Заторы и зажоры, условия их возникновения, виды, классификация

Затор — это скопление льда в русле, ограничивающее течение реки. В результате происходит подъем воды и ее разлив. Он образуется обычно в конце зимы и в весенний период при вскрытии рек во время разрушения ледяного покрова, при скоростях течения более 0,6 м/с. Состоит он из крупных и мелких льдин. Массы раздробленного льда неподвластны ни законам механики твердого тела, передающего усилия в одном направлении, ни законам механики жидкости, передающей усилия одинаково во все стороны.

Весенние заторы льда возникают на реках, вскрывающихся вниз по течению под влиянием формирующейся в верхней части бассейна реки волны половодья. Особенно это свойственно рекам севера европейской части России и Сибири, текущим с юга на север. Процесс их вскрытия представляет собой цепь последовательного образования и разрушения более или менее мощных заторов льда [7]. Так происходит на больших реках, текущих с юга на север, на реках, верховья которых являются горными, а низовья — равнинными, и на реках, где ниже большого участка со значительной скоростью течения имеется участок с небольшой скоростью.

Формирование затора определяется комплексом следующих условий и факторов:

• • направлением вскрытия реки, которое должно происходить сверху вниз по течению, как, например, на реках, текущих на север;
• • наличием ниже по течению толстого ледяного покрова;
• • прочностью и количеством льда, перемещающегося вниз по течению;
• • интенсивностью притока воды в русло, морфометрическими характеристиками русла и др.

Последовательность вскрытия реки сверху вниз по течению - условие необходимое, но недостаточное для образования затора, поскольку только при значительной скорости течения воды (0,6 м/с и более) создаются условия торошения ледяных полей и подсова льдин под кромку ледяного покрова. Места образования скоплений льда - это участки рек, где кинетической энергии водного потока недостаточно для разрушения и транспортировки льда.

Заторы льда образуются на участках рек со сложными морфологическими условиями. Основные из них - изменение уклона реки от большого к меньшему, сужение русла, островные участки, крутые повороты русел, места слияния рек. Здесь водный поток откладывает часть переносимого льда. При этом забивается живое сечение реки и, как следствие, формируется затор.

Наличие большого количества льда, движущегося с огромной скоростью, существование препятствий этому движению в виде сужений и излучин русла, островов и др., не исчерпывают набор факторов заторообразования. Для того, чтобы массы льда надолго остановились у какого-либо препятствия, необходимы еще особые температурные условия. Процессу заторообразования способствует понижение температуры воздуха, которое может происходить в районе вскрытия реки.

Главной причиной образования затора является задержка процесса вскрытия льда на тех реках, где кромка ледяного покрова весной смещается сверху вниз по течению. При этом движущийся сверху раздробленный лед встречает на своем пути еще не нарушенный ледяной покров.

Строение речной долины и русла реки оказывает значительное влияние на формирование заторов льда и, соответственно, затопляемость прибрежных территорий выше затора. Для верхних и частично средних звеньев русловой сети наиболее характерным являются немеандрирующее однорукавное русло и ограниченное меандрирование. Сформировавшиеся на этих участках рек заторы льда могут вызвать подъем уровня воды над поймой на 1-2 метра, поскольку пойма на этих участках слаборазвита. Для среднего течения рек европейской части России, в том числе рек северо-запада ЕТР, Печора, Северная Двина, Мезень - также преобладающим типом руслового процесса является немеандрирующее однорукавное русло. Максимальный заторный уровень воды на перечисленных реках выше поймы не более чем на 3 метра. Для верхнего течения больших рек Сибири (Лена, Енисей, Обь) преобладающим типом руслового процесса являются немеандрирующее однорукавное русло и ограниченное меандрирование. Здесь величина превышения максимального заторного уровня в пределах от 2 до 5 метров. Для среднего течения сибирских рек русловой процесс, как правило, проявляется в виде разветвленного русла (пойменная и русловая многорукавность). В руслах рек часто встречаются острова, являющиеся препятствием при транспортировке льда вниз по течению. Глубина затопления поймы более 5 м. Протяженность поворотов, участков с сужением русла и перекатов, как правило, меньше прямолинейных участков с последовательно уменьшающимся уклоном. Поэтому скопления льда в таких местах менее устойчивы, чем в местах уменьшения уклона. В особенности благоприятствует образованию заторов сочетание нескольких видов русловых препятствий - крутого поворота с сужением русла, падения уклона с русловой многорукавностью. Последовательность вскрытия реки сверху вниз по течению является необходимым, но недостаточным условием возникновения затора льда. Основное условие создается только тогда, когда поверхностная скорость течения воды при вскрытии довольно значительна (0,6-0,8 м/с и более). Различные русловые препятствия, как, например, крутые повороты, сужения, острова, изменение уклона поверхности от большего к меньшему, лишь усиливают процесс.

Наиболее часто встречаются заторы торошения (рис.2). Они формируются при интенсивном подъеме уровня воды, когда вслед за образованием трещины вдоль берегов ледяной покров разламывается на отдельные поля и льдины. В результате столкновения происходит наползание одних льдин на другие, их сжатие и торошение.

Рис. 2. Затор торошения на р. Лена

На участках со значительным разрушением ледяного покрова при скоростях течения более 1 м/с образуются заторы подныривания (рис.З). Поверхность затора торосистая. Высота торосов может достигать нескольких метров.

Рис. 3. Затор подныривания на р. Белая в Республике Башкирия

Потеря устойчивости и прорыв затора происходят под влиянием напора воды и повышения температуры воздуха. При прорыве скорость движения заторов составляет от 2 до 5 м/с, толщина движущегося скопления льда - 3-6 м. Водный поток ниже прорвавшегося затора может выйти за пределы русла и затопить местность, оставляя на берегах рек навалы льда высотой более 3 м.

В строении затора выделяются три характерных участка (рис. 4):

• • замок или «основание» затора (5), представляющий собой покрытый трещинами ледяной покров, упершийся в кромку невскрывшегося ледостава (6), заклинивший русло реки;
• • голова затора (2) — многослойное скопление хаотически расположенных льдин, подвергшихся интенсивному торошению;
• • хвост затора (1) — примыкающее к затору однослойное скопление льдин вверх по течению (в зоне подпора) [12].

Длина головной части затора (замок + голова) обычно превышает ширину реки в 3 - 5 раз. На этом участке скопление льда имеет максимальную толщину (от 3 - 5 до 10 - 12 м). Длина всего затора (с хвостом) на крупных реках может достигать нескольких десятков километров; на средних реках - от одного до нескольких километров.

Рис. 4. Продольный разрез затора

• 1 - хвостовая часть (хвост) затора; 2 - головная часть (голова) затора;
• 3 - нижняя кромка (нижняя граница) затора; 4 - верхняя кромка (верхняя граница) затора;
• 5 - замок затора; 6 - невскрывшийся ледостав; 7 - открытая вода

При разрушении заторов (особенно мощных) вниз по течению устремляется волна прорыва с большим содержанием взломанного потоком льда, что нередко приводит к затоплению ниже лежащих участков местности, разрушению дорог, мостов и других инженерных сооружений. Дополнительную опасность при заторах представляют навалы льда на берегах и в пойме высотой до 10 - 15 м. Большие массы льда давят на сооружения, ломают и сдвигают их; медленное таяние льда затрудняет проведение аварийно-восстановительных работ, сдерживает выполнение сельскохозяйственных работ. Главными показателями, определяющими величину ущерба при заторах, являются те же, что и при наводнениях: максимальный заторный уровень и интенсивность его подъема; длительность затора и затопления; площадь и глубина затопления; скорость нарастания расходов воды; правильность и своевременность прогноза, а также проведения предупредительных и аварийно-спасательных мероприятий; организованность спасательных служб и населения [13].

Зажоры представляют собой скопление шуги в русле реки, сопровождающееся забивкой некоторой части живого сечения и повышением уровня воды (рис. 5). Необходимым условием образования является возникновение в русле внутривод- ного льда и его вовлечение под кромку ледяного покрова. Решающее значение при этом имеет поверхностная скорость течения (более 0,4 м/с), а также температура воздуха в период замерзания. При большой скорости течения и низкой температуре вода охлаждается по всей глубине. При снижении температуры чуть ниже 0°С образуется внутриводный лёд, который, всплывая, образует рыхлые скопления - шугу. Низ течения замерзает, наносимая сверху шуга задерживается и нарастает под ледяным покровом, особенно у кромки и за полыньей. Возникает некая «пасть», захватывающая всю снежно-ледовую массу — зажор. В итоге образуется плотина, и вода начинает заливать все прилегающие участки, которые затем замерзают, образуя наледь.

Рис. 5. Шуга на р. Мана

Образованию зажоров способствуют острова, отмели, валуны, крутые повороты, сужение русла. Образование зажоров приводит к уменьшению пропускной способности русла, повышению уровня воды выше зажора, что может вызывать затопление прилегающей местности и понижению уровня ниже зажора. Образование шуги в русле реки и водохранилище является причиной серьезных ледовых затруднений на водозаборах (обмерзание труб, сорозадерживающих решеток, забивка ого- ловкой), что часто может приводить к полному прекращению подачи воды.

Зажоры возникают на реках с быстрым течением, таких, например, как Амударья, Сырдарья, Нева, Нарва, Ангара. Поскольку зажорные наводнения случаются поздней осенью, в начале, а иногда и в середине зимы, их продолжительность может достигать от нескольких дней до всей зимы, но чаще — 1-1,5 месяца (рис.6).

Рис. 6. Зажор на р. Нева

Процесс зажорообразования определяется комплексом факторов, которые можно разделить на две группы:

• • факторы, способствующие образованию шуги, которые определяются скоростным режимом потока и климатическими условиями местности;
• • факторы, способствующие остановке и смерзанию шуговых масс, - определяются морфометрическими особенностями участка реки.

Зажорные массы льда однородны по своему строению и располагаются непосредственно у кромки ледяного покрова и под ним. Здесь они имеют небольшую толщину. Длина зажорного участка может составлять от 3 до 5 величин ширины реки. Это примерно 3-5 км на средних и до 15 км на больших реках. Условиями для образования зажоров являются следующие факторы:

• • наличие незамерзающего участка реки (перекаты, полыньи) или открытой водной поверхности водохранилища;
• • наличие отрицательной температуры воздуха ниже критической, вызывающей теплоотдачу с водной поверхности;
• • наличие турбулентного течения в водотоке или сильного ветрового волнения на водохранилище, способствующих переохлаждению водной массы и кристаллизации внутриводного льда;
• • наличие особых орографических особенностей русла реки, способствующих задержанию ледяной массы (меандры, бифуркация), а также разные препятствия, в том числе гидротехнические сооружения, острова;
• • изменение скорости течения на реке (плесы, перекаты, места выклинивания кривых подпор водохранилищ).

Процессы заторо- и зажорообразования в ряде случаев оказывают влияние друг на друга. Ледяной покров значительной толщины, образовавшийся в результате смерзания зажорных масс шуги в предледоставный период, во время весеннего ледохода может служить причиной задержки льда и стать очагом весеннего затора. Обычно в местах, где осенью наблюдались зажоры, уровень при установлении ледостава бывает высоким - происходит задержка вскрытия реки, и ледяной покров служит причиной образования затора. Осенние заторы малой мощности могут создавать условия для всплытия и смерзания шуги, обуславливая образование осенних зажоров.

Главными определяющими факторами заторов и зажоров являются строение, размеры, максимальный уровень и максимальный подъем воды. Максимальный заторный уровень, как правило, превышает уровень весеннего половодья. Максимальный зажорный уровень превышает уровень воды при ледоставе. Максимальный заторный уровень характеризует превышение уровня при заторе над уровнем весеннего половодья без заторов. Максимальный зажорный уровень характеризует превышение уровня при зажоре над уровнем при ледоставе без зажора.

По значениям максимальных подъемов заторных (зажорных) уровней воды и крупномасштабным картам определяются площади затопления и глубины в этой зоне. По значениям максимальных заторных (зажорных) уровней воды заторы и зажоры можно подразделить на катастрофически мощные, сильные, средние и слабые:

• • при максимальном заторном подъеме уровня воды более 5 метров - катастрофически мощный затор;
• • при максимальном заторном подъеме уровня воды от 3 до 5 метров - сильный затор;
• • при максимальном заторном подъеме уровня воды от 2 до 3 метров - средний затор;
• • при слабом заторе максимальный заторный уровень подъема воды не превышает 1-1,5 метра.

Применяется также такая характеристика, как продолжительность затора или зажора. Затор льда - явление кратковременное. Высокий уровень держится обычно от 0,5 до 1,5 суток, но в результате похолодания и сокращения стока воды эти сроки могут увеличиваться. Период подъема зажорного уровня несколько более длительный - до 3 суток. Спад уровня обычно происходит за 10-15 суток.

Непосредственная опасность этих явлений заключается в том, что происходит резкий подъем воды и в значительных пределах. Вода выходит из берегов и затопляет прилегающую местность. Кроме того, опасность представляют и скопление льда на берегах высотой до 15 м, которые часто разрушают прибрежные сооружения.

Зажорные явления, в отличие от заторных, приводят к более тяжелым последствиям, так как происходят в начале, а иногда и в середине зимы и могут длиться до 1,5 месяцев. Разлившаяся вода замерзает на полях и в других местах, создавая сложные условия для ликвидации последствий такого стихийного бедствия.

Места образования заторов и зажоров льда можно разделить на постоянные и непостоянные. Постоянные места известны. Непостоянные известны меньше.

На рис. 7 представлены показатели постоянных мест образования ледовых заторов и зажоров на реках по регионам РФ.

Рис. 7. Процентное соотношение постоянных мест образования ледовых заторов (а) и зажоров (6) на водотоках Российской Федерации

Из рисунка видно, что заторно-зажорные явления наиболее распространены в Сибирском Федеральном округе. На рис. 8 представлена карта возможных заторных участков на реках Красноярского края Сибирского федерального округа.

Наиболее затороопасными в Красноярском крае являются следующие участки рек: Кан, Чулым, Тасеева, Амыл, Туба, участок р. Ангара ниже с. Богучаны, р. Енисей ниже г. Енисейск, устьевые участки Подкаменной и Нижней Тунгусок.

Рис. 8. Карта возможных заторных участков на реках Красноярского края

Повторяемость заторов льда при весеннем ледоходе составляет на р. Туба у с. Бугуртак - 38%, на р. Кан у с. Подпорог - 41%, на р. Кан у г. Канск - 30%, на р. Тасеева у с. Машуковка - 48%, на р. Большой Пит у базы Брянка - 40%, на р. Подкаменная Тунгуска - устье - 58%, на р. Нижняя Тунгуска у фактории Большой Порог - 88%, на р. Ангара у д. Татарка - 56%, на р. Чулым у с. Бирилюссы - 40%, на р. Енисей у г. Игарка - 77% и так далее.

За тридцатилетний период наблюдений отмечено повышение критического уровня, выше которого начинается значительное затопление населенных пунктов, на р. Оя у с. Ермаковское- 10 раз, на р. Туба ус. Бугуртак - 12 раз, на р. Кану г. Канск - 12 раз, на р. Большой Пит у базы Брянка - 4 раза, на р. Енисей у с. Ворогово - 5 раз, на р. Енисей у г. Енисейск - 8 раз, на р. Енисей у г. Игарка - 8 раз.

Несмотря на такую частую повторяемость заторов на реках края, работ по прогнозированию и борьбе с заторными паводками немного [14,15].

Применяемые в настоящее время методы прогноза максимальных уровней воды в речной системе Енисея разработаны более 20 лет тому назад. Они не используют современных возможностей компьютерного моделирования и требуют пересмотра в целях повышения заблаговременности, точности и оперативности прогнозирования. Следует учесть, что большая часть исследований проводилась в 1950-60-х годах, то есть до постройки Ангаро-Енисейского каскада ГЭС, когда условия формирования заторов были совершенно другими.

Авторы: Мельник А.А., Техтереков С.А., Батуро А.Н., Иванов Д.В., Трофимова Н.В., Антамошкина О.А., Давиденко А.Е.