Распределение скоростей течения в потоке.

Скорости течения в реках неодинаковы в различных точках потока: они изменяются и по глубине, и по ширине живого сечения. На каждой отдельно взятой вертикали наименьшие скорости наблюдаются у дна, что связано с влиянием шероховатости русла. От дна к поверхности нарастание скорости сначала происходит быстро, а затем замедляется, и максимум в открытых потоках достигается у поверхности или на расстоянии 0,2 H от поверхности. Кривые изменения скоростей по вертикали называются годографами или эпюрами скоростей (см. вопрос 39).

На распределение скоростей по вертикали большое влияние оказывают неровности в рельефе дна, ледяной покров, ветер и водная растительность. При наличии на дне неровностей (возвышения, валуны) скорости в потоке перед препятствием резко уменьшаются ко дну. Уменьшаются скорости в придонном слое при развитии водной растительности, значительно повышающей шероховатость дна русла. Зимой подо льдом, особенно при наличии шуги, под влиянием добавочного трения о шероховатую нижнюю поверхность льда скорости малы. Максимум скорости смещается к середине глубины и иногда расположен ближе ко дну. Ветер, дующий в направлении течения, увеличивает скорость у поверхности. При обратном соотношении направления ветра и течения скорости у поверхности уменьшаются, а положение максимума смещается на большую глубину по сравнению с его положением в безветренную погоду.

По ширине потока скорости как поверхностная, так и средняя на вертикалях меняются довольно плавно, в основном повторяя распределение глубин в живом сечении: у берегов скорость меньше, в центре потока она наибольшая.

 

 

Основные формы изгиба русла рек

 

См. вопрос 33

 

 

Зимний режим рек

 

Замерзание рек. Перед ледоставом на поверхности реки появляется сало – поверхностные первичные ледяные образования, состоящие из иглообразных пластинчатых кристаллов в виде пятен или тонкого сплошного слоя. С наступлением холодов, примерно за 12 – 20 дней до полного ледостава появляются забереги – полосы льда, смерзшиеся с берегами водных объектов при незамерзшей основной части водного пространства. Забереги увеличиваются до определенной ширины, после чего их края из-за постоянного воздействия плывущих льдин резко обозначаются сплошным валом битого измельченного льда. Такие забереги (по которым можно судить о направлении судового хода) на Волге получили название утор.

В этот же период на реке появляется так называемая снежура – скопление снега, плавающего в воде. Снежура при таянии поглощает часть тепла, вызывая охлаждение воды и ускоряя процесс образования льда. На реках ледоставу предшествует образование внутриводного льда – скопления первичных ледяных кристаллов, образующихся в толще воды и на дне водного объекта.

Донный лед – внутриводный лед, образовавшийся на дне водного объекта. Наиболее распространена гипотеза образования донного льда в связи с турбулентным движением воды. По этой гипотезе переохлажденные на несколько градусов частицы воды и кристаллы льда увлекаются на дно, где, кристаллизуясь, образуют массы рыхлого льда. Будучи легче воды, донный лед отрывается от дна и всплывает на поверхность, образуя льдины. Большие массы этого льда, всплывая на поверхность, иногда увлекают за собой крупные камни, якоря, металлический лом, кабели.

Шуга – всплывший на поверхность или занесенный в глубь потока внутриводный лед в виде комьев, ковров, венков и подледных скоплений. Иногда за шугу принимают плывущую снежуру.

Шугоход – движение шуги на поверхности и внутри водного потока. Термину «шуга» часто придают более широкий смысл, включая сюда непосредственно шугу, снежуру и ледовую кашу – массы мелкобитого льда, принесенного течением. Шуга сильно затрудняет судоходство и опасна, так как, прилипая к корпусу судна, образует под днищем большой слой льда. Густота ее увеличивается с понижением температуры воздуха. Стоящие суда могут примерзнуть к грунту, так как шуга может забить свободное пространство под днищем.

По мере снижения температуры и увеличения количества шуги из нее образуются осенние льдины, дающие начало осеннему ледоходу. Осенние льдины небольшие, но крепкие и имеют острые края. Они опасны для судов и сооружений, особенно деревянных, так как легко могут их прорезать. С увеличением количества льдин и шуги продвижение их затрудняется. Встретив препятствие, масса льда останавливается и смерзается. Наступает ледостав – фаза ледового режима, характеризующаяся наличием ледяного покрова. При ледоставе ледяные поля под воздействием течения напирают друг на друга, образуя торосы – ледяные бугры, идущие поперек реки.

Зимний режим реки. Поверхностный лед, создавая дополнительные сопротивления движению речного потока, изменяет характер уровней и скоростей течения. После ледостава нижняя поверхность льда усиливает сопротивление движению воды, в результате чего пропускная способность живого сечения снижается. В связи с этим происходит подъем уровней. Вода через трещины выступает на лед. Эту воду называют «черной водой», так как на белом первом снегу она выглядит черной. Подъем уровней достигает на некоторых реках 2м. Наибольший подъем бывает в начале ледостава из-за большой шероховатости ледяного покрова. Затем шероховатость сглаживается и ледяной покров оказывает потоку меньшее сопротивление.

При прибыли воды после ледостава, когда лед еще непрочно смерзается с заберегами, может произойти подвижка льда – небольшие перемещения ледяного покрова на отдельных участках реки или водоема. При этом все ледяное поле смещается вниз по течению, причем наблюдается большое нагромождение льда. Подвижка продолжается до тех пор, пока лед окончательно не остановится. Осенние подвижки очень опасны для судов, так как вместе со льдом могут быть унесены целые караваны судов. Чаще всего они наблюдаются на Ангаре и Енисее.

Сильный подъем уровней вызывают зажоры – скопление шуги с включением мелкобитого льда в русле реки, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды. Зажоры появляются чаще всего на реках или участках рек с быстрым течением: Ангаре, Неве, Амударье, Свири, Волхове и т. д. Высота зажорных подъемов уровня обычно не превышает 3 – 4 м (но известны случаи, когда уровень повышался на 6 – 7 м), причем такие уровни стоят 1,5 – 2 мес. Зимние наводнения при зажорах имеют очень тяжелые последствия.

На реках с быстрым течением возникают столбы из донного льда – пятры, иначе – скопления донного льда, выросшие до поверхности воды. Расширенная шапка их выходит на поверхность реки. Пятры прочно скрепляются с дном, выдерживая скорость воды более 3 – 4 м/с. Располагаясь рядом и смерзаясь шапками, пятры могут образовать ледяные плотины и вызвать подъем уровней воды.

На некоторых наших южных и европейских реках иногда бывают зимние паводки. При таких паводках уровень воды поднимается на 6 – 8 м. Лед, не выдерживая напора воды, ломается и вода устремляется на пойму. Зимние паводки возникают лишь тогда, когда зимой при достаточно высоком снежном покрове наступает сильное потепление и выпадают обильные дожди, которые насыщают снег влагой и ускоряют его таяние. В мерзлую почву вода почти не просачивается и мощным потоком устремляется в реки, вызывая быстрый подъем уровня.

В зимний период запас грунтовых вод истощается, поэтому уровни воды снижаются, а ледяной покров прогибается и обламывается у берегов – происходит оседание льда.

В период ледостава образуются наледи – наросты льда, возникающие при замерзании подземных вод, изливающихся на поверхность земли, или речных вод, выходящих на поверхность ледяного покрова. Вода также может выступить на лед вследствие оседания его под тяжестью снега, из родников и незамерзающих источников. Большие наледи значительной толщины образуются в устьевых участках притоков, которые промерзают до дна. Наледи распространены на северо-восточных реках. Толщина их может превышать 5 м. При выборе места зимовки следует избегать участков, где могут быть наледи, так как они опасны для судов.

В начальный период ледостава между остановившимися ледяными полями возникают полыньи – пространства открытой воды в ледяном покрове, образующееся под влиянием динамических и термических факторов. С наступлением морозов они покрываются ровным, чистым льдом. Незамерзающие полыньи встречаются в местах с очень быстрым течением, обычно на порогах. Более устойчивы полыньи, образующиеся в истоках рек, вытекающих из озер, на перекатах за длинными глубокими плесами. В данном случае вода, выходя из озер и плесов, из-за турбулентного перемешивания имеет температуру выше 0°С. Полыньи наблюдаются в истоках Невы, Ангары, Свири, Волхова и других рек. В полыньях, находящихся перед затонами, накапливается шуга, заполняющая все свободное пространство между корпусами судов, дном и берегами.

После ледостава дальнейший рост толщины ледяного покрова происходит под влиянием низких температур воздуха. Чем больше период низких температур, тем больше толщина льда. Снежный покров, обладая малой теплопроводностью, снижает нарастание ледяного покрова. Чем выше снежный покров, тем медленнее нарастает лед. Толща льда на одном и том же участке в местах с малым количеством снега может быть на 0,2 – 0,5 м больше по сравнению с местами, где больше высота слоя снега. Кроме того, толщина льда зависит от скорости течения и притока грунтовых вод. При больших скоростях течения толщина льда меньше. В тихих протоках лед почти в два раза толще, чем в главном русле.

На плесах лед толще, а на перекатах тоньше. Объясняется это тем, что на перекатах степень турбулентности потока больше, чем на плесах. Общая температура потока на перекате становится несколько выше 0°С. Положительная температура воды замедляет процесс намерзания льда и даже является иногда причиной образования полыней.

Наибольшая толщина льда создается к концу марта – началу апреля: на реках севера европейской части и средней полосы страны 0,9–1,2м, на юг – 0,5–0,7 м; в устьевых участках сибирских рек – 1,3–1,6 м. Высота снежного покрова на льду находится в пределах 0,2–0,6 м.

Ледовый режим в нижних бьефах. Осенний ледоход в нижних бьефах наступает на несколько дней позже по сравнению с тем, как это было до создания водохранилища. Ледостав часто сопровождается заторами и подъемом уровней воды. За счет поступления из водохранилища воды с положительной температурой ниже ГЭС образуются полыньи (например, ниже Иваньковского водохранилища полынья обычно имеет длину до 25 км, ниже Рыбинского – от 3 до 20 км). При понижении температуры воздуха полынья может быть причиной образования большого количества донного льда и зажоров на нижележащих участках. Если ниже плотины попусками воды создаются скорости, равные или большие 1–1,5 м/с в южных районах, 2 м/с – в средней полосе и 3 м/с – в северной полосе, то ледяной покров не образуется.