APA IN NATURA

1.1. Introducere. Generalitati. Apa in natura.

Apa reprezinta o componenta primara a planetei denumita Pamant (Terra), alaturi de aer si de scoarta terestra. Datorita faptului ca cele trei componente prezinta continuitate pe planeta, iar aceasta are forma generala a unei sfere, aceasta denumire s-a transmis si la cele 3 invelisuri: Litosfera, Hidrosfera, Atmosfera. Aceeasi repartitie cvasitotala o prezinta si alte componente derivate ale Pamantului, cum ar putea fi vietuitoarele Biosfera.

Prin coexistarea celor patru invelisuri exista, evident, si puternice legaturi de interdependenta intre acestea. In ceea ce priveste Hidrosfera, legaturile acestui invelis cu celelalte sunt mai puternice si aceasta se datoreaza unor proprietati speciale ale acestui element.

In primul rand apa exista in natura sub toate cele trei stari de agregare: lichida, gazoasa (vapori de apa) si solida (gheata si zapada). Aceasta face ca apa sa prezinta mai multe valente de interpatrundere cu celelalte invelisuri. Poate numai vietuitoarele (Biosfera), datorita posibilitatilor largi de adaptare si de organizare a formelor si dimensiunilor, sa prezinte astfel de valente largi de aprehensiune cu celelalte elemente ale Terrei, dar nu depaseste totusi posibilitatile apei. De exemplu, in tinuturile foarte reci (polare), apa ocupa calote uriase de gheata, in timp ce organismele aproape lipsesc.

Legaturile hidrosferei cu litosfera sunt multiple:

Litosfera ofera suportul pe care apa poate exista sub toate cele trei stari de agregare: lichida (in mari si oceane, cursuri de apa, lacuri, balti si mlastini, in porii si fisurile rocilor etc.), solida (in ghetari, zapezi persistente) si gazoasa (in vaporii de apa din atmosfera si din roci);

Litosfera, prin dinamica sa, determinata de agentii interni (fortele endogene) contribuie la modificarea contururilor unitatilor acvatice, a formelor si dimensiunilor acestora;

Litosfera, prin treapta geotermica sau prin fenomene magmatice contribuie la modificari ale temperaturii apei si chiar la trecerea acesteia din stare lichida in stare de vapori, sau invers, vaporii de apa, intalnind rocile reci, precipita sub forma de roua sau bruma;

Hidrosfera, la randul sau, reprezinta un agent modelator de prim ordin asupra scoartei terestre cu actiune tripla: eroziune, transport si acumulare, mai ales in stare lichida, dar si solida;

Apa contribuie la dezagregarea si alterarea scoartei terestre;

Apa distruge, dar si creeaza formele de relief sub care se prezinta litosfera;

Legaturile hidrosferei cu atmosfera sunt, de asemenea, multiple:

Apa, exista in atmosfera sub forma de vapori si in stare lichida in picaturile care formeaza norii si genereaza ploile;

Apa, contribuie la circuitul apei in natura;

Elemente ale aerului (oxigenul, azotul) se dizolva in apa si impreuna, contribuie la mentinerea vietii.

Daca ne referim la interdependenta dintre hidrosfera si biosfera mentionam numai faptul ca viata a aparut in apa si nu poate exista fara acest lichid. Toate organismele contin apa in proportii diferite: unele pana la peste 98 %.

Din cele mai sus rezulta ca apa reprezinta un invelis continuu, complex si diferentiat: mari si oceane, lacuri, rauri, ghetari, mlastini si balti, in roci si in atmosfera.

Rezervele cele mai importante de apa de pe Terra se gasesc in mari si oceane. Prin dizolvarea unor saruri din roci, apele marine au o anumita incarcatura chimica, cu o concentratie medie de 35 gr/l. Aceste concentratii sunt mai mari in regiunile calde, tropicale si mai mici in regiunile reci, unde exista un aport mai important de apa dulce din rauri: Ex. M. Baltica 14 18 , M. Neagra 24 25 , spre deosebire de Golful Oman unde salinitatea depaseste 37 .

Desi hidrosfera este un invelis cvasicontinuu, pe glob repartitia acesteia prezinta totusi anumite grade de neuniformitate. Astfel, daca ne referim la cele doua emisfere, nordica si sudica, se poate constata ca in emisfera nordica predomina ariile oceanice (154.500.000 km²) fata de cele ale uscatului (100.500.000 km²) dar in proportie mai mica (raport 1,5)fata de emisfera sudica unde suprafata oceanica (206.500.000 km²) este de 4,2 ori mai mare decat cea a uscatului (48.000.000 km²).

In ansamblu din suprafata totala a globului terestru de 510 milioane kmp, uscatul reprezinta 29,2 % (149 milioane km²), in timp ce marile si oceanele ocupa 70,8 % (361 milioane km²). Numai Oceanul Pacific, singur, are o suprafata mai mare decat a intregului uscat. (178,7 milioane kmp).

Daca am privi emisferele globului pe un plan care ar avea in mijloc si in fata primul meridian s ar putea observa ca emisfera din fata este continentala, in timp ce emisfera din spate este oceanica. Punctul de privire ar fi situat la 30⁰ N pe primul meridian. Este pozitia de maxima disproportionalitate.

In tabelul nr.1.1 sunt prezentate suprafetele oceanelor si continentelor.

Tabel nr.1.1. Suprafata oceanelor si continentelor

(dupa I. Pisota si I. Buta, 1975)

In ceea ce priveste volumele de apa, exista de asemenea mari disproportii intre unitatile acvatice. Procentual, situatia se prezinta astfel:

In cazul apelor dulci, procentul de 0,62 % reprezinta un volum de 315,2 x 10³ km³ si se repartizeaza astfel:

in lacuri si balti 230.000 km³;

in sol (umiditate naturala) 82.000 km³;

in rauri 1.200 km³;

apa biologica 2.000 km³

Volumul de apa al Oceanului Planetar depaseste de 13 ori volumul uscatului situat deasupra nivelului general al marilor. Prin nivelarea tuturor formelor de relief s ar obtine o adancime medie a apei de 2718 m.

Volumul apelor continentale reprezinta 3,47 % din volumul total de apa al globului, din care cea mai mare parte o reprezinta ghetarii (2,85 %). Restul de numai 0,62 % (lacurile si baltile si cursurile de apa), desi infim fata de volumul total de apa, prezinta cea mai mare importanta ca agent modelator si mai ales, ca agent economic si cai de transport.

Originea apei. In legatura cu originea apei trebuie pornit de la formarea globului terestru in cadrul sistemului planetar.

Exista mai multe teorii in acest sens, dar toate se pot grupa in doua categorii: ipoteza Pamantului initial rece si ipoteza Pamantului initial fierbinte.

In momentul de fata este acreditata teoria Pamantului fierbinte, format in paralel cu celelalte planete. Se pleaca de la un nor cosmic eterogen (gaze si praf cosmic), care initial sufera o concentrare puternica, cu cresterea temperaturilor si a presiunilor devenind o stea. Transformarea hidrogenului in heliu care se face cu mare degajare de energie, asigura temperatura stelei respective care, in timp, a devenit un fel de protosoare. Energiile uriase si agitatia continua a particulelor au format in jurul protosoarelui un fel de inel compus din plasma cosmica cu tendinte centrifuge tot mai puternice. In urma cu cca. 6 miliarde de ani, acest disc mentinut gravitational de catre protosoare, dar fiind tot mai departe de acesta, a inceput sa se raceasca. Elementele greu fuzibile s au transformat in praf cosmic care a inceput concentrari locale si separari in cadrul inelului imens si au capatat miscari individuale de rotatie si astfel, acum cca. 5,5 miliarde de ani, au aparut protoplanetele.

Protopamantul (ca si celelalte protoplanete) urmeaza in mic, aceeasi evolutie ca si protoplanetele, prin aglomerarea intr-un nucleu propriu a unor parti din inelul perisolar, in functie de densitate, formand mai intai mantaua interioara apoi cea superioara.

In timp, masa fluida interioara strapunge adesea crusta superioara, mai rece, formandu se marile unitati geostructurale. La aceasta se adauga ploile de meteoriti. In aceasta interferenta continua dintre agitatia ultrafierbinte din miezul planetei si raceala spatiului cosmic s au sintetizat gaze (protoatmosfera) si lichide (protohidrosfera) suprapuse peste o masa solida racita (protolitosfera).

Evolutia a continuat, prin numeroase transformari cantitative si calitative, pana ce s a ajuns la situatia actuala.

Deci apa a aparut pe Terra in ultimele faze ale evolutiei acesteia, in contextul impactului continuu dintre factorii interni, expansionisti sub impulsul energiilor nucleare si mediul extern, mai rece si cu valente de contractare si condensare. O parte din gazele fierbinti emanate dinspre interior au ramas in stare gazoasa (atmosfera) iar o alta parte, prin precipitare, a format hidrosfera care s a acumulat in sectoarele mai joase ale litosferei.

La inceput exista un singur ocean (Panthalasa) si un singur continent (Pangea). In timp insa Pangea sa fragmentat; initial in doua parti (Laurasia in nord si Gondwana in sud), apoi sau produs noi fragmentari care au dus la situatia actuala.

1.2. Circuitul apei in natura

Dupa cum am vazut, apa are mare raspandire in natura, iar faptul ca este un element deosebit de mobil (chiar si sub forma de gheata, care prezinta plasticitate), precum si posibilitatea de a exista sub cele trei stari de agregare, constituie argumente care fundamenteaza trecerea usoara a acestui lichid dintr o zona in alta, din mediul marin in cel terestru si aerian, intr o circulatie permanenta pe orizontala si pe verticala.

Apa in stare gazoasa (vapori) se intalneste in atmosfera, in sol si in porii si fisurile rocilor.

Apa in stare lichida, ocupa imensele suprafete oceanice si marine,lacurile, baltile, mlastinile si albiile raurilor de pe scoarta terestra, in interiorul rocilor (apa de constitutie, peliculara, panze freatice) si chiar in atmosfera (in picaturile de ploaie, nori, ceata etc.).

Apa in stare solida se gaseste in ghetarii continentali si in banchizele marine, in zapezile persistente si in ghetarii montani, in zapada si gheata sezoniera din regiunile temperate.

Cantitatea de vapori de apa din atmosfera prezinta variatii foarte mari, cei mai multi fiind cantonati in partea inferioara, pana la 2000 3000 m altitudine. La inaltimi de peste 10 15 km, cantitatea de vapori scade foarte mult, pana la disparitie totala.

Elementele de baza care conditioneaza circuitul apei in natura sunt reprezentate prin evaporatie, condensare si precipitatii.

La acestea, trebuie mentionat si procesul scurgerii (valabil numai pe ariile continentale), care inchide inelul de circuit.

1.2.1. Evaporatia

Reprezinta un proces natural in baza caruia apa din mari si oceane, din roci si biosfera trece din stare lichida in stare gazoasa (vapori), in contact cu aerul atmosferic. Atunci cand zapada sau gheata trec direct in stare de vapori, fara a se topi in prealabil, fenomenul se numeste sublimare.

Avand in vedere faptul ca si prin transpiratia plantelor si animalelor se degaja vapori de apa, care se asociaza cu cei proveniti direct de pe suprafetele lichide, fenomenul se trateaza de regula integral, sub denumirea de evapotranspiratie.

Factorii care controleaza evapotranspiratia sunt deosebit de complecsi, intre care temperatura aerului detine rolul predominant. La aceasta se adauga:

vantul, care accentueaza procesele de evapotranspiratie;

umiditatea atmosferica, prin care se diminueaza aceste fenomene;

expunerea versantilor sau a formelor de relief conditioneaza, la randul sau, radiatia solara (temperatura) si umiditatea atmosferica;

concentratia in saruri a apei oceanelor sau lacurilor, in cazul suprafetelor acvatice;

solul influenteaza prin albedou;

relieful prin expunere, fragmentare, altitudine;

vegetatia prin evapotranspiratie specifica si prin natura albedoului;

interventiile antropice, prin construirea unor unitati acvatice suplimentare, prin spatiul cladit, prin activitati economice cu degajare de vapori sau temperatura, prin densitatea populatiei etc.

Valorile evaporatiei se situeaza sub cele ale precipitatiilor, in zone ecuatoriale, temperate umede, montane inalte, subpolare sau deasupra acestora, in regiuni aride, semiaride si temperat continentale.

Pe teritoriul Romaniei evapotranspiratia se afla, in general, intr un anumit echilibru cu precipitatiile, cu variatii in plus (in zonele de SE) si in minus (in zonele deluroase inalte si montane).

Cateva exemple privind valoarea evapotranspiratiei: Buftea 563 mm; Cluj Napoca 516 mm; Tg. Mures 519 mm; Oradea 471 mm; Arad 552 mm; Pitesti 502 mm; Constanta 600 mm; Bucuresti 590 mm.

Cand am vorbit despre factorii naturali care influenteaza evaporatia am mentionat si umiditatea atmosferei. Capacitatea atmosferei de a absorbi in continutul sau vapori de apa este dependenta, la randul sau, de temperatura aerului. Pentru fiecare temperatura exista un anumit volum de vapori care poate fi continut in aer. Valoarea maxima a acestui volum se numeste saturatie si reprezinta un prag peste care vaporii, noi adaugati, precipita. Fig.nr.1.1.)

Figura nr. 1.1. Cantitatea de vapori de apa continuta de aerul saturat, la diferite temperaturi ale aerului (dupa S.V. Kalesnik)

Dependenta evaporatiei de mai multe elemente de control zonale conduce la faptul ca si aceasta prezinta, la randul sau, caracteristici care permit zonalitatea sa latitudinala si altitudinala. Pe latitudine, variatiile sunt deosebit de numeroase din cauza interdependentei continui dintre temperatura si umiditate. Exemple:

Zona ecuatoriala: temperatura mare, umiditate mare, evaporatie relativ mare exces de umiditate;

Zone tropicale: temperaturi mari, umiditate redusa, evaporatie excesiva aridizare, uneori extrema;

Zone temperate: temperaturi moderate, umiditate variabila in functie de pozitia fata de oceane, evaporatie medie un echilibru hidric cu bilant negativ in zone continentale si pozitiv in zone oceanice;

Zone peripolare: temperaturi scazute, umiditate mare, evaporatie redusa exces de umiditate.

Pentru Romania, teritoriul, redus ca suprafata, face ca predominanta sa fie zonalitatea altitudinala.

1.2.2. Condensarea

In momentul in care atmosfera ajunge la saturatie in vapori de apa, acestia incep sa condenseze sub forma de picaturi sau (in norii foarte inalti) sublimeaza sub forma de gheata.

Scaderea temperaturii aerului poate fi determinata de:

contactul aerului cu suprafete reci;

amestecul maselor de aer cu temperaturi diferite;

iradiatia scoartei terestre, pe timp senin;

prin dilatare si racire (adiabatica);

De regula, condensarea este usurata de existenta unor particule solide in atmosfera (praf, fum, polen, spori, etc.). Fara aceste particule aerul se suprasatureaza.

Condensarea se face prin:

racire directa odata cu trecerea maselor de aer in zone mai reci, sau prin iradiere. Produce precipitatii reduse, roua, bruma;

prin amestecul a doua mase de aer cu temperaturi si umiditati diferite: Se produc precipitatii putine.

Prin condensare se produce ceata si nori. Ceata este un fenomen caracteristic paturilor inferioare ale atmosferei si se formeaza prin:

racirea accentuata a scoartei terestre;

trecerea aerului cald si umed peste suprafete mai reci;

diferenta de racire dintre aer si scoarta terestra;

prezenta impuritatilor (praf, fum, funingine) Þ ceata industriala.

Norii se formeaza la inaltime prin condensarea (sublimarea) vaporilor de apa in anumite conditii;

contactul dintre o masa de aer cald si umed cu alta rece;

simpla scadere a temperaturii aerului.

Diametrele picaturilor de apa din nori variaza intre 0,05 mm si 0,1 mm. Cele mai mari cad pe pamant sub influenta gravitatiei, sub forma de burnita. Norii foarte inalti sunt alcatuiti din cristale de gheata.

Dupa structura si forma in plan norii se impart in:

nori Cirrus, foarte inalti, albi sidefii, aproape transparenti. Sunt alcatuiti din cristale de gheata;

nori Stratus dispusi ca niste straturi uniforme, de culoare omogena. Altitudinea lor este de cca. 2000 m;

nori Cumulus, formati prin convectia maselor de aer. Incep prin a marca un timp frumos. Adesea se dezvolta mult pe inaltime, trec de la o culoare alb cenusie la una inchisa si genereaza ploi bogate;

nori Nimbus se formeaza pe timp de furtuna. Aduc ploi bogate, amenintatoare, cu multe fenomene electrice.

Nebulozitatea reprezinta gradul de acoperire a cerului cu nori si se masoara in grade de la 0 (senin) la 10 (total acoperit).

Pe glob, nebulozitatea medie anuala are urmatoarele valori:

in zona ecuatoriala 5,5 6,0;

la tropice (20 30 lat. N si S) 4,0 4,5;

la latitudini mijlocii si mari 6,5 7,0.

1.2.3. Precipitatiile atmosferice

Precipitatiile reprezinta, ca si temperatura aerului, un element deosebit de important pentru caracterizarea unui regim climatic.

Se formeaza prin condensarea vaporilor de apa la atingerea pragului de saturatie si pot fi:

precipitatii atmosferice (ploaie, ninsoare, grindina), care cad pe pamant din nori, sub influenta gravitatiei;

precipitatii la sol (roua, bruma, chiciura). Acestea se formeaza prin condensarea la sol, la nivelul vegetatiei sau a unor obiecte, a vaporilor, prin racire.

Factorii care determina formarea ploilor, distributia si cantitatea acestora sunt numerosi, dar cei mai importanti sunt:

relieful, prin altitudine, care formeaza ploi orografice;

convectia (inaltarea) si racirea maselor de aer care formeaza ploi de convectie;

deplasarea maselor de aer, in special atunci cand aerul cald escaladeaza masele de aer mai reci si mai stabile, cand se formeaza ploi de front (frontale).

Pe glob, precipiatiile au o repartitie zonala, dar intervin numerosi factori care isi impun amprenta pe aceasta zonalitate. Acestia sunt: temperatura aerului, vanturile, departarea de oceane si mari, relieful prin altitudine, fragmentare, orientare si dispunere, curentii oceanici, vegetatia etc. Toate acestea introduc modificari asupra caracterului zonal al precipitatiilor de pe suprafata globului.

In aceasta repartitie, exista si extreme, cum ar fi:

valori maxime: Cerapundji India 12.655 l/m² (sau mm); Debundja Camerun 12.090 mm; Anori Columbia 7.139 mm; San Juan del Sur Nicaragua 6.588 mm. Valorile se considera pe un an calendaristic.

valorile minime in deserturi: 200 300 mm/an si sub aceasta valoare.

In tara noastra, regimul precipitatiilor respecta zonalitatea verticala. Cele mai mari cantitati anuale cad pe muntii foarte inalti, pana la 1.200 mm, iar cele mai mici, in partea de SE a tarii si in Dobrogea (350 450 mm).

1.2.4. Scurgerea apei

Reprezinta un element suplimentar, deoarece nu se realizeaza prin trecerea apei de la o stare fizica la alta, dar asigura un echilibru intre uscat si oceane si contribuie la completarea rezervelor de apa din Oceanul Planetar, pierdute prin evaporatie. Restul se realizeaza prin ploi care cad direct pe suprafata marilor si oceanelor.

1.2.5. Circuitul apei in natura

Din cele prezentate mai sus, rezulta ca apa de pe Terra se afla intr-o continua miscare, care pana la urma prezinta un caracter inchis: evaporatie precipitatii scurgere.

Apa se evapora de pe mari si oceane si de pe suprafata uscatului. Masele de aer umede sunt transportate de catre vanturi pe teritorii invecinate, apoi precipita. O parte din ploi cad tot pe oceane si mari, respectiv pe continente si se realizeaza un prim circuit: circuitul mic sau local.

Masele de aer care sunt transportate de deasupra oceanelor pana deasupra continentelor sau invers, realizeaza un al doilea circuit al apei: circuitul mare (general sau global). Schemele celor doua circuite se prezinta in Figura nr. 1.2.

Figura nr. 1.2. Circuitul apei in natura

Bilantul circuitului universal al apei in natura

Prin circuitul apei in natura se realizeaza deplasarea acesteia sub cele trei stari de agregare, dintr-o parte in alta a suprafetei terestre, de pe mari si oceane si de pe continente in atmosfera si de aici, din nou pe suprafata globului. Faptul ca, in timp, nu s-au constatat modificari semnificative ale nivelului general al oceanului, inseamna ca exista un echilibru intre elementele circuitului, respectiv intre evaporatie, pe de o parte si precipitatii si scurgere pe de alta parte. Pe aceasta baza s - au putut formula ecuatiile bilantului circulatiei apei din natura:

Pentru oceane si mari:

Z_o = X_o + Y

Pentru uscat:

Z_C = X_C - Y

Pe ansamblu, insumand cele doua egalitati se obtine:

Z_O + Z_C = X_O + X_C

unde: Z = evaporatia

X = precipitatiile

Y = scurgerea

O = oceane, mari

C = continente

Se poate constata ca elementele principale ale circuitului apei in natura sunt evaporatia si precipitatiile care, considerate in timp, sunt sensibil egale. Celelalte verigi ale circuitului (deplasarea vaporilor de apa spre/de la ocean spre uscat si scurgerea apei sub toate formele sale de fapt tot o translatie) sunt verigi care completeaza acest circuit, in fond foarte complex.

Pentru regiunile exoreice ecuatia bilantului poate fi scrisa sub forma:

Z_c = X_c Y.

Aportul de apa pe care reteaua hidrografica il aduce in ocean reprezinta 3/100.000 din volumul acestuia. Bazinul oceanului planetar ar putea fi umplut de catre rauri in cca. 33.000 ani.

Pentru zonele endoreice ecuatia bilantului este: Ze = Xe, adica apa evaporata este in medie egala cu cea cazuta sub forma de precipitatii (cca. 8.000 km³). In cazul acestor zone sunt posibile diferentieri periodice determinate de fenomene de aridizare sau de crestere a umiditatii generale a aerului. De aceea o formula mai realista ar fi: Xe = Ze DW.

1.3. Sistemul hidrologic. Stiintele hidrologice. Raporturile hidrologiei cu alte stiinte

Apele ocupa 2/3 din suprafata globului pamantesc (detin deci ponderea care ii confera si denumirea de Planeta albastra) si prezinta o importanta deosebita economica, sociala si pentru alimentarea populatiei. Resursele de apa ale Terrei sunt utilizate pentru transporturi, in industrie (ca ape de racire si ca materie prima) in agricultura (irigatii, alimentarea animalelor, salubrizare), pentru baut, ca mijloc de agrement si pentru intreceri sportive, salubrizare generala si mentinerea curateniei si igienei etc. Apa inseamna viata. Este un regulator climatic.

Aceste deosebit de numeroase posibilitati de valorificare a apei presupun in mod inevitabil si o cunoastere cat mai amanuntita a conditiilor de formare si de existenta a unitatilor acvatice, a proprietatilor lor si identificarea tuturor posibilitatilor de investigare, care sa permita valorificarea acestor resurse, in mod durabil si in concordanta cu pastrarea virtutilor lor de calitate.

1.3.1. Definitia hidrologiei

Obiectul care studiaza toate aceste aspecte cantitative si calitative ale apelor Terrei se numeste Hidrologie. Denumirea vine din combinarea a doua notiuni grecesti: hydros = apa si logos = stiinta, vorbire; deci Hidrologia este stiinta despre apa si face parte din grupa stiintelor naturii, fizico geografice.

De-a lungul timpului definitia hidrologiei a cunoscut modificari si completari, urmarindu-se ca aceasta sa fie cat mai clara, mai concisa si totodata, cat mai cuprinzatoare in continut.

Intre definitiile hidrologiei mentionam cateva:

STAS 5032-55: Hidrologia este stiinta care studiaza geneza si regimul apelor de la suprafata Pamantului;

Consfatuirea expertilor hidrologi din tarile membre ale ONU, Paris 1963: Hidrologia este stiinta apelor, a formelor lor de existenta, a circulatiei si raspandirii lor pe glob a proprietatilor lor fizice si a interactiunii lor cu mediul, a modului in care raspund ele la activitatea omului.

I. Pisota si I. Buta, 1975: Hidrologia este stiinta care studiaza proprietatile generale ale apelor din natura, ale unitatilor acvatice (oceane, mari, lacuri, rauri si ghetari), legile generale care dirijeaza procesele din hidrosfera, cat si influenta reciproca dintre hidrosfera, atmosfera, litosfera si biosfera;

I. Vladimirescu 1978: Hidrologia este o stiinta a naturii care studiaza formarea, circulatia si distributia apelor, actiunea lor mutuala cu mediul inconjurator si cu diverse activitati umane.

1.3.2. Ramurile hidrologiei. Stiintele hidrologice.

Varietatea mare a unitatilor hidrologice ale Pamantului, proprietatile complexe ale apei, particularitatile sale termice si dinamice, posibilitatile largi de valorificare, existenta vietii din apa si utilizarea masei biotice, necesitatea pastrarii in conditii de curatenie si igiena a resurselor de apa si multe alte probleme specifice impun o diversitate de specializari ale Hidrologiei pe directii principale de cercetare. In plus, anumite ramuri ale Hidrologiei au devenit, ele insele, stiinte de sine statatoare.

Aceasta mare varietate a specializarilor hidrologice a dus la abordari diferite, de catre specialisti, a principiilor de stabilire a criteriilor de subimpartire pe ramuri.

O prima divizare a Hidrologiei s-a facut in functie de natura unitatilor acvatice care sunt studiate. Se pot deosebi astfel: (I. Pisota si I. Buta, 1975; C. Savin, 2001)

a) Hidrologia uscatului;

b) Hidrologia marilor si oceanelor (Oceanologia).

In cazul in care ne referim la aspectele descriptive, teoretice ale Hidrologiei termenul utilizat este Hidrografia care, de asemenea se subimparte in:

a) Hidrografia uscatului;

b) Hidrografia marilor si oceanelor (Oceanografia).

In cazul Hidrologiei uscatului, unde exista o mai mare varietate a unitatilor acvatice s-au separat urmatoarele ramuri:

a)    Potamologia, sau hidrologia raurilor (potamos = rau) care cerceteaza apele curgatoare de pe continente;

b)   Limnologia, sau hidrologia lacurilor (limnos = lac), care se ocupa cu studiul diverselor tipuri de lacuri naturale si artificiale (acumulari);

c)    Telmatologia, sau hidrologia mlastinilor;

d)   Hidrogeologia, care studiaza dispunerea, dinamica si regimul apelor subterane, freatice si de adancime (arteziene, subarteziene, ascensionale), respectiv apele din scoarta terestra;

e)    Glaciologia, care se ocupa cu studiul ghetarilor si al zapezilor;

f)     Hidrometria o ramura care studiaza instrumentele, aparatele, mijloacele si metodele de determinare cantitativa si de prelucrare primara a elementelor hidrologice ale apelor. Hidrometria serveste pentru monitorizarea cantitativa a resurselor de apa.

In ultimele decenii, la aceste ramuri s-au adaugat altele noi, ca urmare a ingustarii domeniilor de specializare, cerute de practicile curente;

g)    Hidrologia agricola, care se ocupa cu studiul apelor din arealele agricole;

h)   Hidrologia versantilor (interfluviilor)

i)     Hidrologia urbana, care studiaza particularitatile resurselor de apa din perimetrele intens populate, care sunt supuse unor presiuni antropice deosebit de mari in ceea ce priveste regimul lor de evolutie cantitativa si calitativa.

Alti autori (I. Vladimirescu, 1978), respectand principiile de baza ale subimpartirii mentionate mai sus, considera ca, in prezent, studierea, sub aspectele cele mai generale ale apelor pe toate spatiile Pamantului revine unei stiinte numita Hidrologia fizica sau Hidrologia globala. Prin cercetari asupra proceselor fizice generate de energia solara, ca si a celor din atmosfera si din scoarta terestra, aceasta stiinta studiaza circulatia globala a apelor, a curentilor din atmosfera si a celor din mari si oceane, dinamica de ansamblu a caldurii globale, etc.

In cadrul Hidrologiei globale sau separat stiinte hidrologice caracteristice apelor din fiecare spatiu al planetei noastre:

a.     Hidrologia uscatului sau Hidrologia care se ocupa cu studiul apelor de suprafata: rauri, lacuri, ape subterane de mica adancime, cu ramuri care au devenit, la randul lor, stiinte aparte:

a₁. Potalmologia stiinta cursurilor de apa;

a₂. Limnologia studiul lacurilor si baltilor;

a₃. Criologia stiinta hidrologica a apelor aflate sub forma de gheata si gheturi polare.

b. Oceanografia sau Oceanologia, care se ocupa cu studiul marilor si oceanelor;

c.       Hidrogeologia studiul apelor subterane de mare adancime ale litosferei;

d.      Hidrometeorologia (ramura a Meteorologiei) se ocupa cu studiul apelor din spatiul atmosferei.

Conform autorului (parere confirmata, de altfel si de practica) toate aceste ramuri sunt stiinte de sine statatoare cu obiective si metodologii proprii. Ele sunt insa intr o stransa interdependenta datorita extremei mobilitati a apelor care pot trece cu usurinta de la un spatiu (sau subspatiu) la altul.

De asemenea fiecare din aceste ramuri (stiinte) folosesc cunostinte de granita din domenii mai mult sau mai putin invecinate: fizica, geofizica, chimie, hidraulica, geomorfologie, geologie, biologie, economia apelor, hidrotehnica, manangement, matematica (in special teoriile si aplicatiile statistice matematice).

1.3.3. Raporturile hidrologiei cu alte stiinte

Nivelul deosebit de avansat la care se situeaza in prezent stiintele naturii, dar si cele umane, economice si sociale, face ca, inerent, obiectele lor de studiu sa fie (cel putin in anumite limite) comune, iar diferentierele sa se refere mai mult la directiile de abordare.

In acest context, apa elementul cel mai comun si totusi atat de important este studiata si de alte ramuri ale stiintei, multe dintre ele desprinzandu se inca mai demult chiar din hidrologie.

Legaturile cele mai stranse se pun in evidenta intre Hidrologie, pe de o parte si Meteorologie si Climatologie, pe de alta parte. Atmosfera contine importante cantitati de vapori care provin din apa si se intorc, prin precipitatii, tot in apa. Precipitatiile constituie sursa de alimentare a cursurilor de apa. La randul lor, variatiile temperaturii aerului influenteaza in mod direct regimul termic al apelor si cel al fenomenelor de inghet.

Raporturile Hidrologiei cu Geomorfologia sunt, de asemenea, foarte stranse si de interdependenta. Apa este un agent modelator de prima marime si creeaza, in linii mari, fizionomia reliefului, actionand in contradictie cu fortele morfogenetice endogene. Corpurile de apa (mari, oceane, lacuri, rauri etc.) sunt, la randul lor, instalate pe scoarta terestra, iar dimensiunile si formele lor depind in mare parte de relief.

Cu Geologia, legaturile sunt de asemenea evidente. Apele subterane sunt cantonate in diferite formatiuni geologice si intre ele si rocile mama exista o stransa interdependenta.

Pedologia este o stiinta cu largi valente orientate spre Hidrologie deoarece apa este un element indispensabil pentru formarea solurilor iar acestea, la randul lor, sunt primele formatiuni care sufera impactul precipitatiilor si al eroziunii fluviale, considerate ca agenti modelatori hidrici. Apa determina procesele de salinizare si turbifiere din sol.

In ceea ce priveste relatiile cu Biologia, trebuie precizat ca primele forme de viata au aparut in mari si oceane, dupa care acestea au evoluat si s-au raspandit pe toata suprafata globului, in toate mediile: acvatic, terestru si aerian. Apa este un mediu de viata deosebit de propice si in cuprinsul corpurilor acvatice se intalnesc cele mai multe specii de plante si animale de care se ocupa Hidrobiologia.

Practic, intr-un fel sau altul, Hidrologia are legaturi mai mult sau mai putin stranse cu toate celelalte stiinte ale naturi, deoarece este un element natural foarte raspandit, deosebit de mobil, trece usor dintr-o stare de agregare in alta si este strict necesara vietii.

Hidrologia are insa legaturi stranse si cu numeroase stiinte (discipline) tehnice care studiaza apa din alte puncte de vedere:

Hidrofizica- studiaza proprietatile fizice ale apei;

Hidrochimia - studiaza proprietatile chimice ale apei;

Hidraulica - studiaza legile miscarii si echilibrelor lichidelor (apei);

Hidroenergetica - studiaza apa ca potential energetic utilizabil;

Hidrotehnica - studiaza tehnica lucrarilor legate de apa;

Tectonica - studiaza, printre altele si deplasarile albiilor cursurilor de apa in plan orizontal sau vertical.

1.3.4. Obiectivele de baza ale Hidrologiei

Daca ne referim la Hidrologie in ansamblu putem face precizarea ca in stabilirea obiectivelor de baza, trebuie sa facem distinctie intre marile unitati acvatice, fapt de care omul in virtutea situatiilor de fapt se comporta in mod diferit. Asa cum se prezinta lucrurile, aparent numai apele dulci par a se bucura de o atentie deosebita, deoarece ele sunt cel mai legate de activitatile umane. O astfel de abordare este numai partial adevarata, deoarece aici totul pare a fi mai la indemana, dar in fond toate apele planetei (si de fapt, toata planeta) sunt supuse unor cercetari minutioase, pe baza unor obiective clare, bine fundamentate si aplicand metodologiile cele mai adecvate si, mai recent, tot mai sofisticate. Vom incerca sa trecem in revista cateva din aceste obiective, cu o detaliere mai mare in cazul apelor continentale (in special rauri si lacuri).

A.      in Oceanologie:

continuarea cercetarilor privind extinderea, contururile, limitele, adancimea si morfologia bazinelor oceanelor si marilor;

precizarea mai buna a rolului curentilor oceanici in determinarea climatelor locale, zonale si regionale;

identificarea unor noi legaturi intre dinamica apei oceanelor si dinamica atmosferei, pentru clarificarea unor probleme practice deosebite (Triunghiul Bermudelor, fenomenul El io, musonii, taifunuri, uragane, tornade) si gasirea unor metode de prognoza si prevenire;

sprijinirea teoretica si practica a cercetarilor hidrologice pentru o mai buna cunoastere a masei biologice si a posibilitatilor sale de valorificare;

sprijin teoretic si practic pentru cercetarile mineralogice, pentru identificarea si valorificarea mineralelor utile, inclusiv a petrolului;

precizarea unor noi directii de dezvoltare a cercetarilor hidrologice efectuate in sprijinul valorificarii energetice a curentilor marini, valurilor si mareelor, a cresterii posibilitatilor de transport marin si de agrement pe mari si oceane;

furnizarea elementelor hidrologice necesare cercetarilor privind poluarea apelor marine si a precizarii metodelor de depoluare si de dezvoltare durabila a mediului marin.

B.      in Hidrologia uscatului:

continuarea cercetarilor privind monitorizarea retelei hidrografice si a lacurilor (inclusiv a acumularilor = lacuri antropice) pentru precizarea mai buna a regimului scurgerii, pe fazele sale:

scurgerea medie pentru precizarea potentialului hidroenergetic si a volumului resurselor disponibile;

scurgerea maxima pentru determinarea parametrilor viiturilor, a propagarii acestora in conditiile amenajarii complexe a retelei hidrografice si pentru furnizarea informatiilor de baza si operative necesare in apararea impotriva inundatiilor;

scurgerea minima pentru fundamentarea conditiilor de gestionare a lipsei de apa, a programelor de restrictie si a necesarului de lucrari pentru asigurarea resurselor de apa in orice conditii;

cunoasterea tranzitului de aluviuni si a modificarilor introduse de activitatile antropice in formarea si regimul acestora; impactul acumularilor asupra transportului solid.

prognoze hidrologice de toate tipurile;

cunoasterea impactului antropic asupra regimului scurgerii (cantitativ si calitativ) si identificarea solutiilor pentru eliminarea situatiilor critice;

trecerea la monitorizarea hidrologica automata;

cunoasterea fenomenelor de colmatare a acumularilor si precizarea conditiilor de evitare sau de reducere a acestora;

dezvoltarea ramurilor practice ale hidrologiei: hidrologia agricola, urbana, a padurilor, hidrometria pe baza unor principii noi si a unor metodologii si aparatura adecvata;

aplicarea Directivei 2000/60 UE pentru integrarea metodologiilor existente de cercetare in viziunea generala, europeana, in vederea gestionarii si valorificarii durabile a resurselor de apa:

precizarea corpurilor de apa si a individualitatilor proprii acestora (limite, categorie altitudinala, natura terenului, particularitati climatice si ale regimului de scurgere, limitele (intervalele) de manifestare a fenomenelor monitorizate, etc.;

identificarea elementelor biologice care reprezinta indicatori ai starii de calitate si precizarea celor care definesc o stare buna de calitate a apei;

transpunerea tuturor elementelor necesare definirii corpurilor de apa naturale sau supuse impactului antropic in sisteme GIS.

1.3.5. Metode de cercetare

Hidrologia face parte din categoria stiintelor naturii, mai precis a stiintelor geografice si ca urmare utilizeaza cea mai mare parte a metodelor de cercetare a acestor stiinte: observatia, comparatia, descrierea, experimentare si explicatia. In plus, in hidrologie, sunt foarte mult utilizate masuratorile.

Toate aceste metode se completeaza reciproc si se succed, in buna parte, de la cele mai simple, catre cele mai complicate.

Observatiile se fac atat pe teren cat si pe harti. Pe teren se identifica elementele de hidrografie (corpurile acvatice) de diferite dimensiuni. Observatiile pot fi efectuate stationar sau pe directii de deplasare.

La reteaua hidrografica se observa dimensiunile, aspectul traseului (rectiliniu, meandrat, despletit), inaltimea malurilor, transportul solid, eventuale poluari, stadiul de amenajare complexa, lucrari de aparare impotriva inundatiilor, diguri, consolidari de maluri, regularizari si rectificari ale cursurilor de apa etc.).

In cazul lacurilor sau a mlastinilor exista de asemenea o serie de aspecte care pot fi observate direct.

Observatiile pe harta spre deosebire de cele de pe teren care se fac in orizonturi locale cuprind areale mai mari ceea ce face ca aspectele surprinse sa fie mai generale si mai sintetice: forma si dimensiunile corpurilor acvatice, modul lor de dispunere in plan geografic, aspectul retelei hidrografice, tipul etc. Observatiile pe harta pot conduce mai usor la generalizarea elementelor geografice respectiv hidrologice.

De regula, observatiile de pe teren se completeaza cu cele de pe harta si invers.

Comparatia este o metoda inerenta oricarei stiinte, deoarece intervine practic in orice situatie. Orice observare si descriere a unui fenomen este insotita de comparatii pentru a i se distinge personalitatea si particularitatile proprii. Prin comparatie se realizeaza, pana la urma, clasificarile si taxonomizarile corpurilor acvatice.

Descrierea, presupune prezentarea faptica a particularitatilor de forma, aspect, marime, dinamica etc. ale elementelor hidrografice. Descrierea reprezinta o faza acumulativa de caracteristici, care permite apoi trecerea spre metode superioare de cercetare: analiza, sinteza, experimentul.

Analiza si sinteza sunt metode de baza de cercetare care le includ, in buna parte, pe cele mentionate mai sus. In analiza se foloseste observarea, comparatia, descrierea, masurarea etc. in scopul obtinerii unui numar cat mai mare de informatii care sa permita o anumita sistematizare si ierarhizare pentru precizarea unor trasaturi specifice. Sinteza desprinde particularitatile generale, specifice hidrologiei si asigura legaturile de intrepatrundere cu stiintele invecinate. Multe dintre elementele precizate prin analiza si sinteza se concretizeaza in harti hidrologice (harta scurgerii, zonarea unor parametri specifici etc.). Analiza si sinteza servesc si pentru activitati curente de gospodarire a apelor (evaluarea potentialului, prognoze hidrologice, planuri de aparare impotriva fenomenelor meteorologice periculoase, planuri de consum si de restrictii la consum, grafice de exploatare a acumularilor etc.).

Masuratorile hidrometrice. Monitorizarea hidrologica se aplica in cazul a numeroase elemente specifice si foloseste pentru cunoasterea regimului scurgerii apei si aluviunilor din reteaua hidrografica, dinamica apei din mari, oceane si lacuri, adancimea de patrundere a luminii, starea de calitate a apei, temperatura etc.

Experimentul este o metoda care in ultimul timp se aplica tot mai mult, prin masuratori efectuate in teren sau in laborator, sau prin simulari pe modele. Avand in vedere faptul ca Hidrologia este o stiinta cu multe valente practice, directiile de aplicare a experimentelor sunt numeroase. Experimentele leaga cel mai bine Hidrologia de alte stiinte, mai mult sau mai putin inrudite, in special cu Hidraulica, Hidroenergia, Climatologia, Pedologia, stiintele agronomice si silvice etc.

Experimentele hidrologice se fac pentru cunoasterea posibilitatilor de transport pe apa, a potentialului hidroenergetic al valurilor, curentilor, mareelor, raurilor, a relatiilor ploaie scurgere, a propagarii viiturilor, a tranzitarii apei si aluviunilor prin lacuri de acumulare etc.

Aplicatiile pe calculator sunt, in prezent, experimentele cel mai frecvent utilizate si exista deja numeroase programe elaborate.

1.4. Managementul si valorificarea resurselor de apa

Gospodarirea apelor este o desfasurare de actiuni tehnice, economice si sociale care, dupa Gh. Cretu (1976) se exprima prin relatia:

,

unde: D = disponibil de apa cantitativ (Q) si calitativ (C) creat prin masuri de gospodarire a apelor; N = necesarul de apa cantitativ (Q) si calitativ (C) pentru satisfacerea folosintelor si pentru combaterea efectelor daunatoare ale apelor.

Gospodarirea apelor studiaza un ansamblu de masuri si lucrari organizatorice, tehnice si economice, necesare pentru satisfacerea cerintelor de apa, pentru stapanirea apelor prin prevenirea si combaterea actiunilor daunatoare ale acestora, pentru protectia calitatii apelor si conservarea resurselor de apa in vederea folosirii lor de catre generatiile urmatoare si pentru regenerarea apelor (I. Giurma, 2000).

Ramurile gospodaririi apelor sunt (dupa I. Teodorescu, s.a., 1973) urmatoarele:

gospodarirea apelor meteorice;

- gospodarirea apelor de suprafata (scurgerea pe versanti, ape curgatoare de suprafata, lacuri si balti, mari si oceane);

- gospodarirea apelor subterane (freatice si de adancime);

- gospodarirea ghetarilor.

La acestea se mai poate adauga si gospodarirea zonelor umede.

Fiecare din aceste ramuri se refera la doua aspecte ale gospodaririi apelor: cantitativ si calitativ.

Odata cu amenajarea cursurilor de apa sub forma de acumulari s-a dezvoltat, ca o masura distincta, gospodarirea debitelor solide pentru folosinte (balastiere, cariere de nisip sau de luturi etc.) sau pentru combaterea efectelor daunatoare (colmatarea albiilor si a acumularilor).

In ceea ce priveste valorificarea resurselor de apa, domeniile sunt foarte largi. Enumeram cateva: transporturi, hidroenergie, procese tehnologice cu racire, materie prima, agricultura, potabilitate, agrement etc.

1.5. Directiva Cadru 2000/60 EC a Uniunii Europene in domeniul apei

Integrarea, in perspectiva, a Romaniei in structurile Uniunii Europene presupune abordarea problemelor de gospodarire a apelor in context general.

Directiva Cadru 2000/60 EC a Uniunii Europene, elaborata de Parlamentul si Consiliul Europei, stabileste un cadru de actiune pentru tarile Uniunii Europene in domeniul politicii apelor. Are ca scop aplicarea unui complex de masuri care sa conduca la atingerea cel putin a unei stari bune a tuturor cursurilor de apa europene intr-un anumit interval de timp.

Se poate constata necesitatea dezvoltarii durabile a tuturor ramurilor economice si sociale consumatoare de apa, pentru mentinerea unei stari normale de calitate a apei si pentru protejarea resurselor pentru generatiile viitoare.

Obiectivele principale ale Directivei Cadru sunt:

Protectia mediului;

Asigurarea alimentarii cu apa potabila;

Asigurarea alimentarii altor folosinte;

Reducerea consecintelor inundatiilor si secetei.

Pentru realizarea acestor obiective Directiva defineste cadrul partial in care trebuie sa se desfasoare actiunile si propune crearea unei entitati administrative districtul hidrografic care reprezinta un teritoriu corespunzator unui bazin sau grup de bazine hidrografice vecine, impreuna cu apele subterane si costiere asociate. Se observa tendinta de abordare integrala a apelor (din rauri, subterane, litorale) in masura in care necesitatile economice o impun si de renuntare, intr-un fel, la limitele naturale ale unitatilor acvatice.

Conform Directivei, unitatile hidrografice (elementele acvatice) sunt denumite corpuri de apa.

Intr-o prima clasificare corpurile de apa pot fi de suprafata     si subterane.

Apele de suprafata inseamna toate apele dintr-un district, cu exceptia celor subterane: rauri, lacuri, apele tranzitorii (de la gurile de varsare in mare = partial saline) si apele costiere (litorale, pana la o mila departare de tarm). Tot in categoria apelor de suprafata mai sunt incluse corpurile de apa artificiale sau corpurile de apa intens modificate.

Apele subterane inseamna toate apele aflate sub suprafata terenului in zona de saturatie si in contact direct cu solul sau subsolul.

Pentru fiecare categorie de ape de suprafata, corpurile de apa relevante din cadrul districtului (bazinului) hidrografic, trebuie sa fie diferentiate corespunzator tipului. Aceste tipuri pot fi definite prin sistemul A (ecoregiuni) sau prin sistemul B (factori de caracterizare) atat pentru rauri, cat si pentru lacuri, ape tranzitorii si ape costiere.

Mai adaugam aici cateva cerinte si obiective ale noii politici europene in domeniul apei:

Realizarea unor sisteme unitare de gospodarire a apelor si bazinelor hidrografice;

Integrarea folosintelor la nivel de bazin hidrografic;

Coordonarea masurilor de conservare si redresare a ecosistemelor acvatice;

O mai buna colaborare internationala;

Participarea publicului la luarea deciziilor;

1.6. Domeniile de utilizare a apei

Prezentam aici, foarte pe scurt, cateva aspecte legate de importanta apei in natura si in activitatile umane.

a)       Apa are un rol geomorfologic important, fiind de fapt cel mai important agent modelator. Actiunea apei se exercita sub toate formele sale de agregare si consta in eroziune, transport si sedimentare. Formele de relief create de ape sau/si cu concursul apei sunt deosebit de importante si de pitoresti;

b)       Rolul apei in procesele geochimice si geofizice

b.1. procese geochimice: dizolvarea, hidratarea, oxidarea, descompunerea silicatilor, formarea bauxitelor si a minereurilor de fier, mineralizari ale apelor;

b.2. actiune hidrofizica: dezagregarea rocilor, denudarea, siroirea, eroziunea torentiala, transportul si depunerea aluviunilor;

c)        Rol moderator asupra climatelor prin inertia de incalzire / racire, umiditatea atmosferica, deplasarea curentilor marini etc.;

d)       Intretinerea vietii si a proceselor biologice: viata a aparut in apa; apa exista in toate organismele;

e)        Apa materie prima: industria alimentara, celelalte ramuri ale industriei pentru procesele de racire, in cazanele energetice;

f)         Alimentarea cu apa a populatiei si industriei

g)        Apa cale de transport;

h)       Apa si agricultura;

i)          Apa ca resursa hidroenergetica;

j)           Apele si transportul resurselor balastiere;

k)       Apa si sanatatea;

l)          Apa mijloc de agrement.