Физика вод суши by Винников С.Д., Викторова Н.В. (z-lib.org)

Рис. 2.6. Некоторые виды пластинчатых и звездчатых снежинок.

Снежным покровом называют слой снега, лежащий на по­ верхности земли и образовавшийся при снегопадах. Рациональное его использование в различных отраслях экономики, и особенно в сельском хозяйстве, имеет большое значение. Например, на Край­ нем Севере он позволяет создать зимние снежные дороги, а снеж­ ная мелиорация на полях - улучшить микроклимат почвы (создать благоприятный режим тепла для растений) и увеличить ее влаж­ ность благодаря выполненному снегозадержанию. Состав снежно­ го покрова весьма разнообразен, он имеет слоистое строение, обу­ словленное целым рядом причин: перемежающимися снегопада­ ми, собственной массой снежинок, возгонкой и сублимацией снежных кристаллов, воздействием атмосферных факторов (сол­ нечной радиации, ветра, других атмосферных осадков и пр.). При

51

этом на формировании снежного покрова особенно сильно сказы­ вается ветровое воздействие.

Таким образом, снежный покров не является стабильным; его мощность и все физико-механические свойства непрерывно изменяются во времени и пространстве.

Сухой снежный покров представляет собой двухфазную, а мокрый - трехфазную систему, состоящую из кристаллов льда, воды и воздуха, содержащего водяной пар.

Снег (снежный покров) вне населенных пунктов и промыш­ ленных объектов имеет белый цвет с легким синеватым оттенком. Однако встречается снег и снежный покров, окрашенные в раз­ личные цвета. Это зависит от того, какие вкрапления внесены в снег. Например, желтый снег получается от мельчайших частиц песка, красный - обязан окислам железа, черный - вулканической пыли и т.п.

Многие исследователи предлагали различные классифика­ ции снежного покрова (снега). Наибольшее распространение по­ лучила классификация, предложенная Г. Д. Рихтером с незначи­ тельными изменениями П. П. Кузьмина (табл. 2.9).

Свежевыпавший снег частично сохраняет первичную струк­ туру снежных кристаллов и состоит из снежинок, которые ложатся друг на друга в разных плоскостях. Свежевыпавший сухой снег дополнительно подразделяется на пушистый, игольчатый, порош­ ковидный, мучнистый и снег-изморозь.

Уплотненный снег - это снег, частично утративший свою первичную структуру за счет оседания под влиянием собственного

52

веса, температуры и ветра. Форма снежинок еще не утратила сво­ его первоначального вида, но изменена без перекристаллизации.

Старый снег - это снег, полностью утративший первоначаль­ ную структуру и форму кристаллов, перекристаллизовавшийся в более или менее крупные зерна под влиянием возгонки и субли­ мации, таяния и повторного замерзания. Крупность зерен (фирна): мелкозернистый до 1 мм, среднезернистый -1 -2 мм, крупнозерни­ стый - 2 - 5 мм. Снег-плывун состоит из ледяных угловатых кри­ сталлов льдадлиной до 15 мм.

На поверхности снега различают солнечную корку толщи­ ной в несколько миллиметров, образовавшуюся в ясные морозные дни за счет оплавления и дальнейшего смерзания поверхностного слоя снега, и ветровой наст - уплотненный ветром слой снега толщиной до 3 см. Существуют еще дополнительные более де­ тальные подразделения снега, принятые при специальном подроб­ ном изучении снежного покрова.

2. Плотность и водные свойства снега. Все характеристики снега зависят от его плотности, но вместе с тем плотность снега в высшей степени изменчива, в связи с чем изучение плотности и зависящих от нее других свойств снега представляет большие трудности. Плотность снега изменяется в течение зимы от 10 до 700 кг/м3 (см. табл. 2.9). Обычно рассматривают: плотность раз­ личных видов снега, плотность снега на открытой местности, плотность снега в лесу, плотность снега в снежниках, плотность тающего снега.

Очень велико влияние на плотность свежевыпавшего снега прямой солнечной радиации, вызывающей оплавление поверхно­ стного слоя. За одни сутки плотность такого снега может увели­ читься с 100 до 200 кг/м3, т. е. в 2 раза. Однако плотность различ­ ных видов снега при таянии значительно сглаживается. Структура снега заметно изменяется при увеличении плотности. При плотно­ сти 210 - 220 кг/м3еще ясно различимы пластинки и звезды, снег перетерт незначительно; при плотности 220 - 270 кг/м3снег силь­ но перетерт и кристаллы его (пластинки и звезды) попадаются редко.

Расчетные формулы для определения плотности снега по- i строены на обобщении эмпирических данных. Одной из первых

53

удачных формул, полученных в начале нашего столетия, является формула Абэ:

где а = 185,4; b = 0,545; z — глубина от поверхности снега, м.

Для практического пользования формулу (2.45) удобнее за­ писать в следующем виде:

lgр = lg185,4+ 0,545z .

А. Дефант, работавший в тот же период, рекомендовал сле­ дующие расчетные формулы:

для толщины слоя снега от 0до 0,70 м

для толщины слоя снега от 1,12 до 1,87 м

Имеются и другие формулы для расчета плотности снега, на­ пример: в зависимости от его пористости и влажности

где к - степень наполнения пор снега водой, изменяющаяся от 0до 1; пс - пористость снега в долях единицы; рв и рл - соответствен­ но плотность воды и льда;

или для свежевыпавшего снега в зависимости:

а) от температуры воздуха и ветра (при / < 4 °С, ю < 1м/с)

б) от скорости ветра (при со >1 м/с)

Если рассматривать фирнизированный снег как собрание правильных шариков радиуса г, то при самом плотном расположе­ нии шариков, по А.А. Шепелевскому, получается следующая фор­ мула для расчета плотности снега:

54

где рл= 917 кг/м3плотность льда. ‘Принимая г - 0,005 м, получа­

ем р„а„.= 680 кг/м3. Это значение очень близко к наблюденной

Г M dK L

плотности фирнового снега 670 кг/м3.

Из рис. 2.7 видно, что плотность снега весьма неоднородна по высоте снежного покрова: нижележащие слои, как правило, имеют более высокую плотность. Поэтому плотность снежного покрова является величиной осредненной.

По В.Д. Комарову, средняя плотность снежного покрова в Европейской части РФ в конце зимы на севере находится в пре­ делах 220 - 280 кг/м3; в средней полосе - в пределах 220 - 320 кг/м3; на юге - в более широких пределах, 220 - 360 кг/м3, что объясняется наличием перемежающихся оттепелей.

Плотность тающего снега имеет большое значение для про­ гноза половодья на реках. Наблюдения показывают, что в боль­ шинстве случаев она изменяется в начале таяния от 180 до 350 кг/м3, в разгар таяния от 350 до 450 кг/м3, в конце таяния дохо­ дит до 600 кг/м3.

Плотность снегавлесу меньше, чем на открытой местности, что объясняется уменьшением ветра в лесу и меньшей интенсивностью зимних оттепелей. По П.П. Кузьмину, существует линейная зависи­ мость плотности снега в лесу от плотности снега в поле при одинако­ войтолщине егослоя:

Некоторое увеличение плотности снега в лесу наблюдается с увеличением толщины его слоя, однако оно весьма незначитель­ ное. Большое практическое значение имеет зависимость запаса воды в снежном покрове в лесу от его высоты.

Плотность снега в снежниках изучалась B.JI. Шульцем в го­ рах Средней Азии, где в период снеготаяния она достигает

750 кг/м3.

Неоднородность высоты, плотности и строения снежного по­ крова обусловливают изменчивость и его физических свойств: по­ ристости, воздухо- и водопроницаемости, водоудерживающей спо­ собности, влажности,Теплопроводности (см. главу 3, п. 3.2) и др.

55

Пористость снежного покрова обусловлена наличием большого количества промежутков между кристаллами льДа, обра­ зующих сообщающиеся между собой поры и пронизывающих снежный покров во всех направлениях. О размерах пор в снежном покрове точных сведений нет. Пористость выражают в процентах и вычисляют по формулам:

для сухого снега

для влажного Снега

Рл

где р, рвп и рл - соответственно плотность сухого и влажного снега и кристаллического льда; W—влажность снега.

Пористость снежного покрова связана с его структурой и изменяется по мере его уплотнения от 98 до 20 %. К началу снего­ таяния (обычно при плотности 280-300 кг/м3) она составляет

73-67%.

Воздухопроницаемость снежного покрова объясняется на­ личием в нем сквозных пор и характеризуется коэффициентом воздухопроводности. При отсутствии жидкой фазы снежный по­ кров будет воздухопроницаемым, если размеры пор или капилля­ ров будут достаточными для Свободного перемещения молекул воздуха. Следовательно, коэффициент воздухопроницаемости су­ щественно зависит от структуры снежного покрова; он уменьша­ ется по мере его уплотнения. Одновременно с воздухом через снежный покров проходит и водяной пар. Воздухопроницаемость снежного покрова почти не изучена, и надежных цифровых дан­ ных для характеристики этого явления привести нельзя.

Водопроницаемость снежного покрова для гравитационной воды, поступающей от дождя или от таяния верхнего слоя снега, характеризуется коэффициентом фильтрации и зависит от коли­ чества, размеров и формы пор в снежном покрове, от наличия ле­ дяных прослоек ri пр., т. е. от структуры снежного покрова.

57

Движение гравитационной воды в снежном покрове лами­ нарное и, вероятно, по аналогии с почвогрунтами, подчиняется закону Дарси:

- градиент напора (разность напора АН по длине фильтрации

dz

воды Az). Но процессы, происходящие в почвогрунтах весьма приближенно могут быть отождествлены с процессами в снежном покрове, так как взаимодействие между твердой, жидкой и паро­ образной фазами в почвогрунтах иные, чем в снежном покрове.

Коэффициент фильтрации в снежном покрове различен по горизонтали и по вертикали и определяется опытным путем. В опытах обнаружилась зависимость коэффициента фильтрации от плотности снежного покрова и крупности зерен, его слагающих. При уплотнении снега коэффициент фильтрации уменьшается, так как уменьшается его пористость. Однако, если происходит выра­ женный процесс метаморфизма1, приводящий к увеличению раз­ мера зерен и, соответственно, пор в снеге, этот коэффициент уве­ личивается. Полученные опытным путем значения коэффициента фильтрации снега равные (1 ... 6) •10“3м/с, являются ориентиро­ вочными.

Попытки определения коэффициента фильтрации снежного покрова по скорости склонового стекания талой воды под снегом привели к противоречивым результатам. Фильтрация воды ! в снежном покрове наблюдается только при условии, если его влажность будет больше максимальной водоудерживающей спо­ собности снега.

Снег обладает также свойством адсорбции, т.е. он способен притягивать и закреплять на поверхности своих частиц молекулы водяного пара.

1 М етаморфизм снега - это совокупность происходящ их в нем процессов, кото­ рые приводят к преобразованию его структуры: изменению формы, размеров и количества кристаллов льда и связей меж ду ними.

5 8

Водоудерживающая способность снежного покрова ха­ рактеризуется тем наибольшим количеством воды, которое он способен удержать в данном его состоянии. Эта характеристика имеет большое значение для расчета половодий. Она изучалась П.П. Кузьминым опытным путем на специально разработанных приборах с использованием весового и калориметрического спо­ собов.

В результате исследований было установлено, что водо­ удерживающая способность снежного покрова зависит от его структуры и плотности: меньшей плотности соответствует боль­ шая водоудерживающая способность. У свежевыпавшего снега водоудерживающая способность больше и доходит до 55% от мас­ сы снега, мелкозернистого - до 30%, крупнозернистого - до 25%.

Распределение влажности в снежном покрове следует рас­ пределению его плотности, т.е. содержание влаги увеличивается сверху вниз. Такая картина наблюдается при равномерном таянии снежного покрова. При перемежающихся оттепелях и снегопадах влажность в снежном покрове может иметь самое различное рас­ пределение по его высоте.

Смачивание снега во время таяния сопровождается его осе­ данием. Конечная толщина слоя снега hKпосле его смачивания до полной водовместимости и свободного стекания избыточной воды всегда меньше начальной hH. Связь между hK, hn и начальной плотностью снежного покрова выражается следующей формулой, полученной опытным путем:

где РА - относительное оседание снега.

Влажность снега - количество воды, которое снежный пог кров содержит в данный момент. Она является очень важной его физической характеристикой и определяется калориметрическим способом.

59

Влажность снега mT определяют как разность массы пробы влажного снега G, и Массы сухого снега G2, содержащегося в этой пробе:

Массу сухого снега определяют по количеству теплоты, за­ трачиваемой на таяние пробы снега в калориметре. Для этого слу­ жит обычная формула калориметрических исследований:

конечная температура воды в калориметре; с - удельная теплоем­ кость воды.

Влажность снежного покрова, в процентах общей массы влажного снега, носит название коэффициента влажности и оп­ ределяется по формуле

3. Тепловые свойства снега. Определение тепловых хара теристик, снега и прежде всего коэффициентов тепло- и темпера­ туропроводности (А, и а), удельной теплоемкости (с) представляет очень большие трудности. Сложность определения тепловых ха­ рактеристик обусловлена сложностью строения снежного покрова (рис. 2.7), представляющего собой своеобразное слоистое сыпучее вещество с заключенным в нем воздухом, водяным паром и раз­ личными примесями. В мокром снеге, т. е. в снеге при температуре 0 °С, содержится еще и талая вода. Характеристики снега изменя­ ются также и во времени (с ходом зимы). Вероятно, все это явля­ ется причинами того, что определения тепловых характеристик снега, выполненные многочисленными исследователями, дают часто резко расходящиеся и мало сравнимые между собой резуль­ таты. Вопрос осложняется еще и тем, что нет единой методики определения этих характеристик! Тепловые характеристики снега определяются или в лабораториях, или в полевых условиях. Обыч­ но исследуют характеристики всей толщи снега сразу и получают

60