Зимний режим рек, озер и водохранилищ.

Перед ледоставом на поверхности реки появляется сало — по­верхностные первичные ледяные образования, состоящие из игло­образных пластинчатых кристаллов в виде пятен или тонкого сплош­ного слоя.

С наступлением холодов, примерно за 12—20 дней до полного ледо­става, появляются забереги— полосы льда, смерзшиеся с бере­гами водных объектов при незамерзшей основной части водного про­странства. Забереги увеличиваются до определенной ширины, после че­го их края из-за постоянного воздействия плывущих льдин рез­ко обозначаются сплошным валом битого измельченного льда. Такие забереги (по которым можно судить о направлении судового хода) на Волге получили название утор.

В этот же период на реке появляется так называемая снежура — скопление снега, плавающего в воде. Снежура при таянии по­глощает часть тепла, вызывая охлаждение воды и ускоряя процесс об­разования льда.

На реках ледоставу предшествует образование внутриводного льда — скопления первичных ледяных кристаллов, обра­зующихся в толще воды и на дне водного объекта.

Донный лед—внутриводный лед, образовавшийся на дне водного объекта. Наиболее распространена гипотеза образования дон­ного льда в связи с турбулентным движением воды. По этой гипотезе. переохлажденные на несколько градусов частицы воды и кристаллы льда увлекаются на дно, где, кристаллизуясь, образуют массы рыхлого. льда. Будучи легче воды, донный лед отрывается от дна и всплывает;

на поверхность, образуя льдины. Большие массы этого льда, всплывая на поверхность, иногда увлекают за собой крупные камни, якоря, металлический лом, кабели.

Шуга — всплывший на поверхность или занесенный в глубь потока внутриводный лед в виде комьев, ковров, венков и подледных скоплений. Иногда за шугу принимают плывущую снежуру.

Шугоход — движение шуги на поверхности и внутри водного потока.

Термину «шуга» часто придают более широкий смысл, включая сюда непосредственно шугу, снежуру и ледовую кашу — массы мелкобитого льда, принесенного течением.

Шуга сильно затрудняет судоходство и опасна, так как, прилипая к корпусу судна, образует под днищем большой слой льда. Густота ее увеличивается с понижением температуры воздуха. Стоящие суда мо­гут примерзнуть к грунту, так как шуга может забить свободное про­странство под днищем.

По мере снижения температуры и увеличения количества шуги из нее образуются осенние льдины, дающие начало осенне­му ледоходу. Осенние льдины небольшие, но крепкие и имеют острые края. Они опасны для судов и сооружений, особенно деревянных, так как легко могут их подрезать.

С увеличением количества льдин и шуги продвижение их затруд­няется. Встретив препятствие, масса льда останавливается и смерза­ется. Наступает ледостав — фаза ледового режима, характеризую­щаяся наличием ледяного покрова.

При ледоставе ледяные поля под воздействием течения напирают друг на друга, образуя торосы — ледяные бугры, идущие поперек реки.

Поверхностный лед, создавая дополнительные сопротивления дви­жению речного потока, изменяет характер уровней и скоростей тече­ния. После ледостава нижняя поверхность льда усиливает сопротив­ление движению воды, в результате чего пропускная способность живо­го сечения снижается. В связи с этим происходит подъем уров­ней. Вода через трещины выступает на лед. Эту воду называют «черной водой», так как на белом первом снегу она выглядит черной. Подъем уровней достигает на некоторых реках 2 м. Наибольший подъем бывает в начале ледостава из-за большой шероховатости ледяного по­крова. Затем шероховатость сглаживается и ледяной покров оказывает потоку меньшее сопротивление.

При прибыли воды после ледостава, когда лед еще непрочно смерз­ся с заберегами, может произойти подвижка льда — небольшие перемещения ледяного покрова на отдельных участках реки или водо­ема. При этом все ледяное поле смещается вниз по течению, причем на­блюдается большое нагромождение льда. Подвижка продолжается до тех пор, пока лед окончательно не остановился. Осенние подвижки очень опасны для судов, так как вместе со льдом могут быть унесены целые караваны судов. Чаще всего они наблюдаются на Ангаре и Ени­сее.

Сильный подъем уровней вызывают зажоры, — скопление шу­ги с включением мелкобитого льда в русле реки, вызывающее стесне­ние водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды. Зажоры появляются чаще всего на реках или участках рек с быстрым течением:

Ангаре, Неве, Амударье, Свири, Волхове и т. д. Высота зажорных подъемов уровня обычно не превышает 3—4 м (но известны случаи, когда уровень повышался на 6—7 м), причем такие уровни стоят пол­тора-два месяца. Зимние наводнения при зажорах имеют очень тяже­лые последствия.

На реках с быстрым течением возникают столбы из донного льда — пятры, иначе скопления донного льда, выросшие до поверхности воды. Расширенная шапка их выходит на поверхность реки. Пятры прочно скрепляются с дном, выдерживая скорость воды более 3—4 м/с. Располагаясь рядом и смерзаясь шапками, пятры могут образовать ледяные плотины и вызвать подъем уровней воды.

На некоторых наших южных и европейских реках иногда бывают зимние паводки. При таких паводках уровень воды подни­мается на 6—8 м. Лед, не выдерживая напора воды, ломается и вода устремляется на пойму. Зимние паводки возникают лишь тогда, когда зимой при достаточно высоком снежном покрове наступает сильное потепление и выпадают обильные дожди, которые насыщают снег вла­гой и ускоряют его таяние. В мерзлую почву вода почти не просачи­вается и мощным потоком устремляется в реки, вызывая быстрый подъем уровня.

В зимний период запас грунтовых вод истощается, поэтому уровни воды снижаются, а ледяной покров прогибается и обламывается у бе­регов — происходит оседание льда.

В период ледостава образуются наледи — наросты льда, воз­никающие при замерзании подземных вод, изливающихся на поверх­ность земли, или речных вод, выходящих на поверхность ледяного по­крова. Вода также может выступить на лед вследствие оседания его под тяжестью снега, из родников и незамерзающих источников. Боль­шие наледи значительной толщины образуются в устьевых участках притоков, которые промерзают до дна. Наледи распространены на се­веро-восточных реках. Толщина их может превышать 5 м. При выборе места зимовки следует избегать участков, где могут быть наледи, так как они опасны для судов.

В начальный период ледостава между остановившимися ледяными полями возникают полыньи — пространство открытой воды в ле­дяном покрове, образующееся под влиянием динамических и термиче­ских факторов. С наступлением морозов они покрываются ровным чи­стым льдом. Незамерзающие полыньи встречаются в местах с очень бы­стрым течением, обычно на порогах. Более устойчивы полыньи, обра­зующиеся в истоках рек, вытекающих из озер, на перекатах за длин­ными глубокими плесами. В данном случае вода, выходя из озер и пле­сов, из-за турбулентного перемешивания имеет температуру выше 0° С. Полыньи наблюдаются в истоках Невы, Ангары, Свири, Волхова и других рек.

В полыньях, находящихся перед затонами, накапливается шуга, заполняющая все свободное пространство между корпусами судов, дном и берегами.

После ледостава дальнейший рост толщины ледяного покрова происходит под влиянием низких температур воздуха. Чем больше период низких температур, тем больше толщина льда. Снежный покров, обладая малой теплопроводностью, снижает нара­стание ледяного покрова. Чем выше снежный покров, тем медленнее нарастает лед. Толща льда на одном и том же участке, в местах с ма­лым количеством снега может быть на 0,2—0,5 м больше по сравне­нию с местами, где больше высота слоя снега. Кроме того, толщина льда зависит от скорости течения и притока грунтовых вод. При больших скоростях течения толщина льда меньше. В тихих протоках лед почти в два раза толще, чем в главном русле.

На плесах лед толще, а на перекатах тоньше. Объясняется это тем, что на перекатах степень турбулентности потока больше, чем на пле­сах. Общая температура потока на перекате становится несколько вы­ше 0° С. Положительная температура воды замедляет процесс намер-зания льда и даже является иногда причиной образования полыней.

На реках СССР толщина ледяного покрова до 0,5 м в южных райо­нах и до 2 м в северных.

Толщину льда в естественных условиях при наличии снегового покрова можно рассчитать по следующей эмпирической формуле:

hл=Ф(Et)n, (51)

где ф—коэффициент, равный 1,25—2,0;

Et — сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха от начала льдообразования до данного момента;

п — показатель степени для северных рек, равный 0,5.

Весной, с наступлением положительных температур, начинается таяние снежного покрова и льда сверху и у берегов. На льду появляют­ся темные пятна талой воды, которые постепенно распространяются на всю поверхность льда. Ледяной покров при этом выглядит потем­невшим.

Талые воды с берегов стекают в реку, вызывая увеличение расхо­дов воды и скоростей течения. Уровни воды повышаются. Температу­ра воды в реке увеличивается, а это вызывает таяние льда снизу. В связи с поступлением в реку талых вод лед наиболее быстро начинает таять у берегов, при этом создаются закраины— полосы откры­той воды вдоль берегов, образующиеся перед вскрытием в результате таяния льда и повышения уровня воды.

При дальнейшем подъеме уровней ледяной покров отрывается от берегов. Под влиянием течения воды возникают подвижки льда. На­блюдения показывают, что подвижки, как правило, начинаются в том случае, если превышение уровня паводковой воды над уровнем ледо­става достигает 1,0—1,2 м. Подвижек может быть несколько. Они опасны для судов и сооружений в русле, так как могут повредить и даже разрушить их. Для предотвращения этого лед около них заранее окалывают.

В результате подвижек льда появляются разводья — про­странства открытой воды в ледяном покрове.

Основная причина вскрытия рек — сильный подъем уров­ней воды, при котором ледяной покров ломается на отдельные льдины, приходящие под воздействием течения в движение. Так начинается весенний ледоход. При ледоходе льдины разбиваются на более мелкие, выносятся в море, озеро или реку, выталкиваются на берега и там тают. На реках, вытекающих из озер (Свирь, Нева и т. д.), наблюдаются обычно два весенних ледохода; при первом река очищает­ся от своего льда, при втором несет лед из озера.

Вскрытие рек, текущих с севера на юг, происходит относительно спокойно. Ледоход проходит в низовье, и лед идет уже по вскрывшей­ся реке. Ледяной покров разрушается при наступлении теплой пого­ды и соответствующем подъеме уровня воды. Такой вид ледохода быва­ет на Днепре, Волге и др.

На реках, текущих с юга на север, вскрытие происходит при проч­ном льде под воздействием паводка, идущего сверху. Ледоход бурный, сопровождается большим нагромождением льда на берегах и частыми заторами. Иногда паводок не может взломать ледяной покров и вода идет поверх льда. Такое вскрытие характерно для северных рек ев­ропейской части СССР и рек Сибири.

Заторы — скопление льдин в русле реки во время ледохода, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды. Лед при заторе часто забивает все живое сечение реки до дна. Особенно часто наблюдаются и достигают больших размеров за­торы весной.

Заторы вызывают большой (до 10 м в сутки) подъем уровней воды. Подъем уровней происходит до тех пор, пока давлением воды затор не будет прорван. Ниже затора уровни резко снижаются. Иногда река уходит в сторону от затора, разрабатывая себе новый ход, называе­мый прорвой.

Заторы опасны для отстаивающегося флота, гидросооружений и населенных пунктов. Подъем уровней выше затора приводит к образо­ванию обратных течений. Устремившийся вместе с течением лед входит в затоны, повреждая суда. Наиболее опасны моменты прорыва затора, когда вода и лед с большой скоростью устремляются вниз, сметая все на своем пути. Суда, находящиеся выше затора над затопленной пой­мой, могут обсохнуть на ней при прорыве затора из-за быстрого спада воды. На некоторых сибирских реках (Енисее, Ангаре, Лене) заторы носят подчас катастрофический характер.

Заторы ликвидируют при помощи взрывных работ, бомбардировки и ледоколов.

Осенний ледоход в нижних бьефах наступает на несколько дней позже по сравнению с тем, как это было до создания водохранилища. Ледостав часто сопровождается заторами и подъе­мом уровней воды. За счет поступления из водохранилища воды с по­ложительной температурой ниже ГЭС образуются полыньи (например, ниже Иваньковского водохранилища полынья обычно имеет длину до 25 км, ниже Рыбинского—от 3 до 20 км). При понижении температуры воздуха полынья может быть причиной образования большого количества донного льда и зажоров на нижележащих участках. Если

ниже плотины попусками воды создаются скорости, равные или большие 1—1,5 м/с в южных районах, 2 м/с — в средней полосе и 3 м/с в северной полосе, то ледяной покров не образуется.

Начало весеннего ледохода наступает несколько позднее по сравнению со сроками вскрытия реки, находящейся в естественном состоянии.

С наступлением морозной погоды на озерах и водохранилищах на поверхности воды появляется сало. В дальнейшем появляется прозрачная корка льда толщиной до 5 см, называемая «склянка», или лед-резец. При дальнейшем охлаждении и тихой погоде образуются небольшие льдины, которые, сталкиваясь друг с другом, отбивая края принимают округлую форму, т. е. создается блинчатый лед толщиной порядка 10 см и примерно 0,5 м в диаметре,

В этот же период в озерах может наблюдаться появление внутриводного льда (шуги), для образования которого необходимы переохлаждение и перемещение воды, а также наличие ядер кристаллизации (мелких кристалликов льда и снега, попадающих в поверхностный :

слой).

При смерзании блинчатого льда и шуги возникают отдельные льди­ны и ледяные поля.

При быстром остывании берегов около них появляются забереги, состоящие большей частью из смерзшегося сала. При сильных ветрах забереги взламываются и, нагромождаясь на берега, приобретают то­росистый вид. Постепенно забереги увеличиваются и образуют при­пай. Отдельно стоящие на мели торосистые образования льда носят . название стамухи,

В период образования льда на берегах во время прибоя образуются наплески — обледеневшая вода на охлажденных берегах и скалах. В это же время на отмелых берегах или заберегах образуются ледя­ные валы, высотой 1—3 м, которые на Ладожском озере называют­ся рупеси, на Байкале — сокуи, а также ледяные шары (на Байкале — колобовники), образующиеся при скатывании волнами гальки или шуги.

При дальнейшем охлаждении озера забереги растут, к ним пример­зают сало и льдины, наконец озеро покрывается льдом.

На небольших озерах в тихую погоду лед быстро может распро­страниться от берегов к середине и озеро даже за одну ночь покрыва­ется гладким льдом. Средние и большие мелководные озера замерзают за 3—20 сут. Центральные части крупных глубоких озер длительное время остаются свободными, а в некоторые годы не замерзают совсем (Ладожское и Онежское озера).

При ветре, длительное время имеющем одно направление, льдины становятся торчком, образуя торосы высотой до 3 м. Отдельную льди­ну, стоящую вертикально или наклонно среди ровного льда, называют ропак.

После ледостава происходит нарастание ледяного покрова, завися­щее от температуры воздуха и снегового покрова. Интенсивно этот процесс идет в первые 2—3 декады после ледостава, а затем замедля­ется из-за малой теплопроводности льда.

Снег замедляет образование льда. При большом количестве снега лед погружается в воду, дает трещины, по которым вода выступает на поверхность и замерзает вместе со снегом, образуя наслуд. Толщи­на льда на водохранилищах европейской части СССР 0,5—1,1 м, на водохранилищах Сибири 1,0—1,5 м.

Резкие колебания температуры вызывают в ледяном покрове тем­пературные напряжения, приводящие к разрыву льда и появлению тре­щин шириной до 1 м и более. При похолодании на верхний слой льда действует сила сжатия, и ледяной покров стремится изогнуться вниз. При потеплении происходит обратное и ледяной покров изгибается вверх, причем лед выпучивает до высоты 2 м на протяжении десятков километров.

Трещины возникают при колебаниях уровня. При понижении уров­ня происходят оседание льда на берегах и разрывы ледяного покрова.

Ветер на крупных озерах нередко разрывает ледяное поле и льди­ны затем дрейфуют по свободной части озера. Ветер способствует сжа­тию и разрежению льдов, а также изменению направления и скорости их дрейфа, затрудняет или облегчает условия плавания. Под действи­ем ветра наряду с торосами нередко образуются полыньи и разводья. Как правило, разводья образуются у берегов, от которых дует ветер, отжимающий льды в озеро. Ветер, дующий в сторону берега, наоборот, пригоняет массы льда к берегу, что представляет опасность для судов, находящихся вблизи берега или кромки льда.

Ветер и волнение оказывают существенное влияние на толщину льда. Под их действием образуются подсовы льда, увеличивающие толщину ледяного покрова на отдельных участках. Такой набивной лед очень компактен. По внешнему виду он кажется легким, тогда как, наоборот, может оказаться труднопроходимым для судов.

Сгонно-нагонные и приливо-отливные колебания уровня воды, так­же как и ветер, существенно влияют на условия плавания во льдах. Подъемы воды способствуют разрушению льдов и сохранению ледовых фарватеров. Спады воды вызывают сильные подвижки, при которых увеличивается густота плавучих льдов и быстро исчезают пробитые фарватеры.

Степень заснеженности льда (т. е. толщина сне­га и распределение по поверхности льда снежного покрова) влияет на толщину льда и проходимость его судами. Снег на льду повышает ле­довое сопротивление и увеличивает вероятность заклинивания судов. Свежий снежный покров обычно рыхлый и равномерно распределен по ледяному покрову. Старый снежный покров достаточно уплотнен и не­равномерно залегает в виде заструг и надувов.

Наблюдаются следующие образования снежного покрова: сугробы, надувы и заструги.

Сугробы — скопление снега у торосов чаще с подветренной стороны.

Надувы — крупные пологие сугробы из уплотненного измель­ченного снега, сформированные под действием ветра с подветренной стороны торосов или на ровном месте.

Заструги — снежные валы, имеющие гребни, пологие наве­тренные и крутые подветренные скаты; расположены заструги по­перек направления ветра.

Весной с повышением температуры воздуха начинается таяние снега и ледяного покрова. Когда снег сойдет, тепло скапливается в верх­них слоях воды и происходит сильное таяние льда снизу.

У берегов лед тает быстрее. Этому способствует приток талых вод и подъем уровня озера. Лед отрывается от берегов, возникают закраи­ны, достигающие ширины l—2 км.

Под действием ветра лед взламывается и льдины плавают полозеру, постепенно разрушаясь и тая. Большие массы льда выталкивают­ся на берега, образуя завалы высотой в несколько метров, а на водо­хранилищах часть льда сбрасывается через плотину.

Вскрытие и очищение ото льда происходит раньше всего у устьев и истоков рек. Вскрытие водохранилищ начинается сверху в зоне выклинивания подпора и носит здесь речной характер. Между вскрытием и очищением ото льда проходит значительный промежуток времени (например, на Ладожском озере в среднем 20 дней).