Ледовый режим водохранилищ и нижних бьефов

Ледовый режим водохранилищ и нижних бьефов гидроузлов обладает специфическими особенностями, влияющими на работу речного транспорта. Главными из этих особенностей являются: большая толщина льда в водохранилищах, их более позднее очищение ото льда и существование протяженной незамерзающей полыньи в нижнем бьефе в течение всего зимнего периода.

Образование в водохранилищах ледяного покрова повышенной толщины объясняется следующими причинами.

Во-первых, из-за малых скоростей течения в водохранилищах уменьшается интенсивность турбулентного обмена (перемешивания отдельных масс воды) и, соответственно, снижается конвекционная теплопроводность потока. В результате уменьшается количество тепла, переносимого от дна водоема к нижней поверхности ледяного покрова.

Во-вторых, уменьшение скоростей течения в водохранилищах приводит к сокращению выделения тепла потоком за счет рассеивания его механической энергии.

Эти две причины приводят к увеличению толщины льда на водохранилищах по сравнению с рекой, находящейся в естественном состоянии.

Для того, чтобы понять особенности ледообразования в водохранилищах, необходимо рассмотреть баланс тепла в потоке летом и под ледяным покровом.

В летнее время температура воды распределена по глубине мелководных водоемов почти равномерно. К концу летнего периода в центральных районах Европейской территории Российской Федерации вода прогревается до температуры 15-20°С. Одновременно нагревается и дно водоема на значительную глубину (примерно до 15 м).

Осенью, по мере снижения температуры воздуха, вода водоема охлаждается, остывает и поверхностный слой донного грунта. Однако в толще грунта температура еще остается довольно высокой, т.е. сохраняется большой запас тепла. В момент замерзания температура воды вдоль всей вертикали потока близка к нулю. Образовавшийся тонкий ледяной покров изолирует поток от непосредственного влияния отрицательных температур воздуха и, тепло, выделяющееся из глубинных слоев грунта, несколько повышает температуру воды у поверхности дна. Это повышение температуры в водохранилищах составляет 1-2°С, а в реках может быть равно доли градуса.

Так как температура нижней поверхности льда точно равна нулю, то возникает перепад температур и, следовательно, имеется поток тепла q _q от дна к ледяному покрову. Поступающее к нижней поверхности льда тепло проходит через лед, далее через слой снегового покрова и отдается в атмосферу. При этом теплоотдача с поверхности снега определяется, в основном, температурой воздуха, которая, как известно, весьма неустойчива. Поэтому между отдачей тепла в атмосферу и подводом тепла к нижней поверхности льда равенства, как правило, нет.

Если от дна водоема подводится тепла больше, чем отдается в атмосферу, то его избыток идет на таяние льда, и толщина покрова уменьшается. Если отдается в атмосферу больше тепла, чем подводится от дна водоема (в морозные ветреные дни), то верхние слои воды переохлаждаются, и толщина льда нарастает. В частном случае при равенстве тепла, подводимого к нижней поверхности льда и отводимого в атмосферу, толщина льда остается постоянной.

Подвод тепла к нижней поверхности льда осуществляется посредством механизма турбулентной диффузии. Так как перепад температур по вертикали мал (всего несколько градусов), а глубины водохранилища обычно очень большие (особенно перед плотиной), то можно приближенно считать распределение температур линейным. Введя некоторое среднее значение коэффициента турбулентнойдиффузии тепла k _ср.Т, можно записать следующую зависимость

                                  ,                                (3.10)

где:   – плотность диффузионного потока тепла;

     С_в   – удельная теплоемкость воды при постоянном давлении;

k _ср.Т – среднее значение коэффициента турбулентнойдиффузии тепла;

– температура воды у дна;

h ' – глубина водохранилища (расстояние от дна до нижней поверхности льда);

Таким образом, плотность диффузионного потока тепла оказывается прямо пропорциональной средней величине коэффициента турбулентной диффузии тепла k _ср.Т, температуре воды у дна   и обратно пропорциональной глубине водохранилища h '.

Так как глубина водохранилища существенно больше, чем в реке, особенно вблизи плотины, то поток тепла q _{q д} оказывается значительно меньше при прочих равных климатических условиях, а толщина льда на водохранилищах оказывается существенно большей, чем на реке. На реках центральных районов европейской территории Российской Федерации толщина льда редко бывает больше 0.5 м, а на водохранилищах этих районов она составляет 0.6-0.8 м. Даже на Цимлянском водохранилище, расположенном южнее, толщина льда в холодные зимы достигает значений 0.7 м.

Замерзание воды в водохранилищах обычно происходит в те же сроки, что и на реке. А вскрытие (освобождение ото льда) водохранилищ происходит позже из-за большей толщины льда и отсутствия ледохода весной. Таяние льда на месте требует времени, и начало физической навигации сдвигается на водохранилищах на более поздние даты по сравнению со свободной рекой. На водохранилищах европейской территории Российской Федерации начало физической навигации запаздывает на 5-10 суток.

На участках ниже плотины большое значение имеет поступление зимой из водохранилища относительно теплой воды, прошедшей через турбины гидроэлектростанции. Так как теплоемкость воды велика, то прежде чем охладиться до нуля, вода проходит значительные расстояния. Поэтому в нижних бьефах всех гидроэлектростанций в течение всей зимы существуют незамерзающие участки (полыньи) различной длины. Ниже крупных водохранилищ средняя длина полыньи составляет 20-30 км. В предвесенний период в результате усиливающейся солнечной радиации длина полыньи начинает быстро расти, и перед вскрытием она иногда увеличивается до 100-150 км.

Наличие полыньи в нижних бьефах позволяет осуществлять местное судоходство круглый год. Иногда в конце полыньи, где температура близка к нулю, образуется шуга (внутриводный кристаллический лед). Поступая вниз по течению, шуга в периоды ее интенсивного образования может забивать все живое сечение реки, т.е. создавать зажоры. Высота зажорных подъемов уровня может составлять несколько метров, что приводит к негативным последствиям.