13. Přednáška Problematika ledových jevů na vodních tocích
Obsah: 1. Úvod 2. Základní pojmy 3. Vznik a vývoj ledu 4. Vznik ledových jevů 5. Proudění pod ledem
1.Úvod Při déle trvajícím mrazivém počasí vzniká v zátokách, tišinách, na mělkých místech u břehů řek ledová pokrývka která zakryje část hladiny řeky (částečný zámrz) a nebo celou hladinu (celkový zámrz). Pohyb ledových ker v korytě řeky se nazývá ledochod. Ledochod se zastavuje na různých překážkách: brody, mělčiny, prahy, ostrovy, meandry, mostní pilíře, jezy apod. Ledová zácpa je fenomén, který může vyvolat nebezpečné až katastrofální povodňové situace, které už při minimálních průtocích mohou zapříčinit nadměrné vzdutí.
2. Základní pojmy Ledový režim souhrn ledových procesů a jejich zákonitostí ve vodním prostředí nebo na vodohospodářském objektu. Ledový jev výskyt určité formy a druhu ledu ve vodním prostředí nebo na vodohospodářském objektu. Ledová kra část rozlámané nebo rozrušené ledové pokrývky. Ledová bariéra bariéra vytvořená z ledu bránící průtoku vody. Ledová celina pokrývka z ledu, jejíž povrch je rovný a hladký. Ledová kaše volně spojené ledové krystaly převážně vnitrovodního ledu plovoucí ve vodě. Ledový nápěch nahromadění ledové kaše v korytě vodního toku, které významně zmenšuje průtočný profil a způsobuje vzdutí vody. Pro vznik nápěchu jsou nutné dvě podmínky: 1. velká průtok ledové kaše, 2. překážka, která brání průchodu ledu po toku. Ledová zácpa nahromadění ledových ker vzniklých z ledové pokrývky v korytě vodního toku v době odchodu ledu, které významně zmenšuje průtočný profil a způsobuje vzdutí vody. Pro vznik zácpy jsou nutné dvě podmínky: 1. velká průtok ledových ker, 2. překážka, která brání průchodu ledu po toku.
3. Vznik a vývoj ledu Za mrazivého počasí vzniká v tocích v různých formách led, který prochází změnami vlivem okolního prostředí. Tyto procesy nazýváme ledový režim toku. Hranicí mezi téměř klidnou a proudící vodou vzhledem k tvorbě ledových jevů je velikost rychlosti 0,6 0,8 m/s. ledové jevy a tvorbu ledu dělíme: - ledová celina povrchový led jen na hladině toku, - vnitrovodní led led v celém korytě toku. Každá kategorie má své typické procesy: povrchový led zamrzání a při oteplení rozpadání a odchod ledu vnitrovodní led chod ledu, kupení ledu a nárůst dnového ledu na dně toku. O typu ledového režimu rozhoduje hlavně průřezová rychlost vody, která se mění s průtokem. Pozn.: Proto se např. za malých průtoků vyskytuje na tocích led povrchový a za velkých průtoků led vnitrovodní.
3. Vznik a vývoj ledu Povrchový led (ledová celina) Vzniká především na hladinách pomalu tekoucích vod rychlost proudu < 0,6 0,8 m/s. Led je velmi pevný a celistvý. Pro vznik je třeba přechlazená voda (teplota několika setin stupně pod nulou) začínají vznikat krystalová zrna ledu. V silně přechlazené vodě krystalky rostou rychle a spojují se v souvislou ledovou plochu ( vrstva narůstá směrem dolů). Vnitrovodní led Vzniká v přechlazeném turbulentním proudu. Je-li turbulence malá, nejsou ledové krystalky strhávány z hladiny do proudu a vzniká povrchový led (na každém toku s malou hloubkou). Rychlost proudu > 0,8 m/s. Má vliv na vznik a růst ledové celiny, je příčinou vytváření ledových nápěchů. Dělíme jej: Vznášený - pohybuje se ve vodním proudu Hlubinný - vzniká zachycováním části vnitrovodního ledu na předmětech ve vodě Dnový vzniká ulpíváním na kamenitém nebo štěrkovém dně. Může extrémně zvýšit drsnost koryta
3. Vznik a vývoj ledu Vznik vnitrovodního ledu a vývoj vznášeného ledu v toku
4. Vznik ledových jevů Ledové jevy výskyt různých typů a forem ledu na hladině vodního toku i v jeho průtočném profilu Hlavní faktory vzniku: meteorologické podmínky, teplota vzduchu, hydraulické podmínky (rychlost proudění). Tři etapy vývoje: I. etapa vznikají a vyvíjejí se s příchodem mrazu, II. etapa přechod do ustáleného stavu trvá až do oteplení, II. etapa led taje a ledové jevy vymizí.
4. Vznik ledových jevů I. Etapa vývoje Hladina zamrzá tzv. ledovou celinou. Ledová celina s břehovým ledem jsou prvními ledovými jevy, které se vyskytují při mrazivém počasí na tocích s malou průřezovou rychlostí proudu. Trvají-li mrazy několik dní, na tocích s větší rychlostí proudu vzniká chod ledové kaše. Narazí-li na překážku, zastaví se a vzniká pokrývka z kašového ledu. Nejčastější překážkou bývá již vytvořená ledová celina a umělé překážky. Pokrývka z ledových ker, vzniká po rozlámání prvotní ledové celiny a jejím následném zamrznutí. Rychlost vody, při které zamrzá tok ledovou celinou bývá u nás i menší než 0,24 m/s. Ledová celina vzniká nejdříve v úseku nad jezem. Přitékající ledová kaše se o tuto celinu zastaví a vytváří souvislou překážku, která pak zamrzne v pevný led. m Ledová pokrývka se postupně rozšiřuje proti proudu až do míst, kde rychlost vody je kolem 0,4 m/s, při které dochází k strhávání ledové kaše pod ledovou pokrývku n zmenšení průtočné plochy vzdutí hladiny zmenšení rychlosti š před překážkou. Tím se ledová pokrývka začne rozšiřovat až do míst, kde se vyskytuje opět strhávací rychlost. Cyklus se opakuje dokud je zaplněn ledem celý prostor jezové zdrže. Z e e n í
4. Vznik ledových jevů Vývoj ledové zácpy
4. Vznik ledových jevů Ledové jevy se v tocích vyskytují v krátké době po příchodu mrazivého počasí. Počáteční vývoj ledových jevů intenzivní, po několika dnech se začne intenzita snižovat. Trvá-li mrazivé počasí dostatečně dlouho, ledové poměry na toku se ustálí. Led se rozšiřuje u břehu a tok dále zamrzá. Nakonec je pokryt ledem celý tok. Je dosažena : II. Etapa vývoje III. Etapa vývoje Dochází k tání a rozpadání ledové pokrývky a odchodu ledu. Tato etapa je často spojena s jarními povodněmi. Při oteplení dochází ke zvýšení průtoku v toku a stoupání hladiny. Ledová pokrývka se prolamuje u břehů, ztrácí svou pevnost, rozlamuje se na kry a nastává odchod ledu. Odchod ledu může být taky způsoben umělým rozlamováním ledové pokrývky ( nařezání, odstřel, manipulace jezu). Při odchodu je potřeba zajistit bezpečný průchod pro rozlámanou ledovou eclinu (ledové kry) a zabránit vytvoření zácp a bariér. Častou překážkou bývá ledová pokrývka v úseku, kde ještě nedošlo k podmínkám tání a odchodu ledu.
12
13
14
15
16
17
4. Vznik ledových jevů Ledová zácpa bývá příčinou tzv. ledových povodní, kdy při tvorbě ledové zácpy může dojít i při relativně nízkém průtoku k extrémnímu zvýšení vodního stavu nad ledovou bariérou. Pod velkým tlakem vody se ledová zácpa prolomí a vzniká průlomová vlna, která navíc nese ledové kry, způsobí záplavy a může značně zdevastovat koryto a jeho okolí.
5. Proudění pod ledem Proudění vody pod ledovou pokrývkou je možné řešit jako proudění v uzavřeném profilu s volnou hladinou. Z teoretického pohledu se může vyskytnout i mírně tlakové proudění, které však při praktických výpočtech nahrazujeme proudění v uzavřeném profilu s volnou hladinou. Rozložení rychlosti proudění pod ledovou pokrývkou Hlavní neznámou při řešení proudění pod ledovou pokrývkou je odpor jejího dolního povrchu. Určit tuto drsnost je nesnadné a zatěžuje výpočet chybou. Drsnost dna a břehů bývá odlišná od drsnosti spodního okraje ledové pokrývky. Při výpočtu je proto třeba použít střední hodnotu součinitele drsnosti.
6. Převádění ledu přes vzdouvací objekty Při rychlosti vody před vzdouvacím objektem asi 0,5 m/s může dojít k uvolnění zdrže od ledu před jeho roztáním a k přepadu ledových ker přes vzdouvací objekt. Někdy se záměrně rozrušuje ledová celina v jezových zdržích, aby se zabránilo vzniku ledových nápěchů a zácp. Ledové kry dopadají na dno vývaru se značnou rychlostí. To vede ke značnému odírání dna vývaru a konstrukce přelivu. Vhodné je provést veškeré povrchy z materiálů odolných proti oděru. Přechod ledu přes jezové konstrukce můžeme usměrňovat jen vhodnou manipulací s jezovými uzávěry. Pro snazší odchod ledu lze použít i prostředky k předchozímu rozrušení ledové celiny (např. nařezávaní ledové celiny).
Děkuji za pozornost