4.7. Термический режим рек

Реки вместе с водой выносят в океаны, моря и внутренние водоемы большое количество тепла. Тепловой режим реки определяется поглощением тепла прямой солнечной радиации, эффективным излучением водной поверхности, затратами тепла на испарение, его выделением при конденсации, теплообменом с атмосферой и ложем русла. Изменение составляющих теплового баланса реки в течение суток, сезона, года вызывает соответствующие колебания температуры воды в реках.

Суточный ход температуры наиболее четко выражен летом, когда днем вода нагревается под действием солнечного тепла, а ночью остывает в результате преобладания эффективного излучения. Амплитуда суточных колебаний температуры воды зависит от широты места, водности рек, погодных условий. Так, в северных районах она меньше вследствие меньшей длительности ночи (ночного выхолаживания). На реках с малыми расходами она больше, чем на полноводных реках. При ясной погоде амплитуда суточных колебаний температуры воды больше, чем при облачной погоде.

Годовой ход температуры также тесно связан с изменением теплового баланса. В период нагревания воды (в первую половину лета) она несколько ниже температуры воздуха, в период охлаждения, наоборот, выше.

Средняя годовая температура воды обычно выше средней годовой температуры воздуха, т. к. зимой в реке вода не охлаждается ниже 0 °С, тогда как воздух может иметь отрицательную температуру.

Благодаря интенсивному турбулентному перемешиванию, обусловленному течением реки и сравнительно малым объемом воды в русле, изменения температуры в зависимости от глубины незначительны и не превышают десятых долей градуса, и только летом температуры у дна на 2-3 °С ниже, чем у поверхности. В распределении температуры по ширине также существуют определенные закономерности. Температура воды большинства рек в период нагревания в прибрежной части выше, чем на глубине, в период охлаждения – ниже [3].

Направление течения реки может обусловливать некоторое несоответствие термического режима и местных метеоусловий. Реки, текущие с севера на юг, в период нагревания могут выносить более холодную воду, а для рек, текущих с юга на север и пересекающих ряд климатических зон, в период остывания может наблюдаться обратная картина – температура воды может быть выше температуры воздуха из-за выноса теплых вод из южных районов [3].

Термический режим рек на отдельных участках в значительной мере может определяться хозяйственной деятельностью человека. Сброс в реки теплых промышленных вод нарушает их естественный тепловой режим.

Ледовый режим рек

Началом ледового режима принято считать момент устойчивого понижения температуры воздуха ниже нуля; концом – момент очищения реки ото льда. Весь зимний период делится на три части: замерзание реки, ледостав и вскрытие.

Замерзание реки. При появлении отрицательных температур воздуха начинается процесс охлаждения поверхностных слоев воды, на ее поверхности появляется так называемое сало – тонкая пленка, имеющая вид разлитой масляной жидкости. Одновременно возникают ледовые образования у берегов – забереги, т.е. появляется корка тонкого льда в тихих заводях и на участках со слабым течением или почти стоячей водой.

Выпадение в это время обильного снега приводит к образованию на поверхности воды снежуры (снежницы) – комковатого скопления льда со снегом.

Вследствие непрерывного перемешивания воды в реках, охлажденные верхние слои охлаждают воду во всем живом сечении потока. Переохлаждение воды создает благоприятные условия для образования внутри потока кристаллов льда, которые затем объединяются в глыбы губчатой структуры – внутриводный лед.

Внутриводный лед в реках причиняет большой вред: закупоривает всасывающие трубы городских водопроводов, забивает турбины гидростанций, водозаборные сооружения на оросительных и осушительных системах. В этих случаях нарушается или полностью прекращается на некоторый период нормальная работа сооружений. Одновременно на дне встречаются скопления донного льда. Иногда донный лед образует большие скопления – ледяные плотины.

Борьба с внутриводным льдом заключается в уменьшении скорости течения путем устройства запаней на поверхности воды из дерева или хвороста. Уменьшение скорости течения влечет за собой быстрое образование поверхностного льда и прекращение процесса образования внутриводного льда.

Всплывший внутриводный лед, снежура, сало образуют большие скопления льда, называемые шугой. При движении шуги по поверхности водного потока (шугоход) скопления ее, соприкасаясь с холодным воздухом, смерзаются в льдины или ледяные поля, и шугоход переходит в осенний ледоход.

Осенний ледоход продолжается 7-12 дней и предшествует ледоставу. Непосредственно перед ледоставом формируются зажоры, заторы и пятры.

Зажоры – скопления в живом сечении реки масс внутриводного льда с включением мелкобитого кристаллического льда. Зажоры возникают, когда во время ледохода русло реки подо льдом забивает шуга и битый лед. Зажоры преграждают путь движущейся воде, вызывая подъем уровня и затопление территории.

Затор образуется при закупорке русла плывущими льдинами.

Пятры – это ледяные острова в виде шапки или конуса, малое сечение которого прикреплено ко дну.

Ледостав. С увеличением числа и размеров льдин на поверхности воды скорость движения их уменьшается. В местах сужения или крутого поворота реки, у островов или искусственных сооружений скорость плывущих льдин замедляется. В условиях отрицательных температур воздуха это приводит к быстрому смерзанию ледяных полей и образованию сплошного ледяного покрова, или ледостава.

Некоторые участки реки не замерзают в течение всей зимы или ее части. Такие незамерзающие участки называются полыньями. Причины их образования – большие скорости течения, например на порогах, выход в русло относительно теплых подземных вод. Полыньи способствуют образованию внутриводного льда и зажоров.

В период ледостава на поверхности ледяного покрова иногда возникают наледи – наросты льда в виде напластований, утолщений, бугров.

После установления на реке поверхностного ледяного покрова происходит увеличение его толщины. При ледоставе толщина льда в южных районах: 0,2-0,4 метра, а в северных: 1-2 метра. Малые реки нередко промерзают до дна.

Основной фактор, влияющий на толщину льда – температура воздуха. Толщину льда (h_л) в естественных условиях, т. е. при покрытии его снегом, можно рассчитать по эмпирической формуле:

, (11)

где – сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха от начала образования до данного момента;

n – показатель степени (для северных рек n = 0,5);

– коэффициент, колеблющийся в пределах 1,2-2,0.

Вскрытие реки. С наступлением положительных температур воздуха начинается таяние снега, льда и поступление талых вод в реки. Прежде всего, снег тает на поверхности льда, затем лед оттаивает возле берегов, образуются полосы воды вдоль берегов – закраины. Образование закраин обусловлено поступлением теплых талых вод с бассейна и теплоотдачей берегов.

Увеличение расхода и повышение уровней воды реки приводит в движение ледяные массы, происходит подвижка льда. Лед трогается большими полями, движется медленно, а затем останавливается. Подвижек льда может быть несколько, в зависимости от типа весны. Дальнейшее поступление воды и повышение уровня способствуют поднятию, разламыванию и передвижению льда по течению – начинается весенний ледоход, который значительно превосходит осенний.

Большие массы льда, нагромождаясь в сужениях русла, образуют заторы. Заторы нередко приобретают большую силу, особенно на реках, текущих с юга на север, т. к. вскрытие реки в северной части происходит позднее, чем в южной. Заторы могут приводить к образованию паводочной волны.

Весенний ледоход на юге Европы начинается в марте, в центральной части – в апреле, в северной Европе и Сибири – в мае.

На малых реках покров тает без весеннего ледохода.