Nya metoder till förbättring av vinterväghållning Svensk sammanfattning av licentiatavhandlingen: New Methods for Improving Winter Road Maintenance Mats Riehm 2011
Förord Projektet bygger på ett förslag som från början behandlades av av Road Technology och som sedan blev till en projektansökan för doktorandprojekt vid CDU. En viktig ambtion var att kombinera de olika kunskapstraditioner som funnits inom mikroklimatologi och vägklimatologi både nationellt och internationellt. En annan ambition var att förena experimentella studier och standardmässiga övervakningsprogram med teoretiska analyser för att förbättra precision och effektivitet rörande vindervägunderhåll. Tidigt bildas både en handledargrupp och en referensgrupp med representanter från forskning och praktisk verksamhet inom Sverige. Under första året av projektet arrangerades också ett internationellt workshop vid KTH med deltagare från norden och med representant från USA för att ge en överblick till forskningsområdet. Mats Riehm rektryterades som doktorand efter avslutad grundutbildning vid Uppsala Universitet inom området Miljö och Vattenteknik. En handledargrupp bildades tidigt bestående av Dr. Klas Hansson, Golder AB, Docent Torbjörn Gustavsson, Göteborgs Universitet tillsammans med undertecknad. I referensgruppen ingår eller har ingått: Dan Eriksson, Trafikverket Håkan Westerlund, CDU Per-Erik Jansson, KTH Mats Riehm, KTH Torbjörn Gustavsson, Göteborgs Universitet Klas Hansson, Golder AB Jan Ölander, Trafikverket Christer Johansson, Stockholms Universitet Göran Blomqvist, VTI Jörgen Bogren, Göteborgs Universitet Björn Birgisson, KTH Denna avhandling utgör ungefär hälften av projektet som förväntas slutföras under 2013 genom en doktorsavhandlingens försvarande. Stockholm September 2011 Per-Erik Jansson Prof. Mark- och Vattenresurslära, KTH. 2
3
Innehåll 1. Introduktion... 5 1.1 Vägväder... 6 1.2 Instrumentering... 8 1.3 Avhandlingens syfte och mål... 9 2. Metoder och Data... 10 2.1 Klimatkammare... 10 2.2 Testplats Säve... 11 2.3 Regionalt data... 11 3. Resultat... 11 4. Diskussion och Slutsatser... 14 5. Framtida forskning... 14 Referenser i urval... 15 4
1. Introduktion Transport av varor, samt människors möjlighet att förflytta sig längre sträckor är en av samhällsekonomins grundpelare. Oavsett om transporterna går genom luft, över vatten eller på en väg så är vädrets inverkan alltid närvarande. Vad gäller vägtransporter har vintervädret alltid varit en begränsande faktor för vägtransporter i länder med snöiga och kalla vintrar. De allt större kraven på snabba och pålitliga transporter över vägnätet har gjort vinterväghållning till en av de viktigare aktiviteterna för väghållare. Ökad förståelse för relationen mellan väder och vägar, samt nya förbättrade metoder till stöd för vinterväghållningen, är viktigt för att säkerställa transporterna under vinterhalvåret. Målet med den här licentiatavhandlingen är att åskådliggöra svagheter i nuvarande metoder samt undersöka nya metoder och innovativ teknik för att bättre kunna mäta och följa vägväder samt beskriva vinterväglag. Sedan introduktionen av biltrafik i början av 1900-talet har vinterväghållning varit viktigt i länder med tempererat klimat. Fram till 1940-talet förlitade man sig huvudsakligen på snöplogning och grus för att förbättra friktionen. Först på 50-talet introducerades vägsalt vilket snabbt blev en av de tre metoder som än idag är de centrala för vinterväghållning. I USA introducerade man konceptet att vägen alltid ska vara fri från is och snö, något som bara kunde uppnås med hjälp av stora kvantiteter salt. Som ett resultat av denna nya syn på vinterväghållning steg saltanvändningen från 1 million ton salt per år 1955 till 10 miljoner ton salt 15 år senare. Som jämförelse används i Sverige idag ett par hundra tusen ton salt varje vinter. De två viktigaste orsakerna för införandet av det nya konceptet för vinterväghållning var att vägtransporterna hade blivit allt viktigare, såväl tillverkningsindustrin som matindustrin hade blivit allt mer industrialiserad och centraliserad. Samtidigt inträffade en oproportionerligt stor andel av trafikolyckor och störningar vid besvärligt väglag. Vinterväghållningen är mycket viktig. Brister den så kan samhällskostnaderna bli mycket stora i form av försämrad produktivitet. I Stor Britannien har en studie genomförts vilken beskriver ett förhållande mellan kostnaderna och fördelarna på 1:8 för vinterväghållningen. Med det menas att för varje pund som satsas på vinterväghållnigen så sparar man 8 pund tack vare bibehållen produktivitet och säkerhet. (Thornes 2000) De positiva effekterna från vinterväghållningen är stora och helt avgörande för vägtransporter under vintern. Dock så medför vinterväghållningen också flera negativa effekter. Vegetation och grundvatten kan påverkas kraftigt av förhöjda kloridhalter och i värsta fall göra grundvattenreservoarer otjänliga för användning till dricksvatten (Blomqvist 1998, Lundmark & Olofsson 2007, Lundmark & Jansson 2008). Saltet kan också påskynda korrosion på fordon och infrastruktur. De flesta länder försöker minska saltanvändningen både av ekonomiska och miljömässiga skäl. I Sverige har man halverat saltanvändningen sedan 1993 genom att införa nya metoder och riktlinjer för vinterväghållningen (Trafikverket 2009). Samtidigt som vinterväghållningen effektiviseras måste trafiksäkerheten och framkomligheten bibehållas, detta leder till en balansakt med miljön, ekonomin och trafiksäkerheten där t.ex. en jakt på att minska kostnaderna och begränsa miljöeffekterna kan gå ut över trafiksäkerheten. 5
Utmaningen att förbättra vinterväghållningen har lett till att så kallade vägväderinformationssystem (VVIS) har utvecklats. Dessa system kan ge vägledning om var och när olika sträckor bör plogas, sandas eller saltas. Kännedom om vilka väglag som råder på olika sträckor kan förbättra prognoser för driftinsatser och vägar kan i större utsträckning saltas preventivt. Det är önskvärt att salta preventivt eftersom man då helt kan undvika isbildning och mindre salt krävs jämfört med om man väntar till den tidpunkt då is redan har bildats. Dock kräver preventiva saltåtgärder goda prognoser för väglaget för att försäkra att man saltar vid rätt plats och tid. Det för tillfället rådande väglaget kan ibland observeras direkt genom kameror. Dock ger kamerabilderna inga drivdata till de modeller som prognostiserar kommande väglagsförändringar. Mer och noggrannare information om förhållandena på vintervägarna genom användning av nya mätmetoder kommer kunna förbättra vinterväghållningen. Detta skulle kunna leda till sänkta driftkostnader och minskad miljöpåverkan samtidigt som säkerheten och framkomligheten på vägarna förbättras. 1.1 Vägväder Vikten av förståelse för meteorologi och vägväder har ökat då driftpersonal ställer allt högre krav på information och prognoser om väglag. För att kunna effektivisera vinterdriften önskar driftpersonal information om när och var det riskerar att bli halt. I de fall halkan förväntas uppstå på grund av is eller frostbildning kan dessa sträckor saltas preventivt, det vill säga innan halkan har uppstått. VVIS introducerade i slutet av 1970-talet efter flera årtionden av forskning inom vägklimatologi (Parrey 1969, Hay 1969, Kari 1976) samt ett uttalat behov att mätningar av vädervariabler utefter vägarna (Lindqvist & Mattsson 1979). Sedan VVIS introduktion har systemen utvecklats från att huvudsakligen bestå av väderstationer utefter vägarna till att innefatta datainsamling, modellering och presentation. I flera länder har beslutstödsystem utvecklats för att översätta väderinformationen i VVIS till rekommendationer om var och när olika typer av åtgärder bör utföras. De meteorologiska mätningarna från vägarna gör det möjligt att modelera och prognostisera vägens temperatur och tillstånd. Det är ett stort antal processer som påverkar väglaget. Man kan sammanfatta dessa genom att beskriva vägens energibalans som påverkas av bland annat solinstrålning, trafik och vägens fysik. Men man kan också beskriva vägens vattenbalans, denna är viktig eftersom vatten alltid är närvarande i någon form då vi diskuterar vinterväglag (Figur 1). 6
Figur 1. En förenklad konceptuell överblick av vägytans vattenbalans. 7
1.2 Instrumentering Behoven av snabba och noggranna mätningar längs vägar har lett till att sensorer som är speciellt lämpade för VVIS har utvecklats. Trots nya sensorer och förbättrade prognoser är det inte ovanligt att halksituationer inte upptäcks innan en olycka inträffar. Eftersom att sensorerna är monterade på fasta stationer finns det stora informationsluckor som delvis fylls av inrapportering från trafikanter. För att förbättra datamodeller och informationsstöd krävs dock löpande automatiskt insamlad data. Information och kunskap kring meteorologiska sensorer, liknande de som används inom VVIS, finns samlad hos World Meteorological Organization (WMO) som är ett viktigt forum för meteorologiska mätningar och sensorer. För användandet av sensorer inom VVIS mer specifikt, är Standing International Road Weather Commission (SIRWEC) ett viktigt forum. VVIS-stationer ställer höga krav på sensorerna vilket beror på flera faktorer. För det första är det statusen för vägytan man önskar att mäta, det är dock svårt att mäta nära vägytan på grund av trafiken vilket har lett till utvecklingen av beröringsfria sensorer. Vägmiljön är dessutom smutsig och snö, slask och is kan slungas mot sensorerna som står placerade vid sidan av vägen. Detta ställer stora krav på att sensorerna måste vara robusta samt, genom frekventa underhållsintervall, rengöras och kalibreras. Vanligtvis mäts inte vägstatus (vått, torrt, snö, is osv.) direkt. Exempelvis mäter man i Sverige inte mängden frost som bildas på vägbanor, istället mäts vägtemperaturen och jämförs med daggpunktstemperaturen. Då vägtemperaturen är under 0 C och samtidigt under daggpunkten tolkas det som risk för frostbildning och saltning kan rekommenderas. Risken för isbildning indikeras ofta genom att söka efter situationer då nederbörd har uppmäts och sedan följts av temperaturer under 0 C. Ofta, och vilket är fallet I det svenska VVIS, tas ingen hänsyn till saltets påverkan på vägstatus. Det kan ofta leda till att systemet varnar för isbildning trots att vägen är saltad och risken för isbildning är låg. Avsaknad av mätningar av koncentration salt på vägarna gör det också svårt att veta när det är tid för nästa saltinsats. Modeller för hur salt omfördelas och transporteras bort från vägytan har utvecklats (Blomqvist & Gustafsson 2004), men för att dessa typer av modeller ska kunna vidareutvecklas och implementeras fullt ut behövs mätdata av saltkoncentration som indata. Det finns med andra ord ett behov av ny sensorteknik som kan mäta vägstatus och viktiga variabler som saltkoncentration. Det finns flera olika typer av mätfel som försvårar de meteorologiska mätningarna längs vägarna. Vissa mätfel uppstår på grund av sensorns uppbyggnad, kvalitet och kalibrering (inneboende mätfel) medan andra fel kan uppstå på grund av hur sensorn används (situationsfel). Temperatursensorer har oftast en god mätnoggrannhet enligt databladen, t.ex. +-0.3 C. Det gäller dock för en nyligen kalibrerad sensor i laboratoriemiljö. I vägmiljön kommer sensorn att utsättas för kraftig yttre påverkan vilket kan påverka mätnoggrannheten negativt. För att minska situationsfelen är det viktigt att temperatursensorn är monterad i ett strålningsskydd som förhindrar att solinstrålning ska påverka temperaturmätningarna då lufttemperaturen som ska mätas. Hur strålningsskyddet är uppbyggt och beroende på om det har aktiv ventilation med hjälp av en fläkt eller inte kan påverka temperaturen med upp till 3 C enligt WMO. Det är även viktigt att komma ihåg att temperaturmätningarna inte är giltiga för vägsträckor utan enbart punkter på vägen, närheten till vatten, topografi, skuggning från vegetation påverkar temperaturmätningarna och dess relevans för omgivningen. En god förståelse och kartering av 8
lokalgeografin är därför viktig för att kunna avgöra vad en temperaturmätning i en punkt betyder för den närbelägna vägsträckan i övrigt. Utveckling av ny sensorteknik för VVIS sker framför allt av privata företag. Det är dock inte ett stort affärsområde och konkurrensen är därför relativt liten. Efterfrågan på ny innovativ utrustning som kan mäta saltkoncentration och vägstatus utöver de klassiska meteorologiska variablerna driver dock en viss utveckling inom området. Det finska mätteknikbolaget Vaisala anses vara världsledande och har utvecklat kontaktfria sensorer för vägstatus. Alternativa kontaktfria sensorer har utvecklats i Sverige och Tyskland (Finkele 1997, Meindl et al 2006, Casselgren et al 2007). En av de viktigaste mätvariablerna för att kunna förbättra vintervägghållningen har identifierats till att vara saltkoncentrationen på vägen vilket är direkt förknippat med saltåtgärder och dess varaktighet på vägen. Saltkoncentrationen avgör vägens fryspunktstemperatur vilket är centralt för att kunna avgöra risken för att is ska bildas på en väg. Flera, mer eller mindre innovativa metoder, för att mäta saltkoncentrationen har utvecklats och provats i drift. Exempel på metoder är mätning av konduktivitet på en liten del av vägytan eller att sprida fluorescerande ämnen med saltet och därefter mäta avklingningen av den fluorescerande effekten som avtar i samma takt som saltkoncentrationen minskar på vägen (Hammond et al 2006). De flesta mättekniker som utvecklas blir aldrig implementerade i vägdriften, bland annat på grund av den tuffa miljö som instrumenten utsätts för då de förflyttas från en skyddad miljö till ut på vägen. Andra anledningar kan vara högt pris, som snabbt blir påtagligt då man i regel behöver ett stort antal sensorer för att täcka ett vägnät (I Sverige finns 770 vägväderstationer). Utveckling av sensorer för VVIS måste vara baserad på förståelse för de processer som sker på vägytan, lokal klimatologi, vägbyggnad och vinterdrift. 1.3 Avhandlingens syfte och mål Det övergripande målet för licenciatavhandligen var att utveckla nya metoder och teknik för att bidra till förbättring och effektivisering av vinterväghållningen. Förbättrad vinterväghållning leder till ökad trafiksäkerhet, minskade kostnader och en begränsning av de negativa miljöeffekterna. Huvudfokus riktades på detektion av rimfrost och is. Avhandlingen belyser behovet av noggranna mätningar vid vägväderstationerna och belyser hur bristande noggrannhet kan leda till felaktiga varningar för rimfrost och därmed en ineffektiv vinterdrift. Flera möjliga felkällor och osäkerheter relaterade till varning för rimfrost identifierades och förslag på förbättringar diskuteras. 9
Vad gäller detektion av isbildning på vägar så presenteras en helt ny innovativ mätteknik som baseras på infraröda termometrar. Denna tekniks uppbyggnad och hur den skulle kunna vidareutvecklas till att även mäta vägens fryspunktstemperatur diskuteras utförligare i avhandlingen. 2. Metoder och Data För de forskningsresultat som presenteras användes mätdata från tre olika källor. För att studera isbildning på vägytor genomfördes ett fältförsök vid Säve, norr om Göteborg. Resultaten från dessa mätningar jämfördes med resultat som uppmättes i en klimatkammare vid Göteborgs Universitet. Ett regionalt dataset från det svenska VVIS i Västra Götaland användes för att studera varningar för frostbildning på vägar, det regionala datasetet inkluderar information från 166 väderstationer under 3 år. 2.1 Klimatkammare Klimatkammaren består av ett till ytan 3*3 meter stort rum som kan tätförslutas och snabbt kylas ned. Temperaturregleringen gör det möjligt att upprepa många tillfrysningar där temperaturen växlar runt noll grader, vilket är svårare ute i fält. Block av asfalt placerades på golvet i rummet och fuktades med vatten inför försök med nedfrysning. För att ytterligare påskynda kylförloppen och automatiskt kunna låta en asfaltyta omväxlande tina och frysa monterades en specialdesignad kylare under asfalten. Kylaren består av ett peltierelement som drivs av 12V likspänning och en värmebuffert där värmeenergin som transportas bort från asfaltytan under nedkylningen lagras (Figur 2). En infraröd termometer monterades ovanför asfaltytorna för att kunna följa temperaturförloppen under tillfrysningarna. Temperaturdata sparades med 10 mätpunkter per sekund vilket gjorde det möjligt att studera såväl små som snabba temperaturförändringar under tillfrysningarna. Figur 2. Kylement som användes i klimatkammaren. 10
2.2 Testplats Säve Testplats Säve ligger 10 km norr om Göteborg närbelägen Gothenburg City Airport. Testplatsen är etablerad och underhållen av Trafikverket och Göteborgs Universitet. Platsen har tidigare använts inom forskning kring bland annat mikrometeorologi. Testplatsen består av en otrafikerad testyta med dimensionen 26*26. Ytan är uppbyggd som en typisk väg, är omgiven av låg vegetation samt en förbipasserande landsväg. En mätmast, på vilken instrumenten som användes i försöken monterades, är placerad mitt på testytan. Vid den förbipasserande vägen, i direkt anknytning till testytan ligger en VVISstation varifrån data kunde inhämtas. I en mätmast mättes temperatur och luftfuktighet på tre nivåer; 30, 100 och 200 cm. Vindens riktning och styrka mättes i samma mast på 250 cm höjd. Asfaltytans temperatur mättes med en PT100 temperatursensor 2 cm under ytan samt med två infraröda termometrar, båda med ett spektralt mätområde mellan 8 till 14 μm. Inkommande och utgående kort/långvågig strålning mättes 1 meter ovanför testytan. En kamera som monterade i masten var programmerad till att fotografera vägytan var tionde minut för att kunna följa förlopp på vägytan dygnet runt var området upplyst av strålkastare. 2.3 Regionalt data För att undersöka olika konsekvenser av felaktigheter i ett VVIS med fokus på frostvarsel användes ett regionalt dataset bestående av 166 stationer i Västra Götaland. Data med 30 minuters upplösning samlades in för tre vintrar (2007-08, 2008-09 och 2009-10). Regionen har med svenska mått relativt milda vintrat med vintermedeltemperaturer mellan -1 och -4 C och en årlig nederbördsmängd mellan 500 och 1000 mm. 3. Resultat Effekter för vinterväghållningen på grund av mätfel (Artikel 1) Konsekvenserna av olika mätfel vid varning för frostbildning på vägar diskuteras i artikeln Riehm & Nordin 2011 (artikel 1). De tre variabler som mäts ute på vägarna för att beräkna risken för frostbildning är vägtemperatur, lufttemperatur samt luftfuktighet. Olika typer av fel relaterade till dessa variabler presenteras i artikel 1. En av de osäkerheter som uppstår vid meteorologiska mätningar vid vägar beror på att det är praktiskt svårt att mäta nära den vägyta man är intresserad av att följa. Sensorerna sitter i regel ett par meter över och vid sidan av vägen för att skyddas från trafiken. Trots detta avstånd så utsätts sensorerna ändå av stark påverkan av smuts, stänk och vibrationer från trafiken. En av de sensorer som påverkas mest av den tuffa miljön är luftfuktighetssensorer på grund av att de måste andas den omgivande luften. De olika mätfelen och osäkerheterna, som uppstår på grund av de svåra förutsättningarna, leder i sin tur till felaktiga och osäkra indikationer på risker för olika vägstatusförändringar som t.ex. risken för frostbildning. Dessa felaktiga eller osäkra indikationer kan i sin tur leda till att driftåtgärder, som t.ex. saltning, utförs på felaktiga grunder. Driftåtgärder som utförs vid fel tidpunkt eller plats leder kan leda till onödigt höga ekonomiska kostnader samt en onödig belastning på miljön. Osäkerheter i varningarna kan även leda till att farliga situationer inte upptäcks inte åtgärdas med t.ex. en saltåtgärd. Detta scenario leder till en försämring och tillgängligheten för vägnätet. 11
I artikel 1 beskrivs hur 178547 frostvarsel från västra Sverige under 2007 till 2010 analyserades. En av slutsatserna var att små fel i mätningarna som används för frostvarsel kan leda till stora mängder falska varsel. Till exempel, om skillnaden mellan daggpunkttemperatur och vägtemperatur systematiskt överskattas med 0.1 grad så leder det till att 10 % av alla varsel är falska, det vill säga att dessa varsel aldrig skulle ha skickats om det inte vore på grund av mätfelet. I artikel 1 beskrivs hur man korrelera felmätningarna, och efterföljande felaktiga frostvarsel, med ökade kostnader för vinterväghållningen. Kostnaderna relaterades till kostnader för drivmedel på grund av onödiga turer för driftfordonen, vad som tillkommer är kostnader på grund av den ökade miljöbelastningen, arbetskostnader och materialkostnader. Bättre och noggrannare mätningar längs vägarna, i detta fall luftfuktighetsmätningar, kommer leda till en effektivare vinterdrift där antalet frostvarsel troligtvis är färre men med högre relevans. Förutom bättre mätningarna kan tänka sig en utveckling av de algoritmer som uppskattar risken för frost. Faktorer som påverkar frostbildning, som t.ex. vind, är idag inte en del av algoritmerna. Systemet tar inte hänsyn till rådande vägstatus då varningen skickas ut vilket leder till att frostvarningar även sänds då vägen är snötäckt. Vägväderstationerna skulle även kunna utrustas med sensorer på flera olika höjder. Genom att mäta en gradient skulle luftfuktigheten och temperaturen strax över vägytan kunna extrapoleras. Man skulle då komma runt det praktiska problemet med att sensorer inte kan monteras direkt ovanför vägytan. Ett grundläggande problem är att frosten inte mäts direkt, istället mäts variabler på 2 meters höjd som på något sätt ska kunna indikera risker för vad som kan hända på vägytan. Metoder för direkt mätning av olika vägstatus skulle därför kunna öka träffsäkerheten då såväl frostvarsel som andra typer av varsel ska beräknas. Betydelsen av kvalitetssäkring belystes i artikeln. Fel i mätsystemen kommer ofrånkomligen sprida sig genom hela VVIS och påverka såväl driftåtgärder samt utbetalningar till entreprenörer. Detektion av isbildning genom infraröd termometri I artikel 2 användes infraröd termometri för att studera temperaturförloppet vid isbildning på vägytor. Vid en serie försök i en klimatkammare registrerades temperaturförloppet vid 82 tillfrysningar. Isen bildades genom att en asfaltyta blöttes ned med vatten och därefter kyldes ned underifrån med ett kylelement (se avsnitt 2.1). Vid fältmätningarna vid Säve uppmättes temperaturförloppet vid 3 tillfrysningar som kunde bekräftas av en observatör på plats. En kamera var monterad vid mätplatsen men det var inte möjligt att avgöra när den fuktiga ytan frös genom kamerabilderna varför enbart tillfrysningar som kunde konfirmeras av en observatör beaktades. Temperaturförloppen vid tillfrysningarna visade sig följa ett bestämt mönster, ett exempel på detta finns i figur 3. Exemplet i figur 3 är från klimatkammaren där en snabb sänkning av temperaturen efterföljdes av en plötslig temperaturstegring vid frysögonblicket. Den plötsliga uppvärmningen beror på det faktum att tillfrysning är en exotermisk reaktion som leder till ett överskott på energi motsvarande 333 J per gram vatten. 11 minuter in i experimentet smälter isen under två minuter. Under denna tid är temperaturen stabil på grund av att det endotermiska smältförloppet kräver tillskott av värmeenergi från omgivningen. Resultaten pekar på att tillfrysningen inte alltid sker då temperaturen når fryspunkten, istället blir fukten superkyld vilket betyder att den är i flytande form trots en temperatur under fryspunkten. Detta är ett 12
mycket välkänt fenomen och något som ofta förekommer i t.ex. moln. Vatten kan inte bli superkylt då det finns iskristaller i vattnet som nya vattenmolekyler kan frysa fast vid. En tillfrysning kan påbörjas från det superkylda stadiet då vattnet utsätts för vibration eller då tillfrysningen börjar kring en liten partikel. I naturen finns det alltid störningar som gör att superkylning på flera grader är ovanligt, i kontrollerade förhållanden med rent vatten går det dock att kyla ned vattnet till -42 grader utan att det fryser. (Debendetti & Stanley 2003) För kraftig superkylning krävs att vattnet är väldigt rent och inte utsätts för störningar, i artikel 2 visas dock hur superkylning även uppkommer på vägytan då is bildas trots att vattnet innehåller partiklar och vibrationer förekommer. Den kraftiga ökningen i temperatur i frysögonblicket skulle kunna användas till att detektera isbildning på vägar med hjälp av infraröda termometrar som mäter temperaturen med hög tidsupplösning. Metoden kommer dock inte vara användbar då vägytan redan delvis är frusen, i dessa fall är superkylning inte möjligt utan istället kommer temperaturen ligga stabil vid fryspunkten då tillfrysning sker. Även om det är teoretiskt möjligt att identifiera tillfrysningar genom att söka efter temperaturplatåer så skulle det i praktiken ge många feltolkningar. Att metoden inte kan användas för att detektera tillfrysning av delvis istäckta vägar är en stor begränsning vilket gör metoden mindre användbar. En möjlig utveckling finns dock att använda metoden för att mäta fryspunkten som är beroende av koncentration salt på vägen. Om IR-termometern kombineras med kylelementet som användes i klimatkammaren kan tillfrysningar framkallas på våta vägar. Vid varje tillfrysning kan man läsa av fryspunktstemperaturen, vilket är temperaturen på ytan precis efter tillfrysningsögonblicket. Att veta fryspunktstemperaturen för vägen är mycket användbart för driftarbetare som behöver information om hur länge saltet ligger kvar på vägarna och i vilka områden nytt salt behövs. Denna utvecklade metod för fryspunktstemperaturmätning är under vidareutveckling. Figur 3. Temperaturförloppet under en tillfrysning. 13
4. Diskussion och Slutsatser Det finns ett behov av att förbättra mätningar av vägytans tillstånd för att bättre kunna planera och styra driftåtgärder under vintern. Under det senaste årtiondet har det tagits stora kliv framåt vad gäller presentation, modellering och beslutsstödssystem för vinterväghållning tack vare ökad datorisering och tillgång på beräkningskraft. Ökad noggrannhet i de mätningar som driver modellerna, och introduktion av nya mätvariabler som fryspunktstemperaturen, kan komma att förbättra beslutsstöder för vinterväghållningen. Meteorologiska mätningar längs vägarna har inget egenvärde, först när mätningarna är funktionella och ger information som kan användas av driftarbetarna har mätningarna ett värde som kan leda till effektivare och förbättrad vinterväghållning. VVIS-sensorer måste vara anpassade för en miljö som är smutsig, kall, och fuktig. Vanliga meteorologiska stationer placeras på tryggt avstånd från vägar, byggnader eller annan infrastruktur som kan påverka mätningarna. VVISstationer placeras tvärt emot denna princip i vägområdet där den utsätts för kraftig påverkan från trafiken. Klassiska meteorologiska instrument är inte lämpade för denna miljö vilket leder till krav på frekvent underhåll och ökade osäkerheter i mätvärdena. Det finns därmed behov av en utveckling av sensorer direkt riktade mot mätningar vid vägar. Dessa sensorer måste uppfylla höga krav på robusthet samtidigt som de inte ska vara begränsade till att mäta klassiska meteorologiska variabler utan även fryspunktstemperaturer och vägstatus. Det har visats att fel i varsel för frost kan leda till ökade kostnader och försämrad hushållning av energi och resurser. Denna ineffektivitet är något som delvis kan undvikas genom att sträva efter att minska felen i de mätningar som frostvarslen grundar sig på. Noggrannare mätningar av daggpunkttemperaturen närmare vägytan tillsammans med intelligentare algoritmer för att beräkna risken för frost skulle kunna minska antalet felaktiga frostvarsel och därmed bidra till att öka effektiviteten inom vinterväghållningen. VVIS-stationer skulle även kunna utrustas med extra daggpunktssensorer för att mäta en fuktprofil över vägen, helst även på nivåer under de 2 meter som är standard idag. En temperatur och fuktprofil över vägen skulle kunna användas till att extrapolera fuktoch temperaturvärden för nivåer strax ovanför vägytan samt användas för modellering av fukt- och energiflöden. 5. Framtida forskning Metoden för upptäckt av tillfrysning är troligtvis inte lämpligt att implementera direkt till VVIS. Man kan dock tänka sig att det utökade systemet med kylelement i vägen för mätning av fryspunktstemperaturen. Ett sådant system skulle vara mer användbart än ett system för isdetektion då det kan användas för att styra saltinsatser och därmed öka effektiviteten i vintervägunderhållningen. Kommande forskning ska undersöka möjligheterna att vidareutveckla och implementera ett sådant system. Under senare tid har även möjligheten att använda IR-kameror istället för IR-termometrar identifierats, fördelen med IR-kameror är att temperaturfördelningen över en vägyta kan uppmätas samtidigt som fryspunkten för olika positioner på vägen kan bestämmas. Osäkerheter i sensorer har visat sig ha stor betydelse för effektiviteten inom vinterväghållningen. En framtida forskningsinsats bör undersöka relationerna mellan mätosäkerheter och kostnader för olika 14
åtgärder inom vinterväghållningen. Enklare uttryckt bör vi ta reda på hur mycket ett VVIS-system kan effektivisera vinterväghållningen och hur olika typer av investeringar i detta system kan räknas hem. Idag är det ofta osäkert hur ökad mätnoggrannhet eller fler stationer kan leda till ökad effektivitet varför det är svårt att fatta beslut om nya satsningar på VVIS. För att utveckla nästa generations VVIS måste vi fortsätta att kombinera kunskap från flera olika discipliner såsom mätteknik, meteorologi, modellering, naturgeografi och metoder för drift och underhåll. Referenser i urval Blomqvist G. 1998. Impact of de-icing salt on roadside vegetation : a literature review. VTI Rapport. 98-427A. Blomqvist G, Gustafsson M. 2004. Patterns of residual salt on road surface: Case study. Transportation Research E-Circular. 6: 602-608. Casselgren J, Sjödahl M, Sanfridsson M, Woxneryd S. 2007. Classification of road conditions to improve safety. Advanced Microsystems for Automotive Applications. 2: 47-59. Debenedetti PG, Stanley HE. 2003. Supercooled and Glassy Water. Physics Today. 56(6): 40 46. Finkele R. 1997. Detection of ice layers on road surfaces using a polarimetric millimeter wave sensor at 76 Ghz. Electronic Letters. 33: 1153-1154. Hammond DS, Chapman L, Baker A, Thornes JE, Sandford A. 2006. Fluorescence of road salt additives: Potential applications for residual salt monitoring. SIRWEC conference pro-ceeding 2006. Availible at www.sirwec.org. pp 26-32. Hay S. 1969. Some observations of night minimum road temperatures. Meteorological magazine. 98: 55-59. Kari G. 1976. Weather and slipperiness. Finnish Meteorological Institute. Technical Report. 11. Lindqvist S, Mattsson JO. 1979. Climatic background factors for testing an ice-surveillance sys-tem. Guni rapport 13. Availible from University of Gothenburg, Department of Earth Sciences, Box 460, 405 30 Göteborg. Lundmark A, Olofsson B. 2007. Chloride Deposition and Distribution in Soils Along a Deiced Highway Assessment Using Different Methods of Measurement. 182:173 185 15
Lundmark A, Jansson PE. 2008. Estimating the fate of de-icing Salt in a roadside environment by combining modelling and field observations. Water Air and Soil Pollution. 195: 215-232. Meindl T, Moniaci W, Pasero E. 2006. Ice detection and forecasting system. SIRWEC conference proceeding 2006. Availible at www.sirwec.org. pp 26-32. Parrey GE. 1969. Minimum road temperatures. Meteorological Magazine. 98: 286:290. Riehm & Nordin 2011 Thornes JE. 2000. Road Salting An international Benefit/Cost Review. Proceedings of the 8th World Salt Symposium. 2:787-791. Trafikverket. 2009. Web-report. Trafikverket vill använda mindre salt. Available at: http://www.trafikverket.se/foretag/bygga-och-underhalla/vag/drift-och-underhall/om-drift-ochunderhall/vintervaghallning/ 16