия.     Размещение АДМС вдоль автомобильной дороги определяется, исходя из следующих факторов: ландшафтными и климатическими особенностями района прохождения автомобильной дороги и особенностями термопрофиля (полученного расчетным путем по результатам термокартирования) автомобильной дороги на данном участке.      Расчет прогноза параметров погоды, температур дорожного покрытия и состояния дорожного покрытия производится по математическим моделям, алгоритмам и методам. Фактические и накопленные данные должны использоваться для расчета прогноза изменения метеопараметров в местах установки АДМС и на участках дороги между ними. Математическая модель включает в себя следующую информацию: данные о термопрофиле дороги (по результатам термокартирования), топогеодезические данные дороги, ландшафтно-климатические данные. Математическая модель должна обеспечивать заблаговременный расчет параметров окружающей среды и параметров состояния поверхности дорожного покрытия. На основании анализа фактических и расчетных метеорологических параметров и тенденций их изменения составляется прогноз об изменениях состояния дорожного покрытия. Для получения прогноза высокой степени оправдываемости информация от пунктов дорожного метеоконтроля должна поступать периодически, с интервалом времени: в зимнее время интервал должен составлять 10-30 мин, в летнее время - до 3 ч. Типичный вид представления информации от пунктов дорожного метеоконтроля после обработки данных и расчета прогноза по указанным параметрам окружающей среды представлен на рисунке 2 Приложения А. Информация с пунктов дорожного метеоконтроля после обработки данных: - пунктирная линия (1) на рисунке разделяет область текущих данных и область расчетных прогнозируемых данных; полоса "Д" (2) представляет информацию о неблагоприятных условиях на поверхности автомобильной дороги. Прогноз параметров окружающей среды должен предсказывать возможность появления скользкости на поверхности дорожного покрытия не менее чем за 3 ч до возникновения этого явления. Дорожные организации при подготовке метеоинформации используют информацию, получаемую от АДМС, информацию от патрульных машин ДЭП, информацию от Росгидромета, информацию от других организаций, имеющих лицензию Росгидромета, предоставляющих прогностическую информацию (общие прогнозы элементов погоды, снимки ИСЗ). На основании полученных данных производится анализ изменения отдельных элементов погоды и тенденций их изменения на ближайшие 3-4 ч. Затем проводится совместный анализ полученной гидрометеорологической информации применительно к схеме автодороги, на которой выделены опасные места ("холодные пятна", спуски и подъемы дороги, повороты и перекрестки, места концентрации ДТП). На основании анализа параметров погоды и тенденций их изменения составляется заключение о возможности возникновения зимней скользкости на автомобильной дороге. Критерии степени влияния метеорологических факторов на условия движения и на состояние дорожного покрытия приведены в таблице 4.

     Таблица 4 – Критерии степени влияния метеорологических факторов на условия движения

     Перечень  и критерии неблагоприятных, а также  опасных метеорологических явлений  для организаций дорожного хозяйства  определяются в договоре о предоставлении гидрометеорологической информации между  организацией, предоставляющей эту  информацию, и дорожной организацией и зависят от климатических, метеорологических, ландшафтных особенностей района пролегания дороги. При оценке времени выработки решения, подготовки и проведения работ по нейтрализации неблагоприятных погодных явлений в зоне ответственности дорожного подразделения, рекомендуется учитывать следующие составляющие:  1) время получения информации:        - от ДИТС АСМО (автоматизированная система метеорологического обеспечения), пунктов дорожного метеоконтроля или отдельных АДМС;  - от патрульных машин и сотрудников дорожного подразделения, находящихся на дороге;          2) время, необходимое для обработки информации;    3) время, необходимое для принятия решения; (в зависимости от характера прогноза состояния дорожного полотна решение на выполнение мероприятий по содержанию автодороги включает в себя: время начала работ; адреса и протяженность участков дороги, подлежащих обработке; тип противогололедного материала; расход противогололедного материала для каждого участка автомобильной дороги, подлежащего обработке);  4) время, необходимое для передачи решения в производственный отдел или другое производственное подразделение;     5) время на подготовку дорожной техники и доставку ее от места стоянки до места производства работ;        6) время производства работ.        Кроме перечисленных способов получения метеоинформации рекомендуется использовать также информацию, получаемую от Росгидромета, включая данные метеорологических радиолокаторов (MPЛ). Данные МРЛ позволяют определить зоны (территории) распространения осадков. В случае отсутствия в регионе МРЛ для оценки метеорологических ситуаций в регионе допускается использование спутниковых снимков. На основании анализа текущих и прогностических данных, а также ландшафтных, климатических и геофизических данных рекомендуется оценивать степень опасности движения транспортных средств на различных участках дорог. При отсутствии системы АСМО дорожным организациям рекомендуется использовать специализированную метеорологическую информацию Росгидромета или его организаций. Для прогноза возникновения скользкости на поверхности дорожного покрытия рекомендуется использовать алгоритм производственно-технологических предупреждений. При отсутствии в прогнозах осадков для оценки возможности возникновения зимней скользкости рекомендуется использовать зависимость:

Y = -0,170Tв - 0,071W+5,659,                                                                                 

     где Y - величина скользкости, Tв - температура  воздуха,°С, W - относительная влажность воздуха, %. Данная зависимость – уравнение прямой линии на плоскости в системе координат (Tв, W), которая изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Геометрическая интерпретация производственно-технологического предупреждения об образовании гололедицы  

     Прямая  разделяет значения параметров Tв  и W на классы "скользкость" и "без  скользкости" таким образом, что по знаку функции можно прогнозировать отсутствие или наличие гололедицы. Сочетание параметров, для которых знак функции будет положителен, возможно, и в зонах, где образование гололедицы невозможно физически, т.е. при низких значениях относительной влажности воздуха и положительных температурах воздуха. Указанный график рекомендуется использовать для прогноза образования гололедицы в том случае, если дорожное покрытие мокрое и прогнозируется следующая тенденция изменения метеорологических параметров (по данным прогноза Росгидромета или другой организации): рост атмосферного давления, понижение температуры воздуха, понижение относительной влажности воздуха. Последнее условие изображено стрелкой, показывающей направление изменения параметров при их переходе в рабочую зону, в которой происходит разделение двух классов "гололедица" и "без гололедицы" с помощью прямой линии, описываемой уравнением. При прогнозировании гололеда и твердого налета функция для двух метеорологических параметров имеет вид:      Y = 0,092Tв + 0,104W - 9,142,                                                                                 

     и может быть представлена графиком, изображенным на рисунке 4.

     Рисунок 4 - Геометрическая интерпретация производственно-технологического предупреждения об образовании гололеда

     Рабочей зоной графика является зона наиболее вероятных значений параметров в  момент образования скользкости  данных видов. Диапазоны их изменения  получены с помощью интегральных функций, рассчитанных по законам распределения с 95% надежностью. Пользоваться данным графиком рекомендуется при температуре воздуха ниже -6°С и наличии прогноза: повышение температуры воздуха, выпадение жидких осадков, падение атмосферного давления, повышение относительной влажности воздуха. Последнее условие изображено на рисунках 2, 3 стрелкой, показывающей направление изменения параметров при образовании данных видов скользкости. Зависимости, изображенные на графиках (рисунки 3 и 4), вычислены по метеорологическим параметрам, зафиксированным в момент возможного начала образования скользкости. Для получения производственно-технологическое предупреждение об обледенении дорожного покрытия с их помощью, необходимо спрогнозировать температуру и относительную влажность воздуха на срок заблаговременности прогноза, используя их текущие значения из полученных данных общего прогноза. Для составления прогноза этих параметров на время не более 4 часов рекомендуется использовать линейный закон изменения этих параметров.