3.8. Ледовый режим

При снижении температуры воды до 0°С и появлении на реке льда реки вступают в фазу зимнего режима. Продолжительность его отсчитывается с момента установления отрицательных темпе­ратур воздуха, обусловливающих возникновение на реке ледовых образований, до начала интенсивного весеннего подъема уровня воды и очищения реки от льда.

75

В ледовом режиме рек выделяют три фазы: замерзание, ледо­став и вскрытие. Характерными датами ледовых явлений на реках являются дата начала осеннего ледохода, дата замерзания реки, дата вскрытия, дата весеннего ледохода. Замерзание реки начи­нается при отрицательном тепловом балансе, обусловливающем интенсивные теплопотери с водной поверхности. Быстрое охлаж­дение воды приводит первоначально к образованию на мелковод­ных участках у берегов, а также в заводях и в застойных местах льда на поверхности воды, так называемых заберегов. Одновре­менно с заберегами, а иногда несколько позже на водной поверх­ности появляются скопления смерзшихся кристаллов льда иголь­чатой формы, называемые салом. Турбулентное перемешивание способствует понижению температуры воды и ее выравниванию по всему сечению. Переохлаждение всей толщи воды и наличие ядер кристаллизации создают благоприятные условия для образования ледяных кристаллов не только на поверхности, но и во всей массе воды. Кристаллы, объединяясь в непрозрачную губчатую массу, образуют внутриводный (глубинный) лед и скопления донного льда. Всплывший на поверхность внутриводный (донный) лед, смешиваясь с салом, снежурой "• и мелкобитым льдом, формирует так называемую шугу, движение которой па поверхности и в тол­ще водного потока называют шугоходом.

Процесс кристаллизации льда, а следовательно, образование впутриводного льда и шуги интенсивно развивается при отводе тепла, выделяющегося при кристаллизации, что осуществляется при наличии течения воды и отсутствии ледяного покрова. Поэто­му внутриводный п донный лед и шуга па равнинных реках обра­зуются на участках реки с быстрым течением и каменистым дном до установления сплошного ледяного покрова (ледостава). На горных реках образование шуги наблюдается в течение всего пе­риода времени с отрицательными температурами воздуха.

При заполнении внутриводным льдом и шугой живого сечения реки подо льдом возникают зажоры, следствием которых являются сужение живого потока и резкие подъемы уровня воды, что может привести к повреждению отдельных частей сооружений, располо­женных выше головных сооружений, и к наводнениям в нижних бьефах. Кроме того, образование внутриводного льда и шуги часто приводит к серьезным осложнениям, возникающим при эксплуата­ции водопроводов, гидроэлектростанций и других сооружений, на-,рушению, а иногда и к полному прекращению нормальной работы сооружений, что причиняет значительный материальный ущерб.

При дальнейшем понижении температуры воздуха происходит смерзание сала, шуги, снежуры, мелкобитого льда и вновь обра­зующихся кристаллов в отдельные льдины различной величины и ледяные поля, движущиеся по течению реки. Так начинается осен­ний ледоход, который, как правило, наблюдается только на круп-

* Снежура — плавающие комья водонасыщенного снега, образующие вязкую кашеобразную массу.

76

ных реках. Продолжительность его колеблется в широких преде-_лах — от нескольких дней до месяца — и возрастает в соответствии с увеличением водности реки. Наступление сроков начала осеннего ледохода на наших реках носит характер широтной зональности.

С увеличением числа льдин и их размеров скорость движения льдин и ледяных полей уменьшается. На мелководье, поворотах и в местах сужения русла образуется нагромождение льдин — за­тор— в виде ледяных перемычек, вызывающих подпор на выше­лежащем участке реки, остановку и торошение льда. В этих усло­виях непосредственно перед перемычкой (затором) отдельные льдины смерзаются, образуя сплошной ледяной покров, кромка которого перемещается вверх по течению от перемычки. Соответ­ственно и толщина льда убывает вверх от затора. По длине реки заторы образуются неодновременно в отдельных створах и не всегда. Поэтому образование сплошного ледового покрова на боль­ших реках равнинных районов происходит в разное время на раз­личных участках. На малых реках ледяной покров образуется путем срастания заберегов, поэтому его поверхность, как правило, ровная и гладкая. На горных реках ледостав представляет собой сравнительно редкое явление, здесь он формируется в основном па участках скопления больших масс шуги.

Для большинства рек территории СССР характерен ежегодный ледостав; в Карпатах ледостав наблюдается в отдельные годы; на реках Черноморского побережья Кавказа и Южного берега Крыма вследствие теплого климата ледостав не наблюдается. Сроки ледостава па реках обусловлены широтной зональностью.

На территории СССР раньше всего замерзают реки Централь­ной и Восточной Сибири. Ледяной покров на них устанавливается уже в октябре. Несколько позднее, в течение ноября, начинается ледостав на реках Дальнего Востока, юга Западной Сибири и Се­верного Казахстана. В ноябре же покрываются льдом реки цент­ральной части европейской территории страны; сроки начала ледо­става на юго-западе европейской территории страны приходятся на декабрь. При этом наибольшие ежегодные колебания • сроков начала ледостава отмечаются на западе и юго-западе СССР; их амплитуда весьма велика, достигает 80...90 дней. В районах се­веро-востока СССР амплитуда ежегодных колебаний наступления ледостава уменьшается до 20 ... 30 дней.

Продолжительность ледостава на реках нашей страны меняет­ся в широких пределах: от нуля на юге до 6... 8 месяцев на севере азиатской территории СССР.

При общем ледоставе на реках сохраняются участки — по­лыньи, не замерзающие в течение зимы. Полыньи могут быть ди­намического и термического происхождения. В первом случае они образуются на участках с большими скоростями течения (напри­мер, в местах сосредоточенного падения на реках Карелии или горных реках Сибири; в нижних бьефах гидроузлов); во втором случае они образуются при выходе в русло относительно теплых

77

грунтовых вод или при спуске в реку сточных вод промышленных предприятий. /

Широкое распространение на реках Сибири в период .дедостава получили наледи — наросты льда, образующиеся на поверхности ледяного покрова в виде напластований и утолщений. Образуются речные наледи при значительном стеснении живого сечения реки вследствие утолщения ледяного покрова или образования зажора. Под напором потока лед вспучивается, трескается и через трещи­ны вода изливается на поверхность. При неоднократном повторе­нии этого процесса лед в местах наледей достигает значитель­ной толщины. Отдельные наледи не успевают растаять за лето и сохраняются в течение длительного времени (многолетние наледи). На реках севера европейской территории СССР и Сибири часто наблюдается промерзание рек до дна. В таких случаях сток их или совсем прекращается (район вечной мерзлоты), или воды реки фильтруются в толще аллювиальных отложений.

В первые дни ледостава нарастание льда происходит сравни­тельно быстро. Затем, по мере увеличения толщины льда и слоя снега на льду, процесс замедляется. Теплопроводность снега зна­чительно меньше, чем у льда, и поэтому при наличии снега суще­ственно снижаются потери тепла водой. Нарастание льда по тол­щине происходит главным образом снизу в слое воды, охлаждаю­щемся за счет потерь тепла: через лед и снег удаляется в атмосфе­ру больше тепла, чем поступает к этому слою воды из глубины. В середине зимы может установиться равновесие между потоком тепла через лед и слой снега и притоком тепла к нижней поверх­ности льда; в этом случае рост льда снизу прекращается. Во вто­рую половину зимы, когда обычно наблюдаются обильные снего­пады, под тяжестью снеговой массы лед прогибается и образуются трещины, через которые вода выходит на поверхность льда и про­питывает снег. Насыщенный водой снег смерзается, и лед нарас­тает сверху.

Толщина льда по живому сечению реки неодинакова: у берегов лед обычно толще, к середине реки его толщина уменьшается. Толщина льда изменяется во времени, достигая наибольшего зна­чения к концу зимы. Толщина ледяного покрова на реках терри­тории нашей страны колеблется в широких пределах. В то время как на реках Восточной Сибири она достигает 1,5... 2, 0 м, в бас­сейнах малых южных рек толщина льда не превышает 0,2 . . . 0,4 м. На большей же части европейской территории СССР толщина льда изменяется от нескольких десятков сантиметров до 1 м.

Для практических целей расчет толщины ледяного покрова можно производить по эмпирической формуле, предложенной Ф. И. Быдиным:

(3.1)

где hi — искомая толщина льда, см; 2£_ — сумма отрицательных средних суточных температур воздуха.

78

При\ использовании средних месячных температур воздуха фор­мула принимает вид

(3.2)

Весной, с наступлением периода положительных температур начинаете^ таяние снега на берегах реки и на льду. Постепенно на ледяной покрове накапливается вода, которая способствует лучшему проникновению тепла к поверхности льда. Температура льда повышается, межкристаллические связи во льду ослабевают, лед становится менее прочным и относительно легко разрушается под воздействием потока. Вначале происходит интенсивное таяние и разрушение льда вдоль берегов за счет притока тепла с талыми водами и от берегов, так как почва нагревается быстрее воды. Вдоль берегов образуются полосы чистой воды, так называемые закраины. Одновременно увеличиваемся скорос!и течения и лед стаивает снизу, иногда на 20 ...40% своей предвесенней толщины; на отдельных участках образуются полыньи. При подъеме уровня лед всплывает и сдвигается в сторону нижележащей полыньи — происходит подвижка льда. Если связь с береговым льдом еще не нарушена, то при подъеме уровня воды лед вспучивается, вдоль берегов образуются трещины и лед сдвигается вниз по течению, Таких подвижек может быть несколько с интервалом до недели и более. С дальнейшим подъемом уровня ледяной покров распадает­ся на отдельные льдины и начинается ледоход. Такой вид вскры­тия наблюдается в случае преобладания термических факторов, что характерно для рек, текущих с севера на юг. В этом случае ледоход опережает волну половодья и протекает при небольшом подъеме уровня и относительно спокойно. На реках, текущих с юга на север, половодье начинается в верховьях реки; талые воды, продвигаясь по реке, встречают еще прочный ледяной покров, и он взламывается под напором прибывающей воды. Ледоход происхо­дит при высоких уровнях, лед обладает значительной прочностью, часто создаются мощные заторы, выше которых наблюдается рез­кий подъем уровня. Подъемы уровня при весенних заторах часто превышают максимальные уровни весеннего половодья. Живое сечение реки при этом забивается массами льда, лед надвигается на берег, что представляет серьезную опасность для береговых сооружений и судов, зимующих в реке. Торосистые нагромождения льда вызывают значительные деформации берегов.

Вскрытие малых и средних рек, бассейны которых невелики, происходит почти одновременно по всей длине. На реках, выте­кающих из озер, вследствие выноса озерного льда в реку возмо­жен вторичный ледоход.

На промерзающих до дна реках за счет таяния льда и талой воды, поступающей с бассейна, образуется поток, текущий по по­верхности ледяного покрова; последний при разрушении всплывает отдельными льдинами.

79

Начало весеннего ледохода определяется климатическими фак­торами. Наиболее ранние сроки его наступления отмечаются в марте на юге европейской территории СССР (бассейны рек Дона и Днепра). В ее средней части он запаздывает на месяц и наблю­дается в апреле (бассейны рек Волги и Северной Дв^ны). На Крайнем Севере вскрытие рек отстает еще на месяц (бассейны р. Печоры и рек Кольского полуострова). На май приходится и начало весеннего ледохода на реках Северной и Центральной Сибири и Дальнего Востока. Вскрытие рек Заполярья происходит лишь в июне. Весенний ледоход на реках юга Западной Сибири, Северного Казахстана, Забайкалья и юга Дальнего Востока на­чинается в апреле.