نشریه تخصصی صنعت قیر و عوامل وابسته

مجله WPB شماره ژانویه

شماره ژانویه مجله دنیای نفت و قیر

همکاران

پیش‌بینی نیازهای عملکردی قیر تحت تأثیر تغییرات اقلیمی در ایران با استفاده از مدل‌سازی سری‌های زمانی Prophet

نویسندگان:

محمدمهدی ددائی، پوریا حاجی‌کریمی، و فریدون مقدس‌نژاد

مقدمه

قیر ماده‌ای حیاتی در ساخت جاده‌هاست و عملکرد آن به‌شدت به تغییرات دما حساس است. با تشدید تغییرات اقلیمی، درک تأثیر افزایش دما بر رفتار قیر اهمیت بیشتری پیدا می‌کند — به‌ویژه در کشورهایی مانند ایران که دماهای بسیار بالا را تجربه می‌کنند. سیستم رتبه‌بندی عملکردی (Performance Grading, PG) که به‌طور گسترده برای طبقه‌بندی قیر بر اساس ویژگی‌های رئولوژیکی تحت شرایط آب‌وهوایی خاص استفاده می‌شود، مستقیماً تحت تأثیر روندهای دمای محیط قرار دارد.

این مطالعه از مدل پیش‌بینی سری‌های زمانی Prophet توسعه‌یافته توسط Facebook برای پیش‌بینی روند دمای هوا در ۱۳ شهر کلیدی ایران از سال ۲۰۲۵ تا ۲۰۶۰ استفاده می‌کند. هدف این است که ارزیابی شود تغییرات اقلیمی پیش‌بینی‌شده چگونه نیازهای رتبه‌بندی عملکردی قیر را در مناطق مختلف تغییر می‌دهد. همچنین این مطالعه جنبه‌های زیست‌محیطی و اقتصادی را نیز بررسی می‌کند و پیش‌بینی‌های اقلیمی را با ارزیابی استفاده از افزودنی‌ها و دسترسی به مصالح بومی ترکیب می‌کند تا استراتژی‌هایی پایدار و مقرون‌به‌صرفه برای طراحی آسفالت آینده ارائه دهد.

۲.۱ محدوده مطالعه و طبقه‌بندی اقلیمی

تنوع وسیع و چشمگیر اقلیمی ایران مستقیماً بر طراحی روسازی آسفالتی تأثیر می‌گذارد. مطالعه حاضر روی چهار شهر نماینده در مناطق اقلیمی مختلف تمرکز دارد:

• تهران: نیمه‌خشک، با زمستان‌های سرد و تابستان‌های گرم؛ بسیار شهری و پرتردد.

• بندرعباس: گرم و مرطوب، واقع در سواحل جنوبی خلیج فارس، با دمای بالا در تمام سال.

• تبریز: نیمه‌خشک سرد، در شمال‌غرب؛ مناسب برای بررسی رفتار روسازی در دماهای پایین.

• اهواز: بیابانی گرم، در جنوب‌غرب؛ با تابستان‌های بسیار داغ و ثبت‌شده به‌عنوان یکی از بالاترین دماهای کشور.

این شهرها به دلیل پراکندگی جغرافیایی، تراکم ترافیک، اهمیت اقتصادی و تنوع اقلیمی انتخاب شدند تا ارزیابی جامعی از تأثیر دما بر عملکرد قیر ارائه دهند.

طبقه‌بندی اقلیمی کوپن-گایگر (Köppen-Geiger) برای گروه‌بندی مناطق ایران به سه دسته اصلی استفاده شد:

گروه اول: گرم و مرطوب مثل مناطق ساحلی جنوبی مانند بندرعباس.

گروه دوم: سرد و معتدل مثل مناطق شمال‌غربی مانند تبریز.

گروه سوم: خشک و نیمه‌خشک مثل فلات مرکزی و مراکز شهری مانند تهران و اهواز.

۲.۲ جمع‌آوری و پیش‌پردازش داده‌ها

داده‌های تاریخی روزانه دما (۱۹۹۰–۲۰۲۰) از سازمان هواشناسی جمهوری اسلامی ایران (IRIMO) استخراج شدند، شامل حداقل، حداکثر و متوسط دمای روزانه برای شهرهای کلیدی.

مراحل آماده‌سازی داده‌ها:

• مقادیر گمشده با استفاده از درون‌یابی خطی یا تجزیه‌ی فصلی (STL) پر شدند.

• داده‌های پرت با روش‌های Z-Score و IQR شناسایی و اصلاح یا حذف شدند.

• میانگین روزانه دما به‌عنوان میانگین حداقل و حداکثر ثبت شد.

داده‌های پاک‌سازی‌شده به فرمت سازگار با Prophet تبدیل شدند و ناهنجاری‌های فصلی (مثل ال‌نینو) که برای پیش‌بینی‌های بلندمدت اهمیت دارند، حفظ شدند. همچنین یک میانگین‌گیری متحرک ۵‌ساله اعمال شد تا روندهای اقلیمی مشخص شوند، مطابق با دوره‌ی خدمت ۲۰–۴۰ ساله که در طراحی روسازی معمول است.

برای افزایش ارتباط سیاستی، داده‌ها به سه منطقه‌ی اقلیمی کلان تقسیم شدند. تجزیه‌ی حوزه‌ی زمان برای استخراج اجزای روند و فصلی انجام شد و وجود چرخه‌ی سالانه و روند افزایشی دما تأیید شد.

دمای هوا از سلسیوس به کلوین تبدیل شد. همچنین میانگین دمای هفت روز متوالی از داغ‌ترین و سردترین روزهای سال برای هر سال محاسبه شد تا با آستانه‌های دمایی PG تطبیق داده شود و ارزیابی شود که تغییرات اقلیمی آینده چگونه نیاز به تغییر در گرید قیر ایجاد خواهد کرد.

۲.۳ پیش‌بینی دماهای آینده با  Prophet

۲.۳.۱ دلیل انتخاب مدل و مزایا

مدل Prophet به‌جای روش‌های سنتی مثل ARIMA) و مدل‌های یادگیری ماشینی (مثل LSTM انتخاب شد به دلیل:

• شفافیت و قابلیت تفسیر (تجزیه‌ی جمع‌پذیر: روند + فصلی + خطا).

• تشخیص خودکار چرخه‌های سالانه/هفتگی، حیاتی برای مطالعات اقلیمی.

• مقیاس‌پذیری برای مجموعه‌داده‌های بزرگ و پیش‌بینی‌های بلندمدت.

• انعطاف‌پذیری در مدیریت روندهای غیرخطی و تغییرات ناگهانی (نقاط تغییر، منحنی‌های رشد سفارشی).

۲.۳.۲ تنظیمات مدل و پارامترها

برای هر شهر، Prophet با داده‌های تاریخی ۲۰۰۰–۲۰۲۳ اجرا شد. پارامترهای کلیدی:

• روند: رشد خطی با تشخیص خودکار نقاط تغییر.

• فصلی: چرخه‌های سالانه با سری فوریه (مرتبه = ۱۰).

• افق پیش‌بینی: ۱ ژانویه ۲۰۲۴ تا ۳۱ دسامبر ۲۰۶۰.

• داده‌های پرت: حفظ شدند تا رویدادهای افراطی واقعی بازتاب داده شوند.

هایپرپارامترها با استفاده از کتابخانه Python Prophet و اعتبارسنجی متقابل روی پنج سال آخر داده تنظیم شدند.

۲.۳.۳ اعتبارسنجی و عملکرد

اعتبارسنجی مدل (۲۰۱۸–۲۰۲۳) شامل:

• خطای میانگین مطلق (MAE)

• ریشه‌ی میانگین مربعات خطا (RMSE)

• ضریب تعیین (R²)

نتایج نشان داد MAE بین ۰.۹ تا ۱.۶ درجه سلسیوس و R² بالاتر از ۰.۸۵ در تمام شهرهاست که قابلیت اعتماد پیش‌بینی‌ها را برای افق‌های میان‌مدت و بلندمدت تأیید می‌کند.

۲.۳.۴ روندهای پیش‌بینی‌شده ۲۰۲۴۲۰۶۰

افزایش‌های کلیدی در میانگین سالانه دما:

• تهران: +۲.۵° C تا ۲۰۶۰، با شدت‌گیری افراط‌های تابستانی.

• بندرعباس: +۱.۸°C، تقویت نمایه‌ی گرم و مرطوب.

• اهواز: +۳°C یا بیشتر، نگرانی درباره‌ی نرم‌شدن قیر و شیارشدگی.

• تبریز: +۱.۶°C، حیاتی برای عملکرد در دماهای پایین.

این پیش‌بینی‌ها برای به‌روزرسانی مشخصات قیر و حفظ دوام روسازی تحت تغییرات اقلیمی ضروری هستند.

۲.۴ چارچوب رتبه‌بندی عملکردی قیر

۲.۴.۱ مرور کلی سیستم Superpave PG

سیستم PG بخشی از روش‌شناسی Superpave است و گرید قیر را بر اساس:

• گرید دمای بالا (PG-XX): مقاومت در برابر شیارشدگی در دماهای اوج روسازی.

• گرید دمای پایین (PG-YY): مقاومت در برابر ترک‌خوردگی حرارتی در سردترین دماهای روسازی.

مثال: یک قیر PG 64-22 برای بازه‌ی دمایی ۶۴°C (بالا) تا -۲۲°C (پایین) مناسب است.

۲.۴.۲ اتصال پیش‌بینی‌ها به گریدهای  PG

مراحل اتصال پیش‌بینی‌های Prophet به نیازهای  PG

۱. تبدیل دمای هوا به دمای روسازی: با روش LTPPBind، اعمال تصحیحات معمولاً +۲ تا +۸°C  برای بالا، -۱ تا -۵°C  برای پایین

۲. تخمین گرید: PG محاسبه صدک ۹۸ دماهای بالا و صدک ۲ دماهای پایین سالانه، تطبیق با آستانه‌های PG

۳. دسته‌بندی افق زمانی:

زمان حاضر ۲۰۲۰۲۰۲۳

میانه‌ی قرن ۲۰۴۰۲۰۴۹

پایان قرن۲۰۵۰۲۰۶۰

این رویکرد ارزیابی می‌کند که تغییرات اقلیمی چگونه نیاز به گریدهای جدید قیر را در طول زمان ایجاد خواهد کرد.

۲.۴.۳ نیازهای مشاهده‌شده و پیش‌بینی‌شده PG بر اساس شهر

تغییرات شناسایی‌شده در گریدهای  PG

تهران:

– اکنون:  PG 64-10

– دهه ۲۰۴۰PG 70-10

– دهه ۲۰۵۰–۲۰۶۰ PG 76-10

بندرعباس:

– اکنون PG 70-16

– دهه ۲۰۴۰ PG 76-16

– دهه ۲۰۵۰–۲۰۶۰ PG 82-16

اهواز:

– اکنون PG 76-10

– دهه ۲۰۴۰ PG 82-10

– دهه ۲۰۵۰–۲۰۶۰ PG 82-10

تبریز:

– اکنون PG 58-22

– دهه ۲۰۴۰ PG 64-22

– دهه ۲۰۵۰–۲۰۶۰PG 64-16

این روندها نشان‌دهنده‌ی حرکت مستمر به سمت گریدهای دمای بالاتر هستند، به‌ویژه در جنوب و مرکز ایران، و نگرانی‌هایی درباره‌ی نرم‌شدن قیر، شیارشدگی، و خرابی زودهنگام روسازی ایجاد می‌کنند مگر اینکه از اصلاح‌کننده‌های پیشرفته استفاده شود.

۲.۴.۴ پیامدهای تغییر درجه‌بندی عملکردی (PG) برای انتخاب قیر و طراحی روسازی

تغییر در درجات PG به این معنی است که:

•نیاز به قیرهای اصلاح‌شده با پلیمر و افزودنی‌های شیمیایی (مثل درجات PG 76+‌) برای تحمل دماهای بالاتر روزبه‌روز بیشتر می‌شود.

•اگر همچنان از مشخصات قدیمی استفاده شود، به‌ویژه در استان‌هایی که هنوز پیش‌بینی‌های اقلیمی را لحاظ نکرده‌اند، احتمال عدم انطباق عملکرد وجود دارد.

•عمر طولانی روسازی‌ها در بلندمدت به خطر می‌افتد، مگر این که سازمان‌ها رویکردی پویا برای تخصیص PG اتخاذ کنند که با داده‌های پیش‌بینی‌شده اقلیمی به‌روزرسانی شود.

این مبنا را برای بررسی افزودنی‌هایی مانند SBS، PPA  و CR در بخش بعدی فراهم می‌کند؛ جایی که تمرکز بر چگونگی افزایش بازه عملکرد حرارتی قیر پایه با تغییرات شیمیایی و اطمینان از مطابقت با نیازهای PG آینده است.

۲.۵ ملاحظات اقتصادی و زیست‌محیطی افزودنی‌ها در اصلاح قیر

سودمندی اقتصادی و اثرات زیست‌محیطی استفاده از افزودنی‌هایی مثل SBS استایرن-بوتادین-استایرن، PPA (اسید پلی‌فسفریک) و CR (پودر لاستیک بازیافتی) نقش مهمی در تصمیم‌گیری‌های مهندسی روسازی دارند.

‏SBS • افزودنی پلیمری

به‌طور قابل‌توجهی ویژگی‌های مکانیکی و دوام را بهبود می‌دهد، عمر روسازی را افزایش داده و هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد. اما هزینه اولیه بالایی دارد و برای پروژه‌هایی با بودجه محدود چالش‌برانگیز است.

‏•  PPAافزودنی شیمیایی

گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه برای بهبود عملکرد در دماهای بالا بدون نیاز به افزودن زیاد پلیمر فراهم می‌کند.

مقاومت در برابر شیارشدگی و سختی قیر را بهبود می‌دهد و ردپای کربنی کمتری نسبت به SBS دارد.

‏ CR •پودر لاستیک بازیافتی از تایرها

هم به مدیریت پسماند کمک می‌کند و هم ویژگی‌های قیر را ارتقا می‌دهد.

خاصیت کشسانی و حساسیت دمایی را بهبود می‌بخشد و نگرانی‌های زیست‌محیطی مربوط به دورریزی تایرها را کاهش می‌دهد.

چالش‌هایی مانند تغییرپذیری ویژگی‌های CR و پیچیدگی فرایند تولید دارد که می‌تواند بر یکنواختی عملکرد تأثیر بگذارد.

۲.۶ ارزیابی اقتصادی و زیست‌محیطی استراتژی‌های سازگاری مبتنی بر افزودنی

با شدت گرفتن شرایط اقلیمی در ایران، راهبردهای قیر باید بین عملکرد، صرفه اقتصادی و پایداری تعادل برقرار کنند.

تحلیل هزینه چرخه عمر (LCCA)

یک تحلیل ۳۵ ساله بر اساس داده‌های قیمت مصالح، نگهداری و چرخه‌های بازسازی نشان می‌دهد که:

•قیرهای SBS و SBS+PPA با وجود هزینه اولیه بالاتر، عمر خدمت را به‌طور چشمگیر افزایش می‌دهند و هزینه‌های کل چرخه عمر را کاهش می‌دهند (دو برابر شدن فاصله بین تعمیرات از حدود ۵–۶ سال به ۱۰–۱۲ سال).

•قیرهای CR راه‌حلی میانی و مقرون‌به‌صرفه‌اند که به‌ویژه برای مناطق با تغییرات اقلیمی متوسط (مثلاً تبریز، کرمانشاه) مناسب هستند.

•قیرهای اصلاح‌نشده در شهرهای جنوبی گرم مثل اهواز و بندرعباس از نظر اقتصادی دوام نمی‌آورند، چون سرعت تخریب در آنها بالا می‌رود.

ارزیابی چرخه عمر (LCA)

بررسی‌های زیست‌محیطی نشان داد:

•قیرهای اصلاح‌شده با SBS به دلیل نیازهای پتروشیمی و انرژی، بار زیست‌محیطی بیشتری دارند.

•افزودن PPA کمی این اثر را کاهش می‌دهد چون بهره‌وری را افزایش می‌دهد.

•قیرهای CR بهترین پروفایل زیست‌محیطی را دارند: پتانسیل گرمایش جهانی پایین، نیاز انرژی کم و اثرات مثبت از طریق بازیافت تایرها—این موضوع به‌ویژه در شهرهای آلوده مثل تهران و مشهد اهمیت دارد.

ملاحظات سیاستی و بازار

برای امکان‌پذیر کردن اجرای سراسری:

•قیرهای CR را از طریق یارانه‌ها و حمایت‌های بازیافتی تشویق کنید.

•وابستگی وارداتی به SBS را با تقویت تولید داخلی یا ایجاد ذخایر ملی کاهش دهید.

•مشخصات درجه‌بندی عملکردی را به‌روزرسانی کنید تا منعکس‌کننده پیش‌بینی‌های اقلیمی باشند، با استفاده از استانداردهای چندمرحله‌ای متناسب با شرایط پیش‌بینی‌شده.

۳. توصیه‌های سیاستی برای استراتژی‌های قیر سازگار با اقلیم در ایران

حرکت ایران به‌سوی شبکه راهی مقاوم در برابر تغییرات اقلیمی نیازمند سیاست‌های یکپارچه است که علم اقلیم، مهندسی مصالح و برنامه‌ریزی اقتصادی را ترکیب کند.

۳.۱ به‌روزرسانی استانداردهای ملی درجه‌بندی عملکردی

•بازبینی سیستم PG برای یکپارچه کردن بازه‌های دمایی پیش‌بینی‌شده تا سال ۲۰۶۰

•تعیین آستانه‌های PG منطقه‌ای مثلاً PG 76-XX+ برای اهواز/بندرعباس؛ PG 64-XX برای رشت/ارومیه

•پذیرش خروجی‌های مدل‌های اقلیمی Prophet، CMIP6، CORDEX به‌عنوان ورودی‌های رسمی نقشه‌های PG

•به‌روزرسانی این نقشه‌ها هر ۵–۱۰ سال

۳.۲ تعریف مناطق و دستورالعمل‌های مناسب برای افزودنی‌ها

•تعریف مناطق غالب SBS استان‌های گرم و پرترافیک: خوزستان، هرمزگان، کرمان

•تعریف مناطق غالب CR اقلیم‌های معتدل + آلودگی هوا: تهران، تبریز، کرمانشاه

•توصیه استفاده از PPA به‌عنوان بهبوددهنده کاهش هزینه در پروژه‌های کم‌بودجه

۳.۳ تشویق تولید و بازیافت داخلی

•سرمایه‌گذاری در تولید داخلی SBS برای کاهش هزینه‌ها و تأمین پایدار

•یارانه‌دادن به تولید CR از طریق برنامه‌های بازیافت تایر

•تدوین استانداردهای ملی کیفیت افزودنی برای تضمین یکنواختی

۳.۴ ادغام شاخص‌های اقتصادی و زیست‌محیطی

•الزام انجام تحلیل هزینه-فایده چرخه عمر (LCCA) برای پروژه‌های بزرگ

•الزام گزارش‌دهی اثرات زیست‌محیطی با استفاده از شاخص‌های استانداردشده  LCA

۳.۵ تقویت ظرفیت مهندسی آگاه به تغییرات اقلیمی

•راه‌اندازی برنامه‌های آموزشی درباره مصالح مقاوم به اقلیم و پایداری

•تأمین بودجه برای پروژه‌های آزمایشی و سایت‌های نمایشی جهت تست افزودنی‌ها

•ایجاد یک پلتفرم داده متمرکز برای پایش عملکرد روسازی‌ها، مصرف افزودنی‌ها و اثرات زیست‌محیطی

۴. نتیجه‌گیری

این مطالعه بر نیاز فوری ایران برای اصلاح استراتژی‌های درجه‌بندی و انتخاب قیر، در مواجهه با تغییرات پیش‌بینی‌شده اقلیمی تا سال ۲۰۶۰ تأکید می‌کند.

نکات کلیدی:

•استان‌های جنوبی و مرکزی به دلیل گرم‌شدن، به درجات PG با دمای بالا نیاز خواهند داشت.

•هیچ راه‌حل افزودنی واحدی برای همه مناطق مناسب نیست—SBS برای شرایط شدید، PPA برای بهبود بهره‌وری و CR برای تعادل بین پایداری و عملکرد مناسب‌اند.

•استراتژی‌های منطقه‌ای، مشخصات منطبق با اقلیم و ارزیابی‌های چرخه عمر برای تاب‌آوری بلندمدت حیاتی هستند.

با ترکیب پیش‌بینی‌های اقلیمی، علم مواد، تحلیل اقتصادی و اقدامات سیاستی، ایران می‌تواند یک سیستم حمل‌ونقل بادوام، مقرون‌به‌صرفه و مسئولانه از نظر زیست‌محیطی برای دهه‌های آینده بسازد.

این پژوهش به‌عنوان راهنمای عملی برای برنامه‌ریزان، تنظیم‌گران و ذی‌نفعان صنعت عمل می‌کند تا تصمیمات سازگار و آینده‌نگر در بخش آسفالت ایران بگیرند.