ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ЛЬОДУ
Теплофізичні властивості шуги (вологонасиченої)
rш, кг/м3 nшсш, кДж/( кг.)
lш, Вт/( м ст.1К)
а 107
, м2/с
0,4
3,00
0,90
3,15
0,45
3,11
0,77
2,59
0,5
3,21
0,65
2,11
0,55
3,31
0,55
1,72
0,6
3,41
0,46
1,39
0,65
3,51
0,38
1,11
1. Загальні відомості. У прісних водоймах льоди ділять на річкові та озерні, а за умовами їх утворення - на водні, снігові, шугові та налідні.
Водний (кристалічний) лід - утворений замерзанням чистої води (без домішки інших видів льоду, що раніше утворилися) при зниженні температури поверхневого шару до точки замерзання. Він переважно прозорий, складається зі стовпчиних кристалів різної товщини, осі яких спрямовані перпендикулярно до замерзаючої поверхні. З точки зору структури це кристалічний лід, з вираженою первинною структурою. Верхні шари водного льоду під впливом осіннього льодоходу, вітру та течії води можуть мати неправильну дрібнокристалічну будову.
Сніговий (сніговий) лід - утворюється промерзанням талого снігу на поверхні води при густому снігопаді або ж талого снігу на льоду, пересиченого водою. Пересичення снігу водою відбувається або при його таненні, або при просочуванні води через тріщини в крижаному покриві. Сніговий лід має зернисту структуру, непрозорий, містить велику кількість повітряних бульбашок.
Шуговий лід - виникає при замерзанні води, що містить шугові утворення. Він утворюється або безпосередньо на поверхні води в період руху шуги, або ж шляхом примерзання останньої до нижньої поверхні водного або снігового льоду при наявності запалу. Шуговий лід містить зазвичай багато бульбашок повітря, а також включення зважених наносів і ґрунту, тому він менш прозорий, ніж водний і має неправильну структуру.
Крига - утворюється за рахунок післяйного наморожування води, що надходить на поверхню крижаного покриву. Крига має слоїсту структуру з товщиною шарів до декількох сантиметрів, характерна для водотоків у районах з суворим кліматом і за оптичними властивостями займає проміжне положення між сніговим і водним льодом.
У зарубіжній літературі зустрічаються терміни «чорний лід» і «білий лід». Чорний - це лід, що утворився при замерзанні води при невеликій кількості розсіюючих включень; такий лід має темний колір. Білий лід утворюється при смерзанні шуги або снігу з великою кількістю включень повітря, характеризується дрібнокристалічною структурою; внаслідок розсіювання світла такий лід має білий колір.
У природних умовах майже завжди зустрічається лід змішаної будови (слоїстий лід). Верхні шари зазвичай формуються зі снігової криги, нижні та середні - з водного льоду з включенням шугового льоду. Співвідношення водного та інших видів льоду змінюється в крижаному покриві залежно від поєднання гідрометеорологічних умов осінньо-зимового періоду, термічного режиму водних мас і гідравлічних властивостей потоку. Тому вторинні форми прісноводного льоду можуть бути водно-сніговими, водно-шуговими, снігово-шуговими. На
річках у районах з суворим кліматом, а також на великих озерах і водосховищах велика частина товщі крижаного покриву формується з водного льоду. На окремих ділянках річок можливе утворення криги.
У прісноводних водоймах і водотоках спостерігаються також деякі інші льодові утворення, наприклад, битий лід - це крижини неправильної форми і різної крупності (таблиця 2.2), що утворюються при розломі заберегів або крижаних полів. Скупчення крижин, що виникли у зв'язку з руйнуванням крижаного покриву в період льодоходу, і супроводжується зменшенням живого перерізу водного потоку являє собою затор льоду.
У захищених від вітру місцях біля берегів водойм і водотоків утворюються забереги - смуги льоду, окаймляющие береги річок, каналів, озер і водосховищ при незамерзлій іншій частині водного простору. Розрізняють первинні забереги, що утворюються біля берегів; наносні забереги, що виникають в результаті примерзання льоду і шуги під час льодоходу; залишкові забереги, що залишаються біля берегів навесні при таянні льоду. На озерах і водосховищах вони можуть наростати також за рахунок крижин, пригнаних до берега вітром. При сильних вітрах (на водоймах) або течіях (на водотоках) вони зламуються і нагромаджуються на береги у вигляді торосів (льоду торошення).
Таблиця 2.2
Тип битого льдаРозміри
, мКрупнобитий
льод20-100Мелкобитий
льод2-20Куски
битогокрижа0,5-2,0Подрібнений
лід (крижана каша)
0,066 [(0,7 − С + 6) C] 0,305 1916 R0,5, де С - коефіцієнт Шезі, R - гідравлічний радіус. Таким чином, для утворення внутрішньоводного льоду вода повинна неодмінно мати температуру нижче температури замерзання (кристалізації), тобто бути переохолодженою, а температура льоду повинна бути рівна температурі кристалізації (А.І.Пехович
) .Внутриводний лід зазвичай являє собою скупчення дрібних, тонких пластинчастих крижаних кристалів дискової або дендритної форми, кілька схожих зі сніжинками і знаходяться в товщі води (виважений внутрішньоводний лід) або на дні водойм (річок, озер, водосховищ, морів) у вигляді донного льоду, який зазвичай утворюється вночі в безхмарну погоду. У результаті зчеплення зважених кристалів льоду виникають різні льодові утворення (початкові форми шуги), що мають вигляд губчастих тіл з хаотичним взаємним розташуванням кристалів і з порами, наповненими водою. На переохолоджених предметах і конструкціях у водній товщі водойм і водотоків льодові кристаліки можуть утворювати непрозорий прикріплений лід губчастої структури. При сильному снігопаді на акваторії водойми (водотоку) може утворюватися снігова каша (сніжура), яка після промерзання утворює також один з шарів крижаного
покриву. Сформований на річкахвнутрішньоводний лід або утворює крижаний покрив за рахунок смерзання, або забирається під крижаний покрив, де він має можливість продовжити свій зріст до шугових форм або відкластися під крижаним покривом у вигляді запалювань
шуги. Будова крижаного покриву (за товщиною) рекомендується визначати за даними кристалографічного дослідження, а за їх відсутності допускається приймати крижаний покрив відкритих озер, водосховищ і великих річок, що складаються із зернистого (снігового або шугового) та призматичного (водного, стовбчастого
) льдов.2. Структурно-функціональна схема процесу формування прісноводного льоду. Виконаний вище огляд процесів кристалізації та утворення льоду в прісноводних водоймах і водотоках, а також порівняльний аналіз найбільш відомих класифікацій льоду показує, що лід у природі приймає різноманітні форми, для яких майже кожен дослідник, а тим більше спостерігач, має власні назви. В останні десятиліття фахівцями-гідрологами, гляціологами і льодотехніками неодноразово робилися спроби типізувати всі можливі форми льоду і стандартизувати термінологію форм льоду, включаючи координацію багатомовної термінології
. Якщо розглядати прісноводний лід як об'єкт, тобто як функціональну категорію моделювання, то для його представлення в базі знань, можна використовувати структурно-функціональний метод. Принципова відмінність даного методу від вже відомих (наприклад, класифікацій) полягає в тому, що структури будуються не під конкретні завдання (океанічні, морфологічні, льодотехнічні), в яких повинні вичерпуватися всі знання про об'єкт, а під динаміку функціонального розвитку розглянутого об'єкта (крига у водоймі або водотоку), тобто відтворення об'єкта має проводитися таким чином, щоб у подібній реконструкції виявилися правила функціонування (функції) цього
об'єкта. Аналіз значного числа (понад 50 науково-технічних і регламентуючих) джерел інформації в галузі гідрофізики, гідрології, льодознавства, льодової гідравліки та гідротехніки, дозволяє представити прісноводний лід водних об'єктів суші як динамічну структуру, що включає в себе 18 взаємопов'язаних форм (станів) і відображаючих практи-
Таблиця 2.3Форми
та стан об «єкта» прісноводний лід «.
№ Стан об» єкта
(форми льоду
)
Кодування-ющі форми
льгод. Місце Первинні
форми
льоду
Внутрішньоводний
лід
1.Вважений внутрішньоводний лід
Нетцентри
кристалізації, шар вітрового перемішування та (або) товща водногопотоку 2.Прикріплений
лід
НетПоверхні
рухомих у воді переохолодженихпредметів 3.Донний
лід
Нетрошові
тіла і поверхні, що знаходяться у воді (дно, каміння, валуни)
Поверхневий лід
4.Ледяне
сало
НетВільна
поверхня водойми абоводотока5.Сніжура
НетВільна
поверхня водойми або водотокаВторинні
формильоду
6.Шуга та шугові комья
1 і (або) 2,3Поверхність
і (або) водна товща водойми абоводотока7.Водний
(кристалічний) лід
Поверхня водойми або водотока8.Сніжний
лід
Поверхня водойми або водотока
9.
Водно - сніговий (сніжно - кристалічний лід)
7 + 8Поверхність
водойми або водотока
10.
Водно - шуговий (шуго - кристалічний лід)
6 + 7
Поверхность водоема или водотока
11.
Снежно - шуговый
6 + 8
Поверхность водоема или водотока
12.
Слоистый (смешанный лед)
7 + 8 + 10 + (або) 11Поверхність
водойми абоводотока13.Блинчатий
лід
1 + 4 + 5поверхність
водойми абоводотока14.Битий
(ламаний) лід
7 або 8,9,10,11,12
Поверхность водойми або водотока
15.
Наледный лед (наледь)
7,8,9,10,11,12
Поверхность ледяного покрова
16.
Торосы (лед торошения)
Поверхня водойми або водотока
17.
Зажор
Водна товща водотоку або водоймища 18.Затор
14 + 6Водна
товща водотоку або водомістки
повну картину функціонального розвитку льоду, як об'єкта (таблиця 2.3), що є елементом конкретної природної або природно-технічної системи (водойми або водотоку) .
На рис. 2 .1а. представлена відкрита схема процесу формування та розвитку прісноводного льоду у водних об'єктах суші, що узагальнила в собі спроби типізації практично всіх можливих форм прісноводного льоду. Зважаючи на таку різноманітність форм прісноводного льоду, завдання їхнього прогнозу стає важко вирішуваним. Побудована структурно-функціональна схема може застосовуватися як логічна діаграма для передбачення типу формованого льоду залежно від метеоумов (швидкості вітру, температури повітря і опадів) і швидкості течії у водному об'єкті.