СПОСОБ ИСКУССТВЕННОГО ОБРАЗОВАНИЯ ЛЕДНИКА НА ГОРНОЙ РЕКЕ
METHOD OF ARTIFICIAL FORMATION OF ICE-CHEST ON MOUNTAIN RIVER

Изобретение относится к землеустройству и к гидротехническому строительству сооружений, обеспечивающих орошение засушливых земель, с целью повышения их урожайности, развития кормопроизводства и др.
Известны способы создания водохранилищ с помощью гидротехнических сооружений, где решены многочисленные инженерные вопросы, взаимодействия элементов этих сооружений со льдом и борьбы с возникающими при этом ледовыми затруднениями (Шаталина И.Н., Трегуб Г.А. Ледовые проблемы строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений. С.-Пб. ВНИИГ. 2012. c.86-97, 196-199).
Известны способы создания водохранилищ на малых реках и ручьях, в балках и оврагах, которые обеспечивают весенний сбор талой воды для орошения пахотных и пастбищных земель в течение лета (Технологии периодического орошения сельскохозяйственных культур в зонах неустойчивого орошения: научный обзор ФГНУ «РосНИИПМ» / составители: В.Н. Щедринин и др. - М.: ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2010. - 41 с.). Вода в данных водохранилищах хранится в жидком виде, она быстро и непроизводительно расходуется при испарении в атмосферу и при фильтрации в грунт. По этим причинам в регионах с жарким, засушливым климатом строительство таких водохранилищ нецелесообразно. Водохранилища большой вместимости строят только на крупных реках, а те встречаются там достаточно редко.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ образования ледяной перемычки на реке (RU 2263181, E02B 9/00; E02B 7/06; E02B 15/02, 27.10.2005 бюл. №30). Способ включает создание поперек реки в зимний период водонепроницаемого ограждения и устройство прорубей, расположенных выше него по течению реки. Водонепроницаемое ограждение представляет собой ледяную перемычку, образуемую посредством многократного цикла изготовления траншеи во льду с последующими временными паузами для роста слоя льда под дном траншеи. Углубление траншеи ведут до тех пор, пока образующаяся ледяная перемычка не дойдет до дна и вода не начнет вытекать через проруби, обеспечивая создание мощного ледяного покрова на реке и на прибрежных лугах, расположенных выше перемычки.
Медленное таяние льда летом в этом искусственно созданном ледяном бассейне позволяет долговременно увлажнять почву на полях и лугах.
Данный способ требует больших и продолжительных трудозатрат, так в зависимости от температуры воздуха работы по восстановлению прорубей придется проводить раз в два-три дня. Кроме того, данный способ подразумевает создание одноразового ледового бассейна с незначительной емкостью, чтобы использовать его в течение нескольких лет.
Указанные недостатки устраняются в заявляемом способе искусственного создания ледников на горных реках, стекающих на засушливые равнины, полноводных весной и пересыхающих летом. В низких широтах, меньших 50° северной широты, в регионах планеты с резко выраженным континентальным климатом ледники устойчиво существуют только в горах, на высоте, не меньшей 2500 м над уровнем моря.
Задача изобретения заключается в искусственном создании ледника как естественного источника реки с устойчивым водным режимом, позволяющим проводить орошение земель на предгорных территориях в течение всего весенне-летнего периода.
Способ искусственного образования ледника на горной реке включает установку в заранее выбранном месте на русле горной реки водонепроницаемого в зимних условиях поперечного ограждения, а выше ограждения по течению реки устанавливают плотину, образующую перед собой верхний бьеф, из которого при отрицательных температурах воздуха производят кратковременные сбросы воды, каждый из которых перемежают паузой во времени до замерзания сброшенной воды и воды на поверхности верхнего бьефа, формируя два ледосборных бассейна, лежащих на грунте русла реки, один из них располагается выше ограждения, а другой - выше плотины, причем цикл их образования повторяют в течение нескольких лет до достижения толщины льда в бассейнах, превышающей 80 м.
Ледосборные бассейны в южных широтах Земли формируют на высоте, большей 2500 м над уровнем моря.
На чертеже показана схема образования искусственного ледника на основе небольшой горной реки, протекающей по руслу с уклоном 1:50.
В заранее выбранном месте на русле горной реки устанавливают водонепроницаемое в зимних условиях поперечное ограждение - каменно-земляную дамбу 1. Выше ограждения по течению реки устанавливают плотину 2, образующую перед собой верхний бьеф 3, из которого при отрицательных температурах воздуха производят кратковременные сбросы воды. Каждый из сбросов перемежают паузой во времени до замерзания сброшенной воды и воды на поверхности верхнего бьефа 3, формируя, таким образом, два ледосборных бассейна 5 и 6, лежащих на грунте русла реки. Один из бассейнов 5 располагается выше ограждения 1, а другой бассейн 6 - выше плотины 2. Цикл образования бассейнов повторяют в течение нескольких лет до достижения толщины льда в них, превышающей 80 м.
Пусть, например, каждые сутки через плотину 2 в течение часа производится один сброс 2000 тонн воды. Сброс ведет к образованию перед дамбой 1 тонкого водяного слоя. В течение 23 часов этот слой охлаждается холодной атмосферой и замерзает, вызывая при этом рост «нижнего» ледосборного бассейна 5 с горизонтальной верхней поверхностью, компенсирующей уклон русла.
Быстрому замерзанию слоя способствует то, что сброшенная вода содержит до 20% шуги, которая образуется при турбулентном течении и интенсивном теплообмене с атмосферой водяного потока на открытом участке 12 между плотиной 2 и дамбой 1.
Вода частично проникает в тело дамбы 1, охлаждается и замерзает внутри него, обеспечивая дамбе 1 водонепроницаемость.
В исходном состоянии жидкая вода в верхнем бьефе 3 находится под слоем поверхностного льда 4, толщиной 0,2-0,3 м, теплоизолирующего ее от атмосферы. При периодических сбросах воды из верхнего бьефа 3 и опускания ее уровня слой льда 4 прогибается, трескается и обрушивается в воду, обеспечивая ее контакт с холодным воздухом. Вода при этом начинает снова замерзать, вызывая рост толщины слоя поверхностного льда 4.
При истечении запасов воды в верхнем бьефе 3 слой льда 4 ложится на грунт, где примерзает к камням. При интенсивном весеннем таянии снегов в горах верхний бьеф 3 быстро заполняется водой, и оставшийся на его дне лед образует слой 6 внутриводного льда.
Солнечная радиация прогревает лишь верхние слои бьефа 3, переводя воду в устойчивое состояние. В нем плотность воды увеличивается с ростом глубины, ее конвекция блокируется и поддерживается благоприятный режим сохранения воды при низкой температуре.
Внутриводный лед 6 может в этих условиях не таять все лето. При очередных сбросах воды из верхнего бьефа 3 во все последующие годы слой льда 6 тоже будет постоянно расти, образуя верхний ледосборный бассейн, постепенно заполняющий весь объем верхнего бьефа.
Важную роль для достижения поставленной цели играет выбор места сооружения дамбы 1 и плотины 2. Так большой эффект по ускорению создания ледника дает строительство нижнего ледосборного бассейна 5 под снежными шапками 7, образующими при таянии снежные лавины. Значительные массы снега, сошедшие лавиной на ледосборный бассейн 5, будут находиться на горизонтальной площадке с холодным основанием.
В зависимости от своей влажности снег имеет: очень высокий коэффициент отражения солнечной радиации от 75% до 95%, низкую теплопроводность от 0,116 до 0,35 Вт/м·К и большие значения удельной теплоты плавления - 334 кДж/кг и теплоемкости - 0,5 кДж/кг·К. При таких характеристиках снега процесс его таяния на ледосборном бассейне 5 будет очень долгим и может не завершиться до начала зимних холодов.
Ежегодно сбросы воды из верхнего бьефа 3 плотины 2 с ее превращением в лед проводятся в течение первых двух-трех месяцев осенне-зимнего периода. В конце зимы на горизонтальную верхнюю поверхность ледосборного бассейна 5 будет осаждаться снег, обеспечивая отражение солнечной радиации и создавая тепловую защиту накопившегося льда от атмосферы в течение весны и лета.
1
Со временем роста ледосборного бассейна 5 перед дамбой 1 образуется горизонтальная площадка, имеющая длину l несколько сот метров. Течение сброшенной воды по ней станет медленным, а скорость охлаждения большой, при этом по своему функциональному назначению дамба 1 уже перестает быть необходимой. Когда верхний уровень бассейна 5 достигнет ее верхнего края, сброшенная вода будет перетекать за дамбу 1 и замерзать с другой ее стороны. Дамба 1 оказывается «вмороженной» и при малой своей высоте не влияет на динамику его развития. Последующее движение ледника вызовет ее разрушение.
Искусственное создание нового ледника можно считать законченным, когда его верхняя поверхность приблизится к уровню плотины 2, а нижний 5 и верхний 6 ледосборные бассейны сольются друг с другом. В зависимости от конкретной ситуации шлюзовые ворота плотины 2 демонтируются или сама плотина уничтожается взрывами.
В зависимости от географических и климатических условий искусственный ледник толщиной H=70-80 м, шириной около 100 м и длиной 3-4 км можно создать за 6-8 лет. Далее ледник может расти уже самостоятельно, питаясь снежными осадками зимой и расходуя запасенную воду летом.
1
2
В предложенной схеме имеется легкая дамба 1 высотой h, равной 5-6 м, и только одно затратное гидротехническое сооружение - низконапорная плотина 2 высотой h около 10 м. Обслуживание плотины может осуществлять лишь одна бригада рабочих.
3
Новая река с расчетным расходом воды 300 м/с позволит орошать до 2-х тысяч гектар земли. Рост водопользования в данном регионе обеспечит все экономические, экологические и социально-политические эффекты.