Вы упустили очень важный момент: самая большая плотность воды - при температуре +4 градуса. Поэтому, прежде чем водоем начнет замерзать, вся вода в нем, перемешиваясь, охлаждается до этих самых плюс четырех, а уж затем верхний слой охлаждается до нуля и начинает замерзать. Так как лед легче воды, он не опускается на дно, а остается на поверхности. Кроме того, лед имеет очень малую теплопроводность и это резко уменьшает теплообмен между холодным воздухом и слоем воды подо льдом
