Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидроледотермика, ледотехника и ледовая гидравлика: системно-методологические основы и проблемы 11
1.1. Льды как составная часть гидросферы Земли 11
1.2. Иерархическая структура наук (ИСН) о льдах 13
1.3. Гидроледотермика, ледотехника и ледовая гидравлика - составляющие ИСН о льдах 21
1.4. Лед как объект научного познания 23
Выводы по главе 1 25
Глава 2. Методология системных представлений о пресноводном льде водоемов и водотоков суши 27
2.1. Классификация льдов. Функциональное положение льда в природе 27
2.2. Процесс кристаллизации 28
2.3. Структура и текстура пресноводного льда 30
2.4. Условия льдообразования. Состав ледяного покрова 37
2.5. Структурно-функциональная схема процесса формирования пресноводного льда 43
2.6. Механические свойства льда 44
2.7. Толщина ледяного покрова: общие сведения, методы определения толщины льда 62
Выводы по главе 2 77
Глава 3. Основные закономерности ледового и зимнего термического режимов водоемов и водотоков. Экологические проблемы гидроледотермики водных объектов 79
3.1. Годовой термический цикл водоемов 79
3.2. Зимний термический режим водоемов 82
3.3. Зимний термический режим водотоков 85
3.4. Ледовый режим водоемов и водотоков 88
3.4.1. Ледовый режим водоемов 88
3.4.2. Ледовый режим рек 90
3.4.3. Ледовый режим зарегулированных рек и каналов 97
3.5. Годовой термический цикл водохранилищ на р.Колыме 113
3.5.1. Термический режим Колымского водохранилища и нижнего бьефа Колымского гидроузла 113
3.5.2. Ледовый и термический режим строящегося водохранилища Усть-Среднеканской ГЭС 119
3.6. Гидроледотермические аспекты экологии водных объектов 124
Выводы по главе 3 130
Глава 4. Методы практической гидроледотермики, используемые для расчета температуры воды и льдообразования в водоемах и водотоках. Тепловой режим и процессы промерзания-оттаивания пресноводных водоемов 132
4.1. Сравнительный анализ методов практической гидроледотермики, используемых для расчета температуры воды и льдообразования в водоемах и водотоках 132
4.2. Длиннопериодная модель теплового режима и процессов промерзания -оттаивания малопроточных пресноводных водоемов 144
4.3. Численное моделирование термического режима Плещеева озера 154
Выводы по главе 4 160
Глава 5. Развитие теории и методов ледовой гидравлики водотоков 162
5.1. Гидравлические сопротивления движению воды в потоках под ледяным покровом 162
5.2. Шероховатость нижней поверхности ледяного покрова на водотоках: факторы и условия формирования 162
5.2.1. Общие положения и экспериментальные исследования 162
5.2.2. Результаты обработки эмпирического числового материала по исследованию ледовых волнообразований в водотоках 168
5.3. Распределение скоростей в потоках под ледяным покровом 169
5.3.1. Расчетные схемы распределения скоростей и методы оценки кинематической структуры подледного потока 169
5.3.2. Комбинированная кинематическая модель подледного потока 174
5.4. Определение положения динамической оси подледного потока 180
5.5. Методы гидравлических расчетов пропускной способности русл в зимний период 186
5.5.1. Анализ существующих методов и подходов 186
5.5.2. Коэффициент шероховатости нижней поверхности ледяного покрова: сравнительное исследование 190
5.5.3. Шкалы коэффициента шероховатости нижней поверхности льда 197
5.5.4. Методика расчета пропускной способности подледных русл, основанная на использовании трехслойной комбинированной кинематической модели...203
Выводы по главе 5 205
Глава 6. Волновые процессы на водоемах и в руслах водотоков, покрытых льдом 207
6.1. Волновые колебания свободной поверхности акваторий водоемов и водотоков 207
6.2. Экспериментальные и теоретические исследования волновых процессов на водоемах, покрытых льдом 207
6.3. Экспериментальные и теоретические исследования волновых процессов в руслах водотоков, покрытых льдом 219
6.3.1. Волновые процессы в реках и каналах: общие положения 219
6.3.2. Взаимодействие непрерывных волн попусков и ледяного покрова на поверхности потока 225
6.3.3. Математические одномерные модели взаимодействия волн попусков со свободно плавающим ледяным покровом и шугой 232
6.3.4. Лабораторные исследования волн перемещения при наличии ледяного покрова на поверхности потока 243
6.3.5. Натурные экспериментальные исследования волн перемещения в замерзающих водотоках 255
6.3.6. Взаимодействие прерывных волн и ледяного покрова на поверхности потока 262
6.3.7. Поперечные колебания свободно плавающего ледяного покрова при воздействии на него прерывной волны попуска 264
Выводы по главе 6 273
Глава 7. Воздействие льда на речные и морские сооружения 276
7.1. Динамические воздействия льда на гидротехнические и транспортные сооружения 276
7.2. Воздействие льда на сооружения с вертикальной или наклонной гранью 280
7.3. Динамические волновые нагрузки на вертикальную грань гидротехнических сооружений, вмороженных в лед 285
7.4. Поперечный удар плавающей льдины об отдельно стоящую опору сооружения, частично погруженную в воду 295
Выводы по главе 7 303
Глава 8. Способы искусственного разрушения ледяного покрова водоемов и водотоков: обоснование, методы расчетов 305
8.1. Волновой способ разрушения льда 305
8.2. Разрушение ледяного покрова при ударе 308
8.3. Математическое моделирование взрывного способа разрушения ледяного покрова водоемов и водотоков 313
8.4. Осесимметричные поперечные колебания ледяного покрова водоема, обусловленные сосредоточенными импульсами давления 318
Выводы по главе 8 330
Заключение 332
Библиографический список 337
- Гидроледотермика, ледотехника и ледовая гидравлика - составляющие ИСН о льдах
- Толщина ледяного покрова: общие сведения, методы определения толщины льда
- Термический режим Колымского водохранилища и нижнего бьефа Колымского гидроузла
- Длиннопериодная модель теплового режима и процессов промерзания -оттаивания малопроточных пресноводных водоемов
Гидроледотермика, ледотехника и ледовая гидравлика - составляющие ИСН о льдах
В настоящее время, когда наши знания о земных геосистемах и влиянии на них хозяйственной деятельности человека (геотехносистемах) становятся более обширными и разнообразными, когда в науку активно внедряются уникальные по своим возможностям информационные технологии, гидроледотермика, ледотехника и ледовая гидравлика, как самостоятельные науки, характеризуются сменой парадигм. Смена парадигм должна сопровождаться и сменой методологии.
Под методологическими основами понимается совокупность исходных идей, понятий и принципов, включающая такие составляющие каждой из наук, как концепция, объект и предмет. которые, в свою очередь, способствуют логической организации научной и практической деятельности, целью которой является описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющих предмет изучения.
Основные положения концепции гидро лед отер мики включают в себя следующее. В основу ее содержания положены знания из фундаментальных и прикладных разделов геофизики, гидрологии, геологии и механики сплошных сред. Гидроледотермика призвана решать задачи, охватывающие вопросы термического воздействия и использования тепла, холода и льда в строительстве и технике. Гидроледотермика исследует в равной степени как природные, так и техногенные процессы. Методической основой исследований является структурно-системный анализ, особенно в условиях современной интеграции естественных и технических наук.
Концепция ледотехники предполагает, что как наука ледотехника изучает природные и техногенные процессы и явления, возникающие и протекающие в водной среде и грунтах земной криосферы, устанавливает закономерности различного рода воздействий холода и льда как на природно-технические системы (геотехносистемы), так и на отдельные искусственные сооружения или элементы техники, определяет рациональные для человека решения по использованию льда и способы защиты от его негативного воздействия, определяет возможность, необходимость, надежность и эффективность возведения сооружений из ледовых материалов. Как область техники, ледотехника (ледовое мастерство- (искусство)) обеспечивает человечеству возможность наиболее целесообразно пользоваться запасами льда на Земле, охранять их, защищаться от стихийных бедствий, вызванных льдами (сходов лавин, зимних наводнений на реках).
Концепция ледовой гидравлики очевидна и вытекает из общей концепции гидравлической науки, в том числе и инженерной гидравлики. Ледовая гидравлика изучает законы движения и равновесия жидкостей, граничащих с ледяной средой (подледные потоки, открытые потоки в ледяных каналах и на поверхности льда, фильтрационные потоки в мерзлых грунтах) или содержащих ледяные образования (шугу, внутриводный лед), и разрабатывает методы применения этих законов к решению практических задач (например, гидравлики сооружений в зимний период эксплуатации).
Глобальными объектами наук о льдах являются: природные системы (водных объектов (озер, незарегулированных водотоков, болот), почвогрунтов, ледников и др.), которые обладают рядом фундаментальных свойств: пространственно-временной эволюционной изменчивостью, дискретностью, организованностью; природно-технические и технические системы (зарегулированные водоемы и водотоки совместно с гидротехническими и другими сооружениями и инженерно-техническими объектами). Учитывая, что основным методом исследования уровней организации природных и при-родно-технических систем выступает системный анализ, а каждая такая система может выступать в качестве объекта исследований различных научных дисциплин, то предметом исследований той или иной науки будут являться те или иные аспекты этих систем. Для гидроледотермики - это, например, изучение, прогнозирование и регулирование процессов образования и таяния льда в различных гидравлических и тепловых условиях, связей гидравлических, метеорологических, гидрохимических и техногенных процессов и явлений с термическими и ледовыми процессами в водных объектах, процессов теплового взаимодействия водоемов и водотоков с гидротехническими и другими сооружениями (транспортными, энергетическими, рекреационными и природоохранными), а также процессов опреснения и очистки воды вымораживанием. Для ледотехники - это изучение воздействия льда на сооружения и конструкции, способов защиты от льда и мероприятий по регулированию стока льда, исследование прочностных свойств льда с целью определения нагрузок на сооружения и использования его в качестве строительного материала для возведения временных плотин, перемычек, переправ и ледяных дорог, исследование теплофизических свойств льдонасыщенных элементов сооружений, изучение процессов искусственного промораживания систем из льда, льдокомпозитных материалов и мерзлых грунтов. Для ледовой гидравлики - это исследование гидравлического режима потока под ледяным покровом, в том числе с учетом движения ледяных частиц в потоке, а также по поверхности льда, ледяным каналам, водосливам; изучение процессов заторо- и зажорообразования и пропускной способности русел в зимний период. Поэтому лед и его различные состояния в природных и природно-технических системах может рассматриваться гидроледотермикой, ледотехникой и ледовой гидравликой как один из самостоятельных первичных объектов исследования. Таким образом, вся совокупность знаний об объекте «лед» или «вода-лед» синтезируется в единый иерархически выверенный, генетически выстроенный, взаимосвязанный комплекс наук, определяющий всеобщее понимание данного объекта (лед или вода-лед) на уровне развития знания к моменту его рассмотрения. Это не застывший и статичный комплекс, а развивающаяся и углубляющаяся система наук, непрерывно изменяющаяся и дополняющаяся в процессе расширения наших знаний об этом объекте (рис. 1.1).
В толковом словаре «знания» определяются как «результат, полученный познанием». В то же время, с точки зрения искусственного интеллекта и инженерии знаний, их можно определить как формализованную информацию, условно разделяющуюся на две категории в конкретной предметной области [335]: факты (текстовые знания - хорошо известные и достаточно освещенные в специальной литературе и учебниках) и эвристика (экспертные знания, накопленные самим экспертом в результате многолетней практики).
Анализ специальной литературы и научно-технических отчетов показал, что эвристические знания последних десятилетий в области ледотехники, гидроледотермики и ледовой гидравлики имеют достаточно большой объем, обладают определенной семантической сложностью и интегрированы сразу несколькими специализированными дисциплинами. Как следствие этого, острой становится проблема осмысления этой научной информации. Проблему можно оценить, сопоставив изменения количества рефератов в реферативном журнале «Механика» по соответствующим темам за последние 30...40 лет.
Толщина ледяного покрова: общие сведения, методы определения толщины льда
Механические свойства ледяного покрова оцениваются в лабораторных или полевых условиях на образцах льда, выпиленных из этого ледяного поля. Испытания образцов проводятся на специальных машинах (прессах) на сжатие, изгиб, растяжение, кручение и срез. Целью испытания образцов льда является ознакомление с характером кривой зависимости деформации от напряжения и определение характеристик прочности.
В 1970-80гг. специалистами-ледотехниками было выдвинуто предложение о создании единой методики испытаний льда на прочность и их стандартизации.
К.Н.Коржавин и ряд других авторов считают, что при оценке прочности льда следует учитывать, что широко практикуемые испытания малых образцов льда (8x8,10x10см) позволяют получать лишь относительные значения предела прочности. С увеличением размеров образцов до значительных (площадью сечения 10...20тыс.см2) и при испытании их в натуре без извлечения из воды, предел прочности льда изгибу уменьшается. По данным И.П.Бутягина (табл.2.9) относительное значение предела прочности для больших образцов составляет:
Причину падения прочности К.Н.Коржавин видит в том, что с увеличением размеров образца увеличивается наличие трещин, раковин, вызывающих концентрацию напряжений и разрушение.
И.П.Бутягин обратил внимание на то, что в испытаниях льда на сжатие, проведенных Ф.И.Быдиным, у образцов, имевших размеры в поперечнике 30x30 см, величина предела прочности на сжатие не имела существенного разброса. У других же исследователей, проводивших испытания с образцами меньшего размера (как правило, 10x10см), разброс был значительным. Анологичная картина наблюдалась и при испытаниях льда на изгиб. По материалам испытаний большого числа исследователей видно, что при l/h \5 (/ - длина балки, h - высота поперечного сечения), о« практически остается постоянным. При меньших значениях l/h величина о» будет иметь больший разброс.
САЗершинин [70] считает, что в зависимости от условий эксперимента: скорости загру-жения, размеров образца, технологии изготовления самого образца - для формально одинакового ледяного покрова - могут быть получены различные прочностные характеристики образцов льда, численные значения которых отличаются друг от друга в несколько раз. Все это может привести как к завышению, так и к занижению расчетных величин ледовых нагрузок на гидротехнические сооружения. По данным отраслевой лаборатории кафедры Водного хозяйства и морских портов МГСУ (МИСИ им. В.В. Куйбышева) [70], при проведении опытов с образцами льда необходимо соблюдать выполнение условия минимального размера {h/Ъкр, Ь/8кР) \0, где ЪкР - поперечный размер кристаллов, И, Ъ - высота и ширина образца.
Отметим также, что при выборе размеров образцов следует учитывать рекомендации МАГИ [377] об оптимальных соотношениях между размерами образцов и кристаллов льда и между разрушающей нагрузкой для образцов и наибольшей создаваемой испытательной машиной нагрузкой; высота образца должна быть в 2...3 раза больше его ширины (диаметра), а ширина образца должна не менее, чем на порядок превышать средний поперечный размер кристалла; наибольшая создаваемая испытательной машиной нагрузка должна быть не менее, чем в 2 раза больше разрушающей нагрузки для образцов. Считается, что соблюдение указанных рекомендаций делает результаты испытаний льда свободными от влияния масштабного эффекта.
В.П.Ергин [126] считает, что прочность льда является случайной характеристикой, а распределение ее значений, полученных при неизменных условиях опыта, удовлетворительно описывается нормальным законом.
Практический опыт ледотехники свидетельствует, что значения механических свойств льда при решении ледотехнических задач, могут в той или иной степени изменяться. Учесть или устранить влияние всех факторов, приводящих к изменчивости механических характеристик ледяного покрова, в условиях натурного эксперимента практически невозможно. Поэтому Ф.И.Птухин [246, 247] предложил привлечь к решению задач методы теории надежности, в основе которых лежат представления о вероятностной оценке как исходных величин, так и результатов расчета.
В табл.2.10а,б приведены результаты экспериментов [247] по определению прочности льда, выполненных в 1980-е годы на Новосибирском, Бухтарминском и Братском водохранилищах. Во всех случаях испытания проводились в близких температурных условиях, и образцы льда имели примерно одинаковые размеры. Тем не менее, приведенные в табл.2.10.а средние значения прочности и показатели ее изменчивости в каждом из пяти случаев различны. Это делает необходимой оценку однородности полученных результатов экспериментов методами математической статистики, в которой критерии Стьюдента, Фишера и Бартлета позволяют оценить однородность выборочных средних, а также средних квадратических отклонений (дисперсий).
Так, например, сравнение критерия Фишера, найденного как отношение меньшей дисперсии в первой группе данных к большей во второй, с табличным значением критерия, принятым для уровня значимости р=0,05, позволило Ф.И.Птухину [247] подтвердить предположение о том, что изменчивость значений прочности льда, полученных независимо от способа определения, на Новосибирском водохранилище существенно отличается от изменчивости, вычисленной по данным опытов на Бухтарминском и Братском водохранилищах.
Предлагаемый Ф.И.Птухиным анализ является необходимым для выполнения нормативных расчетов ледотехнических задач, в частности, при обосновании коэффициента запаса несущей способности ледяного покрова, так как позволяет более объективно использовать исходные данные, полученные в результате экспериментальных исследований.
Термический режим Колымского водохранилища и нижнего бьефа Колымского гидроузла
Естественные озера относятся к категориям непроточных (бессточных) и малопроточных (слабопроточных) водоемов. В бессточном озере перенос тепла происходит главным образом в вертикальном направлении, причем основную роль играют свободная конвекция и физическая теплопроводность. В слабопроточных озерах, наряду с вертикальным теплообменом за счет турбулентного и свободно конвективного перемешивания, присутствует продольно-направленный теплоперенос за счет вынужденной конвекции.
Водохранилища с точки зрения проточности классифицируются на проточные и малопроточные. К малопроточным относятся водоемы, характеризующиеся относительно небольшими скоростями течения с удельными расходами 2...5тыс.м /сут, а к проточным - с удельными расходами 5...80тыс.м2/сут, характерными для равнинных не зарегулированных рек. Изменчивость морфометрических показателей водохранилищ по его длине, а также непостоянство сезонного и в различные по водности годы удельного расхода воды приводят к тому, что водохранилище (или его участки) может относиться к различным типам по проточности и глубине как в течение года, так и в различные по водности годы.
Формирование температуры воды в водоемах и водотоках протекает в результате процессов теплообмена с окружающей средой. Осенне-зимний термический режим зависит от: географических, климатических и погодных условий, размеров и глубины водоема, скорости течения, физических свойств воды и др.
Накопленные водой за лето запасы теплоты в осенний период расходуются при теплообмене с атмосферой. Поэтому замерзанию предшествует осеннее охлаждение водоемов. На озерах и водохранилищах охлаждение воды протекает значительно сложнее, чем на водотоках. Переход от летнего нагрева к летне-осеннему остыванию сопровождается сменой знака теплового потока и отводом тепла из воды в атмосферу. В начале осеннего охлаждения разрушается прямая стратификация в распределении температур по глубине этих водоемов. Охлаждение воды приводит к возникновению приповерхностного слоя с одинаковой температурой, толщина которого по мере понижения температуры воздуха постепенно увеличивается, пока не наступит гомотермия - состояние водной толщи, характеризующееся однородностью температуры по вертикали, равной 4С.
Дальнейшее охлаждение воды на поверхности происходит до 0С и оно может принять даже отрицательные значения порядка -1С, то есть вода переохладится. Предледоставное остывание характеризуется уменьшением плотности поверхностного слоя воды, а следовательно, развитием устойчивой стратификации температуры по глубине. При этом основную роль в теплообмене играет турбулентное перемешивание. Если водоем маленький и защищенный, ветровое перемешивание будет незначительным и начальный ледяной покров сформируется тогда, когда только тонкий поверхностный слой воды будет иметь температуру ниже 0С. В мелких водоемах, которые мало подвержены воздействию ветра, охлаждение воды может распространяться до дна. В глубоких водохранилищах, как правило, охлаждается поверхностный слой. Наличие сильного ветрового перемешивания приводит к переохлаждению воды и образованию шуги. Процесс завершается появлением в переохлажденной воде ледяных образований, и с этого момента начинается замерзание водоема. Чем больше водоем, тем длиннее период, необходимый для формирования ледяного покрова. На очень больших водоемах выхолаживание воды может продолжаться весь зимний период, что исключает возможность образования на акватории сплошного ледяного покрова.
Охлаждение водоема под ледяным покровом характеризуется тем, что свободная конвекция, ветровое перемешивание, непосредственная термическая связь водных масс с атмосферой отсутствует. Теплоотдача грунта ложа водоема является практически единственным источником поступления тепла извне. Фаза охлаждения воды под ледяным покровом наступает при температуре ледообразования и заканчивается в момент смены знака теплового потока в грунте ложа водоема с положительного на отрицательный.
Фаза устойчивой зимней стратификации начинается в момент перехода через 0С в сторону отрицательных значений теплоотдачи грунта ложа водоема и заканчивается весной в момент смены знаков радиационного теплообмена. Термический режим при этом отличается устойчивой плотностной стратификацией.
В конце зимы, после начала таяния снежного покрова на льду, происходит повышение температуры поверхностных слоев воды до положительных значений (фаза прогрева подледной массы воды). Оно вызвано частичным проникновением солнечной радиации через лед и стоком талых вод.
Превышение силового воздействия водного потока на ослабленный солнечной радиацией ледяной покров над силами сцепления ледяных образований приводит к вскрытию водоема. Начинается весенняя конвекция, распространяющаяся от поверхности на всю глубину водоема. Тепловой поток So становится устойчиво положительным. В эту фазу ГТЦ на водоеме наблюдаются весенние ледовые явления, например, ледоход.
Особенности зимнего термического режима водохранилищ
Многочисленные наблюдения за зимним термическим режимом искусственных водоемов показывают, что неравномерное распределение глубин по длине водохранилища, резкое уменьшение скорости течения по сравнению с речными условиями, эксплуатационные особенности режимов работы ГЭС в составе гидроузла приводят к неоднородности теплового состояния водных масс на различных участках акватории.
Охлаждение мелководных участков водохранилища происходит интенсивнее, чем глубоководных, а поэтому постепенно увеличивается разница температуры воды между ними, и к моменту перехода температуры воздуха к отрицательным значениям она достигает 5...6С.
Особенно большие изменения температуры воды происходят на зарегулированных участках крупных рек Сибири и Дальнего Востока, где зимний период характеризуется большой продолжительностью (в районе водохранилища Курейской ГЭС - 240 суток, Колымской ГЭС -283, Адычанской - 305, Амгуэмской - 330 суток) и снежным покровом до 2м высотой, лежащим до 265 дней в году. В глубоководных водохранилищах Ангаро-Енисейского каскада ГЭС и Колымской ГЭС зимой температура воды выше на 2...3С, а летом ниже на 4...5С [89, 236,237].
Глубоководные водохранилища Сибири зимой покрыты льдом, и в них наблюдается обратная стратификация. После схода льда прибрежная мелководная часть прогревается быстрее, чем глубоководные участки, что ведет к образованию термобара.
В водоемах с хорошо выраженным стоковым течением и в области выклинивания кривой подпора малопроточных водохранилищ в период замерзания температура воды от поверхности до дна близка к 0С. К середине или концу зимы на приплотинном плесе водохранилища, где скорость стокового течения минимальна, температура ко дну постепенно повышается до 0,1...0,3С на Камском, до 0,4...0,5С - на Волгоградском, до 1,5С - на Новосибирском водохранилищах. В значительно более глубоководном приплотинном плесе водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС температура у дна к декабрю достигает максимума - 3,8С.
Длиннопериодная модель теплового режима и процессов промерзания -оттаивания малопроточных пресноводных водоемов
С целью предотвращения ледовых затруднений и связанных с ними аварийных ситуаций, приводящих к затоплению прилегающих территорий (особенно в начальный период ледостава), на каналах комплексного назначения создают подпорный режим течения, характеризующийся пониженными скоростями (и 0,2н-0,3м/с). При средних скоростях потока ис 0,2 и отсутствии ветра ледостав образуется быстро (от 2 до 5 суток [146, 159]), без образования шуги за счет смыкания заберегов. Ледяной покров устанавливается ровным и гладким, без скопления ледяного материала под ним. При скоростях течения воды в канале выше 0,4...0,5м/с образование ледяного покрова происходит путем аккумуляции шуги у кромки льда и ее смерзании. В отдельных случаях, в связи с рядом особенностей температурного режима водохранилищ и рек, из которых питается канал, а также гидравлического режима потока в районе отдельных сооружений канала, создание сплошного ледяного покрова становится не возможным, поэтому в течение длительного периода или всей зимы на канале могут сохраняться полыньи (табл.3.4).
На деривационных каналах, где, как правило, не образуется устойчивый ледяной покров, при сильном шугоходе и в случаях, когда вместе с шугой на концевой участок деривации поступают обрушенные забереги, по трассе канала могут образовываться заторы из шуги и обломков льда, что приводит к резкому повышению уровней воды как в канале, так и в напорном бассейне. Следует также отметить, что на участках канала, не имеющих бетонной облицовки, забереги при подъеме уровня воды отрываются, увлекая за собой камни из откосов канала, разрушая отмостку и создавая аварийную ситуацию в деривации.
На каналах, расположенных в климатических зонах с интенсивным снегопереносом, серьезные осложнения могут возникнуть из-за снежных заносов ледяного покрова. Дополнительная нагрузка на лед и его постепенное стаивание приводит к уменьшению толщины и разрушению ледяного покрова, забивке живого сечения потока снежно-ледяной массой [146].
Таким образом, решающее влияние на ход ледовых явлений в каналах, как и в нижних бьефах гидроузлов, оказывают: скорость течения, температура воды и воздуха, скорость ветра и режим уровней.
В период ледостава на каналах комплексного назначения, отдаленных от водохранилищ (которые, как правило, оказывают отепляющее воздействие на водный поток), наблюдается значительная толщина льда (от 1,2 до 1,5м) и режим движения потока близкий к напорному. В этот период расходы воды несколько выше, чем в период ледообразования, а скорости потока поддерживаются не выше неразмывающих для данных грунтовых условий. В случае стеснения потока ледяным покровом и повышения скоростей течения за пределы неразмывающих в каналах наблюдаются зимние процессы руслопереформирования, а на нижней поверхности ледяного покрова возникают волнообразные выступы (рифели) [341].
В весенний период с наступлением положительных температур воздуха гидравлический режим в канале поддерживается таким, чтобы сохранялось постоянство уровней и расходов воды и, тем самым, обеспечивался спокойный ледоход в водотоке. Натурные наблюдения на каналах показывают, что нарушение целостности ледяного покрова происходит преимущественно вследствие колебания уровня воды и расходов, что при определенных условиях может привести к интенсивному ледоходу со всеми сопутствующими ему ледовыми явлениями. Об энергетическом использовании каналов в зимний период
Примерно 25% электроэнергии, расходуемой в народном хозяйстве нашей страны, потребляет агропромышленный комплекс. В основные сельскохозяйственные районы, где проживает более 90% сельского населения, электроэнергия подается централизованно. В последние годы централизованное электроснабжение пытаются распространить и на удаленные малообжитые районы, что приводит к значительному перерасходу денежных средств и материальных ресурсов.
В европейской части России территория, не охваченная централизованными энергосистемами, составляет примерно 1,4 млн.км2, в азиатской - 8...10 млн.км2 [159]. Если исключить из рассмотрения практически обжитые районы (30% территории европейской части и 50% - азиатской), то площадь территории, не охваченной централизованным электроснабжением, составит соответственно 1 и 6,5 млн.км2. Здесь рассредоточено около 6,5 млн. автономных потребителей электроэнергии (пастбищное животноводство, сельские населенные пункты, объекты водоснабжения, орошения и садоводства, малые частные перерабатывающие предприятия, базы отдыха и др.). При плотности населения в этих районах 0,2...0,4 чел. на 1 км2 и расчетном уровне потребления электроэнергии 1000 кВт-ч на одного человека в год (фактически потребляется менее 500 кВт-ч) суммарная потребность в электроэнергии составит 0,4 млрд. КВт-ч в европейской и 1 млрд. КВт-ч в азиатской части России.
В качестве альтернативы системам централизованного электроснабжения в отдаленных малообжитых районах следует рассматривать варианты использования местных источников электроэнергии, в том числе возобновляемых экологически чистых малой мощности (энергия малых рек и каналов, а также солнца, ветра, тепла). Такой подход диктуется и сложившейся ситуацией в экономике России (разукрупнение производства, изменение структуры инвестиций с увеличением в них доли местных и частных предприятий, рост стоимости энергии, резкое снижение надежности топливоснабжения и др.).
Гидроэнергетический потенциал каналов в нашей стране до настоящего времени не определяли. Для ориентировочной его оценки приведем следующие выкладки. Общая длина L крупных каналов на территории СНГ равна примерно 9000 км, из них 3000 км - в России. Приняв их средний уклон, равным от 0,00003 до 0,0001, получим, что суммарный перепад этих каналов Нк равен 0.3... 1 км, из них в России 0,1...0,3 км. Используя известную формулу [159] 3BajI=WsH/367 (WE-объем перераспределяемой воды в год указанными каналами, WE=130 км3), получим ориентировочное значение искомой величины - 106...354 млрд. кВт-ч, из них 35... 106 млрд. кВт-ч - в России.
Для определения технически возможной для использования части гидроэнергетического потенциала каналов необходимо составление схем и проектов их использования с определением возможных параметров ГЭС. Ориентировочно ее можно принять равной 10...20% (как для I группы классификации малых рек по мощности), или 18...69 млрд. кВт-ч (по России 6... 18 млрд. кВт-ч) при среднем коэффициенте использования валового потенциала 0,17. Учитывая, что энергетический потенциал каналов в основном составляет 1...10 тыс. кВт, можно предполагать, что освоить его можно, например, с помощью микроГЭС.
