Закономерности формирования и использования искусственных фирново-ледяных массивов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность 25.00.31 - Гляциология и криология Земли

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Закономерности формирования и использования искусственных фирново-ледяных массивов

Сосновский Александр Вульфович

Москва - 2010

Работа выполнена

в отделе гляциологии Учреждения Российской Академии наук Института географии РАН

Официальные оппоненты

доктор географических наук К.С. Лосев

доктор географических наук А.Б. Шмакин

доктор физико-математических наук, профессор О.В. Нагорнов

Ведущая организация Учреждение Российской академии наук Институт мерзлотоведения им П.И. Мельникова СО РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Применение льда и снега в практической деятельности человека имеет многовековую историю. Наибольший опыт был накоплен при использовании ледяного материала в качестве запаса воды, хладагента, основы для транспортного сообщения в зимний период. Для повышения эффективности и расширения области использования ледяного материала применяется искусственное льдообразование в природных условиях. Однако традиционные способы намораживания льда дают небольшую производительность - несколько дециметров в сутки, что снижает эффективность и экономичность использования льда, ограничивает область его применения. Вовлечение в льдообразование многометрового приземного слоя атмосферы, увеличение поверхности и интенсивности теплообмена при зимнем дождевании позволяет на порядок повысить производительность намораживания и формировать многометровые искусственные фирново-ледяные массивы. Это позволяет существенно расширить сферу и эффективность применения ледяного материала.

Важнейшей областью применения ледяного материала является опреснение соленых вод. Проблема водных ресурсов, рационального их использования, защита от загрязнения и истощения является одной из актуальных проблем устойчивого развития. Ее острота возрастает из-за роста загрязнения водных объектов. В связи с этим все большую актуальность приобретает разработка экономичных и технологически доступных способов очистки и опреснения загрязненных минерализованных природных и техногенных вод. Существующие способы опреснения вымораживанием в природных условиях имеют небольшую производительность и низкий выход пресной воды. Поэтому разработка технологий рационального и эффективного использования запаса холода приземного слоя воздуха для ускоренного формирования искусственных фирново-ледяных массивов с небольшой минерализацией, исследование их гидротермического режима и распреснения при формировании и таянии позволит эффективно применять их для защиты водных ресурсов от загрязнения в различных физико-географических условиях.

Объект исследования - искусственные фирново-ледяные массивы (ИФЛМ), намораживаемые в природных условиях из воды разного генезиса и минерализации. Для намораживания таких массивов применяются как речные, озерные и морские воды, так и техногенные воды - сточные воды различных производств, шахтные воды, дренажные стоки мелиоративных систем и т.п. Эффективным высокопроизводительным способом создания таких массивов является зимнее дождевание. При его применении в течение суток формируются фирново-ледяные массивы многометровой толщины. Спектр их применения постоянно расширяется и позволяет эффективно решать как народно-хозяйственные, так и экологические проблемы при освоении холодных районов.

Предметом исследования являются закономерности формирования, гидротермический режим, особенности опреснения и эффективность использования искусственных фирново-ледяных массивов для защиты водных ресурсов от загрязнения в различных физико-географических условиях. снежный покров фирновый метеорологический

Цель работы: разработать теоретические положения, экспериментальные и прикладные аспекты формирования, функционирования, опреснения и использования ИФЛМ для защиты водных ресурсов от загрязнения в различных физико-географических условиях.

Задачи исследования:

Разработать теоретические положения гидротермического режима капельного факела при формировании ИФЛМ и дать сравнительный анализ методов расчета процесса льдообразования в капельном факеле; провести сравнение модельных расчетов с данными экспериментов.

Оценить влияние метеорологических условий и параметров капельного факела на интенсивность льдообразования.

Дать оценку эффективности факельного льдообразования в различных физико-географических условиях.

Определить пространственно-временную изменчивость термического сопротивления снежного покрова и оценить влияние снежного покрова на промерзание ИФЛМ.

Рассмотреть гидротермические процессы при таянии ИФЛМ.

Разработать теоретические положения солеобмена при таянии минерализованных ИФЛМ.

На основе теоретических и экспериментальных исследований определить динамику опреснения ИФЛМ.

Разработать способы применения ИФЛМ для очистки и опреснения загрязненных минерализованных вод и показать их эффективность.

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований показать необходимость учета физико-географических особенностей территории для эффективного использования ИФЛМ.

Научная новизна

Разработаны теоретические положения формирования и функционирования искусственных фирново-ледяных массивов, установлено влияние метеорологических условий и параметров капельного факела на интенсивность льдообразования, дана оценка эффективности факельного льдообразования в различных физико-географических условиях.

Разработаны теоретические модели опреснения минерализованных искусственных фирново-ледяных массивов при таянии.

Экспериментальными исследованиями установлено, что минерализация искусственных фирново-ледяных массивов на порядок ниже минерализации намораживаемой воды.

В результате теоретических и экспериментальных исследований определена динамика распреснения искусственных фирново-ледяных массивов при таянии в зависимости от их параметров и метеорологических условий.

Разработаны и защищены патентами способы создания и использования искусственных фирново-ледяных массивов для защиты водных ресурсов от загрязнения и их восстановления.

Практическая значимость состоит в направленности на решение проблемы защиты водных ресурсов от загрязнения и более рациональное использование гидроклиматических ресурсов при формировании искусственных фирново-ледяных массивов. Результаты исследований использованы независимыми организациями при решении народнохозяйственных задач и разработке технологических схем по опреснению минерализованных сточных вод и составлении соответствующих пособий и инструкций.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

Методы расчета льдообразования при зимнем дождевании и их сравнительный анализ.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований интенсивности факельного льдообразования.

Пространственно-временная изменчивость термического сопротивления снежного покрова и его влияние на промерзание ИФЛМ на примере ряда холодных районов России.

Теоретические зависимости для расчета динамики опреснения при таянии минерализованного ИФЛМ.

Результаты экспериментальных исследований по опреснению минерализованных ИФЛМ.

Эффективность применения ИФЛМ для очистки и опреснения загрязненных минерализованных вод в различных физико-географических условиях.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях теории тепло- и массообмена. Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментальных исследований, проведенных в разных районах с применением вод разного генезиса и минерализации. Теоретические выводы подтверждены экспериментальными данными независимых от автора исследований. Изобретения с участием автора в процессе патентования прошли экспертную оценку на новизну, достоверность и практическую значимость.

Апробация диссертации

Основные материалы и положения диссертации докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции по механике и физике льда (Москва, 1983); Всесоюзной конференции по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Обнинск, 1987); International Symposium on the Physics and Chemistry of Ice (Sapporo, Jap., 1991); XXV Polar Symposium (Warszawa, 1998); International Symposium on Ground Freezing and Frost Action in Soils (Louvain-La-Neuve/Belgium, 2000); Гляциологических симпозиумах (Пущино, 2002; Санкт-Петербург, 2004; Пушкинские Горы, 2006; Иркутск, 2008); 2-й международной конференции "Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата (Якутск, 2002); международной конференции «Криогенные ресурсы полярных регионов» (Салехард, 2007); International Symposium on snow science (Moscow, 2007); VIII Всероссийской конференции «Природа шельфа и архипелагов Европейской Арктики» (Мурманск, 2008); International Symposium Polar Research-Arctic and Antarctic Perspectives in the International Polar Year (St.Petersburg, 2008); конференции МЧС «Об обеспечении комплексной безопасности северных регионов РФ» (Москва, 2008).

Публикации результатов. По теме диссертации опубликовано 78 научных работ, из них 52 - в изданиях из списка ВАК, в том числе 8 авторских свидетельств и патентов Российской Федерации.

Объем и структура и диссертации. Диссертация изложена на 301 странице машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, выводов, заключения, списка литературы из 247 источников и 2 приложений. Работа иллюстрирована 54 рисунками и 18 таблицами.

Автор выражает глубокую благодарность академику В.М. Котлякову за постоянное внимание и поддержку при выполнении данной работы. Автор благодарит Р.С. Самойлова, В.Н. Голубева, Н.И. Осокина и В.А. Жидкова за творческие обсуждения и советы по улучшению рукописи работы. Особая признательность - сотрудникам отдела гляциологии Института географии РАН за помощь в проведении полевых исследований и обработке их результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Гляциологические технологии как эффективный метод решения народно-хозяйственных и экологических задач

Одной из задач инженерной гляциологии является изучение природных льдов в связи с использованием их полезных свойств [Инженерная гляциология, 1971]. При этом инженерная гляциология как связующее звено между общей гляциологией, комплексом технических наук и хозяйственной деятельностью людей [Котляков и др. 1981] направлена, в частности, на нахождение новых путей и способов получения и применения ледяного материала для решения народно-хозяйственных и экологических задач.

Инженерная гляциология реализует гляциологические технологии получения, регулирования и использования нивально-гляциальных процессов, естественного и намороженного в природных условиях ледяного материала для решения народно-хозяйственных и экологических задач, а также в целях рекреации и спортиндустрии.К таким технологиям относится комплекс мероприятий по изменению альбедо снежно-ледяной поверхности для усиления таяния [Авсюк, Котляков, 1976], снегонакоплению на полях [Рихтер, 1948; Шульгин, 1962], воздействию на ледяной покров для борьбы с заторами льда на реках [Коржавин, 1962], борьбе со снежными лавинами [Тушинский, 1949] и ряд других. Эффективность таких технологий обусловлена физико-географическими и инженерно-физическими условиями их применения. Основное внимание уделим технологиям получения и применения ледяного материала.

Применение искусственных ледяных массивов для практических целей имеет многовековую историю [Котляков, Ходаков, 1986]. Намораживание льда применялось в основном для получения запаса холода в целях консервации и сохранения сельскохозяйственной продукции, увеличения прочности ледяных переправ. Значительный интерес к проблеме намораживания льда возник во второй половине XX века. Главным стимулом послужило интенсивное освоение холодных районов мира. Область применения льда расширялась. Все чаще использовалось искусственное льдообразование при строительстве складских и гидротехнических сооружений, для водной мелиорации сельхозугодий, в спортиндустрии и в ряде других областей. Однако небольшая интенсивность намораживания льда значительно ограничивала область применения ледяного материала.

В 50-60-е годы XX века были предприняты попытки модернизации метода тонкослойного налива при помощи небольших разбрызгивающих установок, однако они не привели к существенным результатам. Цель этих усовершенствований заключалась, как правило, в предварительном охлаждении воды до 0°С [Кудряшов, 1960]. Другое направление работ заключалось в разработке технологии получения и использования искусственного снега. Искусственный снег нашел свое применение в спортиндустрии, в основном для создания горнолыжных трасс. В народном хозяйстве искусственный снег применялся для теплоизоляции дражных полигонов и в целях пылеподавления в карьерах [Битколов и др., 1986; Петренко, 1986]. Производительность снежных пушек составляет десятки кубометров снега за сутки. Большой комплекс теоретических и экспериментальных исследований физики льдообразования при диспергировании воды в морозный воздух, получении и использовании гранулированного льда (искусственного снега) выполнен в отделе гляциологии Института географии СО РАН В.Р. Алексеевым и Г.И. Сморыгиным [Алексеев, 2007; Алексеев, Сморыгин, 1983; Сморыгин, 1981; 1984; 1988].

Дальнейшее развитие методов искусственного льдообразования в природных условиях связано с применением зимнего дождевания и разработкой на его основе высокопроизводительного метода зимнего дождевания - факельного льдообразования. Метод зимнего дождевания основан на применении дальнеструйных дождевальных установок для разбрызгивания воды в морозном воздухе, формировании капельного факела и полного или частичного замерзания капель воды при падении.

Зимнее дождевание реализует ряд процессов естественного наледеобразования при намораживании капельно-жидкой атмосферной влаги. К ним относится брызговое обледенение, формирование наледей атмосферных вод [Алексеев, 2007]. Наиболее близким является процесс формирования ледяного дождя, при котором капли дождя проходят через нижний слой воздуха с отрицательной температурой. Отличие зимнего дождевания заключается в высокой плотности искусственного дождя и создании ИФЛМ сознательно, по воле человека.

При зимнем дождевании эффективно используются запасы холода приземного слоя атмосферы. Это позволяет за сутки формировать многометровые (высотой до 10 м) массивы ледяного материала (рис. 1). Подобная интенсивность намораживания ледяного материала в естественных условиях достигнута впервые [Котляков, 1986]. В зависимости от режима дождевания формируется монолитный лед или ледяной материал плотностью 400-600 кг/м3, который по свойствам идентичен естественному фирну ледников, и назван профессором В.Г. Ходаковым искусственным фирном.

Применение зимнего дождевания позволило по-новому оценить возможности и масштабы применения ИФЛМ. Одна из областей применения намораживания ледяного материала - опреснение соленых вод. Широкую известность получили работы Института географии АН СССР, проведенные в 50-60-е годы XX века под руководством профессора С.Ю. Геллера, по опреснению при замерзании соленых вод в условиях небольших отрицательных температур воздуха.

При устойчивых отрицательных средних суточных температурах воздуха применяются способы, основанные на послойном намораживании бунтов льда. Опреснение льда происходит только в процессе медленного оттаивания льда в теплое время года [Апельцин И.Э., Клячко, 1968; Различные…, 1985]. Известны также попытки применения спринклерных установок для диспергирования воды и намораживания массива гранулированного мелкозернистого льда. При распылении морской воды форсунками высокого давления формируется мелкозернистый гранулированный лед с минерализацией равной минерализации намораживаемой воды [Адамс и др., 1966]. Мелкодисперсное разбрызгивание приводит к увеличению энергозатрат и значительному понижению температуры намораживаемого льда.В экспериментах В.Р. Алексеева и Г.И. Сморыгина [Алексеев, Сморыгин, 1983а] средний диаметр капель при диспергировании воды составлял порядка 0,1 мм. При таких размерах капли практически полностью замерзали, и в результате формировался гранулированный лед. При повышении температуры льда до -4С его соленость в течение 4-7 суток уменьшилась в 2-3 раза и дальше сохранялась на том же уровне. При этом предлагались мероприятия по ускорению миграции ячеек рассола путем создания высоких градиентов температуры, применения центрифугирования, промывки кристаллов льда более пресной водой [Алексеев, Сморыгин, 1983а; Алексеев, Сморыгин, 1985].

Рис. 1. Массив искусственного фирна высотой 6,7 м, намороженный менее чем за сутки при непрерывной работе дождевателя ДДН-70 (дождеватель дальнеструйный навесной, радиус дождевания 70 м) при температуре воздуха -17оС

Известно, что при небольшой интенсивности льдообразования намораживаемый лед имеет небольшую соленость. Растущие кристаллы льда отторгают от границы кристалла различные примеси и соли. При высокой скорости намораживания соленость получаемого льда незначительно отличается или практически совпадает с соленостью исходной воды [Голубев, 1999]. Растущие ветви кристалла захватывают в большом количестве ячейки рассола. Это привело к тому, что искусственное льдообразование не нашло широко применения в опреснении соленых вод.

Поэтому, наряду со значительным (в десятки раз) повышением интенсивности льдообразования необходимо добиться создания массивов ледяного материала с небольшой минерализацией. Эту проблему решает применение ИФЛМ, намороженных методом зимнего дождевания в определенном режиме с учетом метеорологических условий (метод факельного вымораживания). При отрицательных температурах воздуха и падении с многометровой высоты на поверхности капель воды со средним диаметром 1,5 мм образуется ледяная оболочка толщиной до 0,15 мм, которая при падении разрушается и освобождает заключенный в ней незамерзший рассол. В результате в массиве искусственного фирна остается рассол в основном в виде пленочной влаги. За 1 ч из капельного факела на подстилающую поверхность выпадает более 100 млрд. капель. Из осколков ледяных оболочек капель быстро (20-70 см/ч) растет в высоту массив искусственного фирна с небольшой минерализацией.

В настоящее время разными организациями, с учетом проведенных нами исследований, разработаны инструкции, пособия, методические рекомендации, нормативные документы по применению зимнего дождевания для решения разнообразных народно-хозяйственных задач. Разработаны и защищены патентами РФ возможные способы и технологические схемы применения зимнего дождевания для опреснения минерализованных сточных вод. Однако многие теоретические и практические вопросы формирования ИФЛМ, исследование их гидротермического режима, опреснения и эффективного применения для защиты водных ресурсов от загрязнения потребовали дальнейшего развития и разработки.

Глава 2. Гидротермический режим факела искусственного дождя при формировании искусственных фирново-ледяных массивов

Для расчета льдообразования в капельном факеле существует несколько подходов. Один из них заключается в определении распределения температуры воздуха в капельном факеле из решения уравнения теплопроводности с источником тепла. Мощность источника тепла определяется из условия теплообмена между каплями воды и окружающим их воздухом. Скорость вентиляции капельного факела определяется как разность между скоростью ветра и скоростью сноса капель воды. На основании известного значения температуры воздуха на входе и выходе из факела можно рассчитать потери тепла на льдообразование. Другое решение получается из уравнения теплового баланса для всего факела в целом при условии, что тепло, выделяющееся при замерзании капель, компенсируется за счет притока холодного воздуха извне.

Различия в рассматриваемых моделях заключаются в следующем. Первая модель основана на положении о постепенном повышении температуры воздуха по длине факела: от температуры окружающего воздуха в начале до своего максимального значения в конце факела. Тогда как в основе второй модели лежит предположение о полном перемешивании воздуха в факеле и установлении определенного перепада температур между ним и окружающим воздухом.

Чтобы использовать эти модели для расчета конкретных дождевальных установок, необходимо знать средний радиус капель. Поэтому на первом этапе по этим моделям обрабатываются отдельные экспериментальные результаты в целях определения среднего радиуса капель, и затем можно сделать прогноз для разных метеорологических условий. В этом случае расчет интенсивности льдообразования (процент замерзшей воды) по обеим методикам дает близкие результаты с точностью до 10-13%. При этом расчеты по первой модели дают большие значения процента льда в факеле, чем по второй.

Первая модель используется при расчетах технических систем охлаждения с фиксированной в пространстве поверхностью теплообмена. Однако в капельном факеле его структура и положение в пространстве зависят от скорости ветра. Так, даже небольшое колебание мгновенной скорости ветра на 0,5 м/с приводит к смещению факела в пространстве на 1,5-2,0 м и изменению структуры капельного потока. При постоянной скорости ветра происходит дифференциация капельного потока по размеру капель: первыми по направлению скорости ветра располагаются крупные капли, затем капли меньшего диаметра. Такое естественное распределение и определяет температурный режим факела. Однако при снижении мгновенной скорости ветра быстро меняется структура капельного потока: капли большего диаметра в большей степени сохраняют прежнюю траекторию движения, а капли меньшего диаметра падают перед крупными или в их зоне. Поскольку наиболее интенсивный теплообмен происходит в мелкокапельной части факела, то здесь и более значительное повышение температуры воздуха, определяющее температурный режим остальной части факела. При повышении скорости ветра восстанавливается естественная структура капельного потока и затем периодически повторяется его перестройка. При этом, как уже было отмечено, установление стационарного распределения температуры воздуха происходит через определенное время.

Таким образом, пульсационный характер мгновенной скорости ветра и зависимость от него структуры и положения в пространстве капельного потока приводят к частичному перемешиванию и определенному выравниванию температуры воздуха по длине факела. Перемешиванию воздуха в факеле способствует и динамическое воздействие капельного потока. Поэтому при теплофизических расчетах капельного факела в естественных условиях предпочтительнее использовать теплобалансовую модель с перемешиванием воздуха. Ее применение не завышает значений интенсивности льдообразования. Еще одно преимущество этой модели - более удобный вид формул для расчета процесса факельного намораживания льда из соленой воды, что позволяет находить решение в квадратурах.

При зимнем дождевании происходит переохлаждение капель воды. Уменьшение интенсивности льдообразования при переохлаждении воды вызвано снижением температуры поверхности капли, уменьшением перепада температур между поверхностью капли воды и воздухом и ухудшением теплообмена. Для оценки влияния этого фактора на интенсивность факельного льдообразования рассмотрено решение нестационарного уравнения теплопроводности в сферических координатах и распределение температуры в капле воды. Сравнение потери тепла каплей воды при ее переохлаждении и без учета этого явления показало, что при температуре воздуха -20°С производительность факельного намораживания льда снижается на 5% для капель воды диаметром 1 и 2 мм при переохлаждении до -8 и -6°С соответственно. Экспериментальные исследования показали, что ледяная оболочка на большинстве капель воды появлялась в течение 1-2 с. Переохлаждение воды в этом случае составляет -1…-3°С. Полученные результаты свидетельствуют о том, что влиянием переохлаждения капель недистиллированной и неочищенной воды на замерзание искусственного дождя при диаметре капель 1-2 мм можно пренебречь.

Одним из важных параметров процесса теплообмена в капельном факеле является скорость ветра, влияющая на скорость вентиляции факела. Ее влияние на интенсивность льдообразования зависит от параметров капельного факела. При увеличении высоты факела интенсивность льдообразования возрастает, несмотря на уменьшение скорости вентиляции факела. Один из способов повышения эффективности льдообразования в капельном факеле - уменьшение размера капель, что приводит к более интенсивному теплообмену. Однако при этом убывает и скорость вентиляции факела. Поэтому при уменьшении размеров капель ниже оптимальной величины эффективность льдообразования может понизиться. Это быстрее наступает при небольших скоростях ветра. При высоте факела 20 м и скорости ветра 1-3 м/с эффективность льдообразования достигает максимума при радиусе капель порядка 0,5-0,6 мм. При увеличении скорости ветра оптимальный радиус капель, при котором отмечается наибольшая эффективность льдообразования, уменьшается. При скорости ветра 3 м/с получена одинаковая эффективность льдообразования для капель радиусом 1 и 0,25 мм, но в последнем случае затрачивается больше энергии на дождевание или сокращается расход воды, что приводит к снижению экономичности и производительности намораживания ледяного материала.

При скоростях ветра до 3-4 м/с ветер мало влияет на величину среднего радиуса капель. Более сильный ветер сказывается на распределении плотности искусственного дождя, спектре капель и высоте факела. Поскольку рост коэффициентов тепло- и массообмена при увеличении скорости ветра частично компенсируется его отрицательным воздействием на параметры капельного факела, эффективность процесса льдообразования повышается слабо. Этот факт, подтвержденный экспериментально, позволил упростить расчетные зависимости процентного содержания льда в факеле Pф1 и записать их в следующем виде:

(1)

где , ; S - ширина факела; h - высота факела, соответственно; v1 - скорость вентиляции факела; вд - плотность воды; L и Lи - теплота плавления и испарения льда; G - расход воды дождевальной установкой; cв, в - теплоемкость и плотность воздуха; Tпк -температура поверхности капли; Tв - температура воздуха; e - плотность насыщенного водяного пара; f - влажность воздуха; R - средний радиус капель; т и и - коэффициент тепло- и массообмена падающей капли.

Экспериментальные значения процента льда, образующегося в факеле, аппроксимируются зависимостью

Pфэ = (3 1,2tв)(0,875+0,026vв), (2)

где tв -температура воздуха, С; vв -скорость ветра, м/с.

Расчеты по упрощенной теоретической зависимости (1) дают несколько лучшее соответствие данным экспериментов по сравнению с зависимостью (2) и позволяют оценить влияние метеорологических условий и параметров капельного факела на интенсивность льдообразования.

Влияние скорости ветра на льдообразование более значительно для капель меньшего радиуса. Так, при росте скорости ветра от 3 до 9 м/с величина Pф1 увеличивается в 1,25 раза при R = 0,5 мм и в 1,02 раза для капель радиусом 1,5 мм соответственно, а интенсивность льдообразования для капель воды радиусом 0,75 мм растет на 10%.

Эффективность льдообразования в капельном факеле определяется не только метеорологическими условиями, но и параметрами капельного факела. К ним относятся: радиус капель, высота факела, расход воды дождевальной установкой. Варьируя значениями этих параметров, можно добиться оптимальной производительности намораживания при данных метеорологических условиях. Результаты расчетов влияния размера капель и расхода воды дождевальной установкой на рост температуры воздуха в факеле, процент льда и производительность намораживания искусственного фирна при температуре атмосферного воздуха -20С, скорости ветра 5 м/с и высоте факела 18 м представлены на рис 2.При небольших расходах воды льдосодержание факела постоянно снижается с ростом размера капель, так как капля воды падает в воздухе с температурой, близкой к температуре атмосферного воздуха (рис. 2а). Тогда как при больших расходах воды льдосодержание факела максимально в диапазоне радиуса капель 0,6-0,8 мм. Это обусловлено тем, что при больших размерах капель воды рост скорости вентиляции факела ветром не компенсирует снижение интенсивности тепло- и массообмена. При небольших размерах капель уже рост интенсивности тепло- и массообмена не компенсируется снижением скорости вентиляции факела.

Повышение расхода воды приводит к снижению эффективности льдообразования (рис. 2б). При этом происходит рост производительности намораживания ледяного материала (рис. 2в). При расходе воды 0,512 м3/с максимум производительности намораживания ледяного материала наблюдается для капель воды радиусом 0,8 мм. При меньших расходах воды оптимальный размер капель снижается.

Рис. 2. Рост температуры воздуха в факеле (а); процент льда в факеле (б) интенсивность намораживания (кг/с) льда (в) для капель радиусом 0,5-1 мм при расходах воды дождевальной установкой: 1 - 0,512; 2 - 0,256; 3 - 0,128; 4 - 0,064; 5 - 0,032; 6 - 0,008 м3/с

При росте высоты факела скорость сноса капель воды приближается к средней скорости ветра. В результате ухудшаются условия вентиляции факела и растет температура воздуха в факеле. В то же время в результате увеличения времени падения капли растет льдосодержание капли воды и производительность намораживания ледяного материала.

Для прогнозирования эффективности и возможности применения метода в конкретных физико-географических условиях на основе анализа климатических условий холодного периода года, приведенного в климатическом атласе СССР (1960), дана оценка потенциальных объемов намораживания ИФЛМ. С этой целью впервые построена карта возможных объемов намораживания ИФЛМ за холодный период года (при средних месячных температурах воздуха ниже -5С) на территории России (рис. 3) и посуточно за каждый холодный месяц с применением эмпирической зависимости (2).

Расчеты показали, что производительность намораживания льда изменяется от 10-20 тыс. м3 в водном эквиваленте в южных регионах России до 500 тыс. м3 в наиболее холодных районах при работе одной дождевальной установки ДДН-70 средней производительности.

Учитывая высокую производительность метода факельного намораживания, формирование ИФЛМ в выбранной точке может производиться в течение суток. В октябре и апреле суточная производительность намораживания фирна составляет на севере Западной Сибири и Якутии 700-1000 т, а с декабря по февраль превышает 2000 т. После падения замерзающих капель на поверхность земли продолжается замерзание незамерзшей части воды за счет теплообмена с воздухом. Однако интенсивность замерзания воды при этом значительно меньше, по сравнению с капельным факелом.

Рис. 3. Потенциальная аккумуляция ИФЛМ методом зимнего дождевания за холодный период года (тыс. тонн)

Так, для капель радиусом 0,75 мм вклад теплообмена с основанием на суммарное льдообразование при скорости ветра 1 м/с изменяется от 0,4% при -5С до 0,5% при -40С. Тогда как при скорости ветра 9 м/с эта величина изменяется от 6% при -5С до 9% при -40С. Поэтому возможен учет дополнительного намораживания за счет поверхностного теплообмена с применением эмпирической формулы В.А. Бобкова (1977). Для этого построены карты суточного намораживания воды за счет поверхностного теплообмена с учетом, как температуры воздуха, так и скорости ветра. На них видно, что в районах с близкими отрицательными температурами воздуха, но разными скоростями ветра, производительность послойного намораживания льда может отличаться в несколько раз. Карта изолиний потенциального искусственного намораживания льда за холодный период года методом тонкослойного налива, приведенная в работе [Ходаков, 1978], построена при интенсивности намораживания 1 см воды на 1 градус отрицательной температуры воздуха, что приблизительно соответствует скорости ветра 4 м/с.

При решении таких задач, как строительство искусственных ледяных сооружений на шельфе арктических морей, опреснение воды и т.п., применяются морские, соленые поверхностные и подземные воды. При повышении солености намораживаемой воды снижается интенсивность намораживания. При более низких температурах воздуха это снижение менее значительно. Для учета этого влияния можно использовать коэффициент снижения интенсивности намораживания соленой воды (рис. 4).

Рис. 4. Снижение интенсивности намораживания воды соленостью: 1 - 15 г/л; 2 - 35 г/л; 3 - 60 г/л; 4 - 100 г/л; 5 - 150 г/л

Глава 3. Гидротермический режим искусственных фирново-ледяных массивов

Практический опыт применения ледяных бунтов, намороженных методом тонкослойного налива из соленой воды для целей опреснения, показал, что для повышения эффективности опреснения температура намороженного соленого льда должна быть не ниже -4…5оС, чтобы таяние ледяного массива началось при небольшой положительной температуре атмосферного воздуха [Апельцин, Клячко, 1968]. Это же требование, способствующее, в частности, уменьшению минерализации фирна к началу периода активного таяния, применимо и к фирновому массиву. В противном случае, в наиболее благоприятные для опреснения условия, с небольшими температурами воздуха будет происходить только нагревание массива. А опреснение будет происходить в условиях интенсивного таяния, что даст более низкий выход пресной воды.

Поэтому актуальным является исследование температурного режима минерализованной фирновой толщи под снежным покровом к началу периода ее таяния. Другой причиной изучения температурного режима фирнового массива к началу периода его таяния является оценка возможности образования ледяных прослоек в минерализованном фирне при таянии. Их появление может снизить эффект промывки массива талой водой.

После формирования ИФЛМ в результате выпадения твердых осадков ее поверхность будет покрываться естественным снежным покровом. Поэтому гидротермический режим ИФЛМ при отрицательных температурах воздуха определяется как метеорологическими условиями, так и теплофизическими параметрами снежного покрова. Одним из важнейших параметров снега, определяющим его теплофизические свойства, является коэффициент эффективной теплопроводности снега. Для оценки влияния диффузии водяного пара на массоперенос в снежной толще и изменчивость эффективного коэффициента теплопроводности снега проведено математическое моделирование процесса. Получено уравнение для определения распределения температуры снега с учетом сублимации - конденсации и диффузии водяного пара. Расчеты показали, что под влиянием диффузии водяного пара коэффициент эффективной теплопроводности существенно меняется как по глубине, так и в течение суток. При небольшой температуре снега это отличие может превысить 100%. На основе математического моделирования и численных экспериментов дана оценка влияния диффузии водяного пара на коэффициент эффективной теплопроводности снега в зависимости от температуры и плотности снежного покрова.

Снежный покров благодаря своим теплоизолирующим свойствам способен замедлить промерзание ИФЛМ. Комплексной величиной, характеризующей теплоизоляционные свойства снежного покрова, является его термическое сопротивление, значение которого рассчитывается как частное от деления толщины снежного покрова на коэффициент эффективной теплопроводности снега. На основании анализа теплофизических параметров снежного покрова для сети метеостанций криолитозоны получено пространственное распределение его термического сопротивления.

Одной из особенностей промерзания минерализованного фирна является наличие незамерзшей воды в промерзающей части массива. Этот же фактор имеет место при промерзании влажных грунтов. Различие в моделях промерзания влажного грунта и минерализованного фирна под снежным покровом обусловлено отличием теплофизических параметров грунта и фирна. Отличие промерзания минерализованного фирна от морского льда [Доронин, 1969] заключается в зависимости начальной влажности фирна от гидравлических характеристик ИФЛМ. В дальнейшем вымерзание взвешенного рассола в фирне подчиняется температурным зависимостям.

Массивы минерализованного фирна формируются при средних суточных температурах атмосферного воздуха ниже -5…-10С и намораживание может производиться в любой месяц с соответствующей отрицательной температурой воздуха. Расчет промерзания массивов минерализованного фирна проведен для районов Европейского Севера России (Усть-Уса), Западной Сибири (Туруханск) и Якутии (Якутск). Для этих районов, по данным климатических справочников, рассмотрена динамика средних многолетних значений климатических параметров и характеристик снежного покрова.

Эффективная теплоемкость промерзающего соленого фирна cф рассчитывается с учетом количества незамерзшей влаги fм0, начальной температуры фирнового массива Tф и начальной солености связанного рассола Sр0:

,

где cл, cр - теплоемкость льда и соленой воды; T0 - температура плавления льда; Lпл - скрытая теплота плавления; у - коэффициент пропорциональности.

Начальная соленость связанного рассола Sр0=Sвд/(1-fф) определяется минерализацией исходной воды Sвд и долей льда, образующегося в факеле fф=Pф/100, которая рассчитывается с применением формулы (1). При эффективности льдообразования в факеле fф = 25% соленость связанного рассола Sр0 на 1/3 превысит соленость исходной воды Sвд. При солености связанного рассола 35 г/л и понижении температуры фирна до -3С, его влажность снизится с 17 до 11%, тогда как при солености связанной влаги 5 г/л влажность массива понизится от 10 до 1%, для чего потребуется больший отвод тепла.

Температура фирнового массива, намороженного как в начале холодного периода, так и в середине, рассчитывалась на разные моменты времени - в начале и конце периода таяния снежного покрова. В последнем случае, исходя из оценки минимальной температуры фирнового массива, отепляющее влияние талой снеговой воды на температуру фирнового массива не рассматривалось. При этом получена динамика распределения температуры в фирновом массиве. При росте солености рассола понижается температура фазового перехода и повышается количество незамерзшей воды. При этом снижаются затраты на фазовые переходы и значительная часть потери тепла идет на охлаждение фирна. Поэтому при солености рассола 35 г/л минимальная температура фирна в несколько раз ниже, чем при 1 г/л.

Температура фирнового массива при начальной минерализации рассола 35 г/л для условий метеостанций Усть-Уса, Туруханск и Якутск представлена на рис. 5.

Рис. 5. Температура фирнового массива при начальной солености рассола 35 г/л для условий: 1 - Усть-Уса; 2 - Туруханск; 3 и 4 - Якутск; к концу (1-3) и началу (4) периода таяния снежного покрова

Минимальная температура фирнового массива к концу холодного периода составляет -11,5С на глубине 0,5 м для условий Якутска. К концу таяния снежного покрова минимальные температуры фирнового массива для условий метеостанций Усть-Уса, Туруханск и Якутск достигают -4,7; -5,7 и -7,8С на глубине 1,0-1,5 м. Минимальная температура фирна в Якутске на 66% ниже, чем в Усть-Усе, тогда как минимальная температура воздуха в 2 раза ниже. Толщина снежного покрова в Усть-Усе в среднем в 1,6 раза больше, чем в Якутии, однако термическое сопротивление только на 12% ниже. Это обусловлено небольшой плотностью снежного покрова в Якутии - приблизительно 60% от ее значений в Усть-Усе.

Проведенными исследованиями установлено, что при средних многолетних значениях климатических параметров температурный режим ИФЛМ в разных физико-географических условиях в основном не будет препятствием для его эффективного опреснения. Так, для условий Якутска средняя температура верхнего 4-метрового слоя минерализованного фирна к началу его таяния составит порядка -5С. Однако в наиболее холодные и малоснежные зимы возможно значительное промерзание и выхолаживание ИФЛМ, что потребует дополнительных мероприятий по их защите от промерзания. В противном случае, необходимо закладывать в прогноз снижение выхода опресненной воды.

Глава 4. Гидротермические процессы при таянии искусственных фирново-ледяных массивов

Таяние промороженных ИФЛМ может сопровождаться образованием ледяных прослоек, которые на определенное время приостановят или замедлят фильтрацию воды в нижележащие слои фирна, его промывку и опреснение. Поэтому дана оценка возможности формирования ледяных прослоек как в снегу, покрывающем фирн, так и в самом фирне. Взаимное влияние изменения температуры снега, сублимации-конденсации и диффузии водяного пара, фильтрации талой воды потребовало рассмотрения совместной модели тепло- и массопереноса.

Для оценки возможности формирования ледяных прослоек при таянии массива минерализованного фирна принят его температурный режим к концу промерзания для условий метеостанции Якутска. Температура минерализованного фирна в конце холодного периода составляет -10,5…-11,5С на глубине 0-0,5 м. Исходя из этого была рассмотрена возможность образования ледяных прослоек при фильтрации и замерзании талой воды для фирнового массива толщиной 0,5 м при его начальной температуре -12С. Расчеты показали, что в первые часы в верхнем слое возможно образование ледяного слоя за счет замерзания талой воды (рис. 6). Однако в течение нескольких суток этот слой растает. На больших глубинах рост плотности фирна снижается в результате быстрого повышении температуры фирна.

Рис. 6. Рост плотности фирна при замерзании талой воды через: 6 (1), 12 (2), 24 (3), 36 (4) ч после начала таяния

При таянии ИФЛМ, намороженных из воды, содержащей нерастворимые примеси, будет происходить их концентрация на поверхности. В начальный период таяния проявление загрязнения будет способствовать уменьшению альбедо поверхности и росту таяния. С ростом толщины слоя загрязнения будут происходить бронирование фирновой поверхности, ее теплоизоляция и уменьшение интенсивности таяния. Отметим, что такая теплоизоляция ИФЛМ может быть необходима как для регулирования интенсивности таяния в целях повышения эффективности опреснения, так и для сохранения значительной части ИФЛМ на период с положительными температурами воздуха. Снижение интенсивности таяния целесообразно при ограниченном объеме водопринимающих сооружений. Традиционное и достаточно эффективное средство -механическая теплоизоляция ледяной поверхности разными материалами. При этом существуют два пути: укрытие ледяной поверхности уже намороженного массива теплоизолирующим материалом, а также внесение в воду на последней стадии намораживания измельченного наполнителя, который при таянии льда будет накапливаться на дневной поверхности и образовывать слой теплоизоляции.

Расчет таяния льда с наполнителем проводился для двух этапов. На первом этапе в результате вытаивания и накопления на поверхности частиц грунта будет увеличиваться интенсивность таяния вследствие снижения альбедо, а на втором - интенсивность таяния будет уменьшаться под растущим слоем изоляции. Методика расчета на первом этапе таяния разработана В.Г. Ходаковым и соавт. (1989) и проведено сравнение с данными по интенсивности таяния снежного покрова загрязненного угольной пылью в районе пос. Баренцбург на Шпицбергене. Методика расчета таяния на втором этапе, для которого имеется большое количество натурных измерений, разработана при оценке теплоизолирующей роли моренного материала [Божинский и др., 1985; Ходаков, 1978].

Для исследования динамики процесса опреснения и расчета количества образующейся пресной воды была использована схематическую модель идеализированного образца искусственного фирна. При этом предполагалось, что интенсивность таяния мала и влажность фирна при таянии постоянна, температура фирна близка к температуре замерзания, поэтому основное количество тепла, поступающего к образцу, расходуется на таяние кристаллов льда. В результате была получена теоретическая зависимость относительной минерализации искусственного фирна от его относительной массы:

, (3)

где sr, mr - относительные значения текущей минерализации и массы льда; sr = Sл / Sл0; mr = Mл / Mл0; =(1 - f )/f; Sл0 и Sл, M0, M - начальные и текущие значения минерализации и массы искусственного фирна; f - влажность искусственного фирна при таянии.

Из расчетов, приведенных в (табл. 1), видно, что при влажности пористого льда 17% и таянии 40% начального объема минерализация искусственного фирна снижается в 12 раз. Влияние влажности искусственного фирна на его опреснение показывает следующий факт. При влажности 12% и таянии 40% объема льда его минерализация в 9 раз меньше, чем при влажности 25%.Сравнение результатов расчетов по теоретической зависимости (3) с экспериментальными данными показало, что формула хорошо описывает динамику процесса деминерализации небольших образцов искусственного фирна. Однако отсутствие в ней характеристик процесса таяния, структуры льда и параметров ледяного массива затрудняет ее применение для оценки выхода пресной водой в различных природно-климатических условиях. Для учета этих факторов было проведено численное моделирование солеобмена при таянии минерализованного фирна.

В соответствии с исследованиями Де-Кервена [Динамика…, 1985], предполагалось, что вся талая вода перемещается по поверхности ледяных зерен с пленкой «рассола», что реализуется при небольшой интенсивности таяния и, как правило, в начальный ее период, наиболее важный для эффективного распреснения ледяного массива. Расчеты относительной минерализации фирна sr начальной толщиной 0,2 м по численной модели и по формуле (3) для ледяных зерен радиусом Rл = 0,75 мм показали хорошее совпадение при влажности 10-30% (рис. 7). Тогда как для ледяных зерен радиусом 1 мм и таянии до 30% объема фирна расхождение составляет 38% и 25% при влажности фирна 20% и 30%, соответственно. При таянии 30% объема фирна происходит удаление основной массы солей от 60 до 97% их начального количества.

Таблица 1

Относительная минерализации искусственного фирна, рассчитанная по формуле (3), при разной влажности фирна

Для ледяного зерна радиусом 1 мм и таянии 30% фирна относительная минерализация фирна будет в 1,6 раза больше, чем для фирна из ледяных зерен радиусом 0,75 мм. Повышение относительной минерализации фирна показывает ухудшение условий опреснения. Интенсивность таяния влияет на скорость фильтрации, коэффициент солеотдачи и время взаимодействия фильтрата с рассолом. Расчеты показали, что с ростом интенсивности таяния эффективность опреснения ухудшается. С другой стороны, при увеличении интенсивности таяния увеличивается влажность фирна, что также ухудшает условия опреснения.

Расчеты по формуле (3) и численной модели совпадают при интенсивности таяния 25 мм/сут, высоте образца фирна 0,2 м и радиусе ледяных зерен 0,75 мм. Это значение соответствует среднему размеру капель искусственного дождя. При снижении интенсивности таяния от 25 до 5 мм/сут относительная минерализация фирна уменьшается в 1,5 раза (при таянии 30% фирна) и эффективность опреснения увеличивается.

Рис. 7. Зависимость относительной минерализации sr искусственного фирна от его относительной массы mr для ледяных зерен радиусом 0,75 мм при влажности: 1, 4 - 30 %; 2, 5 - 20 %; 3, 6 - 10%; 1, 2, 3 -расчеты по формуле (3); 4, 5, 6 -расчеты по численной модели

При увеличении толщины фирна расчеты по модели дают значительный рост эффективности опреснения. Так, при росте толщины фирна от 0,2 до 1,0 м (f =0,25; Rл = 0,75 мм) относительная минерализация фирна уменьшается в 3 раза. Такая высокая эффективность опреснения не соответствует данным экспериментов, которые хорошо описываются формулой (3). Одной из причин расхождения модельных расчетов с данными экспериментов может быть формирование каналов стока, по которым происходит фильтрация части талой воды. Известно, что в период активного таяния возможны формирование каналов фильтрации в снежном покрове и спуск по ним талой воды [Dynamics…, 1980]. Поэтому с ростом объема таяния все меньшая часть талой воды участвует в солеобмене. Для оценки такого эффекта введен коэффициент снижения доли талой воды участвующей в солеобмене. При 49% талого стока, участвующего в солеобмене, результаты расчетов по численной модели и по формуле (3) совпадают. Разработанная модель расчета процесса массообмена при таянии минерализованного искусственного фирна позволяет исследовать влияние различных параметров фирново-ледяного массива и условий таяния на выход пресной водой на начальном этапе таяния.

Важным аспектом применения ИФЛМ является прогноз интенсивности и продолжительности их таяния, необходимый для оценки объема водоудерживающих сооружений и динамики выхода пресной воды. Интенсивность и продолжительность таяния массива искусственного фирна и его опреснение зависят как от метеорологических условий, так и от параметров массива. Минерализация ИФЛМ на порядок меньше, чем исходной воды и в процессе таяния постоянно уменьшается. Поэтому влиянием минерализации на процесс таяния можно пренебречь. Тепло расходуется в основном на таяние ледяной составляющей - кристаллов льда. При расчете интенсивности таяния искусственного фирна для учета линейных размеров ИФЛМ составляющие теплового потока разбиты на две части: зависящие от температуры воздуха и, следовательно, от линейных размеров ИФЛМ и на тепловой поток за счет солнечной радиации.

Применение ИФЛМ для целей опреснения требует оценки месячной интенсивности таяния. Это позволит прогнозировать необходимый объем водопринимающих сооружений. В мае интенсивность таяния составит 1,6 м искусственного фирна на 65-й широте на Европейской части территории России и на 62-й широте в Западной Сибири. В июне интенсивность таяния на 60-й широте на ЕТР и Западной Сибири составляет порядка 8 м фирна, а на 67-й широте в 2 раза ниже - 4 м фирна. В июле на широте 60-67 град интенсивность таяния достигает 10 м фирна. В августе интенсивность таяния на этих широтах составляет порядка 6 м фирна, а в сентябре в Западной Сибири 1,5 м фирна. В октябре на этих широтах уже возможно намораживание искусственного фирна.

Для сохранения большей части ИФЛМ в течение периода с положительными температурами воздуха возможно применение теплоизолятора. В районах Западной Сибири на 65-й широте таяние за период с положительными температурами воздуха составит порядка 22 м искусственного фирна плотностью 500 кг/м3. Для сохранения массива искусственного фирна толщиной 10 м потребуется намораживание ИФЛМ толщиной 15 м и слой изоляции из суглинка плотностью 1400 кг/м3, влажностью 15% и толщиной 8 см, который уменьшит интенсивность таяния в 5 раз. При изоляции из песка потребуется толщина слоя в несколько раз больше.