Capitolul I.

Noţiuni generale de Hidrologie.

Hidrologia este ştiinţa care se ocupă de studierea resurselor de apă din natură în vederea folosirii lor economice. Mai precis, se ocupă de proprietăţile apelor de suprafaţă, de dinamica lor şi de prognoza evoluţiei elementelor hidrologice. Una dintre noţiunile de hidrologiei care interesează lucrările de îmbunătăţiri funciare este circuitul apei în natură [41, 71, 76, 83, 89, 103, 140, 146].

I.1. Circuitul apei în natură

Circuitul apei este un proces complex prin care apele din natură trec succesiv prin stadiile de evaporaţie, de nori, de precipitaţii, de infiltraţie şi de scurgere. Acest proces care se repetă la nesfârşit, are loc sub influenţa energiei solare, a curenţilor de aer şi a gravitaţiei.

În principiu există două circuite: unul, la suprafaţa uscatului şi altul, la suprafaţa lacurilor, mărilor şi oceanelor. În ambele cazuri apa evaporată ajunge în atmosferă sub formă de nori, se condensează şi revine de unde a plecat prin precipitaţii. O parte din precipitaţii este reţinută de plante, o parte se infiltrează în sol, o parte se evaporă şi o altă parte se scurge ajungând înapoi în mări şi oceane. Nu se poate face o delimitare strictă între cele două circuite, pentru că datorită curenţilor de aer, vaporii de apă trec dinspre uscat spre mări şi oceane şi invers.

Schematic, circuitul apei în natură se prezintă ca în figura I.1.

Figura II.19. Schema circuitului apei în natură

Circuitul apei în natură nu are o desfăşurare uniformă, ci prezintă diferenţieri mari în distribuţia elementelor sale în timp şi spaţiu, din care cauză determină apariţia pe glob a mai multor climate: foarte umede, umede şi aride.

Lucrările de îmbunătăţiri funciare, împreună cu celelalte lucrări care se fac în agricultură pot influenţa, într-o mare măsură distribuţia elementelor circuitului hidrologic. Ele

pot interveni în reducerea evaporaţiei, diminuarea scurgerilor de apă şi sporirea infiltraţiei apei în sol.

Elementele circuitului apei în natură sunt următoarele: precipitaţiile atmosferice; infiltraţia şi filtraţia; evaporaţia şi transpiraţia; scurgerea.

I.1.1. Precipitaţiile atmosferice

În hidrologie, interesează cunoaşterea precipitaţiilor sub formă de ploaie şi zăpadă, deoarece numai acestea constituie surse primare ale scurgerilor. Ploile se analizează din mai multe puncte de vedere: cantitatea de precipitaţii căzută într-un anumit interval de timp; durata de cădere; intensitatea; distribuţia în timp.

Cantitatea de precipitaţii (P) se măsoară în pluviometre şi se înregistrează în pluviografe. Se exprimă în mm coloană de apă sau în l/m2, precum şi în m3/ha. Cantitatea totală anuală diferă de la an la an. De aceea în calculele hidrologice se foloseşte media multianuală rezultată din înregistrările pe o perioadă cât mai îndelungată şi cât mai recentă. Precipitaţiile medii multianuale pentru ţara noastră sunt de 630 mm.

În dimensionarea lucrărilor de îmbunătăţiri funciare o importanţă deosebită o are şi cunoaşterea cantităţilor minime de precipitaţii căzute într-o anumită perioadă şi anume: 24 ore, 2, 3 şi 5 zile consecutive, o decadă, o lună, etc.

Repartiţia precipitaţiilor în ţara noastră este foarte variabilă atât în timp cât şi în spaţiu. Cantitatea cea mai mare, cade la sfârşitul iernii - începutul primăverii, iar cantitatea cea mai mică la sfârşitul verii – începutul toamnei, în lunile octombrie-noiembrie.

Relieful are un rol hotărâtor în repartiţia precipitaţiilor, care cresc în funcţie de altitudine cu aproximativ 22 mm la 100 m.

Intensitatea precipitaţiilor (i) reprezintă raportul dintre cantitatea precipitaţiilor exprimată prin înălţimea de apă (hp) şi durata precipitaţiilor (tp).

; [I.1.]

Se măsoară, de obicei, în mm/min. sau în l/s şi ha.Din punctul de vedere al intensităţii ploile se împart în: ploi torenţiale; ploi de durată.

Torenţialitatea unei ploi se apreciază după mai multe criterii. Cel mai folosit este criteriul Helmann, care ia în considerare atât intensitatea ploii, cât şi durata de cădere. Astfel: Se consideră torenţială o ploaie cu durata (tp) :

- tp = 1-5¢ dacă i > 1 mm/min;- tp = 5-15' dacă i > 0,8 mm/min;- tp = 16-30' dacă i > 0,6 mm/min;- tp = 31-45' dacă i > 0,5 mm/min;- tp = 46-60' dacă i > 0,4 mm/min;- tp = 61-120' dacă i > 0,3 mm/min;- tp = 121-180' dacă i > 0,2 mm/min;- tp > 180' dacă i > 0,1 mm/min;

Pentru calcule aproximative se poate considera că o ploaie este torenţială dacă i > 0,5 mm/min, şi respectiv este o ploaie de durată dacă i < 0,5 mm/min.

Intervalul de timp cu intensitatea maximă se numeşte nucleul ploii torenţiale. Ploile torenţiale, în funcţie de poziţia nucleului de torenţialitate sunt de mai multe tipuri (Figura I.2.):

- cu intensitate uniformă pe toată durata ploii (Figura I.2.a.);- cu intensitate mare la începutul intervalului (Figura I.2.b.); - cu intensitate mare la mijlocul intervalului (Figura I.2.c.);- cu intensitate mare la sfârşitul perioadei (Figura I.2.d.);

6

Pentru ploile torenţiale intensitatea şi durata de cădere precum şi suprafaţa de cuprindere sunt într-un raport invers proporţional, la intensitate mare corespunde o durată de cădere redusă şi o suprafaţă mică.

Figura I.2. Poziţiile nucleului ploilor torenţiale

Tipul ploii torenţiale are o mare importanţă pentru că ne arată modul cum se realizează scurgerea apei pe teren:

- ploile cu nucleul la început nu produc scurgeri mari deoarece intensitatea ploii coincide cu dinamica infiltraţiei apei în sol (mai mare la începutul ploii când solul este uscat);

- ploile cu nucleul la sfârşitul duratei dau naştere la scurgeri foarte mari, pentru că infiltraţia este redusă în acel moment (solul fiind aproape saturat cu apă).

I.1.2. Infiltraţia şi filtraţia

Aceste elemente ale circuitului apei în natură sunt considerate moderatori ai scurgerilor, deoarece la valori mari ale infiltraţiei şi filtraţiei, scurgerea apei este redusă şi invers.

Infiltraţia, ca şi filtraţia se află în strânsă legătură cu permeabilitatea pentru apă a solului, acea proprietate care permite circulaţia mai lentă sau mai rapidă a apei în profilul solului. De permeabilitate este legată mişcarea apei în sol, iar mişcarea apei, la rândul ei, depinde de însuşirile solului (mai ales de textură) şi de gradul de umezire a solului [5, 45, 91, 142].

În solul nesaturat cu apă se întâlneşte fenomenul de infiltraţie, iar în solul saturat, fenomenul de filtraţie. La începutul ploii solul fiind, de obicei, uscat se comportă ca un burete, adică absoarbe apa. Când solul ajunge la saturaţie, când toţi porii sunt plini cu apă, se comportă ca un filtru.Indicele hidrofizic al fenomenului de infiltraţie este viteza de infiltraţie. Se notează cu Vi şi se exprimă, de obicei, în mm/h. Viteza de infiltraţie este o mărime variabilă. La începutul pătrunderii apei în sol viteza de infiltraţie este foarte mare, apoi scade treptat, pe măsură ce solul se umezeşte, ajungând după 4 - 6 ore la o mărime mai mult sau mai puţin constantă (Figura I.3.). De aceea se poate vorbi de o viteză de infiltraţie iniţială, la un moment dat (după o oră, după două, trei ore, etc.) şi o viteza de infiltraţie finală sau stabilizată.

Viteza de infiltraţie depinde de:- proprietăţile solului: textură, porozitate, umiditatea iniţială a solului;- gradul de acoperire a solului: cu vegetaţie, fără vegetaţie;- starea suprafeţei solului: crustă, tasare, afânare;- calitatea apei: chimism, turbiditate, temperatură, etc.

7

Viteza de infiltraţie depinde şi de felul cum intră apa în sol, de aceea şi metodele de determinare sunt diferite:

- în regim static;- în regim dinamic;- în regim de aspersiune (picurare).

Figura I.3. Variaţia vitezei de infiltraţie

În solul saturat cu apă se întâlneşte fenomenul de filtraţie. Indicele hidrografic este viteza de filtraţie, notată cu Vf şi se măsoară în mm/h sau, mai frecvent, în unităţi 10-6cm/s. Pentru unul şi acelaşi sol viteza de filtraţie are valoare constantă.

I.1.3. Evaporaţia şi transpiraţia

Evaporaţia reprezintă cantitatea totală de apă care se răspândeşte în atmosferă sub formă de vapori, prin acţiunea radiaţiilor solare, a influenţei umidităţii atmosferice şi a curenţilor de aer.

Cunoaşterea evaporaţiei de la suprafaţa apei permite determinarea pierderilor de apă din lacuri, canale, etc. Este dată de cerinţa de evaporaţie a atmosferei (numită şi evaporaţie potenţială) şi se poate măsura experimental folosind evaporimetre de diferite tipuri. În reţeaua de avertizare a udărilor din sistemele de irigaţie din ţara noastră se folosesc evaporimetre Bac clasa A.

Evaporaţia apei de la suprafaţa solului depinde de factori climatici şi pedologici.Factorii climatici includ deficitul de saturaţie în vapori de apă, temperatura, radiaţia şi

vântul. Factorii pedologici sunt caracteristicile solului care determină circulaţia apei în sol,

conductivitatea hidraulică, textura, porozitatea. Se deosebesc două situaţii şi anume: evaporaţia în absenţa şi în prezenţa apei freatice. Evaporaţia în absenţa apei freatice este procesul de uscare a solului. Viteza de uscare

a solului variază în timp, ea scade rapid deoarece curând după începerea fenomenului se formează la suprafaţa solului un strat uscat prin care apa nu mai circulă decât extrem de încet şi care protejează solul împotriva evaporaţiei. Canarache A., [12] consideră că solul se poate usca prin evaporaţie pe o grosime de 30-50 cm.

Deşi redusă cantitativ, evaporaţia poate avea efecte importante pentru producţia agricolă, ea afectând stratul superficial de sol. Uscarea acestuia poate întârzia sau chiar reduce total germinaţia şi răsăritul sau se pot pierde plante abia răsărite.

Evaporaţia, în prezenţa apei freatice, creşte pe măsură ce creşte sucţiunea în stratul superior al solului şi pe măsură ce adâncimea apei freatice este mai mică. Apa pierdută prin evaporaţie este înlocuită de apa stratului freatic. Pe solurile fără vegetaţie evaporaţia este mai mare decât pe solurile acoperite de vegetaţie.

8

Transpiraţia este cantitatea de apă efectiv consumată de plante. Pe un teren cultivat este greu să se măsoare distinct evaporaţia şi transpiraţia, de aceea cele două elemente se determină împreună.

Evapotranspiraţia reprezintă cantitatea de apă pierdută la suprafaţa solului la care se adaugă cantitatea de apă pierdută prin transpiraţia plantelor. Această sumă de cantităţi de apă pierdute din sol se numeşte convenţional consum total de apă al culturilor.[33] Pentru lucrările de îmbunătăţiri funciare interesează cunoaşterea evaporaţiei la suprafaţa apei şi a evapotranspiraţiei.

Atât evaporaţia cât şi transpiraţia se măsoară în mm c.a sau în m 3/ha. Transpiraţia depinde de diferenţa de presiune a vaporilor din sol şi a celor din atmosferă. Este influenţată de stadiul de dezvoltare al plantelor, temperatură, radiaţie solară, vânt şi umiditatea solului.

Dintre elementele componente ale circuitului apei, transpiraţia este cel mai complex fenomen, deoarece pe lângă sol şi atmosferă este inclusă şi planta, deci pe lângă procese hidrofizice şi meteorologice cantitatea de apă consumată este influenţată şi de procesele fiziologice, consumul fiind mai mare la fenofazele critice.

I.1.4. Scurgerea

Din cantitatea totală de precipitaţii căzute, partea care nu se infiltrează şi nu se evaporă reprezintă scurgerea. Scurgerea are loc pe terenurile în pantă. Prezintă importanţă în formarea debitelor cursurilor de apă, în alimentarea lacurilor, mărilor şi oceanelor. În acelaşi timp are şi efecte negative prin fenomenele de eroziune pe care le provoacă.

Scurgerea se întâlneşte pe versanţi şi în albii. Pe versanţi scurgerea poate fi dispersată când se produce pe suprafeţe întinse şi concentrată sub formă de şuvoaie de apă. Scurgerea în albii se întâlneşte în cursurile de apă: pâraie, râuri, fluvii [48, 87].

Scurgerea este influenţată atât de factori naturali cât şi de factori antropici. Factorii naturali care influenţează scurgerea apei la suprafaţa versanţilor sunt clima (precipitaţii, temperaturi) şi caracteristicile bazinului hidrografic (forma şi mărimea bazinului, relieful, solul, vegetaţia). Factorii antropici, reprezentaţi de activitatea omului, pot mări sau micşora volumul de apă scurs pe versanţi.

Scurgerea pe versanţi se caracterizează printr-o serie de parametri şi anume: coeficientul de scurgere; scurgerea medie specifică; viteza de scurgere a apei; timpul de concentrare; volumul şi debitul scurgerii.

Coeficientul de scurgere (Ks) reprezintă raportul dintre volumul de apă scurs (Ws) în urma unei ploi şi totalul precipitaţiilor căzute (Wp) într-o perioadă dată. Coeficientul de scurgere este fracţiune, din totalul precipitaţiilor căzute.

< 1; [I.2.]

Scurgerea medie specifică (modulul scurgerii) reprezintă volumul de apă scurs de pe suprafaţa de 1 km2 în unitatea de timp. Se măsoară în l/s.şi km2. Are o variaţie în limite foarte largi, de la 0,5-2 la şes, până la 50 pentru munţii înalţi.

Viteza de scurgere (v) a apei pe versanţi se poate determina cu mai multe formule. Cea mai întâlnită este următoarea:

; [I.3.]în care:

m - coeficient egal cu 1 în cazul scurgerii laminate şi cu 2 în cazul scurgerii turbulente;c = α

α - coeficient de rugozitate (7 - 30);Ks –coeficient de scurgere;I – panta terenului;i – intensitatea precipitaţiilor;

9

L – lungimea versantului.Timpul de concentrare (Tc) este timpul necesar apei de scurgere pentru a ajunge de la

locul de formare, până la un punct considerat. Sau, timpul parcurs de o picătură de ploaie de la cel mai îndepărtat punct al bazinului, până la punctul considerat.

Timpul de concentrare se foloseşte la dimensionarea lucrărilor de combatere a eroziunii solului. Poate fi mai mare sau mai mic decât durata ploilor. Cazul defavorabil care conduce la scurgeri maxime, este atunci când timpul de concentrare este mai mic decât durata ploii. Timpul de scurgere depinde de lungimea de scurgere (L) şi de viteza apei scurse (V):

[I.4.]

în care:Tc – timpul de scurgere exprimat în ore;L – lungimea cursului de apă, în km;v – viteza apei, în m/s.Volumul scurgerii (Ws) şi debitul de scurgere (Q) se pot determina cu formulele:

[I.5.]

[I.6.]

în care: S - suprafaţa de colectare a apei, în ha;Ks – coeficient de scurgere;H – ploaia de calcul, în mm;i – intensitatea ploii, în mm/min.;tp – durata ploii;Tc – timpul de concentrare;0,167 – coeficientul care rezultă din transformarea suprafeţei din ha în m2 şi a

intensităţii ploii din mm/min în m/s. Reprezentarea grafică a scurgerii: Cea mai simplă formă de reprezentare se face cu

ajutorul hidrografului. Hidrograful este un mijloc de reprezentare grafică a variaţiei debitului în funcţie de timp. Pentru aceasta pe ordonată se trec debitele iar pe abscisă timpul. Cel mai simplu hidrograf este hidrograful debitelor medii zilnice care se întocmeşte pe baza înregistrărilor zilnice ale debitului. (Figura I.4.)

Pentru reprezentarea hidrografului viiturii trebuie să se cunoască relaţiile dintre durata viiturii T, timpul de concentrare tc, durata aversei t, precum şi debitul maxim, formule prezentate mai sus. (Figura I.5.) Principalele probleme ale hidrologiei sunt: probabilitatea şi corelaţia hidrogeologică; ciclul hidrologic anual şi global şi regimul hidrogeologic al apelor de suprafaţă şi subterane.

Figura I.4. Hidrograful debitelor medii zilnice

10

Figura I.5. Hidrograful viiturii

I.2. Hidrografia

Hidrografia este ramura a hidrologiei care se ocupă cu descrierea şi caracterizarea bazinelor hidrografice, a apelor de suprafaţă de pe un anumit teritoriu, precum şi cu modul de reprezentare grafică a diverselor elemente ale cursurilor de apă.

I.2.1. Bazinul hidrografic. Parametrii bazinului

Bazinul hidrografic se mai numeşte bazin de recepţie sau bazin de colectare a apei. Bazinul hidrografic este teritoriul care cuprinde reţeaua hidrografică şi de pe care aceasta îşi colectează apele.

Parametrii bazinului hidrografic sunt: perimetrul, suprafaţa, forma, altitudinea medie, panta medie şi orientarea bazinului.

1. Perimetrul bazinului hidrografic (Pb).Reprezintă linia închisă a cotelor celor mai înalte ale suprafeţei bazinului hidrografic,

care separă teritoriul interesat de bazinele hidrografice limitrofe. Se mai numeşte cumpăna apelor sau linia de despărţire a apelor. Trasarea perimetrului se face pe hărţi topografice având relieful redat prin curbe de nivel. Se măsoară în km.

2. Suprafaţa bazinului hidrografic (Sb).Reprezintă aria teritoriului delimitată de cumpăna apelor. Se măsoară în km2 sau în ha

(1 km2 = 100 ha). Suprafeţele bazinelor hidrografice pot fi de la câţiva km2, până la zeci, sute de mii şi chiar milioane de km2.

3. Forma bazinului hidrograficDin punct de vedere al formei (Figura I.6.) se întâlnesc: bazine înguste, alungite

(Figura I.6.a.), triunghiulare (Figura I.6,b.), sub formă de pară (Figura I.6.c.), ovale sau circulare (Figura I.6.d.), etc.

Pentru caracterizarea formei unui bazin hidrografic se poate folosi lăţimea medie a bazinului (Bmed), determinată cu relaţia:

[I.7.]

în care:Sb - suprafaţa bazinului;L – lungimea bazinului pe axul median.

11

Figura I.6. Forma bazinelor hidrografice

Pentru a determina forma bazinului se calculează indicele de formă (j) care exprimă abaterea de la forma circulară de aceeaşi suprafaţă.

[I.8.]

Indicele de formă poate avea o valoare maximă de 1.4. Altitudinea medie a bazinului (Hm)Se determină de pe planurile de situaţie ale bazinului hidrografic, pe care relieful este

reprezentat prin curbe de nivel:

[I.9.]

în care:si – suprafeţele parţiale dintre două curbe de nivel;Hi, Hi+1 – cotele curbelor de nivel care delimitează suprafeţele parţiale.5. Panta medie a bazinului hidrografic (Im)Se calculează cu formula:

[I.10.]

în care:ΔH - echidistanţa curbelor de nivel din bazinul hidrografic, de suprafaţă Sb;Σl – lungimea totală a curbelor de nivel din bazinul hidrografic.6. Orientarea bazinelor hidrograficeBazinele hidrografice pot avea orientări N-S, E-V, etc. Orientarea bazinelor

influenţează viteza de topire a zăpezilor de pe versanţi. Orientarea N-S determină o topire mai puţin accentuată, versanţii fiind expuşi alternativ razelor solare. În schimb orientarea E-V provoacă topiri bruşte şi ca urmare, scurgeri mari de apă.

I.2.2. Reţeaua hidrografică. Parametrii reţelei

Totalitatea firelor de apă permanente sau temporare, naturale sau artificiale, cu sau fără debit permanent, de pe un anumit teritoriu sau bazin hidrografic reprezintă reţeaua hidrografică.

După mărimea lor reţelele pot fi: elementare: izvoare, şuvoaie, pâraie; principale: râuri mici, mijlocii şi mari; magistrale (fluviale): fluvii.

Reprezentarea reţelei hidrografice este asemănătoare cu forma unui trunchi de copac, cu multe ramificaţii, care reprezintă pâraie, râuri, fluvii, lacuri, etc. (Figura I.7.)

12

Figura I.7. Reţeaua hidrografică

Parametrii reţelei hidrografice dintr-un bazin hidrografic sunt: ordinul de mărime, lungimea şi densitatea reţelei.

1. Ordinul de mărime al ramificaţiilor, respectiv cursul principal –ordinul 1, afluenţi principali – ordinul 2, afluenţi secundari – ordinul 3, etc.

2. Lungimea reţelei (L) Reprezintă suma lungimii tuturor ramificaţiilor (tuturor firelor de apă). Lungimea reţelei hidrografice se determină prin planimetrarea traseului pe hărţile topografice ale bazinului hidrografic şi este exprimată în km.

3. Densitatea reţelei (d) este un indicator al gradului de frământare al terenuluiExistă mai multe criterii pentru a defini densitatea unei reţele hidrografice:

- ca raport între numărul total al afluenţilor (nr. afl.) şi suprafaţa bazinului (Sb):

[I.11.]

- ca raport între lungimea totală a reţelei (L) şi suprafaţa bazinului (Sb):

[I.12.]

I.2.3. Elementele componente ale cursurilor de apă

Cursul apelor de suprafaţă, traseul acestora de la izvor până la punctul de vărsare poate fi împărţit în trei sectoare:

- cursul superior, caracterizat prin pante longitudinale şi viteze de curgere mari, specific parcursului montan;

- cursul mijlociu, caracterizat prin pante mai line şi viteze în scădere, specific parcursului colinar;

- cursul inferior, cu pante longitudinale şi viteze de curgere mici şi traseu sinuos, caracteristic zonei de câmpie.

Albia unui curs de apă este determinată hidrografic prin trei elemente: traseul în plan, profilul transversal şi profilul longitudinal.

Traseul în plan. În general, se prezintă sub forma unor sinuozităţi normale şi pronunţate, curbe şi contracurbe legate între ele prin aliniamente de lungimi diferite.

Sinuozităţile pronunţate se numesc meandre. Se observă principalele elemente: talvegul (arată traiectoria curenţilor de apă), malul concav cu procese de erodare şi malul convex cu depuneri de aluviuni. (Figura I.8.)

13

Figura I.8. Traseul unui curs de apă

Talvegul este linia sinuoasă care ar putea fi trasată la un moment dat de-a lungul unui curs de apă, prin punctele de cotă minimă (aflate sub oglinda apei);

În legătură cu traseul în plan se determină coeficientul de sinuozitate (Cs) care este raportul dintre lungimea reală a sectorului de râu şi lungimea segmentului de dreaptă dintre capetele sectorului. Cu cât râul este mai rectiliniu, cu atât coeficientul Cs se apropie de l.

Profilul transversal. Cursurile de apă prezintă o albie minoră în care se scurg apele mici şi mijlocii şi o albie majoră prin care se scurg apele mari (viiturile), la revărsări (Figura I.9).

Albia minoră este partea din albia unui râu ocupată de apele acestuia cea mai mare parte a anului la debite şi niveluri minime sau medii.

Figura I.9. Profilul transversal al unui curs de apă

Albia majoră este albia ocupată de apele râului la debite şi niveluri maxime, caracteristice perioadelor de viitură/ape mari, determinate de topirea zăpezilor cumulate cu precipitaţiile de primăvară sau de ploi torenţiale şi de durată.

Albia minoră are, în general, o formă parabolică, iar albia majoră are o formă aproape dreptunghiulară.

Profilul longitudinal al unei albii este reprezentat de cota talvegului, linia cu adâncimea de apă cea mai mare. Reprezentarea grafică a cotelor talvegului permite determinarea pantei longitudinale, pe diferite sectoare ale cursului de apă.

La profilul longitudinal se disting trei sectoare:- sectorul amonte (sau superior) cu pante mari caracterizate prin procese de eroziune

datorate vitezelor mari de scurgere a apei;- sectorul de tranzit (sau mijlociu) cu pante mai mici decât cele ale sectorului amonte.

Prezintă o stare de echilibru între eroziune şi depunere.- sectorul aval (sau inferior) cu pantele cele mai mici rezultând depuneri şi o tendinţă

de ridicare a fundului albiei.

14

Albie majoră

Albie minoră

Talveg

Mal convex

Mal concav

ErodareDepuneri

I.3. Hidrometria

Hidrometria este ramura hidrologiei care se ocupă de măsurarea parametrilor cursurilor de apă (niveluri, viteze, debite etc.). Măsurarea acestor parametri se execută în punctele caracteristice ale cursului de apă numite, după importanţa lor, staţii sau posturi hidrometrice. [80].

Totalitatea staţiilor şi posturilor hidrometrice de pe un teritoriu constituie reţeaua hidrometrică. Staţiile şi posturile hidrometrice se amplasează pe sectoare rectilinii ale albiei minore, cu secţiune transversală cât mai constantă, cu pantă uniformă şi cu procese reduse de albie. Sunt prevăzute cu aparate speciale, utilaje, construcţii, personal tehnic, reţea de comunicare etc.

Observaţiile şi măsurătorile efectuate în reţeaua hidrometrică se referă la nivelul apei în secţiunea de control, adâncimea apei, viteza, debitele lichide şi solide, evaporaţia la luciul api, temperatura apei şi altele. Tot aici se prelevă probe de apă pentru analize chimice şi biologice pentru stabilirea indicilor de calitate.

Rezultatele măsurătorilor efectuate în reţeaua hidrometrică se publică în anuare speciale.

I.3.1. Hidrometria nivelurilor de apă

Nivelul apei este cota oglinzii de apă într-un punct oarecare al albiei şi la un moment dat. Nivelurile se măsoară cu instalaţii speciale de tipul mirelor hidrometrice, limnigrafelor şi telelimnigrafelor.

Mirele hidrometrice sunt rigle asemănătoare mirelor topografice confecţionate din lemn pe care se aplică plăci metalice cu diviziuni din 2 în 2 cm şi cu cifre indicatoare de decimetri (Figura I.10). Mirele se instalează vertical sau înclinat, pe picioarele podurilor şi respectiv, pe maluri înclinate. În al doilea caz se are în vedere ca gradaţiile să corespundă diferenţei de înălţime (pe verticală) de 2 cm.

Figura I.10. Diferite tipuri de mire hidrometrice(după Oncia Silvica – 2004)

Măsurarea nivelurilor, în posturi hidrometrice se poate face şi cu mire portabile. Staţiile mai sunt prevăzute cu mire speciale (cu zimţi) care marchează, într-o anumită perioadă de timp, nivelul maxim, respectiv nivelul minim al apei.

Fiecare miră hidrometrică are cota punctului „zero” cunoscută, trecută în anuare hidrologice. Cota luciului de apă se poate determina adunând la „cota zero” a mirei, nivelul de apă citit pe miră (H).

Cota apei = Cota „0” + H; [I.13.]

15

Limnigrafele sunt aparate automate pentru înregistrarea nivelurilor de apă. Limnigrafele pot înregistra variaţiile zilnice, săptămânale sau lunare ale nivelurilor de apă.

Părţile componente ale unui limnigraf sunt redate în figura I.11.

Figura II.11. Schema unui limnigraf

Telelimnigrafele sunt instalaţii asemănătoare limnigrafelor, care măsoară şi transmit automat nivelul la distanţă sau chiar diagrama de variaţie în timp a nivelurilor. Ele se folosesc în special la staţiile hidrometrice importante, izolate, cu acces dificil.

Reprezentarea grafică a nivelurilor de apă în ordine cronologică se numeşte hidrograful nivelurilor. Nivelurile de apă au o variaţie în limite foarte largi: variaţii zilnice, chiar orare, variaţii lunare, anuale şi multianuale.

Din punct de vedere hidrologic interesează determinarea unor niveluri caracteristice:- nivelul maxim istoric (numit şi maximum maximorum) cel mai mare nivel înregistrat

pe un curs de apă într-o perioadă îndelungată;- nivelurile maxim, mediu şi minim anual;- nivelul minim istoric (minimum minimorum) cel mai scăzut nivel înregistrat.Aceste niveluri se află înscrise în Anuarele Hidrologice, şi sunt valori folosite în

proiectarea lucrărilor de regularizare şi îndiguire a râurilor respective.

I.3.2. Hidrometria adâncimilor cursurilor de apă

Aparatura folosită este în funcţie de mărimea adâncimilor, lăţimea albiei, viteza curentului şi de precizia impusă. Pentru adâncimi mici de sub 1 m se pot folosi mire topografice, bare sau ţevi gradate, prăjini etc. Pentru adâncimi mari se folosesc sonde de mână sau instalaţii speciale care utilizează cabluri metalice înfăşurate pe trolii portabile sau montate pe bărci, pontoane, şalupe. (Figura I.12.)

La măsurarea adâncimilor se ţine seama şi de viteza apei care, dacă depăşeşte 1,5 m/s, poate deforma citirile, mai precis, poate deplasa cablul spre aval cu un unghi α. Pentru adâncimi foarte mari se foloseşte procedeul acustic, cu unde sonore sau ultrasonore.

Măsurătorile de adâncimi pe cursurile de apă sunt folosite pentru reprezentarea grafică a profilelor longitudinale şi transversale şi respectiv a planului cu izobate, linii curbe de aceiaşi adâncime.

16

Figura I.12. Măsurarea adâncimilor cursurilor de apă

I.3.3. Hidrometria vitezelor

Viteza apei pe râuri se măsoară prin aceleaşi metode ca în cazul reţelei de canale din sistemele de îmbunătăţiri funciare: cu flotorii, cu tubul lui Pitôt şi cu morişca hidrometrică.[77, 101, 107, 116, 138]

Flotorii sunt corpuri plutitoare (sticle umplute 3/4, rondele de lemn, etc.) care lansate pe firul apei se deplasează împreună cu apa. (Figura I.13.)

Figura I.13. Flotori utilizaţi pentru măsurarea vitezei

Pentru măsurarea vitezei apei cu ajutorul flotorului se fixează pe unul din malurile cursului de apă două repere A şi B situate la o distanţă (L) de 50 - 200 m. Se cronometrează timpul (T) parcurs de flotor între cele două puncte. Viteza apei rezultă din relaţia:

[I.14.]

unde K este un coeficient de corecţie pentru determinarea vitezei medii.Măsurare a vitezei apei cu tubul Pitôt constă în următoarele: tubul de sticlă de forma

literei L se introduce în apă cu latura scurtă îndreptată în sens invers curentului de apă (Figura I.14.). Cu cât curentul de apă este mai rapid, cu atât supraînălţarea apei în tub h este mai mare.

Metoda dă rezultate bune numai pe cursurile de apă cu viteze de peste 0,30 m/s şi cu adâncimea apei sub 1,50 m. Viteza să măsoară pe baza supraînălţării apei în tub (h) datorită energiei cinetice.

[I.15.]în care: g = 9,81 m/s2

17

Figura I.14. Măsurarea vitezei apei cu tubul Pitôt

Măsurarea vitezei cu morişca hidrometrică se bazează pe proporţionalitatea dintre viteza de rotaţie a elicei şi viteza apei. (Figura I.15.)

Cu cât viteza apei este mai mare, cu atât elicea se roteşte mai repede. Viteza apei se determină în funcţie de turaţia specifică folosind curba de etalonare a moriştii. Pentru măsurători cu morişca hidrometrică adâncimea apei trebuie să fie de min. 0,15 m, iar viteza, de peste 0,1 m/s.

Morişca se introduce în apă la adâncimea dorită, cu elicea îndreptată în sens invers curentului de apă. Cu ajutorul unui mecanism de înregistrare se poate cunoaşte numărul total de rotaţii (nr.) realizate într-un interval de timp (t). Pe baza acestor date se calculează turaţia specifică (ns).

[I.16.]

Figura I.15. Morişca hidrometrică

Vitezele în secţiunea activă a unui curs de apă variază atât în plan orizontal, cât şi în plan vertical, fiind mai mari în zona centrală şi mai mici în apropierea fundului şi malurilor, datorită rugozităţii acestea. (Figura I.16.)

18

Figura I.16. Variaţia vitezei apei în secţiunea activăPentru determinarea vitezei medii a apei ce trece prin secţiunea considerată este

necesară explorarea câmpului de viteze, reprezentate în diagramele de mai sus, pe mai multe adâncimi caracteristice şi mai multe traverse (orizontale) folosind morişca hidrometrică.

I.3.4. Hidrometria debitelor

Debitul reprezintă volumul de apă ce trece printr-o secţiune activă în unitatea de timp, fiind exprimat în m3/s sau l/s. Debitele se pot determina prin mai multe metode: directă, metoda vitezelor, micşorarea locală a secţiunii de scurgere şi metoda chimică (a diluţiei).

Cea mai utilizată este metodă pentru determinarea debitului cursurilor de apă este legată de metoda determinării vitezelor cu morişca hidrometrică.

Prin această metodă debitul se determină astfel:- se reprezintă profilul transversal al albiei la o scară potrivită; - se calculează suprafaţa secţiunii ocupată cu apă (secţiunea muiată);- se determină viteza medie a apei folosind una dintre metodele prezentate anterior;Debitul de apă rezultă din relaţia:

[I.17.]în care:

ω - secţiunea muiată; Vmed – viteza medie a apei.Dacă secţiunea activă a unui curs de apă este stabilă şi nu suferă modificări, după mai

multe măsurători, între debitul tranzitat Q şi înălţimea de apă măsurată în această secţiune se poate stabili o corelaţie semnificativă, datorită faptului că debitul este direct proporţional cu mărimea secţiunii ω şi cu viteza de scurgere medie Vmed. La rândul lor suprafaţa secţiunii active şi mărimea vitezei medii sunt direct dependente de înălţimea de apă H măsurată în această secţiune:

[I.18.]Prin reprezentarea grafică a funcţiei Q = f(H) rezultă o curbă, numită cheie

limnimetrică, cu ajutorul căreia, dacă se intră pe o axă cu valoarea adâncimii de apă H se poate citi pe cealaltă axă mărimea debitului Q tranzitat.

I.4. Probabilitatea hidrologică

Probabilitatea hidrologică oferă metode ştiinţifice de calcul şi datele de bază pentru caracterizarea şi stabilirea regimului cursurilor de apă, al lacurilor şi acviferelor (apelor subterane), între acestea cele mai importante sunt valorile caracteristice ale nivelurilor şi debitelor (minime, medii şi maxime) de apă, ale debitelor solide, etc. Rezultatele obţinute de

19

hidrometrie, prelucrate statistic şi probabilistic sunt date de bază în proiectarea, execuţia şi exploatarea lucrărilor hidroameliorative.

Probabilitatea hidrologică se ocupă cu stabilirea relaţiilor de calcul a probabilităţii şi a asigurării de depăşire sau nedepăşire a unor evenimente (aici mărimi fizice ca debite sau niveluri de apă din resursele de suprafaţă şi subterane), necesare proiectării lucrărilor hidrotehnice.

Probabilitatea este o mărime fizică folosită în formularea legilor statistice ale fenomenelor care nu sunt perfect determinate prin anumite condiţii experimentale date. Axiomatic, probabilitatea corespunde cu frecvenţa relativă a unui eveniment şi se exprimă în fracţiuni subunitare sau în procente.

Relaţia de calcul a probabilităţii cel mai des utilizată are la bază funcţia Pearson (tip III) cu expresia [29]:

[I.19.]unde:

u = - ; şi A = ; [I.20.]

în care:x – valoarea dintr-un şir de observaţii pentru care se doreşte determinarea probabilităţii;e – baza logaritmilor naturali;a – parametru; - abaterea medie pătratică a tuturor valorilor pe care le ia evenimentul studiat;(a+1) - integrala Euler (speţa II) sau funcţia Gama;Asigurarea de depăşire hidrologică exprimă probabilitatea ca un eveniment de o

anumită mărime xi, dintr-un şir de observaţii îndelungate x1, x2, ....xn de a fi depăşită în viitor de o valoare mai mare.

Valoarea probabilităţii se obţine prin integrarea curbei date de funcţia considerată, pe intervalul x1 - +∞:

; [I.21.]

în care:P – probabilitatea de depăşire;φ(x)- funcţia care descrie evoluţia evenimentului x pentru perioada de observaţii;În practică se folosesc funcţii simple. De exemplu dacă dispune de un şir de observaţii

privind adâncimile medii anuale, măsurate în secţiunea de control a unui râu, pe o perioadă de 30 de ani, x1, x2, x3 ...x30 (n = 30) calculul probabilităţii de depăşire a înălţimii x i = 700 cm se realizează astfel:

- se ordonează descrescător valorile şirului de observaţii:x7 > x24 > x16 > …….> X30;

- se caută în această ordonare a celor n valori poziţia i a înălţimii de apă cu valoarea de 700 cm;

- probabilitatea de depăşire P a acestei valori se obţine cu relaţia:

[I.22.]

unde:i – numărul de ordine a valorii xi = 700 cm în înşiruirea descrescătoare;n – numărul total de valori luate în calcul;Probabilitatea se exprimă în procente <%>. O probabilitate de depăşire de 5 % indică

faptul că evenimentul analizat poate fi depăşit o dată la o perioadă de timp T exprimată în ani:

[I.23.]

20

Cu alte cuvinte, probabilitatea de depăşire de 5 % sugerează faptul că adâncimea medie anuală xi = 700 cm, dintr-un şir de observaţii n = 30, poate fi depăşită o dată la 20 de ani. Dacă coronamentul digului din acea secţiune este la înălţimea de 700 cm, faţă de fundul albiei, se poate spune că acesta va fi depăşit cu o frecvenţă de o dată la 20 de ani.

Asigurarea de nedepăşire a unei valori xi dintr-un şir de observaţii xn indică frecvenţa anilor în care valorile evenimentului considerat vor fi mai mici decât valoarea x i considerată. De data aceasta integrarea curbei se face pe intervalul o – xi:

; [I.24.]

Asigurarea de nedepăşire se calculează pentru a stabili frecvenţa secetelor, în vederea dimensionării sistemelor de irigaţii. Dacă considerăm un şir de 25 de ani în care s-au înregistrat precipitaţiile medii anuale, interesează asigurarea de nedepăşire a unei valori x i = 450 mm. După ce s-au ordonat toate valorile şirului de precipitaţii medii anuale descrescător şi s-a stabilit numărul de ordine a valorii de 450 mm, probabilitatea de nedepăşire se determină cu relaţia:

[I.25.]

Perioada T de nedepăşire a evenimentului considerat, pentru o asigurare P = 80 %, se calculează cu relaţia:

[I.26.]

În aceste condiţii anii secetoşi, cu precipitaţii medii multianuale mai mici de 450 mm vor avea o frecvenţă de o dată la 5 ani.

21