Термический и ледовый режим рек

 

Термический режим

Термический режим рек формируется в результате теплообмена водной массы с окружающей средой, который происходит по границе раздела воды с атмосферой и грунтами. Теплообмен протекает различно при открытой водной поверхности и при ледяном покрове.

При наличии ледяного покрова интенсивность теплообмена между атмосферой и водной массой резко снижается. Лед и выпадающий на него снег уже при толщине 10—20 см практически прекращают доступ к водс лучистой энергии Солнца и исключают встречное излучение атмосферы, прекращается конденсация и испарение с водной поверхности, нарушается турбулентный обмен тепла между водной массой и атмосферой. В результате теплообмен осуществляется через толщу ледяного и снежного покрова путем теплопроводности.

Соотношения между составляющими теплового баланса меняются вместе с метеорологическими условиями. В среднем же каждому сезону свойственны определенные соотношения между приходом и расходом тепла, что и обусловливает типические черты температурного режима речных вод. Перенос тепла в толщу потока, поступающего на поверхность раздела воды с атмосферой и грунтами, осуществляется главным образом в процессе турбулентного перемешивания, свойственного рекам. Некоторую роль в распространении тепла вглубь потока, особенно в застойных участках рек, играет непосредственное проникновение солнечной энергии в воду. В зависимости от цвета и мутности воды таким путем поступает на глубину 1 м от 1 до 30 %, а на глубину 5м — от 0 до 5 % падающей. на поверхность воды лучистой энергии.

Изменение температуры воды во времени. Изменение составляющих теплового баланса реки в течение суток, сезона, года вызывает соответствующее колебание температуры воды в реках.

Суточный ход температуры воды наиболее четко выражен в теплую часть года. Наибольшая амплитуда суточных колебаний наблюдается летом, когда днем вода нагревается под действием солнечного тепла, а ночью остывает в результате преобладания эффективного излучения. Минимальные температуры летом наблюдаются в утренние часы перед восходом Солнца, а максимальные - в 15—17 ч.

Амплитуда суточных колебаний температуры воды зависит от широты места, водности реки, погодных условий. В северных районах суточная амплитуда меньше вследствие меньшей длительности ночи (ночного выхолаживания) и не превышает 1 °С на больших реках. К югу амплитуда возрастает до 2—3°С. Амплитуды для рек с большими расходами воды из-за большой тепловой инерции меньше, чем для маловодных рек; при ясной погоде амплитуда больше, чем при облачной. Годовой ход температуры воды также тесно связан с изменением теплового балапса. После вскрытия реки температура воды повышается и достигает максимума в июле, реже в августе, а затем понижается, достигая минимума в начале ледостава. В период нагревания воды в первую половину лета температура ее несколько ниже температуры воздуха, а в период охлаждения, наоборот, выше.

Средняя годовая температура воздуха обычно ниже средней годовой температуры воды, так как в реке вода не охлаждается ниже 0 °С в зимний период, тогда как воздух может иметь отрицательную температуру.

Распределение температуры по живому сечению. Турбулентный характер течения воды в реках придает в общем однородность распределению температуры воды по живому сечению. Вместе с тем в различные сезоны года существуют некоторые особенности в распределении температуры как по ширине, так и по глубине рек. Температура воды большинства рек в период нагревания в прибрежной части выше, чем на стрежне, в период охлаждения — ниже. Это вызывается обычно меньшей глубиной и турбулентностью течения у берегов по сравнению со стрежнем. Кроме того, грунт берегов нагревается быстрее и передает тепло прибрежным струям. Разность температуры у берегов и на стрежне больших рек может достигать 3—4 °С.

Наибольшие изменения температуры по поперечному профилю (до 8—9°С) происходят под влиянием приточности, если воды притоков теплее или холоднее воды главной реки. Изменения температуры по глубине выражены значительно слабее и при этом более отчетливо в псриод нагрева и менее отчетливо в период охлаждения. В период весеннего половодья температура воды с глубиной понижается, но различия у поверхности и дна не пре-вышают 0,5 °С. Летом наблюдается более значительное понижение температуры с глубиной, достигающее 2—3 °С, а иногда и 5 °С. Осснью и зимой устанавливается обратиое изменение температуры по глубине, связанное с приходом тепла с грунтовыми во-дами и от дна. Амплитуда изменения температуры воды по глубине невелика и не превышает 0,5°С.

Изменение температуры по длине реки. Изменения температуры воды в реках по их длине зависят от характера питания, приточности, особенностей теплового режима и свойств ландшафтных зон, по которым протекает река.

Почти на всех реках наименьшая температура наблюдается у истока и повышается на некотором удалснии вниз по течению.

На реках, текущих с юга на север, в период нагрева (с апреля—мая по июль) это повышение особенно заметно в степной и лесостепной зонах, где нагрев речных вод происходит наиболее интенсивно и притоки, протекающие в этих зонах, несут более теплые воды, чем главная река. При переходе из лесостепной зоны в лесную и далее к северу температура воды понижается. В период охлаждения происходит выравнивание температуры воды по длине реки.

На реках, текущих с севера на юг, температура воды непрерывно повышается от истоков к устью, если только река не принимает притоков с более холодной водой.

На реках, текущих в широтном направлении, температура воды мало меняется, за исключением верховьев, где температура повышается на некотором расстоянии от истока. Это же явление наблюдается вообще на небольших реках.

На горных реках температура также повышается вниз по течению, но положение границы ее повышения меняется в течение года. Летом повышение температуры происходит на всем протяжении реки до устья. Весной и осенью, а на некоторых реках и зимой, повышение температуры прекращается при выходе из предгорий.

На температуру воды рек, вытекающих из озер, большое влияние оказывает температура озерных вод, причем чем больше водная масса озера, тем на большее расстояние распространяется это влияние. Так, влияние холодных вод оз. Байкал на температуру воды р. Ангары в теплый период года заметно на расстоянии 1170 км от истока.

Термический режим рек на отдельных участках в значительной мере может определяться хозяйственной деятельностью человека. Сброс в реки теплых промышленных вод нарушает их естественный тепловой режим.

При движении воды по руслу одновременно переносится и тепло, содержащееся в воде. Тепловой сток рек представляет собой количество тепла, переносимого ее водами за какой-либо интервал времени. Для подсчета теплового стока O рек за год необходимы сведения о средних месячных значениях температуры tср и расхода воды Qср в замыкающем створе. Тепловой сток реки рассчитывается по уравнению

O = с p W tср

где с и р — теплоемкость и плотность воды; W — объем стока; tср — средняя температура воды за расчетный интервал времени.

Ледовый режим рек

Ледовый режим рек представляет собой совокупность закономерно повторяющихся процессов возникновения, развития и разрушения ледяных образований на реке. В ледовом режиме рек можно выделить три фазы: замерзание — образование ледяного покрова, ледостав — наличие ледяного покрова и вскрытие — разрушение ледяного покрова.

Замерзание начинается с появления на реке первых ледяных образований и заканчивается образованием ледостава. За продолжительность ледостава принимают период времени, в который река на всем протяжении или на рассматриваемом участке покрыта сплошным неподвижным льдом. Фаза вскрытия занимает время от начала разрушения льда до полного его исчезновения с поверхности реки.

Замерзание

Появлению ледяных образований на реках предшествует период времени с отрицательным тепловым балансом, приводящим к охлаждению поверхности воды до 0°С и ниже. Последнее раньше всего наступает на мелководных участках близ берегов,. а также в застойных местах, поэтому они являются первыми очагами ледяных образований. Здесь возникают забереги — полосы льда, смерзшиеся с берегами реки при незамерзшей основной части водного пространства. Забереги бывают первичные, постоянные и наносные. Первичные забереги возникают в тихие морозные ночи; днем при повышении температуры воздуха они обычно исчезают или взламываются волнением. По мере усиления морозов образуются постоянные забереги. Они постепенно растут в ширину и толщину до тех пор, пока не наступит ледостав. На крупных реках во время осеннего ледохода плывущие по реке лед и шуга прибиваются к берегу, примерзают к нему и образуют наносные забереги, обычно с неровной поверхностью.

Одновременно с заберегами, а иногда несколько позже, на реках появляется сало — поверхностные первичные ледяные образования, состоящие из иглообразных и пластинчатых кристаллов в виде пятен или тонкого сплошного слоя. При обильном выпадении снега на незамерзшую водную поверхность образуется снежура, плывущая комковатыми скоплениями, еле возвышающимися над водой, в виде рыхлой несмерзающейся массы.

На многих реках перед началом ледостава формируется внутриводный лед — скопление первичных ледяных кристаллов, образующихся в толще воды и на дне русла при переохлаждении воды в потоке до сотых долей градуса ниже нуля. Переохлаждение воды начинается в поверхностном слое, но затем благодаря турбулентному перемешиванию распространяется на всю глубину. Степень переохлаждения и скорость его распространения ко дну будет тем больше, чем ниже температура воздуха и больше скорости потока. Процесс кристаллизации льда в переохлажденной воде значительно ускоряется при внесении в нее кристалликов льда (снежинок, твердых частиц), являющихся зародышами, или центрами дальнейшей кристаллизации. Эти зародыши могут быть занесены с поверхности воды в толщу и ко дну потока благодаря турбулентному перемешиванию или непосредственно там образовываться. Такие зародыши во множестве появляются внутри воды, придя в соприкосновение с выступами дна, прикрепляются к ним и, омываемые переохлажденной водой, продолжают расти. Скопление и рост подобных зародышей на дне реки и на подводных предметах дают начало образованию рыхлого донного льда.

Процесс кристаллизации переохлажденной воды значительно ускоряется в относительно неподвижном придонном слое толщиной, соизмеримой с высотой выступов неровностей дна, где скорости потока практически равны нулю. При кристаллизации выделяется тепло, которое препятствует этому процессу, если нет поблизости среды, способной поглощать его. При турбулентном движении водной массы тепло, выделяемое при кристаллизации, быстро уносится потоком и процесс кристаллизации развивается дальше. Вот почему местами усиленного и массового образования шуги и донного льда являются пороги и участки реки с быстрым турбулентным течением, которые не замерзают в течение зимы и вследствие этого являются местами усиленного выхолаживания воды и своего рода «фабриками» шуги и донного льда.

Современное представление о природе внутриводного льда основан на исследованиях В. М. Лохтина, В. Я. Альтберга и др. Условия образования внутриводного льда следующие: 1) переохлаждение воды ниже 0°С хотя бы на сотые доли градуса; 2) наличие ядер кристаллизации (зародышей); 3) быстрое течение воды, способствующее выравниванию температуры в живом сечении, переносу ядер кристаллизации вглубь потока и уносу тепла, выделяемого при кристаллизации; 4) наличие относительно неподвижного слоя, в котором происходит кристаллизация.

Образование внутриводного льда нередко создает большие затруднения при эксплуатации водопроводов, гидроэлектростанций, так как скопление этого льда забивает водоприемники, водопропускные решетки ГЭС и т. п. Образование внутриводного льда прекращаться с момента установления на реке сплошного ледяного покрова, препятствующего переохлаждению воды.

Одна из весьма распространенных форм ледяных образований на реках, связанных с внутриводным льдом,— шуга. Шугой называется всплывший на поверхность внутриводный лед в виде комьев, ковров, венков и подледных скоплений, в массе которого часто содержится сало, снежура и мелкобитый лед. Шуга может находиться в состоянии движения на поверхности и внутри водного потока — шугоход или в неподвижном состоянии под ледяным покровом — подледная шуга. Обычно шуга формируется в период, предшествующий ледоставу. Во время ледостава она образуется лишь на участках, свободных, от ледяного покрова, где создаются условия, благоприятные для возникновения внутриводного льда.

На горных реках образование внутриводного льда и шугоход наблюдаются ежегодно и в течение почти всей зимы. На равнинных реках наиболее интенсивное возникновение внутриводного льда происходит на участках с быстрым течением и каменистым дном (на перекатах, порогах). Обилием шуги отличаются многие реки Кольского полуострова, Карелии, реки Свирь, Нева, Ангара и др.

На шугоносных реках нередко образуются зажоры. Зажор — это скопление шуги с включением мелкобитого льда в русле реки подо льдом, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды.

Зажоры образуются в местах расположения перекатов, островов и других суженных участков русла чаще всего на северных, горных и озерных реках, забивая живое сечение русла подо льдом на 50 % й более. На Свири наблюдались случаи стеснения русла подо льдом до 86%. Выше зажора уровень воды резко поднимается, взламывая ледяной покров, и вызывает затопление прилегающих участков долины. Для борьбы с зажорными явлениями прибегают к взрывным и ледокольным работам.

На некоторых реках наблюдаются пятры — скопление донного льда, выросшие до поверхности воды, в форме усеченного конуса, малое сечение которого прикреплено ко дну, а вершина под влия-ннем морозов покрывается ледяной коркой. Располагаясь рядом в виде ледяных островов, пятры, смерзаясь своими верхушками, могут образовать ледяную запруду, способную поднять уровень воды на вышележащем участке. Пятры наблюдаются на многих реках. Их образование отмечено на порожистых участках Свири, на Волхове, на реках Кольского полуострова, на Кубани, на многих сибирских реках.

Плывущие по реке льдины и ледяные поля, сформировавшиеся в результате смерзания обломившихся заберегов, снежуры и шуги, образуют осенний ледоход. Осенний ледоход наблюдается не на всех реках. Отсутствие его характерно для малых рек и даже сравнительно крупных рек при их малой водности. На горных реках вместо ледохода наблюдается шугоход.

На больших равнинных реках России осенний ледоход бывает ежегодно и протекает сравнительно спокойно. На отдельных участках (крутые повороты, сужение русла) образуются заторы — скопление льдин в русле реки во время ледохода, вызывающие стеснение водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды. Подъемы уровня при осенних заторах относительно невелики вследствие малой водности реки в этот период.

Ледостав

Ледостав — это наличие неподвижного ледяного покрова на поверхности реки.

Малые реки, как правило, замерзают раньше больших, и ледяной покров на них образуется без осеннего ледохода, путем срастания заберегов, поэтому он обычно относительно гладкий. На больших реках часто формирование ледостава связано с возникновением заторов льда, вызывающих подпор и уменьшение скорости течения. Выше заторов при отрицательной температуре воздуха происходит смерзание отдельных льдин в ледяные поля, которые срастаются с заберегами, образуя на этом участке рски ледостав (ледяную перемычку). Ледяные перемычки постепенно удлиняются, главным образом вверх по течению, пока вся река не покроется сплошным ледяным покровом.

Ледостав при отсутствии заторов образуется на больших равнинных реках на различных участках неодновременно: сначала на плесах с малыми скоростями течения, а затем на перекатах.

В ледяном покрове иногда сохраняются участки открытой воды, называемые полыньями, образующиеся под влиянием динамических и термических факторов. Полыньи динамического происхождения возникают на участках сосредоточенного падения: порогах, стремнинах, а также в нижних бьефах ГЭС. Они распространены на реках Карелии, в северной части Русской равнины, на горных реках Сибири. Эти полыньи сохраняются иногда в течение всей зимы и являются очагами возникновения шуги, скопления которой подо льдом образуют зажоры. Полыньи термического происхождения возникают либо под влиянием относительно теплых грунтовых вод или сброса промышленных вод, либо, если река вытекает из озера, вследствие подтока более теплых вод озера.

В период ледостава на некоторых реках в районах многолетней мерзлоты часто образуются наледи — наросты льда, возникающие при замерзании речных вод, выходящих на поверхность ледяного покрова из-за закупорки водного сечения подо льдом шугой или под влиянием сильного промерзания. Наледи широко распространены на Енисее, Лене, Колыме и других реках Сибири.

В некоторых районах Северо-Востока СССР наледи образуются в результате замерзания не только речных, но и грунтовых вод, изливающихся на поверхность земли. Такие наледи формируются в долинах, на поймах рек и сохраняются в течение длительного времени, питая реки при таянии в теплый период года.

На малых реках Восточной Сибири и других районов нередко наблюдается висячий ледяной покров — так называемый сушняк. Он образуется при снижении уровня воды в реке вследствие уменьшения грунтового питания.

Ледяной покров изолирует воду от атмосферы в термическом отношепии и выполняет роль регулятора в теплообмене между водой и воздухом. Если через лед удаляется в воздух больше тепла, чем поступает к нему из воды, то толщина льда увеличивается; в противном случае лед подтаивает. Очевидно, что нарастание льда происходит до тех пор, пока не создается равновесие между теплом, передаваемым в атмосферу и поступающим из водной массы. Эту регулирующую роль ледяной покров выполняет вместе со снежным покровом, находящимся на нем. Лед значительно лучше проводит тепло, чем снежный покров, поэтому основная роль в защите водной массы от потерь тепла принадлежит снегу. Вот почему между толщинами льда hл и снега на нем hс всегда существует определенное соотношение hс / hл, равное 0,4 при плотности снега р_с = 0,2. При увеличении толщины снежного покрова это соотношение нарушается, лед погружается в воду, последняя выступает на поверхность льда, смачивает снег, замерзает и в результате толщина льда увеличивастся настолько, что восстанавливается нормальное соотношение между толщинами льда и снега. В период между снегопадами лед приобретает излишнюю плавучесть и равновесие восстанавливается с увеличением толщины снежного покрова.

Вскрытие рек

С наступлением положительного теплового баланса поверхности снега в весенний период начинается таяние снега на льду и берегах реки и на льду появляется вода, сначала у берегов, затем снег на всем ледяном покрове пропитывается талой водой, которая способствует таянию льда. Наиболее интенсивно таяние льда происходит вдоль берегов как за счет притока талых вод с водосбора реки, так и за счет потока тепла от берегов, которые нагреваются быстрее. Из-за подъема уровня воды лед несколько вспучивается и талая вода стекает с поверхности льда к берегам. Вдоль берегов образуется понижение, по которому течет вода, способствующая разрушению ледяного покрова и образованию закраин — полос открытой воды вдоль берегов, образующихся перед вскрытием в результате таяния льда и повышения уровня воды.

При дальнейшем подъеме уровня ледяной покров отрывается от берегового льда и лежит на воде, почти не скрепленный с берегами.

Местами в ледяном покрове появляются промоины — небольшие открытые участки воды в ледяном покрове, образовавшиеся перед вскрытием в местах с быстрым течением. Процесс разрушения ледяного покрова завершается быстрее па перекатах, где лед тоньше, чем на плесах, и создает там условия для подвижки льда — небольших перемещений ледяного покрова на отдельных участках реки. Таких подвижек бывает несколько. В результате ледяные поля смещаются и фронтальная часть их крошится. Большое напряжение, испытываемое ледяными полями при сдвиге, вызывает образование трещин и дальнейшее их разрушение. Появляются разводья — участки открытой воды в ледяном покрове, образовавшиеся в результате подвижек льда, отличающихся от трещин большой шириной. При дружной весне одна-две подвижки обычно приводят к ледоходу. Но часто подвижки повторяются несколько раз с интервалами до недели и более прежде, чем начнется ледоход.

В процессе вскрытия реки, описанном выше, преобладает термический фактор. Так вскрываются главным образом реки, текущие с севера на юг. Вскрытие их начинается снизу и продвигается вверх по течению. Ледоход несколько опережает волну половодья и проходит относительно спокойно. Заторы льда редки н не так мощны, хотя и превосходят заторы, наблюдающиеся в период осеннего замерзания. В низовьях таких рек ледоход чаще представляет собой движение разрозненных льдин и продолжается от 10 до 20 дней. Подобная картина наблюдалась в нижнем течении Дуная, Днепра, Дона, Волги до их зарегулирования.

Иначе протекает вскрытие на больших реках, текущих с юга на север. Здесь доминирующим фактором разрушения льда являются механические силы, вызванные интенсивным притоком воды. Половодье раньше начинается в верховьях и талая вода, продвигаясь по реке, встречает еще прочный лед, смерзшийся с берегами. Под напором возрастающих расходов воды лед вспучивается, трескается и распадается на отдельные льдины. Ледоход начинается при высоких уровнях, идет очень бурно и сопровождается мощными заторами; продолжительность его не превышает недели. Заторы льда вызывают большие подпорные подъёмы уровня. Так, затор на Енисее в 1909 г. за период, меньший суток, вызвал подъем уровня на 12, м.

Свои особенности вскрытия имеют малые реки лесной и степной зон ЕТР. В лесной зоне малые реки обладают значительным грунтовым питанием и как следствие этого на них образуется тонкий ледяной покров, покрытый мощным снежным покровом. Вскрытие таких рек сводится главным образом к таянию снежного покрова и заполнению русла талыми водами. Местный ледостав на них быстро взламывается и исчезает, создавая лишь редкий ледоход.

Малые реки степных районов с обедненным грунтовым питанием или пересыхают за зиму, и лед остается лежать на сухом дне, или перемерзают в наиболее мелких местах. Значительные массы талых вод на таких реках проходят по ледяному покрову, который взламывается и всплывает, начиная с перекатов.

В районах с распространением многолетней мерзлоты, где даже значительные реки частично или полностью промерзают, разрушение ледяного покрова происходит своеобразно. У этих рек лед в весенний период остается на дне и талые воды протекают поверх льда. Исчезновение льда характеризуется его отрывом от дна и всплыванием льдин, начиная с перекатов. Характер вскрытия более крупных рек в этих районах освещен Б. В. Зоновым. Двухслойное течение воды (под ледяным покровом и над ним), а при временных похолоданиях и трехслойное,— одна из самых ярких особенностей режима таких рек. На реках, вытекающих из озер, наблюдается ледоход, обязанный своим происхождением выносу озерного льда в реку (Нева, Свирь и др.).