книги из ГПНТБ / Панов Б.П. Зимний режим рек СССР

На р. Каме на 1 см понижения уровней приходится число градусов отрицательной температуры воздуха примерно, в че­

тыре раза меньшее, чем на р. Оке.

Это обстоятельство объясняется частично тем, что наблюден­ ные у г. Перми температуры дают преуменьшенные их ам­

плитуды по сравнению с имевшими место на северных и ураль­ ских притоках.

Понижения уровней, вызванные ледообразованием, прихо­ дятся на окончания ледовых фаз и также несколько запазды­ вают по отношению к понижениям температур. Начало подъе­ мов уровней соответствует перерывам в ледовых фазах, а их максимумы сдвинуты в сторону запаздывания по отношению к максимумам сглаженных температур воздуха.

Эта связь повышений и понижений уровней с температурами воздуха показана на рис. 12, где только одна из шести точек связи отклонилась от наметившейся закономерности.

Аналогичные построения были сделаны и для р. Вятки по в/п г. Киров с теми же результатами (рис. 12).

За 1926 г. для р. Камы у г. Перми установлена связь меж­ ду интегралами отрицательных температур воздуха и.пониже­ ниями уровней, т. е. в несколько иной форме, чем для 1939 г.

Связь между температурами воздуха и понижениями уровней выразилась следующими уравнениями:

Здесь АЯ — отметка уровня воды над нулем графика, (—/°) —

среднесуточная отрицательная температура воздуха, сглажен­ ная по десятидневкам.

Для этих же рек построены кривые зависимостей величин понижений уровней в предледоставные периоды за различные годы от сумм среднесуточных отрицательных температур воз­ духа, накопившихся ко времени их падения до наинизших отме­ ток (рис. 13).

39

Связи оказались линейными, с малым разбросом точек, ана­ литическое выражение их следующее:

несуточных отрицательных температур воздуха.

Рис. 12. Связь между сглаженными по двадцати­ дневкам температурами воздуха и характерными

Эти уравнения показывают, что для начала понижения уров­ ней необходима некоторая начальная сумма отрицательных температур, для р. Камы приблизительно —30°, для р. Вятки

^10°,2.

Выше, в описаниях режима уровней рр. Оки, Камы, Оби, от­ мечалось, что после некоторого предела накопившихся отрица­ тельных температур воздуха падение уровней прекращается и

сменяется их подъемом. Эти повышения объясняются усилен ным ледообразованием, настолько стесняющим русло, что измё-

йяются гидравлические условия протекания масс воды и, не­

смотря на продолжающиеся изъятия, пропускная его способ­ ность оказывается недостаточной.

40

Наибольшие подъемы вызываются образованием временного или постоянного ледостава в зажорно-заторных условиях.

Однако появление ледяного покрова даже без каких-либо зажоров и заторов неизбежно вызывает повышение уровней.

Высота подъемов в этих случаях определяется увеличением смоченного периметра и сопротивлений для прохода русловых масс воды.

Рис. 13. Связь величины понижений уровней с суммами накопив­ шихся среднесуточных отрицательных температур воздуха (год наблюдений указан при точках связи).

/—р. Кама, г. Пермь; II—р. Вятка, г. Киров.

Появление внутриводного льда или образование заторов только усиливает это явление, не изменяя его существа, что и

проявляется главным образом в большей высоте подъема уров

ней.

В этих повышениях уровней участвуют динамические факто­ ры, развитие которых происходит скачкообразно не только во

41

времени, но и по длине реки и потому весь процесс принимает весьма сложный характер.

На рис. 14 для рр. Камы и Вятки помещены кривые связей между суммами отрицательных температур, накопившихся к ледоставу, и повышениями уровней.

Кривые связей показывают, что при малых суммах отрица­ тельных температур их влияние на подъемы уровней относи­ тельно слабое (кр. II) и, наоборот, при больших весьма значи­ тельное (кр. I).

Рис. 14. Связь сумм отрицательных среднесуточных темпера­ тур воздуха предледоставного периода с повышениями уровней от их минимума на „птичке" до ледостава (годы наблюдений указаны при точках связи).

I — р. Кама, г. Пермь; II — р. Вятка, г. Киров.

Слабая реакция уровней на воздействия температур в ниж­ них частях кривых объясняется в этих условиях вялостью всего процесса в целом.

Прогрессирующее увеличение их влияний при больших сум­ мах, по всей вероятности, определяется не только увеличением интенсивности ледообразований, но и иным их качеством с точки

зрения гидравлических свойств (шероховатости и степени зажорности).

42

ИЗМЕНЕНИЕ ВОДОНОСНОСТИ РЕК

Вопросами изменения водоносности рек в зимний период за­ нимались достаточно давно. Е. В. Близняк [26], Н. Н. Соко­ лов [11], В. Н. Вальман [14], затем Ф. И. Быдин [27—30] и Р. А. Флерова [31] подробно изучали этот вопрос, в частности Флерова отмечала снижение водоносности с понижением темпе­

ратур воздуха. В. Г. Гойт [32] еще в 1913 г. писал о связи вели­ чин расходов воды в зимний сезон с температурами воздуха: «Повышение температуры увеличивает расход воды, даже если она поднимается не выше нуля, по той причине, что при этом повышается приток грунтовых вод в русло реки.

Если же температура поднимается выше нуля, то расход

воды увеличивается и благодаря притоку от таяния льда и

снега».

Таким образом, этот вопрос не является новым, но освещен далеко не полностью, особенно для предледоставного периода, так как его изучение осложняется недостаточностью измерений расходов воды в это время.

В рассматриваемых ниже примерах лишь по двум пунктам р. Камы имеется для 1939 г. более или менее достаточное коли­ чество измеренных расходов, а именно по в/п в/п Тарловке и

Сокольи Горы.

По этим данным следует, что в периоды формирования ледо­ ставных «птичек» имеет место не только снижение уровней, но и уменьшение расходов воды.

Ледоставные и предледоставные понижения уровней форми­ руются при образовании льда в русле, что создает дополни­ тельные сопротивления для прохода воды. Падение уровней в этих условиях может произойти только при значительном умень­

шении расходов воды.

Выше отмечалось, что при особо резких и глубоких пониже­ ниях температур, в реках образуется так много льда, что увели­ чение сопротивления проходу воды становится доминирующим процессом и, несмотря на уменьшение расходов, уровни подни­ маются.

Вниз по течению модули расходов при падении водоносности в период развития ледообразовательных процессов изменяются таким же образом, как годового стока и стока за зимний сезон.

Так, например, для р. Камы от верховьев к низовьям норма стока уменьшается от 8,0 до 4,0 л/сек, а модули среднемесяч­

ного минимального стока за зимний сезон, по карте Л. Н. По­

пова [33], от 1,8 до 0,8 л/сек. Та же тенденция наблюдается и

для минимумов предледоставных понижений стока (табл. 11).

Следует отметить, что в верхнем участке реки модули расхо­ дов в момент прохождения минимумов ледоставных понижений значительно больше, чем в периоды минимума за весь сезон, а в

низовьях они по величине совпадают.

43

Таблица 11

Примечание. В числителе даны расходы воды в м^сек, в знаменателе соответствующие им модули в л)сек с Ткм1,

Если принять, что уменьшение водоносности реки, вследствие срабатывания запасов вод, происходит по плавной кривой, оги­ бающей график среднесуточных секундных расходов сверху, а изъятия на ледеобразование определяются площадью, заклю­ ченной между этой кривой и самим графиком в пределах пони­

стока, равных скоростям течения воды, их объемы наибольшие и, ориентировочно, равны 260Х106 м3.

При больших скоростях продвижения понижений стока, ког­ да они подходят от верхнего створа к нижнему на 6—7 дней ранее, чем добегают воды, объемы наименьшие и приблизитель

но равны 70—80 X 10s м3.

Такой характер описываемой связи находит себе объяснение

в следующем. В первом случае происходит суммирование волн понижений стока верхового происхождения, во втором случае они формируются только за счет местных его задержек и изъ­

ятий.

Как уже отмечалось выше, раннее установление ледяного покрова у створа Сокольи Горы повело к сглаживанию пониже­ ний уровней верхового происхождения, оказавшихся здесь подо льдом, что в какой-то мере отразилось и на уменьшении пониже­

ния расходов воды.

45

В каком соотношении находится подобное уменьшение водо­ носности реки с изъятиями на ледообразование, дает представ­ ление табл. 13, в которой по наблюденным суммам отрицатель­ ных температур воздуха подсчитана по формуле Ф. И. Быдина толщина ледяного покрова и вычислены изъятия воды из русла реки на образование льда. Ввиду ориентировочности подсчетов, пересчет объема льда на воду не производился.

Таблица 13

Расчет изъятий на ледообразование из р. Камы в 1939 г.

Примечание. Суммы температур получены по в/п г. Пермь.

Из сравнения табл. 12 и 13 следует, что даже значительные

изъятия на ледообразование в главной реке составляют не бо­ лее 10% объема ледоставных уменьшений стока.

Л. М. Ковалев [6] полагает, что размер последующего за прохождением предледоставного минимума увеличения расхо­ дов воды является показателем объема изъятия на ледообразо­ вание, что не согласуется с выводами, полученными по табл. 12 и 13. Кроме того, величины изъятий на ледообразование, вычис­ ленные так, как это предложено Л. М. Ковалевым, по двум ва­

риантам: 1) в качестве верхнего предела восстановления расхо­

дов взята точка перелома крутого подъема графика расходов воды к пологой части, 2) за этот предел принят максимум подъ­

ема, оказываются во много раз больше аккумулированных в ле­ дяном покрове запасов воды, как об этом можно судить по дан­

ным табл. 14.

Это обстоятельство также свидетельствует, что формирова­ ние предледоставных минимумов стока происходит не столько от изъятий на ледообразование в русле реки, сколько от задерж­

ки в замерзшем плесе русловых запасов воды.

Средние скорости потока под ледяным покровом при одина­

46

ковых уровнях, в два—три раза меньше, чем при открытом рус­ ле. Это обстоятельство и ведет к срабатыванию запасов воды

нижнего открытого плеса в условиях замедленного пополнения водами верхового замерзшего плеса.

Вслед за установлением ледяного покрова и на нижнем

плесе приход туда задержанных ледоставом в верхнем участке

вод определяет повышение расходов воды.

На гидрографе это восстановление водоносности выражается весьма крутой ветвью подъема.

Такое явление развито на реках с более ранним установле­ нием ледяного покрова в верхнем течении, по сравнению с ниж­ ним, и отсутствует на реках, замерзающих сначала в нижнем течении.

На гидрографах таких рек при ледяном покрове во многих случаях выделяется начальная крутая часть, сменяющаяся бо­

ного покрова, расходов и уровней реки, в общем аналогичная

составленной ранее Ф. И. Быдиным [3].

По этой схеме весь процесс понижения уровней (и расходов воды) перед ледоставом в условиях замерзания реки сверху вниз по течению можно представить себе следующим образом.

Образовавшийся на верховом плесе ледяной покров умепь шает скорости течения и ухудшает условия питания нижнего от­

страняется далее вниз по течению.

При шероховатости нижней поверхности льда, равной по ве­

личине шероховатости стенок русла, через живое сечение прохо­ дит 0,63 летнего расхода воды, вследствие уменьшения пример­ но вдвое гидравлического радиуса. Компенсация пропускной

47

способности русла, вследствие увеличения живого сечения, про­

исходит не в полном размере.

По этой причине ниже кромки ледяного покрова непосред­ ственно после его образования в верхнем плесе должно прохо­ дить уменьшенное количество воды.

става, приводят к выводу, что на реках с плавным продольным профилем, протекающих с севера на юг, при осеннем ледоставе

ледостав распространяется вниз по течению, именно поэтому на них и наблюдаются в это время понижающиеся уровни.

В случае задержки в продвижении вниз по реке кромки ле­

дяного покрова понижение расходов компенсируется приходом

сверху, из участков закрытого русла, задержанных ледоставом вод, вследствие чего в нижнем открытом плесе происходит вос-

48