Методические рекомендации по зимнему содержанию автомобильных дорог в Казахстане


Таблица 12

Исследователь

Год

Минимальная скорость ветра, необходимая для отрыва и переноса снежинок, м/сек.

Н.Е. Долгов

1910

3,4

Н.А. Рынин

1913

2,5

И.П. Бородачев и А.А. Кунгурцев

1936

при снегопаде 1,4 - 2,1

»

1936

при отсутствии снегопада 1,8 - 2,7

А.К. Дюнин

1956

2,2 - 3,0

На величину минимальной скорости ветра для переноса снега оказывает влияние плотность снегового покрова. При плотности 0,2 эта скорость, по данным автора, равна 3,5 - 4,0 м/сек и при плотности 0,3 - 6,7 м/сек.

По данным В.Н. Аккуратова (1956 г.), минимальная скорость ветра для переноса снега при плотности 0,05 равна 1,4 м/сек, при плотности 0,3 - 4,0 м/сек и при плотности 0,52 - 22,0 м/сек.

По данным А.К. Дюнина (1963 г.), на уплотненной и приглаженной поверхности звездчатого снега вырывание отдельных частиц происходит при скорости ветра 8,93 м/сек, смещение отдельных частиц - при скорости ветра 18,70 м/сек и сильный перенос - при скорости ветра 26,40 м/сек. На естественной ветровой доске переноса снега не бывает даже при скорости ветра 37,10 м/сек.

На величину минимальной скорости ветра для переноса снега оказывает влияние наличие травы на площади, с которой сносится снег. Так, поданным В.Ф. Жукова (1944 г.), если над снежным покровом выдаются стебли травы, то эта скорость равна 4,4 м/сек, а если трава полностью погребена под снегом - то 3,6 м/сек.

Из изложенного вытекает, что на перепое снега по поверхности снежного покрова во время снегопада, сопровождающегося ветром, оказывают влияние: температура и влажность воздуха, гладкость поверхности, по которой переносится снег, форма и величина выпадающих снежинок, рельеф местности, наличие выступающей травяной растительности.

На отрыв отдельных снежинок от общей массы снегового покрова и на последующий перенос их при отсутствии снегопада оказывают влияние: плотность снегового покрова, наличие на поверхности снегового покрова обледенелых или уплотненных корок, форма и размеры отдельных частиц снега, шероховатость поверхности снежного покрова и наличие бугорков или волн, наличие травяной растительности, температура и влажность воздуха, продолжительность спокойного лежания снегового покрова.

Изложенное показывает хорошее совпадение аналитических и экспериментальных данных. Согласно этим данным минимальная скорость ветра, необходимая для отрыва и переноса снега, в зависимости от различных условий, колеблется в весьма широких пределах - от 1,4 до 22,0 и более м/сек.

5.4. Интенсивность переноса снега

Интенсивностью переноса снега, именуемой также твердым расходом метели, называется вес снега в граммах, проносящегося в одну секунду через один квадратный метр поперечного сечения ветроснегового потока.

Полной интенсивностью переноса снега (полным расходом снега) называется его весовой перенос в одну секунду через один метр фронта ветроснегового потока.

Интенсивность переноса снега зависит от большого числа различных факторов:

наличия снежного покрова;

его возможной толщины и плотности;

температуры и влажности воздуха;

размеров участка, с которого может быть принесен снег к данному участку дороги;

наличия на этом участке, на пути переноса снега, местных снегозадерживающих препятствий (небольших неровностей поверхности земли, травы, стерни, кустарника, отдельных деревьев или их небольших кущ и т.п.);

скорости и направления ветра;

структуры и синоптической характеристики ветроснегового потока.

Экспериментальные замеры интенсивности переноса снега производят в поле метелемерами и батометрами или в лабораторных условиях в аэродинамических каналах при помощи коробов-отстойников.

Определение интенсивности переноса снега в полевых условиях было произведено рядом исследователей. Результаты значительной части выполненных ими единичных метелемерных измерений представлены на рис. 4. (Рисунок взят из работы А.К. Дюнина, 1963 г.). По оси ординат отложены значения полного расхода снега Q в граммах в течение одной секунды через метр фронтальной линии, перпендикулярной к ветроснеговому потоку. По оси абсцисс даны значения средних скоростей ветра, измеренных на высоте 1 - 2 м.

Рис. 4. Данные единичных метелемерных измерений:

1 - данные Л.М. Дановского; 2 - данные ТЭИ ЗСФАН (метелемер с коротким соплом); 3 - то же, метелемер с длинным соплом; 4 - данные И.К. Зеленого; 5 - данные Д.М. Мельника; 6 - данные Воденяпинской станции МПС СССР; 7 - данные П.И. Кузьмина (Норильск); 8 - данные Н.П. Русина (Антарктида). Кривая I построена по формуле Д.М. Мельника, кривые II, III, IV и V построены по формулам В.М. Котлякова

Кривая I построена по формуле Д.М. Мельника Q = CV3 = 0,092V31,0 г/м сек.

Кривые II, III, IV и V построены А.К. Дюниным по формулам В.М. Котлякова, приведенным в работе А.К. Дюнина (1963 г.) под №№ 326 - 329.

Рис. 4 показывает не только на большой разброс точек, но и на большое различие обобщенных кривых. Так, обобщающая кривая В.М. Котлякова под индексом III дает различие с его же кривой под индексом V при скорости ветра 8 м/сек - в 25 раз, при скорости ветра 10 м/сек - в 10 раз и при скорости 12 м/сек - в 7 раз.

Отдельные точки при скорости ветра в 15 м/сек дают разницу в 5 раз, при скорости ветра 17 м/сек - в 8 раз, при скорости ветра 20 - 21 м/сек - в 14 раз и т.д.

Рис. 4 показывает на безусловную зависимость интенсивности переноса снега от скорости ветра. Судя по расположению точек на рис. 4, максимальная интенсивность переноса ограничивается кривой, расположенной несколько левее кривой III В.М. Котлякова. Однако последний в работе 1961 года приводит данные измерений интенсивности переноса снега на станции Восток-1, которые располагаются значительно левее кривой III. Данные эти изображены на рис. 5, взятом из указанной работы В.М. Котлякова.

Рис. 5. Зависимость интенсивности низовой метели от скорости ветра:

1 - при твердой поверхности снежного покрова; 2 - при поверхности средней твердости; 3 - при рыхлой поверхности снега; 4 - измерения на станции Восток-1

Расположение точек на рис. 4 и 5 показывает, что интенсивность переноса снега имеет ограничение и справа. Таким образом, рис. 4 и 5 указывают на возможные пределы размещения точек как по оси абсцисс, так и по оси ординат. Однако пределы эти весьма широки. По линии абсцисс эти пределы при интенсивности переноса 20 - 30 г/м сек захватывают скорости от 5 до 20 м/сек, при интенсивности переноса 60 г/м сек - от 8 до 19 м/сек, при интенсивности переноса 120 - 130 г/м сек - от 10 до 19 м/сек и т.д. По линии ординат эти пределы при скорости 5 м/сек захватывают интенсивность переноса от 0 до 30 г/м сек, при скорости 8 м/сек - от 0 до 70 г/м сек, при скорости 10 м/сек - от 2 до 130 г/м сек, при скорости 12 м/сек - от 10 до 220 г/м сек, при скорости 17 - 18 м/сек - от 30 до 260 г/м сек и т.д.

Вызывается это большим числом факторов, влияющих на интенсивность переноса снега, и большой изменчивостью каждого из этих факторов. Да иначе и быть не может, поскольку на рис. 4 приведены данные измерений интенсивности переноса снега во всех районах СССР и даже в Антарктике.

Рис. 4 хотя и дает возможность более или менее точно определить максимально возможное значение интенсивности переноса снега, но воспользоваться этими значениями для конкретных выводов, а тем более для практических целей, нельзя. В разных районах СССР как конечные значения всех факторов, влияющих на интенсивность переноса снега, так и пределы, в которых эти значения могут колебаться, будут весьма различны. Толщина снежного покрова может колебаться в пределах от 0 до 1,5 и более метров. Плотность снежного покрова может колебаться в одном и том же районе от 0,05 до 0,3 и выше. Максимальная плотность снежного покрова в разных районах СССР может колебаться в пределах от 0,2 до 0,5. Отрицательные температуры воздуха могут колебаться в пределах от -15° до -55°. Такое же положение и с колебаниями значений всех остальных факторов.

Следовательно, чтобы данные об интенсивности переноса снега были более близки к истинным, эти данные нужно иметь для каждого небольшого конкретного района отдельно. Причем, колебания факторов, влияющих на интенсивность переноса для каждого района, должны быть в достаточно узком диапазоне, т.е. определение интенсивности переноса снега следует определять узкорегионально, а не для обобщенных районов, как, например, европейская часть СССР или Западная Сибирь и тем более не для всей территории СССР.

Подтверждение этому выводу дают лабораторные измерения интенсивности переноса снега.

Определение интенсивности переноса снега в лабораторных условиях, а именно в аэродинамических каналах различного сечения и длины, было выполнено А.К. Дюниным (1959 г.). Результаты этих работ приведены на рис. 6, взятом из данной работы А.К. Дюнина.

Рис. 6. Твердый расход полностью насыщенного ветроснегового потока в экспериментальном канале

А.А. Комаровым (1965 г.) также были проведены замеры интенсивности переноса снега в аэродинамическом лотке. Данные этих замеров приведены на рис. 7, взятом из указанной работы А.А. Комарова.

Рис. 7. Сравнительные данные по переносу снега, полученные метелемером ВО-2 и улавливающим коробом лотка:

1 - количество снега, собираемое улавливающим коробом лотка; 2 - количество снега, собираемое метелемером ВО-2

Оба эти рисунка ясно показывают на весьма значительный разброс точек. Но в условиях проведения этих лабораторных работ были исключены многие факторы, влияющие на интенсивность переноса снега, а именно такие, как толщина и плотность снежного покрова, температура и влажность воздуха, размеры участка, с которого сносился снег, наличие на пути переноса местных препятствий, синоптическая характеристика ветроснегового потока. Действовали лишь факторы скорости ветра, продолжительности продувки и микроструктуры и гранулометрического состава снега. Причем, как указывает А.А. Комаров (1965 г.), «Конструкция короба аэродинамического лотка была такова, что погрешность за счет потерь снега при его переносе не превышала 2 - 3 %».

Даже при таком малом числе факторов, влияющих на интенсивность переноса снега, разброс точек был весьма значителен. Так, согласно рис. 7, при скорости ветра в 10 м/сек интенсивность переноса снега оказалась в пределах от 5 до 40 г/см2 мин, при скорости ветра в 14 м/сек - от 40 до 180 г/см мин, при скорости ветра в 15 м/сек - от 45 до 230 г/см2 мин, при скорости ветра в 20 м/сек - от 160 до 290 г/см2 мин и т.д. Таким образом, колебания интенсивности переноса снега при одинаковых скоростях ветра имели место от 2 до 5 раз.

Следовательно, исключение ряда факторов при лабораторных измерениях повысило точность определения интенсивности переноса снега: по рис. 4 колебания интенсивности переноса снега при одинаковых скоростях ветра имели место от 9 до 70 раз, а по рис. 7 эти колебания уже были в пределах от 2 до 5 раз. Но и эти пределы для конкретных выводов, а тем более для практических целей также еще весьма велики, тем более, что в действительной обстановке они окажутся безусловно выше.

Скорость ветра является основным фактором интенсивности переноса снега. Все исследователи, занимающиеся этим вопросом, единодушны в том, что между интенсивностью переноса снега и скоростью ветра существует безусловная зависимость. Однако следует заметить, что в определении количественного значения этой зависимости единодушия нет.

Исследователи, определившие эту зависимость для условий европейской части СССР (В.В. Кузнецов (1900 г.), А.X. Хргиан (1934 г.), В.Н. Аккуратов (1951 г.)), считали ее пропорциональной квадрату скорости. Исследователи, определившие эту зависимость для условий европейской и азиатской частей СССР (Б.В. Иванов (1951 г.), Д.М. Мельник (1952 г.), А.К. Дюнин (1952 г.), считали пропорциональной кубу скорости. А.А. Комаров (1954 г.), определивший эту зависимость для районов Сибири, считал ее пропорциональной степени в три с половиной. В.М. Котляков (1961 г.) для различных видов метелей и твердости поверхности снежного покрова эту зависимость установил в степенях от 2,2 до 5,1.

По данным В.М. Котлякова (1961 г.), В. Фуксом установлено, что интенсивность переноса снега пропорциональна четвертой степени скорости ветра, а Г. Лильеквистом - пропорциональна пятой степени скорости ветра.

5.5. Снежный баланс различных участков местности

За зимний период на каждую единицу площади выпадает определенное количество твердых осадков Xв. Кроме того, на каждой единице площади появляется добавочное количество осадков Xк, образующихся вследствие конденсации водяного пара на холодной снеговой поверхности. Это добавочное количество осадков представляет собой иней и изморозь, оседающие из приземного слоя воздуха на снеговой покров, а также на ветви деревьев. И, наконец, на данную единицу площади может быть принесен снег с соседних участков Xп.

Однако все эти осадки никогда не остаются полностью на месте. Прежде всего некоторая часть их Xд во время выпадения задерживается на ветвях деревьев. Затем некоторая часть Z испаряется (испарение с поверхности снежного покрова, находящегося в статическом неподвижном состоянии). Испарение это имеет место и при отрицательных температурах и довольно значительное. По данным Е.Д. Сабо (1956 г.), в условиях Сарнинского района Волгоградской области в течение зимы 1951 - 1952 гг. испарилось 49 % от максимальных запасов воды в снеге, а в течение зимы 1952 - 1953 гг. - 50 %. Испарение снега имеет место даже при температурах -20 °С и ниже.

При наличии зимних дождей и сильных оттепелей часть осадков W стекает в виде воды в пониженные места или впитывается в почву. На открытых участках местности под воздействием ветра часть осадков У будет снесена с данной площади и на месте останется только часть осадков Xо.

Отсюда уравнение снежного баланса различных участков местности будет следующим:

Xв + Xк + Xп = Xо + Xд + Z + W + У                                              (1)