雪災(zāi)涉及的物理問(wèn)題

摘要：今年一月我國(guó)南方出現(xiàn)了五十年不遇的冰雪災(zāi)害天氣，給國(guó)家造成了巨大的損失，引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。關(guān)于南方雪災(zāi)中涉及的物理問(wèn)題很多，本文擬從雪的形成、雪災(zāi)的形成，高壓輸電鐵塔的倒塌等熱點(diǎn)問(wèn)題從物理學(xué)角度加以分析，并對(duì)日常生活中的雪災(zāi)防護(hù)作一些簡(jiǎn)單的介紹。

關(guān)鍵詞：雪災(zāi)；物理；防護(hù)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2008)6(S)-0001-3

我們都知道，混合云是由小冰晶和過(guò)冷卻水滴（水溫降到0℃以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象稱為過(guò)冷卻，在云中常常含有過(guò)冷卻的水滴）共同組成的。當(dāng)一團(tuán)空氣對(duì)于冰晶來(lái)說(shuō)已經(jīng)達(dá)到飽和的時(shí)候，對(duì)于水滴來(lái)說(shuō)卻還沒(méi)有達(dá)到飽和。這時(shí)云中的水蒸汽向冰晶表面上凝華，而過(guò)冷卻水滴卻在蒸發(fā)，這時(shí)就產(chǎn)生了冰晶從過(guò)冷卻水滴上“吸附”水蒸汽的現(xiàn)象。在這種情況下，冰晶增長(zhǎng)得很快。另外，過(guò)冷卻水是很不穩(wěn)定的，一碰它，它就會(huì)凝結(jié)起來(lái)。所以，在混合云里，當(dāng)過(guò)冷卻水滴和冰晶相碰撞的時(shí)候，就會(huì)凝結(jié)沾附在冰晶表面上，使它迅速增大。當(dāng)小冰晶增大到能夠克服空氣的阻力和浮力時(shí)，便落向地面，這就是雪。

1 雪災(zāi)形成的原因分析

雪災(zāi)主要是由于霧、雪、雨凝結(jié)成覆冰后給供水、道路交通、電力輸送等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的各個(gè)方面造成災(zāi)難性的損失。覆冰在氣象學(xué)上的說(shuō)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(shí)，過(guò)冷卻霧滴在物體迎風(fēng)面凝固或嚴(yán)寒時(shí)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。

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雪淞，又叫凝雪。當(dāng)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(dòng)，那么溫度稍微升高一點(diǎn)點(diǎn)雪花就會(huì)融化，而溫度稍微下降又會(huì)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(zhǎng)時(shí)間在0℃附近波動(dòng)，雪不斷反復(fù)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(shè)備、桿塔、樹(shù)木等物體上，在0℃~8℃環(huán)境氣溫下，會(huì)很快凝結(jié)成冰。如圖2所示。

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雨凇，也叫凍雨，這種雨從天空落下時(shí)實(shí)際上是低于0℃的過(guò)冷卻水滴，當(dāng)它碰到地面及空中其它物體后，它會(huì)慢慢延開(kāi)，排出氣泡，當(dāng)?shù)孛鏈囟仍?4℃~4℃之間時(shí)，就會(huì)在物體上凝固成外表光滑、晶瑩透明的一層堅(jiān)硬冰層，有時(shí)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(fēng)面上增長(zhǎng)最快。它結(jié)冰速度非常快，密度大，達(dá)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(yán)重的會(huì)壓塌房屋，壓斷樹(shù)木、竹子，凍死農(nóng)作物和蔬菜。由于地面凝固后被凍結(jié)，對(duì)交通造成很大影響。飛機(jī)在有過(guò)冷水滴的云中飛行會(huì)使機(jī)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(lái)的危害更大。如南方部分地方高壓輸電電線結(jié)冰厚度長(zhǎng)時(shí)間保持在50mm以上，貴州銅仁地區(qū)高壓輸電電線結(jié)冰厚度甚至高達(dá)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(yáng)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(zāi)對(duì)人們生活的最大影響，莫過(guò)于有多座500kV的輸電主干線路鐵塔嚴(yán)重?fù)p壞或倒塌。

當(dāng)前500kV高壓輸電線路所用導(dǎo)線的標(biāo)稱截面為400/35，400表示導(dǎo)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(dǎo)線的自重是1.511kg/m。每相導(dǎo)線有4根，一條線路為3相導(dǎo)線，共12根導(dǎo)線，另外還有兩根避雷線。

我們先取一根這種導(dǎo)線進(jìn)行研究：

1m導(dǎo)線上覆上一層冰后增加的質(zhì)量計(jì)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(dǎo)線直徑，冰的密度為0.9g/ cm³。

按南方常規(guī)的氣象條件，設(shè)計(jì)時(shí)取的覆冰最大厚度（簡(jiǎn)稱冰厚）為10mm。由上面的計(jì)算公式可知，1m導(dǎo)線覆上10mm厚的冰后增加的質(zhì)量是1.04kg。

由此，每1m導(dǎo)線的上覆冰后的質(zhì)量為：

1.511 kg +1.04 kg＝2.551kg。取兩鐵塔間平均檔距1 000m（多數(shù)為500～700m，考慮山區(qū)的連續(xù)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(dǎo)線總質(zhì)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(chǔ)即按此條件進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

當(dāng)冰厚為100mm時(shí)，代入上述公式得Δm′＝35.839 kg，此時(shí)兩鐵塔間覆冰及導(dǎo)線總質(zhì)量為:m′ =（35.839+1.511）×1 000×12＝448.2×103kg=448.2t。

由以上計(jì)算可知， m′/m =16.61倍。

而一般電力輸電線路的地面基礎(chǔ)設(shè)計(jì)只取了2.5倍的安全系數(shù)! 

另外，輸電鐵塔主要是鋼鐵結(jié)構(gòu)，而鋼鐵結(jié)構(gòu)的物理特性是熱脹冷縮，在冰凍情況下，鋼鐵構(gòu)件會(huì)因低溫而導(dǎo)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(zhuǎn)、拉倒。

北方地區(qū)冬天氣候嚴(yán)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(fēng)大，很短時(shí)間內(nèi)就把雪吹走，雖然這時(shí)候輸電設(shè)施同樣因天氣寒冷而變脆，但因?yàn)樗?，特別是導(dǎo)線上只附著積雪，沒(méi)有大量掛冰，而且在設(shè)計(jì)時(shí)冰厚取得大，一般在30mm左右。所以北方一般不會(huì)出現(xiàn)因雪災(zāi)而導(dǎo)致高壓輸電鐵塔倒塌的現(xiàn)象。

3 雪災(zāi)的常見(jiàn)防護(hù)

首先要做好道路的“融雪”工作。我國(guó)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(diǎn)比水的凝固點(diǎn)低的特點(diǎn)，實(shí)際上雪是在不斷地融化和凝固的，只不過(guò)二者速度幾乎相等，處于一種平衡狀態(tài)，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(huì)不斷融化，并越來(lái)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(jī)融雪劑，融雪效果好，沒(méi)有什么腐蝕損害，但它的價(jià)格太高，一般只適用于機(jī)場(chǎng)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(yōu)點(diǎn)是便宜，但它對(duì)大型公共基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕非常嚴(yán)重，它還會(huì)污染飲用水源，造成綠化植被大面積死亡等。美國(guó)的一些州已經(jīng)徹底禁止使用鹽來(lái)融雪，而是在機(jī)械鏟雪后，在道路上灑碳渣、粗沙、樹(shù)枝渣類物質(zhì)來(lái)防滑，同時(shí)利用這些渣類物質(zhì)的深色來(lái)吸收太陽(yáng)的能量，以幫助升高地面的溫度來(lái)融雪。使用后的碳渣、樹(shù)枝渣可以放入道邊的綠地中，成為改善綠地土質(zhì)的好幫手。

其次，做好水管、水表、水龍頭等用水設(shè)施的防護(hù)工作。根據(jù)有關(guān)條例規(guī)定，用戶戶內(nèi)的供用水設(shè)施由用戶自行管理維修。在冰雪天氣，自來(lái)水管之所以會(huì)被凍裂，主要來(lái)自三方面的原因：氣溫低導(dǎo)致自來(lái)水管里的水凝固，密度變小，體積就會(huì)變大，這樣就使勁地?fù)蚊涀詠?lái)水管，自來(lái)水管就會(huì)裂；自來(lái)水管質(zhì)量不好，是有縫鋼管；鋼材、鐵材制品在低溫的情況下會(huì)變脆，承受壓力弱，也會(huì)破裂。

家中水管、水表、水龍頭等用水設(shè)施可用棉

麻織物進(jìn)行包裹；夜晚應(yīng)關(guān)閉廚房、衛(wèi)生間對(duì)外及所有背陰房間的窗戶，保證室內(nèi)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(kāi)水龍頭使水流成線，防止夜間受凍。對(duì)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(kāi)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(shí)要采取防寒和保暖措施。在冰凍嚴(yán)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(shí)，要慢速、主動(dòng)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(jī)動(dòng)車輪胎稍許放點(diǎn)氣，以增加輪胎與路面摩擦力，也能防滑。

如果遭遇了暴風(fēng)雪突襲，除了上述注意事項(xiàng)外，還要特別注意遠(yuǎn)離廣告牌、臨時(shí)建筑物、大樹(shù)、電線桿和高壓線塔架；路過(guò)橋下、屋檐等處時(shí)，要小心觀察或者干脆繞道走，因?yàn)閺纳厦娴袈涞谋?，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(lián)合早報(bào)網(wǎng).

［2］2008年1月28日大洋網(wǎng)-廣州日?qǐng)?bào).

［3］2008年1月29日金黔在線.

［4］http://www.xinhuanet.com/xhft/20080118/ 中華網(wǎng).

［5］http://www.sina.com.cn2008年01月29日貴州都市報(bào).

［6］http://www.pep.com.cn/200406/ca463424.htm.

［7］2008年2月28日 科教新報(bào).

(欄目編輯趙保鋼)