The seasonal mass transport curve of frazil slush and a hanging dam investigation in a gravel-bed river

Jenna Vergeynst Brian Morse Benoit Turcotte
NATTE VOETEN DOOR IJSWe bevinden ons in St-Raymond, een klein dorp ten noorden van Québec, Canada. Een aantal voorjaarse regendagen hebben net het einde van de lange, koude winter aangekondigd. Enkele inwoners staan op de brug over de rivier en kijken toe hoe een gigantische ijsmassa langzaam in beweging komt en hoe het water zienderogen stijgt. Een kwestie van minuten, hooguit enkele uren, weten ze…Een mooie plek langs de rivierRivieren zijn talrijk in Canada, en waren lange tijd de belangrijkste transportwegen voor de plaatselijke bevolking.

The seasonal mass transport curve of frazil slush and a hanging dam investigation in a gravel-bed river

NATTE VOETEN DOOR IJS

We bevinden ons in St-Raymond, een klein dorp ten noorden van Québec, Canada. Een aantal voorjaarse regendagen hebben net het einde van de lange, koude winter aangekondigd. Enkele inwoners staan op de brug over de rivier en kijken toe hoe een gigantische ijsmassa langzaam in beweging komt en hoe het water zienderogen stijgt. Een kwestie van minuten, hooguit enkele uren, weten ze…

Een mooie plek langs de rivierRivieren zijn talrijk in Canada, en waren lange tijd de belangrijkste transportwegen voor de plaatselijke bevolking. Ook in de winter vormden de bevroren waterwegen ideale routes om zich te verplaatsen. Oevers waren vaak de locatie bij uitstek om tijdelijke nederzettingen te bouwen. Toen de Europeanen in Canada aankwamen zagen ook zij het nut van de nabijheid van rivieren. In St-Raymond verdreven ze de indianenstammen om zich definitief langs de rivier te kunnen vestigen. Daarbij zagen ze echter over het hoofd dat ze hun huizen in een overstromingsvlakte aan het bouwen waren. Aan het einde van de 19de eeuw begonnen ingenieurs aan de rivier te sleutelen om overstromingen tegen te gaan. Oevers werden gewijzigd, eilanden verwijderd uit de rivier, zelfs de loop van de rivier werd veranderd. Zeer recent nog, in 2009, bouwde men een dijk langs de oevers. Deze dijk was bedoeld om slechts 1 keer in de 100 jaar een overstroming te laten gebeuren, maar werd al 2 keer overspoeld de laatste 6 jaar. De oorzaak is niet een rekenfout door de ingenieurs, maar wel een factor die ze niet in rekening hebben gebracht: ijs. Een andere structuur die wel gericht is op ijs, werd gebouwd met de bedoeling om ijsvorming te controleren. Ook deze structuur faalde echter meermaals. Blijkbaar is er in St-Raymond nog een moeilijker fenomeen aanwezig dan het ijs dat we aan de oppervlakte zien, namelijk frazil.

Van stroomversnelling tot hangende damStroomopwaarts van St-Raymond vormt de rivier stroomversnellingen, die ter hoogte van de stad tot rust komen in kalmer water. Zoals elders in Québec zakt de temperatuur vanaf eind november onder het vriespunt, om pas eind maart terug de positieve kant van de thermometer te zien. Ondanks de sterke vriestemperaturen, worden de stroomversnellingen niet meteen door ijs bedekt. Er worden ijsdeeltjes gevormd, maar het wilde water sleurt die deeltjes telkens mee in de diepte, zodat ze aan het oppervlak geen ijslaag kunnen vormen. Deze kleine schijfvormige kristallen die in het water zweven, noemt men frazil ijs (Figuur 1). De stroming vervoert het frazil stroomafwaarts, tot de ijskristallen in het kalmere water van de stad naar de oppervlakte drijven. Stroomafwaarts van St-Raymond bevindt zich een dam, die een overblijfsel is van een oude papierfabriek. Tegen de dam komen de frazildeeltjes tot stilstand en beginnen ze een ijslaag te vormen op de rivier. Naarmate de winter vordert en de vrieskou aanhoudt, groeit de ijslaag stroomopwaarts. En zolang de stroomversnellingen bloot staan aan de vrieskou, gaat de frazilproductie door. Een deel van het frazil wordt echter ook onder de ijslaag gezwiept en begint zich daar op te stapelen. Aangezien de ijspartikels lichter zijn dan water, plakken ze tegen de onderzijde van het ijs. Daarom wordt de gevormde ijsstructuur, die bestaat uit ijs met daaronder een dikke frazilafzetting, een hangende dam genoemd (Figuur 2). Dit vormt als het ware een prop in de rivier waar het water nog amper doorheen kan stromen, een vergelijkbaar effect als een dam die water tegenhoudt.

Meten is wetenNieuw onderzoek van Université Laval is erop gericht doeltreffende maatregelen in kaart te brengen om de wateroverlast in St-Raymond te verminderen. Hiertoe werd in de winter van 2014-2015 een veldonderzoek uitgevoerd om de hoeveelheid frazil te meten die de rivier produceert en naar de stad vervoert en die daar onder het ijs opslaat.

Een dag op het veld om transport van frazil te meten zag er uit als volgt. We kwamen toe op de meetplaats voor zonsopgang, rond 5u in de ochtend, voorzien van lieslaarzen, een koplamp, waterdichte handschoenen, een chronometer, een weegschaal en het meetinstrument om het frazildebiet te meten. Dit laatste bestond uit een baar met 3 ringen waarrond telkens een nylonkous gespannen was (Figuur 3). Daarmee kon op 3 verschillende dieptes de hoeveelheid frazil gemeten worden die in de nylonkousen opgevangen werd. Hiertoe waadden we door de rivier om op verschillende plaatsen over de volledige breedte te kunnen meten. Meten voor zonsopgang was noodzakelijk om het effect van het koudste moment te zien, namelijk de nacht. In de stad zelf werd met behulp van boorgaten in het ijs de dikte van de frazilafzetting gemeten op een honderdtal locaties van de hangende dam.

Op basis van drie aanvullende methoden werd de massa frazil in de hangende dam geschat tussen 300 000 en 420 000 ton. Deze allereerste schatting van de frazilmassa in een hangende dam geeft een idee van de omvang van het probleem, noodzakelijk om maatregelen te bepalen. Zo kan men inschatten hoeveel warmte nodig zou zijn om deze hoeveelheid frazil te smelten. Ook kunnen deze cijfers gebruikt worden als maatstaf voor modellen. De vermindering in frazilmassa die een maatregel teweeg brengt kan dan een maat zijn voor de doeltreffendheid ervan. Het verband tussen de oppervlakte aan stroomversnellingen (waar de frazilproductie plaatsvindt) en de omvang van de hangende dam, kan ook gebruikt worden om in andere gelijkaardige rivieren de problemen een stapje voor te zijn.

Droge voeten in St-RaymondMet de resultaten van de metingen in de rivier en de boringen in het ijs kan het onderzoeksteam van Université Laval nu verder aan de slag in de zoektocht naar oplossingen voor St-Raymond. Koude voeten zijn niet weg te denken uit het veldonderzoek op ijs. Hopelijk leidt dat voor de inwoners van St-Raymond op een dag tot droge voeten!

Bibliografie

 

Anctil F., Rousselle J. & Lauzon N. (2005). Hydrologie: cheminements de l'eau. Presses interPolytechnique. ISBN 2553011512.Arcone S. A., Brockett B. E., Lawson D. E. & Jr., Chacho E. F. (1987). Evaluation of themagnetic induction conductivity method for detecting frazil ice deposits. USA Cold RegionsResearch & Engineering Laboratory, CRREL Report 87-17.Ashton G. D. (1986). River and lake ice engineering. Water Resources Publication, Littleton,CO. ISBN 0918334594.Beltaos S. (2013). River ice formation. Committee on River Ice Processes and the Environment,Canadian Geophysical Union Hydrology Section, Edmonton, Alberta, Canada.Beltaos S. & Dean A. M. (1981). Field investigations of a hanging ice dam. In Proceedings,International Association for Hydraulic Research Symposium on Ice, 27-31 July, QuebecCity, vol2, pp. 457-488.Benyahya L., Caissie D., Satish M. G. & El-Jabi N. (2012). Long-wave radiation and heat

ux estimates within a small tributary in Catamaran Brook (New Brunswick, Canada).Hydrological Processes, 26(4):475-484.Bolz H. M. (1949). Die Abhangigkeit der infraroten Gegenstrahlung von der Bewolkung. MeteologischeZeitschrift, 3:201-203.Brockett B. E. & Sellmann P. V. (1986). Development of a frazil ice sampler. USA ColdRegions Research & Engineering Laboratory, Special Report 86-37.Brunt D. (1932). Notes on radiation in the atmosphere. Quarterly Journal of the RoyalMeteorological Society, 58:389-418.Chacho Jr. E. F., Brockett B. E. & Lawson D. E. (1989). Cryogenic sampling of frazil icedeposits. USA Cold Regions Research & Engineering Laboratory, Special Report 89-28.Cheng N.-S. (2007). Power-law index for velocity proles in open channelflows. Advances in Water Resources, 30(8):1775-1784.Daly S. F. (1994). Report on Frazil Ice. CRREL Special Report 94-23. U.S. Army Corps ofEngineers, Engineering Research & Development Center, Cold Regions Research and EngineeringLaboratory, Hanover, N.H.Dean A. M. (1977). Remote sensing of accumulated frazil and brash ice in the St. LawrenceRiver. USA Cold Regions Research & Engineering Laboratory, CRREL Report 77-8.Dube M., Turcotte B. & Morse B. (2014). Inner structure of anchor ice and ice dams in steepchannels. Cold Regions Science and Technology, 106-107:194-206.

Foltyn E. P. (1990). Laboratory and eld tests of a wire mesh frazil collector. USA ColdRegions Research & Engineering Laboratory, Special Report 90-35.

 

Ford J. S. (1984). Progress report frazil ice recorder. Engineering Services Section Hydraulics

Division.

Franca M. J., Ferreira R. M. & Lemmin U. (2008). Parameterization of the logarithmic layer

of double-averaged streamwise velocity proles in gravel-bed river 

flows. Advances in Water Resources, 31(6):915-925.

Ghobrial T. R., Loewen M. R. & Hicks F. (2012). Laboratory calibration of upward looking

sonars for measuring suspended frazil ice concentration. Cold Regions Science and Technology,

70:19-31.

Gold L. W. & Williams G. P. (1963). An unusual ice formation on the Ottawa River. Journal

of Glaciology, 4(35):569-573.

Kempema E. W. & Ettema R. (2009). Variations in anchor-ice crystal morphology related to

river flow characteristics. In CGU HS Committee on River Ice Processes and the Environment,

15th Workshop on River Ice, St. John's, Newfoundland and Labrador, June 15-17, pp.

159-168.

Kerr D. J., Tao H. & Daly S. F. (2002). Evolution and hydraulic resistance of anchor ice on

gravel bed. Cold Regions Science and Technology, 35:101-114.

Lane E. W. & Carlson E. J. (1953). Some factors aecting the stability of canals constructed

in coarse granular materials. In Proceedings of the Minnesota International Hydraulics Convention,

Minneapolis.

Lawson D. E. & Brockett B. E. (1990). In-situ sampling and characterization of frazil ice

deposits. Cold Regions Science and Technology, 17:193-205.

Lawson D. E., Chacho Jr. E. F. & Brockett B. E. (1986). Sub-ice channels and longitudinal

frazil bars, ice-covered Tanana River, Alaska. In Proceedings, International Association for

Hydraulic Research Symposium on Ice, Iowa City, August 18-22.

Leclerc A. (1966). Riviere Sainte-Anne a Saint-Raymond, Inondation des 21-22 decembre 1957,

Etude hydrologique. Rapport No 2-8. Technical report.

Lever J. H., Daly S. F., Rand J. H. & Fu D. (1992). A frazil ice concentration meter. In

Proceedings, International Association of Hydraulic Research Symposium on Ice, 15-19 June,

Ban, Alberta, pp. 1362-1376.

List R. (1951). Smithsonian Meteorological Tables. Smithsonian Institution, Washington, DC.

Marko J. R. & Jasek M. (2009). Estimation of frazil particle size and concentration from

SWIPS measurements in the Peace River : an assessment of options and prospects. In CGU

HS Committee on River Ice Processes and the Environment, 15th Workshop on River Ice,

St. John's, Newfoundland and Labrador, June 15-17, 2009, pp. 1-13.

Marko J. R. & Jasek M. (2010). Frazil monitoring by multi-frequency Shallow Water Ice

Proling Sonar (SWIPS): present status. In 20th IAHR International Symposium on Ice,

Lathi, Finland, June 14 to 18, 2010.

 

MDDELCC (2015). Donnees du Programme de Surveillance du climat. Direction du suivi de

l'etat de l'environnement, Ministere du Developpement durable, de l'Environnement et de la

Lutte contre les changements climatiques, Quebec.

Meinel A. B. & Meinel M. P. (1976). Applied solar energy. Addison Wesley Publishing Co.

Michel B. & Drouin M. (1975). Equilibrium of an underhanging dam at the La Grande River.

Technical report, Departement Genie Civil, Universite Laval, Quebec city, Canada.

Michel B. & Drouin M. (1981). Courbes de remous sous les couverts de glace de la Grande

Riviere. Canadian Journal of Civil Engineering, 8:351-363.

Morse B. & Richard M. (2009). A field study of suspended frazil ice particles. Cold Regions

Science and Technology, 55(1):86-102.

Morse B. & Richard M. (2010). Corrigendum to: A field study of suspended frazil ice particles

[Cold Regions Science Technology. Volume 55/1 (2008) pp. 86-102]. Cold Regions Science

and Technology, 61(2-3):143-145.

O'Neill K. & Ashton G. D. (1981). Bottom heat transfer to water bodies in winter. USA Cold

Regions Research & Engineering Laboratory, CRREL Special Report 81-18, p. 8.

Osterkamp T. (1978). Frazil ice formation: a review. ASCE, Journal of the Hydraulics Devision,

104(HY9):1239-1253.

Rand J. (1982). The CRREL 2-inch frazil ice sampler. USA Cold Regions Research & Engineering

Laboratory, Special Report 82-9.

Richard M. & Morse B. (2008). Multiple frazil ice blockages at a water intake in the St.

Lawrence River. Cold Regions Science and Technology, 53(2):131-149.

Richard M., Morse B., Daly S. F. & Emond J. (2011). Quantifying suspended frazil ice using

multi-frequency underwater acoustic devices. River Research and Applications, 27(9):1106-

1117.

Richard M., Morse B., Edmond J. & Daly S. F. (2009). Suspended frazil ice detection using

multi-frequency underwater acoustic devices. In CGU HS Committee on River Ice Processes

and the Environment, 15th Workshop on River Ice, St. John's, Newfoundland and Labrador,

June 15-17, 2009.

Ryan P. J., Harleman D. R. F. & Stolzenbach K. D. (1974). Surface heat loss from cooling

ponds. Water Resources Research, 10(5):930-938.

Shen H. T. & Wang D. S. (1995). Under cover transport and accumulation of frazil granules.

Journal of Hydraulic Engineering, 121(2):184{195.

Stickler M. & Alfredsen K. (2005). Factors controlling anchor ice formation in two Norwegian

rivers. In CGU HS Committee on River Ice Processes and the Environment, 13th Workshop

on the Hydraulics of Ice Covered Rivers, Hanover, NH, September 15-16.

Sui J., Hicks F. E. & Menounos B. (2006). Observations of riverbed scour under a developing

hanging ice dam. Canadian Journal of Civil Engineering, 33:214-218.

Sui J., Karney B. W., Sun Z. & Wang D. (2003). Field investigation of frazil jam evolution: a

case study. 128(8):781-787.

 

Sun Z. & Shen H. T. (1988). A field investigation of frazil ice jam in Yellow River. In Proceedings

of the 5th Workshop on Hydraulics of River Ice/Ice Jams, June, Winnipeg, Manitoba, pp.

157-175.

Tremblay P., Leconte R., Lacey R. W. J. & Bergeron N. (2013). Anchor ice cycles: observations

from a eld study on the Stoke River. In CGU HS Committee on River Ice Processes and

the Environment, 17th Workshop on River Ice, Edmonton, Alberta, June 15-17.

Turcotte B. & Morse B. (2011). Ice processes in a steep river basin. Cold Regions Science and

Technology, 67(3):146-156.

Turcotte B., Morse B., Bergeron N. E. & Roy A. G. (2011). Sediment transport in ice-aected

rivers. Journal of Hydrology, 409(1-2):561-577.

Turcotte B., Morse B., Dube M. & Anctil F. (2013). Quantifying steep channel freezeup

processes. Cold Regions Science and Technology, 94:21-36.

White K. D. (1991). Determining the intrinsic permeability of frazil ice Part 1: laboratory

investigations. USA Cold Regions Research & Engineering Laboratory, CRREL Report 91-

23.

White K. D. & Lawson D. E. (1992). Determining the intrinsic permeability of frazil ice Part 2:

eld investigations. USA Cold Regions Research & Engineering Laboratory, CRREL Report

92-7.

WMO (2008). Guide to meteorological instruments and methods of observation. (Appendix

4B, WMO-No. 8, CIMO Guide, Geneva).

Wuebben J. L. (1984). The rise pattern and velocity of frazil ice. In Proceedings of the 3rd

Workshop on the Hydraulics of Ice Covered Rivers, Fredericton, Canada. URL www.cripe.

ca.

Wunderlich W. (1972). Heat and mass transfer between a water surface and the atmosphere.

Tennessee Valley Authority Oce of Natural Resources and Economic Development Division

of Air and Water Resources Water Systems Development Branch

Universiteit of Hogeschool
Bio-ingenieurswetenschappen
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Deel deze scriptie