книги из ГПНТБ / Богословский, Б. Б. Основы гидрологии суши. Реки, озера, водохранилища

Рис. 20. Внутригодовой ход температуры воды (------ ), воздуха (—) и соотношения зпих темпера­ тур (-----------) на реках различных термических

типов (по Е. М. Соколовой).

пература воды будет, выше температуры воздуха, при вторже­ нии теплых — наоборот.

Зональные и азональные особенности соотношений темпера­ тур воды и воздуха положены в основу термической классифика­ ции рек, разработанной Е. М. Соколовой (1951). По соотноше­ нию температур воды и воздуха в период, свободный от льда, Е. М. Соколовой на территории СССР выделено семь типов рек, которые делятся на 'подтипы (рис. 20).

Температура воды рек первото типа в течение всего теплого периода выше температуры воздуха. Район распространения рек

80

этого типа захватывает западную часть Европейской территории

СССР и ограничивается примерно линией Нарва — Псков — Минск— верховья Дона—-Измаил (исключая бассейны Припя­ ти, Сожа и Десны). Превышение температуры воды над темпера­ турой воздуха связано с характерными для этой территории ча­ стыми вторжениями холодных масс морского воздуха умеренных широт и морского арктического воздуха-

Вода рек второго типа в период весеннего половодья холод­ нее, а в остальную часть теплого периода теплее воздуха. Бас­ сейны рек второго типа занимают около 3/4 территории СССР, распространяясь в Европейской части СССР и Западной Сиби­ ри примеоно до параллели Минск — Магнитогорск — Барнаул и охватывая всю Восточную Сибирь и Дальний Восток. Период с температурами воды ниже температур воздуха возрастает с запада на восток и северо-восток и с севера на юг.

Реки третьего типа, вода которых холоднее воздуха в нача­ ле и конце теплого периода и теплее в середине, приурочены только к Кольскому полуострову. Это нижние участки рек побе­ режья Баренцева моря, на котором оказывается отепляющее влияние Гольфстрима.

Температура воды рек четвертого типа в начале и середине теплого периода мало отличается от температуры воздуха, а в конце превышает ее. Реки этого типа распространены в степях Европейской части СССР.

Воды рек пятого типа, распространенные в степях и пусты­ нях Заволжья и Казахстана, в течение 6—7 месяцев после вскры­ тия холоднее и только осенью теплее воздуха.

К шестому типу относятся горные реки Крыма, Кавказа и Средней Азии. Температура их вод в холодную часть года выше, а в теплую ниже температуры воздуха. В отличие от равнинных рек термический режим их связан в основном с питанием ледни­ ковыми и грунтовыми водами. Период, в течение которого вода холоднее воздуха, меньше на значительных высотах, где темпе­ ратуры воздуха ниже, чем по выходе таких рек на равнины, воз­ дух над которыми сильно прогревается.

Реки седьмого типа распространены только на Черномор­ ском побережье Кавказа к югу от Сочи. Температура их вод в течение 11—12 месяцев в году ниже температуры воздуха.

Термический режим рек, вытекающих из озер, зависит от температуры вод этих озер. Так; температура воды Невы в тече­ ние 5 месяцев, а Овири в течение 4 -месяцев ниже температуры воздуха, в то время как воды соседних безозерных рек холоднее воздуха только 1 месяц.

Различия в температурах воды по живому сечению рек в большинстве случаев невелики в связи с интенсивным перемеши­ ванием. Температуры на стрежне и у берегов обычно различают­ ся не более чем на 0,5—1, реже— на 2—2,5°С. Под влиянием притоков различия эти могут быть значительными (например,

на Ангаре у устья Иркута 9°С). Разность между поверхностными и придонными температурами также обычно невелика (0,2

0,5°С).

Изменение температуры 'воды по длине равнинных рек зави­ сит от направления их течения, характера питания, температу­ ры вод притоков, скорости течения. Для горных рек играет роль также высота участков бассейна, особенно истоков.

Крупные реки, текущие на юг, перемещают к своим низовьям более холодные воды, особенно во время весенних половодий. Например, в мае температура воды Волги (до строительства каскада водохранилищ) была ниже температуры рек окружаю­ щего района у Самарской луки в среднем на 3, у Волгограда на 6°С. Температура воды меньших по водности рек, текущих на юг, возрастает вниз по течению, особенно во второй половине лета и осенью, когда вода в верхнем течении быстро охлаждается. Так, температура воды в июле в низовьях Днепра выше, чем в верх­ нем течении на 6, а в октябре на 9°С.

Сложнее распределение температуры по длине рак, текущих с юга на север. В истоках этих рек температуры воды низкие. На некотором расстоянии от истока вода напревается, далее тем­ пература ее мало изменяется, а в нижнем течении вновь убыва­ ет. Так, на Оби в августе температура воды повышается с 11 — 12°С в верхнем течении Катуни до 18—19°С в районе Барнаула и 17—18°С ниже устья Иртыша, затем плавно снижается к ни­ зовьям до 14—15°С.

Основные запасы тепла, аккумулированные -в водах таких рек, расходуются в низовьях и устьевых областях. Тепло тратит­ ся на таяние льда весной и осенью, теплоотдачу в атмосферу и нагрев ложа реки. Вследствие нагрева ложа происходит наруше­ ние слоя вечной мерзлоты под руслами крупных рек Сибири. Су­ щественно влияет тепло крупных рек и на ледовый режим поляр­ ных морей. Так, по данным В. С. Антонова, из общей суммы тепла, затрачиваемого на таяние льдов в Обской губе и Енисей­ ском заливе, около 40% приходится на тепло, приносимое Обью и Енисеем.

Величина потерь тепла в устьях и низовьях крупных рек Сибири определена В. С. Антоновым. Средний годовой вынос тепла (тепловой сток) р. Лены у Кюсюра (453 км от устья) 3627-109, а у выхода в море 2380-109 ткал, т. е. Лена в низовьях теряет 1247-109 ткал, или около 35% общего теплозапаса своих вод. Аналогично (расходуется тепло в низовьях и устьевой обла­ сти Оби, где она теряет около 40% теплозапаса.

Реки, впадающие в моря Северного Ледовитого океана, вы­ носят в эти 'моря огромное количество тепла. Среднегодовой теп­ ловой сток достигает в Карское море 5599 -109 в море Лаптевых 3119-109, в Восточно-Сибирское море 175-109 ткал.

Наибольшие различия температуры воды рек по территории

СССР наблюдаются в мае. Резче эти различия в районах с кон­

82

тинентальным климатом. В тундре Западной Сибири речные во­ ды в мае имеют температуру около 0, а на реках Средней Азии — около 18°С. Менее значительны эти различия на реках Европей­ ской части СССР — от 1°С в тундре до 14—16°С на крайнем юге и еще меньше на Дальнем Востоке: от 2 до 10°С.

Летом, когда воды рек на всей территории хорошо прогре­ ваются, различия в температурах сглаживаются и не превыша­ ют 10°С. В июле на севере проходит изотерма 14, на юге Евро­ пейской части СССР и в Средней Азии — изотерма 24°С. С. на­ ступлением осенних холодов широтные различия в температурах вновь возрастают — в Европейской части до 10—12, в Сибири до 12—14, на Дальнем Востоке до 10°С.

Широтное распределение температуры нарушается в горных районах, где изотермы располагаются параллельно горным скло­ нам и температура убывает с высотой. Изменения температуры с высотой 'зависят и от экспозиции склонов. Так, в предгорьях Кавказа температура воды в июле достигает 20ЧС и более, изо­ терма 10°С проходит на Северном Кавказе'на высоте около 700, а на южных склонах Большого Кавказа — на высоте 1400 м. В горах Средней Азии в июле температура воды 10°С отмечает­ ся в разных участках на высотах от 1000 до 2500 м.

10. Ледовые явления

Образование льда на реках начинается при охлаждении во­ ды до 0°С и на несколько сотых градуса ниже. Охлаждение воды замедляется перемешиванием ее, поэтому значительные массы льда образуются, когда вся вода охладится до 0°С.

Осенние ледовые явления начинаются с появления ледяных кристаллов как на поверхности, так и в толще потока (внутриводный лед). Для образования внутриводного льда необходимо переохлаждение частиц воды на несколько тысячных или сотых градуса ниже нуля. Это переохлаждение происходит только на поверхности потока в результате теплоотдачи в воздух. Переох­ лажденные частицы заносятся турбулентным движением воды внутрь реки. Там они при соприкосновении с ядрами кристалли­ зации— охлажденными твердыми частицами (взвесями, зане­ сенными в толщу воды кристаллами льда) превращаются в ле­ дяные кристаллы. Разновидностью внутриводного льда являет­ ся донный лед, образующийся обычно на выступающих со дна предметах: камнях, затонувших якорях, цепях и т. п. Внутриводный лед представляет собой губчатую, ноздреватую, непрозрачную массу, -состоящую из скоплений кристаллов различных размеров и формы (пластинчатые, круглые, чечевицео'бразные и др.). Об­ разовываться он может только на участках с открытой водной поверхностью, где обеспечено переохлаждение воды в результа­ те-соприкосновения с воздухом. Зимой он образуется только на поротах, быстринах, где нет сплошного ледяного покрова.

83

с н е ж у р а (снежница)— плывущий комковатыми несмерзшимися скоплениями снег.

На некоторых реках при интенсивном нарастании донного льда формируются п я т р ы — поднимающиеся со дна до поверх­ ности неподвижные ледяные острова обычно грибовидной фор­ мы. Они образуются в результате смерзания неподвижного донного льда с плавающим поверхностным льдом, шугой и салом.

Обычно на реках перед ледоставом происходит осенний л е- д о х о д —-движение смерзшегося сала, шуги, разбитых забере­ гов, превращающихся в льдины, или шугоход — движение шуги. При этом часто возникают з а т о р ы —-нагромождения.льда у препятствий, в изгибах и сужениях русла, у кромки неподвижно­ го льда, образовавшегося ниже по течению. Плывущая по тече­ нию шуга, достигая участков, покрытых льдом, задерживается перед ледяным покровом, частично втягивается течением под него и, загромождая русло, образует з а ж о р ы . Заторы и зажо­ ры вызывают резкие подъемы уровня воды выше мест их обра­ зования. Особенно часты и значительны заторы на реках, теку­ щих с юга на север, которые замерзают снизу вверх против тече­ ния (крупные реки Сибири). Зажоры бывают на порожистых реках не только осенью, но и зимой.

По мере роста заберегов и скопления льдин между ними вся поверхность реки покрывается льдом. Наступает период ле­ достава. Сроки замерзания рек связаны е ходом температур воз­ духа и значительно варьируют по территории. Раньше всего ле­ достав наступает в районах с континентальным климатом. На территории СССР первыми (в конце сентября) замерзают реки северо-востока Сибири. В центральной и Восточной Сибири ле­ достав наступает в октябре.-В первой половине ноября замерза­ ют реки Западной Сибири и Дальнего Востока. В Европейской части СССР ледостав распространяется с северо-востока, где он происходит в конце октября — начале ноября, на юго-запад, где реки замерзают в конце декабря. На реках крайних южных и за­ падных районов Европейской части СССР и Северного Кавказа (Немане, Висле, Днестре, Кубани и др.) и на .многих реках юта Приморья (Дальний Восток) ледостав неустойчив и бывает не каждый год. На большинстве рек Кавказа и горных районов Средней Азии и Алтая наблюдаются ледовые явления (шуга, за­ береги и др.), но ледостава не бывает. На реках Колхидской и

84

Ленкоранской низменностей и реках на юге Туркмении ледовых явлений вообще нет (рис. 21).

Особенности гидрологического режима рек (скорости тече­ ния, водность, величина подземного питания) вызывают значи­ тельные отклонения от средних дат ледостава. Крупные реки за­ мерзают нередко на 10—20 дней позже малых в тех же районах. Более продолжителен и осенний ледоход на крупных реках. По тем же причинам сроки и характер замерзания рек на разных участках неодинаковы. На плесах ледостав устанавливается, как правило, раньше, чем на перекатах. На условия замерзания ока­ зывает влияние и деятельность человека (сброс теплых промыш­ ленных вод, регулирование режима и пр.).

Нарастание или таяние льда зависит от соотношения теплопотока, проходящего через лед в атмосферу (Q„), и теплопотока, поступающего из воды к нижней поверхности льда(Зв). ПриС2л> > QB лед нарастает, при QB> Qa тает.

Между толщиной льда (Л), нарастающего за время т, и фи­ зическими свойствами льда существует зависимость

р — плотность льда (в среднем 0,92 г/см3). При расчете от начала ледостава (ho— 0)

Из-за недостатка данных о температуре поверхности льда (*л) в расчетах она приравнивается к среднесуточной отрица­ тельной температуре воздуха (—t). Тогда произведение ta~ бу­ дет отвечать сумме отрицательных среднесуточных температур воздуха за расчетный период ( Щ —t). Подставляя значения

постоянных величин X, L и р,получаем /i= 3,56V"2 — t см. Формулы подобного вида применяются для расчетов'тол­

щины льда. Наиболее известная из них формула Быдина, выве­

Наиболее мощный ледяной покров образуется на реках рай­ онов с континентальным суровым климатом. На реках Восточ­ ной Сибири он достигает в среднем 1,5—2, на реках южных ^рай­ онов Сибири и Дальнего Востока 1,2—1,8 м. В Европейской ча­ сти СССР толщина льда достигает 1 м только на реках крайнего северо-востока. К югу и юго-западу мощность льда уменьшается и в бассейнах Днестра, Прута, Кубани не превышает 20—30 см.

85

Толщина льда на .средних и больших реках, как правило, боль­ ше, чем на малых. Так, например, толщина льда на Днепре при­ мерно в 1,5 раза больше, чем на его малых притоках.

В период ледостава на ряде рек сохраняются незамерзаю­ щие участки — п о л ын ь и . Наличие их может быть обусловле­ но большими скоростями течения (динамические полыньи) или термическими причинами (термические полыньи). Первые возни­ кают на порогах и быстринах. Они характерны, например, для рек Кольского полуострова, Карелии, горных рек Сибири. Вто­ рые образуются в местах выхода в русле подземных вод (мно­ гие водотоки бассейна рек северо-востока СССР: Яны, Колымы и др.) или в истоках рек из озер (Ангара, Свирь, Нева и др.). Образуются полыньи в нижних бьефах плотин водохранилищ, а также в местах сброса в реки теплых вод промышленными пред­ приятиями и населенными пунктами.

На реках, где уровень воды зимой значительно понижается, нередко наблюдается висячий ледяной покров («сушняк» на ре­ ках Восточной Сибири).

В результате стеснения русла льдом, особенно в районах вечной мерзлоты, вода может выходить по трещинам на лед, а часто и на пойму и замерзать, образуя н ал еди. На реках Ев­ ропейской части СССР наледи небольшие (редко занимают пло­ щади более 1 км2). В Сибири широко распространены гигантские наледи «тарыны» площадью до 100 и более квадратных километ­ ров и объемом сотни миллионов кубических метров. Они зани­ мают не только русло, но обычно и дно долины. Эти наледи являются своеобразными «водохранилищами», так как сохраня­ ются и летом, повышая при таянии меженный сток рек. Некото­ рые из них не успевают растаять за лето (наледи-перелетки). Так, площадь Момской наледи в долине р. Момы, притока Инди­ гирки, 160—180 км2, объем 500—600 млн. м3. Эта наледь летом

дает сток до 16—20 м3/с.

Перемерзание рек, т. е. прекращение в них зимой течения и заполнение русла льдом, наблюдается при истощении или пол­ ном прекращении грунтового стока. Перемерзают многие реки севера Европейской части СССР и особенно севера, востока и северо-востока Сибири и Забайкалья, где ослабление грунтового питания связано с вечной мерзлотой. Подвергаются перемерзанию даже реки со значительными площадями водосборов. К ни.м относятся Вилюй, Яна, Индигирка, площади бассейнов которых превышают 200 тыс. км2. В бассейнах Яны, Индигирки, Колымы перемерзает большинство рек с водосборами менее 6 тыс. км2, в бассейне Зеи (приток Амура) выше г. Зеи — реки с водосборами

5—10 тыс. км2.

Вскрытие рек происходит в результате воздействия на лед двух факторов: 1) тепла солнечной радиации, нагретого воздуха и талых вод и 2) механического действия речного потока. Теп­ ловое воздействие приводит к таянию льда, уменьшению его

87

толщины и прочности, механическое — к разрушению льда и движению льдин по течению (ледоход).

После перехода температуры воздуха через 0°С начинается таяние снега на льду. По мере стаивания снега все большая до­ ля падающей солнечной радиации поступает на поверхность льда, проникает в его толщу, вызывая таяние. Таянию способст­ вует также тепло, поступающее от нагретого воздуха и талых вод. Раньше всего лед подтаивает и разрушается у берегов, где образуются з а к р а и н ы — участки свободной воды вдоль бере­ га. При подъеме уровня закраины увеличиваются. В этот период часто происходят п о д в и ж к и — перемещение льда на некото­ рое расстояние по течению с последующей остановкой. Подвиж­ ки представляют большую опасность для гидротехнических со­ оружений (устоев мостов, пристаней и др.). При таянии льда прочность его уменьшается, он разламывается под механическим воздействием потока на отдельные льдины, начинается весенний ледоход.

Соотношение роли теплового и механического факторов в разрушении льда различно в зависимости от гидрологического режима рек и направления их течения, а также от метеорологи­ ческих условий периода таяния. У рек, текущих с юга на север, стаивание льда к моменту вскрытия, как правило, невелико. Лед их разрушается идущей с верховьев волной половодья. В процес­ се вскрытия рек, текущих в широтном направлении или с севера на юг, решающую роль играет таяние льда, начинающееся за 15—20 дней до вскрытия (например, реки Унжа, Ветлуга) и даже за 30 и более дней (Дон). На них к моменту вскрытия ста­ ивает около 50% от максимальной толщины льда. Лед тает как

сверхней поверхности под влиянием солнечной радиации, так и

снижней под воздействием теплых вод.

Весенний ледоход на многих реках, особенно текущих с юга на север, сопровождается мощными заторами. Весенние заторы обычно кратковременны, существуют в течение нескольких ча­ сов, реже суток, так как образовавший их лед непрочен и легко разрушается. Поскольку весной перемещаются огромные массы льда, заторы часто сопровождаются быстрым подъемом уровня и значительными разливами рек, представляющими опасность для населенных пунктов и сооружений. Например, максималь­ ный подъем уровня от весенних заторов на Енисее достигает 4—6, на Подкаменной Тунгуске 6, на Северной Двине 5 м. Осен­ ние заторы более прочны и долговременны, так как образующие их льдины смерзаются. Подъемы уровней при них меньше, по­ скольку они формируются из сравнительно небольших масс льда.

Вскрытие рек на территории СССР происходит в порядке, обратном порядку замерзания. В феврале — марте вскрываются реки юго-западных районов Европейской части СССР и При­ морья. Позже всего в Европейской части СССР вскрываются ре­ ки крайнего северо-востока (в начале мая). В Центральной и

88

Восточной Сибири вскрытие рек происходит в мае, а на севере и северо-востоке Азиатской части СССР — в начале июня.

Колебания сроков вскрытия и замерзания по годам меньшие в районах континентального климата (Центральная и Восточная Сибирь, где они не превышают 15—20 дней), чем в Европейской части СССР, подверженной воздействию циклонов и частой сме­ не воздушных масс. На крайнем юго-западе Европейской части

СССР сроки ледовых явлений колеблются в пределах 80—90 дней.

11. Русловые процессы

В' процессе движения речной поток взаимодействует с рус­ лом. Это взаимодействие проявляется, с одной стороны, в изме­ нении очертаний русла и его глубин под воздействием потока, с другой — в изменениях структуры потока, обусловленных раз­ мерами и формой русла.

Разнообразные изменения морфологического строения рус­ ла, постоянно происходящие под воздействием текущей воды, объединяются под названием р у с л о в о г о п р о ц е с с а (И. В. Попов, 1965).- Русловой процесс неразрывно связан с эро­ зией, происходящей как на территории бассейна, так и в руслах, а также с транспортировкой и перераспределением (размывом

инамывом) наносов, 'Осуществляемыми водным потоком. В свя­ зи с этим основными факторами, определяющими формирование

иизменение русла, являются водный режим и сток наносов. Эти факторы, в свою очередь, зависят от географических особенно­ стей бассейна и гидравлических свойств потока. В процессе эро­ зии происходит необратимый переход коренных или древних аллювиальных пород в современный аллювий. Отличительной особенностью транспортировки наносов рекой является ее обра­ тимость — непрерывное чередование в пространстве и времени размыва и намыва участков русла и поймы.

Помимо поступательного движения, связанного с уклоном

водной поверхности, для речного потока характерны циркуляци­ онные течения, впервые выявленные Н. С. Лелявеким в конце XIX в. Он отметил, что к стрежню, благодаря большим скоро­ стям течения на нем, подтягиваются водные струи, вызывая не­ который подъем уровня, который компенсируется расходящими­ ся струями у дна. Таким образом в поперечном сечении потока возникают два замкнутых поперечных циркуляционных течения, сходящихся у поверхности и расходящихся у дна. Сочетаясь с поступательным движением потока, эти течения создают общее винтообразное движение воды. Если русло извилистое, струи воды на изгибах его под влиянием центробежной силы образуют прижимающееся к вогнутому берегу сосредоточенное течение. После удара о берег течение через прямой участок русла, нахо­ дящийся между двумя его излучинами, переходит к другому

89