Тема 1.6. Тепловий та зимовий режим річок, річкові наноси та руслові процеси. І.Температурний режим річок

Температурний режим річок формується в результаті обміну теплом між водною масою й атмосферою, а також ложем русла. У літній період коли поверхня води вільна від льоду, інтенсивний теплообмін відбувається з атмосферою; взимку при наявності льодового покриву більш інтенсивний обмін теплом має місце з руслом річки. Влітку водна маса віддає тепло ложу річки, взимку, навпаки, потік тепла йде від дна до води.

Отже , в річному циклі температурног режиму річкових вод виділяють два періоди: відкритої водної поверхні та льодоставу. У перший період внаслідок турбулентного перемішування водна маса швидко реагує на зміни метеорологічних умов і хід температури води майже паралельний ходу температури повітря.

2.Розподіл температури води по живому перерізу

Турбулентний характер течії в річках викликає безперервне перемішування |водних мас, створює умови для вирівнювання температури по живому перерізу річки або однорідності (гомотермії) в її розподілі. Проте влітку температура біля берегів на кілька відсотків вища, ніж на середині річки, а восени - навпаки. Влітку вдень. вода на поверхні тепліша, ніж біля дна, а вночі - навпаки.

3.Зміна температури води по довжині річки

Температура води річок, особливо тих, що мають значну довжину, змінюється вздовж по течії відповідно до зміни кліматичних умов, характеру водного живлення, припливності й властивостей ландшафтних зон, по яких протікає річка.

4.Зимовий режим річок

Зимовий режим річок суттєво відрізняється від режиму в інші періоди року. В зимовий період річки майже повністю живляться за рахунок підземних вод. Тільки на півдні та під час короткочасних відлиг в інших районах спостерігається більш-менш значний поверхневий стік. Як правило, в більшості випадків, витрати річок різко зменшуються. В цьому режимі виділяють три основні періоди: замерзання, льодоставу та скресання річок.

Перший період характеризується початком процесів льодоутворення, осіннім льодоходом та утворенням льодового покриву; другий - нарощуванням товщини льодового покриву; третій - початком процесу танення льоду, руйнуванням льодового покриву та повним очищенням водної поверхні від льодових утворень.

Замерзання річок та водойм є процесом переходу води із рідкої фази в тверду. Початок льодоутворення в зв'язку з цим на всіх водних об'єктах зумовлюється охолодженням води до 0°С і нижче та визначається запасом тепла в потоці чи водоймі і теплообміном води з навколишнім середовищем в осінньо-зимовий період.

Чим більша водність, а отже й запас тепла в потоці чи водоймі, тим пізніше, при однакових метеорологічних умовах, починається льодоутворення і, навпаки, при малій водності - на малих річках та водоймах льодоутворення завжди починається раніше, ніж на більш крупних річках.

Відомо, що процес кристалізації води супроводжується виділенням теплоти плавлення в кількості 80 кілокалорій на 1 кг утвореного льоду. Необхідними умовами для безперервності процесу є відведення теплоти, що виділяється при кристалізації, яке відбувається, в основному через вільну водну поверхню, та наявність центрів кристалізації, якими є сніг та тверді частинки завислих наносів.

На річках із незначними швидкостями течії та на водоймах льодоутворення, в основному, проходить в поверхневому шарі води, при цьому переохолодження води в тонкому поверхневому шарі складає декілька сотих і лише інколи декілька десятих градуса. Початковою фазою поверхневого льодоутворення є так зване сало - тонка льодяна плівка, що складається із прозорих льодяних кристалів у вигляді дрібних голок і переміщується на поверхні окремими плямами.

Одночасно виникають льодові утворення біля берегів, що називаються заберегами. З часом забереги збільшуються в розмірах, заповнюючи водну поверхню річки, а сало змерзається в окремі крижини і поля. Переміщення окремих крижин та відірваних від берегів заберегів утворює осінній льодохід. Зупинка пливучих льодоутворень веде до утворення льодового покриву.

На річках зі значними швидкостями потоку (при v>0,7 м/с) має місце турбулентне перемішування потоку по всій його глибині. В результаті цього по всьому живому перерізу потоку має місце переохолодження водних мас на декілька сотих градуса, що сприяє утворенню кристалів льоду в середині потоку навколо завислих твердих частинок та на дні потоку.

З ростом кристалів та об' єднання їх в загальну масу утворюється так званий внутрішньоводний лід, який є непрозорою губчатою масою, що складається із хаотично розташованих кристалів льоду. Для утворення внутрішньоводного льоду необхідні такі умови:

1. Переохолодження потоку, що проходить через втрату тепла з водної поверхні в атмосферу. Величина переохолодження складає від декількох тисячних до декількох сотих часток градуса, і лише в окремих випадках в тонкому поверхневому шарі може досягати до 1-1,4°С.

2. Відведення тепла із придонних областей через товщу води в атмосферу.

3. Наявність центрів кристалізації.

4. Наявність турбулентного перемішування.

Отже внутрішньоводний лід може утворюватись в будь-якій точці потоку за наявності необхідних умов. Такими умовами є відкрита водна поверхня, значне переохолодження води по всьому живому перерізу русла і наявність швидкостей, при яких не можливе утворення льодового покриву.

По мірі розвитку процесів льодоутворення із кристалів внутрішньоводного льоду утворюється шуга. Шуга - це внутрішньоводний лід, що знаходиться на глибині потоку, або спливає на поверхню у вигляді окремих зерен та їхніх скупчень. Шуга може знаходитись в стані руху (шугохід) або існувати у вигляді скупчень під льодовим покривом.

Умови для утворення внутрішньоводного льоду можуть мати місце як на початку зимового періоду, так і на протязі всієї зими при наявності незамерзлих ділянок річки - ополонок.

В залежності від умов потоку в одних випадках із шуги, разом з іншими льодовими утвореннями, формується льодовий покрив, а в інших - утворюються зажори.

Зажор - це закупорення живого перерізу річки скупченнями внутрішньоводного льоду, сніжури, битого поверхневого льоду в місцях стиснення водного потоку (звуження русла, перекати, границя льодоставу), що викликає різкий підйом рівня води і затоплення території. Розмивання шуги в зажорі проходить дуже повільно, в зв'язку з чим високі рівні тримаються досить довго, а безнапірні рівні поновлюються лише навесні.

Боротьба з внутрішньоводним льодом повинна бути направлена на виключення причин, що викликають його утворення, тобто на зменшення швидкості течії. Це може бути досягнуто влаштуванням на поверхні води спеціальних запаней, зменшенням в передльодоставний період скидів із водосховища, та влаштуванням спеціальних резервних водосховищ.

Період льодоставу триває з моменту встановлення льодового покриву до початку його танення. Він характеризується нарощуванням товщини льодового покриву. Інтенсивність цього процесу характеризується рядом факторів: ходом температури повітря, швидкістю потоку, наявністю снігу на поверхні льоду.

Інтенсивність наростання льоду протягом зими нерівномірна: в початковий період вона більша, а потім зменшується, тому що зі збільшенням товщини льоду втрати тепла з водної поверхні через льодовий покрив зменшуються. Зменшуються вони також із збільшенням висоти снігу на поверхні льодового покриву.

Інтенсивність наростання товщини льоду зменшується із збіль­шенням швидкості потоку. В середньому різниця між товщиною льоду на водоймах та річках при рівності інших факторів, досягає 30%.

Приблизно обчислити товщину льоду можна за емпіричною формулою, параметри якої розроблені різними авторами для певних регіонів

h = φ [Σ (-t⁰C )]ⁿ, (26)

де h - товщина льоду, см; φ - параметр, що характеризує швидкість течії та наявність снігового покриву; Σ(-t⁰C) - сума від'ємних середніх добових температур повітря з початку льодоставу; n - географічний параметр.

Танення льодового покриву починається з появою позитивних температур повітря. Скресання річок проходить в тій же послідовності, що й замерзання. Спочатку лід тане на малих річках та водоймах в результаті більш швидкого нагрівання їх теплими талими водами, а пізніше - на крупних. Скресання річок проходить при різкому збільшенні водності річки, що веде до підйому рівня води і руйнування льодового покриву особливо біля берегів. Це викликає весняний льодохід. Нерідко в період весняного льодоходу утворюються затори льоду. Затор - нагромадження криги у руслі річки під час льодоходу, яке викликається звуженням водного перерізу і пов'язаним з цим підвищенням рівня води. Затори виникають, в першу чергу, в місцях найбільшого звуження русла та в результаті неодночасного танення льоду на окремих ділянках річки. Найбільш поширені затори на річках, що течуть в напрямку з півдня на північ. Як і зажори льоду, затори приносять інколи значні збитки народному господарству.

Методи боротьби з заторами льоду полягають в механічному руйнуванні скупчень льоду на певних ділянках (бомбометання тощо) та затемненням льоду спеціальними матеріалами для прискорення танення льоду на заторонебезпечних ділянках.