8.2. Начальная толщина льда

Начальная толщина ледяного покрова на водоемах

В ледотехнических и гидравлических расчетах водоемов и водотоков важное значение имеет величина начальной толщины льда, в которую входит весь погруженный в воду ледовый материал в момент установления ледостава. Величина h_н отражает то количество ледового материала, которое требуется для формирования ледяного покрова в данных морфометрических, гидравлических и метеорологических условиях. Под h_н понимается толщина льда, слоя подледной шуги и торосов, приведенных к плотности льда.

Как показывают натурные наблюдения и исследования, ледообразование в водоемах развивается после того, как температура поверхности воды достигает 0С, а появление устойчивого ледяного покрова на акватории озер и водохранилищ зависит от температурного режима в водном объекте, условий теплообмена поверхности воды с воздухом, и, как было отмечено выше, интенсивности ветрового перемешивания, которое в значительной мере определяет состояние свободной поверхности воды. Ветровое перемешивание препятствует ледоставу на водоемах. Поэтому на водохранилищах России в предледоставный сезон слой плывущей по акватории шуголедяной массы может составлять 20...80см, а скопления подо льдом остановившейся шуги в осенне-зимний период доходят до 5...10 м. Такой режим установления ледостава на водохранилищах с малыми скоростями течения вызван, в первую очередь, влиянием ветра.

В первом приближении начальную толщину h_н ледяного покрова на водоемах (водохранилищах и озерах) можно принимать по рекомендациям Я.Л.Готлиба [10] соответственно условиям замерзания:

 при скорости течения 0,05 м/с и скорости ветра W5,0 м/с h_н 2…3 см;

 при скорости течения =0,10 м/с и скорости ветра W =10,0 м/с h_н 5…8 см;

 при скоростях ветра выше 10 м/с необходимо учитывать слой шуги и его физические характеристики.

Г.А.Трегуб [45] на основании теоретического анализа условий взаимодействия смерзшихся шуговых образований при наличии ветрового волнения на акватории разработан расчетный метод определения начальной толщины льда на водоемах и водохранилищах. Исходя из состояния равновесия двух шуголедяных образований, имеющих форму параллелепипедов и контактирующих между собой, максимальную длину ледяных образований l_л и минимальную их толщину h_н.л., необходимые для создания устойчивого ледостава при определенной интенсивности волнового перемешивания и смерзании можно определять из выражений:

, (8.1)

h_н.л.= l_л(1-_)tg , (8.2)

где _=_л_в; f_к - сила когезии (сцепления), приходящаяся на 1м² площади сцепления льдин;  - угол “откоса” волны, =arctg(2h_в/_в; должно выполняться условие l_л_в..

Параметры ветровых волн в глубокой части водоема (длина _в, высота h_в, крутизна волн и др.) в зависимости от скорости ветра W, его направления и разгона волн рассчитываются согласно СНиП [44].

По формулам (8.1...8.2) построен график (рис.8.1) для определения минимальной толщины льда в зависимости от интенсивности ветрового волнения, из которого видно, что при углах «откоса» волн меньше 3 (т.е. в штилевую и маловетренную погоду) ледостав наступает практически сразу после того, как температура поверхности воды станет равной 0С.

Этот метод определения начальной толщины льда на водохранилищах и водоемах может использоваться в решении практических ледотермических задач, в том числе на тех объектах, где не ведутся натурные наблюдения их ледового режима.

Рис. 8.1. Начальная толщина льда на водохранилище в зависимости от угла наклона боковой поверхности ветровых волн (глубокая вода)

Начальная толщина ледяного покрова на водотоках

Под начальной толщиной ледяного покрова (h_н) на водотоке (участке реки или канала, в нижнем бьефе гидроузла) обычно понимают минимальную толщину ледяного поля или шуголедяной перемычки, при которой ледяной покров (перемычка) не разрушается силовым воздействием потока и шуголедяных масс, прибывающих с вышележащих участков водотока. Величина h_н обычно меняется по длине реки или канала. На зажорных участках рек наблюдаются повышенные значения h_н, на слабозажорных участках и на участках, расположенных между зажорами, - пониженные. По данным А.Н.Чижова [47] на участках рек со спокойным замерзанием начальная толщина ледяного покрова изменяется в многолетнем цикле от 0,1 до 0,2м. Там, где условия замерзания меняются в зависимости от многих природных факторов, h_н находится в пределах 0,1...0,4м, а на участках, где всегда происходит торошение льдин, ее значение достигает 0,4...0,8м.

Обобщенные данные натурных исследований позволили ряду авторов предложить эмпирические формулы, связывающие скорость потока и начальную толщину ледяного покрова (табл.8.1), а также построить зависимости h_н от средней скорости шугохода (ледохода) (рис.8.2).

Таблица 8.1