O przemarzaniu gruntu w Polsce

Jerzy Antoni Żurański, Tomasz Godlewski

W monografii przedstawiono wyniki analizy statystycznej i probabilistycznej głębokości przemarzania gruntu na obszarze Polski, a ściślej mówiąc, głębokości położenia izotermy zerowej, wyznaczonych na podstawie probabilistycznej analizy danych pomiarowych stacji meteorologicznych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowego Instytutu Badawczego (IMGW-PIB). Omówiono czynniki wpływające na przemarzanie gruntu w zakresie losowo zmiennych zjawisk zewnętrznych (klimatycznych) oraz w zakresie częściowo stałych, a także częściowo losowo zmiennych (pod wpływem warunków zewnętrznych) właściwości gruntu. Na podstawie doświadczeń różnych badaczy oraz własnych zestawień przeanalizowano i wykazano na przykładach wpływ takich czynników, jak temperatura powietrza i wielkość opadów śniegu, tworzącego pokrywę śnieżną na gruncie. Oprócz czynników zewnętrznych, wpływających na głębokość przemarzania, omówiono czynniki związane z podłożem, takie jak rodzaj gruntu, jego struktura i stan, skład, zawartość wody. Przeanalizowano również problem rzeczywistej głębokości przemarzania gruntu w kontekście położenia izotermy zerowej. W dalszej części pracy omówiono techniki i metody pomiarowe głębokości przemarzania gruntu stosowane w Polsce oraz podano przykładowe wyniki takich pomiarów wraz z opisem metodyki wyznaczania położenia izotermy zerowej w gruncie. Prześledzono dotychczasowy stan normalizacji głębokości przemarzania gruntu, począwszy od prac Dębskiego z okresu dwudziestolecia międzywojennego poprzez propozycję mapy głębokości przemarzania podaną w roku 1955 w polskich normach, aż po ostatnią zmianę wprowadzoną w roku 1974. Omówiono także metody wykorzystane do ich opracowania, w stopniu, w jakim było to obecnie możliwe do ustalenia. W odniesieniu do propozycji z polskich norm omówiono współczesne propozycje zmian mapy przemarzania gruntu w Polsce, wykorzystujące zastosowanie tzw. wskaźnika mrozowego. Podstawowa część monografii obejmuje analizę probabilistyczną maksymalnych rocznych (zimowych) głębokości położenia izotermy zerowej z 45 stacji meteorologicznych IMGW-PIB z lat 1981/1982 – 2011/2012. Wartości charakterystyczne głębokości przemarzania gruntu, o okresie powrotu 50 lat, oszacowano za pomocą rozkładu prawdopodobieństwa wartości ekstremalnych (zwanego rozkładem Gumbela), którego parametry szacowano metodą największej wiarygodności. Wyniki przedstawiono tabelarycznie oraz graficznie w postaci wykresów. Na tej podstawie uzyskano zbiór danych o temperaturze gruntu, umożliwiający ich analizę probabilistyczną i podanie propozycji zmian na normowej mapie przemarzania gruntu. Nowe podejście, przedstawione w monografii, polega na wykorzystaniu rzeczywistych danych pomiarowych temperatury gruntu zgromadzonych przez stacje meteorologiczne, zastosowaniu rozkład prawdopodobieństwa Gumbela do wyznaczenia głębokości położenia izotermy zerowej o okresie powrotu 50 lat. Na podstawie oceny warunków gruntowych występujących na stacjach meteorologicznych oraz analiz danych z literatury zaproponowano podział na cztery rodzaje gruntów i współczynniki przeliczeniowe umożliwiające przeliczenie głębokości położenia izotermy zerowej dla gruntu przyjętego jako referencyjny (odniesienia) na pozostałe jego rodzaje. Pozwoliło to na graficzne wyznaczenie map terytorialnego rozkładu w postaci izolinii głębokości położenia izotermy zerowej w gruncie referencyjnym, o okresie powrotu 50 lat i przedstawienie tego jako propozycji Nowej mapy przemarzania gruntu w Polsce. Omówiono metodę ustalania strefowych wartości głębokości przemarzania w poszczególnych obszarach, przedstawiono nowy podział Polski na strefy oraz kierunki dalszych prac, a także wstępną propozycję współczynnika częściowego do wyznaczania wartości obliczeniowych głębokości przemarzania. W pięciu załącznikach podano: 1) lokalizację oraz opisy warunków gruntowych na stacjach meteorologicznych, z których wykorzystano wyniki pomiarów; 2) maksymalne roczne głębokości położenia izotermy zerowej wyznaczone w analizowanych stacjach meteorologicznych; 3) wykresy pomocnicze do ekstrapolacji wyników pomiarów; 4) wyniki obliczeń statystycznych i probabilistycznych; 5) wykresy na siatce probabilistycznej Gumbela wartości głębokości położenia izotermy zerowej w gruncie referencyjnym o okresie powrotu 50 lat odnośnie do 45 analizowanych stacji.