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

Таблица 25

Значения зимних переходных коэффициентов в период зимней межени

и суммы среднемесячных отрицательных температур воздуха за зимний сезон. Р. Енисей, в/п д. Подкаменная Тунгуска,

метеостанция г. Томск

В связи с этим ниже предлагается метод вычисления зим­ них расходов водь», основанный на учете изменений гидравличе­ ских характеристик потока с появлением ледяного покрова и связи этого процесса с температурами воздуха.

При появлении льда увеличивается смоченный периметр,

и для равнинных рек с их малой средней глубиной зимний гид­ равлический радиус приблизительно равен

где: W— площадь живого сечения, а р — смоченный периметр открытого русла.

Для переходного периода коэффициент при смоченном пери­ метре следует принять, в зависимости от степени укрытия шири­ ны реки льдом, изменяющимся в пределах от 1 при открытом до 2 при закрытом русле.

При этом всю сумму ледовых образований возможно приво­ дить к толщине покрова, занимающего ту или другую часть ширины реки.

Если принять уклон потока не изменяющимся при появлении

льда, а коэффициент шероховатости его нижней поверхности близким к коэффициенту шероховатости для русла, что может

иметь место, то степень уменьшения гидравлического радиуса будет зависеть от того, какая часть ширины реки покрыта льдом. Как отмечено, это уменьшение радиуса выражается величиною показателя при смоченном периметре.

Для переходного периода и для полного ледостава расход воды будет

q _ (bh)°i3 i11 ^зим “ (тр)213 V

69

т. е. при образовании ледяного покрова с шероховатостью ниж­ ней поверхности, равной шероховатости стенок русла, уровень воды не изменится только в том случае, если расход уменьшится на величину 0,37 <2лет. Здесь флет •—расход воды, проходящий в условиях открытого русла. При неизменности расхода с появ­ лением льда произойдет приращение уровней за счет увеличе­ ния сопротивлений проходу водных масс, вследствие увеличения смоченного периметра.

Это приращение уровней будет соответствовать тому, кото­ рое произошло бы, если бы в открытом русле расход увеличился

щий уровню поднявшейся воды от появления ледяного покрова,

с шероховатостью нижней поверхности, равной шероховатости

стенок русла, можно назвать летним расходом нормального зим­ него уровня, а этот уровень — нормальным зимним уровнем.

Однако этот зимний нормальный уровень оказывается более низким, чем наблюденный, так как нижняя поверхность ледя­ ного покрова, в особенности в начальной стадии его существо­ вания, обычно имеет значительно большую шероховатость, чем русло.

Пересчет расходов нормального зимнего уровня к расходу,

соответствующему по летней кривой наблюденному уровню, производится исправлением на указанную разницу в шерохова­ тостях несложным путем, исходя из основной формулы расхода воды. Для этого пересчета необходимо иметь значения шерохо­ ватостей при летнем состоянии русла плеТ и при зимнем пзим. В произведенных расчетах эта последняя характеристика опре­ делялась для следующих условий: средняя глубина принима­ лась для подледного сечения русла, а гидравлический радиус —• равным этому значению средней глубины.

Последнее допущение сделано из тех соображений, что рас­ чет расходов ведется для летней кривой и этим, как бы предпо­ лагаются условия открытого русла с увеличенной шерохова тостью. Все вышеизложенное справедливо при равенстве летних меженних уклонов и уклонов под ледяным покровом.

70

Таким образом, по наблюденным зимним уровням представ­ ляется возможным восстанавливать расходы воды по следую­ щей схеме.

Снятый с летней кривой Q = f(//) расход воды для наблюден­ ного зимнего уровня уменьшается во столько раз, во сколько зимняя шероховатость больше летней, т. е. этот снятый расход

приводится к величине летнего расхода для нормального зим­ него уровня.

Расход воды нормального зимнего уровня уменьшается за счет наличия ледяного покрова (при его шероховатости, равной

Обозначения в этих формулах приняты те же, что и в преды­

дущих формулах.

Для решения поставленной задачи необходимо знание лет­ ней и зимней шероховатости, степени ледовитости реки в пере­ ходные периоды и величины изменения уклонов поверхности воды.

Выше было показано существование связей между коэф­ фициентом шероховатости и температурами воздуха, а также высотою стояния уровней.

Это обстоятельство позволяет производить интерполяции этих коэффициентов для промежутков времени от одного изме­ ренного расхода до другого.

Что касается необходимости учета зимних уклонов водной

поверхности, то, как уже говорилось ранее, они для верхних участков плесов остаются или неизменными или изменяются весьма мало.

Поэтому для створов, расположенных в такого рода участ­

ках течения рек, представляется возможным не вводить в рас­ чет этот последний фактор.

В табл. 26 приведены расчеты среднесуточных расходов воды

по описанному методу и по методу зимних переходных коэффи­ циентов для предледоставного и части ледоставного периодов

1939 г. по р. Каме у в/п с. Тарловки.

Для этих расчетов назначение коэффициента при смоченном периметре т произведено по табл. 27.

Коэффициенты шероховатости сняты с соответствующих кривых зависимостей их значений от температур воздуха

(рис. 18).

Коэффициенты шероховатости для отрезков времени с нали­ чием сала, редкого ледохода и при заберегах в начальных ста-

71

Таблица 26

(?3ИМ для второго варианта,

днях их образования приняты равными летним. Конечные ста­ дии развития заберегов характеризуются шероховатостью той

же, что и при закрытом русле, поэтому их значения для этого состояния снимались с зимней кривой.

Таблица 27

Значения коэффициента т при смоченном периметре для различных

степеней ледовитости реки

Летние расходы снимались с кривой расходов, построенной по измеренным их величинам в 1938 и 1939 гг. для расчета Qnop уровня, а зимний расход с введением поправки на степень стеснения поверхности потока ледяным покровом.

Данные о ежедневных расходах, вычисленные по методу пе­ реходных зимних коэффициентов, оказываются завышенными

по отношению к вычисленным по методу нормального зимнего уровня (табл. 26 и рис. 21). В целях проверки величины откло­ нений результатов вычислений по тому и другому методу от дей­

ствительных значений на тот же чертеж нанесены расходы, под­ считанные при двух вариантах учета измеренных расходов воды: 1) не учтен расход воды, измеренный 24 XI, 2) не учтены расходы воды, измеренные 24 XI и 30 XI.

При втором варианте расчетов метод переходных зимних коэффициентов оказался малопригодным, так как отклонения оказались весьма большими.

Для рекомендуемого метода "Во всех вариантах наблюдаются отклонения не больше пределов точности расчетов.

Таким образом, рекомендуемый метод оказался более гиб­ ким и более применимым, чем используемый до сего времени метод переходных зимних коэффициентов.

В случаях недостаточной связи между уровнями и коэффи­

циентами шероховатости при ледовых явлениях целесообразно использовать интерполяции этих коэффициентов по связи с тем­ пературами воздуха.

74

ГЛАВА IV

ПРОЦЕСС ВСКРЫТИЯ РЕК

ТИПЫ ВСКРЫТИЯ РЕК

Вскрытие рек является процессом длительным, начинающим­ ся за много времени до видимого разрушения ледяного покрова.

Стаивание ледяного покрова снизу, впервые охарактеризован­

ное Ф. И. Быдиным [3], а затем подробно изучавшееся В. В. Пи-

отровичем [21], начинается еще в середине зимы и первое время слабо проявляется. Стаивание сверху и между кристаллами раз­ вивается в конце схода со льда снежного покрова и приводит к

резкому снижению прочности всего ледяного покрова.

Для последующего периода — периода подвижек и весеннего

ледохода — характерен целый комплекс явлений, в состав кото­ рых, с одной стороны, входят получившие начало в предшест­ вующий, подготовительный период, с другой, вновь развиваю­

щиеся: 1) таяние ледяного покрова снизу, 2) таяние ледяного по­ крова сверху, 3) таяние ледяного покрова по плоскостям спай­

ности между кристаллами, 4) деформации ледяного покрова от изменения уровней воды, 5) деформации от действия влекущей силы воды и ее скоростного напора.

Из всех перечисленных видов процессов ни один не является

строго обязательным. Например, на северных крупных реках,

протекающих с юга на север, таяние ледяного покрова не успе­

вает сколько-нибудь развиться и вскрытие совершается под ме­ ханическим воздействием талых вод, подходящих сверху.

Наоборот, на реках, текущих с севера на юг, вскрытие проис-

.ходит под влиянием местного таяния ледяного покрова, а талые воды с верховьев не успевают подойти, и факторы механическо­ го воздействия или вовсе не проявляются или сказываются весь­ ма слабо.

В этих последних условиях подвижек ледяного покрова, гус­ того ледохода может и не быть, как это часто имеет место в ни­ зовьях рр. Дона, Урала и др.

Сам момент вскрытия, т. е. потеря ледяным покровом моно­ литности и приобретение подвижности, в большинстве случаев

76

происходит в условиях достижения льдом температуры 0°С,

если только оно не совершается под воздействием, главным об­ разом, механического фактора.

Сопротивление ледяного покрова взламывающим усилиям Л. К. Давыдов [19] представил в виде функции от его толщины и суммы среднесуточных температур воздуха, накопившихся до вскрытия,

]/’2(+7°) + 1'

Здесь h — толщина ледяного покрова, S(+1°) —сумма средне­ суточных положительных температур воздуха, накопившихся до вскрытия.

Наибольшие значения коэффициента К получены Л. К. Да­ выдовым для рек, вскрывающихся главным образом под воздей­ ствием механического фактора, и наименьшие для рек, освобож­ дающихся от ледяного покрова преимущественно под влиянием теплового фактора.

Поскольку толщина ледяного покрова есть функция суммы отрицательных температур воздуха для каждого данного створа, то эту формулу можно представить следующим образом:

Л

А = —................. •

KS (+ *°) +1

Для крупных рек, вскрывающихся под влиянием главным об­ разом механического фактора, знаменатель в этой формуле бли­ зок к единице, тогда К А ]/2 (—1°).

Для различных рек и даже разных створов одной и той же реки величины сумм положительных температур воздуха, на­ капливающихся к моменту вскрытия, изменяются в больших пределах и от года к году. Первое объясняется местными особен­ ностями питания реки, гидравлическими и морфометрическими ее свойствами, а второе степенью суровости зимы, зимней водо­ носностью реки, характером весенней метеосиноптической об­

становки, и интенсивностью стока русловых водных масс. Поэто­

му на реках с беспаводочным вскрытием, как, например, на юге Забайкалья, прогностические связи между его датами и сумма­ ми положительных температур более тесны, чем для рек с высо­ кими половодьями.

Характер вскрытия различен у малых и больших, горных, полуторных и равнинных рек. Крупные реки, протекающие с юга на север и с севера на юг, по характеру вскрытия резко отли­ чаются; у первых оно совершается, как уже отменено, под влия­ нием главным образом механического фактора, у вторых под воздействием преимущественно теплового.

77

Для многих малых равнинных рек характерно в весенний период появление воды на ледяном покрове — «воды на льду», а на потоках ручьевого типа даже основная масса талых вод снегов проходит вначале по руслу с берегами из снега и дном из льда.

На малых реках с усиленным грунтовым питанием сплош­ ного ледяного покрова в обычные по суровости зимы не обра­ зуется, поэтому и вскрытия в обычном смысле этого слова не происходит. Забереги и местные ледоставы на них быстро взла­ мываются и исчезают, создавая лишь редкий ледоход.

Малые реки с облесенными водосборами обладают значи­ тельным грунтовым питанием, следовательно, на них или вовсе не образуется ледяного покрова, или создается весьма тонкий,

предохраняемый от дальнейшего намерзания рыхлым снежным

покровом.

Вскрытие таких рек сводится главным образом к таянию снежного покрова и заполнению русла талыми водами.

В суровых климатических условиях, особенно в малоснеж­ ных районах, на лесных реках создаются мощные наледи, часто заплавляющие не только русло, но и прилегающие участки пой­ мы, и талые весенние воды проходят поверх наледей, иногда в их обход, вырабатывая новые русла.

На малых реках с открытыми водосборами ледяной покров

достигает значительной толщины на плесах и остается всю зиму более тонким на перекатах. В условиях хорошей теплоизоляции снегом лед на них прогорает.

Малые реки с обедненным грунтовым питанием, как прави­ ло, или пересыхают на зиму и лед остается лежать на сухом дне,

или же перемерзают в наиболее мелких местах. Значительные

массы талых вод на таких реках проходят по ледяному покрову,

который взламывается и всплывает, начиная с перекатных

участков.

Сочетание степени суровости зимы и степени обедненности

грунтового питания и создает реки, промерзающие либо сплошь по всему руслу, либо только на мелководных участках. При со­ хранении хотя бы и незначительного грунтового питания для таких рек обычно появление наледей. В весенний период появ­ ляется «вода на льду», а лед в основном стаивает на месте и лишь отдельные его льдины отрываются и всплывают, в луч­ шем случае создается редкий ледоход.

В районах с широким распространением вечной мерзлоты, где даже значительные реки частично или даже полностью промер­

зают, весеннее разрушение ледяного покрова происходит весь­

ма своеобразно.

Так, в Восточной Сибири и Забайкалье, где малые реки про­

мерзают целиком, лед в весенний период продолжает оставаться на дне и талые воды протекают поверху. Из-за малой мощности

снежного покрова талых вод немного, и они умещаются в русле,

хотя последнее частично и занято лежащим на дне льдом.

78

На перекатных участках, где лед значительно тоньше, появ­ ляются первые проталины в ледяном покрове, позднее всего, освобождается дно на промерзших плесах. Последняя стадия ис­ чезновения льда характеризуется главным образом отрывом от

дна и всплыванием льдин. На нижней их поверхности остается значительное количество вмерзших камней и ила. Таково вскры­ тие мелких рек, например, в Забайкалье (рр. Уров, Борзи, Га-

зимур и др.).

Характер вскрытия более крупных рек в этих районах осве­ щен Б. В. Зоновым [44]. Двухслойное течение воды (под ледя­ ным покровом и над ним), а при временных похолоданиях и трехслойное — одна из самых ярких особенностей режима таких рек в это время.

Образующиеся в местах выходов грунтовых вод мощные на­ леди представляют как бы пороги для протекания вешних’вод, часто вызывая их отклонение в сторону, что ведет к созданию новых русл.

Типичный ход вскрытия на крупных реках достаточно по­ дробно описан в ряде трудов — Е. В. Близняка [26], Ф. И. Быдина [3], М. А. Великанова [45], Л. К. Давыдова [19], Л. Г. Шуляковского [46], В. С. Антонова [47] и др., а поэтому нет необхо­ димости на них останавливаться. Однако для специфических, условий, как, например, на промерзающих, наледных, горных,

порожистых и других реках, процессы вскрытия освещены не­ достаточно.

На порожистых реках первыми вскрываются сами пороги,, что ведет за собой подвижку, торошение льда в прилегающих плесах. Дальнейшее повышение уровней и одновременное ослаб­ ление прочности льда приводят к ледоходу.

На больших горных реках вскрытие совершается по участ­ кам, в общем случае, продвигаясь снизу вверх. Непромерзаю­ щие быстротоки в их верховьях становятся местными очагами раннего беспаводочного освобождения от ледяного покрова. В. глубоких горных долинах от завалов снега надолго остаются снежные мосты, аркой нависающие над потоком.

На крупных реках, протекающих с севера на юг, фронт тая­ ния движется навстречу течению и поэтому процесс вскрытия происходит спокойно, хотя в большинстве случаев и не бывает постепенного его продвижения; обычно такие реки вскрываются по участкам, охваченным одновременным таянием. Так, напри­ мер, на Нижней Волге вначале вскрывается дельтовая часть, за­ тем участок Астраханского плеса и т. д. В этих случаях вскры­ тие совершается при малых подъемах уровней воды, так как в реку к этому времени попадают талые воды только с ближай­

ших частей бассейна. Такой тип вскрытия принято называть тепловым, поскольку ледяной покров разрушается главным обра­

зом вследствие процессов таяния.

На крупных реках, протекающих с юга на север, вскрытие

79