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1、交通部西部交通建设科技项目合同号：2002 318 774 11公路风吹雪雪害成因与预警研究研究报告简本黑龙江省交通科学研究所内蒙古锡林郭勒盟交通科学研究所吉林大学2005年4月中文题名公路风吹雪雪害成因与预警研究英文题名Study on reason & pre-warning supervision of blowing snow hazard on road项目负责人朱光耀报告撰写人赵书成张贵平张贵平席建锋郝宇博李 江丁同强崔 琳项目主要参加人白海莹（处 长）郝宇博（工 程 师）赵书成（高级工程师）郭建平（助理工程师）鲍明伟（教 授）张海鹰（工 程 师）席建锋（讲 师）闫永生（工 程 师
2、）丁同强（讲 师）梁占军（高级工程师）矫成武（博士研究生）胡全明（工 程 师）陈 强（博士研究生）毛 丽（高级工程师）成 卫（讲 师）申东秀（高级工程师）张林林（硕士研究生）季景满（副 处 长）主 题 词公路风吹雪雪害成因与预警研究关 键 词公路 风吹雪雪害 成因 仿真 预警报告摘要：风吹雪雪害是三大冰雪灾害之中对我国北方公路危害最为普遍和严重的一种,已成为长期困扰公路运输的一个难题。本着“系统继承、扬长避短、重点突破”原则，课题组主要依托内蒙古自治区（草原牧区）和黑龙江省（山区）的公路，通过对雪害广泛调查、风雪流形成过程观测和分析，设计和建立了公路风吹雪雪害数据库；在系统总结、继承我国风吹雪
3、雪害研究成果基础上，积极吸收当代国内外最新研究理念、方法和技术手段，综合运用流体力学二相流理论、现代风洞实验技术、计算流体力学技术和计算机仿真技术等，研究了山区和草原牧区雪害的形成规律与特点，总结并提出了具有普遍指导性和适用性的一套较为完整的解释公路风吹雪从启动到堆积全过程的基础理论体系，归纳总结了避免或减少公路风吹雪雪害的路基断面形式，研究了路侧地形、地貌、植被与雪害的关系；应用计算流体力学技术，以形成机理研究为基础，研究了基于fluent的风吹雪雪害（数值）仿真的原理、方法和技术，设计、开发了仿真软件；结合我国短期内尚难以大量布设区域气象、雪害监测系统的现实国情和既有研究基础，研究了基于路
4、段气象信息、地形信息和历史雪害信息的风吹雪雪害的预警原理、方法和技术，设计、开发了预警软件。Study Abstracts:The blowing snow hazard on road is the most prevalent and serious snow hazards in the northern area of China during the winter. Up to now, it has been a difficult problem for highway transportation.In this report, under the direction of “
5、absorbing the elite knowledge and experience, exerting our advantages, focusing on the key problems”, it studies the reason and pre-warning supervision method of blowing snow hazard on road in the Heilongjiang province and Inner Mongolia. The methods of study work is integrating the theory of hydrod
6、ynamics, the latest testing technology of wind tunnel, the technology of computed hydrodynamics and the technology of simulation based on absorbing all of work about blowing snow hazard research. In detail, it builds the database of blowing snow hazard on road by observing snow drifting field and st
7、udying the blowing snow hazard on road. It studies the rule of how to come into being the blowing snow hazard on road in the plain pastoral and mountain areas, and then presents the relatively integrated theory in which could explain the process of blowing snow, main factors and its mechanism of blo
8、wing snow, and the phenomenon of snow drifting. It presents some sorts style of roads base to preventing or reducing the blowing snow. And also it studies the landform and plants on the side of road how to influence snow depositing on road.Trough to using the technology of computed hydrodynamics, it
9、 studies how to simulating the blowing snow hazard on road and develops its software based on the software of FLUTNT.According to Chinese circumstances, it studies how to pre-warning supervision of blowing snow hazard on road and develops its software based on the roads current weather information,
10、terrain and physiognomy, and historical snow hazard data.公路风吹雪雪害成因与预警研究 研究报告简本目 录1.项目研究目的和意义12.国内外研究现状12.1风吹雪雪害形成机理研究现状12.2风吹雪雪害仿真研究现状22.3风吹雪雪害预警研究现状33.主要研究内容及实施方案34.公路风吹雪雪害形成机理与仿真研究54.1 形成机理54.2雪害防治原理64.3仿真技术及软件65.路基断面形式与雪害形成关系研究86.路侧地形、地貌、植被与雪害形成关系研究107.风吹雪雪害的预警研究118.风洞实验研究129项目的经济、社会、环境效益及推广应用前景1
11、39.1综合效益139.2推广应用前景1410.结束语14致谢15I1.项目研究目的和意义我国产生风吹雪的面积占国土面积的一半以上。风吹雪雪害是三大雪害之中对我国北方公路造成的危害最为普遍和严重的一种。在新疆、内蒙、吉林和黑龙江等省、自治区，冬季受气候影响，公路风吹雪雪阻几乎年年发生。为了抢险保通，每年政府、交通部门都要花费大量的人力、物力、财力。风吹雪雪害已是长期困扰公路运输的一个难题。本项目通过对我国广大北方地区公路风吹雪雪害的广泛调查和分析，对公路风吹雪雪害的形成机理进行系统研究，并在此基础上开展雪害仿真技术研究，实现对雪害成因的系统仿真（软件），从而为公路风吹雪雪害的防治提供理论、技术
12、基础和依据，为雪害进一步研究提供技术平台；与此同时，开展雪害预警技术研究，构建公路风吹雪的预警系统（软件），为建立实用的雪害信息系统、预测预报系统奠定基础，以便减轻风吹雪雪害，保证公路畅通。2.国内外研究现状2.1风吹雪雪害形成机理研究现状随着科技的进步，人类活动范围的扩大，人类开始更加关注地球环境，并重新审视自身和地球环境的关系，雪冰的研究跃上了新台阶，到二十世纪六十年代前后形成了一门新的综合性学科雪冰学。目前，世界上很多国家和研究机构从不同角度开展了雪冰方面的研究。国外许多学者运用野外观测和风洞实验等方法开展了雪粒子物理性质、风雪流运动特性、垂直分布规律以及输运规律等方面的研究，比较系统、
13、深入。但由于风吹雪现象本身的复杂性和人类知识的局限，对风吹雪雪害的研究仍然是当今世界难点问题之一。我国作为专门学科去研究风雪灾害，还是在1950年以后。特别是因国防建设的需要，l967年（现）中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、新疆交通厅公路管理局、中国科学院新疆地理研究所等单位系统开展了天山风雪流及其防治研究。并与新疆、西藏、黑龙江、甘肃等省(区)交通厅和农牧厅一起，进行了我国西北、西南和东北风雪流研究。2001年，王中隆出版了我国风雪流及其防治研究的专著中国风雪流及其防治研究，比较集中地体现了我国风雪流的研究成果。2002年7月开始至今，内蒙古锡林郭勒盟交通科学研究所，黑龙江省交通科学研究
14、所、新疆兵团、吉林大学和中科院寒旱所等共同参加对公路雪害防治成套技术进行了研究。2.2风吹雪雪害仿真研究现状近些年来，随着计算机技术的快速发展，国外许多学者开始采用各种仿真技术来模拟风雪流发生以及堆积、吹蚀、夹带过程，以求在计算机上“再现”风雪流规律。而采用计算流体力学（CFD）软件来仿真、预测特定地形条件下风雪流分布状况，则是其中一类较好的仿真技术。但由于国外多从灾害学角度而非交通运输角度出发，所以直接针对公路风吹雪方面的仿真研究较少。国内在计算机仿真研究方面，航空航天部门开展得最早，中科院系统在风吹沙、水冲沙方面也早已开始研究，但对风吹雪仿真方面的研究才刚刚开始。2.3风吹雪雪害预警研究现
15、状国外基本上从整个冰雪灾害或气象灾害角度进行风吹雪雪害预警方面的研究和应用。其预警技术及系统可划分为大中型区域风吹雪的长期预警，大中型区域风吹雪短期预警和小区域风吹雪短期预警三大类。在这三类系统中，对积雪或雪害的预测均依靠大量动态数据、完整的模型体系。且与公路雪害预警有关的应用系统，往往是纳入到高等级公路养护与管理系统中，并通常与道路气象信息系统结合。国内以往基本没有专门针对公路雪害的预测、预报或预警研究，但是我国一些气象台站和有关科研所仍然通过雪灾的气象学研究，对区域雪灾灾情的发展趋势预测方法进行了较为深入的探索。3.主要研究内容及实施方案本着“系统继承、扬长避短、重点突破”的原则，完成以下
16、任务：（1） 公路风吹雪雪害形成机理与仿真研究综合运用理论分析、野外观测、风洞实验和计算机仿真手段，以流体力学理论和国内外现有风吹雪研究成果为基础，分析和确定风吹雪雪害的主要影响因素，研究风吹雪及其雪害发生、发展的过程和内在机理，并结合山区、牧区路段的具体特点，具体探讨、分析其雪害的形成原因、特点及其防治原理。接着，以形成机理理论为指导，借鉴国内外现有关于流体力学仿真方面的最新研究成果，依靠计算机仿真技术和流体力学理论，探讨并形成我国风吹雪的仿真思路和实现技术，以从量的角度揭示风吹雪形成的机理，并建立系统的仿真模型和软件。（2） 路基断面形式与雪害形成关系研究在对风吹雪雪害的大量调查与风洞实验
17、、形成机理研究、仿真技术开发基础上，对不同断面形式的公路与风吹雪形成关系进行调查和计算分析，参照国内外已有公路路基断面形式设计经验，确定出适合我国的避免或减少雪害发生的路基合理断面形式。（3） 路侧地形、地貌、植被与雪害形成关系研究在对风吹雪雪害的大量调查与风洞实验、形成机理研究、仿真技术开发基础上，分析路侧地形、地貌、植被对雪害的影响机理，找到它们与雪害形成的关系。（4） 风吹雪雪害预警研究在对风吹雪雪害的大量调查与风洞实验、形成机理研究、仿真技术开发基础上，确定我国的风吹雪雪害预警目标、思路和具体需求，建立包括气象、地形、地貌、路段特征参数的公路风吹雪雪害预测预报模型，并开发相应的预警系统
18、软件。（5） 风洞实验研究深入研究带模型的二相流风洞实验相似理论问题，分析以往相关风洞实验实例的经验与教训。并以此为基础，吸收当代最新的成熟风洞实验测试技术、方法，设计和开展公路风吹雪风洞实验，以为雪害形成机理、仿真、预警等研究提供基础数据和丰富资料。4.公路风吹雪雪害形成机理与仿真研究4.1 形成机理自然界的风吹雪现象是复杂的非典型气固二相湍流运动，是在大气贴地边界层内发生的一种物理现象，影响因素多，又互相关联，具有随机性和不重复性。风雪流的形成及其特征主要包括：雪的物理性质、积雪的结构特点、与大地贴地边界层速度分布，起动风速及其影响因素，风雪流的发育及发育长度，风雪流与风速、温度、积雪硬度
19、的关系，风雪流的粘性，风雪流的结构特点以及风雪流的垂直分布特性等。风雪流移动规律可以由动力学理论、均匀雪粒子的湍流扩散理论和非均匀雪粒子的湍流扩散理论等不同风雪流的输送理论加以揭示。研究表明，积雪与流场分布密切相关，而流场分布主要取决于道路断面形状及周边地形、地貌、周边环境及来流的风速、风向。山区与平原地区风雪流引起的雪害在机理上的区别主要在于此。积雪的大小主要取决于吹雪强度、吹雪时间、风向、风速、气温、雪质等因素。但是，在不同气象，不同地形地貌条件下，定量地预测公路路段的积雪深，对公路风吹雪雪害预警和防治很关键，又非常困难。为此，课题组经过大量探索，提出了解决积雪深度的定量化问题的加速度系数
20、法，并在雪害动态仿真及预警研究中加以利用。4.2雪害防治原理有效避免或减轻公路雪害，从原理上讲就是设法阻断风吹雪形成过程中的某个环节或是利用形成机理，防止积雪发生在路面上。而认识掌握这一原理，有助于在防治技术研究与工程实践中做到把握全局、抓住要害、因地制宜、多管齐下，达到最佳防治效果。因此，课题组从防治机理的角度，分别对风吹雪雪害的五类防治措施的原理进行了分析、总结。4.3仿真技术及软件风吹雪的数值仿真，实际上就是利用计算机求解风吹雪运动控制方程的过程。由于自然界的风吹雪是非常复杂的气固两相湍流运动，在仿真时，只能是在必要的假设条件下，作必要的基本简化，才有可能建立仿真数学模型，并进行求解。其
21、中，积雪在风的作用下再次迁移是造成公路风吹雪雪害的主要原因，而雪迁移又可以分为吹蚀和堆积输运两种方式。因此，在仿真时，对雪粒子吹蚀和堆积现象仿真技术的研究是实现公路风吹雪雪害仿真的关键。在仿真技术开发时，对于堆积和吹蚀现象所引起的雪表面瞬时变化，课题组以计算流体软件FLUENT作为流体计算模块，运用动网格技术以及自主开发的堆积、吹蚀算法来实现。并且为了提高仿真结果的可靠性和精度，还采用加速度系数法对所得结果进行修正。同时，考虑到系统升级、维护方便的需要，仿真软件采用模块化设计思想，设计开发了交互式输入模块、交互式用户界面、数据预处理模块、仿真计算模块、仿真结果处理与回放模块等，能够揭示不同公路
22、断面和环境条件下积雪的形成规律。图1 仿真结果输出界面5.路基断面形式与雪害形成关系研究课题组将公路路段分为全路堑、迎风半路堑、背风半路堑、路堤和弯道5种典型路基断面形式，加上带路侧护栏和中央分隔带的情况，共6种情况来研究。通过分析构成路基断面的各要素对雪害形成与发展的影响，得到各种路基断面形式下雪害形成的机理。图2 边坡高7m坡度1:0.5的迎风半路堑风速等值线图和流线图（兰州风洞实验，风速12.3m/s）图3 h=7,v=9.4m/s 迎风半路堑速度等值线图（计算机仿真结果）图4 迎风半路堑风速等值线图（黑龙江野外观测）并以形成机理为基础，积极借鉴国内外的相关经验，结合我国公路设计与建设的
23、具体特点，通过分析各种典型路基断面条件下流场的规律，引入积雪廓线预测理论，作为避免或减少雪害路基断面设计的参考依据；归纳总结了避免或减少公路风吹雪雪害的路基断面形式的设计原则，为公路的设计提供指导；给出了挖方路段断面设计要点，并验证了敞开式路基设计的方法为在实际地点设计公路断面提供参考。6.路侧地形、地貌、植被与雪害形成关系研究（1）大地形与雪害形成的关系在山区，由于山川纵横起伏，形成多种多样的气候类型。这些特有的地形、地貌和气候条件直接影响了风吹雪的形成。最明显的例子就是由于山体的阻碍作用，导致山区的湍流运动复杂，并伴有湍流扩散，风雪流杂乱无章，悬移情况常见，视程障碍明显。草原牧区由于地势平
24、坦，水平流场较均匀，对雪粒子的扩散输送是不利的，但较为开阔的地形又为雪害的形成储备了大量的雪源。而且草原牧区夜间比白天有利于地面低空扰动的形成和降雪天气的发展。（2）微细地貌结构与雪害形成的关系道路两侧的微细地貌结构对风吹雪雪害产生的影响不可忽视，尤其在草原牧区由于路侧微细障碍物引起道路雪害的现象经常能见到。此时的影响主要以小范围内对风吹雪流场结构的影响为主。以风吹雪仿真结果为主，结合野外观测、风洞实验，运用风吹雪的形成机理，以对路侧构造物房屋和路堑边坡碎落台的分析、论述为例，阐明了这些微细地貌结构与风吹雪雪害的影响关系。（3）植被与雪害形成的关系课题组以防雪林为典型代表，研究了防雪林树高与风
25、速变化关系、枝下高度与风速变化关系、林带宽度与防雪效果，以及防雪林内风速、积雪深度、积雪水量和输雪量的关系等。另一方面，在积雪地区，草的密度、高度以及草地的面积都会影响风吹雪雪害的形成。一般来说，密度、高度和草地面积越大，防风吹雪雪害的效果越好。课题组根据调查得到的较严重的雪阻路段，对草与风吹雪雪害的形成关系进行了分析。7.风吹雪雪害的预警研究在风吹雪雪害预警研究方面，国外发达国家对风吹雪基础理论方面的研究有很长的历史，且由于其经济、技术条件好，现多依靠风洞实验、长期路段定点动态观测和计算机仿真获得的大量、详实数据，构建较为完善的预警模型体系。而国内则在短期内缺乏这种理论和物质基础。课题组本着
26、“立足当前、面向未来；构建平台，突破关键”的原则精神，对雪害预警指标体系、预测的方法和模型体系、预警系统框架、预警算法等进行了探索和研究，并设计和开发了适合我国现阶段国情、考虑地区间差别、兼顾中远期公路养护部门需要的公路路段风吹雪雪害预警软件。从而形成并成功实践了基于气象预报信息、地形信息和历史雪害信息的路段风吹雪雪害预警技术：选取并大胆借鉴国内外已有成熟模型与方法，以风吹雪成因基本模型为理论依据，以区域或路段气象、地形信息为主输入信息，路段现场积雪实测数据、交通量和养护信息等为辅助输入信息，从公路横断面流场特性分析入手，以雪的堆积模型作为预测分析积雪的主预测模型，雪的物理性质、路段积雪实测数
27、据、历史雪害信息等作为模型计算的修正条件，采用定性与定量相结合、计算机仿真与专家经验相结合的方法进行雪害堆积预测分析，将预测结果与给定的阈值进行比较，判断是否发生雪害以及雪害的程度，并根据公路管理和居民出行的需要，按一定信息格式进行雪害预警信息发布或及时告警。图5 预警结果界面8.风洞实验研究课题组通过对带模型的二相流风洞实验相似理论问题的深入研究，为科学设计实验、正确分析实验数据奠定了理论基础。详细讨论并制定了公路风吹雪雪害成因风洞实验方案，并分别在中国兰州中科院寒旱所、日本国立长冈冰雪灾害研究所，应用PIV等先进测试技术，开展了模拟介质和真雪公路风吹雪实验，获取了大量实验数据、照片和录像片
28、段等资料。整个风洞实验内容分为模拟介质优选及启动风速、公路横断面流场（纯流场和二相流流场）和公路断面积雪实验三大部分。通过实验，提高了研究人员对公路风吹雪现象的认识，定量测量并分析了公路横断面的流场特性，获得了主影响因素与积雪的关系，再现了风吹雪及其雪害形成的全过程。9项目的经济、社会、环境效益及推广应用前景9.1综合效益本项目的研究成果能够有效地指导风吹雪地区公路工程、雪害防治工程的设计、建设和冬季公路养护管理工作。通过推广应用项目研究成果，对雪害路段进行防治工程建设，每年将节约大量清雪费用，且能保障公路运输畅通，减少养护工作量，节约运输、管理等费用；有效避免或减少机械除雪所造成的燃油消耗、
29、喷洒融雪剂除雪所所造成的环境污染、破坏等。另一方面，依据避免或减少风吹雪雪害的路基断面设计原则，在风吹雪地区对公路进行设计、建设和改造，从而有效遏制雪害的发生，减轻雪害的严重程度，将进一步节省雪害防治工程的建设费用。或者通过建立路段雪害信息系统或预警系统，实现雪害科学预测和养护科学决策，将大大减少公路运输和养护成本。9.2推广应用前景随着人类社会的快速发展，自然灾害对人类社会的影响越来越大，其破坏程度也在不断加剧，防灾、减灾工作已经受到了世界上许多国家的重视。我国目前仅华北、东北、西北和西藏地区就有6891km的高速公路和66万km的等级公路受风吹雪雪害影响。每年由风吹雪雪害造成的直接、间接经
30、济损失数以亿计。根据交通部规划，到2010年，西部地区省际公路通道将基本建成，公路网总里程将超过94万km，高速公路通过里程届时将超过万km。西部所有具备条件的乡镇、建制村都将通公路。而其中有相当一部分公路路段每年会受到风吹雪雪害的影响。需要从公路设计与改造、交通工程设施设计、雪害防治、雪害预警预报、以及交通（含雪害）信息服务等方面出发，解除或减缓风吹雪雪害的影响。10.结束语课题组结合我国公路建设与运营特点、研究基础与技术条件，顺利完成了项目各项研究任务，取得了以下几大突破：（1） 系统地研究和总结了当前国内外公路风吹雪雪害形成机理方面的理论、模型，建立了一套较系统的解释公路风雪流的形成及发
31、育过程、输运、堆积、影响因素及其影响机理的基础理论体系；（2） 以形成机理理论研究成果为基础，应用计算流体力学技术，实现基于FLUENT的风吹雪雪害（数值）仿真，从而为公路风吹雪雪害机理的更进一步研究、防治技术的研究与设施的优选提供了基础和依据，填补了国内空白，使我国在国际风吹雪雪害仿真技术研究领域占据一席之地，并有自己的鲜明特点；（3） 结合我国短期内尚难以大量布设区域气象、雪害监测系统的现实国情和现有灾害预警研究的基础，设计与开发了基于路段气象信息、地形信息和历史雪害信息的我国公路风吹雪预警系统框架及其软件，从而为公路风吹雪预警系统的建立和应用，风吹雪雪害的更进一步研究提供基础技术与数据平台，填补了国内空白，积雪的定量化预测则是核心突破。致谢非常感谢交通部科技教育司、公路司、西部交通建设科技项目管理中心，以及黑龙江省交通厅、内蒙古自治区交通厅对课题组的信任、支持和鼓励。非常感谢课题组聘请的专家顾问、国内外同仁、地方公路养护与管理部门给予课题组的帮助。非常感谢雪害防治技术成套项目牵头单位、负责人，各承担单位领导对课题组的支持和课题组全体成员的努力。最后，非常感谢所有关心、支持和爱护中国公路风吹雪雪害科学和事业的人们。