REGULARIZAREA DEBITELOR PRIN BAZINE DE ACUMULARE

1 Generalitati

Regularizarea debitelor reprezinta ansamblul de masuri si lucrari ingineresti aplicate pe un curs de apa pentru obtinerea unor variatii cat mai mici ale debitului si a unor repartitii convenabile si dirijate ale scurgerii pe o perioada de timp avuta in vedere.

Prin regularizarea debitelor se previn viiturile si se satisfac necesitatile consumatorilor de apa.

Printre efectele viiturii de apa sunt de remarcat: inundarea terenurilor agricole fertile situate in lunca raurilor, a cailor de comunicatie, a obiectivelor economice si-a localitatilor, colmatarea si degradarea albiilor majora si principala, modificari ale sectiunilor de scurgere si chiar schimbari ale traseului albiei minore si medii.

In functie de alimentarea preponderenta a cursurilor de apa (subterana sau de suprafata) debitele prezinta variatii mai mici sau mai mari in diverse perioade ale anului.

Variatii semnificative ale debitelor se semnaleaza si de la un an la altul. De exemplu, la viiturile de primavara de pe raurile din Romania (cu exceptia unor zone de munte) se scurge cca. 40-50% din volumul total al scurgerii anuale.

In anii secetosi unele rauri seaca (de exemplu Vedea amonte de confluenta cu Teleormanul, Barladul aval de orasul Barlad).

Variatiile anuale intre debitele minime si cele maxime sunt foarte mari (ex.: Vedea: Q_min=1m³/s; Q _max.=800 m₃/s ).

La unele rauri scurgerile din anii ploiosi sunt de 10 ori mai mari decat scurgerile medii, iar in anii secetosi de 5 ori mai reduse decat acestea.

In mode inevitabil variatia anuala a debitelor nu coincide cu variatia debitelor necesare consumatorilor.

Consumul maxim este de obicei vara cand debitele afluente pe rauri sunt minime - pentru irigatii - sau iarna - pentru producerea de hidroenergie.

Prevenirea si combaterea efectelor viiturilor se pot realiza prin:

- Combaterea eroziunii solului in bazinele hidrografice (organizarea antierozionala, amenajarea torentilor).

- Regularizarea albiilor si marirea capacitatii lor de transport (strapungeri de coturi si rectificari de trasee, reprofilari de sectiune).

- Derivatia unor debite in alte bazine hidrografice sau in aval de obiectivele periclitate de inundatii.

- Realizarea de acumulari in sectoarele superior si mijlociu ale raurilor si de poldere (incinte indiguite) in zona de ses.

- Realizarea de indiguiri.

- Realizarea de masuri combinate intre cele anterioare.

Pentru satisfacerea cerintelor consumatorilor de apa se pot aplica urmatoarele lucrari:

- Acumulari de apa

- Regularizari de albii

- Derivatii de debite

- Lucrari combinate intre cele de mai sus.

Trebuie subliniata ideea ca regularizarea scurgerii pe versantii bazinului hidrografic influenteaza in mare masura regularizarea debitelor in albia raului si contribuie direct la atenuarea viiturilor, a proceselor de degradare a solului.

Regularizarea debitelor prin acumulari reprezinta metoda cea mai rapida si eficienta. Folosintele de apa sunt satisfacute optim iar masurile de aparare contra inundatiilor se iau prin captarea excedentelor de debit in lacurile de acumulare.

Dupa adoptarea in 1924 a Legii apelor a devenit posibila realizarea de lacuri de acumulare incadrate in scheme de amenajare complexa a bazinelor hidrografice pentru folosirea complexa a apei si atenuarea viiturilor.

Pentru ca aceste acumulari sa-si poata indeplini rolul se vor adopta urmatoarele strategii:

- Ampalsarea acumularilor in zona de munte si deal (se reduce si scoaterea de teren fertil din circuitul agricol).

- Se vor realiza acumulari pe cursurile mari dar si pe cele mici si mijlocii.

- Pe cursurile mijlocii si inferioare ale raurilor acumularile se vor realiza in cascada (cu incercarea de a forma un luciu de apa practic continuu - apar conditii pentru navigatie cu conditia executarii de ecluze de navigatie in dreptul fiecarui baraj).

- Pe cursul mijlociu sau inferior al raurilor mari se va amplasa cate o acumulare suficient de mare pentru a controla eficient debitele colectate din intregul bazin hidrografic.

- Acumularile vor avea volume suficiente pentru atenuarea viiturilor si goliri de fund capabile sa evacueze debitul maxim capabil al albiei aval de baraj (care nu provoaca inundatii).

- Se vor amenaja lacuri nepermanente (poldere) pentru atenuarea viiturilor, amenajari care in perioadele cand nu sunt inundatii sa permita folosirea terenului din ampriza lacului in scopuri agricole.

2 Clasificarea acumularilor

Acumulari de apa se pot realiza in bazine inchise, bazine deschise si lacuri cu baraj.

Acumularile in bazine inchise (rezervoare inchise din metal, zidarie, beton) au capacitate redusa si sunt destinate alimentarilor cu apa si plantatiilor de vie si pomi.

Acumularile deschise (benturi) sunt de capacitate ceva mai mare si sunt realizate in sapatura (se impermeabilizeaza cu argila, deseuri petroliere, beton, zidarie de piatra sau folii din mase plastice). Se utilizeaza la crescatorii de animale, la irigarea unor suprafete reduse, etc.

Din punct de vedere tehnologic se remarca posibilitatea folosirii materialului din sapatura la realizarea de diguri pe contur, pentru marirea volumului de apa ce se poate acumula.

Lacurile de acumulare cu baraj au capacitate mare si sunt cele mai raspandite. Se executa pe vai de rauri sau in depresiuni naturale, unde apa poate fi adusa gravitational sau chiar prin pompare.

Din punct de vedere functional avem:

- Acumulari cu retentie permanenta, destinate folosintelor complexe (inclusiv pentru atenuarea viiturilor).

- Acumulari nepermanente, destinate doar atenuarii viiturilor.

Acumularile nepermanente pot fi :

- Frontale (cu baraj), proiectate pe intreaga latime a raului, cu unul sau mai multe compartimente (fiecare compartiment se umple cu apa la alta cota; compartimentele mai rar inundate se pot folosi pentru culturi agricole, iar celelalte pentru pasuni)

- Laterale (poldere), realizate ca compartimente indiguite in albia majora si destinate atenuarii varfului viiturii.

Dupa perioda de timp pentru care se realizeaza regularizarea debitelor se diferentiaza :

- Acumulari pentru regularizare zilnica,

- Acumulari pentru regularizare sezoniera,

- Acumulari pentru regularizare anuala,

- Acumulari pentru regularizare multianuala.

1.Acumularile pentru regularizare zilnica au capacitate redusa si sunt destinate folosintelor care au posibilitatea interna de a compensa debitele numai pentru o zi: alimentari cu apa industriala sau potabila, unele hidrocentrale mici (se realizeaza sub forma de rezervoare ingropate, la nivelul solului sau suspendate).

2.Acumularile pentru regularizare sezoniera sunt numite si acumulari neperiodice pe termen scurt si au urmatoarele destinatii: navigatie sau plutarit pe timp de seceta, irigatii din surse locale mici de apa (paraie, izvoare, puturi; apa se aduna in perioada dintre doua udari si se consuma in 1-2 zile).

3.Acumularile pentru regularizare anuala sunt acumulari permanete cu utilizare complexa si permit o redistribuire a scurgerii lichide pe o perioada de un an.

Acumularile pentru regularizare multianuala au scopul de a acoperi deficitul de apa din anii secetosi cu volumele de apa excedentare din anii ploiosi. De aceea ele necesita capacitati foarte mari de inmagazinare a apei.

Dupa gradul de utilizare a apei se pot clasifica urmatoarele tipuri de acumulari:

- Acumulari cu regularizare totala (completa): este utilizat tot volumul de apa scurs pe rau.

- Acumulari cu regularizare partiala (incompleta) - nu este utilizat tot volumul de apa scurs pe rau si de aceea se fac si evacuari (deversari) de apa.

O acumulare de mare capacitate poate da o regularizare incompleta pe o perioada de mai multi ani dar poate face o regularizare completa pe o perioada de un an.

Acumularile se pot realiza (dupa zona de relief): in zona de munte, in zona de deal si in zona de ses.

Acumularile de munte au baraje inalte, adancime mare si luciu de apa mai restrans (utilizari: hidroenergie si alimentari cu apa, atenuarea viiturilor).

Acumularile din zona de dealuri se realizeaza cu baraje de inaltime mai redusa (deci si adancimea apei mai redusa) iar capacitatea mare de acumulare se realizeaza prin latimea mare a albiei majore a raului. Creaza conditii bune pentru satisfacerea tuturor cerintelor de apa ca si pentru aparare impotriva inundatiilor.

Acumularile din zona de ses au baraje de inaltime foarte redusa dar au luciul de apa foarte intins. Au posibilitati optime de satisfacere a cerintelor de apa pentru irigatii dar au ca principale dezavantaje pierderile mari de apa prin evaporare si infiltrare si duc la ridicarea nivelului apelor freatice si inmlastinirea terenurilor invecinate pe suprafete mari. Din cauza acestor probleme este de preferat ca in zona de ses sa se realizeze doar acumulari nepermanente cu scopul de atenuare a viiturilor.

Pozitia optima a acumularilor este la limita dintre zonele de munte si de deal.

3 Date si studii necesare proiectarii bazinelor de acumulare

Avand in vedere faptul ca acumularile sunt niste lucrari hidrotehnice foarte complexe pentru proiectarea si executia lor sunt necesare numeroase informatii obtinute prin studii pe teren. Se vor colecta urmatoarele:

Date topografice:

- planuri la scara 1: 25000 1: 50000; 1:2000 1: 5000; 1:500 1:1000

- profile transversale (la 100 200m distanta intre ele)

Date climatice:

- temperaturi,

- vanturi,

- precipitatii,

- pierderi de apa prin evaporatie.

Date pedologice:

- natura solurilor,

- vegetatia spontana,

- folosintele agro-silvice,

- procesele de eroziune,

- excesul de umiditate in sol si saraturile.

Date hidrologice:

- regimul nivelurilor si al debitelor,

- hidrografele anuale si ale viiturilor, coeficientii de scurgere (determinati pe teren),

- debitul solid,

- timpii de concentrare a scurgerii,

- fenomenele legate de inghet.

Date hidrogeologice:

- stratificatia si natura rocilor de pe amplasament,

- debite, pante si sectiuni de scurgere ale straturilor freatice si calitatea apelor subterane,

- pierderi estimate de apa din lac prin infiltratie.

Date geotehnice:

-caracteristicile fizico-mecanice ale terenului de fundare si ale pamantului ca va fi folosit ca material de constructie,

-date privind tectonica zonei si stabilitatea dupa executia acumularii, -recomandarea celui mai bun amplasament si a celui mai potrivit tip de baraj.

Date socio-economice:

- situatia terenurilor agricole, a centrelor populate, a cailor de comunicatie si a obiectivelor economice industriale ce vor fi afectate de executia acumularii,

- efectele favorabile ale acumularii in domeniul folosirii apei si al atenuarii viiturilor,

- pagubele produse de viituri inainte de executia acumularii,

- dezvoltarea in viitor a unor folosinte de apa, date privind comportarea altor acumulari din zona,

- stabilirea clasei de importanta a lucrarii si a asigurarilor de calcul si de verificare,

- date privind eficienta aconomica a lucrarilor si posibilitatile locale de organizare a santierului.

4 Conditiile de amplasare a bazinelor de acumulare si curbele caracteristice ale acumularilor

Amplasarea unui lac de acumlare se face in functie de:

- factori hidrologici,

- factori meteorologici,

- factori topografici,

- factori geologici,

- factori hidrogeologici,

- factori geotehnici,

- factori economici si sociali.

Factorii hidrologici si meteorologici impun urmatoarele conditii de amplasare a lacului:

- sa existe resurse hidrologice suficiente (in bazinul de receptie al lacului),

- debitul solid sa fie cat mai redus pentru a nu se colmata lacul de acumulare (daca pe versanti sunt probleme de eroziune, acestea se vor rezolva inainte de amenajarea lacului),

- directia vaii in care se formeaza lacul sa fie pe cat posibil perpendiculara pe directia vanturilor dominante (pentru a reduce evapratia si a nu favoriza formarea de valuri).

Din punct de vedere topografic se impun urmatoarele conditii:

- valea sa fie ingusta in amplasamentul barajului si larga in amonte de acesta (pentru a crea un volum mare de acumulare) si sa aiba pante reduse pe talveg,

- malurile vaii sa fie inalte si abrupte.

Conditiile de amplasament necesare din punct de vedere geologic si geotehnic sunt:

- rocile sa aiba o stratificatie orizontala pentru a se evita pericolul de producere a alunecarilor,

- terenul din amplasamentul lacului sa fie cat mai impermeabil pentru a se reduce pierderile de apa prin infiltratii,

- malurile lacului sa fie lipsite de izvoare si stabile la alunecare,

- terenul de fundatie pentru lucrarile hidrotehnice(baraje,disipatori de energie,etc.) sa fie corespunzator,

- daca barajul se face din materiale locale (pamant, piatra) acestea sa se gaseasca in apropiere si sa aiba calitatea ceruta.

Conditiile de amplasare impuse de factorii economici si sociali sunt:

- sa se faca expropieri si transmutari cat mai reduse pentru a se reduce valoarea investitiei,

terenul sa aiba o valoare agricola cat mai redusa si sa nu contina zacaminte utile,

sa existe distante mici de la lac la obiectivele deservite sau aparate de inundatii,

in aval de baraj (in lunca raului) sa nu fie centre populate care ar putea fi puse in pericol de o eventuala avarie a barajului,

- sa fie posibila si crearea unor zone de agrement si sporturi nautice,

- apa din zona sa fie de calitatea ceruta de consumatori,

- indicele specific de cost al acumularii sa fie cat mai redus (investitia raportata la volumul acumulat - lei/m³),

- sa fie satisfacute cerintele sanitare (combaterea tantarilor prin limitarea adancimii minime in lac la1,52m si debitul minim de scurgere salubra).

La intocmirea studiului de amplasament se inventariaza toate locurile posibile pe planuri la scara 1:25000.

La o prima trecere in revista se inlatura amplasamentele care acopera obiective sociale si economice importante ca si cele cu resurse hidrologice insuficiente. De asemenea se inlatura amplasamentele necorespunzatoare din punct de vedere geologic (terenuri alunecatoare, permeabile sau zone de carst).

La stabilirea amplasamentului optim se respecta urmatoarele criterii de baza:

- criteriul economic - prin indicele specific de cost al acumularii (lei/m³ apa acumulata),

- criteriul asigurarii securitatii barajului, a centrelor populate si a obiectivelor economice din aval,

- criteriul stabilitatii constructiilor necesare pentru acumulare.

Cand capacitatea necesara a acumularii rezulta foarte mare (si nu gasim conditii de amplasament) sau cand consumatorii de apa si obiectivele de aparat contra inundatiilor sunt prea indepartate de un amplasament unic se pot executa sisteme de acumulari in cascada (pe acelasi curs) sau in evantai (pe cursul principal si pe afluenti).

Sistemele de acumulari au avantaje pentru dezvoltarea ulterioara a folosintelor de apa si de asemenea reduc riscul ditrugerii constructiilor de retentie (in raport cu o acumulare unica).

5 Curbele caracteristice ale acumularilor

Curbele caracteristice sunt grafice bazate pe masuratori in teren si pe calcule economice, care permit sintetizarea conditiilor de baza ale unor amplasamente si compararea acestora intre ele.

Se folosesc 6 curbe caracteristice:

- Curba volumelor acumularii in functie de nivelul de retentie a apei: w = f₁(H),

- Curba suprafetei luciului de apa in functie de nivelul de retentie a apei: S_a = f₂(H),

- Curba volumului de constructie (baraj) pentru retinerea apei in functie de nivelul de retentie a apei: V_b = f₃(H),

- Curba coeficientului de capacitate al acumularii: β = f₄(H),

- Curba investitiilor de calcul in functie de nivelul de retentie a apei: I_c = f₅(H),

Curba indicelui specific al costului in functie de nivelul de retentie a apei: I = f₆(H).

Notatiile folosite mai sus sunt:

w - volumul acumularii (m³)

V_b - volumul barajului (m³)

V₀ - volumul normal al scurgerii lichide anuale (m³)

1

B=BETA

T_n- timpul normat de functionare a acumularii (30 ani sau mai mult)

C_ei - cheltuieli anuale de exploatare si intretinere (lei)

I_c - investitiile de calcul (lei)

Fig. 1 Curbe caracteristice: W(h), Sa(h), Vb(h).

Lucrarile necesare realizarii unui lac de acumulare pentru regularizarea debitelor sunt:

- lucrari pentru retinerea debitului solid in bazinul de receptie (combaterea eroziunii pe versanti si formatiunile de eroziune in adancime),

- barajul cu evacuatorii de apa (deversori de ape mari, golire de fund), disipator de energie si risberma,

- priza de apa pentru consumatori.

6 Calculul volumelor caracteristice ale lacurilor de acumulare

De obicei lacurile de acumulare au folosinta complexa (pentru consumatori de apa si atenuarea viiturilor) si de aceea ele trebuie sa contina toate volumele caracteristice:

- volumul mort,

- volumul util,

- volumul destinat atenuarii viiturilor,

- volumul de siguranta.

Exista si lacuri de acumulare care nu au toate aceste volume (de exemplu, lacurile nepermanente pot avea numai volumul destinat atenuarii viiturilor si volumul de siguranta).

Fig. 2 Volumele unei acumulari

Volumul mort - reprezinta partea inferioara a acumularii destinata acumularii debitului solid (colmatarii) si asigurarii unei adancimi minime pentru cerinte sanitare. Volumul mort este delimitat la partea superioara de cota prizei de apa pentru consumatori (nivelul minim de exploatare). Are o parte neevacuabila (sub cota golirii de fund) si una evacuabila.

Volumul util - Este partea din volumul acumularii destinata satisfacerii consumatorilor de apa si este delimitat la partea superioara de nivelul maxim de exploatare (nivel maxim de retinere permanenta). In volumul util se cuprinde si asa-zisul,volum de corectie" destinat acoperirii pierderilor de apa prin evaporare si infiltrare, pierderilor de exploatare precum si acoperirii erorilor de calcul hidrologic si de bilant al debitelor si asigurarii debitului de servitute in albia aval de baraj.

Volumul de atenuare - este situat de la cota volumului util pana la nivelul viiturii de calcul (sau pana la nivelul maxim de verificare). Daca nivelul maxim de exploatare este situat sub creasta deversorului atunci volumul de atenuare se poate diviza in volum de protectie (pana la creasta deversorului - nivel normal de retentie) si volum de atenuare propriuzis (intre creasta deversorului si nivelul viiturii de calcul).

Fig. 3

La acumularile nepermanente (destinate doar atenuarii viiturilor) partea neevacuabila din volumul mort lipseste.

Volumul cuprins intre nivelul viiturii de calcul si coronamentul barajului - volumul de siguranta - este un volum de garda care nu este destinat acumularii de apa in conditii normale de exploatare.

Inaltimea barajului se stabileste insumand inaltimile aferente volumelor amintite de mai sus. Inaltimea de siguranta este numita si inaltime de garda pentru valuri (in conditii normale de exploatare, compusa din ridicarea generata a nivelului apei pe timp de vant -s_o-, inaltime de deferlare a valurilor si inaltimea suplimentara).

In conditii exceptionale de exploatare inaltimea de siguranta este diferenta intre cota viiturii de verificare si cota viiturii de calcul, la care se adauga inaltimea suplimentara de mai sus (numita si rezerva de constructie).

Dintre cele doua inaltimi de siguranta se alege cea mai mare, care se adauga la inaltimea viiturii de calcul si se determina cota finala a coronamentului barajului.

Tab. 1

Fig. 4

Volumul mort reprezinta 1040% din volumul total al acumularii. Nivelul volumului mort (N.V.M.) depinde de destinatia acumularii si de cota de colmatare estimata.

In cazul producerii de hidroenergie este util ca N.V.M. sa fie cat mai ridicat 2535% din nivelul maxim de exploatare.

O cota ridicata a N.V.M. este necesara si in cazul utilizarii apei din lac pentru irigatii si pentru alimentari cu apa. In cazul lacurilor pentru atenuarea viiturilor N.V.M. trebuie sa fie cat mai scazut pentru a crea un volum suficient de inmagazinare a apei aduse in lac de viituri.

Adancimea minima a lacului la nivelul volumului mort trebuie sa fie de 1,5-2,5m.

Volumul mort se stabileste in primul rand in functie de cerintele de exploatare ale lacului (care impun un anumit nivel minim), in al doilea rand in functie de cerintele sanitare (legate de adancimea minima in lac) si in al treilea rand in functie de procesul de colmatare (care afecteaza capacitatea totala a acumularii).

Determinarea volumului de colmatare se face in doua cazuri:

- cand exista observatii directe asupra debitelor solide,

- cand nu exista observatii asupra debitelor solide.

Cand avem observatii se foloseste relatia:

[m³] 2

in care:

- turbiditatea medie anuala [g/m³]

γ_a - greutatea specifica a aluviunilor [kg/m³]

V₀ - volumul normal anual al scurgerii lichide afluente [m³]

T - durata de functionare a acumularii (ani)

g - coeficient de corectie privind fractiunea din volumul scurgerii solide anuale care ramane in lac

g = 0,9 0,95 cand se bareaza intreaga albie majora

g = 0,2 0,6 cand nu se bareaza toata albia majora

g = 0,1 0,2 cand acumularea este facuta pe o derivatie

[g/m³] 3

in care:

i - panta raului barat (%)

α - coeficient in functie de rezistenta la eroziune a solului in bazinul de receptie:

α = 0,5 1 pentru sol foarte greu erodabil

α = 1 2 pentru sol cu rezistenta mare la eroziune

α = 2 3 pentru sol cu rezistenta medie la eroziune

α = 3 5 pentru sol usor erodabil

α = 5 10 pentru sol foarte usor erodabil

Cand nu exista observatii, determinarea volumului de colmatare se face:

- prin analogie cu alte cursuri de apa si lacuri de acumulare,

- prin aproximare,

- prin formule empirice.

Metoda de calcul aproximativ a volumului de colmatare pentru lacuri de acumulare mici, din zona colinara (metoda Baloiu Vasile-Giurma Ion, elaborata prin cercetari in bazinul hidrografic Bahlui):

[m³] 4

in care:

W_a - volumul de colmatare [m³]

T - durata de exploatare a acumularii [ani]

z_i - suprafata zonei de influenta a lacului caracterizata de eroziunea specifica medie influenta e_i [ha]

e_i - eroziunea specifica medie influenta (debit solid anual ajuns in     acumulare), care este cantitatea medie de aluviuni ajunsa in lac pe timp de un an de pe un hectar din zona z_i [m³/haan].

Exista sase grupe de zone de influenta:

- zona de influenta excesiva (e_i peste 20 m³/haan),

- zona de influenta foarte mare (e_i = 1520 m³/haan),

- zona de influenta mare (e_i = 1015 m³/haan),

- zona de influenta medie (e_i = 510 m³/haan),

- zona de influenta moderata (e_i = 15 m³/haan),

- zona de influenta mica (e_i <1 m³/haan).

Volumul util al acumularii este compus din volumul net (utilizabil) pentru consumatori si debit de servitute in albia raului aval de baraj si volumul de corectie (stabilit in functie de pierderile de apa prin evaporatie, infiltratie, inghet, exploatare si de erorile posibile in calculele hidrologice si de gospodarire a apelor).

Volumul de corectie se determina prin suma volumelor evaporate, infiltrate, inghetate, a pierderilor de exploatare si a posibilelor erori de calcul.

Volumul pierderilor prin evaporare se poate determina in cazul cand exista observatii directe si in cazul cand nu exista observatii privind evaporatia.

Cand nu avem observatii directe se pleaca de la ideea ca evaporatia depinde de suprafata luciul de apa pe care se produce evaporatia, de temperatura, de umiditate si de viteza vantului (formula Davidov):

5

z - coloana de apa evaporata [mm/luna]

6

D - deficitul de umiditate lunar

U_r - umiditatea relativa a aerului

W - viteza vantului [m/s]

Valoarea z se transforma in m/luna si se inmulteste cu suprafata luciului de apa (S_a) rezultand volumul [in m³] pierdut lunar prin evapotatie. Pentru o mai mare precizie, din valoarea lui z se scad precipitatiile cu asigurarea de 80% cazute pe suprafata lacului in luna respectiva.

La noi in tara evaporatiile au valori cuprinse intre 564880 mm/an.

Evaporatiile pot fi corectate in fucntie de lungimea lacului si de adancimea apei.

Evaporatiile pot fi reduse prin reducerea vitezei vantului prin amplasarea lacului pe o directie perpendiculara pe directia vanturilor dominante sau prin perdele forestiere inalte plantate pe pe maluri.

Volumul pierderilor prin infiltratii depinde de structura geologica a amplasamentului (existenta straturilor permeabile; zonele carstice sunt total nefavorabile acumularilor) si de nivalul apelor subterane (un nivel foarte scazut impreuna cu permeabilitatea straturilor favorizeaza infiltratii intense).

Pierderile prin infiltratii sunt de trei tipuri:

- pierderi prin corpul barajului si pe la instalatiile de golire (neetanseitatii ale vanelor),

- pierderi pe sub baraj si pe langa baraj (in zonele de incastrare in malurile vaii),

- pierderi prin fundul si malurile lacului.

Pierderile din prima categorie sunt practic reduse si depinde de solutia tehnica aleasa pentru baraj.

Pierderile din a doua si a treia catgorie pot fi uneori foarte mari si depind de presiune (coloana de apa), de natura terenului (nefavorabile sunt nisipurile, pietrisurile, loessul, calcarul, ghipsul), de fenomenele tectonice, de eventuala inclinare a straturilor permeabile spre bazinele hidrografice vecine si de nivelul apelor subterane.

Pierderile prin infiltratie se pot determina prin utilizarea teoriei infiltrarii si a curgerii apelor subterane sau prin diverse metode aproximative stabilite de cercetatori. (in literatura de specialitate sunt prezentate astfel de metode).

Se pot aproxima urmatoarele pierderi prin infiltratie (dupa conditiile hidrogeologice ale amplasamentului acumularii):

- pentru conditii hidrogeologice bune (teren impermeabil, stratificatie favorabila si nivel ridicat al straturilor acvifere): 0,51%/luna sau 510%/an din volumul acumularii sau 0,3m/an sau 12mm/zi.

- pentru conditii hidrogeologice medii: 1020%/an sau 11,5%/luna din volumul acumularii sau 0,51m/an sau 23mm/zi.

- pentru conditii hidrogeologice rele: 2040% anual sau 1,53%/luna din volumul acumularii sau 12m/an sau 34mm/zi.

Pirderile prin infiltratii se reduc in timp prin inamolirea cu aluviuni fine a straturilor permeabile.

Masurile tehnice de reducere a acestor pierderi sunt foarte costisitoare si se aplica doar in cazuri foarte importante (impermeabilizari ale fundului lacului, injectarea rocilor fisurate, colmatarea artificiala a fundului cu suspensii de argila, etc.).

Volumul pierderilor prin inghet se refera la volumul de apa care ingheata in lac pe timp de iarna si devine inaccesibila consumatorilor (dar care primavara se topeste). Acest volum se stabileste cunoscand suprafata luciului apei din perioada de iarna si grosimea stratului de gheata ce se formeaza in amplasamentul lacului (se utilizeaza observatii in teren si masuratori la statiile hidrometrice cele mai apropiate).

Volumul pierderilor de exploatare se refera la neetanseitatile sistemelor de golire ale lacului si se poate determina in functie de lungimea garniturilor neetanse sau de presiunea apei in zona vanelor de golire.

Volumul de apa necesar acoperirii unor eventuale erori de calcule hidrologice se apreciaza (in functie de importanta consumatorului) ca fiind de circa. 510% din volumul util - in cazul folosintei, irigatii" sau de circa. 30% din volumul util al acumularii - in cazul folosintei ,,alimentari cu apa".

Volumul net (sau utilizabil) se stabileste tinand seama de cerintele consumatorilor care iau apa direct din lac si de necesitatea asigurarii unui debit de servitute in albia raului aval de baraj (debit minim care trebuie lasat sa curga in albie in aval de baraj).

Debitul de servitute trebuie sa satisfaca urmatoarele probleme:

- debitul minim salubru (asigura o viteza de minim 0,3m/s in albie),

- debitul de dilutie (necesar antrenarii reziduurilor deversate in rau prin sistemele de canalizare care nu au statii de epurare si asigurarii unei calitati si cantitati corespunzatoare a apei pentru consumatorii din aval),

- debitul minim piscicol (asigura in albie adancimi de minim 0,3m si zone de refugiu iarna la 50100m distanta intre ele cu adancimi de 11,5m).

Debitul de servitute se ia egal cu cel mai mare dintre cele trei debite de mai sus.

Partea din volumul net necesara acoperirii cerintelor consumatorilor care iau apa direct din lac se poate determina prin calcule analitice sau pe cale grafica.

Pe cale analitica se face un bilant (comparatie) intre debitele (volumele) afluente in lac in regim natural si debitele (volumele) necesare consumatorilor si asigurarii debitului de servitute in albia raului aval de baraj.

Valorile debitelor afluente in regim natural se iau cu aceeasi asigurare de calcul cu a folosintelor interesate (daca folosintele au mai multe asigurari - de exemplu 80%, 90%, 95% si 97% - se va lucra cu asigurarea care acopera toti consumatorii- in exemplul anterior 80%).

Calculul se poate face tabelar

Tab. 2

Nota:

- pentru calculul pe mai multi ani tabelul se va extinde pe verticala atat cat este necesar,

- debitul (Q) afluent este cel adus de rau in lac,

- debitul defluent este cel prelevat pentru consumatori si pentru asigurarea debitului de servitute in albia raului aval de baraj la care se adauga debitele pierdute (vezi mai sus),

- la calculul volumelor se are in vedere numarul de secunde dintr-o luna medie (30,4 zile),

T₁ ³T₂ si T3 ³T₄    7

- volumele cumulate afluente se considera pozitive iar cele defluente negative,

diferentele intre volumele cumulate afluente si defluente se trec in coloana celor pozitive sau negative dupa caz ; diferentele pozitive semnifica excedente de apa iar cele negative,deficite de apa,

se cauta valoarea diferentei maxime negative - care corespunde lunii in care volumul util al lacului este gol (deficit de apa maxim),

se cauta valoarea diferentei maxime pozitive - care corespunde lunii in care volumul util al lacului este plin (excedent de apa maxim),

se calculeaza volumul de apa existent in lac dupa urmatoarea regula : la valoarea diferentei maxime negative (luata in modul) diferentele pozitive se aduna ; din valoarea diferentei maxime negative (luata in modul) diferentele negative se scad,

- in luna in care a existat diferenta maxima pozitiva (excedent de apa maxim) se obtine valoarea volumului util al lacului iar in luna in care a existat diferenta maxima negativa (deficit de apa maxim) se obtine valoarea zero, volumul util al lacului fiind gol.

Calculul de mai sus presupune o regularizare completa (se utilizeaza intregul volum de apa afluent). In cazul unei regularizari incomplete o parte din debitul (volumul) afluent va deversa (sau va fi evacuat prin golirea de fund a acumularii).

Pentru calculul volumului net (utilizabil) pe cale grafica (in cazul regularizarilor anuale sau multianuale) se utilizeaza curbele integrale ale debitelor afluente si ale debitelor necesare de prelevat din acumulare (consumatori + debit de servitute).

Fig. 5

Pe curba integrala de mai sus s-a determinat volumul util net (W_net) in cazul unei regularizari anuale complete la care debitul necesar consumatorilor si asigurarii debitului de servitute a fost uniform (constant) si egal cu Q₀ (debitul mediu al raului) ; determinarea a constat in ducerea de tangente paralele cu directia debitului livrat din lac - Q_o - in punctele de maxim si de minim ale curbei integrale a debiteloir afluente si masurarea pe verticala - la scara hotarata pentru volume - a distantei intre aceste tangente, care este chiar W_net.

Cupland utilizarea curbei integrale (pe care citim volumele existente in lac in fiecare luna) cu curba caraceristica a acumularii W(H) se poate cunoaste nivelul apei in lac in fiecare luna.

Curba integrala se mai poate desena si folosind direct scara radiala a debitelor si plasand pe fiecare interval de timp (de exemplu: 1zi, 10zile, 1luna) un segment paralel cu directia corespunzatoare debitului mediu scurs in acel interval.

Fig. 6

In cazul unei regularizari incomplete (cand debitul total necesar defluent Q_d este mai mic decat debitul mediu afluent Q₀) situatia se prezinta ca in desenul urmator (situatia prezentata corespunde unui debit defluent constant).

Fig. 7

Fig. 8

W_p - volum net utilizabil necesar regularizarii incomplete cu debitul Q_d

W_pi - volum initial ce trebuie sa existe in lac la inceputul anului (peste cota volumului mort) pentru a face fasa golirii din momentul t₁

In practica rareori debitul defluent este constant, el avand variatii legate de cerintele consumatorilor. Ca atare curba integrala a debitului defluent nu este o dreapta ci o curba oarecare. Construind-o in acelasi sistem de coordonate cu curba integrala a debitului afluent se poate obtine volumul net (utilizabil) pentru acumulare in felul urmator:

se translateaza pe verticala curba integrala a consumului (debitului defluent) pana devine tangenta la curba integrala a debitului afluent in partea superioara si apoi in partea inferioara

se masoara distanta - pe verticala - intre cele doua pozitii ale curbei consumului, care este tocmai volumul net.

Fig. 9

W_net in cazul Q_defl variabil este mult mai mare decat in cazul Q_defl constant.

Se mai poate folosi ca metoda de calcul grafic a W_net si construirea curbei integrale a diferentelor (intre curba initiala a afluentei si curba initiala a defluentei) atat pentru regularizare anuala cat si multianuala, indiferent daca debitul defluent este variabil sau constant.

Construirea curbelor integrale in sistemul de axe rectangulare (ca in cazurile anterioare) este potrivita in cazul acumularilor cu regularizare anuala. In cazul regularizarii multianuale este mai comod si mai precis sa lucram in sistemul de coordonate oblice (axa timpului este rotita in sensul acelor de ceas).

Se roteste dreapta OA in jurul punctului O pana cand ajunge orizontala. (Pe verticala timpului scurs t se masoara volumul de apa scurs in acest timp V_t)

Scara radiala a debitelor se construieste ca si in cazul coordonatelor rectangulare. Toate volumele se masoara incepand de la axa timpilor reali.

Fig. 10

In cazul regularizarii multianuale este mai bine ca curba integrala afluenta sa nu inceapa cu inceputul unui an calendaristic ci cu o perioada de viituri care umple lacul.

Daca volumul acumulabil pe un anumit amplasament (W) este mai mic decat cel necesar pentru regularizare completa atunci se va face o regularizare incompleta (cu deversari) si pe curba integrala se poate determina cu ajutorul lui W care este debitul maxim consumabil in acest caz (Q_w). Curba integrala este translatata in jos cu W si ducand o tangenta comuna intre punctele de maxim si minim aceasta va reprezenta directia debitului Q_w.

Volumul de atenuare

Cuprinde volumul de protectie (de la nivelul volumului util la creasta deversorului) si volumul de atenuare propriuzis (de la cresta deversorului la nivelul viiturii de calcul).

Volumul de protectie poate lipsi, in care caz de atenuare se produce pe luciul de apa al lacului intr-un strat cu grosimea egala cu sarcina maxima de functionare a deversorului.

Nivelul maxim in acumulare coincide cu momentul Q_afl = Q_defl.

Fig. 11

Debitul defluent nu trebuie sa depaseasca debitul capabil al albiei aval de baraj si se evacueaza prin:

golirea de fund (Q_g)

deversorul de ape mari (Q_dev)

m₁ si m₂ - coeficienti de debit

w - sectiunea conductei de golire de fund

b - lungimea crestei deversorului

g - acceleratia gravitationala

h₀ - adancimea masurata de la creasta deversorului la centrul conductei de golire de fund

h - inaltimea lamei deversorului (sarcina de lucru a deversorului)

Daca viitura gaseste, de exemplu, lacul plin pana la creasta deversorului situatia se poate prezenta ca in figura urmatoare:

Construirea hidrografului viiturii de calcul (al Q_afl) se face dupa metode recomandate in literatura de specialitate (de exemplu dupa D. Sokolovschi).

Capacitatea (volumul) de atenuare se poate determina prin metode aproximative (grafice) si prin metode exacte (calcul). Metodele aproximative sunt expeditive si se folosesc pentru a prima orientare asupra volumului de atenuare.

Elementele principale ce se au in vedere la calculul capacitatii de atenuare sunt:

volumul viiturii de calcul (V)

volumul de atenuare (W_at)

debitul maxim afluent al viiturii (Q_a maxim)

debitul defluent maxim (Q_d)

volumul de protectie (sub creasta deversor)

sarcina maxima admisa pe deversor (h)

dimensiunile evacuatorilor de apa

Daca hidrograful viiturii este aproximativ triunghiular.

Daca hidrograful viiturii este aproximativ trapezoidal:

In ipoteza ca viitura gaseste lacul plin pana la creasta deversorului (deci atenuarea se face doar cu W_at propriuzis) si evacuarea debitelor in aval se face doar peste deversor se pot folosi metode grafice aproximative pentru rezolvarea uneia din urmatoarele cazuri.

a)      se impune sarcina maxima a deversorului (h_max)

b)      se impune lungimea crestei deversorului (b)

c)      se impune debitul maxim defluent (in cazul de fata deci Q_max deversat)

Pentru aceasta, in afara cunoasterii hidrografului viiturii mai este necesara si curba caracteristica W(H) (volumul apei in lac in functie de cota) din care se va folosi doar partea de la cota crestei deversorului in sus (corespunzatoare inmagazinarii volumului de atenuare).

a)      Procedeul de calcul pentru cazul ,,a" este prezentat mai jos:

Pe figura ce reprezinta hidrograful viiturii se traseaza cateva ipotetice debite deversate in aval pana in punctele 1,2,3.. Corespunzatoare debitelor maxime deversate. Se calculeaza pentru fiecare caz volumul W_at (hasurat pe desen). Se traseaza cu valorile calculate curba W_at(Q_{d max}).

De pe curba caracteristica W(H) a acumularii se citeste pentru h_max admis pe deversor valoarea W_{at max}, iar cu aceasta valoare se intra in graficul W_at(Q_{d max}) si se determina Q_{d max}.

Lungimea crestei deversorului rezulta din formula debitului deversat:

b)      Pentru cazul ,,b" (se impune b deversor):

Se folosesc graficele: Q(t) (hidrograful viiturii), W_at(Q_{d max}) (trasat de la cazul anterior) si se deseneaza ,,cheia deversorului" (graficul Q_d(h_dev)) pentru latimea b. Se utilizeaza si curba caracteristica a lacului W_at (H) (de la creasta deversorului in sus).

Se realizeaza peste graficul ,,cheie deversor" (desenat in functie de b impus) curba Q_dev.max.(h_max) prin transpunerea valorilor rezultate prin utilizarea curbelor W_at(Q_{d max}) si W(H). La intersectia cheii deversorului cu Q_dev.max.(h_max) se afla punctul care da h_max pe deversor in conditiile date si valoarea maxima a debitului deversat in albia aval (Q_{d max}). Cu valoarea Q_{d max} putem afla si W_at.max utilizand graficul W_at(Q_{d max}).

c)      Pentru cazul ,,c" (este impus Q_dmax):

se construieste graficul W_at(Q_{d max})

se utilizeaza curba caracteristica a acumularii W(H) - portiunea de la cota crestei deversorului in sus

cu Q_d.max (impus) determinam W_at.max iar cu acesta se determina h_max deversor.

Cu valoarea sarcinii maxime a deversorului se poate calcula latimea acestuia:

Nota . In situatia cand la evacuarea debitelor participa si golirea de fund se va lua in calcul si debitul tranzitat prin aceasta.

Daca volumul (capacitatea) de atenuare este format atat din volumul de protectie (W_pr) cat si din volumul de atenuare propriuzis (W_at) calculul celor doua se face in doua situatii:

a)      se impune W_at.max si Q_d.max

b)      se impune W_pr si Q_d.max

In cazul a, pe hidrograful viiturii de calcul se unesc cateva puncte situate pe abcisa cu punctul ce reprezinta Q_d.max

Pe fiecare punct O_I rezulta un W_pr si un W_at astfel ca pentru toate punctele O_I putem trasa graficul W_at(W_pr). In acest grafic intram cu W_at (impus) si rezulta W_pr cautat.

In cazul b se procedeaza similar dar in graficul W_at(W_pr) se intra W_pr impus si se determina W_at.