张家口地区滑雪场雪道雪质关键指标的变化特征及影响因素研究

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我国冰雪产业在冬奥会的推动下得到了进一步发展,滑雪场雪道雪的质量以及成本效益直接决定了滑雪场的未来发展。本研究以张家口地区某滑雪场为研究对象,通过对滑雪场雪道各项雪质指标(如雪温度、硬度、密度、液态含水率、微观结构)进行测量,并分析其在不同气温条件下的变化规律。通过了解气温的变化对不同雪质指标的影响程度,可以为滑雪场雪道雪质监控预测模型系统提供科学数据支撑。滑雪场将来可以通过使用此监控预测模型系统对滑雪场雪道雪质进行预测,并采取相应措施,为滑雪游客提供更佳的滑雪体验。本文的主要内容与结论如下:(1)通过分析气温的变化对滑雪场雪道雪温所造成的影响,发现雪温与气温的变化趋势相同。其中雪表温度的变化最贴近气温的变化,深层雪受气温变化的影响比浅层雪小。雪道雪温振幅随着深度的增加而减少,同时雪温振幅的大小与雪层深度之间存在着负指数关系,决定性系数R~2大于0.800。雪道雪导热系数在日最高气温低于0℃时,为0.1~0.5 W/(m·K);雪道雪导热系数在日最高气温高于0℃时,为0.4~1.0 W/(m·K)。而自然雪导热系数为0.04~0.35 W/(m·K),可见气温对雪道雪温的影响比气温对自然雪雪温的影响更大。(2)通过分析气温的变化对滑雪场雪道雪硬度所造成的影响,发现同一时刻同一深度条件下,雪道雪硬度值与气温呈负指数相关,R~2为0.860以上;雪硬度值与雪温呈负指数相关,R~2为0.600以上,雪硬度值与气温更贴合负指数相关。在日最高气温低于0℃时,雪道同一垂直剖面硬度会随着雪深度的增加而逐渐增大,30 cm深处雪硬度值为3000~5000 k Pa左右。随着日最高气温达到0℃以上,雪道各深度的硬度整体低于日最高气温0℃以下时雪道硬度,雪道同一垂直剖面硬度在0~15 cm时硬度随着深度的增加而逐渐增大,15 cm左右达到同一垂直剖面的雪硬度最高值,为1500~3000 k Pa左右,然而15~30 cm硬度随着深度的增加而减小。可见,实验后半阶段(2021年2月4日~2021年4月7日)日最高气温高于0℃时与实验前半阶段(2020年12月8日~2021年2月3日)日最高气温低于0℃时相比,雪道雪平均硬度下降了2374 k Pa。(3)通过分析气温的变化对滑雪场雪道雪密度所造成的影响,发现雪密度会随着气温的升高而增加。日最高气温低于0℃时,雪道的密度变化范围在营业时间段(8:30~16:30)为300~500 kg/m~3左右,非营业时间段(16:30~次日8:30)雪道的密度范围与营业时间段内雪道的密度变化范围相比较小,大约为350~450kg/m~3。日最高气温高于0℃时,雪道的密度变化范围在营业时间段为200~800kg/m~3左右,非营业时间段雪道的密度范围同样与营业时间段内雪道的密度变化范围相比较小,大约为300~600 kg/m~3。(4)通过分析气温的变化对滑雪场雪道雪液态含水率所造成的影响,发现日最高气温高于0℃后,雪道雪液态含水率开始大于0%。液态含水率随最高气温的上升呈指数上升,R~2为0.732;液态含水率同时会随平均气温的上升呈指数上升,R~2为0.739。此外,雪液态含水率与雪密度呈线性相关的数学关系,R~2为0.747。(5)通过分析气温的变化对滑雪场雪道雪晶体结构所造成的影响,发现气温低于0℃时雪的粒径较小,大约为0.5 mm左右,随着气温的上升雪的粒径也逐渐变大;日最高气温升高到0℃以上,雪的融化会造成多晶体的粘连,同时雪的晶体结构会消失,雪粒径大约为3.0 mm左右,雪晶湿润,此时游客的滑雪体验不佳。(6)在实验现场对滑雪场雪道雪硬度的测量中发现,雪道硬度过高时,土壤紧实度仪无法测量出雪道准确的硬度值。在使用动态圆锥贯入仪测量雪道雪硬度时,使用修正后的Rammsonde公式效果更好。因此测量雪道雪硬度时,动态圆锥贯入仪更适用;在雪道硬度较低时,土壤紧实度仪也可以对雪硬度进行测量。综上,本文主要通过分析气温的变化对滑雪场雪道各项雪质指标所造成的影响,得到了雪道雪的导热系数,以及气温与雪道雪硬度、液态含水率之间的数学关系,对雪道雪质监控预测模型的优化提供了理论依据。
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