Файл: Аполлов, Б. А. Курс гидрологических прогнозов учебник.pdf

проходит сквозь лед и поглощается водой. Это тепло вместе с при­ током тепла с подземными водами и от ложа поступает к ледяному покрову и вызывает его таяние снизу. Интенсивность этого посту­ пления тепла в основном определяется интенсивностью перемеши­ вания водных масс.

Различие по площади толщины льда и высоты снега на нем, а также разная скорость течения в разных частях озера и осо­ бенно водохранилища вызывает неравномерное по площади тая­ ние ледяного покрова сверху, внутри и снизу. В результате стано­ вится неодинаковой по площади и прочность льда.

Основной силой, вызывающей разлом п нарушение целости ле­ дяного покрова достаточно больших водохранилищ п озер, явля­ ется ветер. На водохранилищах нарушение целости покрова иногда вызывается резкими колебаниями уровня воды, обусловленными значительным и быстрым увеличением расходов воды через гидро­ сооружение. Однако в этих случаях разлом льда происходит лишь на прпплотинном участке, а также в зоне выклинивания подпора.

Ветер вызывает изгиб (прогибы) п растяжения (или сжатия) ледяного покрова. Считается, что разлом ледяного покрова чаще является следствием прогибов, когда они достигают критических величин. Расчеты показывают, что в нарушении целости ледяного покрова роль разрывов его под влиянием тангенциального давле­ ния (растягивающей силы) ветра нередко не очень существенна, даже при пониженной прочности льда.

Прогибы ледяного покрова вызываются пульсацией вертикаль­ ной составляющей скорости ветра. Как показывают измерения, ско­ рость вертикальных порывов ветра в приземном слое воздуха бы­ вает весьма значительной, а их продолжительность — от несколь­ ких секунд до нескольких минут. Такие порывы ветра, точнее, вызываемое ими изменение давления на ледяной покров, и обуслов­ ливают достаточно часто появление настолько значительных изги­ бающих усилий, что начинается разлом льда па ледяные поля. Но известная роль в этом процессе, конечно, принадлежит и растяги­ вающим силам.

Из способов расчета предельной нагрузки на единицу поверх­ ности ледяного покрова, которые хорошо разработаны, следует, что при прочих равных условиях эта нагрузка является минималь­ ной, когда ее площадь составляет десятки — сотни квадратных мет­ ров. Материалы наблюдений показывают, что площадь нагрузок, вызываемых вертикальными порывами ветра, характеризуется именно такими величинами.

Примем по экспериментальным данным модуль упругости таю­ щего льда равным 2- ІО5 т/м2 и коэффициент поперечной деформа­ ции (коэффициент Пуассона) равным 0,33. Тогда расчетная пре­

щина льда (обе величины являются средними для водохранилища

380

или рассматриваемой его части); b — коэффициент, меньший еди­ ницы, учитывающий уменьшение несущей способности ледяного покрова из-за наличия трещин и промоин.

При средней шероховатости верхней поверхности льда п сред­ нем значении плотности воздуха давление на ледяной покров, свя­ занное с вертикальной составляющей скорости ветра, равно

для льда, не подвергавшегося воздействию солнечной радиации, и считая, что Сто = const, получаем следующее условие начала дрейфа льда, т. е. появления разводий и вскрытия водохранилища (или озера) пли рассматриваемой его части:

(15.XIII)

где /71 = 0,0018 — эмпирический коэффициент.

Значение т было получено по данным наблюдений за скоростью ветра в дату начала дрейфа льда на двух участках Братского водохранилища и по рассчитанным величинам толщины и прочности льда /гл и ср на этих же участках на дату начала дрейфа. Ежегод­ ные даты начала дрейфа были определены в основном по данным авиаразведок состояния ледяного покрова с ошибкой, не превы­ шающей одних-двух суток. По Братскому водохранилищу, со­ гласно расчетам за 1962—1968 гг., величины Ііл и ср в день начала дрейфа колеблются соответственно от 30 до 80 см п от 0,03 до 0,11 и в среднем составляют 47 см и 0,06. Средняя скорость ветра в день начала дрейфа равняется 4,8 см/с.

Отметим, что указанные два участка Братского водохранилища весьма характерны. Одни — Калтукское расширение — имеет ок­ руглую форму с шириной около 25 км и длиной около 60 км, и его можно сравнить, например, с Рыбинским водохранилищем. Сход­ ство этих водных объектов усиливается почти полным отсутствием на них течения. Другой участок — приплотпнная часть водохрани­ лища— вполне сравним с русловыми участками волжско-камского каскада водохранилищ. Он имеет длину около 30 км и среднюю ширину лишь 4—5 км. Из приведенных данных также видно, что в отношении морфометрии оба участка весьма различны. Это дает основание полагать, что коэффициент т = 0,0018 вполне можно ис­ пользовать в расчетах по другим водохранилищам, а также по озерам. В этой связи укажем, что расчеты по неравенству (15.ХІІІ) дат начала дрейфа льда на Новосибирском водохранилище (дат вскрытия водохранилища) за 1958—1968 гг. дали вполне удовлетво­ рительные результаты.

Расчет толщины и прочности льда на водохранилищах и озе­ рах на дату начала дрейфа производится так же, как и расчет этих величии для рек (см. § 1 настоящей главы). Заметим, что в расчете

381

толщины льда притоком тепла с подземными водами здесь частоможно пренебрегать.

Краткосрочные прогнозы даты начала дрейфа льда (вскрытия) нередко составляются также с помощью фнзпко-статнстпческпх за­ висимостей, устанавливаемых по данным многолетних наблюдений станции. Так, по данным наблюдении в Персборском заливе Ры­ бинского водохранилища, на Горьковском, Куйбышевском и Цымлянском водохранилищах были установлены зависимости:

для открытых частей водохранилищ

тая тоже с 1 марта, накопления количества тепла, необходимого для того, чтобы растаял лед толщиной 15 см. Это количество тепла можно рассматривать лишь как приближенную характеристику общего уменьшения прочности ледяного покрова.

Согласно первому уравнению, для получения необходимой за­ благовременности прогноза начала дрейфа льда в отдельных ча­ стях водохранилища надо располагать краткосрочным прогнозом погоды.

§ 4. ПРОГНОЗ ОЧИЩЕНИЯ ОТО ЛЬДА ВОДОХРАНИЛИЩ И ОЗЕР

Ледохода на озеровидных водохранилищах и озерах обычно не бывает. На них происходит ветровой дрейф льда, методика прог­ ноза начала которого была только что рассмотрена. Но ледоход бывает в тех речных зонах и сужениях водохранилищ, где наблю­ дается достаточная скорость течения.

Промежуток времени, в течение которого на водохранилище происходит дрейф льда, тесно связанный с изменениями скорости и направления ветра, зависит, с одной стороны, от начальной тол­ щины льда II снега на нем, с другой — от интенсивности таяния сперва снега, затем льда. Исчезновение льда на озерах и водохра­ нилищах завершается распадом его на отдельные иглы и быстрым таянием их в воде.

Прогнозы даты освобождения ото льда преобладающей части поверхности водохранилища пли озера и даты полного их очище­ ния ото льда представляют практический интерес. Основываются эти прогнозы или на расчете стаивания льда, или на использова­

382

ность соответственно льда и снега на нем. Принимая рл = 0,92 г/см:! и рс = 0,25 г/см3, имеем

его части Ал определяется по наблюдениям на всех водомерных по­ стах. Если производится расчет даты полного очищения ото льда водохранилища, то за расчетную величину /гл принимается макси­ мальная из данных по всем постам. Если же рассчитывается дата освобождения ото льда преобладающей части водохранилища, то за исходную величину 1гл принимается средняя арифметическая из наибольших толщин льда за данную зиму по всем постам.

Для нахождения времени (даты) накопления J ^ q , необходимой для очищения водоема ото льда, величины q для верхней поверх­ ности льда вычисляются посуточно с начала таяния. Суть этого расчета нам уже хорошо знакома, поэтому не будем на нем оста­ навливаться. Отметим лишь, что метеорологические элементы, входящие в формулы теплообмена льда с атмосферой, принима­ ются по наблюдениям на ближайшей метеорологической станции и приводятся к условиям данного водоема. Последнее делается по соответствующим графикам и таблицам поправок. Приток же тепла к нижней поверхности ледяного покрова рассчитывается не посу­ точно, а сразу за весь период таяния льда. Не вдаваясь в этот расчет, отметим, что после того, как определено общее количество тепла, полученное водой за весь период, чтобы найти величину притока тепла ко льду снизу, это количество умножается на коэф­ фициент, меньший единицы. Его числовое значение зависит от ве-

вится равным единице. Приток тепла от ложа весной обычно со­

При составлении краткосрочных прогнозов очищения ото льда водохранилища или рассматриваемой его части расчет притока тепла к ледяному покрову за период от начала таяния до дня выпуска прогноза производится по фактическим метеорологическим данным, а за период заблаговременности прогноза — по данным из метеорологического прогноза. При отсутствии прогноза скорости ветра, облачности и влажности воздуха значения первых двух

383

элементов приравниваются к их средним многолетним значениям, а величина влажности воздуха принимается по связи ее с темпера­ турой воздуха.

Часто краткосрочные прогнозы даты освобождения водохрани­ лища ото льда составляются с помощью фпзнко-статнстических зависимостей. Так, для Переборного залива Рыбинского водохра­ нилища получено уравнение регрессии

^ о ч ш = Д + 5 , ( 2 0 . XIII)

где Дочщ — дата освобождения ото льда преобладающей части за­

зиму толщин ледяного покрова, измеренных на всех постах за­ лива) .

Суточные величины q вычисляются с помощью номограммы, аналогичной приведенной на рис. 119, а суммирование их произво­ дится со дня весеннего потепления.

Согласно формуле (20.X11I), фактическое очищение ото льда наблюдается позже рассчитанной даты на 5 дней. Значит, даже без использования прогноза температуры воздуха заблаговремен­ ность нашего прогноза будет пять дней. Это объясняется тем, что нами не учитывалось таяние снега на льду, и тем, что, по-впди- мому, при расчете по номограмме мы систематически завышали значения q.

§ 5. ПРОГНОЗЫ ЗАТОРОВ И УРОВНЕЙ ВОДЫ ПРИ ЗАТОРАХ

Заторы льда при вскрытии реки — довольно обычное явление. Однако далеко не все они бывают опасны. Мощные заторы льда характерны, как уже говорилось, для рек, вскрывающихся в ос­ новном под действием механического фактора и текущих с юга на север. На этих реках паводочная волна и вскрытие распрост­ раняются сверху вниз и движущийся сверху лед встречает на своем пути участки с еще прочным ледяным покровом. В результате здесь начинается сдавливание, подныриванпе, торошение и нагро­ мождение льдин. А это ведет к тому, что льдом забивается зна­ чительная часть водного сечения русла и на участке образуется затор льда.

Устойчивые заторы льда чаще образуются на тех достаточно длинных участках рек, где под влиянием рельефа и геологического строения бассейна заметно уменьшается продольный уклон. Весьма благоприятны для заторов места расположения островов, крутые повороты и сужения русла и зоны выклинивания подпора на во­ дохранилищах. Большинство этих участков уже с самого начала ледостава выделяется повышенной толщиной ледяного покрова.

Для образования довольно мощного затора льда необходимо, кроме сохранения ледяного покрова ниже уже вскрывшейся части реки, чтобы ледоход был интенсивным и притом при скорости те­ чения, достаточной для нагромождения льдин.

384