HIDROMETRIA SI HIDROLOGIA RAURILOR

Dinamica apelor raurilor

Miscarea apei este o caracteristica fundamentala a cursurilor de apa, fara de care acestea devin unitati hidrografice cu statut diferit: lacuri, balti, mlastini, studiate de alte ramuri ale hidrologiei. Fenomenele dinamice se refera la variatii de niveluri, debite, viteze, continut de aluviuni etc., sunt determinate de forte externe (gravitatie, Coriolis, centrifuga) si interne (vascozitate) si se manifesta in cadrul anumitor conditii climatice ale zonei si morfometrice ale sectoarelor de albie.

1.1. Fortele care actioneaza asupra apei din rauri

a) Miscarea apei din rauri este determinata in primul rand de panta acestora respectiv acceleratia gravitationala. Diferenta de altitudine dintre un punct situat in amonte si un altul, situat in aval, reprezinta o "cadere" a apei, respectiv o forta gravitationala (Figura nr. 1).

Figura nr. 1. Deplasarea unei molecule de apa pe un plan inclinat

Unde: A - picatura de apa

G - greutatea picaturii de apa

P₁, P₂ - componente ale functiei de deplasare

In fond, profilul longitudinal al unui rau este un plan inclinat iar deplasarea apei se face conform regulilor fizicii.

b) In al doilea rand, miscarea apei din rauri este influentata si de forta Coriolis. Raurile isi etaleaza cursurile pe lungimi mari, au directii de scurgere diferite si ca urmare, miscarea de rotatie a Pamantului are influenta asupra dinamicii raurilor.

Forta Coriolis este acea forta care rezulta din rotatia Pamantului si care face ca raurile cu directie meridiana sa se abata spre dreapta in emisfera nordica si spre stanga in emisfera sudica. Reprezinta in consecinta o inertie a apei din albii, care nu face corp comun cu rocile din patul si malurile acestora si are tendinta de a "ramane" in urma, actionand asupra malurilor respective (drept in emisfera nordica si stang in cea sudica). Fenomenul comporta si o anumita "denivelare" a apei in profil transversal. Pe ansamblu insa, situatiile sunt foarte complexe din varii cauze: directii complicate ale cursurilor de apa, lungimile si latimile lor foarte diferite, rocile talvegului si malurilor cu duritati diferite, evolutia albiilor in plan sub impulsul pantelor locale si a transportului solid, etc.

c) Forta centrifuga actioneaza in cazul malurilor concave si este data de formula:

unde: m = masa apei

V = viteza apei

R = raza curburii meandrului

Acest fenomen determina o anumita inaltare a nivelului apei catre malul concav si o intensificare a actiunii de eroziune asupra acestuia. In compensare pe malul convex, predomina, aluvionarile cu formarea reniilor (Figura nr. 2)

Figura nr. 2. Ridicarea apei spre malul concav datorita fortei centrifuge (dupa I. Pisota si I. Buta. 1975)

1.2. Miscarea laminara si miscarea turbulenta

Miscarea apei in albiile raurilor, dependenta direct de panta de scurgere (forta gravitatiei) si invers proportional de particularitatile morfometrice ale albiei (rugozitate), se poate desfasura laminar sau turbulent, in functie de raportul factorilor de control (panta si rugozitate).

Miscarea laminara este reprezentata prin deplasarea paralela lina a suvitelor (sectoarelor) de apa in toata masa de apa, cu o viteza mai mare la suprafata si la mijlocul raului si mai mica spre fundul apei si spre maluri.

Miscarea turbulenta sau dezordonata se caracterizeaza prin deplasarea haotica, instabila a fasiilor de apa si apare la depasirea unui anumit prag al vitezei (viteza critica), diferentiat in functie de asperitatile talvegului si neregularitatile malurilor. In miscarea turbulenta masa de apa se afla intr-un amestec continuu, fapt ce contribuie la omogenizarea temperaturilor, turbiditatilor si a incarcaturii chimice si / sau a poluantilor.

Schimbarile de directie si de viteza, frecvente in cazul miscarii turbulente dau nastere vartejurilor.

Miscarea turbulenta a apei prezinta urmatoarele caracteristici:

vectorul viteza, in fiecare punct al curentului de apa, are o directie variabila ce tinde, sub unghiuri diferite, spre directia principala a cursului de apa; de aici deplasarea in vartejuri;

viteza la fund si la maluri este sensibil mai mica decat in sectoarele

centrale ale sectiunii udate;

miscarea apei la turbulente nu depinde de vascozitatea ei;

la curgerea apei in rau, rezistenta este proportionala cu patratul vitezei curentului.

1.3. Curentii din apa raurilor

Din cele prezentate mai sus, rezulta ca deplasarea apei in albiile raurilor este un proces complex, dependent de panta de scurgere, de particularitatile morfometrice ale acestora, precum si de coeziunea slaba a particulelor de apa, forta Coriolis etc. Se poate consta faptul ca, exista variatii semnificative ale vitezei de curgere a apei atat in plan orizontal (pe latimea raurilor) cat si vertical (in adancime).

Intr-un curs natural de apa se formeaza o serie de curenti superficiali si interiori, complecsi. Fara a intra in detalii de hidraulicitatea albiilor prezentam grafic modul lor de formare. Figura nr. 3

Figura 3. Curentii din albiile raurilor

In ceea ce priveste modul de formare si de evolutie a curentilor din masa de apa a unui rau, se pot separa patru tipuri:

a)  Tipul I: curenti care se desfac la fund, de la mijloc catre maluri si formeaza doua circuite inchise. Se formeaza la rauri late si putin adanci, unde influenta malurilor este slaba. Se numesc curenti divergenti. (Figura nr. 4 )

Fig. nr. 4 Curenti de tip I - divergenti

b)   Tipul II: Curenti convergenti. Acestia converg din adancuri spre suprafata si de la maluri catre mijlocul raului. Caracteristic la rauri late, adanci si cu viteze mari. (Figura nr. 5)

Fig. nr. 5 Curenti de tip II - convergenti

c)   Tipul III: curenti circulari cu o singura directie, care iau nastere in zona adanca a albiei si se indreapta de la malul concav spre cel convex. Se formeaza la sectoare de rau meandrate, unde profilul transversal al talvegului este inclinat spre malul concav. (Figura nr. 6 )

Fig. nr. 6. Curenti de tip III - curenti circulari

d)  Tipul IV: Curenti de tranzitie reversibila de la tipul I la II (si invers), in functie de raportul dintre latimea si adancimea albiei.

In timpul marilor viituri, cand albiile majore sunt inundate, pot sa apara diferentieri intre directiile de deplasare ale curentilor. In aceste cazuri se considera ca se formeaza doua cursuri de apa: unul superior, la nivelul albiei majore, unde curentul urmareste panta generala a fundului vaii si unul inferior, specific albiei minore. Astfel de procese sunt caracteristice si in coada acumularilor unde, adesea, cursurile afluente urmaresc traseele vechilor albii inecate, pe distante mari (fenomen numit memoria raurilor).

Evident nu trebuie pierdut niciodata din vedere gradul deosebit de mare al complexitatii si interdependentei fenomenelor din natura.

Hidrometria vitezelor si debitelor

2.1. Repartitia vitezelor in sectiunea raului

Atat pe latime, cat si in adancime exista o variatie a vitezelor de scurgere determinata de contactul masei de apa cu aerul de deasupra, cu malurile si cu patul albiei. In general viteza apei scade de la mijlocul (axul) raului catre maluri si de la suprafata catre adancime. In ceea ce priveste variatiile vitezei apei pe latimea raului situatiile sunt numeroase. Pentru monitorizarea acestora, atunci cand se efectueaza masuratori de debite se tine cont de astfel de situatii, stabilindu-se un numar echitabil de verticale de masurare a vitezei, in functie de latimea raului (cca. 8-15 verticale de viteza in medie si altele, suplimentare, in caz de nevoie).

Daca avem in vedere variatia vitezei pe adancime, practica a demonstrat urmatoarele:

viteza maxima nu este chiar la suprafata oglinzii apei, unde frecarea cu aerul se pune in evidenta, ci ceva mai jos; cei mai multi autori considera ca la 0,2 h (unde h = adancimea apei);

viteza scade treptat de la punctul 0,2 h, catre fundul albiei ajungand pana la 0.

Diagrama de variatie a vitezelor, pe adancime se numeste epura sau hodogragul vitezelor. (Figura nr. 7).

In cazul aparitiei unor obstacole in albia raului (ingustari, largiri, vegetatie cu crengi la suprafata apei etc.) formele epurelor de viteza sunt foarte diferite.

Pentru urmarirea corecta a vitezelor raurilor in sectiunile statiilor hidrometrice, in practica se alege numarul de verticale de viteza in functie de latime, dar nu mai putin de 4 - 5, asa cum se prezinta mai jos.

Fig. nr. 7 Epura (hodograful) vitezelor in albie libera (A) si cu fenomene de inghet (B)

a) In ceea ce priveste latimea raului conform instructiunilor:

b) Pe adancime repartitia punctelor de masurare a vitezelor se face astfel:

In albiile libere - sub 0,15 m - nu se masoara viteza sau se utilizeaza    micromoristi:

- 0,15 - 0,20 m - la 0,6 h;

- 0,21 - 0,40 m - la supraf.; la fund;

- 0,41 - 0, 80 m - 0,2 h; 0,6 h; 0,8 h;

peste 0,80 m supraf. 0,2; 0,6; 0,8 h, fund;

h reprezinta adancimea verticalei de viteza, in m:

in cazul podului de gheata si a naboiului se executa masurarea vitezei si la adancimea de 0,4 h.

Pe baza rezultatelor masuratorilor asupra vitezei efectuate in punctele standard, pe latime si adancime, se pot trasa izotahe (curbe care unesc puncte cu aceeasi viteza). Metoda izotahelor, desi putin folosita in practica, poate fi utilizata pentru determinarea debitelor de apa.

2.2. Masurarea si calcularea vitezei raurilor

In cadrul actiunii de masurare a debitelor, atunci cand nu se folosesc dispozitive speciale (debitmetre, canale Parshall, deversori, orificii, profile practice), masurarea vitezei apei este absolut necesara. Prin cunoasterea vitezei si a sectiunii udate (active) se determina debitul de apa, ca produs al acestora.

Masurarea vitezei apei se mai executa insa si in alte scopuri: determinarea curentilor, calcule hidrologice speciale, navigatie etc.

In practica hidrologica, viteza apei raurilor se masoara cu mai multe categorii de dispozitive, instrumente si aparatura:

a - flotori sau plutitori;

b - tahimetre - batometre;

c - dinamometre;

d - tuburi hidrometrice;

e - moristi hidrometrice.

a - Flotorii sau plutitorii reprezinta corpuri simple, confectionate din materiale usoare, care plutesc pe suprafata apei.

Pentru efectuarea masuratorii, in sectiunea data, se aleg trei profile, situate la distante cunoscute (de lansare - plecare, de evidenta si de sosire) situate pe un sector rectiliniu si cu maluri simetrice. Flotorii lansati putin in amonte de profilul de plecare (in cel de lansare) sunt urmariti cu cronometrul (declansat la atingerea profilului de plecare), pana la profilul de sosire (cand se inchide cronometrul). In profilul de evidenta (de la mijloc) se consemneaza distanta la care trece flotorul fata de mal (de un reper prestabilit).

Cunoscand distanta L dintre profilul de plecare si cel de sosire si durata parcurgerii acesteia de catre flotor se determina viteza pe acel aliniament:

Vitezele masurate cu flotori sunt cele de la suprafata apei si, in principiu, sunt mai mari decat media pe verticala. Corectia care se aplica este de 0,8 - 0,9 (V_m = 0,8 - 0,9 V_supr..) .

Se mai folosesc flotori captivi, care se recupereaza, sau flotori integratori (recipiente care, pe masura ce se umplu cu apa, coboara in adancime, integrand in acest fel viteza apei pe verticala).

b. Tahimetre, batometre Sunt aparate mai complexe utilizate, mai ales, pentru recoltarea probelor de apa. Dispun insa si de curbe de etalonare, curbe prin care se determina viteza apei in functie de debitul de umplere:

c. Dinamometrele determina viteza apei prin masurarea actiunii sale dinamice.

d. Tuburile hidrometrice (tubul Pitt), masoara viteza apei prin transformarea energiei hidraulice in presiune hidrostatica.

e. Moristile hidrometrice sunt aparatele cele mai utilizate pentru masurarea vitezei apei. In principiu o morisca hidrometrica nu masoara direct viteza apei, ci un numar de turatii ale paletei (rotorului) intr-un anumit timp (80 - 120 secunde), respectiv un numar de rotatii pe secunda.

Pe baza unei ecuatii de etalonare, stabilita in atelierele de tarare, unde se imprima viteze cunoscute si se determina numarul de turatii pe secunda, se calculeaza viteza apei. Formula generala este: V = an + b unde a si b sunt coeficienti numerici determinati de pe curba de tarare (ecuatia acestei curbe).

In principiu o morisca hidrometrica se compune din:

corpul moristii cu dispozitivele de contact;

coada (ampenajul);

rotorul (paleta): ax, rotor, rulmenti, distantieri, rotita cu 20 dinti si stift de contact, fir de argint, etc.)

accesorii: - sonerie electrica sau dispozitiv luminos;

tija (cablu gradat);

greutate lestara;

carabiniera, vartej etc.

surubelnite, baterii, becuri lanterna:

Etapele masurarii vitezei cu morisca hidrometrica sunt:

pregatirea moristii pentru lucru;

efectuarea sondajelor si determinarea adancimilor de scufundare;

masurarea numarului de turatii (in 80 - 120") in fiecare punct, dupa o prealabila asteptare de acomodare a turatiilor rotorului cu viteza apei; "N"

determinarea numarului de turatii pe secunda "n";

calculul vitezelor la diferite adancimi pe baza ecuatiei moristii;

calculul vitezei medii pe verticala (pe baza recomandarilor din instructiuni), prin metode diferite: analitica, grafomecanica, grafoanalitica etc.

Metoda analitica consta in calcularea vitezei medii pe verticala prin medierea aritmetica, ponderata, a vitezelor masurate in punctele standard. Instructiunile care se aplica in reteaua hidrometrica a Romaniei elaborata de INMH Bucuresti, recomanda urmatoarele formule, in functie de numarul punctelor de masurare:

1 punct: V_m = V 0,6

2 puncte: V_m = (V_s + V_f) / 2

3 puncte: V_m = (V0,2+2V0,6+V0,8)/4

5 puncte de masurare: V_m = (V_s+3V0,2+3V0,6+2V0,8+V_f) /10

Metoda grafomecanica, consta in urmatoarele operatiuni (Figura nr. 8):

se deseneaza, la o scara convenabila, epura vitezelor;

se planimetreaza suprafata epurei in cm²;

se imparte aceasta suprafata la adancime si se obtine viteza medie pe verticala.

Atentie: Pentru verificare, atunci cand se traseaza cu linie verticala viteza medie, partile din epura care raman in dreapta acestei linii trebuie sa fie aproximativ egale cu golul din stanga.

2.3. Masurarea debitelor raurilor

Debitul de apa reprezinta volumul (cantitatea) de apa care se scurge printr- o sectiune activa a unui rau, in unitatea de timp (o secunda).

Din definitie se constata ca, pentru determinarea debitului de apa, trebuie cunoscute sectiunea activa (W - m²) si viteza apei (V- m/s).

In practica hidrometrica se folosesc mai multe metode pentru masurarea (determinarea debitelor de apa):

a.    metoda sectiune - viteza;

b.    metoda volumetrica;

c.    metoda amestecului (chimica);

d.    utilizarea unor constructii si instalatii hidrometrice specializate (deversori, orificii, ajutaje, profile practice etc.).

Termenul de "determinarea debitelor" este mai potrivit decat cel de "masurare" pentru ca prin nici o metoda nu se obtine direct valoarea debitului, ci elemente ajutatoare, de calcul: W, V, I, n etc.

Determinarea debitului prin metoda sectiune - viteza

Aceasta metoda, cel mai frecvent utilizata in practica hidrologica, se refera la determinarea debitelor prin:

masurarea sectiunii de apa prin efectuarea sondajelor cu tija hidrometrica sau prin ridicare topografica. Numarul de sondaje se alege in functie de latimea raului si de configuratia albiei. De obicei numarul verticalelor de sondaj, este de doua ori mai mare decat cel pentru viteze.

- masurarea vitezei apei cu morisca hidrometrica sau cu flotori (modul de masurare a fost prezentat mai sus).

Formula generala de calcul a debitului este: Q = ΩV, dar pentru a se obtine o precizie cat mai buna, operatiile se fac pe parti (suprafete partiale cu viteze caracteristice).

In cazul masuratorilor cu flotori se executa urmatoarele operatii, care se noteaza pe un formular tip.

se efectueaza masuratoarea asa cum am prezentat in subcapitolul anterior; avand grija ca, pe toata latimea raului, sa fie cronometrati un numar suficient de flotori;

se intocmeste graficul D-T, pe care se ordoneaza flotorii in functie de distanta fata fata de reper (mal), pe la care au trecut in profilul de evidenta si de timpul parcurs;

se determina grupele de flotori, considerand ca abateri admise 10-15%;

se completeaza tabelul cu vitezele, determinate pe grupe, pe baza formulei;

(Etapa I de completare)

se completeaza tabelul de calcul al suprafetelor partiale intre sondaje si intre grupele stabilite;

se completeaza etapa II a tabelului cu viteze si debite, pe grupe de flotori;

se totalizeaza debitele partiale (de suprafata) si se obtine valoarea debitului de suprafata (fictiv) - Q_s;

se aplica un coeficient de corectie: K_s = 0,8 - 0,9 determinat pe baza unor masuratori efectuate cu morisca hidrometrica sau prin apreciere;

se calculeaza tabelul centralizator cu rezultatele masuratorilor.

In cazul masurarii vitezelor cu morisca hidrometrica se folosesc de asemenea imprimate tip.

etape:

se efectueaza sondaje conform instructiunilor. Sondajele se efectueaza de regula in puncte fixe precizate prin gradatii pe un cablu, la distante corespunzatoare, dus si intors;

se calculeaza adancimile de scufundare a moristii (conform instructiunilor) la verticalele de viteza desemnate;

se executa masurarea impulsurilor de viteza in fiecare punct ;

se calculeaza, pe baza ecuatiei de tarare, vitezele;

se calculeaza vitezele medii pe verticalele de viteza (analitic, grafoanalitic sau grafomecanic).

De aici operatiile se diferentiaza:

In cazul calulului analitic

se determina suprafetele partiale intre verticalele de sondaj si de viteza;

se consemneaza vitezele medii in dreptul verticalelor de viteza;

se calculeaza viteze medii, intre verticalele de viteza corespunzatoare suprafetelor partiale. La maluri se considera 2/3 din prima (ultima) verticala de viteza;

se calculeaza debitele partiale (q =ω∙v), apoi, prin insumare se obtine debitul total (Q);

aceleasi calcule se efectueaza luand in considerare numai vitezele de suprafata, pentru determinarea coeficientului de corectie K_s () al masuratorilor efectuate numai la suprafata (in cazul viiturilor) sau a celor cu flotori:

se completeaza tabelul centralizator, cu toate elementele masuratorii:

Imprimatele utilizate se vor prezenta si utiliza la Lucrari practice.

In cazul calcului grafomecanic (grafoanalitic) al vitezelor:

Dupa determinarea epurelor (hodografelor) vitezelor si a vitezelor medii pe verticale:

se deseneaza profilul transversal (raportarea ridicarii topo sau din sondaje);

se determina debitele elementare pe epurele de viteza;

se traseaza, pe profilul transversal, epurele debitelor elementare si a vitezelor;

se planimetreaza epura debitelor elementare si se obtine debitul;

se planimetreaza profilul transversal cu toate elementele sale: suprafata totala, activa, inactiva, cu gheata, etc.

se calculeaza celelalte elemente ale masuratorii si se completeaza tabelul cu rezultate.

Elementele de calcul ale unei masuratori de debit:

Nivelul apei - atunci cand ne aflam la o statie hidrometrica: (H cm)

suprafata sectiunii de apa (Ω m²) - totala Ω_t (m²);

- activa Ω_a (m²)

- inactiva Ω_I (m²)

- a ghetii Ω_gh (m²)

naboiului, Ω_nab (m²)

- latimea raului B(m);

- latimea fetei inferioare a ghetei B_gh (m);

- debitul de apa Q (m³/s);

- viteza medie V_m (m/s);

- viteza maxima V_max(m/s);

- adancimea medie h_med =Ω/B (m);

- adancimea maxima h_max;

- perimetrul udat P(m) P = B +2h_med

P = B+2h_med +B_gh

- raza hidraulica R = Ω/P (m);

- debitul fictiv Q_s - debitul corespunzator vitezei de suprafata;

- coef. de corectie K_s sau = Q/ Q_s - 0,8 - 0,9;

Determinarea debitelor prin metoda volumetrica

Se practica de obicei la izvoare, paraie foarte mici, conducte etc. si consta in umplerea unui vas gradat intru-un timp cronometrat. De regula se fac mici amenajari pentru ca apa sa nu se piarda: jgheaburi, tuburi etc.

Pentru debite mici metoda este foarte precisa si comoda (operativa).

Determinarea debitelor prin metoda amestecului (chimica, dilutiei).

In principiu, metoda consta in lansarea unei cantitati de substanta (neotravitoare) intr-o sectiune situata in amonte, recoltarea si analiza concentratiei intr-o alta sectiune situata la o distanta bine determinata in aval.

Calculul se efectueaza cu formula: Q x K_o+q x K₁ = Q+ ql x K₂

unde:   

q = debitul solutiei (debit de lansare din vasul special)

K₁= concentratia solutiei lansate;

Q = debitul curentului;

K₀ = concentratia apei in stare naturala;

K₂ = concentratia probei recoltate.

Metoda este precisa, dar la debite mai mari necesita importante cantitati de solutie concentrata, de regula sare de bucatarie.

Determinarea debitelor cu instalatii hidrometrice

Instalatiile hidrometrice au o utilizare frecventa mai ales in domeniul hidrologiei tehnice, deoarece se masoara anumite elemente, iar restul se determina dupa tabele sau prin calcule. Exista o literatura hidrotehnica deosebit de bogata in acest domeniu.

Intre instalatiile de masurare mentionam:

d.1. Deversorii. Deversorii sunt deschideri practicate in anumiti pereti metalici sau de beton cu care se bareaza cursul unui parau sau canal. Apa, barata formeaza o mica acumulare in spate si curge apoi prin deschiderea respectiva. In teren se masoara inaltimea coloanei de apa care trece peste pragul deversorului, restul elementelor se calculeaza sau sunt prezentate in tabele speciale. Pentru a putea aplica insa formulele si coeficientii tabelati, exista anumite reguli de constructie si de amplasare a deversorilor.

Deversorii pot functiona in regim neinundat, atunci cand apa cade direct in albie, iar nivelul din aval nu are nici o influenta asupra celui din amonte si in regim inundat, atunci cand in aval exista o saltea de apa care influenta asupra partii din amonte. Deversorii se clasifica dupa forma si dupa grosimea peretilor.

Dupa forma deversorii sunt:

triunghiulari, cu unghi drept sau ascutit (30⁰, 45⁰);

- trapezoidali, in forma de trapez, cu baza mica in jos;

- dreptunghiulari, in forma de dreptunghi.

In functie de grosimea peretelui deversorului, acestia pot fi:

cu prag subtire (lame metalice de 3 - 5 mm grosime)

cu prag lat (profil practic), cand este vorba de un baraj de beton cu zidarie cu grosime mai mare.

Prezentam mai jos cateva formule ale deversorilor:

1) Deversor trapezoidal cu unghi α = 104⁰

Q = 1,86 bh^3/2 pentru viteze de apropiere < 0,2 m/s

Q = 1,96 bh^3/2 pentru viteze de apropiere > 0,2 m/s

Q in m³/s; b - in m; h - in m;

2) Deversor triunghiular cu unghi α = 90⁰

Q = 1,58 h^5/2

d.2. Orificiile si ajutajele

Orificiile se practica in baraje pentru diferite interese legate de exploatarea acestora. Pot fi aplicate si in cazul unor barari improvizate pentru masurarea debitului. In functie de grosimea peretelui (barajului) orificiile pot fi cu pereti subtiri sau cu pereti grosi. Intre acestea exista multe diferente, dar nu le discutam. Cand orificiul este prevazut cu o mica teava, aceasta se numeste ajutaj.

Formula generala de calcul este:

Q = μω, unde: μ, ω - coeficienti;

g - acceleratia gravitationala;

H - inaltimea coloanei de apa din spatele barajului.

d.3. Tubul Pitt a fost descris la subcapitolul privind masurarea vitezelor. Daca se ia in considerare si suprafata sectiunii de apa, se poate calcula debitul: Q = Ω· V (m³/s)

d.4. Dispozitivul Parshall este o constructie care ingusteaza sectiunea de apa si prezinta pante si contrapante bine determinate. Pe baza diferentelor de contrapante de nivel care exista intre sectiunea din amonte de dispozitiv si cea din aval, se determina debitele. De regula se folosesc doua limnigrafe care functioneaza corelat.

d.5. Debitmetrele sunt dispozitive special construite care masoara direct debitul de apa. Se folosesc in general la conducte.

Hidrometria nivelurilor

3.1. Observarea si prelucrarea nivelurilor

Prin nivelul apei unui rau nu se intelege adancimea acestuia, asa cum s-ar parea la prima vedere, ci inaltimea oglinzii apei fata de un anumit punct fix, numit "0" al mirei.

Cota "0" mira se alege de regula in asa fel, incat nivelul apei sa nu scada niciodata sub acesta, pentru a se evita valorile negative atunci cand se prelucreaza sirurile de valori obtinute. Dar, in natura, sunt situatii cand albia este erodata si nivelul apei scade sub cota "0" mira stabilita. Pentru a se evita valorile negative, la prelucrari se alege un plan fictiv situat cu 1-2 m mai jos decat planul "0" mira, care se numeste planul "0" al graficului. Diferenta dintre cele doua planuri se numeste DH (delta H).

Observatiile asupra nivelurilor se efectueaza la mira hidrometrica. Acesta este, in fond un dispozitiv gradat (placi de mira), fixat pe piloti, pe pilele sau culeele podurilor etc. pe care se citesc valorile de nivel observate. Ecartul mirei se alege in asa fel, incat sa poata fi observata toata gama de valori, de la cele mai mici, pana cele mai mari. Pentru acces mai usor, atunci cand se folosesc piloti de mira acestia sunt mai multi si se fixeaza pe mal, cu continuitatea placilor bine determinata. Figurile nr. 09. si

Figura nr. 9. Mira hidrometrica si detaliu la partea inferioara

Figura nr. Tipuri de mire hidrometrice (inclinata, pe un singur pilot si pe mai multi piloti)

Observatiile la mira se efectueaza de doua ori pe zi (orele 7 si 17). In situatia regimului relativ constant si suplimentar, in caz de variatii semnificative. Se are in vedere includerea in sirul de valori observate a nivelurilor maxime si minime.

Oservatiile de nivel se consemneaza in carnete tip, in care se mai inregistraza precipitatiile cazute, temperatura apei si a aerului, viteza si directia vantului (aprecieri), starea timpului si starea raului (liber sau cu fenomene de inghet, vegetatie etc.). Ca si in cazul debitelor, imprimatele tip se vor prezenta si discuta la activitatile de lucrari practice.

Prelucrarea nivelurilor comporta urmatoarele operatiuni:

- la citirile brute (fata de "0"mira) se aplica adaosul (∆H);

- se calculeza medii zilnice:

- aritmetic, cand sunt 2 valori si cand variatiile nu sunt prea mari;

- ponderat, cand sunt 3 sau mai multe valori diferentiate mai mult de 10% fata de ecartul anual de variatie ;

- se calculeaza media lunara / 30,31;

- se extrag valorile extreme.

Dupa calculul nivelurilor, pe acelasi carnet se efectueaza calculele asupra temperaturilor, fenomenelor de inghet sau vegetatiei, se intocmesc grafice etc., conform instructiunilor din reteaua hidrometrica nationala.

In ceea ce priveste, nivelurile, putem vorbi, despre:

- valori instantanee - de la orele de observatie;

- valori medii: zilnice, lunare;

- valori maxime si minime - din fiecare luna;

- valori medii anuale;

- valori extreme anuale;

- valori multianuale;

- ecart anual de variatie (H_max - H_min);

- ecart multianual de varitie (din sirul de valori);

- hidrogradul: H_d =

Avand in vedere variabilitatea mare a nivelurilor in timp si imposibilitatea practica de supraveghere permanenta a mirelor hidrometrice pentru inregistrarea nivelurilor se utilizeaza aparate speciale numite limnigrafe. In principiu, un limnigraf (Figura nr.11) se compune din:

Figura nr. Limnigrafe: orizontal si vertical

- un tambur orizontal sau vertical pe care se fixeaza diagramele specifice fiecarui tip in parte;

- un dispozitiv de ceasornic, cu arc, care se incordeza la 24 ore, saptamanal sau lunar;

- un sistem de inregistrare, dotat cu penita cu tus special sau cu creion;

- un rotor, cu sistem de reducere la scara a variatiilor de nivel;

Limnigraful se instaleaza intr-o cabina (caseta) dispusa deasupra unui put care are legatura, printr-o conducta, cu albia raului si in care nivelurile variaza concomitent si concordant cu cele ale apei din rau, pe principiul vaselor comunicante.

Atunci cand nu se dispune de limnigrafe, pentru identificarea cel putin a valorilor extreme se utilizeaza mire de maxima si de minima. Mira de maxima este o cutie de lemn cu usita, cu un perete interior vopsit in negru si gradat, care se ataseaza la constructia mirei existente. Se da cu creta partea innegrita, iar apa, in crestere spala aceasta creta pana la nivelul maxim. Mira de maxima este dispusa cu cote corelate cu mira de baza, astfel ca nu este greu de citit, pe rigla gradata din interior, cota maxima inregistrata.

Mira de minima este o constructie din rigle prevazute cu crestaturi in care alunecatorul coboara pana la cotele minime, in mod adecvat.

In ultimii ani s-au introdus si la noi in tara statii hidrometrice automate care au senzori pentru masurarea nivelurilor, precipitatiilor si a temperaturilor (Figura nr. 12.).

Figura nr. 12. Pluviometru automat.

3.2 Cheia limnimetrica

Intre niveluri si debite, pe un curs de apa, exista o legatura directa. Cresterile de nivel se concretizeaza prin cresteri corespunzatoare ale debitelor.

Legatura debitelor cu nivelurile se numeste cheie limnimetrica si prezinta o importanta deosebita pentru activitatea de hidrometrie - hidrologie. Cheia limnimetrica se intocmeste pe baza masuratorilor de debite efectuate de-a lungul anului, pe fazele de regim. Are forma unei curbe cu deschidere spre dreapta. (Figura nr. 12).

Figura nr. 12. Cheie limnimetrica. Raul Slanic la Slanic Moldova

Cheile limnimetrice pot fi:

- curbe unice - in cazul albiilor stabile;

- curbe periodice - in cazul albiilor care se modifica la viituri;

- familii de curbe - in cazul fenomenelor de remu;

- curbe cu bucla - uneori, in cazul surparii malurilor din timpul viiturilor;

Pentru cheile limnimetrice se determina expresiile lor tabelare, dupa care nivelurile se transforma in debite.

Analiza scurgerii apei

Scurgerea apei (S) este un element al bilantului hidrologic general si cunoasterea acesteia este deosebit de importantanta pentru cercetarea fundamentala si pentru gospodarirea cantitativa si calitativa a resurselor de apa. Variatia in timp a scurgerii apei se numeste regimul scurgerii.

4.1. Alimentarea scurgerii. Sursele de alimentare

In alimentarea scurgerii apei, rolul factorilor climatici este determinant, dar nu singurul. Mai contribuie la aceasta factorul geologic (structura, tectonica si litologia zonei), morfologia bazinului hidrografic, pantele de scurgere, vegetatia, existenta lacurilor si a mlastinilor etc. Omul, prin lucrarile pe care le executa in bazinele hidrografice (acumulari, indiguiri, desecari, irigatii etc.) introduce modificari semnificative in regimul scurgerii (redistribuire, consumuri, transferuri de debite etc.).

In principal, cursurile de apa au o alimentare superficiala (din ploi, topirea zapezilor si a ghetarilor) si subterana (din resurse freatice si de adancime).

Alimentarea raurilor din ploi este caracteristica zonelor calde ale globului si in cele temperate pe durata sezoanelor calde. Regimul hidrologic al raurilor alimentate din ploi reflecta caracterul precipitatiilor, fiind mai constant in zonele ecuatoriale, variabil in zonele musonice, tropicale umede si temperat oceanice si foarte variabil in zonele tropicale semiaride si temperate continentale.

Alimentarea raurilor din topirea zapezilor este specifica regiunilor temperate si subpolare, dar se manifesta si in regiunile calde foarte inalte (montane) unde zapezile persista perioade mai lungi din an sau sunt persistente.

Alimentarea raurilor din topirea ghetarilor este caracteristica zonelor reci si foarte inalte, unde sunt instalati ghetari de calota sau montani. La aceste rauri caracteristica regimului hidrologic consta in faptul ca scurgerea maxima si debitele cele mai mari se produc vara, la topirea limbilor ghetarilor. (ex. raurile din Alpii inalti - Gnz, Mindel, Wrn, Isar, Inn; Sf. Laurentiu din America de Nord; Nilul superior din Africa; Angara din Siberia etc.).

In functie de predominarea uneia sau a alteia din sursele de alimentare superficiala, tipurile de alimentare se numesc: pluviala, nivala, glaciara, pluvio-nivala, nivo-pluviala etc.

Alimentarea din surse subterane freatice sau de adancime se realizeaza prin descarcarea panzelor respective.

Atunci cand se studiaza mai in amanut procesele de formare si regimul scurgerii se procedeaza la separarea surselor de alimentare care se realizeaza prin procedee diferite (grafice si analitice) asupra carora nu insistam aici.

In functie de regimul de alimentare Voiekov separa mai multe tipuri de rauri pe baze climatice:

I.      Rauri care se alimenteaza din topirea zapezilor, din zone cu inaltimi de pana la 1000 m.(nordul Siberiei si al Canadei). Debitul maxim este vara.

II.           Rauri care se alimenteaza din topirea zapezilor si din ghetari din zona montana inalta din Asia Centrala.

III.        Rauri cu alimentare din ploi, cu viituri vara (zona tropicala si musonica)- Amur, Nil, Gange, Amazon; Congo.

IV.         Raurile din nordul si vestul Asiei cu alimentare bogata primavara, la topirea zapezilor, viituri vara si toamna din ploi. Aici se includ si raurile din tara noastra.

V.            Raurile cu alimentare din ploi, iarna (Europa centrala si de vest).

VI.         Rauri cu alimentare din ploi, iarna si aproape lipsite de precipitatii vara (zona mediteraneana);

VII.      Regiunile cu climat arid, lipsite de scurgere (Asia Centrala, Sahara, Arabia, regiunea Aralo-Caspica);

VIII.   Rauri intermitente Mongolia, Kazahstanul de est, Crimeea de nord;

IX.         Regiuni lipsite de rauri din cauza inghetului peren: Groenlanda, Antarctida;

Marile fluvii se incadreaza de regula la mai multe tipuri de alimentare.

Pentru Romania, I. Ujvari (1959) separa 4 tipuri de alimentare.

Nival moderat, cu alimentare subterana moderata zp-s in muntii cei mai inalti: Rodna, Calimani, Fagaras, Retezat;

Nivo - pluvial, subteran moderat zp-s in muntii inalti;

Pluvio - nival, subteran moderat pz -s, in zona de deal si podis (400 - 1600 m);

4. Nivo - pluvial - subteran bogat zp- s - in depresiunile intramontane.

4.2. Regimul hidrologic al raurilor

Studiul regimului hidrologic al raurilor consta in cunoasterea variatiilor nivelurilor si debitelor acestora pe o anumita perioada de timp (de regula un an), in stransa dependenta de sursele de alimentare.

Pentru fiecare zona climatica este caracteristic un anumit tip de regim (constant si bogat in zona ecuatoriala, sezonier bogat in zone musonice, cu variatii diferite in zonele tropicale si temperate).

Pentru tara noastra, in conditiile unui climat temperat continental moderat in vest si mai excesiv in est, de-a lungul unui an calendaristic, in regimul raurilor se constanta existenta a patru perioade:

Perioada de iarna (lunile XII-II) cu scurgere redusa, alimentata predominant din resurse subterane (mai ales in partile estice ale tarii), caracterizata prin retinerea precipitatiilor pe sol sub forma de strat de zapada si prezenta fenomenelor de inghet pe cursurile de apa (naboi, gheata la maluri, poduri de gheata, sloiuri, zapoare etc.).

Perioada de primavara (lunile III-V), caracterizata printr-o mare bogatie a scurgerii (30-40% si peste, din volumul anual) datorita topirii zapezii si precipitatiilor. Se produc viituri si ape mari cu durate mai indelungate. Cea mai bogata scurgere de primavara se intalneste in zonele montane.

Perioada de vara (lunile VI-VIII). Procentajele de participare la volumul anual al scurgerii sunt mai mici decat cele de primavara, dar se mentin inca ridicate (25-35%) datorita unor viituri torentiale de amploare mare.

Perioada de toamna (lunile IX-XI). Se caracterizeaza printr-o scurgere mai redusa (15-20% din volumul anual), prin cresterea rolului alimentarii din resurse subterane. Pe acest fond de "calm" hidrologic se produc insa si unele viituri.

In profil multianual regimul scurgerii apei urmareste indeaproape variatiile climatice, in special repartitia temporo-spatiala a precipitatiilor. Anii medii, ploiosi sau secetosi din regimul climatic isi au corespondenta in anii cu scurgere medie, respectiv bogata (maxima) sau deficitara (minima).

Pentru bazinul hidrografic Siret regimul multianual al scurgerii se caracteriza prin ani medii (1956, 1960, 1965, 1967, 1976, 1984), ani cu scurgere bogata (1932, 1955, 1969, 1970, 1975, 1991) si ani cu scurgere redusa (1950, 1952, 1963, 1968, 1986, 1987, 1990, 1994, 2000).

Acest regim multianual al scurgerii apei este caracteristic zonelor temperate cu un continentalism moderat. In zonele cu climate mai uniforme si mai umede regimul scurgerii este, de asemenea, mai uniform in timp, dupa cum in regiunile tropicale scurgerea multianuala prezinta discontinuitati si mai mari. De asemenea si periodizarea anuala prezinta alte caracteristici, de la o uniformitate clara, pana la existenta a numai 1-2 sezoane cu debite bogate.

4.3. Influenta factorilor fizico-geografici asupra scurgerii raurilor

In analiza regimului scurgerii unui rau se porneste totdeauna de la ideea ca acesta, intr-o sectiune data, reflecta ansamblul conditiilor fizico-geografice din bazinul hidrografic aferent. La influenta factorilor naturali se adauga, tot mai pregnant, impactul antropic

Deoarece clima reprezinta principalul factor de control al scurgerii, elementele climatice (temperatura, precipitatiile, nebulozitatea, umiditatea aerului, evaporatia, vanturile, durata de stralucire a soarelui, radiatia solara etc.) reprezinta factorii climatici ai scurgerii. Celelalte componente ale mediului geografic (geologia, relieful, pantele de scurgere, vegetatia, solurile si altele) reprezinta factorii neclimatici. La randul lor, activitatile socio-economice se constituie in factorul antropic.

Intre factorii naturali ai scurgerii (climatici si neclimatici) exista legaturi stranse de interdependenta, in sensul ca acestia actioneaza intotdeauna interconjugat. Astfel temperatura aerului si radiatia solara influenteaza direct asupra evapotranspiratiei, dupa cum umezeala aerului si nebulozitatea o influenteaza indirect. De asemenea diferentele termice locale, zonale sau globale conditioneaza regimul vanturilor care, la randul lor, au influenta asupra evaporatiei. Asupra tuturor acestor interdependentete actioneaza factorii neclimatici cum ar fi pozitia geografica ce se supune zonalitatii latitudinale sau relieful, care, prin altitudine, impune zonalitatea verticala.

Caracteristicile geologice ale bazinului hidrografic conditioneaza acumularea panzelor de ape subterane care, la randul lor, alimenteaza scurgerea raurilor.

Vegetatia si solurile au, de asemenea, un rol important in regularizarea debitelor de apa prin interceptia unei parti din precipitatii pe coronament si acumularea apei in litiera sau in orizonturile afanate ale invelisului pedologic. Este evident ca padurile de foioase cu o litiera bogata dezvoltata pe soluri adanci se constituie in adevarate rezervoare de apa care au efect regularizator deosebit de puternic asupra scurgerii.

Aceste procese vor fi intelese mai bine pe masura ce se vor acumula mai multe cunostinte de climatologie, geomorfologie, geologie, biogeografie, pedologie etc.

4.4. Influenta factorului antropic

Actiunile omului asupra mediului geografic, tot mai puternice si mai complexe pe masura dezvoltarii activitatilor social economice, se exercita si asupra scurgerii apei. Prin amenajarea cursurilor de apa si a bazinelor hidrografice (construirea unor acumulari tot mai mari, indiguiri, irigatii, desecari si prin consumurile de apa) se introduc modificari esentiale asupra regimului scurgerii.

Amplasarea lacurilor de acumulare pe cursurile de apa face ca, in aval de barajele acestora, regimul scurgerii apei sa devina dependent de manevrele care se executa la uvraje. Debitele mici si medii se acumuleaza in chiuvetele lacurilor, de unde sunt valorificate in scopuri complexe (hidroenergie, alimentari cu apa potabila, industriala si pentru agricultura, agrement etc.) iar cele maxime, care nu pot fi acumulate sunt tranzitate prin manevre prevazute de regulamente de exploatare precise. Amenajarile complexe, irigatiile, desecarile, transferurile de debite si consumurile de apa reprezinta aspecte ale modificarilor directe pe care factorul antropic le introduce asupra regimului scurgerii apei. Alaturi de acestea se asociaza si multe alte activitati cu impact indirect cum ar fi despaduririle, pasunatul intensiv, practicarea agriculturii, extinderea spatiul cladit si multe altele. Modificarile indirecte se reflecta mai mult la impactul asupra elementelor climatice si a schimbarii conditiilor de manifestare propriu-zisa a scurgerii (cresterea torentialitatii, diminuarea scurgerii, procese geomorfologice active etc.).

4.5. Elementele caracteristice ale regimului scurgerii

In practica hidrologica si in gospodarirea apelor prezinta relevanta toate aspectele scurgerii, considerate in timp si spatiu, dar cel mai mult se opereaza cu valorile medii si extreme ale acesteia (scurgerea maxima si minima).

Scurgerea medie este considerata ca fiind indicele cel mai general al resurselor de apa si sta la baza tuturor proiectelor de valorificare complexa a acestora, de amenajare si de gospodarire a apelor.

Valorile medii ale scurgerii se obtin pe baza observatiilor si masuratorilor efectuate intr-o retea bine organizata de puncte de monitorizare si a extinderii rezultatelor obtinute, pe baza de corelatii si generalizari fundamente stiintific, pentru alte zone mai putin cercetate in mod direct.

Pentru ca valorile obtinute direct sau prin relatii de generalizare sa exprime cat mai fidel realitatile din teren este necesar ca sirurile de valori sa aiba anumite dimensiuni statistice (25-35 ani si chiar mai mult). In felul acesta valorile medii care se calculeaza sustin in buna masura o fundamentare corespunzatoare a proiectelor de valorificare a apelor.

Fiind strict dependenta de factorii mediului geografic, scurgerea se supune legilor zonalitatii latitudinale si altitudinale, iar relatiile de extindere si generalizare se sprijina in mod deosebit pe aceste zonalitati. In cazul existentei influentelor antropice, acestea se monitorizeaza prin metodologii adecvate iar valorile reale; masurate, se corecteaza in mod corespunzator, operatie numita in mod curent reconstituirea regimului natural.

Pe teritoriul Romaniei scurgerea este monitorizata la un numar de peste 900 statii hidrometrice, din care peste 125 numai pentru spatiul hidrografic Siret (bazinul hidrografic Siret administrat de catre Directia Apelor Siret) care nu include subbazinele Barlad si Buzau.

Pornind de la importanta marimii bazinului hidrografic si de la elementele cadrului natural care conditioneaza, in principal, marimea scurgerii, de obicei, in practica, se utilizeaza corelatii in care se reflecta aceasta conditionare. Pentru ca valorile sa fie cat mai reprezentative nu se opereaza direct cu debitele de apa (Q), decat in anumite cazuri.

Cel mai adesea este utilizata scurgerea specifica (q), rezultata din raportul q = care se exprima in l/sec/km².

Scurgerea specifica reprezinta volumul de apa cu care participa fiecare Km² dintr-un bazin hidrografic la formarea scurgerii. In felul acesta, diferentele introduse de marimea bazinului hidrografic dispar, iar datele devin mult mai reprezentative.

Cele mai frecvente legaturi (corelatii) cu care se opereaza sunt: q= f(F);

q = f(H _med) unde q = debit specific - (l/sec/km²);

F = suprafata bazinului hidrografic (km²);

H_med = altitudinea medie a bazinului hidrografic (m).

Varietatea mare a conditiilor de formare si de regim al scurgerii, chiar pe teritorii mai reduse cum este cazul Romaniei, impune, de fapt, o familie de curbe de variatie a legaturii q= f(H_med) iar rezultatele obtinute se ordoneaza geografic. Se constata ca valorile scurgerii medii specifice sunt mai mari in zona montana, inalta, 10-35l/sec/km², au valori mijlocii in zonele de deal si podis 5-10l/sec/km² si sunt mai mici in campie sub 5l/sec/km². Aceste limite sunt estimative.

La nivel planetar scurgerea medie specifica prezinta variatii cu mult mai mari.

Trebuie mentionat faptul ca intre marimea bazinului hidrografic si valorile scurgerii specifice exista un raport de proportionalitate inversa. Raurile mari ocupa teritorii situate in diferite zone geografice, iar precipitatiile cazute pe teritoriul acestor bazine sunt foarte diferentiate.

Scurgerea maxima reprezinta o faza deosebit de importanta a scurgerii atat prin efectele sale directe (inundatii soldate adesea cu victime si pagube imense), cat si pentru proiectarea lucrarilor pe cursuri de apa. Datorita faptului ca masuratorile in conditiile scurgerii maxime se efectueaza cu mare dificultate si contin erori importante, aceasta prezinta inca o problema delicata pentru hidrologie. Extrapolarea cheilor limnimetrice la ecarturi mari contine, de asemenea, multe aproximatii indiferent de metodele folosite.

Pentru tara noastra fondul mare de date acumulate in timp, intr-o retea hidrometrica destul de bine pusa la punct a permis o cunoastere satisfacatoare a scurgerii maxime, chiar si pe rauri pe care nu exista sectiuni de monitorizare.

Ca si scurgerea medie, scurgerea maxima se supune legilor zonalitatii. In cazul Romaniei nu diferentele de latitudine sunt cele care controleaza formarea scurgerii maxime, deoarece suprafata este destul de redusa, ci altitudinile medii diferite ale bazinelor hidrografice. Aici, insa, conteaza foarte mult suprafata bazinului hidrografic.

Expresia cea mai elocventa a scurgerii maxime o constituie viiturile, in special cele generate de ploi torentiale si abundente cantitativ. In conditiile tarii noastre, in care muntii ocupa o pozitie relativ centrala, topirea zapezii singura, oricat de rapid s-ar realiza, nu poate produce viituri catastrofale. Atunci cand peste o topire rapida a zapezii se suprapun ploi insemnate cantitativ, viiturile produse sunt deosebit de mari. Este cazul viiturii de la jumatatea lunii mai 1970, produsa pe majoritatea raurilor tarii, in special pe cele cu obarsia in Carpatii Orientali (Somes, Mures, Olt, Bistrita) care a produs pagube foarte mari, apreciate la 10 miliarde de dolari si 166 victime omenesti.

Viiturile reprezinta cresteri importante de nivel, produse in timp scurt, ca urmare a unor ploi torentiale bogate, topirii rapide a unui strat important de zapada, accidente hidrotehnice etc.

Durata unei viituri se masoara in ore pentru raurilor mici, torentiale, zile pentru raurile mijlocii si mari si in saptamani, pe fluviile cu bazine hidrografice de dimensiuni subcontinentale.

Daca avem in vedere modul lor de formare, viiturile pot avea ca origine ploile, topirea zapezilor si a ghetarilor, sau pot fi de provenienta mixta. In Figura 13. prezentam un model de viitura.

Figura nr. 13. Viitura de la Goioasa jud. Bacau

Pentru analize si calcule hidrologice si pentru scurgerea maxima se intocmesc corelatii si generalizari avand ca suport dependenta valorilor acesteia de suprafata si de altitudinea medie a bazinelor de receptie.

q_max = f(F); q_max = f(H_med); q_max = f

Ca si in cazul scurgerii medii aceste legaturi au o repartitie zonala pe teritoriile analizate.

Deoarece debitele maxime cele mai semnificative provin din ploi, analizele complexe si corelatiile care se intocmesc tin cont si de acest element meteorologic. Se au in vedere ploile care au produs viitura in mod efectiv, ploile maxime cazute in 24 ore, precum si ploile care le-au precedat pe cele care au generat viitura cu un numar de zile (de regula 10) si care au imprimat un anumit grad de umiditate solului (SMI).

Conteaza foarte mult capacitatea de absorbtie a precipitatiilor de catre sol.

In practica inginereasca si in proiectare se utilizeaza debite maxime cu anumite probabilitati de depasire (0,1, 0,5, 1, 2, 3, 5, 10, 20%) determinate prin prelucrari statistice aplicate unor siruri de valori. De exemplu, se considera ca un debit maxim cu probabilitatea de depasire de 1% poate fi atins (depasit), teoretic, odata la 100 ani etc.

Astfel de calcule se intocmesc si pentru volume asigurate, necesare mai ales in proiectarea acumularilor.

Alte elemente deosebit de importante care se determina prin prelucrarea viiturilor sunt coeficientul de scurgere care reprezinta raportul dintre volumul scurs si cel al precipitatiilor care a generat viitura si stratul scurs, respectiv raportul dintre volumul scurs si suprafata bazinului hidrografic. Coeficientul de scurgere ofera indicii asupra eficientei ploii pentru scurgere, iar stratul scurs se utilizeaza in analizele de bilant, plecand de la faptul ca precipitatiile se masoara de regula sub forma de strat.

Trebuie mentionat faptul ca notiunile: coeficient de scurgere, strat scurs, asigurari se utilizeaza de regula si in cazul scurgerii medii sau celei minime.

Scurgerea minima prezinta o importanta practica deosebita pentru asigurarea rezervelor de apa la sursele de alimentare. In conditiile actuale scurgerea minima este cel mai mult afectata de activitatile antropice atat cantitativ (prin consumuri) cat si calitativ (prin poluare).

Scurgerea minima este dependenta de marimea bazinului hidrografic si de altitudinea medie a acestuia. Aceste legaturi au o valabilitate zonala.

Avand in vedere importanta deosebit de mare a scurgerii minime pentru comunitatile populate si necesitatea unei cunoasteri cat mai bune a parametrilor acesteia, in cercetarile hidrologice si in practica se determina anumite valori etalon:

debitul minim minimorum (istoric) = cea mai mica valoare care a fost inregistrata intr-un lung sir de observatii;

debitul mediu zilnic minim anual = cea mai mica valoare medie zilnica din toate valorile unui an;

debitul mediu lunar minim anual = cea mai mica valoare medie lunara dintr-un an;

debitul mediu lunar minim din perioada VI -VIII = cea mai mica valoare medie lunara din perioada de vara (de irigatii).

Pe baza sirurilor de valori selectate pe categoriile de mai sus, s-au intocmit curbe statistice de asigurare. Cele mai importante valori asigurate, care se iau in calculele de proiectare, sunt de 80%, 90%, 95%, 97%.

O valoare asigurata de 95% este teoretic un debit care se intalneste in sectiunea respectiva in 95% din durata unui an.

Daca valoarea asigurata 95% se refera la debitul mediu lunar minim anual, atunci aceasta este denumita debitul de dilutie si este cel mai frecvent luata in calculele de specialitate.

In gospodarirea apelor sunt consacrate mai multe denumiri ale diferitelor categorii de debite minime.

debitul de dilutie - Q _med lunar min. an. asig. 95%;

debitul de etiaj - poate fi depasit 355 zile an;

debitul de apa minim (lunar, sezonier, anual, multianual) sau minim minimorum;

debitul minim necesar pentru utilizatori;

debitul salubru (ecologic) debitul necesar pentru evitarea epidemiilor, bolilor legate de apa;

debitul de servitute - debitul salubru + minim necesar.

In graficele si corelatiile de analiza (q_min= f(F)); q_min= f(H_m) se utilizeaza mai ales valorile specifice ale scurgerii pentru o buna comparabilitate.

Secarea raurilor este un fenomen legat de scurgerea minima. Cauzele secarii sunt: lipsa precipitatiilor, existenta unor sectoare de rau cu infiltratii puternice, bararea cursurilor in amonte si exploatarea defectuoasa a acumularilor.

Bilantul hidrologic al raurilor

Bilantul hidrologic al raurilor este o ecuatie care contine date despre precipitatii, scurgere, evapotranspiratie si infiltratie.

Pe ansamblu si considerand evolutia fenomenelor in timp, se poate pune semnul egalitatii intre precipitatiile care cad pe suprafata scoartei terestre, ca aport de apa si celelalte elemente care se considera consumatori.

X₀ = S₀+U₀+Z₀ unde X₀ = precipitatiile cazute (mm);

S₀ = scurgerea superficiala (mm);

U₀ = scurgerea medie subterana (mm);

Z₀ = evapotranspiratia (mm).

Indicele 0 arata ca este vorba de valori medii multianuale.

Elementele bilantului se zoneaza pe teritoriile mai intinse, deoarece exista numeroase particularitati locale care imprima adesea valori diferite.

Alte formule considera ca scurgerea subterana o alimenteaza pe cea superficiala, astfel ca valorile acesteia se regasesc aici. In acest context ecuatia bilantului devine:

X₀ = Y₀+Z₀ unde Y₀ = scurgerea totala;

Cunoasterea bilantului hidrologic are o mare importanta teoretica si practica. Din punct de vedere teoretic este vorba de o cunoastere mai aprofundata a proceselor de formare si de regim ale scurgerii si a variatiei acesteia in timp si spatiu, in functie de legile zonalitatii (latitudinale si altitudinale) si de influenta factorilor locali. Pentru fiecare element al bilantului se intocmesc harti.

Din punct de vedere practic, analiza bilantului permite evaluarea potentialului hidrologic, cunoasterea evapotranspiratiei pentru programarea udarilor in irigatii si corectarea unor componente pentru care nu s-au putut efectua suficiente masuratori precise, pe baza cunoasterii bune a celorlalte.

Scurgerea aluviunilor

Aluviunile din albiile raurilor prezinta o importanta deosebita, mai ales pentru gospodarirea apelor, din mai multe puncte de vedere:

tranzitul de aluviuni exprima potentialul erozional din cadrul bazinului hidrografic;

aluviunile pot colmata prizele de apa

apele cu grad mai mare de turbiditate sunt mai greu de tratat pentru consum;

viiturile cu ape foarte tulburi, produc aluvionari pe terenurile inundate;

aluviunile contribuie la diminuarea calibrului albiilor, canalelor si conductelor, reducand din eficienta acestora.

Regimul scurgerii aluviunilor prezinta o variabilitate mult mai mare decat cel al apei deoarece factorii locali si in special litologia, solurile si pantele detin un control mult mai pregnant in formarea acestora.

Hidrometria aluviunilor

Prin albiile raurilor trec aluviuni in suspensie (in masa de apa, reprezentand tubiditatea apei), tarate (care se rostogolesc pe fundul albiei) si sedimentate (depuse in patul albiei, cu deplasari la viituri). Pentru fiecare dintre cele trei categorii de aluviuni exista metodologii specifice de masurare. In cazul aluviunilor in suspensie se masoara turbiditatea apei, exprimata in gr/l sau kg/m³. Turbiditatile masurate in verticalele de viteza se inmultesc cu debitele partiale si prin insumare, se obtine debitul de aluviuni in suspensie (R) masurat in kg/s.

In principiu metodologia prevede:

a) recoltarea probelor unice. Acestea sunt probe de apa care se preleveaza de la o verticala fixa (la raurile mai mari se stabilesc 2 verticale) si de la suprafata (respectiv adancimea de 0,07m). Probele recoltate se filtreaza prin filtre, cantarite initial in conditii de laborator. Dupa filtrare si uscare filtrele se cantaresc din nou, iar diferenta reprezinta cantitatea de aluviuni. De regula probele de apa luate cu batometrul sau cu sticlele de ajutaj, au greutatea in 1 litru, deci se obtine turbiditatea. Daca probele difera ca greutate se fac calculele respective:

(in gr/l sau Kg/m³).

Prin cantarire, in conditii de laborator, intelegem faptul ca filtrele goale sau pline cu aluviuni se usuca mai intai in etuva, timp de 2 ore la temperatura de 105⁰ C, apoi se mai tin inca 2 ore intr-un exicator cu clorura de calciu, care este un puternic absorbant. Astfel, diferentele care s-ar produce prin umiditatea din aer sunt inlaturate, iar valorile cantaririi, cu o precizie de 4 zecimale (de gram) sunt astfel omogene si comparabile.

Frecventa de recoltare a probelor unice este de una la 3-4 zile cand raul este limpede si mai dese, in functie de evolutia turbiditatii. La viituri se pot recolta si cate 15-20 probe pe zi.

b) Efectuarea masuratorilor de debite de aluviuni in suspensie. Anual, in functie de regimul raului si de posibilitatile de efectuare, se executa 12-15 masuratori de debite de aluviuni in suspensie, concomitent cu masurarea debitului lichid.

se executa sondajele (dus-intors) la verticalele stabilite;

se calculeaza punctele de scufundare a moristii la verticalele de viteza;

se executa masurarea vitezei apei cu morisca in punctele standard;

se recolteaza probe de apa pentru turbiditate din punctele de masurare a vitezei astfel: - pentru jumatate din verticalele de viteza, in toate punctele in care s-a masurat viteza, in functie de adancime, asa cum s-a mentionat la subcapitolul respectiv;

- pentru cealalta jumatate din verticalele de viteza se recolteaza proba de aluviuni de la 0,6h. In functie de situatiile din teren pot fi alese verticalele cu sot sau fara sot pentru stabilirea numarului de probe.

La efectuarea masuratorii se are in vedere ca un punct de recoltare sa coincida, pe cat posibil, ca verticala si adancime, cu locul de recoltare al probelor unice. Aceasta proba tine loc si de proba unica. Daca nu este posibil, atunci se recolteaza obligatoriu si probele unice.

Calculul masuratorii de debite de aluviuni in suspensie se face dupa metodologia recomandata de instructiuni.

La verticale:

se noteaza in carnet numarul probei de apa;

se noteaza volumul probei de apa;

se calculeaza turbiditatea ρ, in gr/m³;

se determina debitul unitar de aluviuni α, in gr/sm² prin inmultirea turbiditatii cu viteza din punctul de masurare.

Pe tabloul general al masuratorii:

se calculeaza media pe verticala, dupa acelasi principiu ca si la viteze;

probele de la 0,6 h se considera medii pe verticala si se inmultesc cu viteza medie pe verticala.

La pagina cu sondaje si calcule;

se consemneaza in rubrici debitele unitare pentru fiecare verticala;

se calculeaza debitele partiale de aluviuni prin inmultirea debitelor unitare medii dintre verticale cu suprafetele corespunzatoare lor;

se insumeaza si se obtine debitul de aluviuni in suspensie (R) la inceput in gr/s, apoi, prin transformare, in kg/s;

se completeaza tabloul cu rezultate de pe pagina din fata a carnetului de masuratori:- R- kg/s;

turbiditatea medie, ;

turbiditatea maxima (se alege din toate valorile);

turbiditatea minima (se alege din toate valorile).

Calculul prezentat mai sus este efectuat prin metoda analitica Exista si in cazul masuratorilor de aluviuni in suspensii metoda grafomecanica de calcul, in buna parte asemanatoare cu cea din cazul debitelor lichide.

Pe baza unor corelatii intocmite intre turbiditatile calculate prin masuratorile efectuate si turbiditatile probelor unice de la masuratorile respective se determina un coeficient de corectie, cu care se corecteaza toate probele unice din timpul anului. Astfel, probele unice, capata valoarea unor masuratori complete.

In cazuri deosebite, masuratorile de debite de aluviuni se efectueaza numai la suprafata sau la 0,6h.

Se constata deci ca exista trei tipuri de masuratori de aluviuni in suspensie.

Masuratori simple, respectiv probele unice independente (nu cele de la masuratorile complete);

Masuratori complete, la care recoltarea probelor de aluviuni se face in toate punctele standard;

Masuratorile simplificate, efectuate numai la suprafata sau la 0,6h.

Masuratorile la 0,6h se pot considera ca medii si nu se mai corecteaza, in schimb cele efectuate numai "la suprafata" se corecteaza, dupa, calcule si corelatii prevazute de instructiuni. In speta, masuratorile "complete" se calculeaza pe fise separate luand in considerare numai probele de suprafata. Se intocmeste o corelatie cu care se efectueaza corectiile respective.

Pe baza masuratorilor efectuate, prin metoda corelatiilor R = f(Q) sau R = f(T) sau prin alte metode (debitul limita) se determina valorile zilnice ale debitelor de aluviuni in suspensie, apoi cele lunare si anuale. Se extrag valorile extreme pentru fiecare luna si anual. Se obtine astfel fisa de debite medii de aluviuni in suspensie. Analiza unui sir de mai multi ani duce la cunoasterea regimului scurgerii de aluviuni in suspensie.

Ca si in cazul scurgerii lichide, pe durata unui an calendaristic exista cele patru perioade caracteristice, dar aici diferentierile se fac mai pregnant pentru doua sezoane: toamna-iarna cu debite de aluviuni reduse (aproape inexistente iarna) si primavara-vara cu debite mari de aluviuni in suspensie. Daca intre toamna si iarna exista anumite diferentieri (ploile de toamna cresc turbiditatea, iar prezenta fenomenelor de inghet pe sol si in albii o reduc drastic), intre primavara si vara valorile maxime se intrepatrund practic: primavara se executa lucrari agricole iar vegetatia inca nu este dezvoltata fapt ce conduce la o intensificare a eroziunii areale si la turbiditati mari, in situatia unor debite ceva mai mici; vara, in schimb, viiturile au debite foarte mari, iar caracterul torential al scurgerii de pe versanti contribuie la cresterea turbiditatii si implicit a debitelor de aluviuni in suspensie.

In profil multianual se constanta, de asemenea, o variatie continua a scurgerii aluviunilor in suspensie corelata cu cea a scurgerii lichide. Exista astfel ani cu scurgere medie de aluviuni (media anuala este apropiata de cea multianuala), ani cu scurgere de aluviuni in suspensie bogata (maxima) si ani cu scurgere solida redusa.

Analizele multianuale si corelatiile care se intocmesc cu altitudinea medie a bazinului hidrografic se face pe baza scurgerii specifice de aluviuni in suspensie (r), exprimate in tone pe hectar si an (t/ha/an).

Debitul mediu specific de aluviuni in suspensie se supune legilor zonalitatii verticale, dar imprastierea punctelor in campul r = f(H_med) este mult mai mare deoarece influenta factorului local (roca, relief, vegetatie) este mai pregnanta in cazul aluviunilor.

Cele mai mari turbiditati (debite de aluviuni in suspensie) din tara noastra se intalnesc in zonele de dealuri si podisuri si in Subcarpati (in special in zona de Curbura) deoarece fragmentarea reliefului este mare, rocile friabile, padurile ocupa suprafete reduse, iar practicarea agriculturii este intensa.

In Carpatii de Curbura, lipsa padurilor este cauza care a facut ca debitele specifice de aluviuni in suspensie sa fie > 25 t/ha/an.

La nivel planetar exista, de asemenea o foarte mare variabilitate a scurgerii solide. Sa mentionam numai aluviunile fertile ale Nilului, aspectul colorat al apelor unor rauri determinat de turbiditati (Huan He - Raul Galben in regiune cu loess; Raul Rosu - SUA - Mexic etc).

La nivelul bazinului hidrografic Siret valorile sunt: Q₀ = 230 mc/s; R₀ = 375 kg/s; ρ₀ = 1,63; r₀ = 2,64 t/ha/an.

Regimul termic si al fenomenelor de inghet

7.1. Regimul termic al apei raului

Temperatura apei raurilor difera in functie de variatiile temperaturii aerului, dar oscilatiile acesteia sunt mai reduse datorita inertiei de incalzire si de racire a apei. In plus, fata de temperatura aerului, in cazul apei exista si alti factori care ii influenteaza regimul termic:

expunerea versantilor fata de radiatia solara si de miscarea maselor de aer;

Figura nr. 14. Variatia comparata a temperaturii

apei si aerului la Tg. Ocna (raul Trotus)

marimea debitului de apa din rau;

aportul de apa din panza freatica;

aportul apei din carst;

influenta apelor uzate, evacuate de la

obiectivele industriale.

Variatia diurna a temperaturii apei o urmareste indeaproape pe cea a aerului, dar cu o anumita intarziere si cu oscilatii mai mici. Valorile extreme (in caz ca nu exista inghet) sunt atenuate.

La fel se petrec lucrurile si in cazul variatiei lunare (Figura nr. 14).

Aceasta situatie este caracteristica pentru zonele temperate. Pentru alte regiuni, regimul termic al apei este strans legat de cel al temperaturii aerului pe zone climatice: ecuatoriala, tropicala, subtropicala etc.

7.2. Regimul fenomenelor de inghet

Pentru raurile din zonele temperate si reci, in anumite perioade ale anului, mai lungi sau mai scurte, sunt caracteristice fenomenele de inghet. Acestea se instaleaza dupa ce temperatura aerului scade sub 0⁰ C la intervale de timp, mai mici sau mai mari, in functie de debitul de apa si de viteza de scurgere. La paraie si raurile mai mici, instalarea fenomenelor de inghet are loc aproape imediat, deoarece debitele sunt reduse si apa preia destul de repede temperaturile negative ale aerului.

De regula fenomenele de inghet pe cursurile de apa apar atunci cand se realizeaza o anumita suma a temperaturilor negative. Viteza mare a apei intarzie, de cele mai multe ori, aparitia formatiunilor de gheata.

Intr-o ordine logica evolutia fenomenelor de inghet se produce astfel:

ace de gheata - sunt primele formatiuni de gheata care apar in apa raului. Acele de gheata se formeaza in masa de apa si curg odata cu aceasta;

gheata de fund - la raurile de munte, din cauza vitezei mari, gheata nu se poate forma in masa de apa supraracita. La fund, unde vitezele sunt mai mici se formeaza o gheata spongioasa prinsa de pietre;

gheata la maluri - la malurile raurilor, unde vitezele sunt mai mici apar fasii de gheata care se latesc incontinuu;

naboi(zai)- reprezinta zapada care cade pe apa si se aglomereaza fara sa se dezghete, sau grupari de ace de gheata. Naboiul influenteaza mult variatiile de nivel, deoarece, prin acumulare in portiunile mai inguste sau sub celelalte formatiuni de gheata, reduce mult viteza raului, uneori pana la blocarea scurgerii;

gheata la maluri evoluata - se formeaza prin alipirea unor fasii noi de gheata, catre axul raului, la formatiunile existente la maluri. Se identifica prin aspect si culoare diferita;

canal dezghetat - cand evolutia ghetii la mal continua, pana ce ramane un spatiu liber spre axul raului, destul de ingust, ca un canal;

pod de gheata intrerupt - fenomenul se numeste astfel atunci cand pe anumite sectoare gheata ocupa toata latimea raului, dar raman inca portiuni, destul de intinse, dezghetate;

apa peste gheata - de regula apare atunci cand apa de sub gheata, iese prin unele crapaturi sau ochiuri, la suprafata ghetii si o inunda, pe anumite grosimi;

maluri dezghetate apar primavara, cand malurile se incalzesc sub razele soarelui, iar gheata se dezlipeste de acestea;

sloiuri (mari si dese sau mici si rare) - sunt formatiuni de primavara formate prin distrugerea podurilor de gheata si antrenarea spre aval a bucatilor rezultate;

zapor - o aglomeratie de sloiuri in portiuni ingustate ale albiilor sau la poduri, care impiedica scurgerea si produc revarsari si inundatii. Sunt foarte periculoase, prin forta lor de distrugere;

pod de gheata - cand toata suprafata apei este inghetata.

Zapoarele se formeaza si atunci cand raurile se dezgheata din amonte spre aval, datorita unor incalziri locale. Ex. raul Dorna - cu bazin dezvoltat in V, in zone cu desprimavarare timpurie. De asemenea marile fluvii care curg spre N (Obi, Enisei, Lena).