ВЕСЕННЕЕ ВСКРЫТИЕ РЕК ЕВРОПЕЙСКОЙ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ В СОВРЕМЕННЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

ВЕСЕННЕЕ ВСКРЫТИЕ РЕК ЕВРОПЕЙСКОЙ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ В
СОВРЕМЕННЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ1
С.А. Агафонова*, Д.В. Козлов**, Н.Л. Фролова*
*МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, Москва, Россия
** Московский государственный университет природообустройства, Москва, Россия
e-mail: [email protected]
Исследование ледового режима рек – важная научная и практическая задача ввиду
особенностей географического положения и климатических условий нашей страны. Со
сроками и продолжительностью ледовых явлений связаны многие виды хозяйственной
деятельности – условия навигации, нормальное функционирование гидротехнических
сооружений и др. Во многих случаях ледовыми явлениями обусловлены опасные
гидрологические процессы.
Опасные гидрологические явления в период весеннего вскрытия рек связаны с резкими
подъемами уровней воды, обеспеченными как высокими расходами, так и подпорным
влиянием скоплений льда в русле, а также с динамическим воздействием льда на
гидротехнические сооружения. Низкие температуры воздуха в этот период служат
дополнительным фактором, увеличивающим ущерб при возникновении ЧС [3].
Представленная характеристика процесса вскрытия рек Европейской территории России
(ЕТР) составлена по данным более 300 гидрологических постов за период с 1940 по 2010 гг.
С момента, когда тепловой баланс ледяного покрова становится положительным, начинается
его разрушение. Вследствие таяния снега на льду появляется вода. Постепенно снег на льду
пропитывается талой водой. Наиболее интенсивно таяние льда происходит вдоль более
прогретых берегов. Подъем уровней воды в реке, связанный с таянием запасов снега в
бассейне, и поступление талой воды в русла рек, вызывают вспучивание льда, в нем
появляются трещины. Вдоль берегов образуются закраины, по которым течет вода, размывая
ледяной покров. Постепенно закраины расширяются и углубляются. Ледяной покров
начинает отрываться от берегов. На льду появляются скопления воды, проталины.
Отдельные ледяные поля начинают всплывать.
Разрушение ледяного покрова происходит под действием двух сил: 1) поверхностного и
внутреннего таяния льда под влиянием солнечной радиации, теплообмена с атмосферой и
водной массой; 2) динамического воздействия потока при достаточно большой
интенсивности и скорости движения волны половодья. Характер весеннего вскрытия
определяется толщиной и прочностью ледяного покрова к моменту вскрытия, погодными и
гидрологическими условиями весеннего периода. При малых скоростях течения воды и
незначительных колебаниях уровня воды в период вскрытия лед тает на месте. На больших
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-05-00113,
проект № 14-05-31278), гранта Правительства РФ для государственной поддержки научных
исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских ВУЗах (проект
№11.G.34.31.0007), ФЦП «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012–
2020 годах»
1
и средних реках наряду с ослаблением прочности льда под действием тепловых факторов
происходит нарушение целостности ледяного покрова под влиянием колебания уровня воды
и гидродинамической нагрузки [5].
Разнообразие природных условий (прежде всего климатических), а также разный характер
антропогенной деятельности в бассейнах рек приводит к многообразию характеристик
процесса вскрытия на реках ЕТР.
Для Севера ЕТР характерна длинная, холодная зима с устойчивым снежным покровом.
Благодаря основному направлению течения рек данной территории (рр. Онега, Северная
Двина, Мезень и Печора) – с юга на север, весенний ледоход проходит интенсивно, при
высоких уровнях воды и ежегодно сопровождается заторами льда.
Начало весеннего ледохода на юго-западе данной территории приходится на вторую декаду
апреля, правые притоки р. Печора вскрываются 20–25 мая. Раньше по сравнению с другими
вскрываются озерные и карстовые реки (бассейн р. Онега вскрывается в среднем к середине
апреля).
Как уже отмечалось, заторы на реках севера ЕТР сопровождают процесс вскрытия ежегодно.
Для многих участков повторяемость заторов достигает 100%. Однако существуют
определенные закономерности распределения заторов в бассейне в конкретный год. При
большом количестве ледового материала в бассейне после суровой зимы заторы образуются
в верховьях рек и, при благоприятных погодных условиях, задерживают процесс вскрытия,
пока реки не освободятся ото льда на достаточном протяжении. При малом количестве льда
– остановка ледяных полей происходит значительно ниже по течению. В отдельные годы
небольшие заторы образуются по всей длине рек, но они непродолжительны. Сценарий
вскрытия речной системы бассейна и места образования заторов определяется условиями
осени (образованием зажоров), зимы (нарастанием толщины льда) и весны (погодными
условиями в период вскрытия).
Процесс вскрытия на реках севера ЕТР определяется как тепловыми, так и динамическими
факторами. Из-за ежегодно образующихся заторов особый интерес для рек севера ЕТР
представляет оценка соотношения этих факторов в период вскрытия. Такую оценку можно
дать, рассчитав, к примеру, произведение φлhл к началу вскрытия (подвижки), где φл –
прочность льда (относительное разрушающее напряжение тающего льда на изгиб), hл –
толщина льда, используя методику расчета, разработанную С.Н. Булатовым [4]. Для севера
ЕТР произведение φлhл к началу вскрытия меняется от года к году, как и погодные условия
весны. На рис. 1 представлены рассчитанные значения произведения φлhл к началу вскрытия
и заторные подъемы уровня воды (dH) для гп Великий Устюг.
Очищение рек ото льда на реках севера ЕТР начинается в середине апреля на юго-западе
территории и заканчивается в первых числах июня на северо-востоке. На озерных реках
очищение происходит за 2–6 недель раньше вскрытия озер.
Для рек севера ЕТР смещение сроков ледовых явлений не заметно, однако изменения
ледового режима все-таки наблюдаются. Эти изменения выражаются, прежде всего, в более
частом повторении неблагоприятных сценариев процесса вскрытия, сопровождаемого
экстремально высокими или низкими уровнями воды, необычно продолжительными
заторами и ледоходами [1, 2].
Рисунок 1 – Изменение характеристик заторообразования (р. Сухона – гп Великий Устюг)
На реках севера ЕТР, особенно в бассейне р. Северная Двина, довольно часто наблюдается
негативное антропогенное влияние на процессы заторообразования. Необдуманное
воздействие на природные условия приводит к росту повторяемости заторов. Прежде всего,
этого строительство мостовых переходов без обеспечения ледопропускной способности,
достаточной для беззаторного прохождения ледохода. Например, на р. Северная Двина в
районе г. Котлас заторы не наблюдались с 1978 г. и стали образовываться вновь после
строительства автомобильного моста. Второй наиболее распространенный вид негативного
воздействия – чрезмерно активные способы борьбы с образовавшимися заторами льда.
Нередки случаи, когда затор спускается вниз по течению и останавливается на участке, где
заторы не наблюдались раньше, вызывая значительные подъемы уровней воды (Красавино,
2013 г.).
Для территории бассейна Волги характерны более мягкие климатические условия. Кроме
того, в отличие от севера ЕТР, из-за достаточной плотности населения территория бассейна,
в том числе и водные объекты, испытывают серьезные антропогенные нагрузки.
Весенний ледоход на незарегулированных реках бассейна Волги начинается в конце марта –
первых числах апреля. Заторы льда в период весеннего вскрытия рек бассейна Верхней и
Нижней Волги отмечаются на отдельных реках и не ежегодно, заторный подъем редко
превышает 1 – 1,5 м. На реках бассейна Камы заторы наблюдаются чаще, подъемы уровня
составляют до 3,5 –4,0 м. Заторы образуются в первые дни ледохода, на подъеме волны
половодья и в отдельные годы могут совпадать по времени с максимумом половодья.
Изменение ледового режима в весенний период на реках бассейна Волги выражаются, к
примеру, в увеличении повторяемости ранних вскрытий (в начала марта – конце февраля).
Такая экстремально ранняя весна редко сопровождается окончательным переходом
температуры воздуха через 0⁰С в сторону положительных значений. В результате холода
возвращаются в период весеннего ледохода или уже после очищения, приводя к повторному
ледоходу, по составу ледового материала больше похожему на осенний, чем тот, который
наблюдается при весеннем вскрытии. Общая продолжительность ледохода при этом резко
возрастает и может достигать 40 сут, вместо среднего значения – 5 сут. (р. Волга –
гп Старица, 1999 г. – рис. 2).
Смягчения ледового режима отразились и на повторяемости заторов льда на реках бассейна
р. Волги. Снижение толщины льда в период ледостава и к моменту начала вскрытия,
изменение погодных условий в период подготовки льда к вскрытию и другие факторы
привели к общему снижению повторяемости весенних заторов на реках исследуемой
территории.
Бассейн Дона расположен на юго-западе ЕТР. Активное использование водных ресурсов, в
том числе и для водопотребления, привело к нарушению естественного режима речного
стока, что в некоторой степени отразилось и на ледовом режиме рек. Важной особенностью
этой территории является наличие огромного количества прудов и малых водохранилищ,
влияние которых хоть и мало, но практически повсеместно.
Рисунок 2 – Изменение характеристик процесса вскрытия (р. Волга – гп Старица)
Разрушение ледового покрова на реках бассейна Дон происходит преимущественно под
действием тепловых факторов. Весенний ледоход начинается в конце февраля – середине
марта и наблюдается практически на всех реках, в том числе и на малых, но не ежегодно. В
условиях дружной весны возможно образование заторов и заторно-зажорных явлений.
Наибольшая повторяемость заторов характерна для гп Беляевский (р. Дон), гп Новохоперск
(р. Хопер) и гп Киквидзе (р. Бузулук). Заторные подъемы уровней воды в большинстве
случаев составляют менее 1 м и лишь в исключительных достигают 3 м и более.
Изменение ледового режима на реках Донского бассейна выражается в кардинальной смене
картины вскрытия. Длительные периоды очищения рек ото льда нередко делят период с
ледовыми явлениями на две обособленные части. Изменение продолжительности ледостава
составляет для некоторых постов до 30 сут. Значительные изменения погодных условий в
период полготовки к вскрытию и в период очищения ото льда привели к сокращению
повторяемости весеннего ледохода. Ледостав сменяется длительным периодом с закраинами,
лед тает на месте. Эта тенденция особо заметна для средних и малых рек (рис. 3).
Рисунок 3 – Изменение повторяемости весеннего ледохода (р. Иловля – гп Александровка)
Бассейн р. Урал расположен на юго-востоке ЕТР в условиях континентального климата с
ясной и холодной погодой в зимний период. Весенний ледоход начинается в первой декаде
апреля. Продолжительность ледохода на р. Урал и главных притоках составляет 3-5 дней.
Процесс вскрытия распространяется от низовьев к верховьям бассейна. Лед к моменту
вскрытия уже достаточно ослаблен тепловым разрушением, поэтому весенние заторы,
образующиеся на крутых излучинах, непродолжительны, наибольшие заторные подъемы
составляют до 2–3 м.
Вскрытие рек ЕТР начинается на юго-западе в конце февраля и распространяется на северовосток, где начало весеннего ледохода приходится на конец мая. Направление развития
весеннего половодья в бассейне определяет общий характер вскрытия, а синоптические
особенности каждой весны – соотношение действия тепловых и динамических факторов
вскрытия.
Изменения ледового режима в период весеннего вскрытия и очищения рек ото льда
выражается как в смещении сроков ледовых явлений, так и в изменении характера
прохождения весеннего ледохода. Для севера и востока ЕТР эти изменения слабо заметны,
для юга и запада – уже значительны и вполне значимы. Ледовый режим не сразу откликается
на изменение климатических условий. При незначительных изменениях растет
повторяемость неблагоприятных сценариев прохождения весеннего ледохода, при усилении
климатических изменений наблюдается смещение сроков вскрытия и очищения ото льда,
далее меняется сам характер ледового режима, например, наблюдается сало и шуга в период
очищения, вместо ледохода лед все чаще тает на месте. Те изменения ледового режима,
которые на юго-западе территории уже стали реальностью, для севера и северо-востока
станут, с некоторыми поправками на местные условия, реальностью в последующие годы.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1.
Агафонова С. А., Фролова Н. Л. Влияние ледового режима рек севера Европейской
территории России на гидроэкологическую безопасность в условиях изменения климата //
Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2009. № 4. С. 55–61.
2.
Агафонова С. А., Фролова Н. Л. Особенности ледового режима рек бассейна Северной
Двины // Водные ресурсы. 2007. Т. 34. № 2. С. 123–131.
3.
Бузин В.А. Заторы льда и заторные наводнения на реках. – Л.: Гидрометеоиздат, 2004.
– 203 с.
4.
Булатов С.Н. Расчет прочности тающего ледяного покрова и начало ветрового дрейфа
льда. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 111 с.
5.
Донченко Р.В. Ледовый режим рек СССР. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 246 с.