УДК 556.535.5(282.247.21)
Прогноз внутриводного ледообразования и зажоров льда на реке Нева
В. А. Бузин*, Н. Ю. Дьяченко*
Рассмотрено опасное ледовое явление на р. Нева, развивающееся в процессе ее замерзания, — образование внутриводного льда, приводящего к закупорке водозаборов, и зажоров, обусловливающих резкое уменьшение стока воды ниже их по течению и наводнения. Излагаются методики прогнозов интенсивности внутриводного ледообразования, максимальных зажорных уровней воды и толщины зажорных скоплений льда.
Река Нева имеет сложный и во многом отличный от других рек России ледовый режим, обусловленный неустойчивым характером погоды зимой и регулированием стока воды в реке Ладожским озером. Особенности ледового режима Невы обусловливают ряд нежелательных ситуаций на территории Санкт-Петербурга и его пригородов, связанных с перебоем в работе водозаборов из-за забивки их в начале зимы внутриводным льдом и шугой; наводнениями, вызванными зажорами льда на участке Литейный мост — г. Отрадное; подвижками льда, при которых повреждаются причалы, набережные, водозаборы, сносится вниз по течению реки строительная техника, задействованная в ремонте мостов, и снижением расхода воды в реке ниже зажоров до 800 м3/с (при норме 2500 м3/с). Последним примером может служить зажор в начале зимы 2005 г., приведший к затоплению населенных пунктов в устье р. Ижора.
Образование внутриводного льда является неотъемлемой частью процесса замерзания Невы. Намерзая на решетках водозаборов, он нарушает этим нормальное водоснабжение промышленности Санкт-Петербурга, теплоэнергетики и коммунального хозяйства города. Вода требуется также для многочисленных городков и поселков Ленинградской области, прилегающих к Неве. Водопотребление все время увеличивается. В последние годы из-за теплового загрязнения Невы и, возможно, в связи со строительством защитных сооружений в Невской губе и изменением климата на реке в начале зимы все дольше сохраняется ледостав с полыньями, что благоприятствует внутриводному ледообразованию.
Наиболее опасными ледовыми явлениями на Неве являются зажоры льда. Они наблюдаются на реке почти ежегодно при установлении ледяного покрова, а также зимой во время оттепелей, и иногда имеют катастрофический характер. В результате зажоров сносятся вниз по течению, а нередко разрушаются суда и строительная техника, задействованная в ре-
* Государственный гидрологический институт; e-mail: lrn@ggi.nw.ru.
монте невских мостов. Существует и опасность гибели людей, работающих на льду в период замерзания реки. Скопления льда садятся на оголовки водозаборных сооружений, что нарушает нормальную деятельность предприятий и хозяйственных объектов Санкт-Петербурга, расположенных на зажорных участках реки.
Подъемы воды, вызываемые зажорами, ведут к затоплению многих участков прибрежной зоны. За историю Петербурга наблюдалось более 80 зажорных наводнений, случавшихся на 22-километровом участке от Охтинского моста до Понтонной (12—35 км от устья). Подъем уровня воды из-за стеснения русла реки рыхлым льдом достигает иногда 3,0—3,5 м, а на участке выше Володарского моста максимальные зажорные уровни превышают нагонные. При мощных зажорах с повторяемостью максимального уровня раз в 20—25 лет и реже подвергается затоплению и подтоплению прибрежная территория вдоль Невы и ее притоков — Ижоры, Славянки и Тосны, — большая часть которой плотно застроена; на этой территории находятся десятки промышленных предприятий. В Санкт-Петербурге, Колпине, Отрадном и Усть-Ижоре затапливается территория площадью 2,5—3,0 км , повреждаются причалы, набережные, водозаборы и пр. По данным 100-летних наблюдений, продолжительность стояния высоких зажорных уровней иногда бывает более 30 дней.
Зажоры, образующиеся выше Ивановских порогов, вызывают резкое, иногда до 800 м3/с сокращение расхода воды в реке и уменьшение уровня воды ниже зажора, из-за чего оголяются выведенные в реку водозаборы. Почти по всей реке самые низкие уровни воды отмечаются во время ледовых явле ний.
Из изложенного выше следует необходимость надежного прогноза опасных ледовых явлений на Неве. В настоящее время существуют методики прогнозов зажоров льда и максимальных зажорных уровней воды. Они разработаны в ГГИ и Северо-Западном УГМС. Теоретические основы причин формирования скоплений льда при замерзании Невы достаточно полно раскрыты в статье К. Е. Иванова и Н. А. Колокольцева [5]. Основываясь на выводах этих авторов, специалисты ГГИ и Северо-Западного УГМС установили прогностическую зависимость, основанную на учете среднего уровня воды Ладожского озера в ноябре и ледовой обстановки на Неве в период ее замерзания [4—6]. К сожалению, заблаговременность таких прогнозов недостаточна, так как иногда зажоры формируются уже во второй половине ноября.
Часто возникает острая необходимость оповещения предприятий и организаций, имеющих водозаборные сооружения или ведущих строительные работы в русле и на берегах реки, не только о максимальных зажорных уровнях воды, но и о других характеристиках опасных ледовых явлений в период замерзания реки. В частности, для успеха борьбы с внутри-водным льдом и зажорами необходимы достоверные сведения об интенсивности внутриводного ледообразования и толщине скоплений льда на разных участках реки, достигающей 5—6 м.
В настоящее время накоплен значительный объем результатов теоретических исследований процесса зажорообразования на шугоносных реках [1—11], который позволяет решить задачу оценки интенсивности внутри-водного ледообразования и толщины зажорных скоплений льда.
Для прогноза интенсивности внутриводного ледообразования на Неве использована расчетная схема В. А. Рымши — Р. В. Донченко [11], обоснованная результатами лабораторных и натурных исследований и рекомендованная для использования в расчетах характеристик ледовых явлений при проектировании и эксплуатации гидротехнических сооружений на реках и каналах. Эта схема основывается на теории распределения скрытого тепла кристаллизации переохлажденных масс воды в водных потоках и позволяет определить интенсивность образования льда по глубине потока, а также оценить длительность периода ледообразования.
Согласно В. А. Рымши и Р. В. Донченко, средняя интенсивность образования внутриводного льда I в водном потоке глубиной к следующая:
1к = (1 -а )5, (1)
ьк
где 1к измеряется в кг/м3 ■ с; а — доля теплоотдачи с водной поверхности, в результате которой образовался поверхностный лед; 5 — теплоотдача с водной поверхности; Ь — удельное тепло ледообразования, Ь = 33,3 ■ ■ 104 Дж/кг. В случае суточного интервала времени ледообразования уравнение (1) принимает вид „
Iк = 0,2595(1 -а) 5. (2)
к
Р. А. Нежиховским [10] установлено, что на реках, протекающих в пределах от 58 до 62° с. ш., потери тепла с водной поверхности в конце осени — начале зимы достаточно точно рассчитываются по формуле
5 = -24,239, (3)
где 5 — средние суточные потери тепла, Вт/м2, 9 — средняя суточная температура воздуха.
После подстановки (3) в выражение (2) получаем следующую формулу, пригодную для целей прогноза интенсивности внутриводного ледообразования в Неве:
1к = -6,29(1 - а) 9. (4)
к
Формула (4) позволяет рассчитать среднюю за сутки интенсивность ледообразования по данным об уровне воды и температуре воздуха. Для прогноза нужно иметь данные прогноза с заблаговременностью 5 сут. По уровню X на дату составления прогноза (дата устойчивого перехода температуры воздуха через 0°С) по кривой Q(Z) определяется расход воды, который используется в прогнозе интенсивности внутриводного ледообразования, поскольку расходы в период замерзания Невы изменяются в небольших пределах в течение 5 сут. Необходимая для прогноза кривая связи расхода с уровнем воды у ст. Петрокрепость (ХП) вычисляется следующим образом:
Q = 48,79^ + 326,13ХП + 349,95, (5)
она установлена по данным гидрологических ежегодников. В оперативных условиях расход воды определяется по этой кривой по мере поступления оперативной информации об уровне воды с гидрологического поста Петрокрепость.
Доля поверхностного теплового потока, приводящего к образованию по вер х но ст но го льда, —
а = - 0,0004 ^, (6)
А
а значение коэффициента турбулентного обмена (вязкости) водных масс, необходимое для ее определения, рассчитывается по формуле В. М. Мак-кавеева [8]: ш
A = —^—, (7)
C (0,7C + 6)
где g — ускорение свободного падения, м/с2; V— скорость течения, м/с; С — коэффициент Шези.
Выполненные расчеты интенсивности внутриводного ледообразования в Неве показали, что максимальное значение Д равно 7,0 кг/м3 ■ с, а минимальное — 0,7 кг/м3 ■ с. Для прогноза его на участке 17—45 км от устья реки можно использовать и уравнение
Д = 0,3972д - 0,4499Ш1П + 0,226, (8)
где ZП — уровень воды у станции Петрокрепость на дату устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через 0°С; 9Ш1П — минимальная температура по прогнозу в течение ближайших 5 сут.
Главным фактором, определяющим мощность зажоров на Неве, является водность реки в период ее замерзания (ноябрь и декабрь). Последняя из-за большой зарегулированности стока реки Ладожским озером меняется после весеннего половодья незначительно, что позволяет использовать для среднесрочного прогноза максимальных зажорных уровней Невы уровни и расходы воды в месяцы, предшествующие началу замерзания реки. Для наиболее зажороопасного участка реки у завода "Большевик" удалось выявить достаточно тесные зависимости максимальных зажорных уровней на этом речном участке от средних расходов воды Невы в сентябре (0¡х) и октябре (£х):
Zmax = 0,0013&х - 1,66, Я = 0,727, (9)
Zmax = 0,0015£х - 1,87, Я = 0,782, (10)
где Я — коэффициент корреляции. Зависимости (9) и (10) позволяют прогнозировать зажорный максимум уровня с заблаговременностью до полутора месяцев. Точность прогноза по ним вполне достаточна. К сожалению, в оперативных условиях не всегда есть возможность получить сведения о средних месячных расходах воды. Как показали выполненные исследования, для прогноза можно использовать и связи Zшаx с уровнем воды в истоке Невы у станции Петрокрепость в
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.