Термический режим рек. Ледовые явления на реках и озерах

Поскольку температура воды в реке, как следует из анализа уравнения теплового баланса участка реки, реагирует на метеорологические факторы (изменения радиационного баланса, температуры воздуха), основная причина временных изменений температуры воды в реке – метеорологическая.

В условиях умеренного климата наиболее типичны сезонные изменения температуры воды в реках. Зимой под ледяным покровом вода у поверхности реки имеет температуру около 0 ⁰С. Весной в период повышения температуры воздуха и осенью в период ее понижения изменения температуры воды следуют с некоторым отставанием за изменениями температуры воздуха. Максимальная температура воды по величине меньше максимальной температуры воздуха и наступает несколько позже максимальной температуры воздуха. В связи с тем, что температура воды в реках, как правило, не может приобретать отрицательные значения (переохлаждение речных вод до отрицательных температур без замерзания иногда происходит в случае отсутствия ядер кристаллизации), средняя годовая температура воды в реках заметно выше, чем средняя годовая температура воздуха.

Помимо сезонных колебаний температура воды в реках испытывает и суточные изменения, которые также отстают от изменения температуры воздуха. Минимальная температура воды наблюдается обычно в утренние часы, максимальная – в 15 – 17 ч (максимум температуры воздуха обычно бывает на 1 – 2 ч раньше). На больших реках суточный ход температуры воды обычно более 1 – 2 ⁰С, на малых реках он может быть и выше. Суточные колебания температуры воды хорошо выражены на реках, берущих начало из ледников.

Температура речной воды имеет и пространственные изменения. Хорошо известно подчиняющееся широтной зональности изменение температуры воды вдоль крупных рек, текущих в меридиональном направлении. У таких рек наибольшее различие температуры воды вдоль реки отмечается в период нагревания. Для больших рек, текущих с юга на север, характерны большие контрасты между температурой воды и воздуха: летом нагревшаяся в южных широтах речная вода попадает в северных широтах в условия более холодного климата. Часто температура воды в реках изменяется ниже впадения крупных притоков. В летнее время существенно уменьшается температура воды в реках ниже водохранилищ, что объясняется поступлением в нижние бьефы гидроузлов глубинных вод из водохранилищ, имеющих пониженную температуру. Нередко температура воды в реках заметно возрастает в местах сброса отработанных вод промышленными предприятиями и тепловыми электростанциями. В таких случаях говорят о «тепловом загрязнении» речных вод.

По ширине и глубине реки температура воды вследствие турбулентного перемешивания изменяется мало. На реках с быстрым течением различия в температуре в разных участках поперечного сечения потока обычно не превышают 0,1 ⁰С, на реках с медленным течением – 1 – 2 ⁰С. Однако иногда можно заметить различия в температуре воды на поверхности и у дна, на стрежне и у берегов. Летом у дна температура немного ниже, чем на поверхности, а у берегов выше, чем в середине реки. Осенью у берегов температура воды оказывается немного ниже, чем в остальной части поперечного сечения потока.

Вместе с текущими водами реки переносят и теплоту. Количество теплоты, переносимой речными водами за какой-либо интервал времени, называется тепловым стоком. Его можно рассчитать по формуле:

где W_T – тепловой сток, Дж, за интервал времени - удельная теплоемкость воды; ρ – ее плотность; T – средняя температура воды; W – сток воды (м³) за тот же интервал времени

Все реки по характеру ледового режима делятся на три большие группы: замерзающие, с неустойчивым ледоставом, незамерзающие. На замерзающих реках выделяют три характерных периода: 1) замерзания; 2) ледостава; 3) вскрытия.

Замерзание рек. Переход средней суточной температуры воздуха осенью через 0°С служит своеобразным «сигналом» приближаю­щихся ледовых явлений. Через некоторое время и температура воды снижается до 0°С, и начинаются ледовые явления.

Начальная фаза осенних ледовых явлений — сало, т. е. плыву­щие куски ледяной пленки, состоящей из кристалликов льда в виде тонких игл. Сало обычно плывет по реке в течение 3—8 дней. Почти одновременно у берегов, где скорости течения меньше, образуются забереги — узкие полоски неподвижного тонкого льда. По мере охлаждения всей толщи воды в ней начинает образовываться внутриводный лед — непрозрачная губчатая ледяная масса, состоящая из хаотически сросшихся кристалликов льда. Внутриводный лед, образу­ющийся на неровностях речного дна, называют донным льдом. Скопления внутриводного льда в виде комьев на поверхности или в толще потока образуют шугу. Движение шуги по поверхности или в толще реки называется шугоходом. К шуге на поверхности реки иногда добавляется битый лед, отрывающийся от заберегов, и снежура — скопления только что выпавшего на воду снега.

По мере охлаждения воды начинается образование льда непо­средственно на водной поверхности реки вдали от берегов. В процес­се образования льдин участвуют скопления сала, шуги и снежуры. Начинается осенний ледоход. На больших реках он продолжается 10—12 дней, на малых —до 7 дней.

В период осеннего ледохода русло реки может оказаться забитым шугой и битым льдом. Закупорка русла этой ледяной массой называ­ется зажором. Образование зажора сопровождается подъемом уров­ня воды на вышерасположенном участке реки. Иногда осенний ледоход сопровождается затором, т. е. закупоркой русла плывущими льдинами.

Ледостав. По мере увеличения числа плывущих льдин и их размера скорость движения ледяных полей уменьшается, и сначала в местах сужения русла, у островов, в мелких рукавах, а затем и на остальных участках русла ледяные поля останавливаются и смерза­ются. Этому могут способствовать и заторы. Образуется сплошной ледяной покров — ледостав.

Некоторые участки реки могут в течение долгого времени, иногда в течение всей зимы, не замерзать. Такие участки называют полынь­ями; они часто бывают в местах с повышенными скоростями течения, например на порогах и быстринах, в нижних бьефах гидроузлов, в местах выхода в реку относительно теплых подземных вод и по­ступления промышленных и коммунальных стоков. Таким образом, происхождение полыньи может быть как динамическим, так и терми­ческим.

Толщина ледяного покрова на реках в течение зимы постепенно увеличивается.

Одним из наиболее простых способов оценки нарастания льда на реках служит установление эмпирической связи толщины льда с сум­мой отрицательных температур воздуха. Такую связь отражают, например, формулы Ф. И. Быдина:

; ,

где — толщина льда в см. В первой из этих формул используется средняя суточная, а во второй — средняя месячная температура воздуха. Необходимо отметить важную роль снежного покрова: чем его толщина больше, тем меньше толщина льда под снегом.

Вскрытие рек. С наступлением весны ледяной покров на реках начинает разрушаться. На этот процесс влияют солнечная радиация, поступление тепла из воздуха и с теплыми водами, механическое воздействие текущей талой воды.

Сначала начинает таять снег на льду. Талая снеговая вода ослабляет лед. У берегов реки под влиянием начавшегося нагрева­ния грунта и стекания со склонов талых вод, а также повышения уровня в реке образуются прибрежные полосы чистой воды — закраины.

Продолжающийся подъем уровня воды в реке вследствие поступ­ления в русло талых вод приводит лед в движение. Сначала это лишь небольшие (в несколько метров) смещения ледяных полей — под­вижки, а затем ослабленный ледяной покров разбивается на отдель­ные льдины и начинается весенний ледоход.

Заторы во время весеннего ледохода часто приводят к значитель­ному повышению уровней воды и даже к наводнениям.