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:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Закономерности формирования и использования искусственных фирново-ледяных массивов

-- [ Страница 3 ] --

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…–10°С 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; – 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 –3°С, 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.

 Температура фирнового массива при начальной солености рассола 35 г/л для-11

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 –11,5°С 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 –7,8°С 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 –5°С. 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…–11,5°С 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 –12°С. 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.

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

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

f, % Относительная убыль льда, %
10 20 30 40 50 60 70
12 0,460 0,190 0,073 0,024 0,006 0,001 0,000
17 0,600 0,340 0,180 0,083 0,034 0,011 0,003
25 0,730 0,510 0,340 0,216 0,125 0,064 0,027


Pages:     | 1 | 2 || 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.