VTI National Transport Research Database

Tvådimensionell transport av salt, vatten och värme i vägkroppen: mätning och modellering

  • Hansson, Klas
  • Kungliga tekniska högskolan, Universitet eller högskola, 202100-3054
Sponsors, duration, budget: Vägverket ; 2005-05-01 -- 2011-03-30 ; 1046000 kronorRegistration number:
  • Vägverket AL90 B 2004:22594
  • Trafikverket 2010/5923
Subject(s): Online resources: Abstract: PROBLEM: Vattenhalt och vattenledningsförmåga i vägkroppens obundna material samt i undergrunden har stor inverkan på vägmaterialens bärighet samt deras tjälfarlighet och förmåga att transportera föroreningar från vägen ut i omgivande landskap. Trots att betydelsen av vatten i vägkroppen är stor finns idag en begränsad kunskap om hur vattenhalten i en typisk svensk väg varierar i ett tvärsnitt av vägkroppen över såväl dygn som år. Modellberäkningar visar att det kan finnas stora variationer i vattenhalt och temperatur i vägens tvärsnitt till följd av snötäckta slänter, infiltration i asfaltsprickor och/eller i vägslänten samt skillnader i materialegenskaper mellan asfalt och obundna material. Vidare har det pågående Vägverksprojektet "Operativ prediktionsmodell för miljöpåverkan av vägsalt" påvisat att den största saltdepositionen sker nära vägkanten (i slänt och dike) och med tanke på Vattendirektivet och Naturvårdsverkets miljökvalitetsmål gällande grundvatten av god kvalitet är det angeläget att i detalj förstå de komplicerade processer som sker i vägrenen. Det är uppenbart att ett datorprogram som kan användas för att beräkna olika konstruktioners möjlighet att minska föroreningsproblem som är relaterade till vägar såsom salttransport till markzonen och läckage från alternativa vägmaterial kommer att vara mycket användbart framöver. I nuläget förfogar de sökande över en numerisk modell som utöver tvådimensionella vatten- och värmeflöden i marken kan beräkna ytavrinning (på t.ex. asfalt), fasomvandling is/vatten, ångflöden, dränering med mera. De flesta delar av detta program (Hydrus1D/2D) har testats av forskare över hela världen då det är ett program med stor spridning. Emellertid har inte de tvådimensionella tjälrutinerna eller ytavrinningen utvärderats och modellen behöver här valideras gentemot mätdata. Det är av stor vikt att validera modellen på ett problem med tydlig tvådimensionell geometri och vår bedömning är att det perfekta objektet är en vägbank med slänt och dike. Det är dessutom känt från arbeten utförda under 2004 att de grovkorniga material som vägar byggs av utgör en beräkningsteknisk utmaning genom att de styrande ekvationerna blir än mer olinjära än de är i normalfallet. Med anledning av detta är det troligt att en utveckling av modellens numeriska metod kommer att behöva ske under projektets gång. När det gäller beräkning av frysning och tjällossning i partikulära material används idag två olika typer av modeller beroende på om fokus ligger på tjälhävning eller vattentransport under frysförloppet. Den modifierade versionen av Hydrus är en så kallad hydrodynamisk model som fokuserar på vattentransporten snarare än tjälhävningen och det är ytterst centralt att veta hur väl detta angreppssätt fungerar i såväl vägmaterialen som undergrunden. SYFTE: Syftet med projektet är 1) att insamla mätdata över flera år med inomdygnsupplösning; 2) att validera och vidareutveckla den kopplade vatten- och värmeflödesmodell som tagits fram inom projektet "AL 90 A 99:8683, Vattenflödesmodell" vilket avslutas under våren 2005; 3) att förbättra förståelsen av ytavrinnings-, infiltrations- och vattenflödesprocesser i vägbank och dike samt deras betydelse för föroreningstransporten; 4) att utvärdera den sk hydrodynamiska metoden för beskrivning av frysförloppet. METOD: Genom att utföra mätningar av vattenhalt, salthalt och temperatur kan vi inte bara få en möjlighet att validera modellen utan även belysa transportvägar för salt och vatten i vägbanken, samt studera hur infiltrationen sker i framförallt slänten ned mot dikets botten. TDR-givare kommer att mäta såväl vattenhalt som salthalt under flera säsonger med stor upplösning i såväl tid som rum. Givare för temperatur och vattentryck kommer också att installeras så att tjälförloppet kan följas under vinterhalvåret. En del av givarna kommer att placeras på positioner i vägkroppen som är intressanta ur en vägdimensioneringssynpunkt. Genom att samtidigt mäta temperatur, vattentryck, vattenhalt och salthalt kan vi utvärdera hur väl den hydrodynamiska metoden fungerar för att beskriva det komplicerade frysförloppet i vägkroppen. Den beräkningsmodell som utvecklats inom ramen för projekt AL 90 A 99:8683 kommer att utvärderas på så vis att de beräknade tillståndsvariablerna salthalt, vattenhalt och temperatur jämförs med de tvådimensionella mätningarna i vägkroppen. Vår avsikt är att placera mätutrustning på två platser: 1) vid E4 i närheten av Kista, på samma plats där mätningar inom projektet "Operativ prediktionsmodell för miljöpåverkan av vägsalt" utförs, vilket medför att de båda projekten kommer att komplettera varandra skalmässigt så att en transekt från vägens mitt till ett avstånd av 200 meter täcks in; 2) vid stationen för klimatmätningar i Säve som instrumenterats av vägklimatgruppen på Göteborgs universitet där mätapparatur av allt utom vattenhalt och vattentryck redan finns. Eftersom platsen är otrafikerad lämpar den sig för studier av t.ex. ytavrinnig och effekter av olika dikesutformningar. Ett projekt som det föreslagna ger många beröringspunkter med andra redan pågående projekt och en viktig del av detta projekt kommer därför vara att ha fortlöpande kontakt, och samarbeta, med andra forskare för att åstadkomma synergieffekter utan dubbelarbete. I dagsläget pågår redan samarbete med David Bendz på SGI gällande alternativa vägmaterial och med Esben Almkvist på Göteborgs universitet angående värmeledning och frysning i asfalt. Kontakt har etablerats med Göran Blomqvist på VTI angående diken och Bengt Rosén på SGI gällande mätteknik. Medsökande i detta projekt är dessutom Per-Erik Jansson på KTH som ansvarar för projektet gällande prediktionsmodellen för miljöpåverkan av salt och Åke Hermansson på VTI som bland mycket annat arbetar med en vägdimensioneringsmodell. FÖRVÄNTAT RESULTAT: Efter att ha utfört den föreslagna studien förväntas en väsentligt förbättrad förståelse av vägens salt-, vatten- och värmetransport samt hur de olika komponenterna påverkar varandra. Genom mätningarna får vi också en möjlighet att utvärdera och förbättra det tvådimensionella beräkningsprogram vi har idag så att det kan komma till praktisk användning vid studier av förorenings-, vatten- och värmetransport i vägar och kringliggande natur. På grund av att frysning och tjälning uppvisar tydliga inomdygnsvariationer krävs ett mätintervall av storleksordningen 15 minuter vilket kommer att ge värdefull information till följande prioriterade FUD-behov: (5:1a) beaktandet av inomdygnsvariationer i dimensioneringsmodeller; (5:1E) uppföljning av fukt i vägkroppen under hela året. Dessutom kommer FUD-behov (5:3B) ”modeller för att prognostisera utlakning: effektsambandet alternativa material – vägkonstruktion - omgivning” och FUD-behov (13:41) ”behov av att klargöra effektsamband mellan drift/underhållsåtgärder för vägar och vattenkvantitet/vattenkvalitet” att få tillgång till ett användbart verktyg genom detta projekt.
Item type:

Powered by Koha