Толщина льда на водоемах и водотоках в период ледостава

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:

· 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.

· 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.

· теоретический метод, основанный на интегрировании исходных дифференциальных уравнений (7.22...7.23), 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[å (-tвозд)] n,                                   (8.16)

где å (-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). Основой для появления многочисленных формул типа (8.16) послужила зависимость, выведенная Стефаном

                            å (-Jit)=s r  h2/l,                                    (8.17)

где å (-Jit) - сумма отрицательных температур воздуха за отдельные моменты времени. 

Все формулы типа (8.16) 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.

Формула типа (8.16, группа а) была предложена Ф.В.Быдиным и получена им по материалам наблюдений на р.р.Свирь, Волга, Кама

                            hл= C×[å (-tвозд)] 0,5 ,                                                  (8.18)

где С=3,68 – рекомендуется для больших водохранилищ с практически нулевой скоростью у поверхности воды и отсутствием снежного покрова на льду; С=2,00 – для скоростей у поверхности воды до 0,5м/с и высоты снежного покрова в конце зимы до 0,4м. Для отдельных водохранилищ установлены следующие значения параметра С: 1,6 – по Кременчугскому и Бухтарминскому водохранилищам, 1,8 – по Цимлянскому водохранилищу, 2,0 – по Новосибирскому водохранилищу.  

В различных физико-географических зонах, условия, которые имели место в период наблюдений за толщиной ледяного покрова, отражались в формулах типа (8.16) через параметр С и коэффициент n. Однако, в виду различия этих условий даже для отдельных участков рек и водоемов и недостаточной продолжительности наблюдений указанные параметры (С и n) существенно меняются. Отсюда многоообразие формул типа (8.16), носящих, как правило, локальный характер (рис.8.3) и представленных в табл. 8.2.

Зависимость Б.А.Апполова для вычисления толщины льда с учетом влияния снежного покрова имеет вид (тип (8.16), группа б)

                                     hл= 1.8×{1+(1/hсн)×[å (-tвозд)]0,5},                        (8.19)

где hснс - средняя высота снежного покрова на льду за расчетный период, см.

Однако, в природе скорость нарастания льда зависит не только от суммы отрицательных температур воздуха и наличия снежного покрова, но и от целого ряда других условий: интенсивности теплосъема с поверхности льда, величины градиентов температуры воды у нижней поверхности льда, скорости течения под льдом.

Ф.Г.Загиров [14] предлагает определять толщину ледяного покрова в суровых климатических условиях высокогорья Памира по формуле

                      hл= 3,78× 10-7×  /åq/,                                         (8.20)

где /å q/ - сумма теплопотерь с поверхности льда в атмосферу с момента, когда был обнаружен переход тепла в этом направлении (Вт/м2).

Таблица 8.2