2.1.9. Гидрографические характеристики рек
Важной особенностью рек является их естественный гидрологический режим, который определяется как совокупность закономерно повторяющихся изменений состояния реки, которые формируются под влиянием климатических условий.
Принято различать водный и ледовый режим рек.
Водный режим характеризуется изменением во времени расхода воды, уровней и, соответственно, ширины, глубины и скорости течения.
Ледовый режим характеризуется процессами возникновения, развития и разрушения ледяных образований на реке.
Водный режим рек.
Объем воды в реке и, соответственно, расход воды в реке изменяется в течение года в зависимости от питания, что проявляется в колебаниях уровня. На равнинных реках, питающихся в основном талыми водами, наивысшие уровни наблюдаются весной. На реках Дальнего Востока - летом и осенью, в период выхода на этот район тропических циклонов. Уровень рек, вытекающих из озер, отличается плавным ходом в течение всего года.
Годовой цикл водного режима рек подразделяется на характерные фазы: половодье, паводки, межень (летняя и зимняя) (рис. 1.4.2.1).
Половодье - ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон относительно длительное значительное увеличение количества воды в реке, обычно сопровождается выходом воды из русла и затоплением поймы. Оно вызывается весенним таянием снега на равнинах, ранним таянием снега и льда в горах. Время прохождения весеннего половодья зависит от географического положения водосбора. Так, на юге РФ оно проходит в среднем в марте - апреле, а на Севере - в мае - июле. Продолжительность половодья на малых реках колеблется в широких пределах и определяется интенсивностью снеготаяния; в нижнем течении больших рек она составляет два - три месяца.
Паводки - относительно кратковременные и непериодические подъемы уровня воды в реке, возникающие в результате быстрого таяния снега при оттепели, обильных дождях, попусках воды из водохранилищ. Обычно дождевые максимумы на средних и больших реках уступают по высоте максимума весенних половодий, но на реках с малыми водосборами, которые могут быть целиком охвачены интенсивными дождями, они значительно превосходят их. В районах с дождевым питанием рек (Дальний Восток), где доля талого стока в годовом цикле незначительна, максимальные расходы дождевых паводков независимо от размера реки превышают максимальные расходы половодий.
Межень - фаза водного режима продолжительностью не менее 10 дней, ежегодно повторяющаяся в одни и те же сезоны, характеризующаяся малой водностью. В умеренных и высоких широтах различают летнюю и зимнюю межень.
Рис. 1.4.2.1. Диаграмма расходов воды
Меженный сток зависит как от климатических условий (осадков и испарения), так и, главным образом, от количества и характера грунтового питания рек.
Термический и ледовый режимы 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 больше, чем при облачной.
Годовой ход температуры также тесно связан с изменением теплового баланса. После вскрытия реки температура воды растет. 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 стрежне, в период охлаждения - ниже.
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.
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.
В ледовом режиме рек обычно выделяют три фазы: замерзание (образование ледяного покрова), ледостав (наличие на реке сплошного ледяного покрова), ледоход (разрушение ледяного покрова) (рис. 1.4.2.2).
Рис. 1.4.2.2. Диаграмма ледовой обстановки
Зимой при охлаждении воды несколько ниже температуры ее замерзания начинается процесс льдообразования. Первое ледовое явление на рейх - сало - плавающие на поверхности воды скопления смерзшихся ледяных игл в виде пятен или тонкого сплошного слоя.
При обильных снегопадах, при обрушении в воду масс снега с крутых высоких берегов, при сдувании снега со склонов на охлажденной водной поверхности образуется снежура в виде рыхлой несмерзшейся массы. Образование сала, скопление снежуры на участках с замедленными скоростями течения, наиболее интенсивное охлаждение потока на мелководных прибрежных участках приводят к тому, что почти на всех замерзающих реках вдоль берегов происходит образование заберегов - полос льда, смерзшихся с берегами при незамерзшей основной части водного пространства. Одновременно с появлением заберегов при свободной поверхности воды, охлаждаемой за счет потерь тепла в атмосферу, образуется внутриводный лед - скопление ледяных кристаллов в толще воды в виде губчатой непрозрачной массы. Скопление и рост подобных кристаллов на дне реки и на подводных предметах дают начало образованию донного льда.
Образование внутриводного льда создает большие затруднения при эксплуатации водопроводов, гидроэлектростанций, мостов.
Одна из весьма распространенных форм ледяных образований на реках, связанных с внутриводным льдом, - шуга. Шугой называется всплывший на поверхность внутриводный лед в виде комьев и подледных скоплений, в массе которого часто содержится снежура, сало и мелкобитый лед. На шугоносных реках нередко образуются зажоры - стеснение водного сечения массой внутриводного льда и шугой. Выше зажора уровень воды резко повышается, взламывая ледяной покров, и вызывает затопление прилегающих участков долины. При замерзании воды, вышедшей на поверхность льда, образуются наледи. Для борьбы с зажорными явлениями прибегают к взрывным и ледокольным работам.
Плывущие по реке льдины и ледяные поля, сформировавшиеся в результате смерзания обломившихся заберегов, снежуры и шуги, образуют на некоторых реках осенний ледоход, во время которого в сужениях русла и на крутых поворотах могут наблюдаться заторы-скопления льдин, вызывающие стеснение живого сечения. Подъемы уровня при осенних заторах относительно невелики вследствие малой водности реки в этот период. Образование внутриводного льда прекращается с момента установления на реке ледостава - сплошного ледяного покрова, препятствующего переохлаждению воды. К концу зимы ледяной покров на реках Восточной Сибири достигает толщины 1,5 - 2,0 м и более, на реках северной и центральной части РФ он значительно тоньше - не более 1 м, а в южных районах не превышает 20 - 40 см. Продолжительность ледостава тоже колеблется в широких пределах: Лена в среднем покрыта льдом 270 дней в году, Ока - 139.
В ледяном покрове иногда сохраняются участки открытой воды, называемые полыньями. Возникают они на участках с большими скоростями течения воды (более 0,6 - 0,7 м/с), в местах выходов грунтовых вод, сбросов промышленных стоков или, если реки вытекают из озера, вследствие притока более теплых вод озера.
Вскрытие рек начинается близ берегов под влиянием солнечных лучей, тепла атмосферы и поступающих в реку талых вод. Приток талых вод вызывает подъем уровня, лед всплывает, отрываясь от берегов, и вдоль берегов протягиваются полосы воды без льда - закраины. Одновременно в местах с быстрым течением в ледяном покрове появляются промоины - небольшие открытые участки воды. На отдельных участках реки, чаще всего на перекатах, где лед тоньше, начинаются подвижки льда - перемещение ледяного покрова вниз по течению. При дружной весне одна-две подвижки обычно приводят к весеннему ледоходу. На реках, текущих с севера на юг ледоход проходит более спокойно, чем на реках, текущих с юга на север. В последнем случае вскрытие начинается с верховьев, в то время как среднее и нижнее течение реки сковано льдом. Волна весеннего половодья перемещается вниз по реке; при этом образуются мощные заторы, вызывающие большие подъемы уровня воды. Так, заторы на Енисее за период, меньший суток, могут вызвать подъем уровня на 12 м.
На малых реках вскрытие может проходить без весеннего ледохода; на реках, вытекающих из озер, часто наблюдается два весенних ледохода - сначала идет речной лед, затем озерный.