Среди стихийных сил природы, приносящих народному хозяйству немалый материальный ущерб, особое место принадлежит заторам льда на реках. И дело здесь не столько в размерах самого ущерба, сколько в грозном характере и скоротечности явления, малой эффективности предпринимаемых мер борьбы, невозможности заблаговременного предсказания и, наконец, в почти полном отсутствии методов расчета.
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.
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.
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.