авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Закономерности формирования и использования искусственных фирново-ледяных массивов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СОСНОВСКИЙ Александр Вульфович

Закономерности формирования и использования

искусственных фирново-ледяных массивов

Специальность 25.00.31 гляциология и криология Земли

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

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
Защита диссертации состоится «3» декабря 2010 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 002.046.04 в Учреждении РАН Институте географии РАН по адресу: 119017, Москва, Старомонетный пер., 29.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные подписью и печатью) просьба направлять Ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 119017, Москва, Старомонетный пер., 29, Институт географии РАН. Факс. 8 (495) 959-00-33, e-mail: igras @igras.geonet.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии РАН. Текст объявления и автореферат размещены на сайте ВАК.
Автореферат разослан «__» ноября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук И.С. Зайцева

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.

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:

  1. 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.
  2. Оценить влияние метеорологических условий и параметров капельного факела на интенсивность льдообразования.
  3. Дать оценку эффективности факельного льдообразования в различных физико-географических условиях.
  4. Определить пространственно-временную изменчивость термического сопротивления снежного покрова и оценить влияние снежного покрова на промерзание ИФЛМ.
  5. Рассмотреть гидротермические процессы при таянии ИФЛМ.
  6. Разработать теоретические положения солеобмена при таянии минерализованных ИФЛМ.
  7. На основе теоретических и экспериментальных исследований определить динамику опреснения ИФЛМ.
  8. Разработать способы применения ИФЛМ для очистки и опреснения загрязненных минерализованных вод и показать их эффективность.
  9. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований показать необходимость учета физико-географических особенностей территории для эффективного использования ИФЛМ.

Научная новизна

  1. 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.
  2. Разработаны теоретические модели опреснения минерализованных искусственных фирново-ледяных массивов при таянии.
  3. Экспериментальными исследованиями установлено, что минерализация искусственных фирново-ледяных массивов на порядок ниже минерализации намораживаемой воды.
  4. В результате теоретических и экспериментальных исследований определена динамика распреснения искусственных фирново-ледяных массивов при таянии в зависимости от их параметров и метеорологических условий.
  5. 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 –4°С 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].

 Массив искусственного фирна высотой 6,7 м, намороженный менее чем за сутки при-1



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.