Вскрытие льда трансформирует полностью покрытую льдом реку в открытую реку.
Два примеры вскрытия рек наиболее часто встречается на реках северной Америки. С одной стороны это температурное оттаивание.
2-14
Во время идеального температурного оттаивания, ледовый покров реки разрушается из-за нагрева и поглощения солнечного излучения, и тает на месте, при неизменной скорости течения и отсутствии или небольшом движении льда. С другой стороны, существует более сложное и менее понятное механическое вскрытие. Механическое вскрытие не требует ослабления ледового покрова, но вытекает из увеличения течения в реке. Увеличение течения вызывает воздействие на ледовый покров, и как следствие образование трещин, и полный распад ледового покрова на составные части, которые уносятся течением вниз. Там где движение льдин застопоривается, образуются ледовые заторы. Такие заторы могут вызывать неожиданные и сильные половодья. Фактическое вскрытие рек происходит наиболее часто во время периодов оттепели, когда прочность ледового покрова ухудшается в определенной степени, и течение впадающей в реку воды возрастает из-за таяния снегов или выпадения осадков. Поэтому большинство случаев вскрытия рек относится к чему-то среднему между температурным оттаиванием и механическим вскрытием. И как правило, чем больше вскрытие реки характеризуется механическим вскрытием, тем драматичнее и опаснее становится увеличение течения рек и образуются более крупные льдины.
a. Температурное оттаивание. Каждая река в Северной Америке испытывает оттаивание каждую весну, если только не случается механическое вскрытие. Температурное оттаивание не происходит на всех участках реки одновременно, но происходит в разных местах и в разной степени, в зависимости от географической широты, местного климата, и степени открытости и подверженности льда воздействию внешних погодных условий. Температурное оттаивание происходит от передачи тепла льду путем конвекции его нижней стороне от воды, и конвекцией верхней части от теплого воздуха и длинноволнового (инфракрасного) и коротковолнового (солнечного) излучения. Теплопередача от воды в нижней части льда может быть очень существенной, особенно если выше по течению есть открытые участки воды, где вода нагревается от солнца. В большинстве, почти во всех случаях, коэффициент отражения поверхности открытой воды будет намного меньше, чем у ледового покрова. И как результат, открытая вода поглощает больше солнечного излучения чем покрытая льдом. Когда течение проходит подо льдом, порция избыточного тепла, будет растапливать лёд снизу. Вообще, коэффициент отражения у снега на поверхности льда или снежного льда, довольно высок, и солнечное излучение почти не проникает в лед. Образование талой воды на поверхности льдин значительно понижает коэффициент отражения и способствует поглощению излучения льдом. Ледяной покров так же разрушается внутренне без большой потери толщины, если на него воздействует солнечное излучение. Поглощенное солнечное излучение вызывает таяние всего льда, что вызывает потерю структурной целостности покрова, как уже описывалось в параграфе 2-5а. Это наиболее вероятно произойдет, если ледовый покров состоит из столбчатых кристаллов. Мелкопористый ледяной покров, состоящий из снежного льда или шуги, намного меньше подвержен внутреннему разложению из-за впитывания солнечного излучения.
b. Механическое вскрытие ледяного покрова. Вскрытие рек не случается внезапно и по всей длине реки. Часто вскрытие происходит сначала на небольших притоках, и потом перемещается в основное русло реки. Это выражается в сильные ледяные заторы в местах слияния притоков и основного русла. Вскрытие рек перемещается вверх или вниз по течению, в зависимости от местной погоды. Обычно оно перемещается вверх, но случись несколько заторов, и оно будет перемещаться вниз по течению. Каждый раз реки вскрываются по-разному, но существуют несколько распространенных общих черт в последовательности вскрытия. Механическое вскрытие всегда происходит в ответ на увеличение интенсивности течения реки в соответствующим увеличением по стадиям.
2-15
Образование прибрежных трещин. Прибрежные трещины – продольные трещины, направленные параллельно берегам рек. Прибрежные трещины образуются когда магнитуда изменения уровня воды в русле реки превосходит пределы, определенные физическими свойствами льда, толщиной льда, шириной русла и способом крепления ледяного покрова к берегам реки. Всего лишь небольшого увеличения или уменьшения в дебете воды достаточно для появления прибрежных трещин, и обычно они появляются сразу вскоре после того, как сток воды начинает повышаться. Присутствие прибрежных трещин не обязательно означает немедленное начало взлома льда. Они могут появиться и существовать всю зиму.
(1) Разрушение ледового покрова на отдельные льдины. Поперечные трещины (поперек русла) появляются вскоре послу увеличения уровня воды в реке. Первые трещины обычно образуют достаточно большие льдины на ширину реки, и многие длиной на ширину реки, но иногда ледяной покров разламывается и на мелкие льдины. Точный механизм, отвечающий за образование отдельных льдин, еще недостаточно определен.
(2) Движение льдин. С увеличением уровня реки, лед приходит в движение. Если льдины относительно велики, они могут удерживаться от движения из-за своих геометрических особенностей, как острые углы, строение, наличия мостов, пристаней, и т.д. до тех пор, пока значительно не поднимется уровень воды. Если льдины относительно малы, и нет сдерживающих факторов, они могут прийти в движение при небольшом поднятии уровня воды в реке. По правилу большого пальца, уровень должен подняться в 1,5-3 раза относительно толщины льда, чтобы привести лед в движение. Как только льдины приходят в движение, они уменьшаются в размерах, в конечном счёте достигая размера примерно 4-6 толщины льдины.
(3) Образование ледяных заторов. Ледяные заторы происходят когда движущиеся льдины достигают мест на реке, где пропускная способность льда сильно превышена. Это наиболее вероятно там, где ледяной покров сохраняется неповрежденным, уклон реки уменьшается, существуют препятствия, и т.д. В этих местах движение льда останавливается и образуется затор. Этот тип заторов зовется затор от вскрытия реки. Ледовые заторы существенно уменьшают пропускную способность руслового стока. Как результат, уровень воды вверх по течению может значительно и быстро подняться, вызывая половодье с переносом льда в пойму затопления. Возможная максимальная толщина и неровность рельефа может быть оценена и использована для оценки возможного уровня паводка.
Справочные материалы
a. Требуемые публикации. Нет.
b. Используемые публикации.
Эштон 1986
Г.Д. Эштон. Изд3 1986. Ледовое проектирование для рек и озёр. Уотер Ресурсез Пабликейшн. Литтлтон, Колорадо.
2-16
Франкенштейн, 1968.
Франкенштейн, Г.Е. 1968. Прочность ледового покрова. Национальный научный совет Канады, Ассоциативный комитет по геотехническим исследованиям, Меморандум 92, стр 79-87,
Гоу, 1977.
Гоу, А.Дж., 1977. Предел прочности при изгибе для льда на умеренных озерах. Журнал по гляциологии. Часть19, № 81, стр 247-256.
Хегген, 1983.
Хегген Р.Дж. 1983. Зависящие от температуры свойства воды. Журнал по гидротехнике. Американское общество гражданских инженеров, часть 109. 3 2, стр 298-302.