УДК 551.326.83 д.г.н. С.М. Говорушко
реклама
УДК 551.326.83 РЕЧНЫЕ ЛЬДЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ХОЗЯЙСТВЕННУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ д.г.н. С.М. Говорушко Тихоокеанский институт географии ДВО РАН, г. Владивосток Обобщены и систематизированы разнообразные сведения о речных льдах (распространение, механизм формирования, динамика и т. д.). Дана характеристика их влияния на различные виды хозяйственной деятельности и природные компоненты. RIVER ICE AND ITS IMPACT ON HUMAN ACTIVITY S.M. Govorushko Pacific Geographical Institute FEB RAS, Vladivostok Various data about river ice (distribution, mechanism of forming, dynamic, etc) are summarized. Characteristic of its impact on different kinds of human activity and natural components is given. Распространение Речные льды образуются на участках рек, расположенных севернее 350 с. ш., за исключением районов, подверженных сильному отепляющему влиянию Гольфстрима. В Южном полушарии речных льдов практически нет. Количественные характеристики речных льдов глобальном масштабе представлены в табл. 1. Таблица 1 Площадь и масса ежегодно образующихся речных льдов [1] Европа Азия Северная Америка Площадь, Объем, Площадь, Объем, Площадь, тыс. км2 км3 тыс. км2 км3 49445 32 337400 254 Земной шар Объем, Площадь, Объем, тыс. км2 км3 тыс. км2 км3 148324 105 532169 391 Таким образом, в целом речные льды в период максимального развития занимают площадь более полумиллиона квадратных километров, при этом их толщина в среднем составляет 73 см. По площади распространения они уступают льдам озер и водохранилищ в 2,2 раза, а по объему в 2,3 раза. _____________________ В данной статье не обсуждаются заторы и зажоры, являющиеся предметом рассмотрения отдельных статей. Механизм формирования При понижении температуры воздуха ниже 00С происходит быстрое охлаждение воды в реке, скорость которого зависит с одной стороны, от интенсивности морозов, а с другой от запаса тепла в реке, что определяется ее водностью и направлением течения. Вначале лед образуется в мелководных прибрежных зонах (забереги), позднее формируется плавучий лед. Для его возникновения необходимо переохлаждение тонкого поверхностного слоя воды, что происходит, когда теплоотдача на поверхности воды становится больше, тем приток к ней тепла из глубины [1]. В зависимости от конкретных условий при замерзании реки возможно возникновение множества ледовых образований: ледяное сало, шуга, ледяная каша, снежура, донный лед, кристаллический лед и т. д. Ледяное сало - это густой слой мелких ледяных кристаллов на поверхности воды. При смерзании они приобретают вид застывающего сала, имеющего серовато-стальной или свинцовый оттенок [3]. Ледяное сало удерживается недолго и переходит в шугу - скопление на поверхности воды пористых мелких комков. Обычно шуга формируется в холодные ночи, когда велика потеря тепла от воды и подавлен компенсирующий эффект солнечной радиации [10]. Образование шуги характерно для рек с большими скоростями течениями, обусловливающими сильную турбулентность [1] Ледяная каша это скопление обломков плавучего льда (до 2 м в поперечнике), образовавшихся при разрушении других форм льда и смерзании воды с кристаллами льда. Снежура - скопления плавающего в воде снега; на малых реках со слабым течением и небольших проточных водоемах она нередко является основной составляющей ледяного покрова в начальную фазу его образования. Донный лед - это лед, имеющий рыхлую пористую структуру. Его образование возможно как в результате кристаллизации воды на твердых телах под водой, так и путем примерзания к ним кристаллов внутриводного льда. Донный лед наиболее интенсивно формируется на небольших горных реках во время сильных похолоданий, особенно на крупных валунах [3]. Кристаллическим льдом называют лед, образующейся на реках с медленным течением и состоящий из прозрачных кристаллов без видимых границ между ними. Типы замерзания и вскрытия рек В зависимости от интенсивности и особенностей формирования ледяного покрова выделяют три основных типа замерзания рек [4]. Для первого типа замерзания (быстрого) характерна большая интенсивность образования льда в поверхностном слое. Замерзание со2 провождается образованием ледяного сала и заберегов. Формирование ледяного покрова происходит путем роста и смыкания отдельных массивов в течение 1-2 суток. При втором типе замерзания (замедленном) формирование льда происходит в слое активного перемешивания мощностью 10-20 см. Ледяной покров образуется при остановке, сплочении и смерзании льдин. Его начальная толщина 10-15 см, длительность замерзания 5-10 суток. Третьему типу (длительному) свойственно интенсивное образование льда по всей глубине потока. Замерзание сопровождается образованием шуги и ее перемещением вниз по реке (шугоходом). Ледяной покров формируется вследствие остановки, сплочения и смерзание шуги. Его величина в начале ледостава превышает 20 см. Процесс замерзания длится 15-20 суток и более. Первый тип замерзания характерен для малых и некоторых средних рек, имеющих незначительную водность и скорость течения менее 0,2 м/с. Второй тип присущ многим средним и большим равнинным рекам со скоростью течения в период ледостава не более 0,4 м/с. Реки, имеющие широтное направление течения, замерзают практически одновременно по всей длине. Третий тип замерзания распространен на участках с повышенной скоростью течения - более 0,4 м/с [1]. Сроки замерзания (также как и вскрытия) зависят, главным образом, от климатических факторов. Однако в ряде случаев существенное значение имеют локальные факторы, характерные для конкретной реки или ее участка. К их числу относятся водность, заболоченность бассейна, озерность, направление и скорость течения, неравномерность поступления тепла с подземными водами и т. д. Влияние локальных факторов наиболее ощутимо для рек с площадью бассейна менее 5 тыс. км2, при площади бассейна более 10 тыс. км2 оно практически не ощущается. Образование неподвижного льда происходит в течение октября-ноября на реках Азиатской части России, северо-восточных районов Китая, Аляски и Канады (кроме ее юговосточной части) и в ноябре-декабре на реках Европейской части России, Скандинавии, северных штатов США и юго-восточной Канады. Продолжительность ледостава в пределах Европейской части России меняется от 2 мес. на юго-западе до 7 мес. на северо-востоке. В Азиатской части России разброс составляет от 5 мес. в южных районах Сибири и Дальнего Востока до 8 мес. на реках Крайнего Севера. В Канаде и Скандинавии ледостав длится от 3 до 8 мес., на Аляске 6-8 месяцев. В районах с неустойчивым зимним режимом (Южный Казахстан, Средняя Азия, Кавказ, Центральная и Юго-Восточная Европа, северные штаты США) в течение зимы возможно повторное замерзание и вскрытие рек [3]. Увеличение толщины льда происходит как снизу (вследствие кристаллизации воды и промерзания шуги), так и сверху (в результате смерзания снега, пропитанного водой). Рас3 пределение толщины ледяного покрова и по длине реки, и по ее поперечному сечению весьма изменчиво, что вызвано разными сроками замерзания, неравномерностью распределения снежного покрова, скоростей течения и притока теплых грунтовых вод. Максимальная за зиму мощность ледяного покрова колеблется от 20 см на реках южных регионов до 200 см в северных регионах [1]. Весной происходит вскрытие реки. В соответствии с механизмом разрушения ледяного покрова и очищения реки ото льда выделяют три его основных типа [5]. Для первого типа характерно разрушение ледяного покрова путем поверхностного и внутреннего таяния льда под влиянием солнечной радиации, адвекции (переноса воздушных масс) и тепла воды. Таяние льда происходит на месте, его интенсивность в зависимости от структуры и строения ледяного покрова, а также плотности теплового потока составляет 0,5-4,5 см/сут, а продолжительность составляет 10-20 суток с начала установления положительных температур. Второй тип характеризуется разрушением ледяного покрова как вследствие таяния льда, так и в результате обусловленных воздействием потока и ветра динамических напряжений, превышающих предел прочности льда. При вскрытии происходит нарушение связи ледяного покрова с берегами и его расчленение на отдельные льдины. Очистка реки ото льда происходит благодаря течению. Длительность вскрытия этого типа составляет 5-15 суток и зависит от условий погоды, водности реки и т. д. Разрушение ледяного покрова при третьем типе вскрытия происходит, в основном, под влиянием динамических напряжений и продолжается от 2 до 12 суток [5]. Первый тип вскрытия происходит на малых и средних реках, имеющих небольшую водность, а также на реках, промерзающих зимой до дна. Второй тип характерен для большинства рек, но наиболее интенсивно он развит на реках Восточной Сибири, отличающихся максимальной продолжительностью ледохода. Процесс вскрытия по длине рек распространяется со скоростью 50-100 км в сутки. Третий тип отмечается на больших северных реках. Особенно благоприятные условия для его развития создаются в годы повышенной водности и интенсивного весеннего половодья, когда вскрытию сопутствует выход воды на пойму [1]. Сроки весеннего ледохода на реках северных и южных районов Европейской части России и Северной Америки различаются до 3 месяцев, в Восточной Сибири до 2 месяцев, а на Дальнем Востоке около 1,5 месяца [8]. 4 Факторы влияния на человеческую деятельность Негативное воздействие речных льдов на человеческую деятельность осуществляется в основном, за счет следующих факторов: 1) динамическое давление; 2) статическое давление; 3) сила тяжести; 4) истирающее действие; 5) подъемная сила льда. Динамическое давление возникает за счет энергии движения ледяных масс и осуществляется, главным образом, весной. В зависимости от размеров ледяных полей, скорости их перемещения и физико-механических свойств льда оно может достигать 1,0-1,5 тыс. т/м2. Статическое давление вызвано тепловым расширением льда и развивается преимущественно в зимний период. Оно опасно, главным образом, для сооружений с большой протяженностью. Величина статического давления зависит от диапазона и скорости повышения температуры льда. Наибольшие напряжения возникают в самом верхнем слое [2]. При резком повышении температуры воздуха, превышающем 5-60С в час, статическое давление может составить 200-300 т/м [7]. Сила тяжести действует как нагрузка от примерзшего к сооружениям ледяного покрова при изменении уровня. Истирающее действие льда обусловлено силами трения, возникающими между движущимися льдинами и сооружением. Подъемная сила связана с плавучестью льда, что порой приводит к всплытию погруженных в воду предметов. Влияние на человеческую деятельность Речные льды в основном влияют на следующие объекты и виды человеческой деятельности: 1) водный транспорт; 2) гидроэнергетика; 3) водоснабжение; 4) мосты; 5) автомобильный транспорт; 6) железнодорожный транспорт; 7) авиационный транспорт. Кроме этого они имеют существенное экологическое значение. Воздействие на водный транспорт выражается в осложнении судоходства, затруднении эксплуатации судоходных шлюзов, повреждении объектов инфраструктуры речного транспорта и т. д. Речные льды в большинстве случаев являются препятствием для судоходства, поэтому ледостав и ледоход определяют сроки открытия и закрытия навигации. Во многих северных районах снабжение населения практически полностью зависит от речных перевозок. В связи с этим для таких территорий существуют два критических периода. Весной он связан с истощением запасов перед подходом первой баржи с грузом. Второй период приходится на осень, когда грузоотправители соревнуются с ледоставом, стараясь опередить его и доставить последний груз зимних запасов [11]. В условиях продления навигации нередко возникает проблемы, связанные с закупоркой решеток насосных станций судов шугой. Такого же рода проблемы создаются и в системе питания судоходных шлюзов. Во время интенсивного шугообразования движение судов 5 через них практически невозможно [1]. Порой осложнения связаны с донным льдом, который образуется на якорях и приводит к их всплытию на поверхность. В связи с этим его нередко называют якорным льдом [3]. Льды нередко вызывают повреждение и разрушение объектов судоходной инфраструктуры (причалы, пирсы, маяки и т. д.). На причальные стенки и пирсы действуют статическое давление и сила тяжести, динамическое давление и истирающее действие в период ледохода. Пример, когда ледоходом на р. Сясь (нынешняя Ленинградская область) в 1881 г. были срезаны чугунные причальные трубы, приводит К.Н. Коржавин [7]. Там же описан случай повреждения на одной из сибирских рек весной 1948 г. ряжевого пирса. Воздействие на маяки в основном происходит при ледоходе. Известен случай, когда на р. Святого Лаврентия под действием льда был опрокинут маяк [6]. Многие методы смягчения последствий воздействия речных льдов на водный транспорт аналогичны способам борьбы с морскими и озерными льдами, однако некоторые из них имеют свою специфику. Например, при нейтрализации воздействия на судоходные шлюзы мерами являются покрытие стенок шлюзов различными веществами для предотвращения адгезии к ним льда, всевозможные способы прямого нагрева, различные системы выпуска пузырьков воздуха или струй воды для отклонения льда от аванкамеры и входных ворот шлюза. Иногда применяются ледовые запани для задержки льда и предотвращения его входа в узкие каналы, где он может создать затор и заблокировать канал [4]. В некоторых случаях ледяной покров посыпается пылью с целью уменьшить альбедо и использовать радиационную составляющую теплового баланса. Для предотвращения замерзания реки или снижения его интенсивности иногда применяют искусственное стеснение русла для увеличения скорости потока [1]. Влияние речных льдов на гидроэнергетику в основном осуществляется на плотины ГЭС. Факторами воздействия являются статическое воздействие льда и сила его тяжести, когда примерзший к плотине лед находится в висячем положении вследствие понижения уровня. Многочисленные примеры повреждения плотин приведены в монографии К.Н. Коржавина [7]. Например, в феврале 1899 г. при изменении температуры с -220С до -80С льдом толщиной 1,2 м была повреждена плотина в Миннеаполисе (США). Вследствие теплового расширения льда она отклонилась от вертикали на 25-30 см и несколько позднее на протяжении 52 м разрушилась. Статическое давление имело величину 16,7 т/м2. Плотина Колумбия в штате Пенсильвания за 18 лет разрушалась льдинами 4 раза, причем длина разрушенного участка составляла 270-1200 м. В этой же книге описаны случаи разрушения плотин в штатах Огайо, Миссисипи, Западная Виргиния и других. 6 Достаточно типично влияние речных льдов на водоснабжение. Оно происходит под действием разных факторов. В переохлажденной воде кристаллы шуги обладают очень высокой способностью прилипать к любому предмету, с которым они соприкасаются [10]. Это их свойство приводит к перебоям в подаче воды вследствие обмерзания или закупорки труб, сороудерживающих решеток, оголовков [1]. В отдельных случаях возможно динамическое воздействие. Так, в штате Айдахо (США) ударом большого ледяного поля толщиной 40 см была отклонена от вертикального положения на 2,4 м (в верхней точке) железобетонная водоспускная башня высотой 26 м и диаметром 6,6 м [7]. Воздействие речных льдов на мосты осуществляется с участием практически всех факторов, но главным является динамическое давление на мостовые опоры, происходящее во время весеннего ледохода. Например, мост через р. Коннектикут у г. Браттлеборо (штата Нью-Гэмпшир, США) за 120 лет сносился 8 раз. В 1920 г. давлением льда толщиной 1,0 м с него была сброшена стальная ферма длиной 100 м и весом 270 т. Давление льда достигало 140 т/м2. В 1915 г. на многих реках северо-западной части России весенним ледоходом были снесены построенные на ряжевых опорах деревянные мосты. Повреждение мостов вследствие динамического давления возможно и при осеннем ледоходе. Например, в декабре 1955 г. на одной из крупных рек Китая под воздействием большого ледяного поля толщиной 0,4 м была сдвинута массивная мостовая опора диаметром 4,1 м [7]. Примеры повреждений мостов вследствие статического давления менее многочисленны. Известен случай, когда бык одного из мостов в Канаде весом около 1 тыс. т подвергся одностороннему давлению ледяного покрова толщиной около 30 см и отклонился от вертикали на 5 см. После околки опора вернулась в вертикальное положение. Сила давления льда достигала 71,3 т/м2 [7]. Меры защиты мостовых опор преимущественно конструкционные. В частности, для уменьшения силового воздействия льда на них рекомендуется придавать мостовым опорам такую форму, чтобы ледяной покров разрушался преимущественно путем раскалывания и изгиба [2]. Влияние речных льдов на автомобильный, железнодорожный и авиационный транспорт положительно и обусловлено его значительной несущей способностью. По своей прочности речные льды существенно превосходят морские. Широко распространена прокладка по льду рек автозимников. Там, где нет капитальных мостов, используются ледовые переправы. Например, в районе Якутска каждую зиму сооружается переправа через р. Лену. Ледяной покров рек широко используется в качестве взлетно-посадочных полос для самолетов и вертолетов. Лесозаготовители складируют на льду подготовленный к сплаву лес, нефтяники применяют его для перевозки тяжелых грузов и установки оборудования [1]. 7 Для повышения несущей способности льда используют разные способы. Наиболее простым из них является систематическая очистка ледяного покрова рек от снега, имеющего значительный теплоизолирующий эффект. В результате происходит ускоренное нарастание льда до толщины, обеспечивающей перевозку грузов. Для интенсификации этого процесса используют искусственное намораживание путем тонкослойного налива воды (примером такого процесса является заливка катка). Скорость наливного намораживания достигает нескольких дециметров в сутки [3]. Если необходимо ускорить замерзание, то применяют распыление воды при отрицательных температурах воздуха. При этом образуется гранулированный лед, который при осаждении на водную поверхность способствует образованию ледяного покрова [1]. Экологическая роль речных льдов состоит, в частности, в поставке питательных веществ для некоторых морских организмов. Например, реки Юкон и Кускоквим (Аляска) текут по обширным заболоченным низменностям с чрезвычайным обилием травы Зостера (Zostera). При весеннем взламывании льда речные льдины срезают почвенные слои мелководья и откладывают огромные количества этой травы на прибрежном шельфе Берингова моря. Здесь она разлагается бактериями и превращается в детрит, которым питаются, в частности, двустворчатые моллюски [9]. Влияние речных льдов на человеческую деятельность систематизировано в табл. 2. Таблица 2 Влияние речных льдов на человеческую деятельность Основные объекты Водный транспорт Характер Последствия Меры смягчения воздействия воздействия последствий Препятствие движению Невозможность судов вследствие фор- портировки грузов и пе- колов, ледорезов и са- мирования ревозки людей, повреж- моходных дение судов попуски из водохрани- неподвиж- ного ледяного покрова транс- Использование ледо- ледофрез, лищ Водный транспорт Нарастание на якорях Создание аварийной си- Использование донного льда туации ленных якорей вследствие утяже- всплывания якоря Водный транспорт Режущее воздействие молодого льда (ниласа) Повреждение деревянных корпуса судов и Обход опасных участков акватории шлюпок Водный транспорт Статическое и динами- Повреждение и разру- Учет ледовых воздей- 8 Водный транспорт Гидроэнергетика ческое давление, дей- шение пирсов, причаль- ствий ствие ных стенок, маяков и т. сооружений силы тяжести, в конструкции истирающее действие д. Закупорка шугой вход- Прекращение навигации Прямой нагрев, покры- ных каналов судоход- в связи с невозможно- тие стенок противоад- ных шлюзов стью прохождения судов гезионными вещества- по каналу ми и т. д. Статическое давление, Повреждение плотин сила тяжести примерз- вследствие шего к плотине льда расширения льда и ле- сооружений, довой нагрузки при по- воздуха из перфориро- нижении уровня ванных труб Перебои в подаче воды, Использование вследствие обмерзания воадгезионных и водо- труб, сороудерживающих воздушных струй, пря- решеток, оголовков мой нагрев и т.д. Динамическое и стати- Вывод мостов из экс- Учет ледовых воздей- ческое давление, исти- плуатации ствий рающее воздействие разрушения опор сооружений Автомобильный и авиа- Высокая несущая спо- Использование для ав- Повышение несущей ционный транспорт собность льда тозимников, ледовых способности льда переправ, взлетно- намораживанием, Водоснабжение Высокая адгезионная способность кристал- лов шуги Мосты Лесная промышленность теплового Учет ледовых воздей- вследствие ствий в в конструкции выпуск проти- конструкции посадочных полос и т. д. очистка льда от снега Высокая несущая спо- Складирование Послойное собность льда товленного к сплаву вание, очистка льда от леса снега подго- наморажи- Литература 1. Атлас снежно-ледовых ресурсов мира. М.: Российская академия наук, 1997. Т. 2. Кн. 2. 270 с. 2. Войтковский К.Ф. Основы гляциологии. М.: Наука, 1999. 255 с. 3. Гляциологический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 528 с. 4. Динамика масс снега и льда / Д.Х. Мейл, У.С.Б. Патерсон, Р.И. Перла и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 456 с. 5. Донченко Р.В. Ледовый режим рек СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 247 с. 9 6. Дэнис Дж.В. Давление льда на отдельные сооружения на р. Св. Лаврентия // Лед и его воздействие на гидротехнические сооружения. Л.: ВНИИГ, 1972. С. 251-258. 7. Коржавин К.Н. Воздействие льда на инженерные сооружения. Новосибирск: Издво СО АН СССР, 1962. 203 с. 8. Котляков В.М. Наука. Общество. Окружающая среда. М.: Наука, 1997. 409 с. 9. Нешиба С. Океанология. Современные представления о жидкой оболочке Земли. М.: Мир, 1991. 414 с. 10. Beltaos S. Hydraulics of ice-covered rivers // Issues and Directions in Hydraulics. Rotterdam, 1996. P. 159-166. 11. River Ice Jams. Highlands Ranch: Water Resources Publications, 1995. 372 pp. 10
