Тепловой баланс бассейна реки. Термический и ледовый режим рек

Тепловой баланс бассейна реки.

, (18)

где изменение запасов тепла в бассейне реки за рассматриваемый промежуток времени,

– прямая и рассеянная солнечная радиация,

– длинноволновое излучение атмосферы,

– длинноволновое излучение поверхностей (почва, водная поверхность, снег, лед) с минусом,

– турбулентный теплообмен с атмосферой,

– потеря тепла с речным стоком,

– поглощаемое или выделяемое тепло при фазовых перехода воды (испарение, конденсация, ледообразование и плавление льда),

– приход тепла с притоками в случае нарушения границы водораздела.

Термический режим рек определяется соотношением составляющих теплового баланса, теплообменом между атмосферой, водной массой и ложем реки. Основным источником тепла является суммарная солнечная радиация, поглощаемая поверхностью воды. Температура воды достаточно тесно связана с температурой воздуха. Годовой и суточный ход температуры воды в целом соответствует ходу температуры воздуха, но из-за большой теплоемкости воды максимальные значения наступают несколько позднее времени наступления максимальных значений температур воздуха. Для больших рек эта связь неоднозначна: в период охлаждения температура воды больше, а в период нагревания меньше температуры воздуха. Температура воды в реках, вытекающих из крупных водоемов, во многом определяется температурой воды этих водоемов.

Распределение температуры воды по глубине и ширине потока связано

с размерами и характером движения потока. Так как перенос тепла, поступающего к поверхности в толщу воды происходит главным образом

в процессе турбулентного перемешивания, то вертикальный температурный градиент невелик. Например, для крупной и глубокой Ангары летом разница между температурой воды поверхности и у дна не превышает 2-3 ⁰С.

Для средних рек Мста и Великая (Северо-запад России) эта разница составляет 0,1-0,4 ⁰С [4].

Ледовый режим. При наступлении отрицательных температур воздуха и охлаждении поверхности воды создаются условия для образования ледяного покрова.

Время наступления ледовых явлений на реках, продолжительность ледостава и сроки полного освобождения рек ото льда определяются климатическими условиями, строением и размерами речных систем. Продолжительность ледостава может изменяться от 8-9 месяцев (на реках севера Сибири), до 1 месяца и при этом иметь неустойчивый характер (реки европейской части РФ) [4]. Многие реки Мира вообще не покрываются льдом.

Выделяют три фазы зимнего режима рек: замерзание, ледостав, вскрытие.

Процесс замерзания начинается с появлением на поверхности воды сала– очень тонкого слоя смерзшихся ледяных игл, образующих пятна. По мере охлаждения воды в прибрежных мелководных участках появляются забереги– ледяной припай в виде полос льда, которые в дальнейшем расширяются. Снег, выпавший на поверхность охлаждающейся воды, образует снежуру. Одновременно внутри потока при значительном его переохлаждении и перемешивании возникает внутриводный лед (шуга). В период образования ледовых явлений на реках наблюдается осенний ледоход.

В местах сужения русла поперечное сечение реки может заполняться внутриводным льдом, что приводит к образованию зажора и вызывает резкие поднятия уровня воды.

По мере образования неподвижного ледяного покрова наступает фаза ледостава. В период ледостава на порожистых участках могут образовываться незамерзающие пространства – полыньи. Особые условия ледообразования складываются ниже гидроузлов. Вода с более высокой температурой, поступающая из придонных слоев водохранилища, препятствует образованию льда. В результате ниже плотины возникает термическая полынья – участок реки, на котором отсутствует лед при температурах воздуха значительно

ниже 0⁰С.

Толщина льда на реках зависит от температуры воздуха, толщины снега на поверхности льда и скорости течения воды. Она может изменяться

от нескольких сантиметров для рек с неустойчивым ледяным покровом до 1,5-2 м на реках, протекающих в высоких широтах (например, реки, впадающие в моря Северного Ледовитого океана, – Яна, Индигирка и др.). Реки Восточной Сибири на отдельных участках могут промерзать до дна.

В период ледостава могут образовываться наледи. На́ледь – это естественное ледяное образование, образующееся в результате замерзания речных или подземных вод, излившихся на земную поверхность.

По происхождению наледи делятся:

· наледи поверхностных вод,

· наледи подземных вод,

· смешанные наледи.

Различают:

· сухие наледи, образованные единовременным выходом воды,

· мокрые наледи, покрытые водой, постепенно изливающейся на поверхность льда.

Наледи наиболее широко распространены в области многолетнемёрзлых горных пород, но они характерны и для районов глубокого сезонного промерзания. Интенсивность развития наледей зависит от запасов подземных вод и водности предшествующего лета, глубины промерзания сезонно-талого слоя.

Места выхода наледей приурочены к участкам уменьшения сечения русла и очагам разгрузки подземных вод.

Площади наледей колеблются от десятков и сотен квадратных метров до сотен квадратных километров и более. Наиболее крупные наледи наблюдаются в Якутии и на Северо-востоке России. Здесь встречаются многолетние наледи, стаивающие летом лишь частично. Существенна роль наледей в питании рек, особенно в районах, где запасы снега невелики и в начале лета осадков мало (Якутия, Забайкалье).

Вскрытие рек. При установлении положительного теплового баланса начинается процесс таяния и разрушения льда. Таяние ледяного покрова происходит сверху за счет теплообмена с атмосферой и поглощения солнечной радиации. Уменьшение толщины льда в этом случае пропорционально притоку тепла. В ночные часы и при возврате холодов процесс стаивания замедляется, прекращается и даже сменяется повторным ледообразованием. Уменьшение толщины льда происходит также снизу за счет адвекции теплоты с вышерасположенных участков рек, где ледяной покров уже отсутствует, или за счет теплоты, поступающей через лед и поглощенной водной массой. Разрушение льда происходит вследствие механического воздействия водного потока. Процесс разрушения ледяного покрова начинается у берегов, где образуются полосы свободной воды – закраины. Лед теряет прочность, начинаются подвижки и образуется весенний ледоход.

Движение льда часто сопровождается образованием в узких частях и на поворотах русла ледяных заторов, которые приводят к резким подъемам уровня воды и наводнениям. Особенно часто это явление наблюдается на реках текущих из районов, где река уже вскрылась, в районы, где лед еще не разрушен. Например, на Енисее уровень воды при заторах может подниматься на 10-12 м [4].