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

лентным теплообменом с атмосферой), так и с нижней поверхно­ сти (обусловленное теплыми водами, прогретыми проникающей радиацией через лед, или водами, пришедшими из других рай­ онов). Одновременно происходит прогревание и таяние льда по всей его толще, обусловленное поглощением солнечной радиации.

Процесс внутреннего таяния льда за счет поглощения сол­ нечной радиации отличается некоторыми особенностями, выте­ кающими из характера строения ледяного покрова, которое, как известно, зависит от условий его формирования. Если ледяной по­ кров сформировался из замерзшей шуги, то он, как правило, со­ держит в себе различные вкрапления (органические и минераль­ ные вещества), а сам лед состоит из кристаллов, отличающихся от кристаллов, образовавшихся при спокойном поверхностном замер­ зании воды. Наличие во льду примесей увеличивает его поглоща­ тельную способность по отношению к солнечной радиации, что сказывается на интенсивности его таяния и ослаблении связей ме­ жду кристаллами льда. В результате сплошность ледяной массы нарушается и распадается на ряд зерен и столбчатых кристаллов.

Вполне естественно, что способность ледяного покрова оказывать механическое сопротивление (присущее монолитному льду) в зна­ чительной степени утрачивается и любое незначительное течение

потока или ветер приведут к окончательному его разрушению.

Установлено, что при разрушении ледяного покрова на озе­ рах и водохранилищах доминирующими факторами являются теп­ ловые, механические только довершают этот процесс. В речных потоках, наоборот, механические факторы, воздействующие на

него, превалируют над тепловыми.

2. Механические факторы. Таяние снега, лежащего на в

досборе и на льду реки, приводит к повышению уровня воды в ре­ ке и отрыву ледяного покрова от берегов. На оторвавшийся от бе­ регов ледяной покров по нижней его поверхности действует каса­ тельная сила, обусловленная течением водного потока. Она вызы­ вает в нем напряжения, которые могут превзойти напряжения, оп­ ределяющие прочность льда (так называемое временное сопротив­ ление льда - ств), и, следовательно, произойдет его разрушение на

2 6 2

разрушение ледяного покрова происходит и в самом начале его таяния, до того как появятся закраины и разводья. В этом случае определяющим фактором разрушения является интенсивный подъем уровня воды, вызванный приходом паводочной волны.

Такие случаи характерны для рек, текущих в северном направле­ нии, а также для рек, имеющих водохранилища, из которых осу­ ществляются весенние сбросы воды.

Действие ветра при разрушении ледяного покрова аналогич­ но действию водного потока на него: оно сказывается в большей степени на озерах и водохранилищах. В этом процессе немалую роль играет также волнение воды, вызванное ветром.

Наблюдениями установлено, что продолжительность ледо­ хода на реках зависит от толщины льда, его степени раздроблен­ ности, размеров реки и климатических условий.

8.6.Заторные явления на реках

Зат ор - это скопление льдин в русле реки во время ледохода,

вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды. Явление заторообразования широко распространено на реках России. Особенно оно типично для рек, текущих в север­ ном направлении. Карта распространения заторов на реках РФ и ближнего зарубежья, составленная в Государственном гидрологи­ ческом институте, приведена на рис. 8.4. Она составлена на осно­ вании каталога [21], в котором представлены статистические и расчетные данные об основных заторных участках рек РФ и о воз­ можных последствиях опасных заторно-зажорных явлений на них.

Явление это стихийное, вызывает подъем уровня выше затора и затопление больших прилегающих к реке территорий (табл. 8.1),

а нагромождение льда при заторе и лед прорвавшегося в конечном итоге затора разрушают гидротехнические сооружения, задержи­ вают транспортное использование реки и т. д., что приносит зна­ чительный ущерб хозяйству страны. Если выше затора уровень воды может превысить уровень весенних половодий, то ниже за­ тора он падает и настолько, что даже оголяются водозаборы, в свя­ зи с чем прекращается подача воды в города и поселки.

263

Изучение заторов представляет собой весьма сложную зада­ чу. Ввиду стихийности явления (внезапности образования затора) и

небезопасного выхода исследователя на затор до сих пор не удалось в натуре надежно измерить его параметры: толщину затора по его длине и ширине, массу льда в заторе, фильтрационный расход через него, скорость течения воды под затором и др. Средств дистанцион­ ного измерения этих параметров в настоящее время также нет.

265

Общим признаком места образования затора является пони­ жение пропускной способности русла реки на каком-либо участке

участки реки с круты­ ми поворотами, остро­ вами, порогами, су­

женным руслом

(рис. 8.5), воздвигну­ тым в русле гидротех­ ническим сооружени­ ем, с уменьшением глубины (предустьевая дельта), с уменьшени­ ем скорости течения

(зона выклинивания подпора от гидротех­ нического сооруже­ ния), с ненарушенным ледяным покровом и т. п. Конечно, в неко­

торых случаях для образования затора большое значение имеют снегозапасы в бассейне реки, метеорологические условия в весен­ ний период, количество и интенсивность поступления льда к месту образования затора, а также толщина ледяного покрова и его прочность в период вскрытия.

Общая классификации заторов льда применительно к рекам России, учитывающая разработки специалистов различных орга­ низаций, предложена ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Она представле­ на на рис. 8.6.

8.6.1.Силовые условия образования затора

Кнастоящему времени вопросу о механизме заторообразова-

ния посвящено большое число работ, а одной из последних обоб­ щающих работ по заторам является монография сотрудника ГГИ В.А. Бузина [9]. Несмотря на это он по-прежнему еще не раскрыт.

266

Виды lamopoe льда

П р и ч и н о й то м у я вл яю тся н е д о ступ н о сть зато р а и н и зкая те хн и ч е ская

в о о р у ж е н н о сть и сслед ователей . Т ео р ети че ски е р е ш е н и я и р е зул ьта ­

н о е о тн о си тся н е то л ь ко к ко л и ч е ств е н н ы м зн ачен и ям ха р а кте р и сти к

п о д к р о м к у н е п о д в и ж н о го л е д я н о го п о к р о в а и о тл о ж е н и и и х п о д о л ь д о м и 2 ) о б р а зу ю щ и е ся у к р о м к и с п л о ш н о го л е д я н о го п о к р о в а

п р и ск о п л е н и и л е д я н ы х м а сс (и л и л ю б о го д р у го го п р е п я т ств и я ,

н а п р и м е р , у л е д я н о го п о л я за ст р я в ш е го н а п о в о р о те р у с л а и л и у о п о р ы м о ста ).

В то р о й т и п за то р о о б р а зо в а н и я л ь д а н а зы в а ю т и н о гд а а р о ч ­

у ч а с т к е р е к и с х а р а к т е р н ы м и м о р ф о л о ги ч е ск и м и у сл о в и я м и . В ы ­ ш е м ы е го н а зв а л и у ч а с т к о м с п о н и ж е н н о й п р о п у с к н о й сп о со б н о ­ ст ь ю . П о д х о д я щ и е п о р е к е с в е р х у и о ста н а в л и в а ю щ и е ся у э то го п о л я б о л ее м е л ки е л ь д и н ы н а гр о м о ж д а я сь , о б р а зу ю т т а к н а зы в а е ­ м у ю го л о в у , зате м те л о и х в о с т за то р а (р и с . 8 .7 ).

у б е р е го в , н е ж е л и п о о си за то р а (а р о ч н а я к а р т и н а н а п р я ж е н и й

с б о к о в ы м р а сп о р о м ), ч то х а р а к те р н о та к ж е д л я с ы п у ч и х ср ед н а ­

268

х о д я щ и х ся , н а п р и м е р , в б у н к е р е : п е с о к , зе р н о , гр а н у л ы р а з л и ч н ы х

м а те р и а л о в и д р . С к о п л е н и е р азд р о б л е н н о го л ь д а в ы зы в а е т за то р ­

н ы е н ав о д н е н и я . С л е д у е т , о д н а ко , о тм е ти ть , ч то ги д р а в л и ч е ск и е я в л е н и я в э т и х с л у ч а я х п р е д ст а в л я ю т со б о й сл е д ств и е , т.е . в то р и ч ­ н ы й э ф ф е кт , то гд а к а к п е р в и ч н ы м я вл яе тся м е х а н и зм зато р о о б р азо -

в ан и я : сж а ти е , то р о ш е н и е и п о д в и ж к а м а сс р азд р о б л е н н о го льда.

р и с . 8 .8 , н а к о т о р о м п о к а за н ы сх е м а о б р а зо в а н и я за то р а и э п ю р а

н а п р я ж е н и я в л е д я н о м п о к р о в е п о е го д л и н е .

X

Рис. 8.8. Схема образования затора у сплошного ледяного покрова водохранилища и эпюра напряжений.

1 - монолитный лед, 2 - раздробленный лед.

И з в е с т н о , ч т о п р и п о д ъ е м е у р о в н я в о д ы в р е ке , в ы зв а н н о м

в е се н н и м та я н и е м сн е га , о са д ка м и и л и п а в о д о ч н о й в о л н о й , п р о и с ­ х о д и т о тр ы в л е д ян о го п о к р о в а о т б е ре го в с о б р а зо в ан и е м за кр а и н .

269

н о й п о к р о в б у д е т р а зр у ш а т ь ся , о б р а зу я л е д я н ы е п о л я и т а к н а зы ­ в а е м ы й б и т ы й (р а зд р о б л е н н ы й ) лед.

О б р а зо в а в ш е е ся н и ж е ст в о р а 1 —1 п о л е б и то го л ьд а б у д е т и с п ы т ы в а т ь н а се б е д е й ств и е а к ти в н о й с и л ы , о б у сл о в л е н н о й тр е ­ н и е м п о то к а о н и ж н ю ю п о в е р х н о сть сп л о ш н о го л е д я н о го п о к р о в а ,

л ьд а о б е р е г; Рб - си л а , д е й ст в у ю щ а я н о р м а л ь н о к б е р е гу со с т о ­

(р а в н о в е си и ), то , сл е д о в а те л ь н о , д о л ж н а су щ е с тв о в а ть ещ е о д н а си л а - Рп, р а в н а я р а зн о с ти п е р в ы х д в у х си л . Э т а си л а о б у сл о в л е н а

р е а кц и е й сп л о ш н о го л е д я н о го п о к р о в а и л и д р у го го к а к о го -л и б о

Е с л и к о п р е д е л е н и ю си л , д е й ст в у ю щ и х н а за то р , п о д хо д и ть

с т р о го , то н у ж н о н а зв а ть ещ е тр и си л ы : 1) с и л у , о б у сл о в л е н н у ю

п о ф о р м ул е

2 7 0