Описание термического и ледового режима водотока

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

               «ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ИГУ»)

 

Кафедра гидрологии и охраны водных ресурсов

 

  

 

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

Описание термического и ледового режима водотока

 

 

  

 

 

 

Руководитель

Бархатова О.А.

Студент

  

  

  

  

 

 

Иркутск 2015

 

2. Физико- географические сведения о водоеме

В работе использовался Пост Илимск, река Илим

Вб=275,5 м. Вмц=274 м. Вфл=12,2 м (1939-1960, Х); 12,0 м (1960, ХI-1965). Вфт=13,5 м (Гидрологический…, 1965). Далее источником информации будет являться Гидрологический…, 1965.

Длина реки 589 км, площадь бассейна 30,3 тыс. км². Берёт начало на Лено-Ангарском плато, протекает по Среднесибирскому плоскогорью и впадает в Усть-Илимское водохранилище в 860 км от устья Ангары, вблизи плотины Усть-Илимской ГЭС. До строительства гидроэлектростанции, в 8 км от устья река пересекалась порогами в месте выхода траппов. Русло с порогами, протоками, островами. Главные притоки: Коченга, Туба — справа; Чора, Чёрная, Иреек, Турига, Тола — слева. Илим, правого притока р. Ангары, на правом берегу, в понижении юго-восточной части Ангарского кряжа. Рельеф местности крупнохолмистый, с абсолютными отметками 450-500 м. Холмы имеют плоские вершины и плавные очертания склонов. Они собраны в гряды, перпендикулярные долине р. Илим и выполняют роль водоразделов его боковых притоков. Рельеф сильно расчленен долинами притоков, падями и распадками. Долины притоков в верховьях преимущественно широкие с очень пологими склонами и заболоченным дном. По мере приближения к устью их склоны становятся умеренно-крутыми и крутыми, пойменные участки почти отсутствуют, форма долин становится V- образной. Долина реки Илим симметричная, шириной 2,5-3 км, общее направление ее с ЮВ на СЗ. В районе села Илимск долина направлена. Склоны долины террасированы, по выпуклым берегам не большими участками хорошо прослеживается надпойменная терраса высотой 6-8 м шириной 150-300 м. Пойма прерывистая, двухсторонняя. Поверхность поймы слабоволнистая, открытая, луговая, сложена илисто-песчаным и песчано-галечным материалом. Русло р. Илим умеренно извилистое, не расчлененное островами, ширина реки 100-120 м. Грунтовые воды залегают не глубоко, местами выходят на поверхность.

 

 

 

 

2. Описание термического и ледового режима

Осенне-зимний ледовый и термические режимы зависят от многих факторов: географических, климатических и погодных условий, размеров и глубины водоема, скорости течения, физических свойств воды и др.

В водоемах и особенно на реках установление ледостава часто начинается с заберегов (замерзание сала в прибрежной зоне). Объясняется это тем, что в прибрежной зоне водоемов и водотоков вследствие небольших глубин выхолаживание воды происходит быстрее, чем в центральной части. Для водотоков характерна и вторая причина замерзания из с заберегов: течения которые не позволяют в короткий срок образовываться ледяной корке на всей поверхности реки. По мере остывания воды водоемов и водотоков забереги растут в направлении их открытой части и в итоге смыкаются. После образования корки льда толщиной около 0,01 м дальнейшее нарастание льда снизу обуславливается теплоотдачей на границе лед- воздух, наличием снега на льду и физическими свойствами воды и льда.

Ледяной покров на водоемах и водотоках может образовываться также при замерзании шуги. Шуга-это рыхлые скопления льда (Гидрофизика…, Винников С.Д., 1988).

На рассматриваемом водотоке самая большая высота снежного покрова составляла в 1971 года в марте-112 см, а самая низкая в 1969 в ноябре- 22 см

Распределение количества теплоты по глубине в зависимости от коэффициента турбулентной теплопроводности

При малых значениях коэффициента, т.е. при относительно слабом турбулентном перемешивании воды, основное количество теплоты при ее кристаллизации выделяется в поверхностном слое. Это условие отвечает спокойному и быстрому замерзанию водоемов, происходящему путем образования на поверхности воды ледяной корки. При больших значениях коэффициента турбулентной теплопроводности, т.е. интенсивном перемешивании воды, характер распределения теплоты по всей глубине приближается к равномерному. Это условие отвечает образованию льда (шуги), а также появлению донного льда (Гидрофизика, Мишон В.М., 1979).

Самые максимальные температуры льда в 1968 в декабре- 31,4 оС. Самые минимальные в 1967 апрель-0,2 оС.

Ледяной покров и снег на его поверхности кардинально меняют тепловой режим водоемов. Уже при толщине льда и снега 10 - 20 см практически прекращается теплообмен между атмосферой и водной массой водоема и лишь в конце зимы, когда снег сходит, возможно проникновение сквозь лед некоторого количества радиации, что приводит к незначительному нагреванию воды подо льдом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Основные виды льда и его деформации

Формирование ледового покрова в водоемах и водотоках протекает в результате процессов теплообмена их с окружающей средой в осенне-зимний период года.

ДЕФОРМАЦИЯ ЛЬДА. Ледяной покров ежегодно образующийся на водоемах, не только оказывает влияние на режим водоема, но и, покрывая твердым панцирем водяную поверхность, дает возможность использовать его в зимнее время в качестве временных мостов, аэродромов, ледяных дорог и т.п. Но в течении всего времени своего существования лед подвержен деформациям, обусловленным как термическими, так и динамическими факторами.

Термические деформации. Термические деформации возникают за счет резкого перепада температуры в толще лед от 0 оС у его нижней поверхности до отрицательной на его верхней поверхности. Значительные температурные градиенты, а, следовательно, и неодинаковое температурное расширение различных слоев ледяного покрова ведет к образованию трещин.

Динамические деформации. Динамические деформации ледяного покрова могут быть вызваны перегрузкой льда снегом, действием сильного ветра, изменением уровня и т.п.

Статистические деформации. Возникают при перегрузке ледяного покрова снегом, под влиянием которого ледяной покров теряет свою плавучесть.

Условия нарастания и уменьшение ледового покрова.

Увеличение или уменьшение толщины льда определяются тепловым балансом его нижней поверхности. Нарастание толщины ледяного покрова означает, что приток тепла к нижней поверхности меньше суммарных потерь тепла с поверхности льда.

ТАЯНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ. Вскрытие производится за счет стаивания льда и в результате совместного действия двух групп факторов – термических и механических.

К термическим факторам относятся все возможные источники тепла, входящие в уравнение теплового баланса, кроме того, добавляются переход тепла от берегов водоема, от талых вод, стекающих в водоем, и т.п.

Механическими факторами, взламывающими лед и способствующими не только разрушению льда, но и его становлению, являются течение воды подо льдом, подъем уровня и ветер.

Влияние термических факторов.  Вскрытие водоема – длительный процесс. В самые ранние дни весны лед начинает подтаивать снизу за счет уменьшения потерь тепла в атмосферу. Появлению жидкой воды в снеге на льду создает условия для расходования притока тепла от воды полностью на стаивание нижней поверхности льда.

Пока лед покрыт снегом, весь приток тепла из атмосферы поглощается снегом и расходуется на его таяние. И только после освобождения ледяного покрова от снега начинается интенсивное стаивания льда сверху. Немногочисленные данные показывают, что в отдельные дни стаивание льда сверху достигает 2,8 – 4,2 см в сутки.

Стаивание льда как с верхней, так и с нижней поверхности, механизм разрушения льда могут быть различны и определяться условиями весны, особенностями водоема, его географическим положением, количеством тепла, проникающего через лед, определяемого структурой льда, состоянием его поверхности.

Если мощность льда невелика, часть солнечной радиации, проникающей через лед невелика, часть солнечной радиации, проникающей через лед, повышает температуру воды и, естественно, увеличивает приток тепла от воды ко льду.

Механические факторы вскрытия. К механическим факторам относятся движение воды подо льдом: ее течение, создающее постоянное усиление, приложенное к нижней поверхности льда и направленное вниз по течению, и весенний подъем уровня, создающий усилие, направленное вверх, отрывающее лед у берегов, создающее прогиб ледяного покрова. Значительную роль во взломе льда весной на широких пространствах озер и водохранилищ играет ветер. Создавая усилие, приложенное к верхней поверхности льда, ветер смещает значительные ледяные поля, разрывает и дробит на довольно мелкие части. Разрушение льда усиливается при образовании открытых водных пространств – к работе ветра добавляется воздействие волн, разрушение льдин во время дрейфа и т.п. (Механические свойства льда http://aquascope.ru/morskie-ldy/7/).

4 Методы расчета увеличения ледового покрытия водотока.

Для получения расчетных формул используют три метода:

- отыскание эмпирической связи отдельных факторов, определяющих нарастание толщины льда, с толщиной льда или его приращением за какой-либо интервал времени

  (1)

 

- метод статистической обработки. Расчетные формулы на основе уравнения теплового баланса. Позиция норвежского исследователя О.Дэвик

  (2)

- метод Л.Г.Шуляковского. Из уравнения теплового баланса водной поверхности α (t-tп) +В=0, получим условие начала ледообразования. Для этого примем tп и обозначим момент появления плавучего льда через n.

   (3)

В методе Л.Г. Шуляковского температура воды tn на конец n-го интервала времени вычисляется по формуле:

  (4)

Если температуру воздуха усреднить за n интервалов времени, то формула примет вид:

)  (5)

-для описания длительности процесса замерзания водоемов и водотоков используют методику В.А. Рымши и Р.В.Донченко:

    (6)

 

 

 

 

 

 

 

5 Расчет толщины льда с помощью полуэмпирической формулы

Расчет толщины льда производиться по эмпирической формуле.

hл= a    ,                   (1)

где, а, n – некоторые постоянные; - сумма средних месячных температур на высоте 2 м за расчетный период.

Необходимо установить значения параметров, а и n для исследуемого водного объекта.

Значения коэффициента a и показателя степени n определяются графическим способом с помощью логарифмической клетчатки, используя данные о толщине ледяного покрова и температуре воздуха за 1965 - 1971 гг.

Прогнозная зависимость между толщиной льда и суммой отрицательных температур воздуха, изображенная на рисунке 2, описывается уравнением

               lg hn = lg a + n lg                            (2)

По величине lg a, соответствующей отрезку, отсекающему на оси ординат, определяется значение параметра a, который в нашем случае равен 10.

Таблица 1 – Исходные данные р. Илим – пост Илимск

Год	Месяц	hл, см	-t2, оС
1965	XI	30	18	18	1,5	1,3
	XII	54	22,3	40,3	1,7	1,6
1966	I	68	28,4	68,7	1,8	1,8
	II	82	22	90,7	1,9	2,0
	III	87	15,9	106,6	1,9	2,0
	XI	27	15,8	15,8	1,4	1,2
	XII	50	28,9	44,7	1,7	1,7
1967	I	68	25,1	69,8	1,8	1,8
	II	72	21,3	91,1	1,9	2,0
	III	73	9	100,1	1,9	2,0
	IV	82	0,2	100,3	1,9	2,0
	XI	28	18,5	18,5	1,4	1,3
	XII	39	21,8	40,3	1,6	1,6
1968	I	49	27,5	67,8	1,7	1,8
	II	54	23,6	91,4	1,7	2,0
	III	61	6,5	97,9	1,8	2,0
	IV	63	1,14	99,04	1,8	2,0
	XI	20	17,3	17,3	1,3	1,2
	XII	41	31,4	48,7	1,6	1,7
1969	I	73	33	81,7	1,9	1,9
	II	86	30,7	112,4	1,9	2,1
	III	91	14,1	126,5	2,0	2,1
	XI	22	13,7	13,7	1,3	1,1
	XII	29	25,2	38,9	1,5	1,6
1970	I	45	25,9	64,8	1,7	1,8
	II	50	25,2	90	1,7	2,0
	III	53	18	108	1,7	2,0
	IV	65	2,7	110,7	1,8	2,0
	XII	69	21,3	21,3
1971	I	90	20,1	41,4
	II	103	29,9	71,3
	III	112	15,5	86,8
	IV	87	1,36	88,16