3. Ледовые явления

Все реки по характеру ледового режима делятся на три большие группы: замерзающие, с неустойчивым ледоставом, незамерзающие. Реки в условиях умеренного климата, как правило, зимой замерза­ют. На таких реках (наиболее интересных с точки зрения изучения ледового режима) выделяют три характерных периода: 1) замерза­ния, или осенних ледовых явлений; 2) ледостава; 3) вскрытия, или весенних ледовых явлений. Реки в условиях субтропиков замерзают очень редко, в условиях тропического климата — вообще никогда не замерзают.

Замерзание рек. Переход средней суточной температуры воздуха осенью через О °С служит своеобразным «сигналом» приближаю­щихся ледовых явлений (см. рис. 6.22). 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. Непремен­ное условие образования внутриводного льда — переохлаждение реч­ной воды и наличие в воде ядер кристаллизации (кристалликов льда, взвешенных минеральных частиц и т. д.). 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 шути по поверхности или в толще реки называется шугоходом. К шуге на поверхности реки иногда добавляется битый лед, отрывающийся от заберегов, и сне- жура — 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 снежу- ры. 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. Как и зажоры, заторы часто происходят на узких участках русла, в местах разделения реки на рукава (напри­мер, в дельтах Дуная и Северной Двины).

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 (говорят, что «река стала»). Для малых рек характерно образование ледостава без ледохода — путем расши­рения и смерзания заберегов.

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. Как указывалось в разд. 2.4, толщина льда может быть определена с помощью уравнения теплового баланса, если допустить, что теплота, образующаяся в процессе ледообразования, в точности равна известной величине расхода теплоты, например, при выделении в атмосферу. Однако применять такой прием рас­чета на практике бывает сложно.

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:

(6.58)

(6.59)

где /г_л — толщина льда, 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.

На реках в условиях холодного климата под влиянием гидроста­тического напора, вызванного стеснением русла мощным ледяным покровом, на поверхность льда может излиться речная вода, за­мерзнуть и образовать толстый слой вторичного льда — наледь.

Вскрытие рек. С наступлением весны ледяной покров на реках начинает разрушаться. На этот процесс влияют солнечная радиа­ция, поступление теплоты 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.

На текущих с севера на юг больших реках, а также на многих малых реках вскрытие происходит в основном под влиянием тер­мических факторов, несколько опережает волну весеннего поло­водья и проходит относительно спокойно. Вскрытие рек начинает­ся с низовьев и распространяется вверх по течению. Продолжи­тельность весеннего ледохода на больших реках, текущих с севера на юг (Дон, Днепр, Волга), обычно составляет от 10 до 20 дней.

Более бурно происходит вскрытие на реках, текущих с юга на север. Здесь главным фактором вскрытия становится динамиче­ский — воздействие текущих талых вод. Ледоход по времени совпа­дает с волной половодья, идет очень бурно и часто сопровождается заторами, чему способствует более позднее вскрытие нижних уча­стков рек по сравнению с верхними. Такой характер имеет вскры­тие, например, рек Енисея и Лены.

Заторы во время весеннего ледохода часто приводят к значи­тельному повышению уровней воды и даже к наводнениям. Такие явления нередки на Северной Двине, Лене, в низовьях Дуная. Во время заторных наводнений частично затопляются, например, го­рода Великий Устюг на Северной Двине (в месте слияния Сухоны и Юга) и Ленек на Лене. Во время затора в районе г. Ленска весной 2001 г. было затоплено 90 % площади города, разрушено более 3300 домов, 6 человек погибло. На Лене нередки очень мощные и разрушительные заторы. Протяженность скоплений льда в местах заторов достигает 50—100 км, а высота подъема уровня воды во время заторов может превышать зимний уровень на 15—17 м. В январе 2001 г. затор вызвал катастрофическое наводнение в при­морской части дельты Кубани.

Во время сильного затора, происходящего на фоне подъема половодья, уровень воды выше и ниже затора изменяется по- разному: выше затора повышается, а ниже его — понижается. Раз­рушение затора (как естественное под влиянием напора талых вод или весеннего тепла, так и искусственное, с применением ледо­колов или взрывов) часто приводит к образованию паводочной волны.

На малых реках ледяной покров часто тает на месте и весеннего ледохода не происходит.

Ледовые явления на реках России. Наиболее продолжителен период ледовых явлений на реках Сибири. Замерзание рек в Вос­точной Сибири и северной части Западной Сибири начинается обычно уже в октябре. В ноябре замерзают реки юга Западной Сибири, Северного Кавказа, Дальнего Востока, севера Европейской территории России, в декабре — юга Европейской части России. Весенний ледоход на юге Европейской части России начинается обычно в марте, в центральной части — в апреле, на севере — в мае, в Западной Сибири и на Дальнем Востоке — в мае. В июне вскры­ваются реки на севере Восточной Сибири.

Таким образом, продолжительность периода зимних ледовых явлений изменяется на разных реках нашей страны практически от нуля до 6—8 мес.

Толщина льда на реках России также неодинакова. На юге европейской части страны она обычно не превышает 20—40 см, на севере — 1 м. На реках Сибири толщина льда достигает 1,5—2 м. Малые реки в этом регионе нередко промерзают до дна. Иногда перемерзают и крупные реки — Яна, Индигирка.