Речные льды и их влияние на хозяйственную деятельность

УДК 551.326.83

РЕЧНЫЕ ЛЬДЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ХОЗЯЙСТВЕННУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

д. г.н.

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	Земной шар
Площадь, тыс. км2	Объем, км3	Площадь, тыс. км2	Объем, км3	Площадь, тыс. км2	Объем, км3	Площадь, тыс. км2	Объем, км3
49445	32	337400	254	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.

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 сопровождается 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 юго-восточной 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). Распределение 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].

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 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 [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 [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.

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].

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	Характер воздействия	Последствия воздействия	Меры смягчения последствий
Водный транспорт	Препятствие движению судов вследствие фор­мирования неподвиж­ного ледяного покрова	Невозможность транс­портировки грузов и пе­ревозки людей, повреж­дение судов	Использование ледо­колов, ледорезов и самоходных ледофрез, попуски из водохрани­лищ
Водный транспорт	Нарастание на якорях донного льда	Создание аварийной ситуации вследствие всплывания якоря	Использование утяже­ленных якорей
Водный транспорт	Режущее воздействие молодого льда (ниласа)	Повреждение корпуса деревянных судов и шлюпок	Обход опасных участ­ков акватории
Водный транспорт	Статическое и динами­ческое давление, дей­ствие силы тяжести, истирающее действие	Повреждение и разру­шение пирсов, причаль­ных стенок, маяков и т. д.	Учет ледовых воздей­ствий в конструкции сооружений
Водный транспорт	Закупорка шугой вход­ных каналов судоход­ных шлюзов	Прекращение навигации в связи с невозможно­стью прохождения судов по каналу	Прямой нагрев, покры­тие стенок противоадгезионными вещества­ми и т. д.
Гидроэнергетика	Статическое давление, сила тяжести примерз­шего к плотине льда	Повреждение плотин вследствие теплового расширения льда и ле­довой нагрузки при по­нижении уровня	Учет ледовых воздей­ствий в конструкции сооружений, выпуск воздуха из перфорированных труб
Водоснабжение	Высокая адгезионная способность кристал­лов шуги	Перебои в подаче воды, вследствие обмерзания труб, сороудерживающих решеток, оголовков	Использование противоадгезионных и водо-воздушных струй, пря­мой нагрев и т. д.
Мосты	Динамическое и стати­ческое давление, исти­рающее воздействие	Вывод мостов из экс­плуатации вследствие разрушения опор	Учет ледовых воздей­ствий в конструкции сооружений
Автомобильный и авиа­ционный транспорт	Высокая несущая спо­собность льда	Использование для ав­тозимников, ледовых переправ, взлетно-посадочных полос и т. д.	Повышение несущей способности льда намораживанием, очист­ка льда от снега
Лесная промышленность	Высокая несущая спо­собность льда	Складирование подго­товленного к сплаву леса	Послойное наморажи­вание, очистка льда от снега

Литература

1. Атлас снежно-ледовых ресурсов мира. М.: Российская академия наук, 1997. Т. 2. Кн. 2. 270 с.

2. Войтковский гляциологии. М.: Наука, 1999. 255 с.

3. Гляциологический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 528 с.

4. Динамика масс снега и льда / , У. , и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 456 с.

5. Донченко режим рек СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 247 с.

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 льда на инженерные сооружения. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1962. 203 с.

8. Котляков . Общество. Окружающая среда. М.: Наука, 1997. 409 с.

9. кеанология. 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.