Зимний режим рек криолитозоны

Министерство  науки и профессионального образования

Северо-Восточный  Федеральный университет

Кафедра географии 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат

Зимний  режим рек криолитозоны 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: Студент VI курса

БГФ ГО-06 з/о Стручков Е.В.

Проверила: Андреева М.И. 
 
 
 
 
 

Якутск 2012

Содержание 

Введение………………………………………………………………………….3

Зимний режим  рек. Фазы зимнего режима – замерзание, ледостав, вскрытие рек………………………………………………………………………………...4

Ледовый режим………………………………………………………………….6

Природные условия  и факторы формирования зимнего стока рек………….8

Водный режим  рек в зимний сезон…………………………………………….12

Заключение……………………………………………………………………...15

Список литературы……………………………………………………………..16 
 

Введение 

     В настоящее время природопользование немыслимо без изучения основных явлений, происходящих в природе. Особенно это касается использования такой  важной и хрупкой среды, как реки. Данная работа посвящена описанию основных ледовых явлений, их влиянию на гидротехнические сооружения и методам борьбы с  ними. По всей вероятности, в ближайшее  время интерес к гидростроительству увеличится вследствие благоприятной  экономической обстановки в стране. На большинстве рек России ледовый  режим длится около полугода. Различные  ледовые явления представляют собой  опасность для функционирования гидротехнических сооружений, поэтому  при строительстве их необходимо учитывать зимний режим рек и  ледовые явления, наблюдающиеся  на данной реке, чтобы впоследствии быть готовыми к ним и суметь свести их воздействие к минимальному.

     Замерзание  текучих вод имеет ряд особенностей по сравнению с замерзанием стоячей  воды, которая, как известно, замерзает  сверху, и ледяной покров в стоячих  водоемах образуется путем постепенного увеличения его толщины. Вследствие турбулентности течения в естественных водных потоках происходит быстрое  перемешивание водных масс, поэтому  при охлаждении поверхностных слоев  воды, непосредственно соприкасающихся  с холодным воздухом, происходит постепенное  охлаждение воды во всем живом течении  потока. Таким образом распределение  температур в реке по вертикали не имеет признаков слоистости, как  это наблюдается в озерах, где  температуры воды на разной глубине  значительно разнятся между собою, правда, и в реках обнаруживается разность температур в разных точках живого сечения, однако эти разности обычно не превосходят 0,1 градуса.

     Зимний  режим рек. Фазы зимнего  режима – замерзание, ледостав, вскрытие рек 

     Замерзание. При охлаждении воды до 0⁰С и продолжающейся после этого отдаче тепла с водой поверхности на реках возникают ледовые образования- реки вступают в фазу зимнего режима. За начало зимнего периода условно принимают установление отрицательных температур воздуха, сопровождающихся возникновения на реке ледовых образований. Концом зимнего периода считают момент очищения реки ото льда. Для многих рек отождествление конца зимнего периода с моментом очищение их ото льда зачастую может оказаться нецелесообразным, так как часто даже максимум весеннего половодья сопровождается ледоходом или значительная часть паводка проходит поверх льда. Поэтому правильнее с точки зрения выделения зимней фазы стока за момент окончания зимнего режима принимать момент начало первой интенсивной прибыли весенней воды.

     Период  жизни реки, связаны с ледовыми явлениями, может быть разделен на 3 характерные части: замерзание реки, включающее время осеннего ледохода, ледостав и вскрытие реки.

     В зимний период реки живут исключительно за счет питания грунтовыми водами. Только на юге и в период сравнительно кратковременных оттепелей в северных районах может наблюдаться более или менее значительный поверхностный сток. В огромном же большинстве случаев расходы рек в зимний период резко уменьшаются (на некоторых реках до полного прекращения стока) за счет промерзания грунтов и иссякания запасов грунтовых вод.

     Ледостав. С увеличением числа льдин и их размеров скорость движения ледяных полей уменьшается и в местах сужения русла, на мелких участках, у островков и у искусственных сооружений происходят временные задержки, приводящие в условиях отрицательных температур воздуха к быстрому смерзанию ледяных полей и образованию сплошного ледяного покрова, или ледостава. Описанный процесс замерзания рек является наиболее типичным, однако на малых реках и даже на отдельных участках больших рек с очень спокойным течением ледостав может установиться в течение короткого периода времени с низкими температурами без осеннего ледохода.

     Вскрытие  рек. С наступлением периода положительных температур начинается таяние льда и поступление воды в реки за счет поверхностного стока. Вследствие таяния снега появляется вода поверх льда сначала у берегов, затем снег на всем ледяном покрове пропитывается постепенно скапливающейся водой. Таяние льда наиболее интенсивно происходит вдоль берегов как за счет поступления талых вод с бассейна, так и в результате того, что почва нагревается быстрее. Вследствие подъема уровня воды лед несколько вспучивается. Вдоль берегов образуется понижение, по которому течет вода и размывает ледяной покров. Образующиеся при этом полосы воды, свободные ото льда, называются закраинами.

Ледовый режим

     Ледовый режим - совокупность закономерно повторяющихся процессов возникновения, развития и разрушения ледяных образований на водных объектах.

     Вопросы ледового режима рек являются издавна  предметом серьезного внимания и  изучения. Стимулом к этому служат практические запросы водного транспорта (сроки начала и конца навигации), лесосплава, энергетики (донный лед, толщина  льда, воздействие льда на гидротехнические сооружения) и других отраслей народного  хозяйства, использующих водные ресурсы.

     По  характеру ледового режима реки можно разделить на следующие основные группы (рис. 2):

     1) реки с ежегодным устойчивым  ледоставом различной длительности. К этой группе принадлежит  подавляющее большинство рек; 

     2) реки с неустойчивым ледоставом, наблюдающимся не ежегодно. Сюда  принадлежат реки крайних западных  и южных районов Европейской  части РФ и Северного Кавказа  - Неман, Висла, Днестр, и др., а  также многие водотоки юга  Приморья на Дальнем Востоке; 

     3) реки, на которых наблюдаются  ледовые, явления (шуга, забереги  и т. д.), но ледостав отсутствует.  К этой группе принадлежит  большинство рек Кавказа и  горных областей Средней Азии  и Алтая; реки эти в литературе  носят название шугоносных;

     4) реки, на которых ледовые образования  вообще отсутствуют в силу  теплого климата. К ним относятся  водотоки сравнительно небольших  районов - Колхидской и Ленкоранской  низменностей на Кавказе, ряд  рек на юге Туркмении и в  Средней Азии.

     Развитие  ледовых явлений осенью и последующее  исчезновение их весной теснейшим образом  связано с климатическими условиями. На возникновение и развитие ледовых  явлений на реках Европейской  части РФ большое влияние оказывает Атлантический океан. Западные атлантические воздушные течения, распространяющиеся до Урала, иногда преодолевают его и доходят до Енисея. Влияние их сказывается в том, что чем ближе речной бассейн к океану, тем короче и неустойчивее ледостав на реках. Подобное влияние на реки восточной части страны оказывает Тихий океан и связанные с ним переносы воздушных масс, охватывающие Приморье и узкую полосу побережий Берингова и Охотского морей. Наконец, большую роль в развитии ледовых явлений в центральной части страны играет сибирский антициклон, формирующийся над Азиатским континентом в зимнее время; по сравнению с западной и восточной частями РФ, подверженными океаническим влияниям, ледовые образования здесь носят более длительный и устойчивый характер.

     Рис. 2. Типы ледового режима рек1 - реки с  ежегодным ледоставом: 2 - реки, на которых  ледостав в отдельные годы неустойчив; 3 - реки, на которых ледостава в  некоторые годы не бывает; 4 - горные районы, где ледостава на реках  обычно не наблюдается или он отмечается только на отдельных участка; 5 - реки, на которых ледостава обычно не наблюдается; 6 - реки, на которых ледовые явления  отсутствуют. 

     Природные условия и факторы  формирования зимнего  стока рек криолитозоны 

     Исследуемый регион занимает территорию площадью 10,98 млн. км², большая его часть находится на азиатской территории России и почти половина - за Северным полярным кругом. Этот обширный регион располагается в области распространения многолетнемерзлых пород, причем 61,5% территории занимает сплошная мерзлота. На остальной части характер распространения многолетней мерзлоты довольно сложный, и большая ее доля относится к зоне прерывистой мерзлоты. Прерывистый и островной характер распространения мерзлых пород способствует установлению тесной гидравлической взаимосвязи поверхностных и подземных вод через многочисленные талики, развитые как в речных долинах, так и на водораздельных участках. Кроме того, широкому распространению таликов способствуют более мягкие климатические условия, распространение здесь закарстованных карбонатных пород и хорошо фильтрующих угленосных отложений. Все эти факторы усиливают инфильтрацию атмосферных осадков в подземные водоносные горизонты, дренируемые реками. Таким образом, гидрогеологические структуры прерывистой и островной криолитозоны практически не отличаются от аналогичных структур, расположенных вне мерзлой зоны, где высокая связь подземных и поверхностных вод зимний период нивелирует особенности гидрологического режима, свойственные зоне сплошной мерзлоты. В настоящей работе автор рассматривает условия и закономерности формирования зимнего стока рек, водосборы которых располагаются преимущественно в зоне сплошной многолетней мерзлоты, поскольку именно в ней особенности формирования зимнего режима рек проявляются с наибольшей интенсивностью и имеют широкое распространение. Обобщение гидрометеорологической информации по зимнему стоку рек прерывистой и островной криолитозоны выполнено в основном на основе анализа материалов, опубликованных в научной литературе за последние 100 лет.

Исследуемый регион простирается от побережий морей  Северного Ледовитого океана на севере до горных районов Забайкалья и Приморья на юге, охватывает часть Кольского полуострова, север Малоземельной и Большеземельской тундр. Полярный Урал, большую часть Сибири и Дальнего Востока. По схеме природного районирования в пределах региона располагаются тундровая, лесная, лесостепная и степная зоны.

     Территория  криолитозоны отличается большим разнообразием природных условий, что определяется ее географическим положением и своеобразием атмосферных процессов. В климатическом отношении она является самой холодной и континентальной областью в северном полушарии. Резкая континентальность центральной части региона обусловливается значительной удаленностью и изолированностью территории горными массивами от воздействия влажных и теплых воздушных масс со стороны Атлантического и Тихого океанов и соседством региона с холодными морями Северного Ледовитого океана. Прежде всего она проявляется в большом контрасте между зимними (до - 50, -65 °С) и летними (до 25, 35 °С) температурами воздуха. Наибольшие годовые амплитуды колебания температуры воздуха отмечаются в Оймяконской, Верхоянской и Лено-Вилюйской впадинах, где они превышают 60°С по средним месячным и 100 °С по абсолютным значениям.

     Зима  на большей части региона характеризуется  резко выраженным антициклоническим режимом погоды: низкими температурами, большой продолжительностью (7-8 месяцев), малоснежностью, сухостью воздуха, малыми скоростями ветра, ясным состоянием неба. Продолжительные зимы с исключительно низкими температурами воздуха и сравнительно малая высота снежного покрова (30 -80 см) способствуют глубокому промерзанию почвогрунтов, а также широкому распространению низкотемпературных многолетнемерзлых горных пород.

     Общая площадь сплошной криолитозоны на территории России составляет 6.75 млн. км. В пределах региона мощность мерзлых пород колеблется от 100 до 600 м и более, а их температура на подошве слоя годовых колебаний обычно ниже - 2,5 °С. Наиболее суровые геокриологические условия наблюдаются в Забайкалье (Становое нагорье), где отмечаются наибольшая мощность (около 1300 м) и минимальная температура мерзлых пород (до -14°С). К югу региона суровость геокриологических условий снижается: мощность мерзлой толщи сокращается до 50 м, а температура пород повышается до - 1,0°С. В горных районах основные параметры сплошной криолитозоны изменяются в зависимости от высотных отметок земной поверхности. Так, мощность мерзлых пород Северо-Востока под речными долинами составляет 200 - 300 м; под водоразделами, имеющими абсолютные отметки до 2200 - 2500 м -400 - 600 м. Температура пород колеблется в пределах от 4,5 до 12 °С.

     Следует отметить, что многолетняя и сезонная мерзлота являются важнейшими природными факторами, определяющими зимний сток рек, поскольку их распределение по площади и глубине на рассматриваемой территории носит весьма разнообразный характер и оказывает существенное влияние на формирование, особенности скопления и циркуляцию подземных вод, питающих реки в зимний период. В частности, сплошное залегание многолетнемерзлых пород затрудняет подземное питание рек, поскольку, с одной стороны, является водоупором для надмерзлотных вод, а с другой препятствует выходу подземных вод из более глубоких водоносных горизонтов. Взаимосвязь между поверхностными и подземными водами здесь осуществляется лишь через сквозные талики.

     Исследуемый регион характеризуется чрезвычайно  сложными гидрогеологическими условиями, что обусловливается ее геолого-структурными и мерзлотными особенностями. Многолетнее и сезонное промерзание и протаивание горных пород оказывает существенное влияние на свойства гидрогеологических структур, которое выражается в следующем: водоносные структуры переходят в качественно новое состояние, становясь криогенными водоупорами, т.е. превращаются в специфические мерзлотно гидрогеологические структуры, многие из которых характерны только для мерзлой зоны. Это криогеологические массивы (КГМ), криогенные напорные бассейны (КНБ), криогеологические (КГБ) и криоартезианские бассейны (КАБ). Существование этих многолетних криогенных водоупоров обусловливает дифференциацию подземных вод на над-, меж- и подмерзлотные, уменьшает водоемкость гидрогеологических структур, затрудняет условия питания и разгрузки подземных вод, ухудшает их взаимосвязь с речными водами.

     При промерзании горных массивов происходит отжатие части подземных вод в подрусловые таликовые зоны, которое сопровождается формированием участков повышенной трещиноватости и обводненности. Установлено, что в условиях чрезмерной неоднородности гидрогеологических структур по площади и разрезу, обусловленной существованием многолетнемерзлых горных пород, отличительной чертой водоносных структур является их линейность, т. с. локализация подземных вод в таликовых зонах речных долин. В этом случае долина реки является элементарной гидрогеологической структурой, в пределах которой подземные воды накапливаются в летний период и расходуются зимний. Емкостные характеристики таких структур, или, иначе, их водообильность, определяются как мощностью аллювиальных отложений и степенью трещиноватости подстилающих пород, так и уклоном речной долины и ее размерами в плане (длиной и шириной).

Водный  режим рек в  зимний сезон 

     Зимний  сезон на реках криолитозоны является самым маловодным сезоном, поэтому наиболее напряженные ситуации с водоснабжением возникают именно в этот период года. Водный режим рек зимой характеризуется весьма длительной и устойчивой меженью, поскольку с ее наступлением происходит постепенное истощение запасов подземных вод, интенсивность которого определяется емкостными характеристиками водовмещающих пород и их регулирующей способностью. В этот период на большинстве рек режим речного стока характеризуется резким спадом расходов воды, а затем и полным его прекращением. Продолжительность истощения зимнего стока не велика и составляет на малых реках примерно четвертую часть, на средних реках - третью часть зимнего сезона. Поэтому водность зимней межени большинства рек региона очень мала, в 5 -10 раз меньше, чем летне-осенней межени. Особенно низкая водность наблюдается на реках сплошной криолитозоны. Согласно классификации Б.Д. Зайкова, на территории распространения многолетнемерзлых пород по характеру водного режима реки можно разделить на западносибирский, восточносибирский, дальневосточный и тянь-шанский типы. Для региона характерно смешанное питание рек, однако в пределах плато, равнин и низменностей преобладает снеговое питание, а в горах - дождевое и ледниковое. Роль подземных вод в питании рек из-за распространения многолетнемерзлых пород незначительна, хотя в горных районах, геологические структуры которых характеризуются большой трещиноватостью, а также в районах активного проявления карста она довольно существенна (до 10 - 40 %). В последние годы в результате лабораторных экспериментов установлено, что дополнительным источником зимнего питания рек зоны многолетней мерзлоты может быть водоотдача в период промерзания песков, слагающих таликовые участки в поймах долин. Однако в настоящее время данные этих экспериментов пока не подтверждены гидрометрическими измерениями.

     Реки  западносибирского типа характеризуются  относительно невысоким и растянутым весенним половодьем, повышенным летне-осенним стоком и низкой зимней меженью, что объясняется сезонной зарегулированностью стока болотными массивами и широким распространением озер. К этому типу относятся реки региона, расположенные в пределах территории Западной Сибири.

Водный  режим рек восточносибирского типа отличается высоким весенним половодьем и паводками в теплое время года. Наличие сплошной мерзлоты препятствует инфильтрации весенних талых вод и способствует их интенсивному поверхностному стоку, вследствие чего половодье и паводки проходят сравнительно быстро (1-2 месяца). В холодный период года отмечается устойчивая и продолжительная зимняя межень. В течение очень долгой и суровой зимы подземное питание малых и средних рек прекращается и реки промерзают и перемерзают на значительное время. К этому типу принадлежат реки, протекающие к востоку от Енисея до р. Лены и реки бассейна Амура.

     На  реках дальневосточного и тянь-шанского типа половодье растягивается на 2 - 4 месяца, что объясняется неодновременным таянием снегов, наледей и ледников на разных высотных поясах. Максимум половодья проходит обычно в конце июня - середине июля. Характерной особенностью водного режима рек является превышение максимальных расходов летних и осенних паводков над максимумами весеннего половодья, а также широкое распространение наледей и полыней в холодный период. Зимняя межень также продолжительная и маловодная, реки ежегодно перемерзают. Этот тип рек характерен для территории Дальнего Востока, Забайкалья и Камчатки.

     Таким образом, все реки региона, относящиеся  по классификации Б.Д. Зайкова к рекам западносибирского, восточносибирского, дальневосточного и тянь-шанского типа, характеризуются весьма низким стоком в период зимней межени. Промерзание и перемерзание рек является характерной особенностью водного режима рек зимой, причем наиболее распространены перемерзающие реки. Так, перемерзанию подвержены не только малые и средние реки, но и такие крупные как, Оленек, Яна, Индигирка, Колыма и др.

Устойчивый  зимний сток наблюдается обычно на больших реках или реках с аномальными условиями их формирования (тектонические разломы, повышенная криогенная трещиноватость пород, карст и др.). Эти реки расположены в основном в горных районах региона.

Заключение 

     Проблема  количественной оценки зимнего стока  рек криолитозоны сложна и многообразна. Ее сложность связана прежде всего  со слабой гидрологической и гидрогеологической изученность этой территории. До настоящего времени закономерности формирования подземных вод, питающих реки зимой, их взаимосвязь с речными водами изучены недостаточно полно. Критический  анализ существующих методов показал, что большинство расчетных схем не учитывают дискретность подземного стока во времени и по площади  речного бассейна, поэтому базируются на использована интегрального показателя условий формирования стока рек  и их связи с дренируемыми водоносными  горизонтами - площади водосбора. Недостаток расчетных схем усугубляется также  многозначностью и неопределенностью понятий "промерзание". Все это осложняет гидрологические исследование и затрудняет разработку практических рекомендаций по расчету стока, в частности по расчету зимнего стока малых и средних рек е данном регионе.

     К настоящему времени накоплен сравнительно большой объем исходной гидрометеорологической информации о зимнем стоке рек  криолитозоны. Его обобщение и  анализ позволяют уточнить существующие представления о формировании и  закономерностях изменения зимнего  стока рек региона и на этой основе разработать новые методы его расчета при отсутствии данных гидрометрических наблюдений.

     Вопросы изучения условий формирования и  закономерностей изменения зимнего  стока весьма сложные, поэтому выполненные  разработки по количественной его оценке еще не могут претендовать на очень  высокую точность, хотя базируются на современных методах гидрологического анализа.

     Список  литературы 

1. Михайлов  В. Н. , Добровольский А. Д. Общая гидрология. М. Высш. шк., 1991. 368 с.
2. Общая гидрология (гидрология суши). Б. Б. Богословский, А. А. Самохин, К. Е. Иванов, Д.П. Соколов Л. А. Гидрометеоиздат, 1984. 422 с.
3. Салтанкин В. П., Шарапов В. А. Водохранилища. М. Мысль, 1987. 352 с.
4. Чеботарев А. И. Общая гидрология. Л. Гидрометеоиздат, 1975. 544 с.
5. Шварцев С.Л.Микроэлементы в водах Средней Оби и ее крупных притоков //Обской вестник.-2006.-М 2.
6. Аржакова С.К. Зимний сток рек криолитозоны России: Монография. - СПб.; РГГМУ, 2001.-209с.