Термический режим рек. Ледовый режим

На тепловой режим рек оказывают влияние климат и источники питания. По тепловому режиму реки делят на три основных зональных типа:

с постоянно теплой водой без сезонных колебаний температуры: Амазонка, Конго, Нигер и др.;

с сезонными колебаниями температуры воды, но не замерзающие зимой: Сена, Темза и др.;

с большими сезонными колебаниями температуры, замерзающие зимой: Волга, Амур, Макензи и др.

Последний тип можно разделить на два подтипа: реки с неустойчивым и устойчивым ледоставом. У тех и у других рек наиболее сложный тепловой режим.

У равнинных рек умеренного и субполярного климатических поясов в теплое полугодие в первой половине периода температура воды ниже температуры воздуха, а во второй половине – выше. Температуры воды по живому сечению у рек мало отличаются вследствие перемешивания. Изменение температуры воды по длине реки зависит от направления течения: оно меньше у широтных рек, нежели у рек, текущих в меридиональном направлении. У рек, текущих с севера на юг, температура повышается от истока до устья (Волга и др.), текущих с юга на север наоборот (Обь, Енисей, Лена, Макензи). Эти реки несут огромные запасы тепла в Северный Ледовитый океан, облегчая там ледовую обстановку в летне-осеннее время. У горных рек, питающихся талыми водами снегов и ледников, температура воды ниже температуры воздуха на всем протяжении, но в низовьях разница между ними сглаживается.

В зимнем периоде замерзающих рек выделяют три основные фазы: замерзание, ледостав, вскрытие. Замерзание рек начинается при температуре воздуха чуть ниже 0°С с появления кристаллов-игл, потом сала и блинчатого льда. При обильных снегопадах в воде образуется снежура. Одновременно появляются полосы льда у берегов – забереги. На перекатах – быстринах может возникнуть донный лед, который потом всплывает, образуясь блинчатым льдом, снежурой и оторвавшимися от заберегов льдинами осенний ледоход. Ледяной покров на поверхности рек устанавливается в основном в результате заторов – скопления льдин на мелководьях, в извилистых и узких местах и смерзания их друг с другом и с заберегами. Малые реки замерзают раньше больших. Подо льдом температура воды в реках почти постоянна и близка к 0°С. Продолжительность ледостава и толщина льда разная и зависит от зимних условий. Например, Волга в среднем течении покрыта льдом 4-5 месяцев, а толщина льда на ней достигает одного метра, Лена в среднем течении замерзает на 6-7 месяцев при толщине льда до 1,5-2 м. Толщина и прочность льда определяют возможность и продолжительность переправ через реки и движения по их льду – по дорогам-зимникам. При ледоставе на реках могут наблюдаться такие явления, как полыньи; динамические – на порожистых участках русла, термические – в местах выхода относительно теплых подземных вод или сброса технических вод, а также ниже плотин водохранилищ. В районах многолетней мерзлоты с сильными морозами часты речные наледи – наросты льда в виде бугров при излиянии речной воды на поверхность вследствие сужения живого сечения потока. Случаются и зажоры – закупорка живого сечения реки массой внутриводного и донного битого льда. Наконец, возможно и полное промерзание рек на северо-востоке Сибири и на Аляске в условиях многолетней мерзлоты и при отсутствии у рек подземного питания.

Вскрытие рек весной происходит через 1,5-2 недели после перехода температуры воздуха через 0°С за счет солнечного тепла и прихода теплого воздуха. Таяние льда начинается под влиянием поступающих в реку талых снеговых вод, у берегов появляются полосы воды – закраины, а при таянии снега на поверхности льда – проталины. Потом происходят подвижки льда, он разрушается, наблюдается весенний ледоход и половодье. На реках, вытекающих из озер, помимо основного речного, наблюдается вторичный ледоход, обязанный выносу озерного льда. Высота половодья зависит от годового количества снежных запасов на водосборе, интенсивности весеннего снеготаяния и дождей в этот период. На реках, текущих с севера на юг, ледоход и половодье на разных отрезках проходят разновременно, начиная с низовья; бывает несколько пиков половодий, и в целом все проходит спокойно, но растянуто во времени (например, на Днепре. Волге и др.).

На реках, текущих с юга на север, вскрытие начинается в верховьях. Волна половодья смещается вниз по реке, где все еще сковано льдом. Начинаются мощные ледоходы, часты разрушения берегов, возникает опасность для зимующих судов, например, на Северной Двине, Печоре, Оби, Енисее и др. Часто образуются ледовые заторы – торосистые нагромождения льдин, играющие роль плотин: выше их реки выходят из берегов и затапливают не только поймы, но и низкие надпойменные террасы. При этом под ледяной водой оказываются находящиеся на этих террасах населенные пункты. Так, в 2001 г. мощные ледовые заторы образовались на Лене в среднем течении, в результате чего пришлось эвакуировать население города Ленска и окружающих деревень, стоящих на первой надпойменной террасе. Часто от заторов страдает «родина Деда Мороза» – Великий Устюг, стоящий при слиянии рек Сухоны и Юга в начале Северной Двины. Для борьбы с этим стихийным бедствием созданы службы слежения за вскрытием льда и ледоходами и специальные подразделения, которые бомбят и взрывают ледовые заторы для расчистки русел ото льда.

Ледовый режим – совокупность закономерно повторяющихся процессов возникновения, развития и разрушения ледяных образований на водных объектах. Выделяют следующие основные типы Л.р.:

1) ледяные образования и ледовые явления отсутствуют. Этот тип характерен для тропических широт;

2) наблюдаются ледовые явления, но ледостав отсутствует (преимущественно горные районы субтропического пояса);

3) наблюдается неустойчивый ледостав (умеренный климат западных побережий материков);

4) ежегодно в зимний период наблюдается устойчивый ледостав различной длительности (субарктический и умеренный пояс);

5) ледостав в течение всего года (встречается только у озер арктического пояса и близкого к нему климата высокогорий).

Для 4-ого типа, занимающего подавляющую часть территории России, выделяют три основных фазы Л.р.: замерзания, ледостава и вскрытия.

Фазам Л.р. соответствуют характерные периоды Л.р. — осенних ледовых явлений, ледостава, весенних ледовых явлений. Замерзание — фаза Л.р., характеризующаяся образованием ледяного покрова на водотоках и водоемах. Период замерзания начинается с появления льда и заканчивается образованием ледостава. Различают процессы ледообразования (появление плавучего льда) и формирования сплошного ледяного покрова. Ледообразование происходит при кристаллизации воды в любой точке водной толщи и на дне, а образование сплошного ледяного покрова происходит как за счет замерзания воды на поверхности, так и за счет смерзания всплывших масс льда, заберегов и льда, приносимого течением или дрейфом. По характеру образования ледяного покрова выделяют два типа: статический и динамический. Статический тип замерзания характерен для мелководных и небольших по площади озер, водохранилищ, прудов, участков небольших рек и каналов с медленным течением. В поверхностном слое формируются кристаллы льда в виде тонких прозрачных игл, скопления которых создают матовые пятна (сало), у берегов на мелководье формируются забереги, постепенно нарастающие от берега к глубоководной части. При спокойных условиях замерзания они имеют ровную поверхность и небольшую начальную толщину. Дальнейшее их распространение и примерзание к ним плавающих ледяных образований приводит к установлению сплошного ледяного покрова. Динамический тип замерзания характеризуется интенсивным перемешиванием, остывание воды происходит по всей глубине перемешиваемого слоя, что способствует переохлаждению всей толщи и заносу на глубину ядер кристаллизации. Образующийся при этом внутриводный лед может превышать количество льда, образующегося на поверхности. На дне образуются скопления донного льда. Смерзание плавающих на поверхности ледяных образований и обломков льдин увеличивает количество ледяного материала и в конце концов приводит к образованию сплошного ледяного покрова. Динамический тип замерзания характерен для участков рек с быстрым течением, для озер и водохранилищ — с интенсивным ветровым перемешиванием. При большой скорости течения — более 1,6—1,8 м/с (горные реки) — сплошной ледяной покров может не образоваться. Река несет большое количество шуги, при остановке шуги образуются временные ледяные перемычки, могут формироваться зажоры. Период замерзания называют также периодом осенних ледовых явлений, во время которого наблюдается наибольшее разнообразие ледяных образований и фаз развития ледового режима.

Ледостав — фаза Л.р., характеризующаяся наличием неподвижного ледяного покрова, период, в течение которого наблюдается неподвижный ледяной покров. В первые дни ледостава, когда лед еще тонок, и тепловой поток от воды в воздух значительно превышает приток тепла из водной толщи к поверхности, нарастание льда происходит сравнительно быстро. В дальнейшем, по мере увеличения толщины льда и нарастания слоя снега на льду, процесс замедляется. При установлении равновесия между расходом тепла через снего-ледяной покров и притоком его к нижней поверхности льда рост толщины льда снизу прекращается. Во вторую половину зимы может наблюдаться значительное нарастание льда за счет смерзания насыщенного водой снега, когда в результате прогибания льда под тяжестью снеговой массы вода выходит на поверхность через трещины. В начале весны лед начинает подтаивать снизу за счет уменьшения потерь тепла в атмосферу. После освобождения ледяного покрова от снега начинается интенсивное стаивание льда сверху. Общий слой стаивания до разрушения сплошного ледяного покрова на озерах и водохранилищах достигает 25—50% первоначальной толщины.

Вскрытие — фаза Л.р., характеризующаяся разрушением ледяного покрова. Начало разрушения ледяного покрова происходит под влиянием термических факторов — подтаивания льда снизу за счет уменьшения потерь тепла в атмосферу. После освобождения ледяного покрова от снега начинается интенсивное стаивание льда сверху. Механические факторы либо дополняют процессы термического разрушения льда, либо являются главной причиной вскрытия водотоков и водоемов. К механическим факторам относится движение воды подо льдом, создающее постоянное усилие, приложенное к нижней кромке льда и направленное вниз по течению, а также весенний подъем уровня, создающий усилие, направленное вверх, отрывающее лед у берегов, создающее прогиб ледяного покрова. Значительную роль во взломе льда весной на больших озерах и водохранилищах играет ветер, часто взламывающий лед, ослабленный таянием, или смещающий ледяные поля. Разрушение льда усиливается при образовании открытых водных пространств — к работе ветра добавляется воздействие волн, разрушение льдин во время дрейфа и т.п. Появление весенних ледяных образований и развитие ледовых явлений на реках, озерах и водохранилищах существенно влияет на быт прибрежного населения и условия работы различных сфер хозяйственной деятельности, прямо или косвенно связанных с водными объектами. Отдельные элементы Л.р. относятся к числу опасных и нежелательных природных явлений (зажоры и заторы).