Загальні поняття про водне живлення річок

Вода в річки надходить за рахунок стікання атмосферних опадів поверхневим і підземним шляхами. Це єдине джерело живлення річок, якщо не враховувати мізерний вплив ювенільних вод у річковому стоці. Залежно від походження атмосферної вологи розрізняють два джерела живлення — шале (снігове і льодовикове) та дощове. Кожному з них властиві два види стоку в річки — поверхневий і підземний. Оцінюючи джерела живлення тієї чи іншої річки, виділяють три види стоку (а не живлення) — талий, дощовий і підземний, які характеризуються властивими їм особливостями режиму. Більшість річок СНД (близько 60 %) живиться за рахунок танення сезонних снігів. У південних степових районах України, де ґрунтові води залягають глибоко і не дренуються річками, а дощі влітку не дають істотного поверхневого стоку, річки живляться весняними талими водами.

При просуванні на північ частка підземного стоку поступово збільшується. Вона в одних і тих самих фізико-географічних умовах збільшується із зростанням площі водозбору. В районах багаторічної мерзлоти роль підземних вод у стоці річок різко зменшується, і основним джерелом їх живлення є дощові і снігові води. Річки чисто дощового або переважно дощового живлення на території СНД менше поширені, ніж річки снігового живлення. Вони є тільки в Колхідській низовині. Основне значення дощове живлення має у річок Далекого Сходу, які знаходяться в області мусонного клімату, де снігозапаси незначні, а основна частина атмосферних опадів випадає у вигляді дощів.

У горах Кавказу, Алтаю та Середньої Азії живлення річок різноманітне, дуже залежить від висотного положення водозбору і кліматичних умов. Із збільшенням висоти місцевості звичайно зростає роль снігового стоку, а при наявності льодовиків значну частину в стоці становлять льодовикові води.

Кількісна оцінка частки різних джерел живлення у загальному стоці досліджуваної річки визначається методом розчленування гідрографів. Таке розчленування виконується з урахуваннях особливостей режиму річки, умов надходження дощової та талої води і підземного стоку. Є багато методів розчленування гідрографа стоку за джерелами живлення (методи М.І. Львовича, А.В. Огієвського, В.В.Полякова, Б.І.Куделіна, З.В. Джоржіо, методи ДГІ та ін.). Всі вони дають змогу лише приблизно оцінити частку того чи іншого виду живлення в загальному стоці річки. Для рівнинних річок України з чітко вираженою повінню найбільш невиразним є виділення підземного стоку та стоку дощових паводків.

Фази водного режиму

В режимі стоку річки виділяють характерні фази (періоди) залежно від зміни умов живлення. В режимі річок України виділяють такі фази водного режиму: повінь, паводок і межень.

Повінь – це фаза водного режиму річки, яка щорічно повторюється в даних кліматичних умовах в один і той же сезон, і яка характеризується найбільшою водність, високим і тривалим підйомом рівня води, і яка викликана сніготаненням або сумісним таненням снігу і льодовиків.

Повінь характеризується найбільшою за рік водністю, високим і тривалим підйомом рівня, який супроводжується виходом води на заплаву. Вона викликається головним джерелом живлення (на рівнинних річках — сніготаненням, а в мусонних районах — випаданням дощів). Для річок однієї кліматичної зони повінь спостерігається щорічно в один і той самий сезон з різною інтенсивністю і тривалістю. Повінь може бути весняною, літньою і весняно-літньою. Весняна повінь викликається таненням сезонних снігів рівнинних річок, а весняно-літня — таненням високогірних снігів і льодовиків та випаданням дощів.

Паводок – це фаза водного режиму річки, яка може багаторазово повторюватися в різні сезони року, і яка характеризується інтенсивним зазвичай короткочасним збільшенням витрат і рівнів води, і яка викликана дощами або сніготаненням під час відлиг.

Паводок — швидкий і порівняно короткочасний підйом рівня води в річці. На відміну від повені паводки виникають нерегулярно; максимальні витрати паводків часто перевищують найбільші витрати талих вод. Паводки виникають внаслідок випадання дощів, злив і сніготанення під час зимових відлиг.

Межень – це фаза водного річки, яка щорічно повторюється в один і той же сезон року, і яка характеризується малою водністю, тривалістю стояння низького рівня, і яка виникає внаслідок зменшення живлення річки.

Межень характеризується тривалим (сезонним) стоянням низьких (меженних) рівнів і витрат води в річці внаслідок зменшення або припинення поверхневого стоку. В цей період річка живиться виключно або майже виключно за рахунок підземного стоку. На більшості річок України виділяють два меженних періоди — літню та зимову межені.

Термічний режим річок

Під впливом теплообміну, який відбувається між масами води та навколишнім середовищем, проходить нагрівання та охолодження води в річках. Перенесення теплоти від поверхні розподілу води з атмосфери і ґрунтів руслового ложа в товщу водної маси відбувається в результаті турбулентного перемішування. Крім цього, деяку роль у перенесенні теплоти відіграє безпосереднє проникнення сонячної радіації у воду. Залежно від мутності води і її кольору на глибину 1 м проникає від 1 до 30 %, а на глибину 5 м — до 5 % променистої енергії, що надійшла на поверхню води. Процес теплообміну істотно змінюється як протягом доби, так і протягом року в зв'язку зі змінами метеорологічних умов та висоти Сонця.

З появою льодового і снігового покривів теплообмін з атмосферою різко зменшується, тому що припиняється теплообмін та вологообмін з атмосферою і проникнення в товщу води променистої енергії. В цей період обмін теплотою між водою і атмосферою здійснюється тільки за рахунок теплопровідності крізь лід та сніг.

За рахунок турбулентного руху води відбувається безперервне перемішування водних мас і температура по живому перерізу річки вирівнюється. Проте влітку (в період нагрівання) температура води біля берегів дещо вища, ніж на середині річки, а восени навпаки. Влітку вдень вода на поверхні трохи тепліша, ніж біля дна, а вночі температура її біля дна трохи вища. При льодоставі більш низькі температури (нуль градусів) спостерігаються біля поверхні води. Розбіжність температури води в окремих точках живого перерізу звичайно знаходиться в межах десятих та сотих часток градуса, а інколи досягає 2 … 3 градусів.

Добовий хід температури води найчіткіше виражений в теплу частину року. Основним фактором, що визначає амплітуду добових коливань температури води, є водність річки: чим більша водність її, тим менша добова амплітуда. Остання значною мірою визначається умовами погоди: при ясній погоді вона більша, а при хмарній — менша.

Річний хід температури води характеризується деякими особливостями. Взимку температура її мало відрізняється від нуля градусів. При очищенні річки від льоду температура води починає досить швидко підвищуватись і досягає максимуму в червні — серпні. Потім вона знижується, наближаючись до нуля градусів у момент утворення на річці льодових явищ.

Температура води (особливо довгих річок) змінюється за довжиною річки під впливом переважно кліматичних умов і характеру водного живлення. Наприклад температура води річок льодовикового живлення в міру віддалення від льодовика поступово підвищується. Температура води річок, які течуть з півдня на північ або з півночі на південь, залежить від багатьох причин: пори року, джерел живлення, проточності, наявності в басейні озер, а також від зміни ландшафтних зон, через які вона протікає. На річках, які впадають в північні моря, у період нагрівання (з квітня — травня до липня) найнижча температура спостерігається у верхів'ях і пригирлових ділянках. В міру віддалення від витоку вода в річці нагрівається до певної для даної річки величини, а потім вниз за течією її температура вже істотно не змінюється аж до пригирлової ділянки, де під впливом погодних умов вона дещо змінюється. Температура води річок, які течуть з півночі на південь, звичайно підвищується до самого гирла, але це підвищення буде різним залежно від вказаних вище причин.

Знання термічного режиму річок має велике практичне значення особливо при використанні води як охолоджувача.

Льодовий режим річок

При охолодженні поверхні води до нуля градусів на річці виникають льодові утворення — річка вступає у фазу зимового режиму. За початок зимового періоду прийнято вважати сталий перехід температури повітря через нуль (в бік зниження); за кінець — очищення річки від льоду. Проте на деяких річках льодохід спостерігається і в період повені. Тому більш точно кінець зимового періоду можна визначити за моментом початку інтенсивного прибування води в річках весною.

У льодовому режимі річок виділяють три фази: 1) замерзання, включаючи осінній льодохід, 2) льодостав і 3) скресання.

Замерзання річок

При замерзанні річки спочатку з'являється сало — тонка льодова плівка, яка складається з прозорих кристалів і пересувається по поверхні води у вигляді жирних плям. Одночасно утворюються забереги — нерухомі смуги льоду вздовж одного або обох берегів.

За рахунок турбулентного перемішування води в річці відбувається вирівнювання температури в живому перерізі. Вода охолоджується до нуля градусів і навіть нижче. Кристали льоду утворюються навколо завислих твердих частинок у середині водного потоку і біля дна. Потім вони ростуть і таким чином утворюється внутрішньоводний лід, який являє собою непрозору масу губчастої будови. Різновидами внутрішньоводного льоду є донний лід і шуга, яка перебуває в завислому стані у воді.

Донний лід і шуга потім спливають, утворюючи поверхневу шугу. До неї інколи додається с н і ж и ц я, або с н і ж у р а, яка спостерігається після великого снігопаду при температурі води, близькій до нуля градусів. Сніжиця за зовнішнім виглядом подібна до вати у воді. Поступово ці маси льоду, стикаючись з повітрям, охолоджуються і змерзаються в кристалічний лід, утворюючи осінній льодохід, який на заворотах річки та вузьких місцях може утворювати з аж ори, тобто стиснення живого перерізу річки в період осіннього льодоходу або з початком льодоставу масою внутрішньо-водного та дрібно битого кристалічного льоду. При цьому спостерігається затоплення місцевості й утворення торосів — нагромадження замерзлих крижин, які виникають внаслідок просування і стиснення льодового покриву. Потім льодові поля змерзаються й утворюється льодостав, тобто суцільний льодовий покрив на річці.

Це звичайна картина замерзання річок. На малих річках або на окремих ділянках великих річок льодостав може утворитися за короткий період, навіть за одну ніч.

Льодостав на річках

При льодоставі окремі ділянки річки можуть не замерзати — це ополонки. Вони звичайно утворюються там, де великі швидкості течії (бистрини, пороги, нижні б'єфи ГЕС тощо). Ополонки є «кухнями» утворення внутрішньоводного льоду, який інколи закупорює живий переріз річки, утворюючи з а ж о р и. В початковий період льодоставу внутрішньоводний лід може займати 20 … 30 % і більше площі живого перерізу річки, потім шуга розмивається і ущільнюється.

Після встановлення на річці льодового покриву товщина льоду поступово збільшується. При цьому наростання товщини льоду спочатку йде інтенсивніше, а потім поступово сповільнюється. Інтенсивність наростання товщини льоду (його потужності) залежить від суми від'ємних температур. Використовуючи цю закономірність, Ф. І. Бидін розробив емпіричні формули, за допомогою яких за сумою від'ємних температур можна визначити товщину льоду за формулою:

, (12. 1)

, (12. 2)

де , — відповідно сума середньодобових і середньомісячних від'ємних температур повітря за період утворення льоду завтовшки .

На північних річках СНД дуже поширені по лої — нарости льоду, які утворюються за рахунок замерзання води, що виходить крізь тріщини на поверхню льодового покриву внаслідок зменшення живого перерізу річки, спричиненого закупорюванням його шугою або сильним промерзанням (коли наростання льоду проходить інтенсивніше, ніж зменшення витрат води). При цьому утворюється напірний режим і річка тече, як в трубі. Викид води на поверхню льоду може спостерігатись кілька разів на зиму, утворюючи товсті і великі за площею нарости льоду. Вони характерні для річок Сибіру (Єнісею, Лени, Колими та ін.).

На річках Східного Сибіру та інших районів взимку часто утворюється (за рахунок різкого виснаження підземних вод) висячий льодовий покрив — сушняк. Утворений на водній поверхні лід провисає над рівнем води, а між льодом і водою утворюється повітряний прошарок.

На окремих ділянках річок на початку зими утворюються п'ятири — льодяні утворення у вигляді невеликих островів. Вони виникають на кам'янистих грядах та мілинах річок, де донний лід швидко наростає і досягає поверхні води. За формою вони мають вигляд перевернутого зрізаного конуса. На поверхні річки вони покриваються кристалічним льодом, утворюючи льодові острови. Інколи вони утворюють льодову загату (греблю), яка викликає підвищення рівня води і зимові затоплення території.

Деякі річки промерзають до дна, тому що їхній стік різко зменшується, а невеликі витрати води проходять в алювіальних відкладеннях, утворюючи підрусловий стік. Звичайно водозбірна площа таких річок невелика — 200 … 300 км², але інколи може досягати 10 000 км². Особливо багато таких річок в Сибіру і на Далекому Сході, де вони промерзають навіть при площі водозбору 30000 км². Частіше промерзання спостерігається на окремих ділянках річок.

Скресання річок

Скресання річок відбувається, коли настають плюсові температури повітря, лід тане і в річку надходять талі поверхневі води. На льоду при цьому утворюється вода, спочатку біля берегів. Оскільки біля берегів лід розтає інтенсивніше (за рахунок надходження талих вод і теплішої поверхні берегів) і при піднятті рівня льодовий покрив випучується, то вздовж берегів утворюються знижені смуги льодового покриву, які заповнюються водою, утворюючи закраїни. Тут лід під впливом теплообміну з водою і руху води вниз за течією швидше тане і руйнується. З часом льодовий покрив відривається від берегового льоду, що залишається під водою. Закраїни потім розширюються і поглиблюються.

На льодовому покриві річки збирається окремими плямами тала вода, яка просочує лід, руйнуючи його під впливом сонячної радіації та вітру. Внаслідок цього утворюються промоїни.

На перекатах лід звичайно тонший, ніж на плесах, і процес руйнування його тут інтенсивніший. Отже, з часом на річці залишаються льодові поля на плесах, а на перекатах лід руйнується. Під впливом течії річки льодові поля починають рухатись — утворюються порушки льоду. Потім починається весняний льодохід, який іноді завдає значних збитків. Хоча весняний лід не такий міцний, як осінній, проте він має великі швидкості руху і великий об'єм льодової маси, а тому негативно впливає на гідротехнічні споруди.

Коли в руслі річки спостерігаються (у вузьких місцях, при наявності перешкод, біля мостів, на поворотах) нагромадження кристалічного льоду у вигляді окремих крижин, то живий переріз річки захаращується, утворюючи льодові греблі — затори. Вони підвищують рівень води вище за течією і знижують — нижче місця його утворення. Затори викликають затоплення значних територій.