C a p i t o l u l

C a p i t o l u l

HIDROLOGIA RURILOR (POTAMOLOGIA)

3.1. CONSIDERAII GENERALE ASUPRA REELEI HIDROGRAFICE

Dac privim imaginea planetei Terra luat prin satelit, ea ne apare organizat, de la cele mai mici firioare de ap, respectiv rigole i ogae, i pn la cele mai mari artere ruri, fluvii, n numeroase organisme care, n cea mai mare parte se termin la marginea mrilor i oceanelor, uneori n interiorul continentelor, n lacuri sau n centrul unor depresiuni nchise (Shari n lacul Ciad Africa, Amudaria i Srdaria n lacul Aral Asia, Iordan n Marea Moart Asia, Desaguadero n lacul Titicaca America de Sud i nu pe ultimul loc Volga n Marea Caspic Europa).

Se poate afirma c reeaua hidrografic are cel mai mare grad de acoperire, de cuprindere a suprafeei Terrei, n comparaie cu alte componente ale mediului geografic.

Precipitaiile ajunse pe suprafaa uscatului, exceptnd cantitatea care se consum prin evaporaie i evapotranspiraie i care trece direct n atmosfer, datorit diferenei de nivel (de altitudine) unde cad, i nivelul 0 al mrii, pe de o parte, i forei gravitaionale, pe de alt parte, se deplaseaz, i prin conjugare firior cu firior de ap se formeaz artere hidrografice din ce n ce mai bine conturate, care ajung, mai devreme sau mai trziu, n Oceanul Planetar. Chiar i acea parte din precipitaii care se infiltreaz n scoara terestr (litosfer) i formeaz orizonturile de ap freatic, se supune aceleai fore gravitaionale, deplasndu-se apoi lent pe cale subteran, pn ce revine la suprafa sub form de izvoare.

Aadar, scurgerea natural a apei provenit din ploi, existent n cursul anului, determinat de panta terenului, ce se concentreaz ntr-un curent de ap canalizat de forma de relief negativ i alungit (vale), genereaz un ru.

Simion Mehedini, fondatorul geografiei moderne romneti (1868-1962), n lucrarea sa fundamental Terra (op. citat pag. 249) ddea urmtoarea definiie rului: totalitatea uvielor de ap care scurg umezeala unui inut ntreg spre punctul cel mai de jos al bazinului respectiv.

Fa de aceast definiie i noiune generic de ru, se ntlnesc numeroase trepte i variante, care definesc acelai proces.

n ceea ce privete dimensiunea se ntlnesc, de asemenea, multe topice, proprii diferitelor popoare sau regiuni de pe glob.

n limbajul nostru curent, care a intrat n literatura de specialitate se gsesc termenii de: pria, pru i ru. Aceste denumiri indic o anumit mrime a organismului hidrografic, de cel mai mic (pria), care poate fi permanent, de regul fiind temporar, pn la cel de ru care, normal trebuie s aib scurgere permanent, dei n cazuri excepionale i acesta seac.

Termenul de fluviu, ce a intrat n limbajul geografilor ca ru de dimensiuni mari i care se vars ntr-o mare sau ocean i care provine din cuvntul francez fleuve (la origine, n latin, flumen care nseamn ap ce curge printr-o vale), nu a reuit s se generalizeze pe ntreaga Terr.

Simplu fapt, c o arter hidrografic se vars ntr-o mare sau ocean s se numeasc fluviu nu este corect, deoarece este necesar s se asocieze i o anumit mrime (lungime, bazin sau debit) exemplu fluviul Dunrea n comparaie cu Nistru care ar trebui s se numeasc tot fluviu.

Deoarece pn n prezent n-au fost stabilite nite criterii (parametri cantitativi i calitativi) pentru diferenierea unui ru de un fluviu, folosirea unuia sau altuia dintre cei doi termeni este, de cele mai multe ori, neangajant.

Oricum, trebuie s reinem faptul c nu este nici o greeal dac vom ntrebuina termenul de ru pentru oricare arter hidrografic mare ca Amazon, Mississippi, Congo, Nil, Enisei etc., dar nu este acelai lucru s denumim ca fluviu o arter mic de ap numai pentru faptul c se vars direct n mare sau ocean.

Revenind la termenul de ru, subliniem faptul c prima trstur a acestuia este convergena mai multor artere secundare ctre una principal care alctuiesc mpreun un bazin hidrografic.

Afirmaia fcut la nceput c bazinele hidrografice reprezint forma aproape generalizat de acoperire a suprafeei Terrei, trebuie potrivit n raport cu poziia hipsometric a diferitelor regiuni i cu condiiile climatice, n cadrul crora reinem, n mod special, aportul precipitaiilor i al temperaturii aerului.

Fora gravitaiei i energia de relief dat de diferena de nivel dintre cele mai nalte cote i nivelul de baz (n cazul generalizat nivelul oceanului sau al mrii) n-ar putea genera scurgerea lichid fr existena precipitaiilor care furnizeaz apa ce se pune n micare prin intermediul vilor.

n aceste condiii nu pe toat suprafaa Terrei exist scurgere lichid superficial i, deci, nici o reea hidrografic efectiv (activ). S-a vzut, de asemenea, c nu toate regiunile i respectiv rurile ce le dreneaz au scurgere ctre Oceanul Planetar, sau cum s-ar mai putea spune ieire la mare.

Plecnd de la postulatul c bazinele hidrografice sunt consecin a climei cunoscutul geograf francez Emm. de Martonne (1926) a analizat distribuia rurilor (prezena sau absena, bogia sau srcia de ap a acestora) cu ajutorul indicelui de ariditate (K) care-i poart numele i n care se ia baz raportul dintre precipitaii (P) i temperatur (T).

(3.1.)

Pe baza acestui indice Emm. de Martonne a apreciat c formarea rurilor, deci i a scurgerii lichide la nivelul cmpiilor joase (0-200 m), n absena fenomenelor carstice pentru zona temperat ar avea loc n condiiile unor precipitaii de cel puin 250 mm/an; pentru zona subtropical 500 mm/an i pentru zonele aride (de tipul Saharei, Kalahari, Marele Deert Australia) 1000 mm/an.

Analiznd o hart a distribuiei i densitii reelei hidrografice, remarcm valabilitatea celor afirmate mai sus i anume; bogia rurilor n zona ecuatorial, subecuatorial i temperat i absena lor n regiunea tropical, mai precis acolo unde indicele de ariditate este sub 5.

Dac se analizeaz Nilul, care are bazinul superior n zona ecuatorial i care apoi strbate, pn la Marea Mediteran unde se vars, zona tropical arid (Sahara de est), vom constata reducerea treptat a debitului, de la obrie spre vrsare, pe cnd la cele mai multe ruri situaia este invers.

Corelnd scurgerea apei cu precipitaiile i temperatura aerului din diferite zone geografice se poate afirma c: acolo i atunci cnd precipitaiile sunt n cantiti mai mari dect evaporaia (X > Z), rul are scurgere permanent i n mod normal are ieire la mare. Aceast situaie hidrografic se numete exoreism, iar regiunea unde se ntlnete - exoreic.

Dac precipitaiile sunt mai mici dect evaporaia (X< Z), regiunea este lipsit de scurgere i se numete areic, iar fenomenul areism.

O alt situaie, considerat intermediat, n procesul scurgerii este endoreismul n care dei exist scurgerea lichid, rurile din acea regiune nu au ieire la mare iar regiunea se numete endoreic.

Endoreismul, n principal, este de natur climatic prin faptul c un organism hidrografic sau un ansamblu de asemenea organisme are scurgere n seciunile superioare i mijlocii, dar se pierde prin evaporaie n seciunea inferioar, cnd ajunge n deert (exemplu: rurile din Asia Central, Podiul Iran, Podiul Gobi, versantul sudic al Munilor Atlas din nordul Africii etc.).

O regiune endoreic poate fi generat, la nceput, i de factorii geologici, n sensul c o depresiune de natur tectonic este izolat sub aspectul scurgerii lichide de reeaua hidrografic exoreic.

Astfel de situaii sunt numeroase pe Terra. n centrul unor asemenea regiuni se gsete un lac care polarizeaz rurile din jur. Dar i n aceste cazuri trebuie s facem anumite precizri.

Dac o asemenea depresiune se gsete ntr-o zon geografic n care precipitaiile sunt mai mari dect evaporaia i deci exist un excedent de ap care trebuie s se scurg, endoreismul nu poate fi dect relativ n timp sau de suprafa.

Endoreismul n timp este acela prin care excendentul de ap furnizat de bazinul hidrografic respectiv, dup o anumit perioad de timp (an, secol, mileniu, milion sau milioane de ani) va produce o conectare, prin captare, a regiunii endoreice la regiunea vecin, exoreic.

Endoreismul de suprafa se manifest prin izolarea scurgerii la suprafaa teritoriului respectiv dar excendentul de ap se scurge pe cale subteran n reeaua hidrografic exoreic din jur. Un astfel de exemplu, la scar mic n ara noastr, este lacul Sfnta Ana cu depresiunea n care se gsete, care nu are scurgere de suprafa iar excedentul de ap se scurge pe cale subteran.

Regiunile endoreice cele mai mari de pe suprafaa Terrei au la origine condiii speciale de evoluie paleogeografic (de natur tectonic, epirogenetic) i meninute, n prezent, de factorii climatici (deficit de precipitaii fa de evaporaie).

Un caz interesant de bazin endoreic este Volga cu Marea Caspic. Marea Caspic, n timpuri geologice nu prea ndeprtate de perioada actual, era legat prin culoarul Kuma Manici de Marea Neagr i, deci, conectat la Oceanul Planetar. Prin micrile de ridicare ale munilor Caucaz i aridizarea condiiilor climatice din regiunea n care se gsete ea i o parte din aflueni, nivelul mrii a sczut treptat datorit deficitului din bilanul hidrologic iar marea ca atare a devenit un lac. Dac s-ar produce revenirea la un climat mai umed, nivelul Mrii Caspice ar crete pn s-ar uni din nou cu Marea Neagr sau prin intermediul lacului Aral cu rurile din partea sudic a Siberiei de Vest.

3.2. ELEMENTE PRIVIND MORFOLOGIA I MORFOMETRIA RULUI I BAZINULUI HIDROGRAFIC

3.2.1. Modul de organizare a scurgerii lichide

Procesul de iroire reprezint prima faz n scurgerea lichid i este legat de cderea precipitaiilor pe suprafaa terenului.

n procesul de iroire, care este temporar nu exist o reea de canale, dar se remarc o anumit insinuare a apei n depozitele superficiale.

Scurgerea torenial este o faz n acest proces prin care apa este adunat n anumite forme negative de relief, dar care nu au dimensiunile unei vi. i n cazul scurgerii toreniale, procesul este temporar, discontinuu, numai n timpul ploilor toreniale sau al topirii brute a zpezii.

Scurgerea permanent reprezint faza la care apa rezultat din ploi sau zpezi, se scurge organizat i tot timpul anului prin reeaua de vi creat n decursul evoluiei arterei hidrografice. (Fig. 3.1.).

Fig. 3.1. Fazele scurgerii lichide Fig. 3.2. Categorii morfologice A-iroire cu forme de rigole (a) prin care are loc scurgerea;B-torenial cu formarea ogaelor i ravenelor (b) a) rigole; b) raven; c) raven;

C-permanent cu formarea vilor (c) d) organism torenial.

3.2.2. Categoriile morfologice prin care are loc scurgerea lichid

Rigola este an mic n form de V, realizat de apa de ploaie n procesul de iroire (ravenare). Adncimea acestor anuri atinge 20 - 30 cm i maximum 50 cm. Iniial sunt folosite urmele roilor de cru sau brazdele de la plug. Rigolele au ap numai n timpul ploilor sau la topirea brusc a zpezii.

Ogaul reprezint evoluia n timp a rigolei dac aceasta nu este oprit prin nivelare. Ogaul este un an sculptat n depozitele de suprafa avnd adncimi ntre 0,5 i 2 m, lime ntre 0,5 i 8 m cu lungimi de la zeci pn la sute de metri.

Ravena sau viroaga poate reprezenta o viitoare vale de pru dac nu este stopat n evoluie. Ravena are adncimi diferite: 2 -5 m, 5 -10 m i peste 10 m, iar lungimea poate depi 1 km, avnd i un bazin de colectare de 10 ha, 10- 30 ha, 50 -100 ha i peste 100 ha. n profil transversal pereii sunt abrupi i neacoperii cu vegetaie (Fig. 3.2.).

Vlceaua, vale de dimensiuni mici, puin adnc (5 - 30 m), cu versani slab nclinai (5 - 20) i fixai cu vegetaie, are fundul concav sau plat, i fr albie minor bine precizat. Lungimea vlcelei poate ajunge pn la 10-15 km iar limea este de zeci i sute de m.

Valea constituie faza cea mai avansat a formelor negative prin care are loc scurgerea lichid. La origine, valea nseamn un loc jos, o depresiune alungit pe zeci, sute de mii de km. Delimitarea, uneori, este greu de fcut ntre vlcea i vale.

Elementele unei vi sunt: albia minor, n care intr talvegul, albia major sau lunca, terasele fluviatile i versantul care ajunge la cumpna de ape (Fig. 3.3.).

Fig. 3.3. Elementele unei vi

3.2.3. Categoriile hidrografice prin care are loc scurgerea lichid

n funcie de modul de producere a scurgerii i mrimea formei de relief deosebim: toreni, praie, ruri, fluvii.

Torentul include din punct de vedere morfologic rigola, ogaul i ravena, i care au scurgere numai n timpul ploilor i al topirii zpezilor. Scurgerea se caracterizeaz prin viituri puternice i de scurt durat fiind caracteristice pentru regiunile de deal i de munte. Torentul are pant foarte mare n profil longitudinal i o putere mare de eroziune i transport. De la termenul de torent a derivat i noiunea de scurgere torenial care este tumultoas i de scurt durat. Momentul de torenialitate se poate ntlni i pe un pru sau pe un ru n timpul viiturilor. Dar n acelai timp scurgerea torenial nseamn i o scurgere temporar.

Elementele morfologice ale unui torent (organism torenial) sunt: bazin de recepie (colectare) (1), canal de scurgere (2), con de dejecie (3). (Fig. 3.4.).

Fig. 3.4. Elementele morfologice ale unui torent

Prul este o categorie hidrografic mai mic ce are scurgere fie permanent, fie temporar, aceasta depinznd de poziia geografic n care cantitatea de precipitaii este mai mare sau mai mic dect evapotranspiraia. De regul sunt stabilite i nite elemente dimensionale: pn la 50 km lungime, 300 km2 suprafaa bazinului i 1 m3/s debit mediu multianual. Aceste limite sunt arbitrare.

Rul este artera hidrografic ce curge printr-o albie natural bine conturat morfologic, scurgerea lichid fiind, de regul, permanent, datorit faptului c n el converg mai multe prae care vin din arii cu surse de alimentare diferite. De asemenea, permanena scurgerii lichide pe ru este dat i de componenta alimentrii subterane pe lng cea superficial (de suprafa).

n linii generale rul, ca de altfel i prul, are din amonte spre aval urmtoarele segmente: izvor, cursul rului, vrsarea sau confluena cu alt ru (arter hidrografic).

Izvorul rului sau obria acestuia este considerat locul n care artera hidrografic capt un contur morfologic i are o scurgere cel puin temporar (nu torenial) dac nu permanent. n unele situaii speciale izvorul poate fi dintr-un ghear, zpad permanent, lac, mlatin, la baza unei alunecri. n multe cazuri izvorul unui ru mare (important) poate fi considerat confluena a doi aflueni secundari.

Cursul rului reprezint traseul parcurs de ap ntre izvor i vrsare (confluen). n mod obinuit cursul rului se mparte n trei sectoare: superior, mijlociu i inferior n funcie de trsturile morfologice, fizico-geografice i hidrologice.

Cursul superior de la izvor pn la ieirea din zona muntoas (nu totdeauna) se caracterizeaz printr-o pant mare a profilului longitudinal a albiei minore, fr lunc i terase n profil transversal, vitez mare de scurgere a apei i o alimentare redus subteran, dar bogat din precipitaii (lichide i solide).

Cursul mijlociu este situat, n mod obinuit, n regiunea de dealuri i podiuri care mrginete zona de munte, panta n profil longitudinal scade, viteza de curgere, de asemenea scade, primete aflueni mari i ca atare debitul crete. Are albia major pe lng cea minor, n care se gsesc depozite aluviale cu acumulri de ape freatice i terase. Albia minor prezint ramificaii (despletiri).

Profilul transversal al vii este combinat cnd n V cnd n U. Aici au loc i inundaii ca urmare a compunerii viiturilor. Apa rului se ncarc cu suspensii solide reducnd din transparena sa.

Cursul inferior este, de regul, n regiunea de cmpie i se caracterizeaz printr-o pant redus n profil longitudinal. Valea rului nu mai este adnc dar se lrgete prin lunc (albia major) care are limi mari, terasele fluviatile sunt simetrice sau asimetrice. Albia minor, datorit pantei reduse, meandreaz, lsnd lateral bucle abandonate i transformate n lacuri de meandru. n lunca inundabil se formeaz lacuri ntinse i puin adnci. ntre apa din ru i orizontul freatic de lunc exist o relaie strns cu influene reciproce n funcie de faza de regim hidrologic.

Delimitarea acestor sectoare este relativ i se face de la un ru la altul n funcie de situaia geomorfologic i de interesul didactic i practic.

Vrsarea rului (gura de vrsare) este locul cel mai bine definit n comparaie cu izvorul. n cazul rurilor mici, vrsarea reprezint confluena cu rurile de ordin superior. Dar tot att de frecvent este i vrsarea ntr-un lac, mare sau ocean.

Sunt i abateri de la aceast situaie, cnd rul se pierde ntr-o regiune arid datorit evapotranspiraiei i infiltraiei volumului de ap (rurile de pe versantul sudic al munilor Atlas Africa, din Asia Central, Podiul Gobi, Tibet, cum ar fi: Murgab, Zeravan, Tedjen).

Gurile de vrsare ale rurilor ntr-un lac, mare sau ocean, pot fi simple, prin limane, estuare, delte, fiorduri, n funcie de existena sau absena mareelor.

Estuarul este gura de vrsare sub form de plnie a unui ru ntr-o mare (ocean) cu amplitudine mare a mareelor (flux i reflux). Sunt i alte forme pe care le mbrac estuarele. Cele mai mari estuare sunt Rio de la Plata (200 km), Sfntul Laureniu (500 km), Amazon (1500 km). Mai menionm estuarul Senei, Elbei, Girondei, Tamisei.

Ria (riasul) este o vale fluviatil ngust, ramificat pe rmurile nalte (Marea Britanie, Peninsula Iberic).

Limanul - o gur de vrsare lrgit prin abraziune marin, se gsete n mrile fr maree (Limanul Nistrului).

Fiordul - golf marin rezultat dintr-o vale modelat de eroziunea glaciar i invadat de ap (rmul Norvegiei, Noii Zeelande etc.) (Fig. 3.5.).

Delta este zona de acumulare a materialului aluvionar adus de ru i depus sub forma unor cmpii aluviale n formare. Deltele, de regul se formeaz la rmurile marine, lacustre, n golfuri, lipsite de maree i cu elf continental (adncime mic).

Deltele lacustre. La nclinri mari ale pantei fundului lacului, delta are aspectul unui con de dejecie i este submers. Cnd panta este mai mic, delta se extinde i devine emers (exemplu de delt lacustr: Volga n Marea Caspic, Selenga n lacul Baikal).

Fig. 3.5. Tipuri de estuare (dup Fairbridge, R.W., 1983)Deltele marine sunt cele mai reprezentative i importante zone umede cu o mare biodiversitate.

n formarea deltelor se impun cteva condiii i anume: aluviuni transportate de ru, lipsa mareelor (sau cu amplitudine foarte mic, existena curenilor litorali, existena unei platforme continentale (elf).

Tipuri de delte dup form. Triunghiulare, rezult din activitatea unei singure artere, are frontul deltaic mult mai naintat n mare (exemplu: Tibru, Sa Francisco). Sagitate cu vrful naintat n mare (Ebro Spania). Rotunjite (arcuite) cu frontul deltaic convex i cordoane litorale (Niger, Yukon, Lena).

Digitate (lab de pasre) cu un curs principal ce creeaz grinduri laterale care nchid lagune, la care se adaug i activitatea braelor, secundare (Mississippi).

Lobate (barat) tipul clasic n forma literei greceti care are o evoluie uniform a frontului deltaic, fiind rezultatul activitii mai multor brae (Nil, Dunre, Volga, Rhone, Po) (Fig. 3.6., 3.7.; Tab. 3.1.).

Fig. 3.6. Tipuri de delte

Tabelul 3.1. 30 delte mai semnificative

Nr. crt.Denumirea ara - continentulSupr.

km2Lungimea ruluiSupr. baz. rului km2

1.Amazon Brazilia Am. de Sud100.0007.0257.180.000

2.Gange +

BrahmaputraIndia Bangladesh - Asia100.0002.7002.055.000

3.IantzChina - Asia80.0006.3001.808.500

4.Mekong Vietnam - Asia70.0004.500810.000

5.MississippiSUA Am. de Nord32.0006.2183.210.620

6.LenaFeder. Rus - Asia30.0004.4002.425.000

7.IrrawaddyBirmania - Asia30.0002.150430.000

8.NigerNiger - Africa24.0004.1602.092.000

9.NilEgipt - Africa22.0006.6712.870.000

10.OrinocoVenezuela Am. de Sud20.0002.7301.086.000

11.Shatt-al-ArabIrak - Asia18.0003.2601.000.000

12.HonghaVietnam - Asia15.0001.183158.000

13.MahanadiIndia - Asia15.000900130.000

14.VolgaFeder. Rus - Europa13.0003.5301.360.000

15.MackenzieCanada Am. de Nord12.0004.2501.804.000

16.YukonSUA Am. de Nord10.0003.700855.000

17.IndusPakistan - Asia8.0003.180980.000

18.Kura i AraxAzerbaidjan - Europa8.0001.364188.000

19.ZambeziMozambic - Africa8.0002.6001.330.000

20.IndighirkaFeder. Rus - Asia5.5001.726360.000

21.KubanFeder. Rus - Europa4.30087057.900

22.DunreaRomnia Ukraina

Europa4.1502.860805.300

23.TerekFeder. Rus - Europa4.00040517.170

24.GodavariIndia - Asia2.0001.450290.000

25.MagdalenaColumbia Am. de Sud1.6001.550240.000

26.VistulaPolonia - Europa1.5001.068198.000

27.PoItalia - Europa1.50065274.970

28.Dvina de NordFeder. Rus - Europa1.230744357.000

29.RhoneFrana - Europa1.00081298.000

30.EbroSpania - Europa25092886.800

Fig. 3.7. Poziia geografic a deltelor pe glob

3.2.4. Reeaua hidrografic

Ansamblul arterelor, privite sub aspect morfologic, prin care se produce scurgerea lichid organizat, ncepnd cu ogaele i ncheind cu vile mari, indiferent dac scurgerea este temporar sau permanent, se numete reea hidrografic.

Organizarea i concentrarea treptat de la arterele mici, artere din ce n ce mai mari, se constituie n sisteme hidrografice sau fluviatile.

Formarea i evoluia oricrui bazin hidrografic este rezultatul interaciunii dintre fluxul de materie i energie care intr i circul n limitele lui i rezistena opus de configuraia morfologic i constituia litologic.

ntr-un bazin hidrografic principala surs de materie o reprezint precipitaiile czute iar energia, radiaia solar. Relaiile de interdependen dintre aceti factori, repartiia lor n timp i spaiu, conduc la configuraia, la un moment dat, a bazinului hidrografic.

Dup modul n care are loc schimbul de materie i energie n bazinul hidrografic acesta poate fi considerat un sistem deschis. n procesul schimbului de materie i energie n cadrul sistemului hidrografic deschis se tinde ctre o autoreglare i stare de echilibru care este relativ. (Fig. 3.8.)

Fig. 3.8. Schema schimburilor de mas i energie ale unui bazin hidrografic cu mediul nconjurtor (dup I. Zvoianu, 1978); P-precipitaii; Av-aport datorat vntului; As-aport subteran; Au-aport ca urmare a interveniei omului; Es-radiaia solar; Q,R, M-scurgerea lichid, solid i chimic; Ev-evapotranspiraie; Ps-pierderi subterane; Pv-pierderi datorit vntului; Pu-pierderi ca urmare a interveniei omului; Er-energia reflectat i radiat.

n cadrul unui sistem hidrografic exist numeroase artere mai mici i mai mari. ntre acestea exist o anumit ierarhizare care a realizat-o nsi sistemul, respectiv natura.

Descifrarea acestei ierarhizri naturale a stat n atenia multor cercettori strini i romni (Gravelius, R.E. Horton, N.A. Strahler, B. Panov, L.R. Shreve, E.A. Scheidegger, V. Bondarciuk, T. Morariu, P. Cote, I. Zvoianu).

Aceste preocupri i concluzii constau n precizarea numerotrii arterelor hidrografice dintr-un sistem fluviatil, fa de colectorul principal lac, mare, ocean sau, n anumite situaii, fluvii.

Clasificarea (ierarhizarea) iniial a fost aceea c rul principal care se vars n mare (ex. Dunrea) este de ordinul 1 iar pe msur ce intrm n bazin crete numrul ordinului (Arge, afluent al Dunrii ordinul 2, Rul Trgului, afluent al Argeului ordinul 3 i aa n continuare pn la oga care poate fi de ordinul 4, 5, 6, 7, ... n). Aceast ordonare a aparinut lui Gravelius.

Celelalte clasificri, Horton, Strahler, Zvoianu iau n considerare n primul rnd arterele mici unde se nfirip scurgerea i acelea se noteaz cu 1 ajungnd ca principalul colector, care se vars n mare, s fie de ordinul 5, 6, 7, 8 ... n n funcie de complexitatea sistemului. n aceast ultim categorie sunt multe variante, dar esenialul const n faptul c dou artere elementare (toreni spre exemplu) care sunt considerate de ordinul I dau o arter de ordinul 2 i aa mai departe (Fig. 3.9.).

Fig. 3.9. Diferite scheme de clasificare a reelei hidrografice

3.2.5. Clasificarea reelei hidrografice dup form

Forma reelei hidrografice este determinat n principal de tectonic, litologie i configuraia geomorfologic a regiunii drenate.

Dup configuraia n plan a reelei hidrografice se deosebesc: reea dendritic de forma unui arbore (majoritatea rurilor); rectangular - ce rezult din asocierea unghiular a ramurilor (n regiuni cristaline Rul Mare, Bistra din Munii Godeanu arcu); gratii n regiunile cutate regulat gen obcine (Moldova, Moldovia); radiar n regiunile vulcanice (Harghita); convergent (Olt la Rureni, Jiu la Filiai, Arge la Piteti); inelar n regiunile cutate, domuri gazeifere (Fig. 3.10.).

Fig. 3.10. Tipuri de reea hidrografic

3.2.6. Elemente legate de reeaua hidrografic (cursul rului)

Lungimea rului este distana dintre izvor i vrsare. De regul msurarea lungimii se face de la izvor spre vrsare, iar bornarea kilometric de la vrsare spre izvor (exemplul Dunrii).

n mod obinuit msurarea se face pe hart, care reprezint proiecia talvegului, dar n regiunile accidentate (pante 200, 400 ) se poate aplica formula:

Lr = Lc / cos

(3.2.)

unde:

Lr - este lungimea real

Lc - lungimea de pe hart

Coeficientul de sinuozitate este raportul dintre lungimea real a rului (sau a unui segment) msurat cu distanierul sau curbimetrul i lungimea dreptei care unete extremitile luate n considerare:

Cs=Lm/ Ld ; Cs >I

(3.3.)

unde:

Lm - este lungimea msurat;

Ld - lungimea n linie dreapt;

Cs - coeficientul de sinuozitate.

Cnd se msoar direct cu un distanier se fac minim dou msurtori cu deschideri diferite de distanier i se aplic formula:

(3.4.)

unde

l1, l2 - sunt lungimile rezultate la diferite msurtori;

d1, d2 - distanele pe distanier (compas);

N - scara hrii (Fig. 3.11.).

Fig. 3.11. Tipuri de sinuozitate ale reelei hidrografice (dup I. Piota, 1983)

Coeficientul de ramificare (de despletire) a albiei rului se produce la schimbarea pantei n profil longitudinal, de regul, la trecerea din zona de munte la cea de dealuri i chiar n interiorul acesteia (zona subcarpatic n Romnia) (Fig. 3.12.).

Fig. 3.12 Despletirea albiei unui ru (Kd) Fig. 3.13. Schema hidrografic

Coeficientul de despletire (Kd) se determin conform urmtoarei relaii:

(3.5.)

unde:

l1, l2, ... ln - reprezint lungimea fiecrui bra secundar;

L - lungimea cursului principal.

Schema reelei hidrografice. Printr-un model schematic se poate reprezenta poziia fiecrei artere hidrografice n cadrul unui bazin hidrografic. Un astfel de model prezint cursul principal, afluenii imediat inferiori ierarhizai potrivit schemei Gravelius sau Horton, Strahler. Pe schem reprezentarea se face la o scar aleas de autor, numerotarea cursului se face de la confluen ctre izvor, iar unghiul de inserie al afluenilor s fie de 45. Tot pe schem se pot trece diferite elemente planimetrice (localiti, drumuri, ci ferate), construcii hidrotehnice (canale, derivaii, lacuri de acumulare). (Fig. 3.13)

3.2.7. Caracteristici morfometrice ale albiei minore

Aceste caracteristici se pot determina folosind profilul transversal al albiei minore.

Seciunea total se refer la suprafaa cuprins ntre nivelul apei i conturul fundului albiei muiat, care include seciunea activ, seciunea inactiv, seciunea nboiului, a podului de ghea, a zpezii de deasupra gheii i a spaiului liber dintre podul de ghea i a apei de sub aceasta. (Fig. 3.14a i 3.14b).

Fig. 3.14.a. Suprafaa seciunii transversale Fig. 3.14.b. Suprafaa seciunii transversale

a unei albii libere a unei albii acoperit cu fenomene de iarn

Seciunea activ (Sa) se determin pe baza profilului conform relaiei:

(m2)

(3.6.)

n care:

b1, b2, ... bn este distana ntre verticale;

h1, h2, ..., hn este adncimea verticalelor.

Limea rului (B) reprezint distana (n m) la nivelul apei.

Adncimea medie (hmed) rezult din relaia:

Hmed = Sa / B (n m)

(3.7.)

Adncimea maxim (hmax) reprezint adncimea cea mai mare din profilul transversal msurat.

Perimetrul muiat sau udat (P) este lungimea liniei fundului albiei (fr nivelul liber al apei) i rezult analitic din relaia:

(m)

(3.8.)

care reprezint suma ipotenuzelor triunghiurilor a cror catete sunt diferenele de adncime dintre verticale i distana dintre acestea.

Perimetrul muiat se mai poate determina prin msurarea cu distanierul sau curbimetrul pe profilul transversal.

Raza hidraulic (R) rezult din raportul dintre seciunea activ (Sa) i perimetrul muiat.

R=Sa/P

(3.9.)

Rugozitatea () se refer la neregularitile (asperitile) albiei (perimetrul muiat) date de aluviunile de pe fund, configuraia malurilor (litologie, vegetaie etc.). Cu ct limea i adncimea albiei sunt mai mari, cu att influena rugozitii este mai mic.

Forma n plan a albiei minore. Aa cum s-a menionat la analiza cursului rului, acesta are diferite forme ale albiei n funcie de unitile mari de relief (munte, deal, podi, cmpie), de litologie (roci eruptive, sedimentare), de structur (cutat, tabular).

Configuraia n plan a albiei rului poate fi despletit (ramificat), nctuat (defilee, chei), sinuoas (meandrat).

Meandrele sunt sinuozitile albiei minore determinate de panta profilului longitudinal, de constituia litologic i structura acestora.

Meandrele sunt de mai multe tipuri: divagante sau rtcitoare (la albii puin adnci cu material aluvionar) caracteristice pentru rurile de la zona de contact deal cmpie; nctuate caracteristice rurilor ce traverseaz podiuri cu structuri geologice orizontale; simple cu o bucl; complexe cu mai multe bucle incluse ntr-o bucl major; abandonate sau prsite numai la noi, n Romnia, belciug (Fig. 3.15.).

Fig. 3.15 Tipuri de meandre

Talvegul este linia, n profil longitudinal, care unete punctele cu adncimea maxim. De regul nu are o poziie median n albia rului (Fig. 3.16).

Vadul este locul (segmentul) din albia minor, n care adncimile sunt mici i se poate trece cu piciorul sau cu mijloace de transport (crue, autoturisme) (Fig. 3.17.).

Izobata este linia (curba) care unete punctele cu aceeai adncime.

Ostrovul (banc, insul) reprezint acumulrile din albia minor constituit din pietriuri, nisipuri i care rezult din micorarea pantei i despletirea albiei.

Popina este o insul n albia minor i major care rezult prin activitatea de eroziune lateral a rului numit martor de eroziune.

Fig. 3.16 Elemente morfometrice Fig. 3.17. Elemente morfohidrografice n

ale albiei rului albia minor a rului

Zton poriune din albia minor, inactiv, separat parial de un grind.

Reine (scruntar) partea convex a albiei minore unde se depune material aluvionar (nisip, pietri).

3.2.8. Caracteristici ale rului n profil longitudinal

Rul n drumul su de la izvor la vrsare, n special rurile mari, traverseaz uniti de relief variate (munte, deal, podi, cmpie) cu diferenieri ale structurilor (geologice, tectonice), ale condiiilor climatice etc.

Elementele morfometrice ale albiei variaz n acest traseu izvor vrsare.

Profilul longitudinal al rului este reprezentarea n plan a liniei talvegului, oglinzii apei (la diferite niveluri), malurilor etc. Profilul longitudinal evolueaz n decursul timpului n funcie de componentele de baz (fluxul de materie i energie), de modificrile majore geologice (ridicri orogenetice, micri epirogenetice pozitive n cursul superior, coborri sau ridicri ale nivelului de baz respectiv zona de vrsare sau confluen).

n evoluia sa rul tinde ctre profilul de echilibru care reprezint o faz de compensare a procesului de eroziune cu cel de acumulare. Teoretic, n faza profilului de echilibru rul pe sectorul considerat, sau pe ntregul profil longitudinal, nici nu erodeaz i nici nu acumuleaz. Aceast stare este atins de ru ntr-o faz de maturitate cnd forele geologice i cele climatice sunt stabile (neschimbate). (Fig. 3.18).

n desfurarea profilului longitudinal se ntlnesc cascade, praguri, repeziuri.

Cascada se pune n eviden printr-o ruptur (cdere) a pantei (pe vertical) determinat de traversarea albiei de o falie, de o prbuire a unui pachet de roci (cascada Blea, cascada Caprei n ara noastr, i pe fluviul Sf. Laureniu, mai exact ntre lacurile Erie i Ontario cascada Niagara - 49 m, Iguau - Victoria 72 m, Victoria - Zambezi 122 m, Angel - Venezuela / Guiana 979 m).

Pragul este o ruptur mai mic a pantei profilului dat de diferenieri litologice ale albiei.

Repeziul reprezint o poriune din profilul longitudinal n care panta este mare iar pragurile (rupturile) sunt foarte mici.

Fig. 3.18. Tipuri de profile longitudinale Fig. 3.19.a. Nivelul apei rului la diferite faze

ale albiei rului

ale regimului hidrologic n profil longitudinal

profile longitudinale ale albiei rului

Panta profilului longitudinal (I) care poate fi a talvegului, malurilor, nivelului mediu, minim i maxim al apei se determin pentru lungimea ntregului curs sau pentru anumite sectoare i se calculeaz cu relaia:

(3.10.)

unde:

H1 i H2 sunt cotele (altitudinile) punctelor extreme (n m);

L - lungimea cursului, respectiv a segmentului (n km).

Panta se exprim n % sau m/km (Fig. 3.19 a, b).

Profilurile longitudinale pot fi: concave, convexe, n trepte etc.

Fig. 3.19.b. Profilul longitudinal al Dunrii

3.2.9. Bazinul hidrografic

Suprafaa de pe care i adun apele o arter hidrografic, indiferent de ordinul de mrime, reprezint bazinul hidrografic de recepie, de colectare i drenaj.

Limita bazinului hidrografic este reprezentat printr-o linie convenional care separ apa czut din ploi n dou pri (ctre bazine hidrografice). Practic linia (limita dintre bazine) se determin prin unirea punctelor cu cea mai mare altitudine dintre bazinele respective. Aceast linie (limit) se numete cumpn de ape (cumpna apelor).

Cumpna apelor se traseaz pe hrile topografice n funcie de configuraia curbelor de nivel i de cotele de altitudine consemnate. n regiunile muntoase trasarea cumpenei de ape se face cu uurin. Nu acelai lucru este n regiunile plane (podi, cmpie).

n afar de cumpna de ape de suprafa mai exist i o cumpn de ape subterane, care de regul nu coincide cu prima, iar trasarea ei se face pe baz de foraje hidrogeologice.

Panta i configuraia cumpenei de ap de suprafa se modific datorit proceselor de modelare (eroziune, alunecare) sau datorit unor cauze geologice.

3.2.9.1. Forma bazinului hidrografic

Este n funcie de condiiile morfotectonice ale regiunii pe care o strbate.

Bazinele hidrografice au o dezvoltare n cursul superior (Jiu), n cursul mijlociu (Trotu, Criul Negru, Some) sau n cursul inferior (Arge). Mai pot fi strangulate la mijloc (Olt datorit trecerii prin defileu), simetrice sau asimetrice (Siret). Se poate apela i la formele: alungite, oval, evantai, rotund care reprezint o apreciere calitativ. (Fig. 3.20).

Fig. 3.20. Tipuri de bazine hidrografice dup form

Forma bazinului are o mare importan n desfurarea unor fenomene hidrologice cum sunt viiturile.

Astfel, ntr-un bazin rotund acestea se transmit mult mai repede dect n cel alungit.

Forma bazinului se apreciaz i cantitativ. n acest sens exist mai multe relaii matematice care au fost stabilite de cercettorii n domeniul morfometriei bazinului hidrografic (I. Zvoianu, 1978).

R.E. Horton a elaborat n 1932, factorul de form (Rf) exprimat prin relaia:

(3.11.)

unde:

Au - este suprafaa bazinului

L - ptratul lungimii maxime a acestuia.

Mai trziu, n 1953, V.C. Miller a formulat raportul de circularitate (Rc):

(3.12.)

unde:

Ac - este suprafaa cercului de aceeai lungime cu perimetrul bazinului. Valoarea acestui raport tinde ctre valoarea 1.

S.A. Schumm, n 1956, a apreciat forma bazinului printr-un raport de alungire (Re) care este raportul dintre diametrul cercului cu suprafaa bazinului (Dc) i lungimea maxim a bazinului (Lb) msurat paralel cu axa rului principal:

(3.13.)

Raportul de alungire are valori ntre 0,64 i 1,27 la bazinele alungite i peste 1,27 la cele rotunjite.

Pentru caracterizarea formei bazinului se mai calculeaz i coeficientul (indicele) de dezvoltare a cumpenei de ape prin relaia:

(3.14.)

unde:

L - este lungimea cumpenei de ape n km

l - lungimea unui cerc care are aceeai suprafa cu cea a bazinului.

3.2.9.2. Caracteristici morfometrice ale bazinului hidrografic

Suprafaa bazinului (aria bazinului) notat cu F i exprimat n km2 este dat de limita cumpenei de ap i se determin grafic (caroiaj, figuri geometrice), mecanic (prin planimetrare cu planimetru polar), analitic (prin coordonate).

Lungimea bazinului (L n km) este distana dintre vrsare i cumpna de ape din dreptul izvorului. Msurarea se face n linie dreapt sau n linie frnt n funcie de forma bazinului, prin unirea punctelor mediane ale sectoarelor de bazin.

Limea medie a bazinului (B) se face prin calcul prin relaia:

(km)

(3.15.)

Acest parametru este important n calculele hidrologice. Se poate calcula limea medie a bazinului de pe dreapta sau stnga cursului principal:

(3.16.)

La valori mici ale lui B rezult un bazin alungit i deci o deplasare treptat a apelor maxime.

Limea maxim a bazinului (Bmax) este dat de perpendiculara cu lungimea maxim pe linia lungimii bazinului. Valori mari ale acestui parametru indic un bazin care se apropie de forma cercului.

Coeficientul de dezvoltare a bazinului () rezult din calcul, ca raport al suprafeei (F) fa de suprafaa ptratului care are latura egal cu lungimea bazinului (I2) i are valori subunitare.

EMBED Equation.3

(3.17.)

Coeficientul de asimetrie a bazinului (a) se calculeaz prin planimetrarea celor doi versani care se raporteaz la suprafa (F) potrivit relaiei:

(3.18.)

Altitudinea medie a bazinului (Hm) se determin conform relaiei:

(3.19.)

unde:

f1, f2 , ..., fn - sunt suprafeele pariale dintre curbele de nivel;

h1, h2, ..., hn - semisuma altitudinilor curbelor de nivel;

F - suprafaa bazinului.

Dup altitudinea medie bazinele hidrografice se pot grupa n: bazine de munte cu Hm > 600 m, de deal cu Hm ntre 200 - 600 m, de cmpie cu Hm < 200 m i mixte care se nscriu n 2 - 3 uniti de relief.

Panta medie a bazinului (Im) important n calculele hidrologice deoarece determin viteza de deplasare de la obrie spre vrsare, de la cumpna de ape la artera colectoare. Se calculeaz folosind hrile topografice n curbe de nivel conform relaiei:

(3.20.)

unde:

h - este diferena ntre valorile curbelor de nivel apropiate

I1, I2, ..., In - lungimea curbelor de nivel;

F - suprafaa bazinului.

Alt relaie sintetic este:

(3.21.)

unde:

h - este echidistana curbelor de nivel

L suma lungimilor curbelor de nivel.

Graficul de cretere a bazinului odat cu lungimea d posibilitatea unei imagini sintetice de dezvoltare a bazinului pe cei doi versani, de la izvor ctre vrsare. Se iau dou axe ordonata care reprezint lungimea rului principal (n km) i pe abscis suprafaa (n km2) pe cei doi versani. Scara de reprezentare este n funcie de mrimea bazinului i de posibilitatea cercettorului (studentului). Detalii de ntocmire se gsesc n caietul de lucrri practice. (Fig. 3.21).

Fig. 3.21. Graficul de cretere a suprafeei bazinului Dunrii cu lungimea cursului

Graficul circular al suprafeei bazinului - o alt posibilitate de reprezentare a bazinelor componente (subbazine) a spaiilor interbazinale pe cei doi versani, de astdat n cadrul unui cerc divizat n 360 sau 400. Pe cercuri concentrice se nscriu valorile n km2 a suprafeelor bazinelor sau a celor nedrenate (Fig. 3.22).

Coeficientul de acoperire a bazinului cu lacuri, mlatini, pduri etc. (Ka) rezult din relaia:

unde:

f - reprezint nsumarea suprafeelor componentului msurat;

F - suprafaa bazinului.

Graficul de repartizare a suprafeelor bazinului este o diagram care d posibilitatea analizrii desfurrii bazinului hidrografic pe trepte altitudinale. Datele rezultate din calculele pentru altitudinea medie a bazinului pot fi folosite pentru reprezentarea grafic pe altitudine a suprafeelor pariale.

Tot cu aceste date i pe acelai grafic de data aceasta cumulate de la nlimea cea mai mare spre cele mai mici, se ntocmete curba hipsografic (Fig. 3.23.).

Fig. 3.23. Curba hipsografic a bazinului

Densitatea reelei hidrografice (D) este o caracteristic important att cea circumscris n cadrul unui bazin hidrografic ct i n limitele unei regiuni geografice. Densitatea reelei hidrografice este n funcie de altitudine, de energia de relief, de constituia litologic, de clim, respectiv de cantitatea de precipitaii.

Densitatea reelei hidrografice reflect o stare a potenialului resurselor de ap, o evoluie n timp a arterelor de scurgere.

n calcularea acestui parametru se pot lua n considerare arterele cu scurgere permanent, semipermanent, temporar (torenial), lungimea arterei i suprafaa bazinului pn la care se poate merge cu calculul.

n situaia n care se iau n calcul toate arterele de la rigole i ogae pn la fluvii, densitatea se poate denumi densitate de drenaj i nu numai hidrografic.

Determinarea densitii se face conform relaiei:

(3.22.)

unde:

L- lungimea totala a arterelor de scurgere pe o anumita unitate de suprafaa sau pe bazin;

F- suprafaa fa de care se raporteaz lungimea (Fig. 3.24.)

Modul de calcul si metodele de reprezentare se gsesc n caietul de lucrri practice.

Fig. 3.24. Densitatea reelei hidrografice a bazinului Olt (km/kmp)

3.3. ELEMENTE DE HIDRAULIC I HIDROMETRIA RURILOR

3.3.1. Forele care acioneaz asupra apei n ruri

Deplasarea (micarea) apei n albia rului are loc sub aciunea forei gravitaiei, forei Coriolis i forei centrifuge.

Fora gravitaional este principal n deplasarea apei care se exprim (se deduce) conform fig. 3.25.

O pictur de ap (A) cu greutatea (G) pe un plan nclinat (P) sub un unghi () tinde s se deplaseze. Fora G (de deplasare) se descompune n dou componente: P1 (P1 = G cos ) perpendicular pe direcia planului nclinat i P2 (P2 = G sin ) paralel cu planul nclinat pe care se deplaseaz molecula (pictura de ap) (Fig. 3.25.).

Sintetiznd - micarea apei n ruri are o vitez uniform determinat de lucrul mecanic generat de fora gravitaiei asupra masei de ap care se deplaseaz dintr-un punct cu o cot superioar spre altul cu o cot inferioar.

Fora Coriolis (C) este acea abatere a masei de ap din albie sub influena micrii de rotaie a Pmntului.

n aceste condiii rurile care curg n emisfera nordic n sensul meridianului vor eroda mai mult pe malul drept i invers, pe malul stng n emisfera sudic (Fig. 3.26.).

Fig. 3.26. Sensul de aciune al forei Coriolis

Fora Coriolis (C) se determin potrivit relaiei:

C = 2Vu V sin

(3.23.)

unde:

Vu - este viteza unghiular;

V - viteza medie a apei (m/s)

- limea albiei.

Fora centrifug se manifest n sectoarele (malurile) concave ale meandrelor i se exprim prin relaia:

(3.24.)

unde:

m - este masa apei;

V - viteza;

R - raza de curbur a concavitii.

Consecin - oglinda (nivelul apei) se ridic n profil transversal sub un unghi cu un H spre malul concav i se determin prin relaia:

(3.25.)

unde:

R - este raza de curbur a rului;

G - acceleraia gravitaional;

B - limea rului.

Este evident c cele trei fore acioneaz concomitent ntr-un sector i la un moment dat fapt ce are ca rezultat o eroziune puternic n coturile rurilor dezvoltate pe stnga (Fig. 3.27).

Fig. 3.27. Eroziunea apei spre malul concav datorit forei centrifuge; R raza de curbur a concavitii rului; H nlimea apei la malul concav

Pe lng factorii menionai, eroziunea mai este influenat i de adncimea apei, variaia vitezei i dimensiunea razelor de curbur.

3.3.2. Micarea laminar i micarea turbulent

Deplasarea apei n albie sub influena direct a gravitaiei este modelat de frecarea apei cu albia (gradul de rugozitate). Dac fora de rezisten n albie este mai mic dect fora gravitaiei viteza de deplasare crete i invers.

Deplasarea (micarea) apei n albie se produce sub form laminar i turbulent.

Micarea laminar este deplasarea n direcii paralele a masei de ap, de regul n canale cu pante mici i un strat subire de ap. Viteza este mai mare la mijlocul volumului de ap ce se deplaseaz. Odat cu creterea vitezei, a debitului i rugozitii, micarea laminar se transform n micare turbulent.

Viteza de la care se trece din micarea laminar n turbulent i invers se numete vitez critic. Dup M.A. Velikanov viteza critic este de 0,33 cm/s la adncimea apei de 10 cm, de 0,033 cm/s la 100 cm, de 0,017 cm/s la 200 cm.

n micarea turbulent viteza n apropiere de fundul i malurile albiei are valori mici; vectorul vitezei are direcie variabil n diferite puncte i cu tendine de orientare pe direcia cursului de ap. Micarea apei - turbulent - nu depinde de vscozitatea ei iar rezistena albiei este egal cu ptratul vitezei curentului.

3.3.3. Curenii din apa rurilor

Datorit neuniformitii albiei n profil longitudinal i transversal, n deplasarea apei se nasc mai multe tipuri de cureni.

La suprafaa apei datorit vitezei mai mari se formeaz n spaiul central un curent superficial fapt ce atrage dup sine apa de la margini avnd aspect convergent; acest curent superficial determin n sectoarele rectilinii un curent circular convergent la suprafa i divergent spre fundul albiei i care pe spaii mai mari au aspect de cureni elicoidali (Fig. 3.28., 3.29.).

Fig. 3.28. Curent superficial

Fig. 3.29. Cureni elicoidali longitudinali

convergent

Curenii n albia major. n momentul depirii malurilor albiei minore, curenii de ap din albia major tind s aib o direcie longitudinal n sensul direciei vii, depind sinuozitile albiei minore. n aceast situaie avem de a face cu un curs de ap inferior n albia minor care urmrete sinuozitile i un curs superior, mai lat n albia major care are o direcie longitudinal, respectiv urmrete direcia general a vii (Fig. 3.30.).

Fig. 3.30. Curenii din albia major la viituri i ape mari

3.4. HIDROMETRIA RURILOR

3.4.1. Reeaua hidrometric

Ca parte integrant a Hidrologiei generale, hidrometria, n cazul de fa, hidrometria rurilor se ocup cu aparatele i instalaiile, inclusiv metodele i programele necesare msurrii parametrilor hidrologici.

De asemenea se poate asocia la hidrometrie i o parte din prelucrarea informaiilor obinute prin reeaua hidrometric, deoarece o alt parte revine calculelor hidrologice.

Programul de msurtori se refer la componenta timp, iar reeaua hidrometric la cea spaial. Amndou aspecte trebuie s rspund la cteva cerine:

-s cuprind i s ofere o imagine cuprinztoare i specific a condiiilor geografice privind reeaua hidrografic;

-s ofere iruri statistice suficiente de informaii pe baza crora s se elaboreze modele i prognoze hidrologice;

-s permit realizarea de sinteze hidrologice privind resursele de ap i ciclurile hidrologice.

Reeaua hidrometric, n Romnia include posturile hidrometrice la care se efectueaz msurtori asupra nivelurilor, debitelor, temperaturii i fenomenelor de iarn, chimismului, aluviunilor etc., i staiile hidrologice la care se face prelucrarea volumului de date rezultate de la posturile hidrometrice.

Reeaua hidrometric este de regul permanent, dar n anumite situaii cnd se construiete un obiectiv hidrotehnic (baraj cu lac de acumulare, pod important etc.) se realizeaz i o reea temporar pentru obinerea unor informaii hidrologice mai detaliate, punctuale.

Amplasarea staiilor (posturilor) hidrometrice se face pe baza unei analize (studii) n care s se cunoasc caracteristicile reelei hidrografice nct s se aleag seciunile reprezentative.

n acest sens trebuie s se aib n vedere:

-evitarea vecintii unor construcii hidrotehnice ca poduri, seciuni de ru modificate;

-albiile rurilor s fie stabile, rectilinii i cu scurgere permanent;

accesul la postul hidrotehnic s fie uor chiar cu mijloace auto, la acelea unde se fac i msurtori pentru determinarea debitelor lichide i solide.

Cerine n amplasarea posturilor hidrometrice:

-distana dintre dana staiei hidrometrice vecin s fie astfel nct debitul s difere cu cel puin 20%;

-la confluene, fiecare ru s aib o staie hidrometric iar pe cursul colector (principal) s fie la o distan de 20% din debitul de la confluen;

-posturile hidrometrice s fie uor identificate prin localitile cele mai apropiate sau alte repere.

n Romnia numrul posturilor hidrometrice a variat mult de la peste 1 000 n anii 1950-1960, cnd s-au nfiinat cele mai multe la cca. 700 n anii 1980-1990 i sub acest numr dup anul 2 000.

3.4.2. Nivelurile. Dispozitive de msurare

Aa cum s-a menionat reprezint primul parametru care se msoar el fiind necesar n determinarea ulterioar a seciunii i vitezei care servesc la calcularea debitului. De asemenea nivelul este important n cunoaterea regimului de scurgere n inundaii i amplasarea unor obiective economice i sociale.

Nivelul apei reprezint nlimea oglinzii de apei libere n raport cu un plan de referin stabilit.

Nivelul apei trebuie s fie orizontal n seciune pentru a fi luat n calcul. Nivelul apei poate fi influenat de vnt (n sensul de curgere sau invers).

Eroziunea sau aluvionarea albiei (seciunii muiate) influeneaz valoarea real a nivelului.

Rugozitatea albiei ndeosebi vegetaia influeneaz nivelul provocnd ridicarea acestuia prin reducerea vitezei.

Lucrrile hidrotehnice, poduri cu deschidere mic, digurile laterale, barajele toate influeneaz nivelul. Producerea zpoarelor (blocaje de ghea) provoac ridicarea nivelului. n toate cazurile menionate i altele care apar nivelurile sunt diferite pentru debitele echivalente.

Msurarea nivelurilor se face cu ajutorul mirelor hidrometrice. Acestea sunt rigle (plci) gradate care se instaleaz pe malurile rurilor pentru citirea nivelurilor.

Condiii de instalare a mirelor. Sectorul de ru s fie rectiliniu pe minim 100 de metri, s nu prezinte rupturi de pant, malurile s fie stabile, iar albia s fie stabil.

Mira hidrometric simpl, este constituit din plci metalice (aluminiu) cu lungimi de 50 cm sau 1 m gradate din 2 n 2 cm astfel nct un decimetru (10 cm) s formeze litera E (Fig. 3.31.a).

Amplasarea mirelor poate fi vertical sau nclinat (35, 45 sau 60). Mirele verticale-plcile se fixeaz pe piloni astfel nct s fie protejate de eroziuni, sloiuri, viituri. De regul, pentru cuprinderea ecartului (amplitudinii) acestea se fixeaz pe piloni n scar, primul pilon (plac) de jos s fie sub nivelul minim al apei i care are determinat 0' mir. De la acesta se fac citirile iar trecerea de la un pilon la altul se face prin cumularea valorilor. 0 mir este determinat altimetric prin msurtori topografice fa de o cot apropiat. Deci are valoare fa de nivelul mrii (cota absolut).

n afar de 0 mir exist i 0 grafic care este de regul, cu 0,5-1 m mai jos fa de primul reper, aceasta pentru a evita rmnerea lui 0 mir deasupra nivelului minim prin adncirea albiei. Toate nivelurile citite se raporteaz la 0 grafic. Exist i situaii cnd 0 mir este egal cu 0 grafic.

Mirele verticale pot fi instalate pe pod i mal. Mirele de pe pod se instaleaz pe pila acestuia sau pe culee astfel nct s cuprind variaia nivelului; mire pe piloi n scar; mire pe zidrie cnd pe mal exist un zid de piatr sau beton; mire nclinate care se folosesc n cazul unor variaii mari ale nivelurilor, de regul n cazul lacurilor de baraj antropic instalate pe malurile betonate sau pe stnci acolo unde se gsesc (Fig. 3.31.b).

Fig. 3.31.b Modaliti de amplasare a mirelor hidrometrice. A. Mir pe pilon izolat; B. Mir amplasat pe o construcie hidrotehnic; C. Mir hidrometric pe piloi n scar; D. Mir nclinat.

n situaia dezafectrii unei mire sau cnd se produc modificri majore ale albiei; reinstalarea acesteia se face prin calcularea diferenei (H) ntre 0 mir i 0 grafic pentru corectarea i corelarea cu nivelurile anterioare.

Pe mire de regul se marcheaz cu vopsea diferit urmtoarele niveluri caracteristice; cota de atenie (CA), cu albastru (avertizarea viiturii); cota de inundaie (CI) cu rou; cota de pericol (CP) cu galben (de regul cu 0,5 m mai mare dect CI).

La viituri mari cnd nivelul depete cota de pe placa cea mai ridicat se folosete mira portativ ce se fixeaz pe ultimul pilon.

Limnigraful este alctuit din urmtoarele piese: un flotor care este n balans cu o contragreutate legate printr-un cablu; un tambur pe care se nfoar banda de hrtie gradat, un sistem de ceasornic care mic tamburul, cabina n care este adpostit tot angrenajul (Fig. 3.31.c).

Fig. 3.31.c Seciunea construciei limnigrafului

Tamburul cu sistemul de ceasornic poate fi proiectat pentru 24 de ore sau o sptmn, perioad la care trebuie schimbat diagrama cu nregistrarea variaiei nivelului.

Dac observaiile de la nivel la mir se fac de regul de dou ori pe zi (orele 700 i 1700) cu excepia viiturilor, cnd se fac din or n or sau la 2, 3, sau 4, limnigrafele ofer curba de variaie a nivelului pentru orice moment din zi i din noapte (Fig. 3.31.d).

Fig. 3.31.d. Modaliti de amplasare a limnigrafelor.

Limnigraf cu pu (stg.); limnograf cu canal deschis (dr.)

Instalaii mai moderne - telelimnimetre i telelimnigrafe

Telelimnimetrul se compune din - organul de sesizare, traductorul valorilor msurate, organul de transmisie, canalul de legtur, organul de recepie, traductorul impulsurilor electrice, organul de citire, sursa de alimentare. n ar la noi s-a experimentat un prototip (S. Harabagiu) care transmitea prin radio sau fir, cifrele nscrise pe banda de nregistrare compuse din cm, dm, m i la orele fixate prin program. Precizia de citire era de 0,5 cm pentru o amplitudine de 10 cm, iar cea de transmitere de 1 s la aceeai amplitudine.

n practica hidrometric nivelul apei la un post hidrometric este rezultatul mediu pe o zi, pe o lun, pe sezon i pe an.

Existena valorilor de nivel zilnice prin corelare cu debitele msurate cu ajutorul cheii limnimetrice permite determinarea debitelor zilnice.

3.4.3. Hidrograful, niveluri caracteristice

Valorile zilnice ale nivelului transpuse grafic lund timpul (T) pe abscis i nlimea (H) pe ordonat rezult diagrama de variaie a nivelurilor pe un an calendaristic sau hidrologic. Aceast diagram este denumit n hidrologie hidrograf.

Evident c hidrograful poate fi construit i cu niveluri medii lunare sau medii anuale pentru perioade mai lungi de timp.

Din prelucrarea nivelurilor i a hidrografului se pot stabili nivelurile caracteristice i anume: nivelul maxim anual, nivelul minim anual, nivelul maxim al viiturii de toamn, nivelul de formare a podului de ghea, nivelul minim de iarn, nivelul dezgheului, nivelul provocat de zpor etc. (Fig. 3.32.).

Fig. 3.32. Hidrograful nivelurilor caracteristice

n afar de nivelurile caracteristice, din irul de observaii se mai calculeaz frecvena i durata nivelurilor.

3.4.4. Curba de frecven, curba de durat

Curba de frecven indic numrul de niveluri (adic numrul de zile) sau procentul de niveluri (zile) dintr-un an, ce corespunde anumitor trepte de niveluri (adic 20% din numrul de niveluri zilnice dintr-un an se gsesc n intervalul de nivel de 150 - 200).

Curba de durat arat numrul de zile exprimat n valoare absolut sau n % din numrul total din an n care valoarea nivelului este mai mare dect o anumit valoare dat. De exemplu, 20% din numrul nivelurilor dintr-un an au valoarea mai mare de 100 cm (Fig. 3.33., Tab. 3.3.)

Tabelul 3.3. Niveluri zilnice

Fig. 3.33. Curba cronologic

(hidrograf) A; curba de frecven

B; curba de durat - C a nivelurilor unui

post hidrometric

3.4.5. Hidrogradul

O noiune folosit mai puin n hidrologie. De regul este folosit n navigaia fluvial pentru indicarea nivelurilor i oportunitatea efecturii transportului n perioadele cu ape mici de var-toamn i pentru inundaii.

Hidrogradul reprezint a zecea parte din amplitudinea nivelurilor (ntre nivelul minim i maxim pe o perioad lung de timp). Calcularea valorii hidrogradului este valabil ntr-o seciune (post hidrometric). Valoarea hidrogradului variaz n profil longitudinal n funcie de amplitudinea nivelurilor la diferite posturi hidrometrice.

Relaia de determinare a hidrogradului este:

Hg = (Hmax - Hmin) / 10 = (600 - 60) / 10 = 54 cm (3.72.)

unde:

Hmax- este nivelul maxim;

Hmin - nivel minim

Din definirea hidrogradului rezult c vom avea 10 hidrograde n fiecare seciune (de la 1 Hg la 10 Hg) (Tab. 3.4.).

Tabelul 3.4. Valorile hidrogradelor

Hidrogradul12345678910

Valoarea n cm114168222275330384438492546600

Din calcularea hidrogradelor n mai multe puncte n lungul rului i corelarea nivelului fiecrui hidrograd cu cotele absolute de pe harta topografic se poate face interpolarea ntre puncte pe baza unor nomograme (abace) i trasarea acestora sub form de izolinii pe ambele pri ale rului ncepnd din albia minor i continund n albia major inundabil.

n acest fel dispunem de o hart a hidrogradelor care servete la navigaie n perimetrul albiei minore i la calcularea suprafeelor inundate la dferite hidrograde, n albia major.

Se nelege de la sine c hidrogradele 1 - 3 reprezint ape mici i medii i peste acestea, ape mari. Evident c hidrogradele 8 - 10 reprezint ape foarte mari i catastrofale.

La noi n ar s-au folosit mult hidrogradele pe Dunre. Mai mult, n harta Deltei Dunrii la scara 1: 50.000 elaborat de ing. Gh. Vidracu i publicat n 1911 hipsometria este dat n hidrograde.

3.4.6. Niveluri corespondente (corespunztoare)

Dup cum se tie n lungul unui ru sunt instalate mai multe mire hidrometrice pentru msurarea nivelurilor. Prin ntocmirea hidrografelor nivelurilor la aceste posturi i analizarea alurei acestora se remarc unele asemnri n ceea ce privete nivelul maxim, nivelul minim, forma diagramei n perioada de primvar cu ape mari i invers. Dac se aleg punctele caracteristice (H1, H2 ... Hn de pe un hidrograf i H`1, H`2 ... H`n de pe alt hidrograf sau de pe mai multe hidrografe) se pot construi graficele de corelaie ntre cele dou puncte.

Graficele de corelaie a nivelurilor corespondente sunt folosite pentru completarea unor date care lipsesc la unul din posturile hidrometrice, la verificarea unor valori care nu prezint ncredere i pentru prognoza transmiterii unor niveluri la ape mari.

3.5. VITEZA APEI N RURI

3.5.1. Configuraia vitezelor n seciune transversal

Viteza curentului de ap dintr-o albie de ru variaz n funcie de configuraia albiei n ansamblu, de detaliile profilului malurilor i fundului, de structura depozitelor (aluviunilor), de gradul de nierbare i acoperire cu arbori (la maluri).

Viteza curentului are un caracter pulsatoriu, dezordonat cu schimbarea intensitii i direciei n plan orizontal i vertical.

nregistrarea acestui tablou se poate face cu morica hidrometric sau cu cronograful.

Se precizeaz c acest caracter pulsatoriu al vitezei este pregnant la maluri, la fund i sub stratul de ghea (iarna).

Msurarea vitezei se face ntr-o seciune activ de ru n mai multe verticale, iar pe fiecare vertical n mai multe puncte de adncime conform unui standard stabilit n hidrometrie, respectiv la suprafa, la 0,2; 0,6; 0,8; din adncimea verticalei i la fundul albiei. Numrul verticalelor se stabilete n funcie de limea rului, de variaia curentului etc.

n funcie de adncimea rului se stabilesc astfel punctele de msurare: < 15 cm nu se msoar, ntre 15-20 cm la 0,6 din adncime, ntre 21-40 cm la suprafa i fund, ntre 41-80 cm la 0,2; 0,6; 0,8 din adncime, >80 cm la suprafa, 0,2; 0,6; 0,8 i la fund.

n cazul podului de ghea fa de situaia de mai sus se suplimenteaz msurtori la adncimile ntre 41-80 cm i > 80 cm cu cte o msurtoare i la 0,4 din adncime.

Msurarea vitezei ntr-un singur punct se numete vitez punctual care nu este concludent, fapt ce impune mai multe msurtori n acel punct obinndu-se o vitez punctual medie.

Reprezentarea grafic a vitezelor pe o vertical se numete hodograful vitezelor (Fig. 3.33. a).

Fig. 3.33. Distribuia vitezelor n seciunea de curgere

Viteza medie pe vertical se poate calcula prin urmtoarele metode: grafomecanic, grafoanalitic, analitic i integrativ.

Dispunnd de vitezele punctuale medii n mai multe verticale se poate ntocmi hodograful i epura vitezelor n seciunea de ru n care se face msurtoarea. Curbele care unesc punctele cu aceeai vitez se numesc izotahe (Fig. 3.33.b).

Configuraia izotahelor difer n funcie de morfologia albiei. n cazul podului de ghea izotahele se nchid (Fig. 3.33.c).

3.5.2. Msurarea si calcularea vitezei apei rurilor

Msurarea vitezei apei este important pentru: determinarea debitului de ap, direciei curenilor, pentru construcii hidrotehnice (deschideri i amplasri de poduri, baraje, diguri etc.), Pentru navigaie etc.

Viteza apei se determin cu: flotori sau plutitori, tahobatometre (tahimetre - batometre), tuburi piezometrice (hidrometrice), moriti hidrometrice.

Flotorii se folosesc n lipsa celorlalte instrumente. Sunt buci de material uor plutitor (flotori de suprafa, de adncime, prjini hidrometrice, flotori integratori).

Relaia de determinare cu flotori este:

V = L / T (m/s)

(3.26.)

unde:

L - este distana n m;

T - timpul n secunde.

Dac rul este lat, urmrirea flotorilor se face cu teodolitul. De regul pe o distan de Xm se aleg trei momente de trecere X1, X2, X3 i se face media timpului (Fig. 3.34.).

Tahobatometrele pliante i cu volum constant sunt folosite concomitent i pentru recoltarea aluviunilor n suspensie. Au volume bine determinate i se calculeaz timpul de umplere. Pe baza curbelor de tarare a batometrelor se determin viteza (Fig. 3.35., 3.36.).

Fig. 3.35. Tahobatometru pliant

Fig. 3.36. Tahometre cu volum constant

(balon de cauciuc) i curba de i curba de tarare ntre vitez (v) i timp (t)

tarare

Tubul hidrometric imaginat n secolul XVIII (1732) de francezul Pitot, este un tub de sticl ndoit de 90 cu o deschidere la ambele capete. Acesta se introduce n ap cu deschiderea contra curentului (Fig. 3.37.).

Datorit presiunii apei, nivelul n tub se ridic deasupra nivelului din ru cu att mai mult cu ct viteza apei este mai mare.

Viteza apei se poate calcula potrivit relaiei:

(3.27.)

unde:

H - este nlimea coloanei de ap din tub deasupra nivelului apei din ru

C - o constant de etalonare a tubului Pitot.

Acest procedeu are o valoare istoric.

Morica hidrometric este aparatul de baz pentru msurarea vitezei apei din ruri. Acest aparat se folosete la adncimi mai mari de 15 cm i la viteze de cel puin 3 - 5 cm/s. n ultima perioad prin realizarea unor moriti mici i cu sensibilitate mare se folosesc i sub limitele menionate. Prima moric hidrometric a fost realizat n 1790 de ctre un oarecare Woltman i a fost folosit la msurarea apei n canale.

Prile componente ale unei moriti sunt: rotorul reprezentat de o palet i un ax filetat, corpul n care se gsete camera de contacte i coada sau crma (Fig. 3.38.).

Fig. 3.38. Moric hidrometric. Elementele componente: 1 elice; 2 piuli rigidizare; 3 corpul moritii; 4 urub fixare ax-corp; 5 born de mas; 6 born electroizolat; 7 fant pentru citire tij; 8 urub fixare corp pe tij; 9 loca urub ampenaj; 10 urub fixare ampenaj n corp; 11 corpul ampenajului; 12 paletele ampenajului; 13 urub fixare paletele ampenajului; 14 vrtejul; 15 indicatorul de direcie; 16 carabinier; 17 urub fixare ampenaj pe corp; 18 cmaa exterioar a rotorului; 19 axul moritii; 20 piuli fixare rulmeni; 21 rulmeni; 22 distanierul exterior; 23 distanierul interior; 24 roti dinat cu 20 de dini; 25 roti de plastic cu tift; 26 acul de contact; 27 axul moritii detaliu.

Principiul de funcionare se bazeaz pe rotirea sub aciunea dinamic a apei a paletei (elicei) care printr-un ax cu filet (rotor) mic o roti dinat prevzut cu un tift; aceasta la o rotire complet (are 20 de dini) atinge o lamel care nchide un circuit electric alimentat de la o baterie i pune n funciune un semnal sonor sau optic. Coada moritii are rolul de a menine morica pe direcia curentului. Tija pe care este fixat morica i greutatea hidrodinamic pentru meninerea pe vertical.

Pentru msurarea vitezelor cu morica i calcularea lor se procedeaz astfel:

V - viteza curenilor este n funcie de n numrul de rotaii ale paletei n unitatea de timp, V = f (n) i se exprim printr-o constant K determinat n laborator (tararea moritii).

Cunoscnd valoarea lui K i viteza iniial a paletei (V0 - viteza de pornire sub 2-5 cm/s) cu ajutorul ecuaiei moritii se determin viteza conform relaiei:

V = V0 + K n

(3.28.)

unde: n se msoar.

Procedeul de msurare: se lanseaz morica fixat de tij la adncimea stabilit conform stasului i pe o anumit vertical; se las un timp ca s se uniformizeze, s intre n regimul vitezei; la primul semnal acustic sau optic se pune n funciune cronometru i se marcheaz secundele pn la urmtoarea semnalizare i se noteaz n continuare 5 - 6 intervale cu timpul corespunztor cumulat.

Pentru veridicitate i datorit pulsaiilor vitezei se ia timpul cumulat la primele trei intervale (T1 = 51') i urmtoarele trei intervale (T2 = 53') i dac se ndeplinete condiia 0,9 < T2/T1 < 1,1 adic T2 nu se abate fa de T1 cu mai mult de 10% - msurtoarea este bun.

Numrul de rotaii ale paletei pe secund (n) se determin cu ajutorul relaiei:

(3.29.)

unde:

M - este numrul de rotaii ale paletei pentru a produce un semnal;

i - numrul semnalelor nregistrate;

T - timpul n care s-au nregistrat semnalele (n secunde).

Calculul vitezei se face prin metodele: grafomecanic, grafoanalitic, analitic, integrrii vitezei pe vertical.

Metoda grafomecanic. Folosind hodograful vitezei pe vertical se planimetreaz suprafaa de 2 - 3 ori iar viteza medie (Vm) se calculeaz conform relaiei:

(3.30.)

unde:

Fv - este suprafaa graficului;

H - adncimea

(exemplu: pentru viteze 1 cm = 0,5 m/s i pentru adncime 1 cm = 0,2 m atunci 1 cm2 de pe grafic reprezint 0,1 m2/s). Un cm2 de pe grafic reprezint un anumit numr de diviziuni la planimetru.

Metoda grafoanalitic. Se mparte hodograful n fii orizontale de 4 mm nlime i determinarea grafic a vitezei la mijlocul fiilor se face conform relaiei:

(3.31.)

Cnd ultima fie (de la fund) are o nlime mai mic de 4 mm viteza medie se calculeaz conform relaiei:

(3.32.)

unde:

Vm - este viteza medie pe vertical (m/s);

Vi - viteza intervalului (m/s);

Hn - nlimea ultimei fii (mm);

hi - nlimea unei fii de 4 mm;

Vn - viteza mijlocului fiei de jos (m/s).

Metoda analitic - vitezele treptelor reprezint vitezele treptelor n punctele standard de msurare i viteza medie se calculeaz dup formulele:

1) msurarea vitezei n 5 puncte (h > 80 cm):

(3.33.)

2) msurarea vitezei n 3 puncte (h = 41 - 80 cm):

(3.34.)

3) msurarea vitezei n 2 puncte (h = 21 - 40 cm):

(3.35.)

4) msurarea vitezei ntr-un punct (h = 15 - 20 cm):

Vm=V0.6h

(3.36.)

n situaia existenei podului de ghea, viteza se calculeaz cu aceeai formul pentru 2-5 puncte. Cnd se msoar ntr-un singur punct Vm = KV, n care K este o constant experimental cu valorile: pentru V0,4h, K = 0,75; V0,5h, K = 0,85; V0,6h, K = 0,95.

Metoda integrrii vitezelor pe vertical - se ridic morica pe vertical cu o vitez constant (de la fund spre suprafa i invers) nregistrndu-se numrul impulsurilor (i) i timpul n care se produc (t). Cunoscnd cele dou elemente (n i t) se determin viteza medie prin relaia cunoscut.

3.6. DEBITUL LICHID AL RURILOR

Debitul de ap (Q) al unui ru (canal, conduct nchis) este cantitatea de ap care trece printr-o anumit seciune (w - m2) n unitatea de timp (V - m/s).

Deci debitul de ap (Q) se determin conform relaiei:

Q (m3/s) = w V

(3.37.)

Este evident c n cazul rurilor, seciunea se refer la albia activ prin care se scurge apa. Deplasarea apei n albia rului se face conform legii gravitaiei i nclinrii acesteia n profil longitudinal. Debitul de ap se exprim, de regul, n m3/s sau l/s.

Prin determinarea vitezelor n mai multe verticale i respectiv n mai multe puncte pe acestea (conform standardelor menionate anterior) i reprezentarea lor grafic se pot calcula debitele pariale i prin nsumare, debitul total.

n acest sens se procedeaz potrivit modelului debitului parial i total (Fig. 3.39).

Fig. 3.39. Modelele debitului total (a) i a debitului parial (b) ntr-o seciune de ru

Din figura 3.39 a. se defalc volumul delimitat de coordonatele A,B,C,D, respectiv epura vitezei pe verticale V2 i celelalte E,F,G,H, adic epura vitezei din verticala V3.

Dac se consider volumul, astfel delimitat ca un trunchi de piramid, evideniat n figura 3.39. b., se aplic relaia:

(3.38.)

Respectiv:

(3.39.)

unde:

q3 - este debitul parial;

Vm2 - viteza medie pe verticala 2;

Vm3 - viteza medie pe verticala 3;

b3 - distana dintre verticalele 2 i 3.

O alt variant pentru calcularea debitului parial este calcularea seciunii (w3) i a vitezei medii (V2,3) ntre verticalele respective.

Astfel:

(3.40.)

iar

(3.41.)

iar

(3.42.)

Debitul total se obine prin nsumarea debitelor pariale:

Q=q1+q2++qn-1+qn=qi (m3/s)

(3.43.)

3.6.1. Metode de determinare a debitului

Determinarea debitelor de ap constituie una dintre cele mai importante activiti n hidrometrie i n hidrologie, deoarece determinarea acestui parametru st la baza tuturor calculelor privind o construcie hidrotehnic.

Sunt mai multe metode de determinare a debitului de ap, unele dintre ele corespunznd celor analizate la determinarea vitezei.

Metoda seciune - vitez este cea mai utilizat i const n msurarea seciunii i vitezelor apei cu morica hidrometric sau cu flotori.

Metoda construciilor hidrometrice speciale i hidrotehnice existente. Amenajarea unor canale hidrometrice i deversor cu tararea acestora. Prin msurarea nivelurilor apei i utilizarea curbelor de tarare se determin debitul. Aceasta se practic pe ruri mici.

Deversorii sunt de mai multe tipuri: deversori cu prag, deversori cu perei subiri.

Deversori cu prag

a) Deversor cu prag inundat

(3.44.)unde:

- este coeficientul de vitez (din tabele)

P1 - adncimea apei n aval de deversor (n m);

P - nlimea feei din amonte a deversorului (n m);

b - limea deversorului (n m) i

b) Deversor cu prag neinundat

(3.45.)

(3.46.)

unde:

m - este coeficientul de debit (din tabele);

g - acceleraia gravitaional;

H - grosimea lamei de ap deversat

Deversori cu perei subiri

a) Deversori cu perei subiri dreptunghiulari

(3.47.)

unde:m0 - este coeficientul de debit care se calculeaz dup relaia:

(3.48.)

unde:

P - este nlimea pragului deversor fa de fund.

b) Deversori cu prag subire trapezoidal - pereii au nclinarea tg = 1/4. Sarcina maxim (H) trebuie s fie de cel puin 1/3 din lungimea pragului:

Q=1,86 b H3/2

(3.49.)

c) Deversori cu perei triunghiulari - sarcina minim H = 0,05 m i cea maxim H = 1 m:

Q=1,4 H5/2 sau Q=1,343 H2,47

(3.50.)

Sarcina H (nlimea apei) se determin cu o rigl sau mir. Exist tabele cu ajutorul crora n funcie de seciunea deversorului i sarcina H se determin Q n l/s sau m3/s.

Metoda diluiei (amestecului)

n cazul praielor mici, de munte, este greoaie folosirea celorlalte metode i atunci se practic metoda amestecului (chimic). Se lanseaz o soluie cu o concentraie mare de NaCl care se amestec n apa curentului. Mai jos de amestecul soluiei se colecteaz probe de ap la care se determin concentraia. Debitul se determin cu relaia:

(3.51.)

unde:

q - este debitul soluiei n l/s;

K1 - concentraia soluiei n g/l;

K0 - concentraia soluiei n curent n stare natural (g/l);

K2 - concentraia soluiei din proba colectat n aval (g/l);

Q - debitul curentului (l/s).

Dac nu se ia n considerare concentraia soluiei n stare natural (K0) valoarea debitului se determin astfel:

(3.52.)

Sunt necesare detalii asupra capacitii vasului i modalitatea de lansare.

Metoda volumetric se practic la izvoare sau obria praielor unde debitul este de ordinul ctorva l/s. Se dreneaz apa izvorului pe un jgheab i se colecteaz ntr-un vas cu volum cunoscut. Debitul se determin cu relaia:

(3.53.)

unde:W-este volumul vasului;

t - timpul n care se umple vasul.

Metoda hidraulic se practic n imposibilitatea folosirii altor metode directe - experimentale. n acest scop se folosesc formule hidraulice. Cea mai utilizat este formula Chzy:

(3.54.)

unde:

V - este viteza medie pe seciune;

C - un coeficient de vitez;

R - raza hidraulic;

I - panta longitudinal a suprafeei apei.

Debitul se va calcula dup formula:

Q = w V

(3.55.)

unde:

w - este suprafaa seciunii (m2);

V - viteza (m/s).

Pentru coeficientul C se folosete formula Bazin:

(3.56.)

unde: este rugozitatea, se determin astfel:

(3.57.)

De regul valorile coeficientului rugozitii se dau n tabele.

Metoda se folosete pentru extrapolarea cheilor limnimetrice cnd lipsesc msurtori directe (la ape mari i ape mici).

Determinarea debitelor cu ajutorul flotorilor

Cteva condiii care se impun acestui gen de determinri:

- s nu fie vnt care s influeneze deplasarea flotorilor;

- nivelul apei s fie stabil (nici n cretere nici n scdere);

- sectorul de ru s fie lipsit de vegetaie la maluri sau la fund;

- sectorul de ru s fie aproximativ rectiliniu pe o distan de 3-5 ori mai mare dect limea.

Procedeul de alegere a distanei de lansare este cel prezentat la vitez.

Determinarea debitului se face astfel:

* se calculeaz seciunea albiei (m2);

* se determin viteza de suprafa:

(3.58.)

unde:

L-este distana parcurs de flotori (m);

t-durata de deplasare a flotorilor (sec.);

* se calculeaz debitul fictiv pe baza lui Vsuperf.:

Qfictiv = w Vm (m/s) .

(3.59.)

* se calculeaz debitul real:

Q = K Qfictiv (m/s)

(3.60.)

unde:

k - este un coeficient de reducie i se apreciaz ntre 0,86 i 0,89 i el se calculeaz astfel:

- la ruri de es:

(3.61.)

- la ruri de munte:

(3.62.)

unde:C-este coeficientul de vitez determinat cu formula N. Pavlovski

(3.63.)

unde:

n - este coeficientul de rugozitate;

R - raza hidraulic;

y - factor exponenial ce poate fi scos din tabele sau calculat

(3.64.)

cnd R < 1,0 m

(3.65.)

cnd R > 1,0 m

(3.66.)

3.6.2. Calculul debitului

Dup cum s-a artat la determinarea vitezelor cu morica hidrometric prin mai multe metode - analitic, grafoanalitic, grafomecanic, prin aceleai metode se determin i debitul lichid.

Metoda analitic. Se determin debitele elementare (pariale) pentru fiecare spaiu dintre verticale i nsumarea acestora.

n acest sens:

- se calculeaz viteza medie pe fiecare vertical (V1, V2, ..., Vn);

- se calculeaz suprafeele pariale (w1,w 2, ...,w n) prin metoda figurilor geometrice;

- se calculeaz viteza medie pentru fiecare suprafa parial ca medie aritmetic dintre verticalele vecine. Pentru prima i ultima seciune viteza medie se calculeaz, se apreciaz c reprezint 2/3 din prima i, respectiv ultima vertical;

- se determin debitul parial ca produs dintre w i Vm;

- se nsumeaz debitele pariale utiliznd relaia:

(3.37.)

Metoda grafoanalitic presupune reprezentarea grafic a vitezelor pe seciune i o serie de calcule care ofer o mai mare precizie n determinarea debitului (Fig. 3.40.)

Astfel:

1) Se reprezint grafic o seciune pe baza sondajelor la verticalele respective.

2) Se ntocmete un tabel la partea inferioar a seciunii cu urmtoarele elemente:

* numrul verticalei de sondaj;

* numrul verticalei de vitez;

* distana de la reper (d) n m;

* adncimea pe vertical (h) n m;

* viteza medie (Vm) pe vertical n m/s;

* debitul elementar (qelem) n m2/s.

Fig. 3.40. Calcularea debitului lichid prin metoda grafoanalitic (dup I. Piota, 1983)

3) Se reprezint hodograful vitezelor pe fiecare vertical i se calculeaz conform determinrii vitezelor elementare.

4) Se reprezint grafic curba vitezelor.

5) Se determin debitul elementar n m2/s ca produs ntre Vm i h verticala:

qelem = Vm h (m2/s)

(3.68.)

6) Se reprezint la scara seciunii transversale i deasupra acesteia debitul elementar dup care se unesc punctele obinndu-se curba debitelor elementare.

7) Se determin suprafaa dintre curba debitului elementar i suprafaa apei mprindu-se n distane egale (de exemplu n 4 mm sau 5 mm).

S = ( a + b + c + ... + n) h

(3.69.)

unde: a,b,c,...,n - sunt verticalele care mpart suprafeele din 4 n 4 mm (sau 5 mm) i h este distana dintre ele, respectiv 4 mm (sau 5 mm).

8) Determinarea debitului obinut prin nmulirea suprafeei grafice cu scara de reprezentare a limii rului (B) i scara de reprezentare a debitului elementar:

(m3/s)(3.70.)

unde:

q1, q2, ..., qn

reprezint debitul elementar (m2/s);

b0, b1, ..., bn-reprezint distana dintre verticale (m).

Metoda grafomecanic este cea mai exact i se recomand a fi folosit. Aceasta const n reprezentarea grafic a profilului transversal cu verticalele i hodografele respective dup care se planimetreaz fiecare hodograf. Prin nmulirea vitezei medii pe vertical cu adncimea se obine debitul elementar (qelem.). Cu qelem se reprezint deasupra suprafeei apei (profilului transversal) curba acestuia.

Debitul total rezult din planimetrarea suprafeei dintre nivelul apei n profil transversal i curba de deasupra a debitului elementar. Dac din planimetrare rezult, de exemplu 50 cm2, cunoscnd c fiecare cm2 reprezint la scara folosit (1 cm lungime = 1 m i 1 cm debit elementar = 0,5 m2/s) n debit de 0,5 m3/s obinem 25 m3/s debit.

3.6.3. Prelucrarea datelor asupra debitului de ap

Scopul prelucrrii datelor asupra debitelor de ap este acela de a gsi soluia concret de determinare a debitului de ap n oricare moment a unei perioade, s se utilizeze aceste informaii pentru calcularea debitelor maxime i minime instantanee, debitele minime zilnice, lunare i anuale.

Metodele de calculare a debitelor instantanee depind de caracteristicile albiei rului i de mijloacele folosite.

De regul, la rurile mijlocii, mari i mici cu albie stabil i la care variaia nivelului apei cu 1 cm se produce la o variaie corespunztoare a debitului, determinarea acestuia se bazeaz pe legtura (corelaia) dintre nivel i debit, corelaie cunoscut sub denumirea de cheie limnimetric. n cazul n care variaia de 1 cm a nivelului apei este produs de o cretere mai mare a debitului (peste 20%) atunci pentru calculul debitului instantaneu se utilizeaz metoda interpolrii directe i deci numrul msurtorilor trebuie s fie mai mare pentru a cuprinde paleta evoluiei debitului. De regul, aceast metod se folosete pentru extremitile cheii limnimetrice.

n cazul existenei unei construcii hidrotehnice se folosete curba de tarare a acestora.

Cheia limnimetric este cea mai folosit n determinarea debitelor instantanee.

Este necesar s precizm urmtorul aspect: pe ruri sunt instalate mire hidrometrice care se constituie n staii (posturi hidrometrice).

La aceste posturi hidrometrice, primul parametru care e msoar este nivelul apei (de regul o dat pe zi, dar la viituri se fac citiri i din or n or), apoi se msoar temperatura apei, se preleveaz probe de ap pentru chimism, se msoar debitul de ap i de aluviuni.

Dac nivelul apei se citete i se consemneaz n fiecare zi, n ceea ce privete msurtoarea de debit, dat fiind complexitatea ei i numrul minim de 2 persoane pentru efectuare, acestea se fac de cteva ori pe an, astfel nct s se poat acoperi ecartul de variaie al nivelurilor dintr-un an (de la niveluri minime la cele maxime).

Deoarece n practic este necesar s se cunoasc debitele zilnice, lunare i anuale atunci se procedeaz la stabilirea cheii limnimetrice pentru postul hidrometric, respectiv stabilirea corelaiei dintre niveluri i debite.

Din cele de mai sus rezult c ntr-un an vom fi n posesia a 365 de valori ale nivelului i a 5-10 msurtori de debite.

Pentru cunoaterea stabilitii seciunii de msurare este necesar s se efectueze periodic msurtori de adncime deoarece la viituri, albia (seciunea) se modific prin eroziune sau aluvionare.

La orice msurtoare de debit se ntocmete un tabel cu data msurtorii, nivelul apei fa de 0 al mirei, suprafaa seciunii, limea albiei, adncimile medii i maxime, panta suprafeei apei (I ), viteza medie n seciune, viteza maxim, debitul de ap (Q n m3/s).

Pe baza datelor de niveluri i debite se ntocmete graficul de corelaie (cheia limnimetric) (Fig. 3.41.)

Fig. 3.41. Cheia limnometric Q , Vm= f (H)

De regul, cheile limnimetrice se extrapoleaz n cele dou extreme (minim i maxim) unde nu sunt fcute msurtori de debite dar sunt observaii de niveluri. Extrapolarea se face pe cca. 10 - 15% din ecartul nivelurilor.

Cheile limnimetrice se ntocmesc separat pentru perioada de var i de iarn (pod de ghea). Extrapolarea se face dup tendina curbei, pe baza curbelor w= f(H), Vm = f(H) i formulei Chzy.

Pentru calcularea debitelor medii zilnice pe baza cheii limnimetrice grafice se ntocmete cheia limnimetric tabelar (Tab. 3.2)

Tabelul 3.2. Cheia limnimetric Q= f (H) cm

Nivel (cm)0123456789

107,07,207,407,607,808,008,208,408,608,80

209,09,359,7010,0510,4010,7511,1011,4511,8012,15

3012,5012,9513,4013,8514,3014,7515,2015,6516,1016,55

4017,0017,5518,1018,6519,0019,7020,3020,8521,4021,85

5022,50

3.6.4. Debite caracteristice

Odat determinate debitele zilnice se ntocmete graficul anual de variaie a acestora care se numete hidrograful debitelor.

Analizndu-se hidrograful anual al debitelor se pot stabili cteva debite caracteristice.

Debilul maxim maximorum (Qmax.max.) este cel mai mare debit ce s-a nregistrat n perioada de observaii (msurtori) sau reconstituit (pn n prezent).

Debitul extraordinar (Qmax.ex.) este debitul cel mai mare nregistrat ntr-o perioad de 30 de ani consecutivi.

Debitul maxim anual (Qmax.an.) este cel mai mare debit din 365 de zile (dintr-un an).

Debitul maxim normal (Qmax,norm.) este debitul cu durata de 10 zile pe an (s-a meninut sau a depit 10 zile/an).

Debitul mediu anual (Qm) reprezint media aritmetic a debitelor zilnice dintr-un an.

Debitul normal (debitul modul) (Q0) este debitul care reprezint media debitelor medii pe o perioad ct mai mare de ani consecutivi.

Debitul mediu - formulare general - pe anumite perioade (decad, lun, anotimp).

Debitul de etiaj (Qe) - cel care are o durat de 355 zile (Qan - 10 zile).

Debit minim anual (Qmin.an.) - cel mai mic nregistrat n ntreaga perioad de observaii.

Aceste debite caracteristice se mai exprim i prin asigurarea la % astfel:

Qmax.an. (cu durata de o zi) este Q0,3%

Qmax.normal (cu durata de 10 zile) este Q3%

Qetiaj (cu durata de 355 zile) este Q97%

Qmin.an. (cu durata de 365 zile) este Q99,7%Raportul dintre Qmax i Qmin (Qmax/Qmin) exprim uniformitatea scurgerii sau torenialitatea unui ru.

Astfel, Oltul la Rmnicu Vlcea are 1/157, Someul la Satu Mare 1/328, Mureul la Arad 1/182, Siretul la Lungci 1/199, Brlad la Brlad 1/7600, Jijia la Todireni 1/19700, Dunrea la Ceatalul Chiliei 1/11.

3.6.4. Regularizarea debitelor

Deoarece n condiiile climatului temperat-continental din ara noastr exist o variaie mare n cursul anului a valorii debitului scurs pe ruri, pentru rezolvarea unor necesiti economice se impune regularizarea debitelor. Debitele extreme au n egal msur consecine negative asupra modului de folosin sau asupra ecosistemelor fluviatile (reofile). n acest sens se impun msuri de reinere n lacuri de acumulare a unor volume de ap care s fie restituite treptat n timpul anului. Acest procedeu poate fi considerat ca o compensare a resurselor de ap.

Regularizarea debitelor poate fi fcut la nivelul unei zile, la nivelul sezoanelor i la nivel multianual n funcie de regimul de scurgere al rului.

n hidroenergie se reine o parte din ap n lacul de acumulare n timpul nopii i se restituie ziua n perioada de vrf. Alte situaii: la irigaii, la plutrit, la transporturi.

3.7. REGIMUL HIDROLOGIC AL RURILOR

Regimul hidrologic al unui ru sau al unui sistem de ruri, care se grupeaz teritorial dup anumite legiti n care trebuie s lum n considerare evoluia paleogeografic, condiiile climatice i intervenia omului n decursul timpului, reprezint forma de manifestare n timp i spaiu a rului (rurilor) reflectat prin procesul de scurgere a apei n albia respectiv.

Analiza regimului hidrologic al rurilor prezint o importan deosebit pentru cunoaterea tuturor aspectelor hidrologice i respectiv a resurselor de ap de care dispunem pe un anumit teritoriu (bazin hidrografic, unitate geografic, ar, continent sau chiar planeta Terra).

Se poate extrapola termenul (noiunea) de regim hidrologic al unui ru dincolo de scurgerea apei propriu-zis, incluznd aspecte de turbiditate (aluviuni n suspensie), compoziia chimic a apei (tipuri hidrochimice i grad de mineralizare), temperatura apei (inclusiv fenomenele de nghe acolo unde zona geografic determin acest aspect). ntr-un cuvnt se poate spune c prin regimul hidrologic al unui ru nelegem, n sensul celor menionate, ansamblul de procese hidrologice - sub aspect fizic i chimic - adic manifestarea abiotic.

Pentru nelegerea acestui ansamblu de manifestri n sistemul hidrografic analizat, se impune tratarea compartimental a acestora care n final se sintetizeaz prin regionarea hidrologic a teritoriului. n regionarea hidrologic a unui teritoriu se mai pot lua n considerare i gradul de intervenie direct i indirect a omului cu consecine pozitive i negative.

3.7.1. Factorii care determina scurgerea apei rurilor

Scurgerea apei ntr-un bazin hidrografic sau ntr-o anumit parte, component a acestuia este deosebit de complex fiind rezultatul unor factori ca: structura geologic, configuraia reliefului, clima (precipitaii, temperatura, vnt etc.), solurile, vegetaia i activitatea antropic prin agricultur, silvicultur, construcii hidrotehnice etc.

Noiunile de ponderare i regularitate care sunt noiuni bine definite se impun a fi precizate.

Ponderarea const ntr-un ecart mic ntre apele mari i apele mici, fie la valori medii lunare, fie la valori extreme (etiaj, viituri).

Regularitatea este revenirea periodic, ciclic, cu aceleai forme de manifestare, fr mari diferene de la o secven la alta. Astfel, rurile de tip glaciar sunt regulate dar nu ponderate, rurile mediteraneene pluviale sunt de asemenea regulate dar nu ponderate.

FACTORII CLIMATICI

Acetia sunt determinani n procesul scurgerii apei prin precipitaii i evaporaie care prin combinare determin nivelul scurgerii lichide. Raportul dintre precipitaii, evaporaie i scurgere d configuraia bilanului hidrologic al rului.

n analizele hidrologice se manifest uneori tendina de a neglija evaporaia, care de fapt este, n anumite cazuri, capital. Astfel, variaia sezonier a scurgerii apei poate fi inversat prin raportul dintre precipitaii i evaporaie. Rul Sena la Paris prezint un maxim n sezonul rece chiar dac cea mai mare parte a bazinului su din amonte este bine udat (plouat) n sezonul cald, de var.

Pe de alt parte, temperatura sczut poate stoca apa n stare solid (zpad) pentru o perioad mai mult sau mai puin lung i s-o restituie odat