Файл: Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник.pdf

ния ледостава на различных участках одной и той же реки возра­ стает с увеличением водности и скоростей течения.

Исследования последних лет показали, что установление ледо­ става на больших реках на значительном протяжении происходит в результате последовательного перемещения кромки льда вверх по течению от очагов ледяных перемычек. На горных реках ледо­ став представляет собой сравнительно редкое явление, в особенно­ сти в южных районах, как, например, на Кавказе и в Средней Азии. Здесь он формируется на участках, где образуются скопления боль­ ших масс шуги.

Большая часть рек нашей страны характеризуется устойчивым ледоставом. Только на реках Черноморского побережья Кавказа и на реках Южного берега Крыма ледостав не наблюдается вовсе вследствие теплого климата. Распределение сроков наступления ледостава на реках СССР характеризуется в общем широтной зо­ нальностью. На европейской части эта зональность несколько на­ рушается под влиянием вторжений теплых масс воздуха с Атлан­ тики. Ледостав на больших реках Сибири запаздывает по сравне­ нию с малыми реками примерно на 10 дней.

майны. Полыньи имеют двоякое происхождение: динамические по­ лыньи и термические. Полыньи первой категории возникают на уча­

нины, на горных и полугорных реках Сибири. Эти полыньи сохраня­ ются иногда в течение всей зимы и являются очагами возникнове­ ния шуги, скопления которой подо льдом ниже полыньи образуют зажоры.

Полыньи термического происхождения возникают либо под влиянием обильных выходов относительно теплых грунтовых вод или сброса промышленных вод, либо, если река вытекает из озера, вследствие подтока более теплых вод озера. Термические полыньи иногда достигают значительных размеров. Так, например, р. Емца, приток Онеги, не замерзает на протяжении более 100 км, несмотря на суровые зимы (рис. 103). Термические полыньи распространены на реках Яно-Колымской горной страны и Чукотки. В большинстве случаев участки с полыньями на этих реках расположены в обла­ сти предгорий, которые характеризуются мощными отложениями галечников, изобилующими выходами грунтовых вод в русло реки.

На реках Чукотки, по наблюдениям И. А. Некрасова, местополо­ жение полыней тесно связано с характером продольного профиля дна реки. Полыньи наблюдаются на неглубоких перекатах с относи­ тельно небольшими скоростями течения, расположенных между глу­ бокими плёсами (3—4 м), покрытыми льдом. Это явление он объ­ ясняет поступлением в русло дренированных рекой относительно теплых грунтовых вод пойменных таликов и характерным распре­

Примером полыней в истоках рек, вытекающих из озер, могут служить полыньи в истоках Невы, Ангары, Волхова и др.

В период ледостава на некоторых реках, часто в районах мно­ голетней мерзлоты, на поверхности ледяного покрова образуются н а л е д и — наросты льда в виде напластований, утолщений, буг­ ров, порой причудливой формы.

Зимой в связи с увеличением толщины ледяного покрова или за­ купоркой русла шугой, промерзанием уменьшается площадь жи­ вого сечения. В таких случаях подо льдом образуется напор, взла-

Рис. 103. Термическая полынья на р. Емче. (Фото А. О. Шпайхера.)

мывающий лед, и через трещины вода выходит на поверхность

льда.

В некоторых районах северо-востока азиатской части СССР

(Яно-Колымская горная страна) наледи образуются в результате замерзания не только речных вод, но и грунтовых. Такие наледи формируются в долинах, на поймах рек и сохраняются в течение длительного времени (многолетние наледи).

§ 154. Нарастание толщины льда на реках

Ледяной покров изолирует воду от атмосферы в термическом отношении и выполняет роль регулятора в теплообмене между во­ дой и воздухом. Если через лед удаляется в воздух больше тепла, чем поступает к нему из воды, то толщина льда увеличивается; в противном случае лед подтаивает. Очевидно, что лед всегда стре­

мится достигнуть такой толщины, при которой создается равнове­ сие между теплом, передаваемым в атмосферу и поступающим из водной массы. Эту регулирующую роль ледяной покров выпол­ няет вместе со снежным покровом, находящимся на нем. Лед зна­ чительно лучше проводит тепло, чем снежный покров. Таким обра­ зом, основная роль в защите водной массы от потерь тепла принад­ лежит снегу, лед же служит основанием, на котором покоится снежный покров. Вот почему между толщиной льда и толщиной снежного покрова всегда существует некоторое определенное соот­ ношение: толщины снега hc и льда /гл приблизительно пропорцио­ нальны друг другу и при плотности снега 0,2 отношение /гс//гл равно 0,4. При увеличении толщины снежного покрова это соотношение нарушается, лед погружается в воду, последняя выступает на по­ верхность льда, смачивает снег, замерзает и в результате толщина льда увеличивается настолько, что восстанавливается нормальное соотношение между толщинами снега и льда. В периоды между снегопадами лед приобретает излишнюю плавучесть, и равновесие восстанавливается с увеличением толщины снежного покрова.

Нарастание толщины ледяного покрова большей частью проис­ ходит с нижней его поверхности, в слое воды, прилегающем к этой поверхности. Охлаждение этого слоя воды обусловливается отдачей тепла в виде теплового потока, идущего от водной массы через лед в атмосферу. При тепловом равновесии толщина льда не меня­ ется.

Нарастание толщины ледяного покрова при обычном среднем покрытии его снегом можно рассчитать по эмпирической формуле, предложенной Ф. И. Быдиным,

где /гл — искомая толщина льда; А =2, если в расчет берется сумма отрицательных средних суточных температур воздуха 2 ^ - за пе‘ риод ледообразования, и А = 11, если в расчет берется сумма отри­ цательных средних месячных температур воздуха.

§ 155. Вскрытие рек. Весенний ледоход

Весной с момента перехода температуры воздуха через 0°С на­ чинается таяние снега на льду и берегах реки. На поверхности ле­ дяного покрова появляется вода. Одновременно с действием солнеч­ ной радиации и теплых воздушных масс она способствует таянию льда. Ледяной покров теряет прочность. Монолитность строения ледяных масс нарушается, лед приобретает столбчатую структуру (рис. 104) и сравнительно легко разламывается под возрастающим

появляющиеся у берегов вследствие вспучивания льда при подъеме

уровня воды. Оторвавшийся от берега ледяной покров на отдель­

сколько. Местами в ледяном покрове появляются промоины и про­ талины. При дальнейшем разрушении он разламывается на отдель­ ные поля и льдины. Плывущие по реке ледяные поля и льдины об­ разуют л е д о х о д .

Характер вскрытия рек различен в зависимости от роли в этом процессе тепловых и механических факторов. Если основная роль принадлежит тепловым факторам, а роль механических ничтожна, разрушение и ликвидация ледяного покрова происходят медленнее

Рис. 104. Структура льда во время вскрытия. (Фото И. А. Уйвари.)

и спокойно, подобно тому как это бывает на озерах. Такой тип вскрытия присущ рекам, на которых весенний подъем уровней не­ значителен либо наступает поздно. В этом случае весенний ледоход отсутствует, лед тает на месте.

При возрастании роли механических факторов вскрытие рек может происходить при значительной толщине льда и сопровож­ дается мощным весенним ледоходом и частыми заторами льда. Наиболее ярко эти явления выражены на крупных реках Сибири и севера европейской части СССР, текущих на север. Здесь вскры­ тие начинается в верховьях и постепенно перемещается вниз по те­ чению. Волна половодья обгоняет фронт снеготаяния и встречает на своем пути участки реки, еще покрытые толстым и прочным льдом. В этих условиях ледоход начинается при больших подъемах уровня, возрастающих вниз по течению.

Исследования последних лет (В. П. Берденников, И. Я- Лисер, и др.) показывают, что возможны разные случаи формирования ве­ сенних заторов льда. В одном случае заторы льда на каком-либо участке обусловливаются в начальной стадии вскрытия главным образом сопротивлением ледяного покрова напору подвижных масс воды и льда, перемещающихся с верхних участков. Увеличение дав­ ления со стороны этих масс вызывает местное многослойное на­ громождение льдин. Эти явления типичны для рек, текущих на се­ вер, для участков с крутыми поворотами, для зоны выклинивания подпора от гидротехнических сооружений и др. В другом случае за­ торы льда образуются при ледоходе на участках с резкими морфо­ метрическими изменениями русла (уменьшение ширины, многорукавность и т. п.), где ледопропускная способность русла меньше массы льда, поступающей сверху.

Рис. 105. Колебание уровня воды (1) и температуры воз­ духа (2) на р. Иртыше у г. Омска в 1956-57 г.

К настоящему времени установлено, что ледяной покров к мо­ менту вскрытия оказывается наиболее толстым и прочным в мес­ тах с большой осенней зашугованностью. Это создает дополнитель­ ные предпосылки к формированию в этих местах мощных заторов. Подобные явления наблюдались на реках Енисее, Иртыше, Север­ ной Двине, Сухоне и др. (рис. 105). Подъемы уровня при весенних заторах нередко превышают максимальные уровни весеннего поло­ водья.

Массы льда, забивающие живое сечение реки порой до 50—80%,. испытывают при заторе значительные напряжения, в результате чего возможны надвиги льдин на берега. Торосистые нагроможде­ ния льда представляют большую опасность как для береговых со­ оружений, так и для зимующих вблизи берегов судов. Во время ле­ дохода происходят иногда значительные деформации берегов.

На реках, вытекающих из озер, наблюдается вторичный ледо­ ход, обязанный своим происхождением выносу озерного льда в реку (Нева, Свирь и др.).

§ 156. Энергия и работа рек

Вода, стекающая по поверхности земли и переносимая реками, обладает энергией, т. е. способностью производить работу. Потен­ циальная энергия реки на участке протяженностью L км при паде­ нии h ми при среднем расходе на этом же участке Q м3/с в единицу времени равна 9,81 • 103Qh Дж. Величина секундной энергии на данном участке реки, переведенная в киловатты, называется када­ стровой мощностью. Мощность на данном участке реки, выражен­ ная в киловаттах, равна

мощностей участков реки на всем ее протяжении называется полной мощностью реки: ^ , N = ^9,8Q h кВт.

Потенциальная мощность рек СССР составляет около 500 млн. кВт. В настоящее время водная энергия потока широко ис­ пользуется для производства электрической энергии на гидроэлек­ трических станциях (ГЭС). Для этой цели с помощью плотин энер­ гию рек сосредоточивают в определенных местах реки. Мощность ГЭС определяется по формуле

пропускаемый через турбины, в м3/с; hp — напор, т. е. сосредоточен­ ное падение воды у турбины, в метрах; г| — коэффициент полезного действия ГЭС, который обычно бывает высоким и достигает 0,98.

Величины Qp и /гр определяются на основании гидрологических и энергоэкономических расчетов. Выработку электроэнергии на ГЭС принято выражать в киловатт-часах. Годовая выработка на круп­ ных ГЭС выражается в миллиардах киловатт-часов.

В естественных условиях энергия, которой обладает вода, сте­

поверхность и о дно и берега русел, на перенос наносов во взвешен­ ном и влекомом состоянии, перенос растворенных веществ и исти­ рание твердых частиц. В результате этой работы происходят про­ цессы эрозии и аккумуляции наносов, что приводит к изменению форм земной поверхности, очертаний и глубин речных русел.

§ 157. Формирование речных наносов

Р е ч н ы м и н а н о с а м и называются твердые минеральные ча­ стицы, переносимые потоком и формирующие русловые и поймен­ ные отложения. Речные наносы образуются из продуктов выветри­

вания, денудации и эрозии горных пород и почв. Водная эрозия, разрушение земной поверхности под действием текучих вод, пред­ ставляет собой наиболее активный процесс, обогащающий реки на­ носами. Она подразделяется на склоновую и русловую. Склоновая эрозия — размыв и смыв почв и горных пород снеговыми и дожде­ выми водами, стекающими по склону. Русловая эрозия — размыв водными потоками, протекающими в руслах, коренных пород дна и берегов русла и склонов долин. В процессе склоновой эрозии те­ кущая вода разрушает связность частиц почв и горных пород и смы­ вает (сносит) их в понижения — ложбины стока, которые и явля­ ются основными путями выноса продуктов эрозии с водосбора. Вме­ сте со снеговыми и дождевыми водами материал смыва с водосбора поступает в следующие за ложбинами звенья временно действую­ щей гидрографической сети — лощины, суходолы. В них процессы эрозии усиливаются и также осуществляется размыв, перенос и в конечном итоге вынос продуктов размыва в реки.

Очевидно, что не все продукты эрозии попадают в реки. Значи­ тельная часть их задерживается по пути стока поверхностных вод и заполняет углубления земной поверхности. Тем не менее та часть продуктов эрозии поверхности бассейна, которая достигает русел рек, является существенным источником формирования речных на­ носов.

Воды рек размывают берега и дно русла. Однако наносы, посту­ пающие за счет этих процессов, являются лишь частью речных на­ носов, причем некоторая доля их представляет собой продукты раз­ мыва ранее отложившихся в русле наносов, принесенных с поверх­ ности бассейна.

Интенсивность водной эрозии зависит прежде всего от энергии текучих вод и затем от сопротивляемости размыву поверхности, по которой стекают эти воды.

Энергия текучих вод на некотором участке, как известно, опре­ деляется их расходом и падением. Вот почему водная эрозия при одних и тех же величинах стока наиболее ярко выражена в горных районах и значительно слабее на равнинах. Большое значение в развитии эрозии имеет режим стока: с увеличением стока в опре­ деленные сезоны происходит усиление эрозии.

Сопротивляемость поверхности земли размыву зависит от при­ родных свойств этой поверхности и прежде всего от свойств почв и пород, а также растительного покрова, предохраняющего почву от размыва. Различные виды почв и грунтов обладают неодинако­ вой способностью к размыву.

Уничтожение растительного покрова (вырубки, неумеренный вы­ пас скота, пожары), неправильная распашка поверхности (вдоль склонов) и обработка почв без соблюдения агротехнических пра­ вил, предусматривающих сохранение структурности почв, могут привести к усилению эрозии, местному смыву почв, возникновению