Сложность процесса заторообразования, большая стоимость и небезопасность полевых работ, связанных с изучением этого явления, трудность сколько-нибудь точного воспроизведения его в лабораторных условиях и пр.— все это служит причиной того, что заторы льда пока изучены слабо. И все же основные качественные особенности процесса заторообразования известны уже достаточно полно.

Затор льда представляет собою скопление льда в русле, стесняющее живое сечение реки и вызывающее подъем уровня воды в месте скопления льда и на некотором участке выше него. Затор льда наблюдается в весенний период при вскрытии реки и состоит из крупно- и мелкобитых льдин.

Непосредственная опасность затора льда заключается в резком, а главное, значительном подъеме уровня воды в реке, при котором вода выходит из берегов и затопляет прилегающую местность. Представляют также опасность навалы льда на берегах, давление больших масс льда на сооружения и пр.

Затор льда — неотъемлемая составная часть процесса вскрытия реки, и, естественно, что поначалу надо описать, как вскрывается река.

Весной за счет солнечной радиации, а главное, с установлением положительной температуры воздуха начинается таяние снега в бассейне. Расход воды в реке увеличивается. Ледяной покров вспучивается, выгибаясь посредине горбом. Понижения вдоль берегов заполняются текущей талой водой. Возникают промоины. Наконец приподнявшийся ледяной покров отрывается от берегов и всплывает. Разводья перерастают в закраины — полосы чистой воды вдоль берегов. Влекущие усилия текущей воды создают подвижки, в результате которых ледяной покров расчленяется на поля, а поля, в свою очередь, на льдины. Расчленению ледяного покрова на поля способствуют и впадающие в реку притоки. Раньше всего разломы возникают в начале и в конце прямолинейного участка реки. Подвижки завершаются ледоходом.

На некоторых крупных реках со спокойным течением, несущих свои воды с юга на север, имеет место несколько иной механизм вскрытия. За счет поступления сверху относительно теплой талой воды ледяной покров распадается на отдельные массивы с полыньями на всю ширину реки между ними. Изреженный полыньями и трещинами ледяной покров приходит в движение почти одновременно на большом расстоянии. Сразу освобождаются большие массы аккумулированной в русле воды. Вскрытие происходит бурно при довольно большом расходе воды.

Как уже отмечалось, в механизме заторообразования еще много неясного. Дело в том, что массы раздробленного льда не подвластны ни законам механики твердого тела, передающего усилия в одном направлении, ни законам механики жидкости, передающей усилия одинаково во все стороны. По сути, каждый затор льда обладает индивидуальными особенностями, поскольку образовавший его ледовый материал имеет различные прочностные характеристики.

Главной причиной образования затора льда является задержка процесса вскрытия на тех реках и больших по длине участках рек, где кромка ледяного покрова весной смещается сверху вниз по течению. При этом движущийся сверху раздробленный лед встречает на своем пути еще ненарушенный ледяной покров. Последовательность вскрытия сверху вниз по течению является необходимым, но недостаточным условием возникновения затора льда. Достаточное условие создается тогда, когда поверхностная скорость течения воды при вскрытии довольно значительна (0,6—0,8 м/с и более). Только при этом происходит торошение льда, подсовы, подвижки и пр. Наличие различного рода русловых препятствий (крутых поворотов, островов, конусов выноса) лишь усиливает процесс, не меняя его сущности.

Препятствием для движения льда, как уже отмечалось, обычно являются большие по длине участки реки со сплошным и достаточно прочным ледяным покровом. Поэтому мощные и частые заторы льда присущи тем рекам, где вскрытие происходит сверху вниз по течению. Такая последовательность вскрытия характерна для разных рек, а именно:

— крупных рек, текущих с юга на север,— Северная Двина. Печора, Лена. Енисей, Иртыш и др.;

— рек, верховья которых являются горными и полугорными, а низовья равнинными,— Днестр. Томь, Кан, Амур и др.;

— рек, где ниже большого по длине участка реки со значительной скоростью течения воды расположен участок с малой скоростью течения (на первом участке вскрытие происходит намного раньше, чем на втором).

Еще одним важным фактором заторообразования являются зажоры льда в начале зимы при установлении ледостава. В местах зажорных скоплений ледяной покров обладает повышенной прочностью за счет большей толщины и торосистости.

2.6. Наводнения при зажорах льда

Зажор льда есть составная часть процесса замерзания реки. Как же замерзают реки? Решающее значение имеют поверхностная скорость течения, а также температура воздуха в период замерзания. Эти два фактора вполне объясняют главные особенности как процесса замерзания реки, так и процесса зажорообразования.

На реках со средней по ширине потока поверхностной скоростыо течения воды < 0,15— 0.20 м/с неподвижный ледяной покров устанавливается за счет постепенного расширения и смерзания заберегов. Переносимый течением между за берегами плавучий ледовый материал состоит преимущественно из тонких льдин и обломков заберегов. Поверхность ледяного покрова на таких реках гладкая, начальная толщина льда составляет 2—3 см. Период замерзания непродолжительный — от 4—6 часов до 3—4 суток. Описанный тип замерзания характерен, в первую очередь, для малых и средних рек в степных районах Украины, Поволжья, Западной Сибири и Казахстана. На больших реках подобный тип замерзания встречается редко.

На реках со скоростью течения от 0,15—0,20 до 0,70—0,80 м/с замерзание начинается с почти одновременного возникновения ледовых перемычек в ряде мест, где ледотранспортирующая способность потока понижена,— в сужениях, на крутых поворотах и пр. Пространство между перемычками постепенно заполняется льдинами, при их смерзании возникает сплошной ледяной покров. Для образования ледовых перемычек нужны два условия: во-первых, чтобы ледоход на реке достиг густоты 0,7—0,9; во-вторых, чтобы с достижением указанной густоты (степени покрытости поверхности реки плавучим льдом) наступила достаточно низкая или критическая температура воздуха, зависящая, в свою очередь, от скорости течения и ширины реки. Поверхность ледяного покрова при этом типе замерзания почти ровная и лишь местами торосистая; начальная толщина льда 4—6 см. Плавучий ледовый материал при ледоходе почти всецело состоит из крупно- и мелкобитых льдин. Сохранение отрицательной температуры воздуха, близкой к критической и ниже ее, после образования ледовых перемычек приводит к тому, что река полностью замерзает за 1—2 суток. При более высокой по сравнению с критической, но все же отрицательной температуре воздуха период установления сплошного ледяного покрова растягивается на 8—12 суток и более. В случае наступления кратковременной оттепели после возникновения перемычек взлома ледяного покрова не происходит. Описанным образом замерзает подавляющее большинство средних и крупных равнинных рек.

Рекам со скоростью течения от 0,7—0,8 до 1,6—1,8 м/с свойственно замерзание путем скачкообразного перемещения кромки ледяного покрова снизу вверх против течения. Первоначальным очагом, от которого начинается движение кромки, может служить как отдельная перемычка, так и ранее замерзший сравнительно большой участок реки. Движение кромки ледостава вверх по реке при достаточно низкой и устойчивой отрицательной температуре воздуха происходит без остановок, но неравномерно. При колебаниях же температуры воздуха кромка движется скачкообразно, а при относительном потеплении она нередко смещается вниз по реке. Движение кромки сопровождается торошением и подвижками, поэтому поверхность ледяного покрова неровная, начальная толщина льда значительная—от 0,2—0,7 до 1,5—2,0 м (не считая шуги подо льдом). Плавучий ледовый материал состоит преимущественно из небольших округлой формы льдин, шуговых ковров венков с тонкой (1—3 см) коркой льда на поверхности. Период замерзания весьма продолжительный—до 1,0—1,5 месяца.

Наконец, на реках со скоростью течения >1,6—1,8 м/с (это уже горные реки) сплошного ледяного покрова не наблюдается. Лишь в отдельных местах сохраняются небольшие левые перемычки, под которыми почти беспрепятственно просятся шуга, всплывший донный лед и пр.

2.7. Нагонные наводнения

Устьевые области крупных рек, впадающих в моря, являются наиболее плотно населенными районами земного шара. Обилие соленой воды, плодородие почвы, богатство рыбных ресурсов. Наличие речных и морских путей — все это издавна привлекало сюда человека. Поэтому устьевые области рек всегда были центрами цивилизации. Из 200 столиц мира около половины находится в морских устьях рек. Семнадцать из двадцати трех родов-мультимиллионеров (т. е. с численностью населения свыше 5 млн. человек) расположены в устьях рек. Короче говоря, здесь, в устьях рек, сосредоточивается сгусток человеческой жизни. В первую очередь это относится к южным районам. Менее благоприятны природные условия в устьях рек в умеренной зоне и совсем неблагоприятны в полярных районах. Тем не менее и здесь повсеместно в устьях крупных рек расположены города, развито судоходство и интенсивно рыбное хозяйство.

Приходится считаться с тем, что устьевые области многих крупных рек гораздо чаще, чем другие прибрежные районы, оказываются во власти грозных стихийных сил природы — нагонных наводнений.

Нагон воды представляет собой подъем уровня, вызванный воздействием ветра на водную поверхность. Нагоны, приводящие к наводнениям, случаются время от времени в морских устьях крупных рек, а также на берегах больших озер и водохранилищ.

Нагон воды — понятие емкое, и его можно трактовать в узком и в широком смысле слова. В узком смысле слова, нагон воды возникает на наветренном берегу водоема (озера, водохранилища, моря) за счет касательного напряжения на плоскости раздела вода — воздух. Вовлекаемые ветром в движение в сторону наветренного берега поверхностные слои воды испытывают лишь сопротивление нижних слоев воды. С образованием уклона водной поверхности под действием силы тяжести нижние слои начинают двигаться в противоположном направлении, уже испытывая гораздо большее сопротивление шероховатости дна. Из-за неравенства расходов воды, движущейся в противоположных направлениях, возникают подъем уровня у наветренного берега водоема и спад у подветренного.

Сильные ветры характерны для глубоких циклонов — своего рода гигантских атмосферных вихрей с пониженным давлением в центре. Ветровые потоки в циклоне направлены против часовой стрелки и к его центру. Обычно в южной части циклона находится сектор с относительно теплым воздухом. Линия раздела между холодным и теплым воздухом в циклоне называется атмосферным фронтом или просто фронтом. Ветер в циклоне достигает наибольшей силы в полосе фронта. Обычно циклон перемещается со скоростью 30—50 км/ч. В силу отмеченных особенностей проходящий над водоемом циклон создает не только нагон и сгон, но также длинную волну и сейшу. Под длинной волной понимается волна, длина которой в сотни и тысячи раз превышает глубину водоема. Сейша—колебательное движение водных масс около одного или нескольких центров; оно возникает из-за разности атмосферного давления в противоположных частях водоема или как остаточное явление после прекращения действия вынуждающих сил — нагона и сгона, длинной волны. Так что нагоны воды в широком понимании слова — это и нагон — сгон, и длинная волна, и сейша.

Общим для морских устьев рек является то. что нагон может совпасть с приливом или отливом; соответственно он будет либо несколько большим, либо несколько меньшим. В течение суток наблюдается два прилива и два отлива. В продолжение же лунного месяца высота полусуточного прилива зависит от взаимного положения ближайших небесных тел. Прилив бывает самым большим, когда Солнце, Земля и Луна находятся на одной прямой линии. Такой прилив называется сизигийным.

Еще одна общая закономерность для морских устьев рек состоит в том, что нагонная волна распространяется вверх по реке на тем большее расстояние, чем меньше уклон водной поверхности и больше глубина реки. А так как крупные реки в своих устьевых областях как раз и обладают малыми уклонами и значительными глубинами, то нагонная волна на таких реках иногда распространяется на многие сотни и даже тысячу километров. На малых реках дальность распространения нагонной волны исчисляется десятками километров. Отнюдь не обязательно, чтобы самый большой подъем уровня отмечался в устье реки. До некоторого пункта на реке величина подъема может нарастать, затем начать уменьшаться.

Нагоны создаются сильными и продолжительными (не менее 5-6 часов) северными и северо-западными ветрами. Самые благоприятные условия возникают тогда, когда предыдущий циклон нагнал воду из Баренцева моря в Белое, а следующий циклон создал нагон в самом Белом море. Большей частью значительные нагоны приходятся на осень.

Заключение

Гидрологическая наука довольно успешно справляется с расчетами и прогнозами максимальных расходов и уровней воды редкой повторяемости, сопровождающихся наводнениями. Тем не менее точность методов расчетов и прогнозов, заблаговременность предсказания оставляют желать много лучшего. Есть все основания полагать, что с широким внедрением в практику новых технических средств сбора и обработки текущей информации о состоянии природной среды (об уровнях и расходах воды в реках, количестве выпавших атмосферных осадков, запасах воды в снежном покрове, влажности почвы и пр.), в частности с помощью автономных самопишущих приборов, радиолокаторов, специально оборудованных самолетов, спутников и т. д., положение изменится к лучшему. И все же на сегодняшний день главное состоит в дальнейшем углублении наших знаний о сущности процесса формирования паводочного стока в конкретных физико-географических условиях, прежде всего при экстремальных ситуациях. Ведущиеся сейчас широким фронтом стационарные и экспедиционные полевые наблюдения, лабораторные эксперименты и теоретические исследования несомненно принесут свои плоды.

Человек продолжает застраивать берега рек и озер, активно осваивает речные долины, штурмует горы. В силу этих-причин размах работ по борьбе с наводнениями нарастает. Наводнения как стихийное бедствие становятся все более нетерпимыми. Научное, инженерное и социально-экономическое обоснования проектов защиты от наводнений относятся к числу важнейших задач специалистов многих профилей, прежде всего гидротехников, гидрологов, экологов и экономистов.

Список литературы

1. Болдаков Е. В. Жизнь рек.— М. Гос. изд-во технико-теоретической литературы. 1993.—64 с.

2. Виноградов Ю. Б. Этюды о селевых потоках.— Л. Гидрометеоиздат. 1990.— 144 с.

3. Гинко С.С. Катастрофы на берегах рек.— Л. Гидрометеоиздат. 1997.— 128 с.

4. Наводнения и борьба с ними.— Серия „Науки о Земле", № 6. 1982. Изд.-во „Знание". М.—48 с.

5. Пясковский Р.В.,Померанец К.С. Наводнения (Математическая теория и предсказания).—Л. Гидрометеоиздат. 1982.— 176 с.

6. Авакян А. Природные и антропогенные причины наводнений/2001, №9 – с.22-27

7. Осипов В.И. Природные катастрофы на рубеже 21 века/Вестн.РАН.-2001.-№4-с.291-302

8. Нежиховский Р.А. Наводнения на реках и озерах. – М.: Гидрометеоиздат, 1988.