Лёд и Снег • 2014 • № 2 (126)
Прикладные проблемы
УДК 628.165:551.322
Физико-географические закономерности формирования искусственных
фирново-ледяных массивов
© 2014 г. А.В. Сосновский, П.Р. Накалов, С.В. Ненашев
Институт географии РАН, Москва alexandr_sosnovskiy@mail.ru
Physical-geographical aspects of formation of artificial firn-ice massives
A.V. Sosnovsky, P.R. Nakalov, S.V. Nenashev
Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow
Статья принята к печати 25 декабря 2013 г.
Карты, климатические изменения, намораживание фирна.
Climatic changes, freezing of firn, maps.
Построены карты суточной производительности намораживания искусственного фирна методом зимнего дождевания для каждого месяца с отрицательной температурой воздуха ниже -5 °С на территории России. Оценена потенциально возможная производительность намораживания ледяного материала методами зимнего дождевания и тонкослойным наливом в современных климатических условиях. Рассмотрена роль климатических изменений в снижении производительности намораживания в разных регионах России. Анализ климатических условий в 1961-2000 и 2001-2010 гг. показал, что на территории России производительность намораживания искусственного фирна снизилась с 5-10% в Сибири до 20-40% в центральных и южных районах Европейской территории России.
Analysis of climatic conditions over the period 1961-2000 and 2001-2010 showed that in Russia the productivity of freezing artificial firn decreased from 5-10% in Siberia to 20-40% in the central and southern regions of the European part of Russia. Potentially possible productivity of method of thin-layer freezing varies from 56 m layer of monolithic ice in the northern regions of Siberia up to 10 m in the central areas of the European part of Russia.
Введение
История применения льда и снега в народном хозяйстве, методы искусственного намораживания и работы учёных и специалистов, внёсших большой вклад в это направление инженерной гляциологии, рассмотрены в работе [6]. К наиболее эффективным методам получения ледяного материала относится факельное льдообразование. Метод факельного льдообразования для намораживания искусственных фирново-ледя-ных массивов был разработан в Институте географии АН СССР в конце 1970-х годов. В нём эффективно используются запасы холода приземного слоя атмосферы, что позволяет на порядок повысить интенсивность теплообмена и создавать за сутки многометровые искусственные фирново-ледяные массивы.
Рассматриваемый метод сразу стал применяться при строительстве ледовых переправ и автозимников, вошёл в ведомственные нормы. Для реализации метода применяется зимнее дождевание. Рекомендации по его применению даны в ведомственных строительных нормах по проектированию, строительству и содержанию зимних автомобильных дорог в условиях Сибири и
Северо-Востока СССР, разработанных в Мин-трансстрое СССР [2]. Экологические аспекты использования метода защищены авторскими свидетельствами и патентами. Данный метод на протяжении многих лет применялся для утилизации дренажных вод гидромелиоративных систем в Волгоградском филиале ГНУ ВНИИГиМ имени А.Н. Костякова Россельхозакадемии. Основной параметр, определяющий производительность намораживания искусственных фирново-ледяных массивов, — температура воздуха. Климатические процессы способствуют изменению производительности метода, поэтому нам необходимо оценить как производительность метода в разных физико-географических условиях в настоящее время, так и её изменение по сравнению с более ранними периодами.
Методика расчёта производительности намораживания искусственных фирново-ледяных массивов
Для зимнего дождевания применяют серийную дождевальную установку ДДН70 (дождеватель дальнеструйный навесной с дальностью полёта струи 70 м) и специально разработанную, в
8 Лёд и Снег, № 2, 2014
том числе на базе ДДН70, установку для зимнего дождевания серии «Град». Основу метода дождевания составляет перенос теплообмена с поверхности намораживания в объём капельного факела, возникающего из струи воды, рассеиваемой дождевальной установкой в морозном воздухе. Выпадающая водоледяная смесь аккумулируется на поверхности, не растекается и не деформируется до полного смерзания. Экспериментальные исследования позволили установить следующую зависимость доли льда р, образующейся при факельном льдообразовании в случае работы дождевальной установки ДДН70 с насадкой диаметром 55 мм [3]:
р = 0,01(3 + 1,2|Тв - Тз|)(0,875 + 0,026у), (1)
где Тв — температура атмосферного воздуха, °С; Тз — температура замерзания воды, °С; V — скорость ветра, м/с.
Факельное льдообразование применяется при температуре атмосферного воздуха ниже —5 °С. При более высоких температурах льдообразование происходит в основном на намораживаемой поверхности с образованием ледяной шуги из-за переохлаждения капель воды в воздухе. В случае небольших отрицательных температура воздуха применяют насадки меньшего диаметра, которые позволяют увеличить давление на выходе и за счёт уменьшения среднего размера капель повысить долю льда в капельном факеле, хотя при этом снижается расход воды. Отметим, что производительность намораживания меняется незначительно [7].
Согласно формуле (1), рост скорости ветра на 1 м/с увеличивает интенсивность факельного льдообразования на 2,5%. Такое небольшое влияние скорости ветра на интенсивность факельного льдообразования обусловлено тем, что при свободном падении капли воды сразу подхватываются горизонтальными порывами ветра и быстро достигают значений горизонтальной скорости, близких к скорости ветра [4]. В результате скорость их обдува горизонтальным потоком воздуха на порядок меньше, чем скорость самого ветра. Однако именно скорость движения капли относительно скорости воздуха определяет тепло- и массообмен между поверхностью капли и атмосферным воздухом. При этом вертикальная составляющая скорости падения капли практически не изменяется.
Совсем другая картина наблюдается при послойном намораживании льда методом тонко-
слойного налива. В этом случае поверхность намораживания фиксирована в пространстве и интенсивность теплообмена в значительной степени зависит от скорости ветра. При небольшой скорости ветра основное поступление воздуха в капельный факел происходит при вращении ствола дождевальной установки и захвате новых объёмов холодного воздуха. Интенсивность вовлечения объёма воздуха в факел при вращении ствола дождевальной установки соответствует вентиляции факела при скорости ветра 5 м/с. При скоростях ветра больше 8—10 м/с условия разбиения дождевальной струи на капли ухудшаются и высота факела снижается. В результате рост скорости обтекания капли воздухом компенсируется отрицательным влиянием скорости ветра на параметры капельного факела. При скорости ветра 5 м/с из формулы (1) получим следующую зависимость для расчёта суточного объёма намораживания искусственных фирново-ледяных массивов ():
О = 0,016(3 — 1,2Тв), т, (2)
где О = 5616 м3/сут. — расход воды дождевальной установкой; Тв — средняя месячная температура воздуха, °С.
Формула (2) позволяет оценить величину намораживания снизу, так как не учитывает теплообмен между намораживаемой горизонтальной поверхностью и атмосферой. После падения замерзающих капель на поверхности земли продолжается промерзание незамёрзшей части воды за счёт теплообмена с воздухом, хотя интенсивность намораживания на горизонтальной поверхности падает из-за небольшой поверхности теплообмена. Для учёта этого теплообмена можно воспользоваться формулой В.А. Бобкова, которая хорошо зарекомендовала себя при расчёте интенсивности послойного намораживания льда [1]:
д = Тв(1 + ^2)/3, (3)
где д — интенсивность намораживания льда, см воды/сут.
Из формулы (3) видно, что при скоростях ветра 1 и 4 м/с интенсивность намораживания отличается в 2 раза, а при скоростях ветра 1 и 7 м/с — в 3 раза. При расчёте интенсивности намораживания искусственных фирново-ледяных массивов к суточной производительности факельного намораживания следует добавить объём замёрзшей воды на намораживаемой площади за счёт поверхностного теплообмена. Так, при температуре воздуха —20 °С за сутки в факеле образуется около
1500 т искусственного фирна. При скорости ветра 5 м/с на площади дождевания 1000 м2 дополнительно образуется 200 т в результате поверхностного теплообмена. При зимнем дождевании температура воздуха в капельном факеле на 15—25% выше окружающего атмосферного воздуха. По окончании дождевания на заданной площади избыток воды будет фильтроваться через массив, что приведёт к его промерзанию. При этом рост льдо-содержания будет происходить в результате замерзания взвешенной влаги.
Если солёность намораживаемой воды повышается, то интенсивность намораживания падает. Расчёты показали, что применение для факельного намораживания морской воды с солёностью 35 г/л уменьшает производительность намораживания на 15—20%, тогда как применение рассолов снижает её в несколько раз по сравнению с пресной водой. При более низких температурах воздуха снижение производительности намораживания менее значительно. Для учёта данного явления можно использовать коэффициент снижения интенсивности намораживания солёной воды [3].
Эффективность применения искусственных фирново-ледяных массивов
Важный фактор при оценке эффективности применения искусственных массивов — физико-географические условия проведения работ. В районах с более мягкой зимой применение зимнего дождевания с высокой эффективностью льдообразования, возможно, единственное решение ряда инженерно-гляциологических, природоохранных и рекреационных задач. В районах с суровым климатом дождевание позволяет раньше начинать эксплуатацию инженерно-гляциологических объектов. Ряд факторов, влияющих на эффективность использования искусственных фирново-ледяных массивов, обусловлен целями их применения. Именно цели создания искусственных массивов определяют выбор технологии намораживания, времени проведения работ, их продолжительности и объёмов, требуют необходимых затрат и рассмотрения особенностей функционирования таких массивов.
Например,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.