雪災涉及的物理問題
2008-12-31 00:00:00李莉萍
物理教學探討 2008年11期
摘要：今年一月我國南方出現了五十年不遇的冰雪災害天氣，給國家造成了巨大的損失，引起了社會各界的廣泛關注。關于南方雪災中涉及的物理問題很多，本文擬從雪的形成、雪災的形成，高壓輸電鐵塔的倒塌等熱點問題從物理學角度加以分析，并對日常生活中的雪災防護作一些簡單的介紹。
關鍵詞：雪災；物理；防護
中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)6(S)-0001-3
我們都知道，混合云是由小冰晶和過冷卻水滴（水溫降到0℃以下仍保持液態的現象稱為過冷卻，在云中常常含有過冷卻的水滴）共同組成的。當一團空氣對于冰晶來說已經達到飽和的時候，對于水滴來說卻還沒有達到飽和。這時云中的水蒸汽向冰晶表面上凝華，而過冷卻水滴卻在蒸發，這時就產生了冰晶從過冷卻水滴上“吸附”水蒸汽的現象。在這種情況下，冰晶增長得很快。另外，過冷卻水是很不穩定的，一碰它，它就會凝結起來。所以，在混合云里，當過冷卻水滴和冰晶相碰撞的時候，就會凝結沾附在冰晶表面上，使它迅速增大。當小冰晶增大到能夠克服空氣的阻力和浮力時，便落向地面，這就是雪。
1 雪災形成的原因分析
雪災主要是由于霧、雪、雨凝結成覆冰后給供水、道路交通、電力輸送等關系國計民生的各個方面造成災難性的損失。覆冰在氣象學上的說法叫做“淞”，它主要有以下幾種情況：
霧淞，氣溫較低（-3℃以下）且有霧或濕度大時，過冷卻霧滴在物體迎風面凝固或嚴寒時空氣中水蒸汽凝華而成。它呈乳白色的冰晶層或顆粒狀冰層，較松脆。如圖1所示。
雪淞，又叫凝雪。當雪降到地面后，如果近地面的氣溫接近于0℃或在0℃附近擺動，那么溫度稍微升高一點點雪花就會融化，而溫度稍微下降又會迅速凝固成冰。
雪淞和霧淞本身很松軟，密度較小。但是由于今年年初南方氣溫較長時間在0℃附近波動，雪不斷反復地融化和凝固，而雪淞具有很大的粘性，很容易粘在電線、電器設備、桿塔、樹木等物體上，在0℃~8℃環境氣溫下，會很快凝結成冰。如圖2所示。
雨凇，也叫凍雨，這種雨從天空落下時實際上是低于0℃的過冷卻水滴，當它碰到地面及空中其它物體后，它會慢慢延開，排出氣泡，當地面溫度在-4℃~4℃之間時，就會在物體上凝固成外表光滑、晶瑩透明的一層堅硬冰層，有時邊凝固邊淌，形成一條條冰柱。如圖3所示。它通常
在水平面、垂直面上均可形成，但水平面和迎風面上增長最快。它結冰速度非常快，密度大，達到0.9g/ cm3。凍雨在物體上凝固并積累后能壓斷電線和電話線，嚴重的會壓塌房屋，壓斷樹木、竹子，凍死農作物和蔬菜。由于地面凝固后被凍結，對交通造成很大影響。飛機在有過冷水滴的云中飛行會使機翼、螺旋槳積冰而造成失事。
而今年年初的南方天氣，由于凝雪與凍雨交織，帶來的危害更大。如南方部分地方高壓輸電電線結冰厚度長時間保持在50mm以上，貴州銅仁地區高壓輸電電線結冰厚度甚至高達93mm，貴州有直徑2cm的電纜，被凝凍的冰塊包成了直徑14cm的冰纜。郴州、衡陽一線的70多座高壓輸電線鐵塔有近三分之一垮塌。
2 高壓輸電線路鐵塔倒塌之謎
今年特大雪災對人們生活的最大影響，莫過于有多座500kV的輸電主干線路鐵塔嚴重損壞或倒塌。
當前500kV高壓輸電線路所用導線的標稱截面為400/35，400表示導線的鋁股部分橫截面積為400mm2，35表示鋼芯部分橫截面積為35mm2，該導線的自重是1.511kg/m。每相導線有4根，一條線路為3相導線，共12根導線，另外還有兩根避雷線。
我們先取一根這種導線進行研究：
1m導線上覆上一層冰后增加的質量計算公式為：
Δm=［π×(d2+b)2-π×(d2)2］×1 000×0.9。
其中b表示冰的厚度，d為導線直徑，冰的密度為0.9g/ cm3。
按南方常規的氣象條件，設計時取的覆冰最大厚度（簡稱冰厚）為10mm。由上面的計算公式可知，1m導線覆上10mm厚的冰后增加的質量是1.04kg。
由此，每1m導線的上覆冰后的質量為：
1.511 kg +1.04 kg＝2.551kg。取兩鐵塔間平均檔距1 000m（多數為500～700m，考慮山區的連續上山檔等因素取1 000m），鐵塔的高度一般在20m左右。故兩鐵塔間覆冰及導線總質量為（兩根避雷線很小，可不予考慮）m=2.551×1 000×12 kg＝30.612×103kg=30.612t。鐵塔的地面基礎即按此條件進行設計和施工。
當冰厚為100mm時，代入上述公式得Δm′＝35.839 kg，此時兩鐵塔間覆冰及導線總質量為:m′ =（35.839+1.511）×1 000×12＝448.2×103kg=448.2t。
由以上計算可知， m′/m =16.61倍。
而一般電力輸電線路的地面基礎設計只取了2.5倍的安全系數!
另外，輸電鐵塔主要是鋼鐵結構，而鋼鐵結構的物理特性是熱脹冷縮，在冰凍情況下，鋼鐵構件會因低溫而導致延展性降低，變得脆弱，特別是抗拉性降低。在拐彎處的鐵塔更容易被扭轉、拉倒。
北方地區冬天氣候嚴寒干燥，即使下雪，頂多在輸電線路和高壓鐵塔上積上厚厚的雪，加上北方冬季風大，很短時間內就把雪吹走，雖然這時候輸電設施同樣因天氣寒冷而變脆，但因為塔身，特別是導線上只附著積雪，沒有大量掛冰，而且在設計時冰厚取得大，一般在30mm左右。所以北方一般不會出現因雪災而導致高壓輸電鐵塔倒塌的現象。
3 雪災的常見防護
首先要做好道路的“融雪”工作。我國通常使用噴灑融雪劑的辦法化雪。融雪劑的作用原理是利用了鹽水的凝固點比水的凝固點低的特點，實際上雪是在不斷地融化和凝固的，只不過二者速度幾乎相等，處于一種平衡狀態，撒上鹽以后，雪周圍的水就變成鹽水，但又未能凝固，這樣雪就會不斷融化，并越來越少了。
融雪劑分為兩種，一種是以醋酸鉀為主要成分的有機融雪劑，融雪效果好，沒有什么腐蝕損害，但它的價格太高，一般只適用于機場等地；另一種是氯鹽類融雪劑，包括氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀等，通稱作“化冰鹽”，它的優點是便宜，但它對大型公共基礎設施的腐蝕非常嚴重，它還會污染飲用水源，造成綠化植被大面積死亡等。美國的一些州已經徹底禁止使用鹽來融雪，而是在機械鏟雪后，在道路上灑碳渣、粗沙、樹枝渣類物質來防滑，同時利用這些渣類物質的深色來吸收太陽的能量，以幫助升高地面的溫度來融雪。使用后的碳渣、樹枝渣可以放入道邊的綠地中，成為改善綠地土質的好幫手。
其次，做好水管、水表、水龍頭等用水設施的防護工作。根據有關條例規定，用戶戶內的供用水設施由用戶自行管理維修。在冰雪天氣，自來水管之所以會被凍裂，主要來自三方面的原因：氣溫低導致自來水管里的水凝固，密度變小，體積就會變大，這樣就使勁地撐脹自來水管，自來水管就會裂；自來水管質量不好，是有縫鋼管；鋼材、鐵材制品在低溫的情況下會變脆，承受壓力弱，也會破裂。
家中水管、水表、水龍頭等用水設施可用棉
麻織物進行包裹；夜晚應關閉廚房、衛生間對外及所有背陰房間的窗戶，保證室內溫度在0℃以上；若氣溫在－5℃以下，最好在夜間用水后稍稍擰開水龍頭使水流成線，防止夜間受凍。對已冰凍的龍頭、水表、水管，宜先用熱毛巾包裹水龍頭，然后澆熱水，使龍頭解凍，再擰開龍頭，用溫水（不高于30℃）沿龍頭慢慢向管子澆灑，使水管解凍。
最后，外出時要采取防寒和保暖措施。在冰凍嚴重的南方，盡量別穿硬底鞋和光滑底的鞋，給鞋套上舊棉襪以增大摩擦；駕車出行時，要慢速、主動避讓、保持車距、少踩剎車、服從交警指揮和注意看道路安全提示；給非機動車輪胎稍許放點氣，以增加輪胎與路面摩擦力，也能防滑。
如果遭遇了暴風雪突襲，除了上述注意事項外，還要特別注意遠離廣告牌、臨時建筑物、大樹、電線桿和高壓線塔架；路過橋下、屋檐等處時，要小心觀察或者干脆繞道走，因為從上面掉落的冰凌，在重力的作用下，其殺傷力絕不次于刀劍。
參考資料：
［1］2008年1月28日聯合早報網.
［2］2008年1月28日大洋網-廣州日報.
［3］2008年1月29日金黔在線.
［4］http://www.xinhuanet.com/xhft/20080118/ 中華網.
［5］http://www.sina.com.cn2008年01月29日貴州都市報.
［6］http://www.pep.com.cn/200406/ca463424.htm.
［7］2008年2月28日 科教新報.
(欄目編輯趙保鋼)
