Гидроэлектростанции. Река знаменита своими плотинами

Нарастание толщины ледяного покрова происходит по причине ряда процессов, происходящих в пресноводных водоемах и водотоках в осенне-зимний период:

1) кристаллизации воды на нижней поверхности ледяного покрова под действием теплового потока, направленного из водной массы в атмосферу;

2) промерзания шуги под ледяным покровом;

3) промерзания насыщенного водой снега, выпавшего на поверхность ледяного покрова;

4) развития наледных процессов.

Изменение толщины ледяного покрова управляется тепловыми потоками, направленными к его верхней или нижней поверхности. Поэтому основными факторами, определяющими интенсивность нарастания толщины льда, являются: характер ледообразования при начальном формировании ледяного покрова; погодные условия осенне-зимнего периода, характеризующиеся метеорологическими параметрами; температура поверхности льда; гидродинамические условия взаимодействия льда с воздушными и водными потоками и т.д.

Самым значимым показателем интесивности ледовых явлений на водоемах и водотоках при установившемся ледоставе является рост ледяного покрова, измеряемый его толщиной, которая определяется характером ледообразования, климатическими условиями, гидрологическими, гидравлическими и теплофизическими характеристиками водоема или водотока.

Впервые метод расчета толщины ледяного покрова на водоемах был разработан И.Стефаном еще в 1891г. К настоящему времени предложено большое количество формул и расчетных приемов для определения толщины ледяного покрова (hл) пресноводных водоемов и водотоков, опирающихся на три основных метода:

1) метод аналогии, когда толщина ледяного покрова назначается по метеорологическим данным исследуемого пресноводного объекта с использованием картограммы максимальных (средних, минимальных) толщин льда для условий средней (самой теплой или самой холодной) зимы, полученной по данным натурных наблюдений на водоеме(водотоке)-аналоге. При этом учитывается большое количество естественных факторов и их характеристик. Наиболее ответственным моментом при этом является правильный выбор водоема (водотока)-аналога.

2) эмпирический метод, основанный на отыскании эмпирических связей толщины льда и отдельных факторов, определяющих изменение толщины ледяного покрова. В этом случае расчетные эмпирические соотношения получены по известной, относительно тесной корреляции между некоторыми температурными характеристиками и толщиной льда и носят, как правило, региональный характер.

3) теоретический метод, основанный на интегрировании исходных дифференциальных уравнений, описывающих физическую сущность нарастания толщины льда, с последующим получением аналитических или же полуэмпирических соотношений для hл.

До последнего времени вычисление возможной толщины ледяного покрова на водотоках (реках и каналах) и водоемах (озерах и водохранилищах) производилось по эмпирическим формулам, большинство из которых имеет вид

hл= C[Σ(-tвозд)] n, (1)

где Σ (-tвозд) – сумма средних суточных температур воздуха на высоте 2м от начала образования ледяного покрова за расчетный период; С– параметр и n - коэффициент, определяемые по данным непосредственных наблюдений и отражающие в среднем те условия, которые имели место в период наблюдений (температуру воды, высоту и плотность снежного покрова, скорость течения воды подо льдом, глубину водоема

Все формулы можно разделить на три группы:

(а) учитывающие только прямое влияние тепловых потерь в непрерывном периоде отрицательных среднесуточных температур воздуха, независимо от других генетических факторов и влияния снежного покрова на льду;

(б) учитывающие также влияние снежного покрова на льду;

(в) учитывающие не только влияние снежного покрова, но и образование снежного льда на ледяном покрове.

Таблица 1

Эмпирические формулы для расчета толщины льда

Практический интерес представляют эмпирические зависимости между толщиной льда в начале ледохода и соответствующими скоростями течения при различных коэффициентах вариации максимальных расходов весеннего половодья, полученные В.В.Невским для условий рек Европейской территории России и справедливых для диапазона толщин льда от 0,2 до 1,2м:

при Сv< 0,5: hл=0,0091*Vср.ледх.- 0,05;

при Сv=0,5 , 0,75: hл=0,01*Vср.ледх_0,05; (2)

при Сv> 0,75: hл=0,0108*Vср.ледх.-0,025.

Рост толщины льда является чисто теплоэнергетическим процессом. На основе уравнения теплового баланса норвежский исследователь О.Дэвик определил, что при установившемся теплообмене (допущение квазистационарности теплового режима в снежно-ледяном покрове) нарастание толщины ледяного покрова пропорционально разности тепловых потоков на его границах (условие Стефана)

dh/(dt)=(S-q)/(Lкр*ρл), (3)

где S - суммарная теплоотдача в атмосферу с поверхности снежно-ледяного покрова, включающая в себя теплоотдачу конвекцией, излучением и испарением, а также приход тепла прямой и рассеянной солнечной радиации; q - теплоприток к нижней поверхности льда из воды, осуществляющийся от ложа водоема (водотока) и за счет перехода механической энергии потока в тепловую; t - время; Lкр- удельная теплота кристаллизации (скрытая теплота ледообразования); ρл - плотность льда.

В 1960...70-е гг. в Росгидрометцентре под руководством В.В.Пиотровича была разработана комплексная методика, основанная на применении дифференциальной формулы для расчета приращения толщины ледяного покрова за шесть часов

(4)

где Sэф - эффективное излучение; Sр - поглощенная снегом суммарная солнечная радиация. Значения коэффициентов а2=0,003; а3=0,007;а4=0,005; а7=0,312 постоянны, а коэффициенты а1, а5,, а6 , еп переменны и определяются по таблицам отдельно для каждого из пяти диапазонов температуры воздуха в пределах от 0 до -40’С. Расчетная схема В.В.Пиотровича включает также методику определения приращения толщины ледяного покрова за счет образования снежного льда.