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

Вполне удовлетворительные результаты, полученные по уста­ новлению этой связи, свидетельствуют о том, что коэффициент шероховатости нижней поверхности льда есть функция темпера­ тур воздуха.

Как Г. К. Лоттер, так и П. Н. Белоконь относительно мало

уделяли внимания генезису и режиму процессов изменения рас­ сматриваемых коэффициентов.

Это обстоятельство и повело к тому, что П. Н. Белоконь, по сути дела, все это изменение свел к зависимости от времени, истекшего от начала ледостава.

Изменения коэффициентов шероховатости зимнего сезона в большинстве случаев весьма различны по характеру и абсолют­ ным значениям в разные периоды сезона.

п

Рис. 17. График изменений коэффициентов шерохо­

Особенно большая изменчивость наблюдается в начальный

период ледостава, наименьшая же — во вторую половину зимы,

когда процессы перемыва шуги, торосов заканчиваются, а на­ растание толщины ледяного покрова происходит замедленно.

Судя по рис. 17, в зимний сезон можно выделить четыре пе­

риода с характерными значениями коэффициентов шерохова­ тости п, что в общем соответстаует и сведениям П. Н. Белоконь.

1.Период начала ледостава, когда значения коэффициентов повышены.

2.Период промыва шуги и торосов, характеризующийся ин­ тенсивным уменьшением коэффициентов.

3.Период замедленного нарастания ледяного покрова, когда значения коэффициентов в общем устойчивы со слабой тенден-

щией к повышению.

59

4. Период предвесеннего обтаивания снизу ледяного покрова,

.характеризующийся резкими уменьшениями коэффициентов

почти до значений, свойственных открытому руслу.

Эта схема применима ко всем рекам, но на порожистых пер­ вый период имеет большую продолжительность и в пределе мо­ жет распространиться на всю зиму.

Существование четвертого периода подтверждает мнение

о стаивании ледяного покрова снизу еще задолго до того, как он начнет таять сверху.

Так как увеличение сопротивлений под ледяным покровом сопровождается, при пропуске постоянной величины расхода, повышением уровней, то, очевидно, должна существовать связь между их высотою и величиною коэффициента шероховатое!и.

Установленная П. Н. Белоконь связь между приращениями толщины льда и коэффициентами шероховатости, по существу,

является связью между ними и температурами воздуха, но на тепловое состояние речных вод оказывают воздействие не толь­ ко температуры данного дня, но и предшествующего времени.

Поэтому для выявления интересующей нас связи использо­ ваны так называемые сглаженные температуры воздуха. Для открытого русла в период предледоставный сглаживание произ­ ведено по формуле

а для закрытого

русла был рассмотрен при описании влияний температур возду­ ха на скорость замерзания рек. Что касается второй формулы,

то при наличии ледяного покрова влияние температур воздуха

сказывается на водных массах через некоторый промежуток времени, продолжительность которого определяется как темпе­ ратурным градиентом между водой и воздухом, так и толщиной ледяного и снежного покровов. Наиболее тесная связь средних температур обнаженного от снега ледяного покрова наблюдает­ ся с температурами воздуха за предыдущие сутки, а для покры того снегом — за предыдущие двое суток. Так как средняя температура ледяного покрова наблюдается на глубине 0,4—0,6 общей его толщины, то очевидно, что для нижней его поверхно

сти влияние температур воздуха запаздывает еще больше. Таким образом, сглаживание температур воздуха с учетом

их значений за предыдущее время вполне правомерно; что же касается продолжительности взятого периода сглаживания, то для достаточно длительных отрезков времени особого значения

не имеют некоторые ее колебания в ту или иную сторону.

60

В период устойчивого ледостава с более или менее одинако­ вой толщиной ледяного покрова можно принять теплоизоля­ ционные его свойства малоизменяющимися и в первом прибли­

жении произвести сглаживание температур, пренебрегая этими изменениями.

4 коэффициенты шероховатости (средние при летнем радиусе), вычисленные по измеренным расходам.

61

Совмещенные графики сглаженных указанным образом тем­ ператур воздуха и средних по живому сечению коэффициентов-

шероховатости показывают однотипность хода этих характери­ стик (рис. 18).

Как видно из этих графиков, десятидневного сглаживания

температур оказывается недостаточно, так как фазы темпера­ тур воздуха сдвинуты по отношению к фазам изменения коэф­ фициентов шероховатости в сторону опережения на 5 суток.

Поэтому на рис. 19 сглаженные по десятидневкам темпера­ туры воздуха для закрытого русла нанесены с учетом этого опе­ режения.

Рис. 19. Связь между коэффициентами шеро­ ховатости и температурами воздуха. Р. Кама, с. Тарловка.

• -- для зимы 1938/39 гг. по ст. Киров; 0 — для зимы 1939/40 гг.; I — период зажорно-заторный, //—период устойчивого ледостава; ///—период предвесенней при­ были воды.

В предледоставный период эти коэффициенты обнаруживают

.прямую связь со сглаженными значениями температур воздуха. В следующий, начальный период ледостава (зажорно-заторный) с понижением температур воздуха коэффициенты шероховатости сильно увеличиваются (рис. 19, кр. /).

Если вновь обратиться к рис. 17, то по нему видно, что за этот период коэффициенты шероховатости обнаруживают тес­ ную связь с числом дней от начала ледостава до даты их изме­ рения, что объясняется промывом шуги и торосистости в усло­

виях начала затруднения теплообмена воды с воздухом.

62

На кр. II рис. 19 расположились точки связи на период устойчивого ледостава двух весьма разнохарактерных зимних сезонов настолько тесно, что среднеквадратичное отклонение не превышает 2%, а г = 0,86.

Уравнение кривой связи п = f(t) для р. Камы у в/п Тарловка для периода устойчивого ледостава имеет вид:

п = — 0,0031 £ + 0,098,

где п — коэффициент шероховатости, средний по смоченному периметру, t — сглаженная температура воздуха, взятая с опе­ режением по отношению к сроку наблюдения коэффициента шероховатости на 5 дней.

В последний период, т. е. с начала предвесеннего повышения уровней, создаются новые условия, в которых термические про­

цессы происходят несколько иначе, вследствие обтаивания льда снизу, подхода вод от таяния снега, деформаций ледяного по­ крова. Поэтому в это время и наблюдается несколько другой вид связи, чем в предыдущий период (рис. 19, кр. III).

Вконце этого периода связь между температурами воздуха

икоэффициентами шероховатости теряется.

Из вышеприведенного следует, что для периода устойчивого ледостава среднее значение коэффициентов шероховатости за­ висит от степени суровости зимы, за показатель которой могут быть приняты среднемесячные значения температуры воздуха за февраль и март (рис. 20).

Можно считать, что в течение зимнего сезона коэффициенты

шероховатости в общем изменяются следующим образом: а) в предледоставный период в тесной связи с температурами воздуха, б) в начальный ледоставный период главным образом вследствие промыва шуги и торосов льда и менее сильно от влия­ ний температур воздуха, в) в период устойчивого ледостава находятся в тесной зависимости от температур воздуха, г) в пе­ риод предвесенний связь с температурами меняется и к концу

периода ослабевает.

В предледоставный период при малоинтенсивных процессах ледообразования коэффициенты шероховатости незначительно отличаются от своих летних значений, но при интенсивных силь­ но увеличиваются. Для этих условий при отсутствии наблюден­

ных значений возможно их восстановление по связи с темпера­ турами воздуха, выведенной по годам, обеспеченным наблю­ дениями.

Наибольшие затруднения представляет расчет коэффициен­ тов шероховатости в зажорно-заторный период. Однако в усло­ виях наличия хотя бы одного измеренного расхода воды приме­ ним их расчет по связи с числом дней от начала ледостава.

Для периода устойчивого ледостава, самого продолжитель­ ного, расчет коэффициентов шероховатости может быть произве­

63

ден € большой точностью по связи со сглаженными температу­ рами воздуха.

В последнем периоде начала предвесенного повышения уровней этот метод может быть применим, за исключением вре­ мени, непосредственно предшествующего вскрытию, но тогда

Рис. 20. Графики связи коэффициентов шероховатости и сумм отрицательных температур воздуха в зимний период (числа при точках соответствуют годам наблюдений).

J — р. Дон, в/п хут. Хованский; 2 — р. Волга, в/п г. Горький, а — графики связи коэффициентов шероховатости, средних за февраль, и суммы отрицательных тем­ ператур воздуха за февраль; б — графики связи коэффициентов шероховатости,

ных температур воздуха за февраль.

коэффициенты шероховатости приближаются по своим значе­ ниям к их летней величине.

МЕТОД ВЫЧИСЛЕНИЯ РАСХОДОВ ВОДЫ В ПЕРИОД ЛЕДОСТАВА

Существующие способы расчетов зимних расходов воды идут по двум направлениям: 1) по гидрологическому, основан ному на рассмотрении изменения гидравлических свойств рус­ ловых потоков при появлении ледяного покрова, 2) по гидроме­ теорологическому, в котором используются связи между метео­ рологическими факторами,, гидравлическими и гидрологически ми характеристиками потока.

Первое направление является наиболее разработанным, и

основанные на нем методы широко применяются в гидрологиче­ ской практике. Второе направление только намечает пути раз­ вития и практического применения еще не получило.

64

В гидрологическом направлении наибольшую применимость имеет метод так называемого зимнего переходного коэффициен­

та, предложенный С. И. Коллупайло [41], в дальнейшем неодно­

кратно видоизменявшийся различными авторами.

Д. Л. Соколовским и В. К. Стабриковым [42] рассмотрена

применимость существующих методов вычисления зимнего коэф­ фициента к специфическим условиям р. Волги и сделан ряд вы­ водов о генезисе и режиме этой характеристики:

1.В условиях р. Волги зимние переходные коэффициенты

изменяются в пределах точности измерений (—|—0,10).

2.Величина коэффициентов зависит от характера замерза­ ния и, следовательно, от факторов, его определяющих, — темпе­ ратур воздуха, водоносности реки, морфометрических и гидрав­ лических характеристик русла.

3.Для конкретных объектов могут быть выделены типы зим­

них сезонов с характерными значениями переходных коэффи­ циентов, например для р. Волги, а) нормальный с пределами

изменений коэффициента от 0,50 до 0,60, б) зажорный с преде­ лами изменений коэффициента от 0,30 до 0,40, в) паводковый —

от 0,60 до 0,70.

4. Территориальное изменение коэффициента имеет в общем зональный характер.

К выводам Д. Л. Соколовского и В. К. Стабрикова следует добавить, что в условиях беззаторного и беззажорного установ­

ления ледяного покрова в период интенсивного нарастания тол­ щины льда весьма четко проявляется связь между величиною зимнего переходного коэффициента и суммами накапливаю­ щихся отрицательных температур воздуха, ослабевающая с прекращением роста льда и теряющаяся во время предвесен­ него повышения уровней, что хорошо видно из данных по р. Каме (табл. 22).

Таблица 22

Изменения зимних переходных коэффициентов и сумм накапливаю­ щихся среднесуточных отрицательных температур воздуха. Р. Кама, в/п с. Яромаска, метеостанция г. Пермь 1938/39 гг.

различиями в генезисе переходного коэффициента в разные пе­ риоды зимнего сезона.

При установлении ледяного покрова с гладкой нижней по­ верхностью величина коэффициента определяется уменьшением вдвое гидравлического радиуса и подпорами от расположенных ниже по реке участков с меньшей средней глубиной.

О размерах такого влияния участков с малой глубиной русла

можно судить по следующим ориентировочным расчетам вели­ чины коэффициента, произведенным по сокращенной формуле С. И. Коллупайло [41, 43] (табл. 23).

Таблица 23

Изменение зимних переходных коэффициентов с увеличением глубины

погруженного льда для участков русла с большой и малой глубиной

Из табл. 23 следует, что коэффициенты для русла с малым гидравлическим радиусом меньше и с увеличением толщины

погруженного льда интенсивнее снижаются, чем на участках с большей глубиной.

Таким образом, если даже на реке установится ледяной по­ кров одинаковой толщины по всей длине, то и в этом случае создаваемые им сопротивления будут большими на мелковод­ ных и меньшими на глубоководных участках, что при плесово­

перекатном характере течения равнинных рек существенно ска­

жется на перераспределении уклонов со всеми вытекающими

отсюда последствиями.

Так как увеличение толщины ледяного покрова зависит от суммы отрицательных температур воздуха, то неизбежно долж­

на существовать связь между ними и зимними переходными коэффициентами.

При заторном характере установления ледяного покрова,

в особенности сопровожденного зашуговыванием русла, связь зимних переходных коэффициентов с суммами отрицательных температур воздуха нарушается вследствие резких изменений

сопротивлений для прохода русловых масс воды.

Именно поэтому по исследованиям Д. Л. Соколовского для р. Волги с развитыми процессами шугообразования и торосис­ тым от заторов ледяным покровом описываемой связи не на­ блюдалось.

66

Наоборот, при исследованиях А. В. Огиевского и Л. М. Кова­ лева на реках с мало развитыми явлениями шугообразования были выявлены связи коэффициента с суммами отрицательных

температур воздуха и с толщиной льда.

Впериод замедленного нарастания льда или его стабильного состояния, как правильно отмечает Д. Л. Соколовский, эта связь теряется, что объясняется изоляцией снежным и ледяным покровами русловых масс воды от влияния температур воздуха,

вследствие чего коэффициент изменяется главным образом под

действием обтаивания нижней поверхности льда, особенно в

мелководных участках.

Впериод предвесеннего повышения уровней происходит огносительное выравнивание глубин по длине реки, что и оказы­

вает влияние на изменения описываемого коэффициента.

Из этой специфики генезиса зимнего переходного коэффи­

циента следует, что методы его вычисления, предложенные А. В. Огиевским и Л. М. Ковалевым, закономерны для периода интенсивного нарастания толщины льда в условиях беззаторкого и беззажорного установления ледяного покрова.

Изменение коэффициентов для больших рек по территории,

по мнению Д. Л. Соколовского, довольно плавное и в общем носит зональный характер, что в значительной мере и подтверж дается данными табл. 24.

Так как величина коэффициента определяется рядом факто­ ров, зависящих от размеров рек, а следовательно и от величины водосбора, то картографическое изображение его территориаль­ ного распределения возможно лишь в виде каких-то приведен­ ных значений.

Разнообразие местной специфики факторов, влияющих на зимний режим рек, делает и такое представление изменений коэффициента по территории затруднительным.

Следует отметить, что изменение гидравлических характери­ стик потоков при переходе от равнинных участков к горным вы зывает и значительное уменьшение коэффициента. В частности, уже в нижних зонах западных склонов Уральского хребта коэф­ фициенты снижаются до 0,1—0,02.

Многолетние изменения коэффициентов, свойственных пе­ риоду зимней межени, в районах с достаточным грунтовым пи­

танием и с зимами средней суровости для крупных рек не ве­

лики, в частности для Волги они находятся в пределах 0,40—0,70. В районах с обедненным грунтовым питанием и суровой зи­ мой эти изменения больше, например для р. Енисея у в/п Под­ каменная Тунгуска коэффициенты за период в 15 лет изменя­

лись от 0,22 до 0,43, обнаруживая при этом связь с суммами от­

рицательных температур воздуха (табл. 25).

Такая связь проявляется до некоторой предельной величины этих сумм, в частности для р. Енисея до суммы среднемесячных

температур в —80°.

Таблица 24

Значения зимнего переходного коэффициента для различных районов

В заключение рассмотрения изменений зимнего переходного коэффициента следует отметить, что они в ряде случаев весьма

сложны, а существующие методы их учета далеко несовершенны, поэтому и способы вычислений зимних расходов, основанные на использовании этой характеристики, не всегда дают необхо­ димые результаты.

1 По данным Б. В. Полякова (42)

68