В холодный период года на реках всегда образуется ледовый слой. Он образуется на поверхности реки благодаря низким температурам окружающей среды и обычно тает весной. Однако, лед может представлять угрозу для людей и инфраструктуры, поэтому знание его толщины и состояния является важным элементом безопасности и гидрологических исследований. То есть, исследование толщины льда на реках - это важный аспект понимания водной среды, соответственно, оно важно по нескольким причинам:
Во-первых, исследование толщины льда на реках имеет непосредственное отношение к безопасности людей. Пока лед на реке не проверен на прочность, его переходить опасно и возможно смертельно. Исследование толщины льда позволяет оценивать прочность замерзшей реки. Если известно, что находиться на льду небезопасно, можно предотвратить жертвы среди людей и сохранить имущество, ограничив доступ на замерзшую реку.
Также, есть возможность обеспечения безопасности на зимняках и ледовых переправах. Во время исследования толщины льда выясняются места, где лед различной толщины может быть опасным для людей. Поэтому специалисты ограничивают опасные места с помощью красных флагов или лент. Это повышает безопасность на проезде и предупреждает людей от пересечения замерзшей реки в местах, где это опасно.
Во-вторых, толщина льда на поверхности реки прямо влияет на ее гидродинамические свойства и процессы, такие как скорость течения, температура воды, содержание кислорода, а также формирование ледовых заторов. Ледовый затор - это скопление льда в русле реки, что вызывает подъем уровня воды, и, нередко, наводнения весной. Контроль толщины льда позволяет уменьшить возможность образования ледовых нагромождений, которые могут привести к серьезным последствиям, включая повреждение инфраструктуры.
Все вышеперечисленные аспекты показывают насколько актуально исследование толщины льда на реках. Оно является необходимым для того, чтобы понимать гидрологические свойства реки, принимать решения о управлении водными ресурсами, обеспечивать безопасность людей и животных, а также прогнозировать поведение реки в зимнее время года. Даже кратковременное изменение в экосистеме реки и ее свойствах может нанести серьезный ущерб природе и экономике, поэтому исследование толщины льда является важным элементом научного подхода к управлению водными ресурсами.
Однако, в настоящее время не существует единого алгоритма для исследования толщины льда. Все существующие на данный момент методы являются ситуативными, и не могут использоваться на постоянной основе. Соответственно, целью данной работы является разработка единого алгоритма, позволяющего проводить исследование толщины льда и снега.
Для этого необходимо изучить существующие методы радиоволновой томографии и их границы применимости для исследования толщины льда. Затем, нужно изучить принципы работы экспериментальной установки, разработанной ранее на кафедре радиофизики. И наконец, провести натурный эксперимент и выяснить, эффективен ли выбранный метод для дальнейшего исследования.
Существует множество методов исследования толщины льда на реках, которые отличаются по принципу действия, сложности, точности измерений и использованию новых технологий. К ним относятся как традиционные методы, так и методы, основанные на применении новых научных разработок, например, дистанционного зондирования или использования беспилотных летательных аппаратов (дронов). Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, и применение того или иного метода зависит от задач, которые перед исследователями ставятся. Важным является то, чтобы выбранный метод позволял получать информацию о толщине льда на реке с высокой точностью, чтобы обеспечить безопасность людей и управлять ресурсами энергетики, промышленности, сельского хозяйства и других отраслей экономики.
В ходе работы, были проанализированы несколько различных методов, которые применяются на практике для исследования толщины льда и снега. Было обнаружено, что не все методы можно считать одинаково эффективными - одни являются разрушающими, что небеопасно, другие требуют значительных временных затрат, а некоторые методы могут лишь приблизительно определить толщину снега и льда. Однако после тщательного анализа был выбран наиболее оптимальный метод, который учитывает специфику работы на льду. Был проведен эксперимент, в процессе которого проводились исследования толщины ледового покрытия при помощи георадара и экспериментальной установки, которая представляет собой антенную решетку. Таким образом сравнивались различные методы радиозондирования - моностатический и мультистатический. После обработки результатов, выснилось, что экспериментальная установка, как и георадар, позволяет точно опредлять толщину ледового покрытия. Однако, также позволяет определить диэлектрическую проницаемость, что позволяет увеличить точность исследования.
К сожалению, не удалось выполнить все поставленные задачи. Например, разработан лишь частичный алгоритм по определению толщины снега и льда. Однако, было получено много экспериментальных данных, которые будут использоваться в дальнейшей работе.
В будущем планируется продолжать данное исследование. Все те наработки, которые были получены в данной работе будут использованы для дальнейшей работы по созданию единого алгоритма для радиозондирования ледового покрытия для определения его толщины и диэлектрической проницаемости.
