Sluttrapport NordFoU-prosjekt Modelling Residual Salt MORS 11. juli 2013
Sammendrag Bruk av salt på vinterveger er et viktig virkemiddel for å oppnå best mulig sikkerhet og framkommelighet på vinteren, samtidig som salting kan ha negative effekter på miljø, biler og vegutstyr. Veg- og trafikkmyndighetene i de nordiske landene har derfor et behov for å optimalisere saltbruken ved å holde et lavest mulig saltforbruk men fortsatt kunne nå målene med hensyn på framkommelighet og trafikksikkerhet. Et tiltak for å kunne optimalisere saltbruken er å utvikle et operasjonelt verktøy som kan forutsi varigheten av et salttiltak under ulike vegforhold. En kan dermed unngå unødvendig salttiltak og redusere risikoen for glatt veg på grunn av for lite salt. NordFoU-prosjektet Modelling Residual Salt (MORS) har som mål å utvikle en modell for utviklingen av restsaltmengde under ulike forhold. Danmark, Sverige, Island og Norge har deltatt i prosjektet. For å kunne følge restsaltutviklingen under kontrollerte forhold har det blitt gjennomført feltforsøk på en testbane ved Bygholm, Horsens (Danmark). På en lukket bane har blitt gjennomført salttiltak og deretter målt restsaltutviklingen og sentrale parametere med og uten trafikk. Målingene har skjedd med både manuelle målemetoder og automatiske målinger (Vaisala Rosa-system). Ved gjennomføringen av feltforsøkene har prosjektet møtt noen utfordringer. Det opprinnelige asfaltdekket på testbane var ujevnt, hadde mye sprekkdannelser og manglet tverrfall. Banen måtte derfor reasfalteres. Etter reasfaltering har det vist seg at teksturen på vegoverflaten er for lav til at prosjektet kan være sikre på at resultatene er fullt ut representerbare for ordinære veger. Ut fra feltforsøkene ble det også oppdaget installeringen av vegbanesensorene var helt avgjørende for målekvaliteten. Etter andre feltforsøk måtte derfor en del av vegbanesensorene reinstalleres. Utfordringene knyttet til gjennomføringen av feltforsøkene har gjort at prosjektet ikke har kunnet nå alle må slik opprinnelig skrevet i prosjektplanen. Hvordan restsaltmengden utvikler seg ette et salttiltak vil påvirkes av mange prosesser. For å få en oversikt over de antatte prosesser og parametere bak disse er det blitt prinsipiell massebalansemodell. I alt ni prosesser er blitt identifisert og bak disse en rekke faktorer. For videre modellutvikling en forenkling har vært nødvendig. Ut fra feltforsøkene har det blitt konkludert med at det er to prosesser som er svært viktige for restsaltutviklingen; avrenning og «splash og spray» (sprut pga. trafikk). Modellen som har blitt utviklet basert på innsamlet data tar for seg disse to prosessene. Avrenningen er modellert med en modell hentet fra Warren Viessman Jr, Gary L. Lewis og John W. Knapp, 1989: Introduction to Hydrology, Third Edition. Modellen tar hensyn til nedbør, vegens ruhet, vegbredden og helning. Modellen beregner avrenning hvert 5. minutt. Den er blitt testet mot innsamlet data fra Bygholm med godt resultat. Modell for «splash and spray» er i nåværende form en empirisk modell der salttapet per kjøretøy beregnes ut fra væskemengde på vegbanen, saltkonsentrasjon og sidevind. En kombinert modell beregner tap av vann og salt fra vegbanen som følge av trafikk og passert tid. Det gjenstår å supplere modellen med flere av de prosessene som er identifisert samt å få med variasjoner bl.a. med hensyn til trafikkens hastighet og sammensetning. Modellen som nå foreligger viser et stort potensiale for videre utvikling, samtid som den allerede verifiserer viktigheten av den totale væskemengden for prosessene som styrer tap av vann og salt fra kjørebanen. Siden væskemengden er en så klart viktig faktor vil en naturlig videreutvikling av modellen være å ta inn effekt av fordamping og kondensasjon. På grunn av forsinkelser som beskrevet har ikke utviklingen av modellen kommet langt nok med hensyn til kunnskap om de sammenhenger som påvirker restsaltmengden, dessuten er ikke modellen verifisert på data fra utvalgt værstasjoner. Av den grunn anbefaler prosjektet at modellen ikke implementeres, men videreutvikles innenfor MORS2». i
Forord Denne rapporten er utarbeidet i NordFoU-prosjektet Modelling Residual Salt (MORS). Danmark, Sverige, Island og Norge har vært deltakende land i prosjektet som har gått fra 1.8.2011 til 1.7.2013. Prosjektgruppen har bestått av: Michel Eram (Vejdirektoratet, Danmark), leder Göran Blomqvist (VTI, Sverige) Skuli Thordarson (Vegsyn/Vegagerdin, Island) Kai Rune Lysbakken (Statens vegvesen, Norge) Prosjektets styregruppe har bestått av: Freddy Knudsen (Vejdirektoratet, Danmark Øystein Larsen (Statens vegvesen, Norge) Gerd Åström (Trafikverket, Sverige) Einar Palsson (Vegagerdin, Island) Linköping, København, Reykjavik og Trondheim, 11. juli 2013. ii
Innholdsfortegnelse Sammendrag... i Forord...ii Innholdsfortegnelse... iii 1 Bakgrunn og innledning... 1 2 Gjennomførte aktiviteter i prosjektet... 2 2.1 Prosjektmøter... 2 2.2 Feltforsøk Bygholm... 2 2.3 Andre aktiviteter... 2 2.4 Rapportering og implementering... 2 3 Feltforsøk Byggholm... 3 3.1 Forsøksopplegg... 3 3.1.1 Saltning under kontrollerade förhållanden... 3 3.1.2 Trafiken... 4 3.1.3 Saltbestämning med SOBO20... 4 3.1.4 Vätskebestämning med Wettexduk... 5 3.1.5 Saltkoncentrationsbestämning med Refractometer... 6 3.1.6 Insamling av stänk och spray med petriskålar... 7 3.1.7 Fuktbestämning med beröringsfri sensor från Infralytics i Tyskland... 7 3.2 Resultater... 7 4 Definering av modellkonsept... 10 4.1 Massebalansemodell... 10 4.2 Antagelser og forenklinger... 11 5 Modellutvikling... 11 5.1 Avrenningsmodell... 11 5.1.1 Bakgrunn... 11 5.1.2 Modellen... 11 5.2 Modell for «splash og spray»... 12 6 Konklusjon... 15 iii
1 Bakgrunn og innledning Veg- og trafikkmyndighetene i de nordiske landene over lang tid hatt mål om å kunne redusere forbruket av salt i vinterdriften. Samtidig er det et mål og opprettholde tilgjengelighet, framkommelighet og trafikksikkerhet om vinteren. Salt er et viktig virkemiddel for å gi veggrep om vinteren som gjør at man når målene med hensyn på trafikksikkerhet og framkommelighet. Saltingen har stor betydning for kjøreforholdene for tunge kjøretøy og har derigjennom en viktig betydning for kollektivtransport og næringslivets transporter. Samtidig er de negative effektene av salt godt kjent. Dette er effekt på miljøet i form av skader på vannmiljø og vegetasjon, men også skader på materialer på vegutstyr og biler. Salting av vinterveger utgjør derfor en kompleks avveining mellom transportsystemets funksjon og andre hensyn. For å optimalisere saltbruken har det blitt gjennomført ulike prosjekter med metodeutvikling innen vinterdriften, eksempelvis innen spredemetoder, alternative kjemikalier og teknisk utvikling av saltspredere. Et annet mulig tiltak for å kunne optimalisere saltbruken er å utvikle operasjonelt verktøy som kan forutse varigheten av salttiltak under de faktiske forholdene på en vegstrekning. På den måten kan redusere unødvendig salttiltak samtidig redusere risikoen for at for lave saltmengder gir tilfrysing og glatt veg. Ved TRB årskonferansen i januar 2011 ble de presentert to nordiske modeller for restsaltmengden i hjulspor som begge pekte på de samme tre fenomen: 1. Saltet forsvinner raskere en vi tidligere kjente til 2. Salttapet er klart avhengig av hvor våt vegbanen er; jo våtere veg, jo raskere salttap 3. Trafikk er en viktig drivkraft for salttapet Tross at modellene var utviklet under ulike forutsetninger med automatiske sensormålinger fra Danmark og manuelle målinger fra Norge så viser modellene en del likehetstrekk. Dette tydet på at det var mulig å lage en modell som klarer å beregne rastsaltmengden på vegbanen. For at en eventuell modell skal kunne anvendelse operasjonelt setter det krav til ytterligere presisjon og dermed må de prosesser og faktorer som påvirker restsaltmengden klarlegges og dokumenteres. Med dette som bakgrunn ble NordFoU prosjektet Modelling Residual Salt startet i august 2011 og det ble utarbeidet en prosjektplan. Prosjektplanen skisserte følgende hovedoppgaver: 1. Prosjektsamordning 2. Modellformulering 3. Utvärdering av sensorer och mätmetoder 4. Öka kunskapen om de samband och faktorer som påverkar restsaltutvecklingen 5. Insamling av nya data från fältstationer 6. Kunskapsspridning och implementering 1
2 Gjennomførte aktiviteter i prosjektet 2.1 Prosjektmøter MORS-teamet har, förutom vid fältkampanjerna träffats i arbetsmöten vid fire antal tillfällen. I tillegg har det blitt avholdt en rekke prosjektmøter via Skype og telefon. Prosjektmøtene har vært viktige for prosjektsamordningen, men også for de mer faglige diskusjoner knyttet til hovedoppgave 2 til 6 2.2 Feltforsøk Bygholm I prosjektet ble det valgt å bygge ut og benyttet testbanen i Bygholm, Horsen (Danmark), for å gjennomføre kontrollerte feltforsøk. Disse feltforsøkene var viktige for å kunne levere innen hovedoppgave 3 (utvärdering av sensorer och mätmetoder) og hovedoppgave 4 (öka kunskapen om de samband och faktorer som påverkar restsaltutvecklingen). Fältkampanjer har genomförts tre gånger: 16 20 januari, 14 16 maj och 3 6 december 2012. Prosjektet har møtt en del problemer knyttet til gjennomføring av feltforsøkene. Mellan de två första mätomgångarna uppgraderades beläggningen som ursprungligen dels saknade tvärfall, dels var så ojämn och sprucken att mätkvaliteten påverkades negativt. Mellan andra och tredje mätomgången justerades sensorinstallationerna vilket visade sig vara helt avgörande för mätkvaliteten. Efter tredje mätomgången har vägytan behandlats i syfte att uppnå en större textur, då den nya beläggningen fick en alltför liten textur för att kunna representera allmänna vägar. Problemene knyttet feltbanen på Bygholm og de installerte sensorene har hatt konsekvenser både med hensyn på prosjektets progresjon og ikke minst tilgjengelig datamengde og datakvalitet. Manglende data med tilstrekkelig kvalitet eller manglende representerbarhet har gjort at prosjektet ikke har kunnet nå alle opprinnelige mål i hovedoppgave 4 om å øke kunnskapen om sammenheng og faktorer som påvirker restsaltmengden. Det har også gjort at prosjektet ikke har kunnet gå inn i hovedoppgave 5 i ønsket grad. 2.3 Andre aktiviteter Vid VTI:s väglaboratorium i Linköping har laboratorieförsök genomförts för att utvärdera manuella vätskemängd- och saltmätmetoder. Resultaten är presenterade vid TRB:s internationella konferens «Winter Maintenance and Surface Transportation Weather» i Iowa City, Iowa, USA, 2012. Doktoranden Mats Riehm har varit kopplad till projektet och i hans avhandling, som försvarades den 7 december 2012, ingår ett masnuskript till en vetenskaplig artikel som bygger på mätningar genomförda vid fältförsöken i Bygholm. 2.4 Rapportering og implementering Gjennom prosjektet har prosjektplanen blitt revidert i forbindelse med nødvendig endringer i planene eksempelvis knyttet til problemer med gjennomføring av feltforsøk. Endringene er synligjort i de ulike versjonene. Prosjektet har blitt presentert ved tre anledninger i populærvitenskapelige tidsskrifter: Trafik og veje, nr. 10, oktober 2011 Trafik og veje, nr. 4, april 2013 2
Nordic Road and Transport Research, nr. 1, 2013 Det er sendt inn to abstrakter til PIARC XIV Winter Road Congress 2014 som fører til presentasjon av en artikkel om selve modellen og en artikkel om feltforsøkene og utvikling af modellen. I tillegg har modellen vært presentert på VTI s stand under Vianordica i reykjavik i juni 2012. Sluttrapportering av prosjektet skjer gjennom denne rapporten samt en implementeringsguide for restsaltmodellen. 3 Feltforsøk Bygholm 3.1 Forsøksopplegg Fältförsöken har gått ut på att under kontrollerade förhållanden följa restsaltutvecklingen tillsammans med de parametrar som styr utvecklingen. Detta har skett genom att applicera kontrollerade saltgivor och övervaka utvecklingen med och utan trafik. Övervakningen har skett med såväl manuella mätmetoder som automatiserade sensorer (Vaisala Rosa-system). 3.1.1 Saltning under kontrollerade förhållanden Saltspridaren ställdes vid januarimätningarna från början in att sprida mättad lösning enligt ordinarie vedertagen metod så som det skulle ha gjorts under skarpa förhållanden. Detta resulterade i endast tre ränder av salt på vägbanan (Figur 1) eftersom fordonet var kalibrerat enligt normala standardgivor. Då MORS-försöken syftar till att studera de processer på vägytan som leder till restsaltminskning (trafikinducerad omfördelning av saltet, etc.) valdes att övergå till ett alternativt angreppssätt där vi istället flödar saltlösning över vägbanan för att på så vis uppnå en jämnt fördelad saltmängd. Detta krävde att fler saltspridarmunstycken öppnades samt att de riktades om på så vis att en jämnare saltmängd kunde uppnås (Figur 2). För att inte saltmängden skulle bli orimligt hög på testbanan späddes saltlösningen i bilen till ca 10%. Fordonet passerade sedan mätsträckan ca åtta gånger i vardera riktningen. 3
Figur 1 Den första försökssaltningen: ojämn, men reglementsenlig. Figur 2. Saltspridning med fullt flöde på samtliga spridarmunstycken Samma tillrättalagda teknik för saltspridning användes vid majmätningarna. Vid decembermätningarna spreds istället befuktad salt med tallriksspridare. 3.1.2 Trafiken Trafiken utgjordes av personbilar där MORS-teamet själva var förare. Hastigheterna hölls konstant under trafikpassen och varierade mellan 50 och 100 km/h. Majoriteten av trafikpassen är genomförda i 80 km/h. 3.1.3 Saltbestämning med SOBO20 SOBO20 är en vedertagen saltmätare som används för stickprovtagning av mängden salt på vägytan. Instrumentet mäter i ett intervall från 0 45 gram NaCl per kvadratmeter. 4
Figur 3. Restsaltmätningar med SOBO20 i januari. OBS! Den gamla beläggningen. VTI:s Wet Dust Sampler (WDS) är ett instrument som ursprungligen är utvecklat att provta vägdamm på vägytor. Den består av en ombyggd högtryckstvätt kombinerat med en tryckluftspump som tillsammans tvättar en vägyta med en bestämd mängd avjoniserat vatten och för över ett prov av tvättvattnet till en provflaska där analys kan ske. WDS:en är lämplig som komplement till SOBO20 i de fall salthalten är för hög för SOBO20:s mätintervall eller då det föreligger kristalliserat salt i sådan omfattning att den inte hinner lösas av SOBO20 under dess mätperiod. Figur 4. Restsaltmätning med Wet Dust Sampler (WDS) 3.1.4 Vätskebestämning med Wettexduk Wettexdukarna används för att kvantifiera mängden vätska på vägytan. Den torra duken pressas av operatören mot den fuktiga vägytan så att den suger upp den tillgängliga vätskan. Massan av Wettexduken med vätska bestäms med hjälp av en elektronisk våg i skydd från påverkan av vinden 5
intill mätplatsen. För omräkning av massan till rent vatten räknas först massan (taran) av den torra duken och sedan justeras detta värde utifrån vilken salthalt vätskan innehåller. Figur 5. Fuktbestämning med Wettexduk 3.1.5 Saltkoncentrationsbestämning med Refractometer Refractometern är en snabb metod att bestämma saltkoncentrationen hos en saltlösning. Vätskemängden (vatten plus salt) mätt med Wettex och salthalten mätt med refractometern kan tillsammans användas till att beräkna saltmängden genom att multiplicera de båda faktorerna. På så vis får vi ett alternativt sätt att kvantifiera saltmängden. Figur 6. Bestämning av saltkoncentrationen med refractometer 6
3.1.6 Insamling av stänk och spray med petriskålar Insamling av stänk och spray i petriskålarna syftar till två saker: 1. Kvantifiering av den utspridda saltmängden vid respektive salttillfälle, dels den mängd som landar på vägbanan, dels den mängd som landar vid sidan om. 2. Kvantifiering av stänk och spray (splash & spray) förorsakad av trafiken. Figur 7. Stänk och spray-mätning med petriskålar 3.1.7 Fuktbestämning med beröringsfri sensor från Infralytics i Tyskland Mätinstrumentet mäter med en hög frekvens, men lagrar genomsnittsvärden på 1-sekundsnivå, vilket med den hastighet som användes i fält motsvarar omkring 3 5 cm mätpunktstäthet. 3.2 Resultater De sensortester som MORS-teamet genomfört i Bygholm har tydligt klargjort betydelsen av korrekt monterade sensorer. Notera skillnaden mellan de automatiska saltsensorerna (saltsensor 1 4) och de manuella mätningarna WDS mean, SOBO mean och Wtx*Refr som är vardera medelvärdena av WDS- SOBO-mätningarna samt kombinationen av wettex och refraktionsmätaren (näst nedersta diagrammet i Figur 8). 7
Figur 8. Mätsammanställning från den 14 maj 2012. Figur 8 visar mätvärdena längs en tidsaxel (x-axeln) från klockan 10 på förmiddagen den 14 maj till klockan 23 samma dag. Uppifrån och ner visas: Trafiken: varje fordonspassage på det södra körfältet presenteras med sin hastighet, personbilarna som kryss och saltbilarna som fyllda cirklar. Vinden: Timmedelvärden av vindhastigheten visas som siffror och 5-minutersmedelvärdet visas som vektorer. Nederbörden visas som staplar i femminutersupplösning. Enheten är mm/h. Restsaltmängden visas i femminutersupplösning för de automatiska sensorerna och vid mättidpunkten för de manuella mätningarna. Fuktigheten visas i femminutersupplösning för de automatiska sensorerna och vid mättidpunkten för de manuella mätningarna. 8
Figur 9. Exempel på två fuktprofiler med Ifralyticssensorn I Figur 9 visas två profiler som exempel på uppkomna hjulspår i vätskan på vägytan. Klockan 09.57 är vägen nysaltat och fortfarande blöt sedan nyligen fallen nederbörd. Man kan dock notera att vägmitten (åsryggen) är torrast samt att fuktmängderna är större utåt vägkanterna, vilket visar på den pågående ytavrinningen från vägmitt mot vägkanterna. I profilen från klockan 22.10 har två trafikpass passerat sedan senaste saltning och ingen nederbörd tillför någon ytterligare vätska. Bortstänkningen från hjulspåren ter sig uppenbar, även om fordonen på den norra väghalvan tycks ha legat något mer åt vägmitten än förväntat. Figur 10. Splash- och spraybildningen. Depositionen av salt i petriskålarna (cirklar), mängden av fordonen lyft salt (röd yta), saltminskning orsakad av fordonen (skrafferad yta). 9
I Figur 10 visas ett exempel på saltdepositionen av salt i petriskålarna efter ett trafikpass. Den mängd salt som deponerats utanför körfältet räknas som bortstänkt och den mängd salt som deponerats inom körfältet är endast omfördelad och finns kvar på vägytan efter fordonspassagen. 4 Definering av modellkonsept 4.1 Massebalansemodell Hvordan restsaltmengden på en vegbane utvikler seg etter salttiltak vil påvirkes av mange prosesser og faktorer. I figuren nedenfor vises en prinsipiell skisse av en modell for massebalanse på vegbanen. Modellen viser hvilke prosesser som antas å påvirke mengden salt på vegbanen. Run-off Splash + spray-off Blow-off Fordampning Salt Saltløsning Vann Kondens Spredning Solid NaCl Nedbør Spredning løsning NaCl Figur 11. Modellkonsept for restsaltmodell Modellen tar utgangspunkt i at det kan befinne seg masse i form av tre elementer på vegbanen: 1. vann 2. saltløsning 3. uoppløst salt Det er identifisert følgende prosesser som kan bringe masse inn og ut av systemet: 1. Spredning av tørt salt 2. Spredning av saltløsning 3. Blow-off (tørt salt/saltkrystaller som tapes av vegen pga. trafikk) 4. Run-off (avrenning av væske/saltløsning fra vegbanen) 5. Splash + spray-off (væske/saltløsning som tapes av vegen pga. trafikk) 6. Fordamping av væske på vegoverflaten 7. Kondensering av fukt på vegbanen 8. Nedbør i form av regn, sludd eller snø 10
I tillegg er det identifisert to prosesser som endrer massen mellom de ulike typer elementer innad i sytemet, dvs. mellom vann, saltløsning eller uoppløst salt: 9. Oppløsning 10. Utkrystallisering 4.2 Antagelser og forenklinger I modellkonseptet er det i alt identifisert ni ulike prosesser som påvirker saltmengden på vegbanen etter et salttiltak. Det vil være en rekke faktorer som påvirker hver en av de ulike prosessene. En fullstendig modell ville være svært krevende å få til og visse forenklinger og antagelser er derfor nødvendig. Målet med modellen som er utviklet har vært å kunne modeller de prosesser som har størst betydning for restsaltutviklingen. I modellens nuvarande form tas hänsyn till avrinningen (run-off) och bortstänkningen (splash + sprayoff). En delmodell som saknas för närvarande är beskrivningen av avdunstning/kondensering, vilket påverkar vätskemängden på vägytan och därigenom också saltkoncentrationen i vätskan. I tillegg gjøres blant følgende antagelser: Antar spredning av saltløsning eller at alt salt er oppløst. Modellen tar ikke for seg prosessen med oppløsning av salt, dvs. at modellen antar spredning av saltløsning eller at saltet er oppløst Antar ikke noe initaltap. Modellen tar ikke hensyn til at det ved selve spredningen av saltet kan ha et direkte tap som innebærer at en viss andel av doseringsmengden aldri havner på vegbanen. Initialtapet kan skyldes turbulens fra spredekjøretøy, vind eller ved spredning av tørt eller befuktet salt kan saltkorn «sprette» av vegen. Snønedbør. Modellen tar ikke hensyn til tilføring av masse som snø og en eventuell smelting av denne. Snøbrøyting. Modellen tar ikke med eventuell effekt brøyttiltak vil ha på saltmengden 5 Modellutvikling 5.1 Avrenningsmodell 5.1.1 Bakgrunn Beskrivelse av modellen hentes fra Warren Viessman Jr, Gary L. Lewis og John W. Knapp, 1989: Introduction to Hydrology, Third Edition. En fyldigere beskrivelse finnes i original publikasjon; N. H Crawford and R. K Linsley, Jr.: «Digital Simulation in Hydrology: Stanford Watershed Model IV», Department of Civil Enigneering, Stanford University, Tech Rep. No. 39, July 1966. Opprinnelig er modellen utviklet for US-customary units, men vår versjon er alle formler modifisert for SI-enheter. 5.1.2 Modellen Modellen tar hensyn til nedbør, og det første som beregnes er likevekts-væskemengde ved en gitt nedbørintensitet (1). Dette beregnes for hvert enkelt tidskritt (hvert 5. minutt i vår modell), uansett hver lenge nedbøren varer. Denne verdien, D e, brukes i selve avrenningsformelen. 11
D e 0,6 0,6 0,6 B i n L = (1) 0,3 S D e likevekts-væskemengde, mm B empirisk konstant i nedbørintensitet, mm/time n Manning s ruhetsparameter, 0,012 for asfalt L områdets lengde i strømningsretning, m, (halve vegbredden i tilfelle takfall) S helning, m/m Det er tatt hensyn til at opprinnelig modell beregner D e i ft 3 /ft pr. bredde-enhet dvs. volum væske langs hele områdets lengde (L), men vi vil gjerne presentere dette i mm gjennomsnittlig væskefilme. Derfor deler vi med L på høyre side og får L 0,6 i motsetning til L 1,6 som i opprinnelig modell. Avrennings intensitet beregnes som 3 5/ 3 C 1/ 2 5/ 3 D q = S ( D) 1 + 0,6 (2) n D e q C D avrenning, mm/time empirisk konstant gjennomsnittlig væskemengde i området, mm I den opprinnelige modellen brukes (D/L) 5/3 hvor D/L betegnes som gjennomsnittlig væskedybde, men hos oss er D allerede væskedybde og ikke volum pr bredde. Ved å multiplisere q med L kan man få avrenning i volum væske pr. time. Hvert 5. minutt kjøres modellen med ny verdi for D e, q og D ved hjelp av kontinuitetsligning for systemet (ny væskemengde er lik gammel væskemengde pluss nedbør minus avrenning): D 2 = D 1 + i q (3) hvor det også må tas hensyn til at i og q er timesverdier og må derfor skaleres med 5/60 når det beregnes hvert 5. minutt. Væskedybde i begynnelsen, D 0, kommer fra sensor eller settes lik null. Avrenningsmodulen er verifisert mot tre danske vegstasjoner med godt resultat. De samme stasjonene blir senere brukt til verifisering av selve restsaltmodellen. 5.2 Modell for «splash og spray» Den trafikgenererade saltförlusten från vägen beräknas i nuläget med en inom MORS-projektet framtagen empirisk modell där saltdepositionen i en profil tvärs över vägen och ut på vardera sidan utanför körfältet relateras till de tre mätbara storheterna vätskemängd på vägytan, saltkoncentration och sidvind (den vägvinkelräta vindkomposanten). Här ingår både stänk- och spraymekanismer och modellen skiljer heller inte på salt i löst (spray-off) och oupplöst form (blow-off), även om den är framtagen utifrån mätkampanjen i maj, då endast saltlösning användes i försöken. 12
Den mängd vätska som varje enskilt fordon (personbil, 80 km/h) lyfter från vägbanan har i fältförsöken från maj månad kunnat relateras till vätskemängden på vägytan enligt ekvation 4. =3,9 (4) SS W D Den mängd vätska varje enskilt fordon lyfter från vägbanan Vätskemängden på vägytan (mm) Den mängd salt som fordonen lyfter från vägytan vid framfarten reknas fram genom ekvation 5. = c (5) SS S Den mängd salt varje enskilt fordon lyfter från vägbanan c Saltkoncentrationen (%) Den del salt som lämnar vägområdet genom de fordonsorsakade stänk- och sprayfaserna bestäms genom att integrera den exponentialfunktion (6) som beskriver saltdepositionen från körfältskanten (3,7 m från mittlinjen) ut till tio meters avstånd från körfältet. = (6) Dep depositionen vid ett visst avstånd S depositionen vid kantlinjen (dist = 0) -k modellkonstant som avgör avklingningen av depositionen dist avstånd från körfältskant Modellkonstanten «S» i ekvation 6 är positivt korrelerad med den mängd salt varje enskilt fordon lyfter vid passagen och trenden följer ett andragradspolynom enligt ekvation 7. =0,026+0,031 +0,0054 (7) Modellkonstanten «k» i ekvation 4 är negativt korrelerad med den vägvinkelräta vindkomposanten (RPW) och trenden följer ett exponentiellt avtagande (ekvation 7). =2,32 (, ) (8) RPW den vägvinkelräta vindkomposanten (m/s) I Excelversionen av modellen bestäms saltförlusten genom att summera numeriska lösningar på ekvation 6 i tjogo steg från noll till tio meters avstånd från körfältet. För närvarande bygger «splash och spray»-modellen på data insamlade där trafiken utgjorts av personbilar som körts i 80 km/h. Splash och spray förlusten av salt från vägbanan förväntas vara positivt relaterad till både fordonens hastighet och storlek. 5.3 Kombinert modell: Avrenning, og splash og spray Tap av salt ifølge delmodellene beskrevet ovenfor tar utgangspunkt i både tid passert etter salting og antall kjøretøy. Modellen må ha initialdata om væskemengde og saltmengde på vegbanen, da kan konsentrasjonen beregnes. Følgende definisjoner gjelder: 13
Væske = vann + salt Salt = Væske x konsentrasjon = (vann + salt) x konsenstrasjon Væskemengde, saltmengde og konsentrasjon henger sammen slik ligningene viser. Med to av de tre variablene kjente(vann, salt, konsentrasjon), vil den tredje alltid kunne beregnes. Tilgjengelighet på måledata om vann, salt og konsentrasjon vil kunne variere mellom forskjellige steder der modellen kan tenkes å være anvendt, men for å starte beregningene må alltid to av de tre variablene måles eller bestemmes på andre måter. Beregnet tap av væske iht. avrenningsmodellen inkluderer tap av både vann og salt, hvor tap av salt blir beregnet vha. initial konsentrasjonen. Nedbør vil øke mengde vann på vegbanen, og redusere konsentrasjonene tilsvarende. Splash-/spray-modellen beregner tap av saltmengde, hvor samtidig tap av vann blir beregnet vha. konsentrasjonen. Figuren nedenfor viser målt og beregnet vannmengde på vegbanene under feltforsøkene den 3. desember 2012. Figur 12 Målte og simulerte verdier for vannmengde på vegbanen. Figuren viser tydelig at i perioder uten trafikk er avrenning fra vegbanen enerådende for endring i vannmengde. Sensor 1 ligger i høyre hjulespor men sensor 2 ligger mellom hjulespor. De simulærte vannmengdene blir foreløpige å tolke som en slags gjennomsnittsmengde på tvers av vegbanen. Ved anvendelse av modellen må trafikkprognose for de nærmeste timene foreligge. Disse dataene kan f.eks. utredes på forhånd vha. trafikkteller, hvor man eksempelvis lager en tabell for hver enkelt ukedag basert på analyse av trafikken gjennom en hel sesong. Følgende tabell illustrerer hvordan tidsforløpet i modellberegningene ser ut når beregningene startes kl. 05:50 når initialbetingelser innføres i modellen: 14
Time Trafikk Vann Salt Konsentrasjon Tid Passert Total Passert Start Slutt Start Slutt Start Slutt 05:45-98 05:50 0 112 0 220,0 16,4 16,4 6,9% 05:55 5 120 8 220,0 218,6 16,4 16,3 6,9% 6,9% 06:00 10 136 16 218,6 215,7 16,3 16,1 6,9% 6,9% Her blir beregnede verdier for vann og salt en sum av resultatet fra avrenningsmodellen og fra splash-modellen, hvor den første beregner med grunnlag i passert tid (5 minutter pr. beregningsskritt), og den andre med grunnlag i antall kjøretøy passert i vedkommende 5 minutters intervall iht. trafikkprognose. Etter hvert som modellarbeidene avanserer under MORS-2 vil en bedre fysisk beskrivelse ligge bak modellering av henholdsvis vann og salt på vegbanen. Eksempel på denne utviklingen er fordampning av vann, kondens fra atmosfæren og bedre trafikale forutsetninger som andel tungtrafikk og varierende kjørehastighet. 6 Konklusjon Data fra værstasjonen på forsøksfeltet på Bygholm har vist at installeringen av vegbanesensorene er svært viktig. Hvordan nivå (høyde) sensorene installeres på i forhold til vegbaneoverflaten vil ha stor innvirkning på hvilken vannfilmtykkelse sensorene måler. Siden den målte vannmengden på vegoverflaten også inngår i beregningen av saltmengde, målt i g/m 2 vil også installeringen også påvirke denne. Erfaringene fra Bygholm har vist at ved ønske om bruk av data fra vegbanesensorer på ordinære værstasjoner langs veg må installeringen sjekkes og kvalitetssikres. Resultatene fra feltforsøkene på Bygholm har vist at prosessen med avrenningen har stor betydning for utviklingen av vannmengden og restsaltmengde. Avrenningen fra vegbanen ser ut til å være større enn det som tidligere er antatt. Det vil si at mer salt forsvinner fra vegbanen med avrenningen enn tidligere antatt. Prosessen med avrenningen ser også ut til å starte ved lavere vannmengder enn antatt, altså at vegbanen evne til «å holde» på vannet er lavere enn antatt. Det må presiseres at det noe usikkert i hvor stor grad teksturen vil påvirke avrenningen. Som nevnt fikk testbanen på Bygholm svært lav tekstur etter reasfaltering. For å oppnå en mer presis restsaltmodell er det derfor nødvendig at prosessen med avrenningen dokumenteres bedre. Dette inkluderer eksempelvis betydning av tekstur og tverrfall. Prosessene og modellene for avrenning og «splash og spray» er en funksjon av vannmengden på vegoverflaten. For å få en mer korrekt modell så vil det være nødvendig å ta hensyn til hvordan fordamping og kondensering påvirker vannmengden på vegen. I modellen i sin nåværende form inngår altså avrenning og splash/spray. Modellen beregner væsketapet fra vegbanen på grunn av disse prosessene. For å beregne salttapet må deretter saltkonsentrasjonen bestemmes. Saltkonsentrasjonen vil jo påvirkes av både salttapet, nedbør og 15
fordamping eller kondensasjon. Også her ser man at det er kritisk for utviklingen av modellen at alle viktige faktorer som påvirker vannmengden på vegen blir tatt hensyn til. På grunn av forsinkelser som følge av problemene knyttet til gjennomføringen av feltforsøkene på Bygholm har prosjektet blitt forsinket i henhold til planen. Av den grunn er ikke utviklingen av modellen kommet så langt at modellen bør regnes som implementerbar. Som påpekt har man ikke kommet tilstrekkelig langt i hovedoppgave 4 om de ulike sammenhenger som påvirker restsaltmengder slik som faktorer knyttet til avrenning, fordamping og kondensasjon. Dessuten har modellen ikke vært verifisert på data fra utvalgt værstasjoner slik som beskrevet i hovedoppgave 5 i prosjektplanen. Prosjektet anbefaler dermed at disse oppgavene prioriteres i et videre forløp i MORS2. 7 Vedlegg Under arbeidet har prosjektplanen vært fortløpende oppdatert i forhold til prosjektets utvikling. Den siste versjonen danner et grunnlag for en prosjektplan for videreføring av arbeidene under MORS-2. Det er utarbeidet en implementeringsguide hvor modellens anvendelse er beskrevet, herunder krav til nødvendig data fra implementerings sted. Prosjektplan MORS versjon 9, 01.07.2013 Utkast til implementeringsguide MORS restsaltmodell Juli 2013 16