Термический и ледовый режим рек кратко

Обновлено: 04.07.2024

Водохранилища стали сооружать еще в глубокой древности для обеспечения водой населения и сельского хозяйства. Одним из первых на Земле считают водохранилище с плотиной Садд-эль-Кафара, созданное в древнем Егип­те в 2950—2750 гг. до н. э.

В XX в. водохранилища стали сооружать повсеместно. В настоящее время их на земном шаре более 60 тыс.; ежегодно в строй вступает не­сколько сот новых водохранилищ. Общая площадь всех водохранилищ мира более 400 тыс. км 2 , а с учетом под-пруженных озер — 600 тыс. км 2 . Суммарный полный объем водохранилищ достиг почти 6,6 тыс. км 3 . Многие реки земного шара — Волга, Днепр, Ангара, Миссури, Колорадо, Парана и другие — превращены в каскады водохранилищ. Через 30—50 лет водохранилищами будет зарегулировано 2 /3 речных систем земного шара.

Приблизительно 95 % объема всех водохранилищ мира сосредо­точено в крупных водоемах с полным объемом более 0,1 км 3 . В на­стоящее время таких водохранилищ более 3000. Боль­шинство из них расположено в Азии и Северной Америке (по 31 %), а также в Европе (20 %).

По расчетам РосНИИВХа, в России сейчас насчитывается ЮЗ крупных водохранилища объемом более 0,1 км 3 каждое. Их суммарный полезный объем и площадь равны соответственно 339 км 3 и 101 тыс. км 2 . Всего же в России, по оценкам К. К. Эдельштейна (1998), более 2 тыс. водохранилищ.

Интересно проследить изменение количества и объема крупных водохранилищ мира в XX в. В начале века таких водохранилищ было всего 41, а их суммарный объем не достигал и 14 км 3 .

Наиболее интенсивное сооружение водохранилищ происходило в послевоенные годы, в 80—90-е годы крупных водохранилищ стали строить меньше.

Накопленную в водохранилищах воду используют для ороше­ния и обводнения земель, водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий, санитарных промывок речных русел, улучшения судоходных условий ниже по течению в маловодный период года и т. д. С помощью водохранилищ регулируют речной сток для гидроэнергетики, с целью предотвращения наводнений. Водоемы используют также для рыбного хозяйства, водного транс­порта, рекреации (отдыха людей), водного спорта.

Гидрологическим режимом водохранилищ управляет человек, который выбирает заранее нужные параметры водоема и техниче­ские приемы его эксплуатации. Многие черты гидрологического режима водохранилищ определяются хозяйственными потребностями и регулируются. Вместе с тем искусственно созданные водоемы начинают участвовать в круговороте воды в речных системах, ока­зываются под влиянием комплекса природных факторов и подчи­няются закономерностям, свойственным естественным водным объектам — рекам и особенно озерам.

Водохранилища — своеобразные водные объекты, новый природно-техногенный компонент ландшафта. Они преобразуют режим рек, влияют (иногда —неблагоприятно) на окружающую среду. Потребности практики заставляют изучать режим водохранилищ, разрабатывать стратегию рационального управления ими, принимать меры по предотвращению некоторых негативных по­следствий сооружения этих водоемов. Поэтому вполне правомочно говорить о возникновении нового раздела гидрологии — гидрологии водохранилищ.

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.).

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).

Поскольку температура воды в реке, реагирует на метеоро­логические факторы (изменения радиационного баланса, темпера­туры воздуха), основная причина временных изменений температуры воды в реке – метеорологическая.

В условиях умеренного климата наиболее типичны сезон­ные изменения температуры воды в реках (рис. 22). Зимой под ледяным покровом вода у поверхности реки имеет температуру около 0 °С. Весной в период повышения температуры воздуха и осе­нью в период ее понижения изменения температуры воды следуют с некоторым отставанием за изменениями температуры воздуха. Максимальная температура воды по величине меньше максималь­ной температуры воздуха (например, на реках Подмосковья эти температуры соответственно равны 22–24 и 28–30 °С) и наступает несколько позже максимальной температуры воздуха.


Рис. 22. Типичное изменение температуры воздуха (1) и воды (2) для рек

Помимо сезонных колебаний температура воды в реках испы­тывает и суточные изменения, которые также отстают от изменения температуры воздуха. Минимальная температура воды наблюдается обычно в утренние часы, максимальная – в 15–17 ч (максимум температуры воздуха обычно бывает на 1–2 ч раньше). На больших реках суточный ход температуры воды обычно не более 1–2 °С, на малых реках он может быть и выше. Суточные колебания температуры воды хорошо выражены на реках, берущих начало из ледников.

Температура речной воды имеет и пространственные изменения. Хорошо известно подчиняющееся широтной зональности измене­ние температуры воды вдоль крупных рек, текущих в меридиональ­ном направлении. У таких рек наибольшее различие температуры воды вдоль реки отмечается в период нагревания. Нередко темпе­ратура воды в реках заметно возрастает в местах сброса отработанных вод промышленными предприятиями и тепловыми электростанциями. В таких случаях говорят о "тепловом загрязнении" речных вод.

По ширине и глубине реки температура воды вследствие тур­булентного перемешивания изменяется мало. Однако летом у дна температура немного ниже, чем на поверхности, а у бе­регов выше, чем в середине реки. Осенью у берегов температура воды оказывается немного ниже, чем в остальной части попереч­ного сечения потока.

Вместе с текущими водами реки переносят и теплоту. Количе­ство теплоты, переносимой речными водами за какой-либо интер­вал времени, называется тепловым стоком. Его можно рассчитать по формуле

WT=cpρTW, (42)

где WT – тепловой сток, Дж, за интервал времени Δt; ср – удельная теплоемкость воды; ρ – ее плотность; Т – средняя температура воды; W – сток воды (м 3 ) за тот же интервал времени Δt.

7.9.2. Ледовые явления

Все реки по характеру ледового режима делятся на три большие группы: замерзающие, с неустойчивым ледоставом, незамерзающие. Реки в условиях умеренного климата, как правило, зимой замерза­ют. На таких реках (наиболее интересных с точки зрения изучения ледового режима) выделяют три характерных периода: 1) замерза­ния, или осенних ледовых явлений; 2) ледостава; 3) вскрытия, или весенних ледовых явлений. Реки в условиях субтропиков замерзают очень редко, в условиях тропического климата – вообще никогда не замерзают.

Замерзание рек. Переход средней суточной температуры воздуха осенью через 0 °С служит своеобразным "сигналом" приближаю­щихся ледовых явлений (рис. 22). Через некоторое время и температура воды снижается до 0 °С, и начинаются ледовые яв­ления.

Начальная фаза осенних ледовых явлений – сало, т.е. плыву­щие куски ледяной пленки, состоящей из кристалликов льда в виде тонких игл. Сало обычно плывет по реке в течение 3–8 дней. Почти одновременно у берегов, где скорости течения меньше, образуются забереги – узкие полоски неподвижного тонкого льда. По мере охлаждения всей толщи воды в ней начинает образовы­ваться внутриводный лед – непрозрачная губчатая ледяная масса, состоящая из хаотически сросшихся кристалликов льда. Внутриводный лед, образующийся на неровностях речного дна, называют донным льдом. Скопления внутриводного льда в виде комьев на поверхности или в толще потока образуют шугу. Движение шуги по поверхности или в толще реки называется шугоходом. К шуге на поверхности реки иногда добавляется битый лед, отрывающийся от заберегов, и снежура – скопления только что выпавшего на воду снега.

По мере охлаждения воды начинается образование льда непос­редственно на водной поверхности реки вдали от берегов. В про­цессе образования льдин участвуют скопления сала, шуги и снежуры. Начинается осенний ледоход. На больших реках он продолжает­ся 10–12 дней, на малых – до 7 дней.

В период осеннего ледохода русло реки может оказаться заби­тым шугой и битым льдом. Закупорка русла этой ледяной массой называется зажором. Образование зажора сопровождается подъе­мом уровня воды на вышерасположенном участке реки. Иногда осенний ледоход сопровождается затором, т.е. закупоркой русла плывущими льдинами. Как и зажоры, заторы часто происходят на узких участках русла, в местах разделения реки на рукава (напри­мер, в дельтах Дуная и Северной Двины).

Ледостав. По мере увеличения числа плывущих льдин и их размера скорость движения ледяных полей уменьшается, и сначала в местах сужения русла, у островов, в мелких рукавах, а затем и на остальных участках русла ледяные поля останавливаются и смерза­ются. Этому могут способствовать и заторы. Образуется сплошной ледяной покров– ледостав (говорят, что "река стала"). Для малых рек характерно образование ледостава без ледохода – путем расши­рения и смерзания заберегов.

Некоторые участки реки могут в течение долгого времени, иногда в течение всей зимы, не замерзать. Такие участки называют полы­ньями; они часто бывают в местах с повышенными скоростями течения, например на порогах и быстринах.

Вскрытие рек. С наступлением весны ледяной покров на реках начинает разрушаться. На этот процесс влияют солнечная радиа­ция, поступление теплоты из воздуха и с теплыми водами, механи­ческое воздействие текущей талой воды.

Сначала тает снег на льду, затем начинаются небольшие (в несколько метров) смещения ледяных полей – подвижки, а затем ослабленный ледяной покров разбивается на отдельные льдины и начинается весенний ледоход.

Более бурно происходит вскрытие на реках, текущих с юга на север.

Заторы во время весеннего ледохода часто приводят к значи­тельному повышению уровней воды и даже к наводнениям. Во время затора в районе г. Ленска весной 2001 г. было затоплено 90 % площади города, разрушено более 3300 домов, 6 человек погибло. На Лене нередки очень мощные и разрушительные заторы. Протяженность скоплений льда в местах заторов достигает 50–100 км, а высота подъема уровня воды во время заторов может превышать зимний уровень на 15–17 м.

Раз­рушение затора (как естественное под влиянием напора талых вод или весеннего тепла, так и искусственное, с применением ледо­колов или взрывов) часто приводит к образованию паводочной волны.

На малых реках ледяной покров часто тает на месте и весеннего ледохода не происходит.


когда проходит половодье, температура с глубиной уменьшается, но различия у дна не превышают 0.5 0 С. Летом наблюдается прямая стратификация, причем разность температур достигает 2-3 градуса. Осенью устанавливается обратная стратификация с разностью температур у поверхности и дна до 0.5-1.0 0 С.

Изменения температуры воды в реках по их длине зависят от условий питания, приточности и других особенностей режима. Почти на всех реках температура от истока повышается на некотором расстоянии вниз по течению. На реках, текущих с юга на север, это повышение прекращается при переходе из лесостепной зоны в лесную. Далее к северу температура воды понижается.

На реках, текущих с севера на юг, температура воды непрерывно повышается от истоков к устью. На реках, текущих в широтном направлении, температура воды меняется слабо, за исключением верховьев, где температура повышается на некотором расстоянии от истока.

На горных реках температура также повышается вниз по течению, но положение границы ее повышения меняется в течение года.

На температуру рек, вытекающих из озер, большое влияние оказывает температура озерных вод, причем чем больше водная масса озера, тем на большее расстояние это влияние распространяется.

Ледовый режим рек

В ледовом режиме рек выделяют три основные фазы:

-Замерзание, появление первичных форм ледообразования

-Ледостав, характеризуется образованием неподвижного ледяного покрова на поверхности реки или озера;

-Вскрытие, когда разрушается ледяной покров с сопутствующими явлениями.

Замерзание. Прибрежные участки, отмели, заводи являются первыми очагами ледовых образований. Здесь появляются забереги. Они бывают первичные, постоянные и наносные. Первичные забереги возникают в тихие, морозные ночи; днем при повышении температуры 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 и образуют наносные забереги, обычно с неровной, торосистой поверхностью. Одновременно с заберегами, а иногда и позже, на реках появляется сало. При обильном выпадении снега на незамерзшую водную поверхность образуется снежура или снежница, плывущая комковатыми скоплениями в виде рыхлой несмерзающейся массы.

На многих реках перед началом ледостава образуется внутриводный лед в толще потока, а на дне - донный лед. Особенно обильно донный лед формируется на каменистом дне рек с большими скоростями течения. Причиной образования внутриводного льда является переохлаждение поверхностных слоев воды и образование мелких кристалликов льда, которые впоследствии являются центрами кристаллизации во всей толще потока. Одной из форм внутриводного льда является шуга- всплывший внутриводный лед на поверхность потока. Шуга может находиться в состоянии движения- шугоход, и в неподвижном состоянии- подледная шуга. Шуга на многих реках севера и горных на юге вызывает зажоры. Зажор представляет собой ледяную перемычку в русле реки в результате стеснения сечения реки шугой и битым льдом. Образуются зажоры чаще всего при установившемся ледяном покрове на поворотах русла в местах с замедленным течением.

На некоторых реках наблюдаются пятры- ледяные острова, образовавшиеся на ледяном основании в форме усеченного конуса, прикрепленного к скальному основанию на дне. Конус этот образован из внутриводного льда. При достижении уровня воды на поверхности этого столба образуется ледяная шапка из обычного кристаллического льда.

Плывущие по реке сало, шуга, обломки заберегов и снежура формируют ледяные поля и отдельные глыбы льда, которые образуют осенний ледоход. Осенний ледоход наблюдается на большей части крупных и средних рек. На малых реках он часто отсутствует. Продолжительность осеннего ледохода колеблется от нескольких дней до месяца. На крупных реках, вытекающих из озер, осенний ледоход носит затяжной характер.

Ледостав. Ледостав формируется в результате нарастания сумм отрицательных

Читайте также: