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 u<0,05 м/с и скорости ветра W<5,0 м/с h н ~2…3 см;

· при скорости течения u=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 lл и минимальную их толщину hн.л., необходимые для создания устойчивого ледостава при определенной интенсивности волнового перемешивания и смерзании можно определять из выражений:

, (8.1)

hн.л. = lл×(1-hr)×tgq, (8.2)

где hr=rл/rв; fк - сила когезии (сцепления), приходящаяся на 1м2 площади сцепления льдин; q - угол “откоса” волны, q = arctg(2hв/lв); должно выполняться условие lл < lв/2..

Параметры ветровых волн в глубокой части водоема (длина lв, высота hв, 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.