Universitatea de tiine Agricole i Medicin Veterinar

"Ion Ionescu de la Brad" din Iai

Facultatea de Agricultur

nvmnt deschis la distan

P. SAVU D. BUCUR

mbuntiri funciare Manual de studiu

vol. I

22

CUPRINSUL

I. Amenajarea teritoriului agricol cu lucrri de mbuntiri funciare.. 4

1.1 Importana i necesitatea amenajrii cu lucrri de mbuntiri funciare a teritoriului agricol al Romniei. 4

1.2 Particularitile lucrrilor de mbuntiri funciare n raport cu lucrrile agricole obinuite.. 5 1.3 Scurt istoric al lucrrilor de mbuntiri funciare.. 5

1.4 Evoluia i situaia actual a amenajrii terenului agricol al Romniei cu lucrri de mbuntiri funciare.. 7

II. Noiuni de hidraulic 9 2.1 Definiii. Proprieti ale lichidelor.. 9 2.2 Noiuni de hidrostatic. 10 2.2.1 Legea fundamental a hidrostaticii.. 11 2.2.2 Presiunea lichidelor pe suprafee plane 14 2.3 Noiuni de hidrodinamic 17 2.3.1 Clasificarea micrii lichidelor... 17 2.3.2 Ecuaiile fundamentale ale hidrodinamicii..... 19 2.4 Aplicaii ale hidraulicii n lucrrile de mbuntiri funciare.. 22 2.4.1 Determinarea debitelor pe canale i cursuri naturale de ap.. 22 2.4.2 Determinarea debitului n conductele sub presiune (forate)..... 24 2.4.3 Dimensionarea canalelor i a conductelor sub presiune.... 30

III. Noiuni de hidrologie 41 3.1 Noiuni de hidrologie. Definiii 41 3.2 Circuitul apei n natur. 41 3.2.1 Precipitaiile atmosferice.... 42 3.2.2 Infiltraia.. 44 3.2.3 Evapotranspiraia... 45 3.2.4 Scurgerea.... 47 3.2.5 Elemente de hidraulica i hidrologia rurilor..... 51 3.3 Noiuni de hidrografie.. 53 3.4 Noiuni de hidrogeologie. 55 3.4.1 Distribuia pe vertical a apei subterane. 56 3.4.2 Regimul apei freatice...... 57 3.4.3 Circulaia apei subterane.... 58 3.5 Noiuni de hidrometrie. 59 3.5.1 Hidrometria rurilor (canalelor)..... 59 3.5.2 Hidrometria apei subterane.... 61

IV. Amenajarea terenurilor agricole cu umiditatea deficitar.. 65 4.1 Sistemul de irigaii 65 4.1.1 Componentele sistemului de irigaii. 66 4.1.2 Clasificarea sistemelor de irigaii... 67 4.1.3 Studii i cercetri necesare amenajrilor pentru irigaii..... 67 4.2 Surse de ap i calitatea apei de irigaii.. 70 4.2.1 Surse de ap pentru irigaii. 70 4.2.2 Calitatea apei pentru irigaii... 71 4.3 Prize de ap pentru irigaii 79 4.3.1 Prizele de ap gravitaionale... 80 4.3.2 Prizele cu ridicare mecanic ( prizele cu pompare) a apei.. 81 4.4 Metode de udare.. 90 4.4.1 Udarea prin scurgere la suprafa... 90 4.4.2 Udarea prin submersiune.... 91 4.4.3 Udarea prin aspersiune... 91 4.4.4 Udarea localizat.... 91 4.4.5 Criterii pentru alegerea metodei de udare... 92 4.5 Tipul de amenajare cu canale de pmnt.... 94 4.5.1 Caracteristicile generale ale reelei permanente de canale..... 94 4.5.2 Trasarea i dimensionarea reelei de canale... 96 4.5.3 Calculul cotelor de comand ale canalelor de irigaii din pmnt..... 98 4.5.4 Construcii hidrotehnice pe reeaua de canale... 99

4.5.5 Amenajarea sectorului de irigaii pentru udarea prin scurgere la suprafa... 101

23

4.5.6 Particularitile tipului de amenajare cu canale de pmnt pentru udarea prin aspersiune cu agregate de pompare mobile..... 105

4.5.7 Particularitile tipului de amenajare cu canale de pmnt pentru udarea prin submersiune. 105 4.5.8 Reeaua de colectare-evacuare i de drumuri n sistemele de irigaii.... 107 4.6 Tipul de amenajare cu conducte ngropate.. 108 4.6.1 Scheme de principiu ale amenajrilor cu conducte ngropate... 110

4.6.2 Scheme de amenajare cu conducte ngropate, n funcie de poziia sursei de ap i orografia terenului..... 111 4.6.3 Conducte folosite n amenajrile pentru irigaii.... 113 4.6.4 Instalaii i accesorii pe reeaua de conducte ngropate. 115 4.6.5 Executarea reelei de conducte ngropate... 117 4.7 Exploatarea hidrotehnic i ntreinerea sistemelor de irigaii. 121 4.7.1 Planificarea i distribuia apei n sistemele de irigaii.... 122 4.7.2 Prevenirea i combaterea pierderilor de ap n sistemele de irigaii.. 125 4.7.3 ntreinerea sistemelor de irigaie... 130 Referate... 134 Sintez bibliografic. 135

24

I. AMENAJAREA TERITORIULUI AGRICOL CU LUCRRI DE MBUNTIRI FUNCIARE

1.1 Importana i necesitatea amenajrii cu lucrri de mbuntiri funciare a teritoriului agricol al Romniei

1.2 Particularitile lucrrilor de mbuntiri funciare n raport cu lucrrile agricole obinuite

1.3 Scurt istoric al lucrrilor de mbuntiri funciare

1.4 Evoluia i situaia actual a amenajrii terenului agricol al Romniei cu lucrri de mbuntiri funciare

Prin amenajri de mbuntiri funciare se nelege ansamblul de lucrri

tehnice (ndeosebi hidrotehnice) i biologice, cu efect de lung durat, prin

care se pun n valoare suprafeele cu soluri neproductive sau se ridic

productivitatea unor terenuri cu soluri slab productive.

1.1 Importana i necesitatea amenajrii cu lucrri de mbuntiri funciare a teritoriului agricol al Romniei

Din suprafaa total a Romniei de 23,839 mil ha, terenul agricol reprezint

aproape 15 mil ha ( 62 %). Diversitatea condiiilor fizico-geografice i variabilitatea n timp a elementelor climatice, hidrologice i hidrogeologice

favorizeaz periodic, pe aproximativ 70 % din suprafaa agricol, diminuarea

sau compromiterea recoltelor agricole, prin aciunea separat sau combinat a

deficitului de umiditate, a excesului de ap, a eroziunii solului i a altor procese.

nlturarea efectelor negative ale secetei, excesului de umiditate i eroziunii

solului se realizeaz prin amenajarea terenurilor agricole afectate, cu lucrri de

mbuntiri funciare (irigaii, desecri, drenaje, ndiguiri, combaterea eroziunii

solului, regularizarea cursurilor de ap etc). Lucrrile de mbuntiri funciare

contribuie - mpreun cu msurile i lucrrile agrofitotehnice aplicate raional -

la exploatarea durabil a terenurilor agricole, asigurarea hranei populaiei i

protecia mediului natural prin: creterea i stabilizarea produciei agricole n

zonele secetoase cu ajutorul irigaiilor, sporirea surselor de ap pentru

populaia rural, piscicultur i alte folosine, aprarea suprafeelor agricole i

a localitilor de inundaii, eliminarea excesului de ap de pe terenurile

depresionare, reducerea eroziunii solului de pe terenurile nclinate i a

25

torenialitii pe reeaua hidrografic, ameliorarea i nfrumusearea peisajului

geografic local.

O bun parte din terenurile agricole afectate de factori limitativi au nevoie de

dou sau mai multe tipuri de lucrri ameliorative. De exemplu, luncile rurilor

reclam, pentru a putea fi folosite la valoarea potenial, lucrri de aprare

mpotriva inundaiilor, de desecare-drenaj, de irigare i uneori i de desalinizare

i/sau de corectare a reaciei solului.

1.2 Particularitile lucrrilor de mbuntiri funciare n raport cu lucrrile agricole obinuite

Comparativ cu lucrrile agricole curente, amenajrile de mbuntiri funciare

prezint unele particulariti:

9 se realizeaz, de regul, pe uniti naturale (bazin hidrografic, versant, lunc etc) cuprinznd, n majoritatea cazurilor, mai multe exploataii agricole;

9 se execut pentru o durat de funcionare de mai muli ani, fapt pentru care trebuie s satisfac o gam larg de variaie a parametrilor factorilor naturali i a

exigenelor comunitilor umane;

9 implic investiii specifice mari care se amortizeaz n 5 - 10 ani, din sporurile de recolt pe unitatea de suprafa amenajat;

9 au caracter complex, ntruct sunt dependente de o mulime de factori naturali i de factorul antropic, din care cauz specialitii care proiecteaz,

execut i ntrein astfel de lucrri trebuie s cunoasc bine relaiile sol - ap -

plant - clim, stpnind noiunile de hidraulic, hidrologie, hidrografie,

hidrogeologie i hidrometrie precum i pe cele de topografie, pedologie,

agrometeorologie, agrotehnic, fitotehnie, mecanizare etc;

9 prezint o evoluie rapid a concepiei de amenajare, n concordan cu progresul tehnico-tiinific i dezvoltarea economic social.

1.3 Scurt istoric al lucrrilor de mbuntiri funciare

Lucrrile de mbuntiri funciare sunt tot aa de vechi ca i agricultura.

Dezvoltarea comunitilor umane i a agriculturii n luncile unor fluvii (Nil,

Tigru, Eufrat, Gange etc) expuse att inundaiilor ct i secetei, a determinat

necesitatea unor lucrri, fie de aprare mpotriva apelor mari, fie de irigaii pentru

completarea umiditii solului la nivelul cerinelor de ap ale plantelor cultivate.

n China i Mesopotamia se foloseau irigaiile cu aproximativ 5000 de ani .C.

i puin mai trziu, n India, Egipt i Asia Central.

26

Dac nflorirea civilizaiilor antice (egiptean, babilonian, indian, inca,

aztec, cartaginez etc) a fost condiionat de dezvoltarea irigaiilor, declinul i

dispariia acestora s-au datorat, n mare msur, degradrii terenurilor irigate prin

salinizare i nmltinare secundare - consecin a cunotinelor insuficiente privind

interrelaiile sol - ap - plant - clim.

Apariia i dezvoltarea lucrrilor de mbuntiri funciare n Europa a fost

marcat de ndiguiri i desecri, executate, ncepnd din secolul al XIII lea, n

Olanda i Delta Rinului.

Dup declinul lucrrilor hidroameliorative n epoca feudal, la nceputul

secolului al XVIII lea n Italia se ndiguiesc Padul i Adigele, se pun bazele

ndiguirilor de la Dunre i Tisa i se elimin excesul de umiditate de pe cteva

sute de mii de hectare.

Un ritm rapid s-a nregistrat n creterea suprafeelor amenajate pentru irigaii

care, de la 8 mil ha, existente la sfritul secolului al XVIII lea, au ajuns peste un

secol, la 40 mil ha iar n 1978, depeau 265 mil ha.

Lucrrile pentru prevenirea i combaterea eroziunii solului au constituit o

preocupare susinut n toate rile Europei cu agricultura avansat.

n Romnia primele amenajri de mbuntiri funciare au aprut ca lucrri

derivate din activitile cu caracter strategic, de consolidare statal i de afirmare

pe plan comercial a formaiunilor geto-dacice i daco-romane.

Secolele XVII - XVIII au marcat extinderea i diversificarea lucrrilor de

mbuntiri funciare n toate inuturile romneti.

n secolul XIX s-au executat, mai ales, lucrri de regularizare a albiilor unor

ruri i de eliminare a excesului de ap (ndiguirea Mureului, Timiului,

Brzavei, regularizarea Criurilor, ndiguirea i desecarea Cmpiei Crianei,

primele ndiguiri n Lunca i Delta Dunrii etc).

Spre sfritul secolului XIX i nceputul secolului XX, o pleiad de oameni de

tiin i ingineri ilutri s-au evideniat n activitatea pentru extinderea

amenajrilor de mbuntiri funciare n Romnia: Ion Ionescu de la Brad (1819 -

1891), P. S. Aurelian (1833 - 1909), Anghel Saligny (1854 - 1925), Alexandru

Davidescu (1858 - 1937), Gheorghe Ionescu ieti (1885 - 1967), Cezar Nicolau

(1925 - 1981), Constantin Haret (1919 - 1997) . a. Preocuprile acestor emineni

savani sunt continuate, diversificate i dezvoltate de specialiti de marc, nc n

activitate, din nvmntul superior, cercetarea tiinific i unitile de

proiectare, execuie i exploatare a lucrrilor de mbuntiri funciare.

27

1.4 Evoluia i situaia actual a amenajrii terenului agricol al Romniei cu lucrri de mbuntiri funciare

Cea mai mare parte a patrimoniului amenajrilor de mbuntiri funciare

existent astzi n Romnia s-a realizat practic, n a doua jumtate a secolului XX,

n special n perioada 1965 - 1989 (tab. 1.2).

Tabelul 1.2 Dinamica suprafeelor amenajate n Romnia cu lucrri de mbuntiri funciare

(dup datele M. A. A. P.)

Suprafeele amenajate (mii ha) cu lucrri de: Anul

ndiguiri Desecri Irigaii Combaterea eroziunii solului1944 622,0 358,0 18,0 - 1950 642,0 368,1 42,5 2,0 1955 668,8 404,4 93,1 9,4 1960 827,1 505,7 199,6 100,0 1965 856,7 587,0 229,9 197,5 1970 1331,9 1111,4 731,3 435,3 1975 1455,2 1965,5 1474,2 983,1 1980 1545,0 2462,5 2301,0 1609,7 1985 - 2948,8 2965,3 2095,5 1990 - 3168,7 3168,7 2222,3 1991 - 3194,1 3125,8 2282,4 1992 - 3182,1 3197,2 2264,4 1993 - 3188,5 3202,3 2253,4 1994 - 3191,7 3202,8 2267,9 1995 - 3196,2 3205,2 2267,8 1996 - 3199,5 3211,1 2279,1 1997 - 3198,8 3190,6 2276,2 1998 - 3198,8 3184,0 2276,5 1999 - 3201,5 3179,8 2276,9

Amenajrile realizate, care au avut ca principal surs de finanare bugetul

statului, sunt lucrri de complexitate tehnic deosebit (prize de ap, staii de

pompare, construcii hidrotehnice etc) i sunt corelate cu lucrrile de gospodrire

a apelor, de organizare a teritoriului, ci de comunicaie . a.

Majoritatea amenajrilor pentru irigaii au fost proiectate pentru udarea prin

aspersiune i sunt realizate n sisteme pe suprafee mari, de mai multe zeci de mii

de hectare i chiar sute de mii de hectare.

Lucrrile pentru prevenirea i combaterea inundaiilor i a excesului de

umiditate cuprind Lunca Dunrii (aproape 480.000 ha) i luncile rurilor interioare

(Jiu, Olt, Arge, Ialomia, Siret, Prut, Mure . a.) Ele sunt asociate, dup caz, i cu

alte lucrri de mbuntiri funciare.

n Lunca Dunrii au fost ndiguite aproape 480.000 ha.

28

Amenajrile pentru combaterea eroziunii solului, realizate n Romnia,

includ lucrri pentru prevenirea i combaterea eroziunii de suprafa (sisteme

antierozionale de cultivare i unele lucrri speciale), de combatere a eroziuni n

adncime, de terasare a plantaiilor viti-pomicole i de corectare a unor torente.

Dup anul 1989 ritmul de amenajare a teritoriului cu lucrri de mbuntiri

funciare a sczut mult iar unele lucrri existente au fost puin folosite ori s-au

deteriorat, ca urmare a modificrilor social-politice survenite. De exemplu, n

perioada 1990 - 1998, gradul de folosire a amenajrilor de irigaie (tab. 1.2) i

suprafaa efectiv irigat anual au fost extrem de reduse datorit condiiilor

climatice, fondurilor alocate, interesului proprietarilor de terenuri, modului de

amenajare al acestora i costului serviciilor prestate. Tabelul 1.2

Evoluia suprafeelor cu terenuri agricole irigate, n perioada 1990 - 1998 n Romnia (dup Buhociu L. i Creang L.)

Anul Suprafaa total amenajat (mil ha) din care, cu lucrri n funciune (%)

din care, irigat (%)

1990 3,17 92 70 1992 3,20 83 17 1994 3,20 78 27 1996 3,21 70 20 1998 3,18 71 8

Vechimea amenajrilor de mbuntiri funciare din Romnia i, n special, a

celor pentru irigaii precum i modificrile n structura de proprietate, produse

dup anul 1990, reclam elaborarea unui program de reabilitare a amenajrilor, de

eficientizare a activitilor i de adaptare a organizrii instituionale din domeniul

mbuntirilor funciare la noile condiii.

ntrebri recapitulative Definii noiunea de mbuntiri funciare. Explicai necesitatea amenajrii cu lucrri de mbuntiri funciare a teritoriului agricol n Romnia.

Care sunt particularitile lucrrilor de mbuntiri funciare, n raport cu lucrrile agricole obinuite?

Precizai etapele evoluiei conceptelor i realizrilor lucrrilor de mbuntiri funciare pe teritoriul Romniei.

Comentai evoluia suprafeelor cu terenuri agricole irigate n Romnia n perioada dup 1990.

29

II. NOIUNI DE HIDRAULIC

2.1 Definiii. Proprieti ale lichidelor

2.2 Noiuni de hidrostatic

2.3 Noiuni de hidrodinamic

2.4 Aplicaii ale hidraulicii n lucrrile de mbuntiri funciare

Amenajrile de mbuntiri funciare sunt lucrri de reglare a regimului apei

la suprafaa terenului i n profilul solului, n concordan cu cerinele social-

economice i de cretere i dezvoltare ale plantelor agricole i silvice.

La proiectare, execuia, exploatarea i ntreinerea acestor lucrri se face uz de

o serie de principii care guverneaz hidraulica.

2.1 Definiii

Hidraulica este tiina care studiaz legile echilibrului i micrii lichidelor

i ale solidelor cufundate parial sau total ntr-un lichid. Are aplicabilitate n cele

mai diverse domenii: mbuntiri funciare (irigaii, desecri, regularizri de

albii i debite, combaterea eroziunii solului etc), construcii hidroenergetice,

alimentri cu ap . a.

Hidraulica are dou pri principale: hidrostatica al crei obiect cuprinde

studiul echilibrului lichidelor i solidelor cufundate parial sau total ntr-un

lichid i hidrodinamica al crei obiect de studiu este micarea lichidelor i a

solidelor cufundate parial sau total ntr-un lichid, considernd forele care

acioneaz asupra lor.

Lichidele sunt corpuri fr form proprie caracteristic, lund forma vaselor

care le conin. Dac presiunea i temperatura rmn constante, lichidele nu-i

schimb volumul cnd sunt trecute dintr-un vas ntr-altul. Mobilitatea mare a

particulelor de lichid face ca deformaiile lente ale volumului s se produc cu

eforturi mici, dac deformaiile nu duc la micorarea volumului. Lichidele au o

mare incompresibilitate, exprimat prin rezistena apreciabil la eforturile care

tind s le micoreze volumul.

PriHighlight

30

Caracterul de mobilitate al particulelor unui corp definete proprietatea,

numit n hidraulic, fluiditate. Datorit acestei proprieti, lichidele - ca i

gazele - au cptat denumirea comun de fluide.

Rezumnd, se poate spune c prin lichid - cum este desigur apa - se nelege

un fluid, practic incompresibil, care sub influena gravitaiei ia forma

recipientului n care este coninut.

Hidraulica fiind o tiin cu pronunat caracter aplicativ, studiaz legile

echilibrului i micrii lichidelor reale, aa cum sunt n natur. n cele mai multe

cazuri ns, studiul fenomenelor hidraulice se simplific mult dac, n prim

aproximaie, se accept noiunea de lichid ideal (perfect).

Lichidul ideal este un fluid fictiv, absolut incompresibil i lipsit de

vscozitate, pe cnd lichidul real (natural) are o oarecare vscozitate i este puin

compresibil.

2.2 Noiuni de hidrostatic

n hidrostatic se face abstracie de viscozitate deoarece ntre particulele

lichidelor n echilibru nu exist viteze relative.

n mod convenional, forele considerate n hidrostatic pot fi grupate n:

fore exterioare i fore interioare lichidului. Forele exterioare cuprind: fore

superficiale (exercitate de aciunea mediului nconjurtor pe suprafaa de

separaie a masei de lichid) i fore masice (generate de gravitaie, singur sau

mpreun cu alte fore cum sunt fora de inerie, fora centrifug, fora

centripet etc).

Forele superficiale sunt proporionale cu suprafeele pe care se exercit iar

forele masice cu masele asupra crora acioneaz.

Fora interioar care acioneaz asupra unei particule din masa de lichid se

numete presiune hidrostatic.

Considernd un volum de lichid n echilibru n

interiorul cruia exist o suprafa plan ( A), finit,

orientat oricum i conturat n jurul punctului (M ), i

admind c fora (P) - normal pe suprafaa ( A) n

punctul (M ) - este rezultanta tuturor forelor de

presiune care acioneaz asupra suprafeei considerate

(fig. 2.1), atunci raportul medpA/P = definete presiunea hidrostatic medie pe suprafaa ( A).

Fig. 2.1 Schem pentru

definirea presiunii hidrostatice ntr-un punct

din masa de lichid

PriHighlight

PriHighlight

31

Dac suprafaa ( A) se micoreaz n jurul punctului (M ) - tinznd spre 0 -

atunci valoarea presiunii medii tinde spre o limit ce caracterizeaz presiunea

hidrostatic n punctul M i ntr-o direcie dat.

= AP

PA

M0

lim (2.1)

Presiunea hidrostatic este perpendicular pe elementul de suprafa pe care

se exercit. Dac nu ar fi aa, atunci fora rezultant ar genera dou componente,

una normal i alta tangenial care - orict ar fi de mic - ar pune n micare

particulele de lichid. Dar micarea particulelor de lichid contrazice ipoteza de

lichid n echilibru. Prin urmare presiunea hidrostatic este un efort unitar de

compresiune, normal pe suprafaa pe care se exercit, oricare ar fi orientarea

acestei suprafee. Presiunea hidrostatic are dimensiunea:

212

2

2TLM

L

TLM

L

FP

=== i se msoar n

2m

N * (2.2)

Presiunea hidrostatic se exprim i prin alte uniti de msur tolerate, cum

sunt: kgf/cm2, atmosfera fizic (atm), atmosfera tehnic (at), metri coloan de ap

(mCA), Pascali (Pa).

1 atm 033,1= kgf/cm2 33,10= mCA (la + 4C) 100= kPa (2.3) 1 at 1= kgf/cm2 10= mCA (la + 4C) (2.4)

2.2.1 Legea fundamental a hidrostaticii

Presiunea (P) ntr-un punct din masa unui lichid omogen, n echilibru, este

egal cu presiunea exercitat la suprafaa liber a lichidului ( p0) plus greutatea

unei coloane de lichid, avnd seciunea de 1 cm2 i nlimea egal cu diferena

de nivel (h) dintre suprafaa liber a lichidului i planul orizontal al punctului

considerat, lichidul avnd greutatea specific (). Schema pentru ilustrarea

legii fundamentale a hidrostaticii este prezentat n figura 2.2.

Considernd un volum de lichid omogen n echilibru, aflat sub aciunea

exclusiv a gravitaiei terestre (fig. 2.2) fora masic unitar (Fz) se reduce la

acceleraia gravitaiei ( g):

gd

dF

z

pz == 1 (2.5)

de unde:

zzp ddgd == (2.6)

* N (Newton) este fora care ntr-o secund imprim unei mase de 1 kg o cretere de vitez de 1 m/s.

32

deoarece

g= (2.7) Integrnd n limitele ( p0), (P) i (z0), (z) rezult:

( ) hzzpP == 00 (2.8) sau

hpP 0M += (2.9) Dac se integreaz nedefinit:

=+ pz constant (2.10) sau

=+ p

z constant (2.11)

Fig. 2.2 Scheme pentru ilustrarea legii fundamentale a hidrostaticii

n figura 2.2 se mai poate observa:

=+=+ zPzp M 00 constant (2.12) de unde:

( ) hpzzpPM +=+= 000 (2.13) sau

hpPM += 0 (2.14)

n baza legii fundamentale a hidrostaticii se pot exprima cteva observaii:

9 Presiunea (PM) ntr-un punct din masa de lichid n echilibru, rezultat din nsumarea presiunii la suprafaa liber a lichidului ( p0) i greutatea coloanei de

lichid ( h sau P/ ) se numete presiune absolut sau presiune total. 9 Presiunea ( h sau P/ ) produs numai de lichid poart numele de presiune

relativ. Presiunea relativ este nul la suprafaa liber a lichidului n echilibru i

crete odat cu adncimea punctului considerat n masa de lichid.

33

9 Diferena dintre presiunea absolut (P) i presiunea atmosferic ( pa) se numete presiune manometric (Pm):

a0am pphpPP +== (2.15) Dac presiunea ( p0) la suprafaa liber a lichidului n repaus este mai mare

dect presiunea atmosferic ( pa), presiunea manometric (Pm) ntr-un punct de pe

suprafaa liber a lichidului este:

a0m ppP = (2.16) deoarece, n acest caz:

0= h (2.17) Cnd la suprafaa liber a lichidului n echilibru acioneaz numai presiunea

atmosferic ( pa), adic ( app =0 ), presiunea manometric (Pm) ntr-un punct din interiorul lichidului, la adncimea (h) este:

hPm = (2.18) Rezult c n unele cazuri, presiunea manometric (Pm) se confund cu

presiunea relativ ( h sau P/ ). 9 Lungimea (P/) mai poart numele de nlime piezometric - sau nlimea

coloanei de lichid, cu greutatea specific (), corespunztoare presiunii

hidrostatice. Linia care unete nlimile piezometrice (relative sau absolute) ntr-

un lichid de-a lungul unui traseu, fa de acelai plan de referin, este linia

piezometric.

9 Expresia ( p

z + ) reprezint, din punct de vedere geometric, o sum de

nlimi care rmne constant pentru un lichid omogen n echilibru (v. fig. 2.2). Prin

urmare, suprafeele lichidelor n echilibru sunt plane i orizontale.

Din punct de vedere energetic ( p

z + ) este energia potenial a unitii de

greutate din lichidul considerat, ntr-un punct (M ), de cot (h) fa de nivelul liber

al lichidului i de cot (z) fa de un plan de referin orizontal, situat sub acest

punct.

( p

z + ) se numete energie specific potenial i se compune din energia

specific de poziie (z) i energia specific de presiune ( /p ). ntruct suprafaa liber a unui lichid n repaus este o suprafa

echipotenial, n cazul vaselor comunicante, lichidul se ridic la acelai nivel.

34

Din legea fundamental a hidrostaticii rezult i principiul lui Pascal: ntr-un

lichid incompresibil, n echilibru, variaiile de presiune se transmit cu aceeai

intensitate n toate punctele din masa de lichid.

2.2.2 Presiunea lichidelor pe suprafee plane

n lucrrile de mbuntiri funciare este important s fie cunoscut modul cum

se distribuie presiunea hidrostatic pe pereii diferitelor construcii hidrotehnice

(canale, baraje, stvilare etc).

n cazul pereilor plani, presiunile hidrostatice sunt paralele ntre ele i

perpendiculare pe suprafaa de aciune.

Presiunea pe suprafeele orizontale (fig. 2.3). Suprafaa plan, orizontal

asupra creia se exercit presiunea este o suprafa izobar i echipotenial.

Rezultanta (P) a forelor de presiune care se exercit pe suprafaa (S ) este dat de

expresia:

( ) ShpP a += (2.19) Dac se folosete presiunea manometric (Pm ), egal n acest caz cu

presiunea relativ:

bahShSPP m === (2.20) Se observ c fora hidrostatic (P) depinde numai de valoarea suprafeei (S ),

nlimea (h) a lichidului deasupra suprafeei orizontale considerate i de greutatea

specific ( ), fr s fie influenat de forma rezervorului (paradoxul hidrostatic).

Presiunea pe suprafeele verticale. Se poate

evidenia analitic sau pe cale grafic (fig. 2.4).

Se consider oblonul unui stvilar vertical, supus la

presiunea apei ntr-un canal. Pe acest stvilar se

delimiteaz o fie dreptunghiular cu nlimea ( hAB = ) i limea ( 1=DB m). Dac se rabate aceast fie n planul hrtiei, se obine suprafaa ( ABCD ).

Pentru suprafaa elementar ( 1= dhds m), la adncimea ( 0h ), fora hidrostatic elementar este:

dhhhdsdp == 00 (2.21) Fora total de presiune pe ntreaga fie, lat de 1 m a stvilarului este:

== h hdhhP 02

0 2 (2.22)

Fig. 2.3 Schem pentru ilustrarea

presiunii hidrostatice pe suprafeele plane,

orizontale

35

Fig. 2.4 Schem pentru ilustrarea presiunii hidrostatice pe suprafeele plane verticale a. nenecate; b. necate

Relaia (2.22) se poate deduce i geometric (v. fig. 2.4). ntr-adevr, dac n (A)

presiunea relativ este zero iar n (B) - situat la adncimea (h) - presiunea este

( h ), fora hidrostatic pe suprafaa (ABCD) este produsul dintre presiunea medie (2h ) i aria suprafeei (ABCD), care rezult din produsul (1 mh). Deci:

2

2hP

= (2.23) Centrul de presiune, adic punctul de aplicare a forei hidrostatice se afl la

( h32 ), msurat de la suprafa sau la ( h

31 ), msurat de la fund.

Dac suprafaa vertical este necat - cazul vanelor de fund de la baraje sau

cnd nivelul apei depete creasta deversorului barajului - (fig. 2.4.b):

( )h

hhhP aa

2++= (2.24)

sau

( )ahhhP += 22 (2.25)

Presiunea pe suprafeele plane nclinate (fig. 12.5). Se consider un

tronson de baraj rectiliniu, lung de 1 m, cu paramentul* amonte nclinat, asupra

cruia se exercit presiunea apei, al crei nivel se afl la cota coronamentului

(v. fig. 2.5.a).

Fora elementar de presiune (dp) pe suprafaa nclinat ( 1= dzds m), situat la adncimea (h0) este:

dhhh

dzhdshdp === 0000 cos1 (2.26)

* Paramentul barajului este faa (amonte sau aval) a corpului barajului, finisat pentru a rezista la

aciunea agenilor exteriori.

36

deoarece

cosdh

dz = (2.27)

Fig. 2.5 Schem pentru ilustrarea presiunii hidrostatice pe suprafeele plane nclinate a. nenecate; b. necate

Rezultanta (P) pe paramentul (AB) al tronsonului de baraj cu limea de 1m este:

=== h h hdhhdhhP 0 0

2

0 cos2coscos

(2.28)

Rezultanta (P) poate fi descompus dup componentele (Po) i (Pv), nct:

9 dup orizontal:

2cos

2hPPo

== (2.29) 9 dup vertical:

2cos2sin

sin22

tghhPPv =

== (2.30)

Se obinuiete ca ( tg ) s se noteze cu (n), simbol care n acest caz, poart numele de fructul paramentului (amonte sau aval) barajului. Cnd barajul are un

parament vertical, se spune simplu: fructul barajului. Deci:

2

2 nhPv

= (2.31) Dac nivelul apei depete cota coronamentului barajului, ca n figura 2.5 b,

atunci:

( ) ( )aaa hhhhhhhP +=++= 2cos2cos2

(2.32)

( )ahhhPP +== 22cos0 (2.33)

( )av hhnhPP +== 22sin (2.34)

37

2.3 Noiuni de hidrodinamic

La studiul micrii lichidelor se folosesc unele noiuni, cum sunt: linia de

curent, traiectoria particulei, tubul de curent, firul de curent, seciunea udat,

perimetrul udat, raza hidraulic, debitul etc.

Linia de curent este curba la care vitezele, n orice moment, sunt tangente n

fiecare punct.

Traiectoria reprezint drumul parcurs real de o particul de lichid.

Tubul de curent constituie suprafaa tubular format din linii de curent care

se sprijin pe o curb (C ) nchis.

Firul de curent este linia fluid din interiorul unui tub elementar de curent.

Curentul exprim masa de lichid n micare, ntr-un tub de curent.

Seciunea udat, seciunea muiat sau seciunea activ de curgere este partea

din seciunea transversal a albiei sau conductei, prin care curge efectiv apa

(fluidul).

Perimetrul udat reprezint lungimea conturului seciunii active de curgere n

care lichidul se afl n contact cu pereii albiei sau conductei.

Raza hidraulic reprezint raportul dintre seciunea udat i perimetrul udat.

Debitul exprim volumul de lichid care se scurge prin seciunea udat n

unitatea de timp.

2.3.1 Clasificarea micrii lichidelor

Se disting mai multe criterii de clasificare a micrii lichidelor:

A. Dup cauza micrii se deosebesc:

1. Micarea liber, la care cauza deplasrii lichidului este acceleraia

gravitaiei ( g). Este tipic pentru albiile deschise ale cursurilor de ap.

2. Micarea sub presiune, la care deplasarea se datoreaz unei presiuni

diferite de presiunea atmosferic. Nu prezint suprafa liber, lichidul micndu-

se ntr-un spaiu nchis (n conductele cu seciunea plin).

B. Dup variaia n timp a micrii se difereniaz:

1. Micarea permanent, la care n orice punct al curentului, mrimea i

direcia vitezei rmn constante; viteza fiind constant n timp, liniile de curent nu

se modific iar debitul rmne, de asemenea, constant.

2. Micarea nepermanent (variat), la care viteza ntr-un punct al

curentului variaz de la un moment la altul; n conducte, trecerea de la

38

micarea permanent la micarea variat se produce cnd se modific debitul,

prin nchiderea sau deschiderea parial a vanelor, cnd presiunea scade sau

crete etc.

C. Dup variaia seciunii transversale i a pantei n lungul albiei se disting:

1. Micarea uniform, caracteristic

albiilor rectilinii, la care:

9 nu se modific pe traseul de curgere, seciunea, rugozitatea, panta, viteza i

debitul;

9 liniile de curent sunt paralele i suprafaa seciunii udate este plan;

9 pantele suprafeei libere a apei (piezometric), hidraulic (de energie) i topografic sunt egale (fig. 12.6).

I (panta fundului albiei) tgL

zz == 21 ; (2.35)

i (panta piezometric) ( ) ( )L

hzhz 2211 ++= ; (2.36)

j (panta hidraulic)L

h

L

g

vhz

g

vhz

p=

++

++= 2222

22

21

11

(2.37)

Prin urmare, la micarea uniform:

jiI == (2.38)

2. Micarea neuniform se evideniaz cnd schimbarea seciunii udate,

a rugozitii, a pantei etc modific viteza apei ca mrime i/sau ca direcie. n

aceste condiii, cele trei pante (I, i, j) nu mai sunt egale. La micarea

neuniform, distribuia presiunilor nu se face dup legea fundamental a

hidrostaticii, ci dup legi proprii micrii turbulente. n funcie de gradul de

neuniformitate pot fi:

9 micarea rapid variat, pentru cazul cnd condiiile ce caracterizeaz micarea prezint variaii mari pe poriuni relativ scurte din traseul curentului i,

9 micarea gradual variat, cnd variaia caracteristicilor cinematice ale curentului este lent, astfel c pe sectoare scurte, curgerea poate fi asimilat cu

deplasarea caracteristic micrii uniforme.

D. Dup structura intern (fizic) a micrii se deosebesc:

Fig. 2.6 Schem pentru ilustrarea

micrii uniforme a lichidelor

39

1. Micarea laminar, la care liniile de curent sunt rectilinii i/sau

paralele, particulele de lichid nu trec dintr-un strat n altul.

2. Micarea turbulent, care are aspectul aparent dezordonat; vitezele

pulseaz n jurul unor valori temporale, avnd loc amestecul ntre straturi.

2.3.2 Ecuaiile fundamentale ale hidrodinamicii

Hidrodinamica are la baz dou legi importante: ecuaia de continuitate i

ecuaia lui Bernoulli.

1. Ecuaia de continuitate exprim relaia dintre seciunile i vitezele medii

pe traseul unui tub lichid (fig. 12.7). La micarea permanent, debitul (Q) rmne

constant indiferent dac vitezele medii i seciunile variaz de-a lungul tubului de

lichid. Aadar,

===== QVVV nn 2211 constant (2.39)

Din ecuaia de continuitate rezult c raportul seciunilor este invers

raportului vitezelor:

1

2

2

1

V

V= (2.40)

Fig. 2.7 Schem pentru ilustrarea ecuaiei de continuitate

2. Ecuaia lui Bernoulli se bazeaz pe legea conservrii energiei i exprim

legtura dintre vitez i presiune n diferitele puncte ale unui fir lichid.

La un lichid n micare se disting trei feluri de energii i anume: energia

specific de poziie (z), energia specific datorit presiunii ( hp = ), i energia

specific datorit micrii (g

V

22

).

n hidraulic, prin energie se nelege capacitatea de a face un lucru mecanic;

de aceea energia i lucrul mecanic sunt echivalente.

Toate cele trei energii au dimensiunea unei lungimi:

40

9 (z) este diferena de nivel ntre poziia unui punct din tubul de lichid i planul orizontal de referin;

9 ( hp = ) este nlimea coloanei de lichid deasupra punctului considerat;

9 (g

V

22

) este, de asemenea, o lungime

= L

TL

TL

2

22

i reprezint efectul

micrii lichidului. (g

V

22

) rezult considernd energia cinetic (2

2VmEc

= ) n cmpul gravitaional (G ):

g2

V

gm2

Vm

G2

Vm

G

E 222

c

==

= 2.41)

Suma ( p

z + ) reprezint energia specific potenial (Ep) iar suma celor trei

feluri de energii exprim energia total (Et) a unei particule de lichid:

g

VpzEt ++= 2

2

(2.42)

La lichidele reale se consider (g

V

2

2 ) n care () este coeficientul lui

Coriolis i are valoarea ( 1,1= ) pentru curgeri turbulente; pentru curgerea laminar sau pentru calcule mai puin riguroase ( 1= ). Ecuaia lui Bernoulli poate fi definit, att din punct de vedere energetic ct i

din punct de vedere geometric:

9 energetic La micarea permanent a unui lichid perfect, energia specific total rmne constant de-a lungul firului de lichid, fiind sarcina hidrodinamic (H):

==++=++ HgVp

zg

Vpz

22

222

2

211

1 constant (2.43)

9 geometric La lichidele ideale, suma celor trei nlimi (fig. 2.8): de poziie, de presiune i cinetic este constant n toate punctele firului de lichid i

reprezint sarcina hidrodinamic (H).

La lichidele reale, forele tangeniale se opun micrii lichidului nct (H ) se

reduce de-a lungul firului de lichid i, prin urmare:

phg

Vpz

g

Vpz +++=++ 22

222

2

211

1 (2.44) n care:

hp este pierderea de sarcin hidrodinamic.

41

++++= gVp

zg

Vpzhp 22

222

2

211

1 (2.45)

Raportul dintre pierderea de sarcin hidrodinamic (hp) ntre seciunile (1) i

(2) i distana (L) ntre aceleai seciuni, reprezint panta hidraulic a curentului

de lichid (fig. 2.9).

L

hj p= (2.46)

La canale:

ILhp = (2.47) n cazul conductelor:

lfp hhh += (2.48)

g

V

d

Lhf = 2

2

(2.49)

g

Vhl = 2

2

(2.50)

n care:

hp este pierderea de sarcin hidrodinamic la curgerea prin conducte, n m; hf - pierderea de sarcin prin frecarea lichidului de pereii conductei, n m; hl - pierderi de sarcin locale, n m; L - lungimea conductei, n m; d - diametrul conductei, n m; V - viteza lichidului n conduct, n m/s; g - acceleraia gravitaiei, n m/s2; - exprim rezistena diferitelor elemente care produc pierderi locale de sarcin

pe traseul conductei (intrare n conduct, coturi, vane, reducii etc).

Transformarea energiei poteniale n energie cinetic. Torricelli a

constatat, n baza legii conservrii energiei, faptul c energia potenial ( h ) ntr-un punct (M ) din masa de lichid este egal cu energia cinetic a unitii de

volum, la ieirea lichidului printr-un orificiu. Prin urmare:

Fig. 2.9 Schem pentru ilustrarea legii lui Bernoulli la lichidele reale

n albii deschise

Fig. 2.8 Schem pentru ilustrarea

geometric a legii lui Bernoulli la lichidele perfecte

42

g

Vh = 2

2

(2.51)

sau

hgV = 2 (2.52)

2.4 Aplicaii ale hidraulicii n lucrrile de mbuntiri funciare

Principiile stabilite la studiul strilor de echilibru i de micare ale lichidelor

au o mulime de aplicaii n lucrrile de mbuntiri funciare. O importan

deosebit o prezint aplicaiile referitoare la determinarea debitului i la

dimensionarea canalelor (conductelor).

2.4.1 Determinarea debitelor pe canale i cursuri naturale de ap

Debitul, notat n mod obinuit cu literele (Q, q) reprezint volumul de lichid

care curge n unitatea de timp printr-o seciune transversal considerat a albiei

unui curs natural de ap, canal sau conduct.

Randamentul i durata de funcionare a multor lucrri de mbuntiri funciare

depind nemijlocit de precizia cu care s-a calculat debitul.

Avnd n vedere importana major a determinrii debitului, s-au stabilit

diverse procedee de determinare care pot fi ncadrate n dou metode: metoda

direct i metoda indirect.

Metoda direct cuprinde procedeul volumetric, procedeul care se bazeaz pe

ecuaia de continuitate i procedeele care folosesc diferite construcii speciale sau

dispozitive hidraulice (deversoare, stvilare, apometre etc). Folosirea acestor

procedee pentru determinarea debitului presupune msurarea nemijlocit a unor

mrimi (volum, timp, vitez, lungime etc) care apoi se combin astfel nct s

rezulte ecuaia dimensional a debitului.

Metoda indirect cuprinde procedeele care se difereniaz, mai ales, n ceea ce

privete metodologia de stabilire a valorilor precipitaiilor i scurgerii n bazinele

de recepie, a parametrilor hidraulici ai albiilor etc.

Procedeele directe se folosesc mai ales n lucrrile de irigaii, desecri i drenaj.

Procedeul volumetric este specific determinrii debitelor mici i const n

msurarea volumului de ap care trece printr-o seciune ntr-o perioad de timp ce

se cronometreaz. n acest caz, debitul rezult efectund raportul ntre volum (W )

i timp (t), adic:

43

t

WQ = (2.53)

Procedeul care se bazeaz pe ecuaia de continuitate const n msurarea

vitezei apei i a elementelor geometrice care permit calculul ariei seciunii udate.

VQ = (2.54) n care:

Q reprezint debitul, n m3/s; - aria ocupat efectiv de ap n seciunea de curgere (seciunea udat), n m2; V - viteza medie de curgere a apei, n m/s.

La canale, aria seciunii udate se calculeaz cu relaiile cunoscute din

geometria plan iar n cazul albiilor cursurilor naturale, valoarea lui () se

determin nsumnd ariile suprafeelor obinute prin mprirea seciunii

transversale n figuri geometrice simple (fig. 2.10).

111 21

hds =

( ) 2212 21

dhhs += M

nnn dhs = 121

nsss +++= L21 (2.55)

Determinarea vitezei apei se poate face cu flotoarele, cu tubul Pitt, cu

pendulul hidraulic i, pentru determinri mai riguroase, cu morica hidrometric.

Tronsonul de albie (canal) pe care urmeaz s se determine viteza apei trebuie

s fie rectiliniu, fr modificri ale seciunii transversale, cu panta constant i

fr construcii hidrotehnice care s stnjeneasc micarea permanent i uniform

a apei n timpul msurtorilor.

Instrument consacrat pentru msurarea cu precizie a vitezei apei pe canale,

morica hidrometric transform, prin intermediul palelor unei elice sau a unor

cupe conice, micarea de translaie a masei de ap ntr-o micare de rotaie a

axului pe care este solidarizat elicea (cupele), astfel c ntre viteza curentului de

ap i turaia rotorului moritii exist relaia:

bnaV += (2.56) n care:

V este viteza curentului de ap n punctul din seciunea udat n care funcioneaz morica, n m/s;

a; b - parametrii elicei folosite; n - numrul de rotaii ntr-o secund ale rotorului moritii.

Fig. 2.10 Determinarea seciunii udate

la cursuri naturale de ap

44

La toate moritile hidrometrice, principiul de funcionare const n

semnalizarea (acustic i/sau luminoas) sau nregistrarea producerii ntr-un

interval de timp (t) a aceluiai numr (N ) de rotaii ale axului solidar cu elicea,

prin nchiderea periodic a unui circuit electric. Aadar, numrul de rotaii ntr-o

secund (n) ale axului moritii rezult din relaia:

t

Nn = (2.57)

Dac se cronometreaz intervalul de timp n care se produc mai multe

semnalizri, atunci:

( )t

NSn

1= (2.58) n care:

n este numrul de rotaii ntr-o secund ale axului moritii; S - numrul de semnale emise n timpul cronometrat; N - numrul constant de rotaii ale axului ntre dou semnalizri consecutive; t - timpul n care s-au emis (S ) semnalizri, n secunde.

O larg rspndire o are i procedeul care folosete construcii sau dispozitive

speciale pentru determinarea direct a debitului pe canale.

ntre construciile folosite la determinarea debitului pe canale, cele mai

rspndite sunt deversoarele, stvilarele i apometrele speciale.

Deversoarele sunt construcii hidrotehnice dispuse ntr-un curent de lichid cu

suprafaa liber, n scopul meninerii n bieful amonte a unui nivel constant sau

pentru msurarea debitelor (STAS-3061-56). Se caracterizeaz printr-o seciune

cu suprafaa liber (fig. 2.11), mrginit lateral de dou flancuri (AC) i (BD) i la

partea inferioar de un prag (AB), situat la o cot superioar fundului recipientului

sau canalului cu valoarea ( p), numit nlimea pragului deversorului, peste care

lichidul curge sub forma unei lame, cu grosimea (h), care reprezint sarcina de

curgere.

Fig. 2.11 Schema de principiu a unui deversor

Deversoarele se pot clasifica dup mai multe criterii (fig. 2.12).

45

Deversoarele cele mai folosite pentru msurarea debitului pe canalele din

amenajrile de mbuntiri funciare, sunt cele cu seciunea rectangular,

trapezoidal i/sau triunghiular. Condiiile de folosire pentru determinarea

debitului cu o precizie satisfctoare i relaiile de calcul sunt prezentate n

tabelul 2.1.

Fig. 2.12 Clasificarea deversoarelor

1 - n funcie de poziia crestei fa de direcia curentului: a. normale; b. oblice; c. laterale (paralele); 2 - n funcie de forma crestei: a. rectilinii; b. curbilinii; c. poligonale; 3 - n funcie

de grosimea i profilul pragului: a. cu prag subire (cu muchie ascuit); b. cu profil practic; c. cu prag lat; 4 - n funcie de condiiile curgerii: a. nenecat; b. necat; 5 - n funcie de accesul

lichidului la deversor: a. fr contracie lateral; b. cu contracie lateral; 6 - n funcie de forma seciunii: a. dreptunghiulare; b. triunghiulare; c. trapezoidale

46

Tabelul 2.1 Condiiile de folosire i relaiile pentru calculul debitului pe canale cu ajutorul deversoarelor

Tipul deversorului Elementele geometrice i hidraulice Relaiile de calcul

1 2 3 Deversorul trapezoidal (Cipolletti):

- cu muchia ascuit i orizontal; - nenecat, cu pnza deversant

aerisit; - cu contracie, avnd flancurile i

creasta deprtate de fundul i pereii canalului, la distana aproximativ de 2,5 h;

- aezat normal n curent i vertical.

25,0=tg ; he < 7,0 ; hp 2 ; 06,0 m 60,0

47

Tabelul 2.1 (continuare)

1 2 3

Deversorul triunghiular: (Thomson): - cu muchie ascuit; - nenecat; - aezat normal n curent i

vertical (se folosete pentru msurarea debitelor mai mici de 0,5 m3/s).

10,0p m; 05,0 m 60,0 h m;

2,1ph .

pentru o90= : 5,24,1 hQ = (m3/s)

sau 47,234,1 hQ = m3/s

(dac hph >+ 3 i hB > 5 , n care, B este limea albiei dreptunghiulare).

pentru o45= :

5,27,0 hQ = (m3/s) Deversorul dreptunghiular: - cu muchie ascuit; - nenecat; - aezat normal n curent i

vertical; - fr contracie lateral.

5,184,1 hbQ = (m3/s), pentru 10 V m/s. Deversorul dreptunghiular: - cu muchie ascuit; - nenecat; - aezat normal n curent i

vertical; - cu contracie lateral.

03,0h m; 20,0b m; 15,0p m.

( )hbhQ = 2,084,1 5,1 (m3/s) pentru 10 V m/s.

2

Stvilarele (stavilele) sunt construcii hidrotehnice cu deschiderea reglabil,

format dintr-un oblon care poate fi deplasat vertical pe dou ghidaje laterale,

fixate prin umplutur de beton sau prin zidrie n pereii laterali ai canalelor

(fig. 2.13). Sunt i stvilare cu mai multe obloane. Micarea oblonului stvilarului

n plan vertical se poate face prin acionare manual sau electric.

Fig. 2.13 Schema stvilarului folosit ca debitmetru

a - vedere n profil transversal pe axa canalului; b - curgerea nenecat; c - curgerea necat; R - reper pentru citirea nlimii deschiderii stvilarului (e).

Stvilarele servesc pentru reglarea nivelului apei pe canale dar pot fi adaptate

i n scopul msurrii debitelor.

Pentru msurarea adncimii apei n canal n vederea determinrii debitului, se

instaleaz n amonte i n aval de stvilar, la distana de 58 m, cte o mir care are cota 0,00 la nivelul radierului. Dac stvilarul funcioneaz nenecat nu este

necesar mira n bieful aval.

nlimea de ridicare a oblonului (deschiderea stvilarului) se citete pe mira

fixat pe timpanul din beton al stvilarului sau pe oblon.

Stvilarele pot funciona nenecat sau necat. n cazul funcionrii nenecate,

relaia pentru calculul debitului este:

( )eHgebQ = '2 0 (2.59) n care:

Q este debitul stvilarului, n m3/s; - coeficientul de debit al stvilarului (tab. 2.2); b - limea stvilarului, n m; e - nlimea deschiderii stvilarului, n m; g - acceleraia gravitaiei (9,81 m/s2);

g

VHH

+=2

20

0 , n m;

H - adncimea apei n canal, citit pe mira din amonte de stvilar, n m; V0 - viteza de apropiere, n m/s; - coeficient de corecie ( 1,1 ); - coeficient de contracie pe vertical a vnei de ap care trece prin

deschiderea stvilarului (tab. 2.2).

3

Valorile coeficientului( ) stabilite teoretic n funcie de raportul ( He ), pentru 65,0He , precum i valorile medii ale coeficientului de debit () determinate experimental, sunt prezentate n tabelul 2.2.

Cnd stvilarul funcioneaz necat, debitul se calculeaz cu formula:

( )zhHgebQ = 02 (2.60) n care:

Q, , b, e, g, i H0 au semnificaia din relaia (2.59); hz este grosimea stratului de ap n seciunea 1-1 (v. fig. 2.13);

n care:

( ) MMHMhh avz += 5,025,002 (2.61) n care:

( )cav

cav

hh

hheM

=224 (12.62)

n care:

ehc = '

Tabelul 2.2 Valorile coeficienilor ( ) i ( ) pentru stvilare nenecate

(dup Certousov)

He He He 0,00 0,6110 0,6110 0,25 0,6220 0,6137 0,50 0,6445 0,62050,05 0,6128 0,6111 0,30 0,6251 0,6143 0,55 0,6520 0,62290,10 0,6149 0,6113 0,35 0,6288 0,6155 0,60 0,6610 0,62500,15 0,6170 0,6120 0,40 0,6333 0,6169 0,65 0,6725 0,62750,20 0,6193 0,6130 0,45 0,6385 0,6185 - - -

Relaia (2.60) este aplicabil pentru 8,0He debitul se calculeaz cu formula:

( )avhHgebQ = 02 (2.63) Pentru determinarea efectiv a debitului:

9 se citesc valorile adncimii apei din canal (H ) i (hav) pe mirele instalate n amonte i n aval de stvilar; dac stvilarul funcioneaz nenecat, adncimea

apei n bieful aval nu este necesar s fie cunoscut;

9 se citete pe mira stvilarului nlimea deschiderii (e) creat prin ridicarea oblonului i (dac nu este cunoscut) se msoar limea (b) a seciunii de curgere;

9 se efectueaz calculul debitului cu relaiile precizate. Apometrele speciale de diferite tipuri (Parshall, Marchi, automat etc) sunt

instalaii mai complexe pentru msurarea debitelor pe canale. Ele permit

determinarea comod a debitului, cu o precizie satisfctoare.

4

2.4.2 Determinarea debitului n conductele sub presiune (forate)

n conductele n care apa se gsete sub presiune, msurarea debitului se

efectueaz cu ajutorul debitmetrelor. Dispozitivele care confer calitatea de

debitmetru sunt: diafragma circular, ajutajul i venturimetrul (fig. 2.14).

Dac la un astfel de dispozitiv se ataeaz un mecanism care permite citirea

direct a debitului, se realizeaz un debitmetru.

Fig. 2.14 Dispozitive pentru msurarea debitului n conductele sub presiune a - diafragm circular; b - ajutaj; c, d - tuburi Venturi

n principiu, aceste dispozitive funcioneaz pe baza teoremei lui Bernoulli

conform creia, dac o parte din energia potenial a apei este transformat n

energie cinetic, se nregistreaz o pierdere de nlime (adic o micorare a

energiei poteniale de poziie i datorit presiunii). Aceast pierdere de sarcin

este compensat prin majorarea vitezei apei care curge prin seciuni cu contracie

i este proporional cu debitul care trece prin seciunea micorat.

Relaia de calcul a debitului n cazul dispozitivelor din figura 2.14 este:

( )212 hhgQ c = (2.64) n care:

Q reprezint debitul n conducta sub presiune, n m3/s; - coeficientul de debit ( 62,0= pentru diafragme circulare); c - aria seciunii care asigur contracia, n m2;

h1-h2 - diferena dintre presiunea din amonte i respectiv din aval de diafragm sau de ajutaj, n m.

2.4.3 Dimensionarea canalelor i a conductelor sub presiune

Canalele folosite n lucrrile de mbuntiri funciare sunt construcii

hidrotehnice, din pmnt sau din alte materiale, pentru transportul gravitaional al

apei n diferite scopuri (irigaii, desecri, prevenirea i combaterea eroziunii

5

solului, etc). Cele mai rspndite sunt canalele din pmnt cu seciunea

transversal trapezoidal care, din punct de vedere constructiv, pot fi: n rambleu,

n debleu-rambleu, i n debleu (fig. 2.15).

Fig. 2.15 Seciuni transversale trapezoidale ale canalelor din pmnt 1 - seciune n rambleu; 2 - seciune debleu-rambleu; 3 - seciune n debleu.

Dimensionarea, executarea i funcionarea canalelor depind de elementele

geometrice i hidraulice ale acestora, ntre care fac parte: limea relativ,

limea la partea inferioar a seciunii transversale, adncimea apei n canal,

nlimea de siguran, limea la coronament a digurilor canalului, lumina

canalului, nlimea coronamentului canalului, valorile taluzurilor, aria seciunii

udate, perimetrul udat, raza hidraulic, coeficientul de rugozitate, panta canalului,

viteza apei i debitul.

Dac se consider seciunea transversal trapezoidal a unui canal din pmnt,

se evideniaz i alte elemente geometrice constructive (fig. 2.16).

Fig. 2.16 Seciunea transversal a unui canal de irigaie. b - limea la partea inferioar a seciunii transversale (limea la fund a canalului); h - adncimea

apei n canal; h1 - nlimea de siguran; h2 - adncimea seciunii canalului; a - limea coronamentului digurilor; B - lumina canalului; B1 - limea canalului ntre muchiile exterioare ale celor dou

diguri; m - coeficientul taluzului interior; m1 - coeficientul taluzului exterior; - seciunea udat; H - nlimea coronamentului canalului; Cc - cota coronamentului canalului; Cf - cota fundului

canalului; Ca - cota apei n canal; Ct - cota terenului; A - limea amprizei canalului

Seciunile transversale trapezoidale i rectangulare de o anumit mrime pot

avea diferite forme, determinate de variaia concomitent i n sens contrar a

dimensiunilor (b) i (h). Raportul = b/h reprezint limea relativ a canalului. Variind raportul se pot obine seciuni transversale echivalente n care viteza i debitul curentului de ap se modific, chiar dac panta i rugozitatea canalului

rmn neschimbate.

6

Pentru o anumit valoare a raportului = b/h se obine seciunea transversal prin care trece volumul de ap maxim n unitatea de timp. Aceast seciune se

numete seciunea optim din punct de vedere hidraulic.

Limea la partea inferioar a seciunii transversale (b). Acest parametru mai

poart numele i de limea la fund a canalului. Are valori semnificative numai n

cazul seciunilor transversale poligonale i reprezint deprtarea ntre pereii

laterali la cota fundului canalului.

Adncimea apei n canal (h). Adncimea apei este n seciunea transversal a

canalului diferena de nivel ntre cota apei i cota fundului canalului.

nlimea de siguran (h1). Se mai numete i nlimea de gard sau garda

canalului. nlimea de siguran reprezint la canalele n rambleu i la cele n

debleu-rambleu, diferena de nivel, n seciunea transversal, ntre cota

coronamentului i cota apei. La canalele n debleu, nlimea de siguran este

diferena de nivel ntre cota terenului i cota apei.

nlimea de siguran (h1) are rolul s asigure transportul debitului pentru

care a fost dimensionat canalul i dup colmatarea parial a seciunii acestuia

precum i s permit transportul unui debit suplimentar provenit din ploi sau din

reglarea necorespunztoare a nivelului apei. Valoarea nlimii de siguran (h1)

se stabilete n funcie de debitul i rolul funcional al canalului, variind ntre

0,20 - 0,50 m, la canalele de irigaii i 0,50 1,50 m, la canalele de desecare.

Limea la coronament a digurilor canalului (a). La canalele construite n

rambleu sau n debleu-rambleu trebuie s se asigure digurilor laterale limea la

coronament (a) care s permit funcionarea normal a canalelor. Dependent de

nlimea rambleului, aceast dimensiune poate fi de 0,51,5 m. n funcie de

adncimea apei n canal (h), limea la coronament (a) a digurilor canalului se

poate calcula cu relaia:

ha += 15,0 (2.65) Lumina canalului (B). Lumina canalului exprim, n seciunea transversal,

deprtare ntre muchiile interioare ale digurilor laterale, la cota coronamentului

canalului. Este, ca i limea la coronament, o dimensiune constant de-a lungul

traseului canalului.

Limea amprizei canalului (A). Este deprtarea ntre pereii exteriori ai

canalului la cota terenului. Aceast dimensiune variaz n diferitele puncte ale

canalului n funcie de microrelieful terenului pe traseul canalului.

7

nlimea coronamentului canalului (H). Aceast dimensiune se evideniaz

numai la canalele construite n rambleu sau debleu-rambleu i reprezint n

seciunea transversal, diferena de nivel ntre cota coronamentului i cota

terenului. Pe traseul canalului, valoarea lui (H ) variaz, ca i limea amprizei, n

funcie de denivelrile suprafeei terenului.

Taluzurile canalului (1:m; 1:m1). Prin taluz se nelege tangenta unghiului ( ) format de planul peretelui lateral al canalului cu orizontala. La canalele construite

n rambleu i la cele n debleu-rambleu se deosebesc: un taluz interior (1:m = tg ) i un taluz exterior (1: m1 = tg 1 ). Taluzul exprim valoarea relativ a catetei orizontale, alturate unghiului ( ), fa de cateta vertical (opus unghiului ), considerat egal cu unitatea (de exemplu: 1:1; 1:1,5; 1:2,5, etc.).

n calculele hidraulice se folosete frecvent coeficientul de taluz (m), care

reprezint inversul taluzului, adic mctgtg

== 1 .

La canalele construite din pmnt, valoarea coeficientului de taluz (m) variaz

ntre 1,0 i 2,0 i se stabilete n funcie de textura materialului de construcie i de

tipul canalului

Seciunea udat (). Seciunea udat sau seciunea muiat este partea ocupat cu ap din seciunea transversal total a canalului. n figura 2.18, seciunea udat

() este aria suprafeei delimitat de conturul DEFG. Pentru canalele trapezoidale: ( )hhmb += (2.66)

n care:

este aria seciunii udate, n m2; b - limea la fund a canalului, n m; m - coeficientul de taluz; h - adncimea apei n canal, n m.

Perimetrul udat (P). Se mai numete i perimetrul muiat. Perimetrul udat

reprezint lungimea conturului, n seciunea transversal a canalului, care este n

contact cu apa, adic lungimea liniei de contact a apei cu fundul i pereii laterali

ai canalului, linie determinat de planul normal pe direcia de curgere.

hmbP += ' (2.67) n care:

P este perimetrul udat, n m; b - limea la fund a canalului, n m; h - adncimea apei n canal, n m; 'm = 2m12 +

8

Parametrul (m ) se numete coeficientul secund de taluz al canalului. Raza hidraulic (R). Raza hidraulic exprim raportul dintre seciunea udat

i perimetrul udat.

PR

= (2.68) n care:

R este raza hidraulic, n m; - aria seciunii udate, n m2; h - perimetrul udat, n m.

n formula debitului IRCQ = se observ c pentru aceeai seciune udat (), acelai coeficient de vitez (C ) i aceeai pant (I ), debitul este maxim dac raza hidraulic (R) are valoarea cea mai mare. Aceast condiie este

ndeplinit dac perimetrul udat este minim.

Dintre toate figurile, nchiznd aceeai arie, cercul are perimetrul udat

minim i deci, pentru un canal cu curgere liber, seciunea optim din punct

de vedere hidraulic este semicercul. n acest caz, raza hidraulic este

jumtate din raza cercului sau jumtate din adncimea apei n canal,

adic: 2/h2/rR == . ntruct la canalele din pmnt, forma semicircular este greu de executat i

de ntreinut, se ntrebuineaz forma poligonal care, de cele mai multe ori, este

un trapez. Dintre trapeze, jumtatea hexagonului regulat corespunde perimetrului

udat minim deoarece hexagonul regulat se circumscrie cercului.

n practic, taluzurile canalelor din pmnt se execut innd seama de

condiia de stabilitate, de caracteristicile mbrcmintei de protecie a pereilor

canalului etc, nct trapezul isoscel cu = 60 i m = ctg 60 nu constituie dect un caz particular de seciune hidraulic optim. De aceea, se pune problema s se

gseasc seciunea () care, pentru un anumit coeficient de taluz (m), s fie optim din punct de vedere hidraulic.

Se demonstreaz c orice trapez poate s reprezinte o seciune optim din

punct de vedere hidraulic, cu condiia ca limea relativ hb= s aib valoarea 0 = m - 2m (tab. 2.3), adic perimetrul udat s fie circumscris unui semicerc cu diametrul la suprafaa liber a curentului de ap.

Tabelul 2.3 Valorile ( 0) pentru seciunile trapezoidale optime din punct de vedere hidraulic

m 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,50 3,000 1,33 1,00 0,83 0,70 0,60 0,53 0,47 0,38 0,32

9

Coeficientul de rugozitate (, n). Coeficientul de rugozitate este mrimea adimensional ce exprim gradul n care fundul i pereii albiei (canalului)

stnjenesc curgerea apei. n funcie de natura pereilor i fundul albiei (canalului),

s-au determinat experimental valorile diferitelor categorii de rugozitate.

La noi n ar se folosesc frecvent valorile coeficientului de rugozitate ( ) propuse de Bazin (tab. 2.4) i cele ale coeficientului de rugozitate (n) stabilite de

Pavlovski (tab. 2.5). Tabelul 2.4

Valorile coeficientului de rugozitate () (dup Bazin)

Nr. crt. Natura pereilor i fundului canalului 1 Fund i perei foarte netezi, ca scndura geluit, sticla, tabla sau ca betonul

tencuit i sclivisit. 0,06 2 Fund i perei netezi ca scndura negeluit sau ca betonul tencuit simplu. 0,16 3 Fund i perei cptuii cu moloane sau cu crmizi aezate pe lat i rostuite

cu ciment. 0,45 4 Canale de pmnt spate recent sau cptuite cu pereu de piatr rostuit cu

mortar de ciment. 0,85 5 Canale spate n pmnt, cu fund i perei bine ntreinui, fr buruieni 1,30 6 Canale cu fundul i pereii nierbai sau albii de ru cu bolovani i/sau

invadate cu buruieni. 1,75 7 Albii de ru cu bolovani, gropi i buruieni. 2,50

Tabelul 2.5 Valorile coeficientului de rugozitate (n)

(dup Pavlovski N. N.)

Canale de irigaii Nr. crt. Caracteristicile canalelor n 1/n 1 Tencuial cu ciment sclivisit. 0,0100 100,0 2 Zidrie din piatr necioplit sau beton simplu. 0,0170 58,0 3 Zidrie din piatr uscat. 0,0200 50,0 4 Canale cu rugozitatea mrit prin zidrie. 0,0220 45,0 5 Canale de irigaii cu debite ntre 1 25 m3/s. 0,0225 44,5 6 Canale de irigaii cu debite sub 1 m3/s. 0,0250 40,0 7 Canale din reeaua permanent de irigaii, cu funcionare periodic. 0,0275 36,4 8 Canale nierbate potrivit i canale provizorii de irigaie. 0,0300 33,3 9 Canale din pmnt bine nierbate. 0,0400 25,0

10 Canale de desecare cu debitul ntre 1 25 m3/s. 0,0250 40,0 11 Canale de desecare cu debite sub 1 m3/s. 0,0275 36,4

Panta canalului ( I ). Panta hidraulic ( j ) a unui canal reprezint variaia energiei

specifice a curentului de ap raportat la lungime. Aceast pant este egal cu panta

piezometric ( I ) sau panta suprafeei libere a apei, care este raportul ntre pierderea

de sarcin hidrodinamic ntre dou seciuni transversale i distana ntre ele.

n ipoteza curentului de ap aflat n micare permanent i uniform, panta

hidraulic i panta piezometric sunt egale cu panta fundului canalului (I ), panta

topografic sau geodezic.

10

Panta topografic a unui canal exprim raportul ntre diferena cotelor

fundului canalului n dou seciuni transversale i distana dintre aceste seciuni.

Cu alte cuvinte, panta fundului canalului reprezint tangenta unghiului format de

linia fundului canalului cu planul orizontal.

Din considerente de ordin practic, la canalele de pmnt folosite n lucrrile de

mbuntiri funciare se admit valori ale pantei, cuprinse n limitele: 0,0002 - 0,01.

Viteza apei (V). Viteza de micare a apei n albia unui canal este influenat de

mrimea pantei ( I ), de valoarea razei hidraulice (R) precum i de rugozitatea

fundului i pereilor canalului ( , n). Calculul vitezei apei n albii cu suprafaa liber se face cu formula propus n

1775 de ctre Frenchman Chzy:

IRCV = (2.69) n care:

V este viteza medie a apei n canal, n m/s; C - coeficientul de vitez (coeficientul lui Chzy); R - raza hidraulic, n m; I - panta.

Expresia RCWv = reprezint modulul vitezei, nct: IWV v= (2.70)

2v

2

W

VI = (2.71)

Coeficientul lui Chzy depinde de rugozitate i de raza hidraulic.

Specialitii din Romnia folosesc, cel mai mult, formulele propuse de Bazin:

R

R87C += (2.72)

i de Pavlovski:

yRn

1C = (2.73)

n care:

R - raza hidraulic, n m; - coeficientul de rugozitate pentru categoriile stabilite de Bazin (v. tab. 2.4); n

-

coeficientul de rugozitate pentru categoriile stabilite de Pavlovski (v. tab. 2.5); I - panta.

( )1,0nR75,013,0n5,2y = .

Viteza apei n canal trebuie s fie cuprins ntre viteza de neeroziune (viteza

maxim admisibil), peste care curentul ncepe s desprind de pe fundul i pereii

laterali ai canalului, particule de pmnt cu diametrul pn la o anumit valoare

considerat i viteza de nenmolire (viteza minim admisibil), sub care ncepe

depunerea aluviunilor grosiere deplasate de ctre curentul de ap. n funcie de

11

textura i densitatea aparent a materialului folosit la construcia canalelor de

pmnt pentru irigaii, viteza apei poate varia ntre limitele: 0,40 - 1,25 m/s.

Pentru stabilirea valorilor limit ale vitezei apei n canalele de pmnt au fost

propuse i formule empirice, cum sunt cele elaborate de Ghirskan: 1,0

max QKV = (2.74) 2,0

min QAV = (2.75) n care:

Vmax - este viteza maxim admisibil de circulaie a apei, n m/s; Vmin - este viteza maxim admisibil de circulaie a apei, n m/s; Q - debitul canalului, n m3/s; K - coeficient dependent de textura pmntului de construcie a canalului (tab. 2.6); A - coeficient dependent de viteza de cdere a particulelor solide purtate de curentul

de ap i care, la rndu-i depinde de diametrul aluviunilor (tab. 2.7).

n sistemele de irigaii se consider c aluviunile cu diametrul mai mare de

0,10 0,15 mm sunt reinute la punctul de priz, n bazinul de decantare iar cele cu diametrul mai mic, urmeaz s ajung pe terenul de irigat, avnd rol fertilizant.

n general, viteza apei n canale nu trebuie s scad sub 0,3 m/s, pentru apa cu

turbiditatea mare i sub 0,2 m/s pentru apa limpede. Dac apa conine mai mult de

0,1 g/l aluviuni, este recomandabil ca viteza maxim admisibil s se majoreze cu

10 % fa de cea rezultat din calcule. Pentru canalele de evacuare se recomand,

de asemenea, s se considere viteza maxim cu 10 % mai mare dect cea

calculat.

Debitul (Q). Debitul este volumul de ap care trece printr-o seciune

transversal n unitatea de timp, adic produsul ntre aria seciunii udate a

canalului () i viteza medie (V ) a curentului de ap. IRCVQ == (2.76)

n care:

Q - debitul canalului, n m3/s; - aria seciunii udate, n m2;

Tabelul 2.6 Valorile coeficientului (K ) din formula

1,0max QKV =

Textura materialului folosit la construcia canalului K

Nisipo-lutoas 0,53 Luto-nisipoas 0,57 Lutoas 0,62 Luto-argiloas 0,68 Argiloas 0,75 - 0,85

Tabelul 2.7 Valorile coeficientului (A) din formula

2,0min QAV =

Diametrul mediu al particulelor

d (mm)

Viteza de cdere a particulelor

W (mm/s) A

0,04 1,1 - 1,5 0,33 0,05 - 0,07 1,5 - 3,5 0,44 0,08 - 0,09 3,5 - 6,5 0,55

0,10 > 6,5 0,66

12

V - viteza medie a curentului de ap, n m/s; C - coeficientul de vitez (coeficientul lui Chzy); R - raza hidraulic; I - panta.

Expresia RCK = poart numele de modul de debit. Considernd modulul de debit (K) rezult:

IKQ = (2.77)

IQK = (2.78)

22

KQI = (2.79)

Dimensionarea unui canal const n stabilirea valorilor elementelor

geometrice i hidraulice ale acestuia astfel nct, n condiiile date, s transporte

un anumit debit (Q).

Seciunea optim din punct de vedere hidraulic este preferabil ori de cte ori

aceasta este optim i din punct de vedere economic. n unele cazuri, la canalele

din pmnt se accept seciunea transversal diferit de seciunea optim din

punct de vedere hidraulic deoarece:

9 seciunile care se comport cel mai bine la nenmolire i neeroziune au limea relativ ( hb= ) mai mare dect cea corespunztoare lui ( ) optim hidraulic; 9 terasamentele minime la construcia canalului se obin, de cele mai multe

ori, la un ( ) diferit de ( ) optim din punct de vedere hidraulic; 9 plusul de debit transportat de seciunile optime din punct de vedere

hidraulic este relativ mic; pentru micorarea debitului cu 2,5 %, raportul ( ) poate s ating valori de 32 optim hidraulic. Pe baza acestor considerente, se apreciaz c la canalele de irigaie raportul ( ) poate fi de 1 3 sau chiar mai mare. Dimensionarea canalelor se poate efectua analitic, grafic i folosind

ndrumtoare care cuprind tabele i grafice cu elementele geometrice i hidraulice

ale diferitelor canale, grupate dup diverse criterii.

Procedeul analitic de dimensionare a canalelor este riguros dar implic un

volum apreciabil de calcule.

Procedeul grafic permite determinarea rapid a elementelor geometrice i

hidraulice cutate dar, cu precizia mai redus, care depinde de calitatea

nomogramei i abilitatea proiectantului.

Dimensionarea cu ajutorul ndrumtoarelor de dimensionare mbin

rigurozitatea analitic cu operativitatea grafic.

13

Dimensionarea analitic. Dimensionarea analitic a canalelor se poate face

prin metoda clasic i prin metoda seciunilor asemenea. Calculele se conduc n

funcie de elementele cunoscute i de parametrii geometrici i hidraulici care

trebuie determinai.

n cele mai multe cazuri se cunosc: debitul (Q) pentru care trebuie

dimensionat canalul, panta general a terenului pe traseul canalului - care

permite alegerea pantei (I ) - textura materialului de construcie a canalului - n

funcie de care se alege coeficientul de taluz (m) - i condiiile ulterioare de

funcionare a canalului - de care depinde precizarea coeficientului de rugozitate

(, n). n aceste condiii trebuie determinate dimensiunile (b) i (h) ale seciunii udate (). La dimensionarea prin metoda analitic clasic, determinarea elementelor (b)

i (h) se poate face prin ncercri succesive n unul din urmtoarele 3 cazuri:

9 cazul I: se consider cunoscut limea la fund (b) i se calculeaz adncimea apei n canal (h);

9 cazul II: se consider cunoscut adncimea apei n canal (h) i se determin limea la fund (b);

9 cazul III: se impune limea relativ ( ) i se calculeaz (b) i (h). n toate cazurile, pentru rezolvarea problemei se calculeaz modulul debitului

(K ), efectund raportul ntre debitul (Q) i rdcina ptrat din pant (I ).

Dup ce s-a determinat modulul debitului, se dau valori arbitrare elementelor

necunoscute i se calculeaz succesiv , P, R, RC i modulul debitului iiii RCK = pn cnd, din mai multe ncercri KK i .

n continuare, se verific debitul calculat (care trebuie s fie ct mai apropiat

de debitul dat), viteza apei (care trebuie s se situeze n limite admisibile) i

raportul ( ) care trebuie s aib valoarea dat sau s fie ct mai apropiat de ( ) optim din punct de vedere hidraulic.

Pentru dimensionarea grafic a canalelor au fost elaborate nomograme care

permit determinarea expeditiv a elementelor geometrice i hidraulice.

La dimensionarea conductelor sub presiune trebuie s se stabileasc

diametrul i pierderile de sarcin corespunztoare debitului de determinare. n

acest scop, trebuie s se cunoasc, n prealabil, debitul (Q), viteza admisibil (Va )

de circulaie a apei i tipul de conduct (tub) folosit. Se are n vedere

nregistrarea unor pierderi de sarcin hidrodinamic acceptabile, motiv pentru care

viteza apei se alege, de regul, n limitele 1,5 - 2,0 m/s.

14

Relaiile cele mai folosite pentru dimensionarea conductelor sub presiune sunt:

9 pentru conductele metalice i din beton armat precomprimat (PREMO), formula propus de Manning:

21

32

JRKQ = (2.80) 9 pentru conductele din azbociment, formula lui Ludin:

54,065,0 JRKQ = (2.81) n care:

Q - debitul conductei, n m3/s; K - coeficient care depinde de rugozitatea conductei ( 83K = pentru conducte

PREMO i metalice; 134=K pentru conducte din azbociment); - aria seciunii udate, n m2; R - raza hidraulic, n m; J - pierderea liniar de sarcin hidrodinamic, n m/m liniar.

La conductele circulare: 2785,0 D= (2.82)

DR = 25,0 (2.83) n care:

D reprezint diametrul interior (nominal) al conductei, n m.

ntrebri recapitulative Definii legea fundamental a hidrostaticii. Scriei relaiile care exprim presiunea lichidelor pe suprafee plane. Clasificai micarea lichidelor. Precizai i definii legile de baz ale hidrodinamicii. Descriei modalitile de determinare a debitelor pe canale i cursuri naturale de ap.

Descriei modul de folosire a construciilor hidrotehnice de pe canale, pentru determinarea debitului.

Enumerai i definii elementele geometrice i hidraulice ale canalelor. Descriei cazurile de determinare a elementelor (b) i (h) la dimensionarea canalelor prin metoda analitic clasic.

Prezentai succesiunea operaiilor la dimensionarea hidraulic a unui canal.

15

III. NOIUNI DE HIDROLOGIE

3.1 Noiuni de hidrologie. Definiii

3.2 Circuitul apei n natur

3.3 Noiuni de hidrografie

3.4 Noiuni de hidrogeologie

3.5 Noiuni de hidrometrie

3.1 Noiuni de hidrologie. Definiii

Hidrologia studiaz modul de formare a apelor de pe Terra, circulaia i

distribuia teritorial, a acestora, proprietile fizice, chimice i biologice precum

i interaciunea lor cu mediul nconjurtor.

Fenomenele hidrologice, ca i cele meteorologice, sunt dependente de o

mulime de factori, ceea ce le imprim un caracter aleatoriu. De aceea la studierea

proceselor hidrologice, de care depind lucrrile de mbuntiri funciare

(combaterea eroziunii solului, irigaii, desecri, regularizri de cursuri de ap etc),

se folosesc datele i observaiile hidrologice - debite, niveluri - de pe intervale

mari de timp (minim 20 de ani consecutivi), date prelucrate statistic n scopul

stabilirii valorilor celor mai probabile ale fenomenului considerat pentru diferite

asigurri de calcul sau perioade de repetare.

3.2 Circuitul apei n natur

Existena pe Pmnt este nemijlocit legat de ubicuitatea apei ca element al

mediului, constituent al materiei vii i totodat aliment, suport al unei game largi de

surse alimentare dar i al crerii i dezvoltrii aezrilor umane, factor indispensabil

att fertilizrii terenurilor aride ct i al productivitii suprafeelor agricole actuale.

Apa ocup pe Terra circa 71% din suprafa i 93% din volumul planetei.

nc de la nceputurile formrii ei, cu circa 3 miliarde de ani n urm,

hidrosfera - ca nveli terestru - a rmas sub aspect cantitativ, constant,

modificndu-se doar raportul dintre ntinderile oceanului planetar i uscatului

precum i proporia strilor de agregare ale apei: gazoas, lichid, solid.

Volumul total al apei terestre se estimeaz c depete cu puin 1460 mil km3,

din care: 93,8%, adic 1370,3 mil km3 constituie oceanul planetar, apa subteran

16

nsumeaz 60 mil km3, ghearii din regiunile polare i cei continentali includ

29 mil km3 iar diferena de 830.200 km3 se cuprinde n mrile i lacurile interioare

(750.000 km3), apa infiltrat n sol (65.000 km3), vaporii din atmosfer (14.000 km3)

i apele curgtoare (1.200 km3).

Lacurile cu ap dulce i reeaua fluvial - sau disponibilul teoretic accesibil -

reprezint aproximativ 95.000 km3 (0,27% din apa dulce i 0,007% din volumul

global). Din acest disponibil, se apreciaz c oamenii pot capta i valorifica pentru

cerinele existenei, n condiii tehnice i economice convenabile i fr a distruge

ecosistemele acvatice, ntre 20.000 - 30.000 km3, ceea ce nu este prea mult.

Fluiditatea mare i capacitatea de a trece uor din starea lichid n starea de

vapori i invers, face posibil prezena apei n toate geosferele Terrei, prin aa

numitul circuit al apei n natur sau ciclul hidrologic (fig. 3.1).

Ciclul hidrologic (ocean - atmosfer -

uscat - ocean) antreneaz numai o parte din

hidrosfer ( 510.900 km3), se repet anual i se prezint ca o uria uzin planetar care, de

miliarde de ani, funcioneaz nentrerupt pe

baza energiei solare i a gravitaiei, asigurnd

resursele de ap dulce pentru ntreinerea i

perpetuarea vieii dincolo de oceanul planetar.

Se consider c anual, ajung n atmosfer, sub form de vapori,

aproximativ 510.900 km3 ap, din care: 447.900 km3 (88 %) prin evaporare din

oceanul planetar i 63.000 km3 (12 %) prin evapotranspiraie de pe uscat. Prin

condensare i transformare n precipitaii, revin pe suprafaa mrilor i

oceanelor lumii 411.600 km3 (81%) i pe Terra emers 99.300 km3 (19%), din

care: 61.300 km3 (12%) compenseaz evapotranspiraia, iar 38.000 km3 (7%)

constituie scurgerea de suprafa i subteran spre oceanul planetar (v. fig. 3.1).

Aadar, componentele ciclului hidrologic sunt: precipitaiile atmosferice,

evaporaia i transpiraia (evapotranspiraia), infiltraia i scurgerea.

3.2.1 Precipitaiile atmosferice

Consecin a condensrii vaporilor de ap din atmosfer, precipitaiile cad pe

suprafaa Pmntului n stare lichid (ploaie, burni etc) sau solid (zpad,

grindin, chiciur) i constituie sursa natural de aprovizionare cu ap a solului.

Pentru amenajarea teritoriului cu diferite lucrri de mbuntiri funciare,

intereseaz, mai ales, precipitaiile sub form de ploaie i zpad.

Fig. 3.1 Schema circuitului apei n

natur

17

Producerea precipitaiilor n zona fizico-geografic n care se situeaz

Romnia este extrem de variabil n timp i spaiu. Cantitatea medie anual a

precipitaiilor pe teritoriul rii noastre este de aproximativ 630 mm, cu valori

sub 500 mm pe suprafeele din sud i est avnd altitudinea mai mic de 100 m

i de peste 1200 mm n zonele montane nalte. n sezonul cald al anului se

nregistreaz 60 - 70 % din totalul precipitaiilor anuale, cea mai ploioas fiind

luna iunie iar cu cele mai puine precipitaii, luna februarie.

Dependent de mrimea i repartiia anual, lunar i decadal a precipitaiilor

atmosferice, se stabilete tipul de amenajare a teritoriului (pentru irigaii, pentru

eliminarea excesului de ap, pentru prevenirea i combaterea eroziunii solului etc).

Ploile se caracterizeaz prin doi parametri de baz: cantitatea de ap czut (la

o ploaie, n 24 de ore, n 3 - 5 zile consecutive etc) i intensitatea ploii.

Cantitatea de ap czut la producerea precipitaiilor se exprim n mm

grosime strat de ap, l/m2 sau m3/ha.

1 mm grosime strat de ap = 1 l/m2 = 10 m3/ha (3.1)

Cantitatea de ap la producerea unei ploi variaz n limite largi, de la mai

puin de 1 mm, la peste 100 mm iar n 24 de ore se pot produce precipitaii care s

depeasc media lunii respective sau chiar media anual (691 mm, la 24 august

1924 - Letea, Delta Dunrii).

Avnd n vedere caracterul aleatoriu al precipitaiilor atmosferice, la

proiectarea amenajrii teritoriului cu lucrri de mbuntiri funciare, se consider

valorile probabile ale acestora, cu o anumit asigurare de calcul* obinute n urma

prelucrrii datelor dintr-un ir ct mai lung de ani consecutivi n care s-au fcut

nregistrri ale precipitaiilor produse.

Intensitatea ploii se definete ca fiind valoarea raportului ntre cantitatea de

ap czut la producerea unei ploi i durata ploii. Intensitatea ploii se exprim, de

regul, n mm/minut.

t

HI = (3.2)

n care:

I este intensitatea ploii, n mm/minut; H - cantitatea de ap la ploaia considerat, n mm grosime strat de ap; t - durata ploii, n minute.

n calculele hidrologice se obinuiete i exprimarea sub form de intensitatea

specific a ploii sau debitul specific al ploii:

* Prin asigurare de calcul se nelege probabilitatea, n %, ca valoarea unui element

meteorologic sau hidrologic s fie depit de ansamblul tuturor valorilor posibile ale acestuia.

18

t

H7,166I7,166sI == (3.3)

n care:

Is este intensitatea specific ploii, n l/sha; I - intensitatea ploii, n mm/minut;

n funcie de valoarea intensitii, se deosebesc ploi toreniale (cu intensitatea

mare) i ploi obinuite (cu intensitatea relativ mic). S-au propus diverse criterii

pentru aprecierea ploilor toreniale n funcie de durata i intensitatea lor (tab. 3.1).

Tabelul 3.1 Ploile toreniale, n funcie de durat i intensitate minim

Dup Hellmann Dup Donciu Dup Berg Dup Yarnell

Intensitatea ploilor toreniale Durata (minute) obinuite,

n mm/minut excepionale, n mm/minut

Durata (minute) Intensitatea medie, n mm/minut

1 - 5 1,00 2,00 5 0,50 1,27 6 - 15 0,80 1,60 15 0,33 0,59

16 - 30 0,60 1,20 30 0,27 0,42 31 - 45 0,50 1,00 45 0,23 0,37 46 - 60 0,40 0,80 60 0,20 0,34

61 - 120 0,30 0,60 120 0,15 0,30 121 - 180 0,20 0,45 180 0,13 0,28

> 180 0,10 0,30 180 0,10 0,25

Ploile toreniale intereseaz, n mod obinuit, pentru amenajrile de prevenire

i combatere a eroziunii solului.

n general, cu ct o ploaie are intensitatea mai mare, cu att sunt mai mici

durata i arealul de producere ale ploii.

La proiectarea amenajrilor de mbuntiri funciare se au n vedere i

precipitaiile maxime - cu asigurarea de calcul - pe anumite perioade de timp:

9 ploile maxime n 24 de ore, pentru lucrrile de prevenire i combatere a eroziunii solului;

9 ploile maxime n 3 - 5 zile consecutive, pentru lucrrile de prevenire i eliminare a excesului de umiditate;

9 ploile lunare i decadale din sezonul de vegetaie, pentru lucrrile de irigaii. Zpada intereseaz n amenajrile de mbuntiri funciare prin grosimea

stratului, durata de acoperire i intensitatea de topire.

3.2.2 Infiltraia

19

Infiltraia este procesul de ptrundere descendent a apei din precipitaii (sau

din irigaii) n sol i n deplasarea ei spre orizonturile inferioare ale profilului, spre

roca subiacent sau spre pnza de ap freatic.

Infiltraia reprezint volumul de ap ptruns n sol n unitatea de timp, pe

unitatea de suprafa sau, grosimea stratului de ap ptruns n sol n unitatea de

timp, astfel c dimensiunea infiltraiei apei n sol este o vitez care, se exprim

frecvent, n mm/or, cm/or, mm/zi sau m/zi.

Viteza de infiltraie a apei n sol depinde de proprietile solului i ale rocii de

solificare, de starea de acoperire cu vegetaie a terenului, de umiditatea solului n

momentul nceperii ploii, panta terenului, activitatea antropic etc.

3.2.3 Evapotranspiraia

Evapotranspiraia, termen convenional, folosit n practica agricol semnific

suma cantitilor de ap pierdut din sol n perioada de vegetaie, prin evaporaie i

transpiraia plantelor, la care se adaug uneori i pierderile prin percolare.

Evaporaia este faza ciclului hidrologic care const n transformarea apei din

stare lichid n vapori. Evaporaia se produce att la suprafaa liber a apei ct i

la suprafaa terenului (din sol).

Evaporaia la suprafaa liber a apei permite determinarea pierderii apei din

lacurile de acumulare, canalele de irigaie etc.

La suprafaa terenului, evaporaia depinde, att de factorii atmosferici

(deficitul de saturaie n vapori, temperatur, radiaie, vnt) care determin cerina

de evaporaie a atmosferei, ct i de factorii de sol ai evaporaiei (umiditatea

solului, prezena sau absena surselor de rennoire a apei evaporate, nsuirile care

controleaz micarea apei n sol).

n absena surselor de rennoire (apa freatic, precipitaiile sau irigaia),

evaporaia apei din sol se desfoar n trei etape, relativ distincte. n prima etap,

evaporaia este oarecum constant, depinznd de cerina de evaporaie a

atmosferei, n a doua etap, procesul se reduce rapid datorit micorrii umiditii

solului iar n a treia etap, evaporaia devine aproximativ constant, la o valoare

redus, fiind influenat exclusiv de n