C a p i t o l u l
C a p i t o l u l
HIDROLOGIA RURILOR (POTAMOLOGIA)
3.1. CONSIDERAII GENERALE ASUPRA REELEI HIDROGRAFICE
Dac privim imaginea planetei Terra luat prin satelit, ea ne
apare organizat, de la cele mai mici firioare de ap, respectiv
rigole i ogae, i pn la cele mai mari artere ruri, fluvii, n
numeroase organisme care, n cea mai mare parte se termin la
marginea mrilor i oceanelor, uneori n interiorul continentelor, n
lacuri sau n centrul unor depresiuni nchise (Shari n lacul Ciad
Africa, Amudaria i Srdaria n lacul Aral Asia, Iordan n Marea Moart
Asia, Desaguadero n lacul Titicaca America de Sud i nu pe ultimul
loc Volga n Marea Caspic Europa).
Se poate afirma c reeaua hidrografic are cel mai mare grad de
acoperire, de cuprindere a suprafeei Terrei, n comparaie cu alte
componente ale mediului geografic.
Precipitaiile ajunse pe suprafaa uscatului, exceptnd cantitatea
care se consum prin evaporaie i evapotranspiraie i care trece
direct n atmosfer, datorit diferenei de nivel (de altitudine) unde
cad, i nivelul 0 al mrii, pe de o parte, i forei gravitaionale, pe
de alt parte, se deplaseaz, i prin conjugare firior cu firior de ap
se formeaz artere hidrografice din ce n ce mai bine conturate, care
ajung, mai devreme sau mai trziu, n Oceanul Planetar. Chiar i acea
parte din precipitaii care se infiltreaz n scoara terestr
(litosfer) i formeaz orizonturile de ap freatic, se supune aceleai
fore gravitaionale, deplasndu-se apoi lent pe cale subteran, pn ce
revine la suprafa sub form de izvoare.
Aadar, scurgerea natural a apei provenit din ploi, existent n
cursul anului, determinat de panta terenului, ce se concentreaz
ntr-un curent de ap canalizat de forma de relief negativ i alungit
(vale), genereaz un ru.
Simion Mehedini, fondatorul geografiei moderne romneti
(1868-1962), n lucrarea sa fundamental Terra (op. citat pag. 249)
ddea urmtoarea definiie rului: totalitatea uvielor de ap care scurg
umezeala unui inut ntreg spre punctul cel mai de jos al bazinului
respectiv.
Fa de aceast definiie i noiune generic de ru, se ntlnesc
numeroase trepte i variante, care definesc acelai proces.
n ceea ce privete dimensiunea se ntlnesc, de asemenea, multe
topice, proprii diferitelor popoare sau regiuni de pe glob.
n limbajul nostru curent, care a intrat n literatura de
specialitate se gsesc termenii de: pria, pru i ru. Aceste denumiri
indic o anumit mrime a organismului hidrografic, de cel mai mic
(pria), care poate fi permanent, de regul fiind temporar, pn la cel
de ru care, normal trebuie s aib scurgere permanent, dei n cazuri
excepionale i acesta seac.
Termenul de fluviu, ce a intrat n limbajul geografilor ca ru de
dimensiuni mari i care se vars ntr-o mare sau ocean i care provine
din cuvntul francez fleuve (la origine, n latin, flumen care nseamn
ap ce curge printr-o vale), nu a reuit s se generalizeze pe ntreaga
Terr.
Simplu fapt, c o arter hidrografic se vars ntr-o mare sau ocean
s se numeasc fluviu nu este corect, deoarece este necesar s se
asocieze i o anumit mrime (lungime, bazin sau debit) exemplu
fluviul Dunrea n comparaie cu Nistru care ar trebui s se numeasc
tot fluviu.
Deoarece pn n prezent n-au fost stabilite nite criterii
(parametri cantitativi i calitativi) pentru diferenierea unui ru de
un fluviu, folosirea unuia sau altuia dintre cei doi termeni este,
de cele mai multe ori, neangajant.
Oricum, trebuie s reinem faptul c nu este nici o greeal dac vom
ntrebuina termenul de ru pentru oricare arter hidrografic mare ca
Amazon, Mississippi, Congo, Nil, Enisei etc., dar nu este acelai
lucru s denumim ca fluviu o arter mic de ap numai pentru faptul c
se vars direct n mare sau ocean.
Revenind la termenul de ru, subliniem faptul c prima trstur a
acestuia este convergena mai multor artere secundare ctre una
principal care alctuiesc mpreun un bazin hidrografic.
Afirmaia fcut la nceput c bazinele hidrografice reprezint forma
aproape generalizat de acoperire a suprafeei Terrei, trebuie
potrivit n raport cu poziia hipsometric a diferitelor regiuni i cu
condiiile climatice, n cadrul crora reinem, n mod special, aportul
precipitaiilor i al temperaturii aerului.
Fora gravitaiei i energia de relief dat de diferena de nivel
dintre cele mai nalte cote i nivelul de baz (n cazul generalizat
nivelul oceanului sau al mrii) n-ar putea genera scurgerea lichid
fr existena precipitaiilor care furnizeaz apa ce se pune n micare
prin intermediul vilor.
n aceste condiii nu pe toat suprafaa Terrei exist scurgere
lichid superficial i, deci, nici o reea hidrografic efectiv
(activ). S-a vzut, de asemenea, c nu toate regiunile i respectiv
rurile ce le dreneaz au scurgere ctre Oceanul Planetar, sau cum
s-ar mai putea spune ieire la mare.
Plecnd de la postulatul c bazinele hidrografice sunt consecin a
climei cunoscutul geograf francez Emm. de Martonne (1926) a
analizat distribuia rurilor (prezena sau absena, bogia sau srcia de
ap a acestora) cu ajutorul indicelui de ariditate (K) care-i poart
numele i n care se ia baz raportul dintre precipitaii (P) i
temperatur (T).
(3.1.)
Pe baza acestui indice Emm. de Martonne a apreciat c formarea
rurilor, deci i a scurgerii lichide la nivelul cmpiilor joase
(0-200 m), n absena fenomenelor carstice pentru zona temperat ar
avea loc n condiiile unor precipitaii de cel puin 250 mm/an; pentru
zona subtropical 500 mm/an i pentru zonele aride (de tipul Saharei,
Kalahari, Marele Deert Australia) 1000 mm/an.
Analiznd o hart a distribuiei i densitii reelei hidrografice,
remarcm valabilitatea celor afirmate mai sus i anume; bogia rurilor
n zona ecuatorial, subecuatorial i temperat i absena lor n regiunea
tropical, mai precis acolo unde indicele de ariditate este sub
5.
Dac se analizeaz Nilul, care are bazinul superior n zona
ecuatorial i care apoi strbate, pn la Marea Mediteran unde se vars,
zona tropical arid (Sahara de est), vom constata reducerea treptat
a debitului, de la obrie spre vrsare, pe cnd la cele mai multe ruri
situaia este invers.
Corelnd scurgerea apei cu precipitaiile i temperatura aerului
din diferite zone geografice se poate afirma c: acolo i atunci cnd
precipitaiile sunt n cantiti mai mari dect evaporaia (X > Z),
rul are scurgere permanent i n mod normal are ieire la mare. Aceast
situaie hidrografic se numete exoreism, iar regiunea unde se
ntlnete - exoreic.
Dac precipitaiile sunt mai mici dect evaporaia (X< Z),
regiunea este lipsit de scurgere i se numete areic, iar fenomenul
areism.
O alt situaie, considerat intermediat, n procesul scurgerii este
endoreismul n care dei exist scurgerea lichid, rurile din acea
regiune nu au ieire la mare iar regiunea se numete endoreic.
Endoreismul, n principal, este de natur climatic prin faptul c
un organism hidrografic sau un ansamblu de asemenea organisme are
scurgere n seciunile superioare i mijlocii, dar se pierde prin
evaporaie n seciunea inferioar, cnd ajunge n deert (exemplu: rurile
din Asia Central, Podiul Iran, Podiul Gobi, versantul sudic al
Munilor Atlas din nordul Africii etc.).
O regiune endoreic poate fi generat, la nceput, i de factorii
geologici, n sensul c o depresiune de natur tectonic este izolat
sub aspectul scurgerii lichide de reeaua hidrografic exoreic.
Astfel de situaii sunt numeroase pe Terra. n centrul unor
asemenea regiuni se gsete un lac care polarizeaz rurile din jur.
Dar i n aceste cazuri trebuie s facem anumite precizri.
Dac o asemenea depresiune se gsete ntr-o zon geografic n care
precipitaiile sunt mai mari dect evaporaia i deci exist un excedent
de ap care trebuie s se scurg, endoreismul nu poate fi dect relativ
n timp sau de suprafa.
Endoreismul n timp este acela prin care excendentul de ap
furnizat de bazinul hidrografic respectiv, dup o anumit perioad de
timp (an, secol, mileniu, milion sau milioane de ani) va produce o
conectare, prin captare, a regiunii endoreice la regiunea vecin,
exoreic.
Endoreismul de suprafa se manifest prin izolarea scurgerii la
suprafaa teritoriului respectiv dar excendentul de ap se scurge pe
cale subteran n reeaua hidrografic exoreic din jur. Un astfel de
exemplu, la scar mic n ara noastr, este lacul Sfnta Ana cu
depresiunea n care se gsete, care nu are scurgere de suprafa iar
excedentul de ap se scurge pe cale subteran.
Regiunile endoreice cele mai mari de pe suprafaa Terrei au la
origine condiii speciale de evoluie paleogeografic (de natur
tectonic, epirogenetic) i meninute, n prezent, de factorii
climatici (deficit de precipitaii fa de evaporaie).
Un caz interesant de bazin endoreic este Volga cu Marea Caspic.
Marea Caspic, n timpuri geologice nu prea ndeprtate de perioada
actual, era legat prin culoarul Kuma Manici de Marea Neagr i, deci,
conectat la Oceanul Planetar. Prin micrile de ridicare ale munilor
Caucaz i aridizarea condiiilor climatice din regiunea n care se
gsete ea i o parte din aflueni, nivelul mrii a sczut treptat
datorit deficitului din bilanul hidrologic iar marea ca atare a
devenit un lac. Dac s-ar produce revenirea la un climat mai umed,
nivelul Mrii Caspice ar crete pn s-ar uni din nou cu Marea Neagr
sau prin intermediul lacului Aral cu rurile din partea sudic a
Siberiei de Vest.
3.2. ELEMENTE PRIVIND MORFOLOGIA I MORFOMETRIA RULUI I BAZINULUI
HIDROGRAFIC
3.2.1. Modul de organizare a scurgerii lichide
Procesul de iroire reprezint prima faz n scurgerea lichid i este
legat de cderea precipitaiilor pe suprafaa terenului.
n procesul de iroire, care este temporar nu exist o reea de
canale, dar se remarc o anumit insinuare a apei n depozitele
superficiale.
Scurgerea torenial este o faz n acest proces prin care apa este
adunat n anumite forme negative de relief, dar care nu au
dimensiunile unei vi. i n cazul scurgerii toreniale, procesul este
temporar, discontinuu, numai n timpul ploilor toreniale sau al
topirii brute a zpezii.
Scurgerea permanent reprezint faza la care apa rezultat din ploi
sau zpezi, se scurge organizat i tot timpul anului prin reeaua de
vi creat n decursul evoluiei arterei hidrografice. (Fig. 3.1.).
Fig. 3.1. Fazele scurgerii lichide Fig. 3.2. Categorii
morfologice A-iroire cu forme de rigole (a) prin care are loc
scurgerea;B-torenial cu formarea ogaelor i ravenelor (b) a) rigole;
b) raven; c) raven;
C-permanent cu formarea vilor (c) d) organism torenial.
3.2.2. Categoriile morfologice prin care are loc scurgerea
lichid
Rigola este an mic n form de V, realizat de apa de ploaie n
procesul de iroire (ravenare). Adncimea acestor anuri atinge 20 -
30 cm i maximum 50 cm. Iniial sunt folosite urmele roilor de cru
sau brazdele de la plug. Rigolele au ap numai n timpul ploilor sau
la topirea brusc a zpezii.
Ogaul reprezint evoluia n timp a rigolei dac aceasta nu este
oprit prin nivelare. Ogaul este un an sculptat n depozitele de
suprafa avnd adncimi ntre 0,5 i 2 m, lime ntre 0,5 i 8 m cu lungimi
de la zeci pn la sute de metri.
Ravena sau viroaga poate reprezenta o viitoare vale de pru dac
nu este stopat n evoluie. Ravena are adncimi diferite: 2 -5 m, 5
-10 m i peste 10 m, iar lungimea poate depi 1 km, avnd i un bazin
de colectare de 10 ha, 10- 30 ha, 50 -100 ha i peste 100 ha. n
profil transversal pereii sunt abrupi i neacoperii cu vegetaie
(Fig. 3.2.).
Vlceaua, vale de dimensiuni mici, puin adnc (5 - 30 m), cu
versani slab nclinai (5 - 20) i fixai cu vegetaie, are fundul
concav sau plat, i fr albie minor bine precizat. Lungimea vlcelei
poate ajunge pn la 10-15 km iar limea este de zeci i sute de m.
Valea constituie faza cea mai avansat a formelor negative prin
care are loc scurgerea lichid. La origine, valea nseamn un loc jos,
o depresiune alungit pe zeci, sute de mii de km. Delimitarea,
uneori, este greu de fcut ntre vlcea i vale.
Elementele unei vi sunt: albia minor, n care intr talvegul,
albia major sau lunca, terasele fluviatile i versantul care ajunge
la cumpna de ape (Fig. 3.3.).
Fig. 3.3. Elementele unei vi
3.2.3. Categoriile hidrografice prin care are loc scurgerea
lichid
n funcie de modul de producere a scurgerii i mrimea formei de
relief deosebim: toreni, praie, ruri, fluvii.
Torentul include din punct de vedere morfologic rigola, ogaul i
ravena, i care au scurgere numai n timpul ploilor i al topirii
zpezilor. Scurgerea se caracterizeaz prin viituri puternice i de
scurt durat fiind caracteristice pentru regiunile de deal i de
munte. Torentul are pant foarte mare n profil longitudinal i o
putere mare de eroziune i transport. De la termenul de torent a
derivat i noiunea de scurgere torenial care este tumultoas i de
scurt durat. Momentul de torenialitate se poate ntlni i pe un pru
sau pe un ru n timpul viiturilor. Dar n acelai timp scurgerea
torenial nseamn i o scurgere temporar.
Elementele morfologice ale unui torent (organism torenial) sunt:
bazin de recepie (colectare) (1), canal de scurgere (2), con de
dejecie (3). (Fig. 3.4.).
Fig. 3.4. Elementele morfologice ale unui torent
Prul este o categorie hidrografic mai mic ce are scurgere fie
permanent, fie temporar, aceasta depinznd de poziia geografic n
care cantitatea de precipitaii este mai mare sau mai mic dect
evapotranspiraia. De regul sunt stabilite i nite elemente
dimensionale: pn la 50 km lungime, 300 km2 suprafaa bazinului i 1
m3/s debit mediu multianual. Aceste limite sunt arbitrare.
Rul este artera hidrografic ce curge printr-o albie natural bine
conturat morfologic, scurgerea lichid fiind, de regul, permanent,
datorit faptului c n el converg mai multe prae care vin din arii cu
surse de alimentare diferite. De asemenea, permanena scurgerii
lichide pe ru este dat i de componenta alimentrii subterane pe lng
cea superficial (de suprafa).
n linii generale rul, ca de altfel i prul, are din amonte spre
aval urmtoarele segmente: izvor, cursul rului, vrsarea sau
confluena cu alt ru (arter hidrografic).
Izvorul rului sau obria acestuia este considerat locul n care
artera hidrografic capt un contur morfologic i are o scurgere cel
puin temporar (nu torenial) dac nu permanent. n unele situaii
speciale izvorul poate fi dintr-un ghear, zpad permanent, lac,
mlatin, la baza unei alunecri. n multe cazuri izvorul unui ru mare
(important) poate fi considerat confluena a doi aflueni
secundari.
Cursul rului reprezint traseul parcurs de ap ntre izvor i vrsare
(confluen). n mod obinuit cursul rului se mparte n trei sectoare:
superior, mijlociu i inferior n funcie de trsturile morfologice,
fizico-geografice i hidrologice.
Cursul superior de la izvor pn la ieirea din zona muntoas (nu
totdeauna) se caracterizeaz printr-o pant mare a profilului
longitudinal a albiei minore, fr lunc i terase n profil
transversal, vitez mare de scurgere a apei i o alimentare redus
subteran, dar bogat din precipitaii (lichide i solide).
Cursul mijlociu este situat, n mod obinuit, n regiunea de
dealuri i podiuri care mrginete zona de munte, panta n profil
longitudinal scade, viteza de curgere, de asemenea scade, primete
aflueni mari i ca atare debitul crete. Are albia major pe lng cea
minor, n care se gsesc depozite aluviale cu acumulri de ape
freatice i terase. Albia minor prezint ramificaii (despletiri).
Profilul transversal al vii este combinat cnd n V cnd n U. Aici
au loc i inundaii ca urmare a compunerii viiturilor. Apa rului se
ncarc cu suspensii solide reducnd din transparena sa.
Cursul inferior este, de regul, n regiunea de cmpie i se
caracterizeaz printr-o pant redus n profil longitudinal. Valea
rului nu mai este adnc dar se lrgete prin lunc (albia major) care
are limi mari, terasele fluviatile sunt simetrice sau asimetrice.
Albia minor, datorit pantei reduse, meandreaz, lsnd lateral bucle
abandonate i transformate n lacuri de meandru. n lunca inundabil se
formeaz lacuri ntinse i puin adnci. ntre apa din ru i orizontul
freatic de lunc exist o relaie strns cu influene reciproce n funcie
de faza de regim hidrologic.
Delimitarea acestor sectoare este relativ i se face de la un ru
la altul n funcie de situaia geomorfologic i de interesul didactic
i practic.
Vrsarea rului (gura de vrsare) este locul cel mai bine definit n
comparaie cu izvorul. n cazul rurilor mici, vrsarea reprezint
confluena cu rurile de ordin superior. Dar tot att de frecvent este
i vrsarea ntr-un lac, mare sau ocean.
Sunt i abateri de la aceast situaie, cnd rul se pierde ntr-o
regiune arid datorit evapotranspiraiei i infiltraiei volumului de
ap (rurile de pe versantul sudic al munilor Atlas Africa, din Asia
Central, Podiul Gobi, Tibet, cum ar fi: Murgab, Zeravan,
Tedjen).
Gurile de vrsare ale rurilor ntr-un lac, mare sau ocean, pot fi
simple, prin limane, estuare, delte, fiorduri, n funcie de existena
sau absena mareelor.
Estuarul este gura de vrsare sub form de plnie a unui ru ntr-o
mare (ocean) cu amplitudine mare a mareelor (flux i reflux). Sunt i
alte forme pe care le mbrac estuarele. Cele mai mari estuare sunt
Rio de la Plata (200 km), Sfntul Laureniu (500 km), Amazon (1500
km). Mai menionm estuarul Senei, Elbei, Girondei, Tamisei.
Ria (riasul) este o vale fluviatil ngust, ramificat pe rmurile
nalte (Marea Britanie, Peninsula Iberic).
Limanul - o gur de vrsare lrgit prin abraziune marin, se gsete n
mrile fr maree (Limanul Nistrului).
Fiordul - golf marin rezultat dintr-o vale modelat de eroziunea
glaciar i invadat de ap (rmul Norvegiei, Noii Zeelande etc.) (Fig.
3.5.).
Delta este zona de acumulare a materialului aluvionar adus de ru
i depus sub forma unor cmpii aluviale n formare. Deltele, de regul
se formeaz la rmurile marine, lacustre, n golfuri, lipsite de maree
i cu elf continental (adncime mic).
Deltele lacustre. La nclinri mari ale pantei fundului lacului,
delta are aspectul unui con de dejecie i este submers. Cnd panta
este mai mic, delta se extinde i devine emers (exemplu de delt
lacustr: Volga n Marea Caspic, Selenga n lacul Baikal).
Fig. 3.5. Tipuri de estuare (dup Fairbridge, R.W., 1983)Deltele
marine sunt cele mai reprezentative i importante zone umede cu o
mare biodiversitate.
n formarea deltelor se impun cteva condiii i anume: aluviuni
transportate de ru, lipsa mareelor (sau cu amplitudine foarte mic,
existena curenilor litorali, existena unei platforme continentale
(elf).
Tipuri de delte dup form. Triunghiulare, rezult din activitatea
unei singure artere, are frontul deltaic mult mai naintat n mare
(exemplu: Tibru, Sa Francisco). Sagitate cu vrful naintat n mare
(Ebro Spania). Rotunjite (arcuite) cu frontul deltaic convex i
cordoane litorale (Niger, Yukon, Lena).
Digitate (lab de pasre) cu un curs principal ce creeaz grinduri
laterale care nchid lagune, la care se adaug i activitatea braelor,
secundare (Mississippi).
Lobate (barat) tipul clasic n forma literei greceti care are o
evoluie uniform a frontului deltaic, fiind rezultatul activitii mai
multor brae (Nil, Dunre, Volga, Rhone, Po) (Fig. 3.6., 3.7.; Tab.
3.1.).
Fig. 3.6. Tipuri de delte
Tabelul 3.1. 30 delte mai semnificative
Nr. crt.Denumirea ara - continentulSupr.
km2Lungimea ruluiSupr. baz. rului km2
1.Amazon Brazilia Am. de Sud100.0007.0257.180.000
2.Gange +
BrahmaputraIndia Bangladesh - Asia100.0002.7002.055.000
3.IantzChina - Asia80.0006.3001.808.500
4.Mekong Vietnam - Asia70.0004.500810.000
5.MississippiSUA Am. de Nord32.0006.2183.210.620
6.LenaFeder. Rus - Asia30.0004.4002.425.000
7.IrrawaddyBirmania - Asia30.0002.150430.000
8.NigerNiger - Africa24.0004.1602.092.000
9.NilEgipt - Africa22.0006.6712.870.000
10.OrinocoVenezuela Am. de Sud20.0002.7301.086.000
11.Shatt-al-ArabIrak - Asia18.0003.2601.000.000
12.HonghaVietnam - Asia15.0001.183158.000
13.MahanadiIndia - Asia15.000900130.000
14.VolgaFeder. Rus - Europa13.0003.5301.360.000
15.MackenzieCanada Am. de Nord12.0004.2501.804.000
16.YukonSUA Am. de Nord10.0003.700855.000
17.IndusPakistan - Asia8.0003.180980.000
18.Kura i AraxAzerbaidjan - Europa8.0001.364188.000
19.ZambeziMozambic - Africa8.0002.6001.330.000
20.IndighirkaFeder. Rus - Asia5.5001.726360.000
21.KubanFeder. Rus - Europa4.30087057.900
22.DunreaRomnia Ukraina
Europa4.1502.860805.300
23.TerekFeder. Rus - Europa4.00040517.170
24.GodavariIndia - Asia2.0001.450290.000
25.MagdalenaColumbia Am. de Sud1.6001.550240.000
26.VistulaPolonia - Europa1.5001.068198.000
27.PoItalia - Europa1.50065274.970
28.Dvina de NordFeder. Rus - Europa1.230744357.000
29.RhoneFrana - Europa1.00081298.000
30.EbroSpania - Europa25092886.800
Fig. 3.7. Poziia geografic a deltelor pe glob
3.2.4. Reeaua hidrografic
Ansamblul arterelor, privite sub aspect morfologic, prin care se
produce scurgerea lichid organizat, ncepnd cu ogaele i ncheind cu
vile mari, indiferent dac scurgerea este temporar sau permanent, se
numete reea hidrografic.
Organizarea i concentrarea treptat de la arterele mici, artere
din ce n ce mai mari, se constituie n sisteme hidrografice sau
fluviatile.
Formarea i evoluia oricrui bazin hidrografic este rezultatul
interaciunii dintre fluxul de materie i energie care intr i circul
n limitele lui i rezistena opus de configuraia morfologic i
constituia litologic.
ntr-un bazin hidrografic principala surs de materie o reprezint
precipitaiile czute iar energia, radiaia solar. Relaiile de
interdependen dintre aceti factori, repartiia lor n timp i spaiu,
conduc la configuraia, la un moment dat, a bazinului
hidrografic.
Dup modul n care are loc schimbul de materie i energie n bazinul
hidrografic acesta poate fi considerat un sistem deschis. n
procesul schimbului de materie i energie n cadrul sistemului
hidrografic deschis se tinde ctre o autoreglare i stare de
echilibru care este relativ. (Fig. 3.8.)
Fig. 3.8. Schema schimburilor de mas i energie ale unui bazin
hidrografic cu mediul nconjurtor (dup I. Zvoianu, 1978);
P-precipitaii; Av-aport datorat vntului; As-aport subteran;
Au-aport ca urmare a interveniei omului; Es-radiaia solar; Q,R,
M-scurgerea lichid, solid i chimic; Ev-evapotranspiraie;
Ps-pierderi subterane; Pv-pierderi datorit vntului; Pu-pierderi ca
urmare a interveniei omului; Er-energia reflectat i radiat.
n cadrul unui sistem hidrografic exist numeroase artere mai mici
i mai mari. ntre acestea exist o anumit ierarhizare care a
realizat-o nsi sistemul, respectiv natura.
Descifrarea acestei ierarhizri naturale a stat n atenia multor
cercettori strini i romni (Gravelius, R.E. Horton, N.A. Strahler,
B. Panov, L.R. Shreve, E.A. Scheidegger, V. Bondarciuk, T. Morariu,
P. Cote, I. Zvoianu).
Aceste preocupri i concluzii constau n precizarea numerotrii
arterelor hidrografice dintr-un sistem fluviatil, fa de colectorul
principal lac, mare, ocean sau, n anumite situaii, fluvii.
Clasificarea (ierarhizarea) iniial a fost aceea c rul principal
care se vars n mare (ex. Dunrea) este de ordinul 1 iar pe msur ce
intrm n bazin crete numrul ordinului (Arge, afluent al Dunrii
ordinul 2, Rul Trgului, afluent al Argeului ordinul 3 i aa n
continuare pn la oga care poate fi de ordinul 4, 5, 6, 7, ... n).
Aceast ordonare a aparinut lui Gravelius.
Celelalte clasificri, Horton, Strahler, Zvoianu iau n
considerare n primul rnd arterele mici unde se nfirip scurgerea i
acelea se noteaz cu 1 ajungnd ca principalul colector, care se vars
n mare, s fie de ordinul 5, 6, 7, 8 ... n n funcie de complexitatea
sistemului. n aceast ultim categorie sunt multe variante, dar
esenialul const n faptul c dou artere elementare (toreni spre
exemplu) care sunt considerate de ordinul I dau o arter de ordinul
2 i aa mai departe (Fig. 3.9.).
Fig. 3.9. Diferite scheme de clasificare a reelei
hidrografice
3.2.5. Clasificarea reelei hidrografice dup form
Forma reelei hidrografice este determinat n principal de
tectonic, litologie i configuraia geomorfologic a regiunii
drenate.
Dup configuraia n plan a reelei hidrografice se deosebesc: reea
dendritic de forma unui arbore (majoritatea rurilor); rectangular -
ce rezult din asocierea unghiular a ramurilor (n regiuni cristaline
Rul Mare, Bistra din Munii Godeanu arcu); gratii n regiunile cutate
regulat gen obcine (Moldova, Moldovia); radiar n regiunile
vulcanice (Harghita); convergent (Olt la Rureni, Jiu la Filiai,
Arge la Piteti); inelar n regiunile cutate, domuri gazeifere (Fig.
3.10.).
Fig. 3.10. Tipuri de reea hidrografic
3.2.6. Elemente legate de reeaua hidrografic (cursul rului)
Lungimea rului este distana dintre izvor i vrsare. De regul
msurarea lungimii se face de la izvor spre vrsare, iar bornarea
kilometric de la vrsare spre izvor (exemplul Dunrii).
n mod obinuit msurarea se face pe hart, care reprezint proiecia
talvegului, dar n regiunile accidentate (pante 200, 400 ) se poate
aplica formula:
Lr = Lc / cos
(3.2.)
unde:
Lr - este lungimea real
Lc - lungimea de pe hart
Coeficientul de sinuozitate este raportul dintre lungimea real a
rului (sau a unui segment) msurat cu distanierul sau curbimetrul i
lungimea dreptei care unete extremitile luate n considerare:
Cs=Lm/ Ld ; Cs >I
(3.3.)
unde:
Lm - este lungimea msurat;
Ld - lungimea n linie dreapt;
Cs - coeficientul de sinuozitate.
Cnd se msoar direct cu un distanier se fac minim dou msurtori cu
deschideri diferite de distanier i se aplic formula:
(3.4.)
unde
l1, l2 - sunt lungimile rezultate la diferite msurtori;
d1, d2 - distanele pe distanier (compas);
N - scara hrii (Fig. 3.11.).
Fig. 3.11. Tipuri de sinuozitate ale reelei hidrografice (dup I.
Piota, 1983)
Coeficientul de ramificare (de despletire) a albiei rului se
produce la schimbarea pantei n profil longitudinal, de regul, la
trecerea din zona de munte la cea de dealuri i chiar n interiorul
acesteia (zona subcarpatic n Romnia) (Fig. 3.12.).
Fig. 3.12 Despletirea albiei unui ru (Kd) Fig. 3.13. Schema
hidrografic
Coeficientul de despletire (Kd) se determin conform urmtoarei
relaii:
(3.5.)
unde:
l1, l2, ... ln - reprezint lungimea fiecrui bra secundar;
L - lungimea cursului principal.
Schema reelei hidrografice. Printr-un model schematic se poate
reprezenta poziia fiecrei artere hidrografice n cadrul unui bazin
hidrografic. Un astfel de model prezint cursul principal, afluenii
imediat inferiori ierarhizai potrivit schemei Gravelius sau Horton,
Strahler. Pe schem reprezentarea se face la o scar aleas de autor,
numerotarea cursului se face de la confluen ctre izvor, iar unghiul
de inserie al afluenilor s fie de 45. Tot pe schem se pot trece
diferite elemente planimetrice (localiti, drumuri, ci ferate),
construcii hidrotehnice (canale, derivaii, lacuri de acumulare).
(Fig. 3.13)
3.2.7. Caracteristici morfometrice ale albiei minore
Aceste caracteristici se pot determina folosind profilul
transversal al albiei minore.
Seciunea total se refer la suprafaa cuprins ntre nivelul apei i
conturul fundului albiei muiat, care include seciunea activ,
seciunea inactiv, seciunea nboiului, a podului de ghea, a zpezii de
deasupra gheii i a spaiului liber dintre podul de ghea i a apei de
sub aceasta. (Fig. 3.14a i 3.14b).
Fig. 3.14.a. Suprafaa seciunii transversale Fig. 3.14.b.
Suprafaa seciunii transversale
a unei albii libere a unei albii acoperit cu fenomene de
iarn
Seciunea activ (Sa) se determin pe baza profilului conform
relaiei:
(m2)
(3.6.)
n care:
b1, b2, ... bn este distana ntre verticale;
h1, h2, ..., hn este adncimea verticalelor.
Limea rului (B) reprezint distana (n m) la nivelul apei.
Adncimea medie (hmed) rezult din relaia:
Hmed = Sa / B (n m)
(3.7.)
Adncimea maxim (hmax) reprezint adncimea cea mai mare din
profilul transversal msurat.
Perimetrul muiat sau udat (P) este lungimea liniei fundului
albiei (fr nivelul liber al apei) i rezult analitic din relaia:
(m)
(3.8.)
care reprezint suma ipotenuzelor triunghiurilor a cror catete
sunt diferenele de adncime dintre verticale i distana dintre
acestea.
Perimetrul muiat se mai poate determina prin msurarea cu
distanierul sau curbimetrul pe profilul transversal.
Raza hidraulic (R) rezult din raportul dintre seciunea activ
(Sa) i perimetrul muiat.
R=Sa/P
(3.9.)
Rugozitatea () se refer la neregularitile (asperitile) albiei
(perimetrul muiat) date de aluviunile de pe fund, configuraia
malurilor (litologie, vegetaie etc.). Cu ct limea i adncimea albiei
sunt mai mari, cu att influena rugozitii este mai mic.
Forma n plan a albiei minore. Aa cum s-a menionat la analiza
cursului rului, acesta are diferite forme ale albiei n funcie de
unitile mari de relief (munte, deal, podi, cmpie), de litologie
(roci eruptive, sedimentare), de structur (cutat, tabular).
Configuraia n plan a albiei rului poate fi despletit
(ramificat), nctuat (defilee, chei), sinuoas (meandrat).
Meandrele sunt sinuozitile albiei minore determinate de panta
profilului longitudinal, de constituia litologic i structura
acestora.
Meandrele sunt de mai multe tipuri: divagante sau rtcitoare (la
albii puin adnci cu material aluvionar) caracteristice pentru
rurile de la zona de contact deal cmpie; nctuate caracteristice
rurilor ce traverseaz podiuri cu structuri geologice orizontale;
simple cu o bucl; complexe cu mai multe bucle incluse ntr-o bucl
major; abandonate sau prsite numai la noi, n Romnia, belciug (Fig.
3.15.).
Fig. 3.15 Tipuri de meandre
Talvegul este linia, n profil longitudinal, care unete punctele
cu adncimea maxim. De regul nu are o poziie median n albia rului
(Fig. 3.16).
Vadul este locul (segmentul) din albia minor, n care adncimile
sunt mici i se poate trece cu piciorul sau cu mijloace de transport
(crue, autoturisme) (Fig. 3.17.).
Izobata este linia (curba) care unete punctele cu aceeai
adncime.
Ostrovul (banc, insul) reprezint acumulrile din albia minor
constituit din pietriuri, nisipuri i care rezult din micorarea
pantei i despletirea albiei.
Popina este o insul n albia minor i major care rezult prin
activitatea de eroziune lateral a rului numit martor de
eroziune.
Fig. 3.16 Elemente morfometrice Fig. 3.17. Elemente
morfohidrografice n
ale albiei rului albia minor a rului
Zton poriune din albia minor, inactiv, separat parial de un
grind.
Reine (scruntar) partea convex a albiei minore unde se depune
material aluvionar (nisip, pietri).
3.2.8. Caracteristici ale rului n profil longitudinal
Rul n drumul su de la izvor la vrsare, n special rurile mari,
traverseaz uniti de relief variate (munte, deal, podi, cmpie) cu
diferenieri ale structurilor (geologice, tectonice), ale condiiilor
climatice etc.
Elementele morfometrice ale albiei variaz n acest traseu izvor
vrsare.
Profilul longitudinal al rului este reprezentarea n plan a
liniei talvegului, oglinzii apei (la diferite niveluri), malurilor
etc. Profilul longitudinal evolueaz n decursul timpului n funcie de
componentele de baz (fluxul de materie i energie), de modificrile
majore geologice (ridicri orogenetice, micri epirogenetice pozitive
n cursul superior, coborri sau ridicri ale nivelului de baz
respectiv zona de vrsare sau confluen).
n evoluia sa rul tinde ctre profilul de echilibru care reprezint
o faz de compensare a procesului de eroziune cu cel de acumulare.
Teoretic, n faza profilului de echilibru rul pe sectorul
considerat, sau pe ntregul profil longitudinal, nici nu erodeaz i
nici nu acumuleaz. Aceast stare este atins de ru ntr-o faz de
maturitate cnd forele geologice i cele climatice sunt stabile
(neschimbate). (Fig. 3.18).
n desfurarea profilului longitudinal se ntlnesc cascade,
praguri, repeziuri.
Cascada se pune n eviden printr-o ruptur (cdere) a pantei (pe
vertical) determinat de traversarea albiei de o falie, de o prbuire
a unui pachet de roci (cascada Blea, cascada Caprei n ara noastr, i
pe fluviul Sf. Laureniu, mai exact ntre lacurile Erie i Ontario
cascada Niagara - 49 m, Iguau - Victoria 72 m, Victoria - Zambezi
122 m, Angel - Venezuela / Guiana 979 m).
Pragul este o ruptur mai mic a pantei profilului dat de
diferenieri litologice ale albiei.
Repeziul reprezint o poriune din profilul longitudinal n care
panta este mare iar pragurile (rupturile) sunt foarte mici.
Fig. 3.18. Tipuri de profile longitudinale Fig. 3.19.a. Nivelul
apei rului la diferite faze
ale albiei rului
ale regimului hidrologic n profil longitudinal
profile longitudinale ale albiei rului
Panta profilului longitudinal (I) care poate fi a talvegului,
malurilor, nivelului mediu, minim i maxim al apei se determin
pentru lungimea ntregului curs sau pentru anumite sectoare i se
calculeaz cu relaia:
(3.10.)
unde:
H1 i H2 sunt cotele (altitudinile) punctelor extreme (n m);
L - lungimea cursului, respectiv a segmentului (n km).
Panta se exprim n % sau m/km (Fig. 3.19 a, b).
Profilurile longitudinale pot fi: concave, convexe, n trepte
etc.
Fig. 3.19.b. Profilul longitudinal al Dunrii
3.2.9. Bazinul hidrografic
Suprafaa de pe care i adun apele o arter hidrografic, indiferent
de ordinul de mrime, reprezint bazinul hidrografic de recepie, de
colectare i drenaj.
Limita bazinului hidrografic este reprezentat printr-o linie
convenional care separ apa czut din ploi n dou pri (ctre bazine
hidrografice). Practic linia (limita dintre bazine) se determin
prin unirea punctelor cu cea mai mare altitudine dintre bazinele
respective. Aceast linie (limit) se numete cumpn de ape (cumpna
apelor).
Cumpna apelor se traseaz pe hrile topografice n funcie de
configuraia curbelor de nivel i de cotele de altitudine consemnate.
n regiunile muntoase trasarea cumpenei de ape se face cu uurin. Nu
acelai lucru este n regiunile plane (podi, cmpie).
n afar de cumpna de ape de suprafa mai exist i o cumpn de ape
subterane, care de regul nu coincide cu prima, iar trasarea ei se
face pe baz de foraje hidrogeologice.
Panta i configuraia cumpenei de ap de suprafa se modific datorit
proceselor de modelare (eroziune, alunecare) sau datorit unor cauze
geologice.
3.2.9.1. Forma bazinului hidrografic
Este n funcie de condiiile morfotectonice ale regiunii pe care o
strbate.
Bazinele hidrografice au o dezvoltare n cursul superior (Jiu), n
cursul mijlociu (Trotu, Criul Negru, Some) sau n cursul inferior
(Arge). Mai pot fi strangulate la mijloc (Olt datorit trecerii prin
defileu), simetrice sau asimetrice (Siret). Se poate apela i la
formele: alungite, oval, evantai, rotund care reprezint o apreciere
calitativ. (Fig. 3.20).
Fig. 3.20. Tipuri de bazine hidrografice dup form
Forma bazinului are o mare importan n desfurarea unor fenomene
hidrologice cum sunt viiturile.
Astfel, ntr-un bazin rotund acestea se transmit mult mai repede
dect n cel alungit.
Forma bazinului se apreciaz i cantitativ. n acest sens exist mai
multe relaii matematice care au fost stabilite de cercettorii n
domeniul morfometriei bazinului hidrografic (I. Zvoianu, 1978).
R.E. Horton a elaborat n 1932, factorul de form (Rf) exprimat
prin relaia:
(3.11.)
unde:
Au - este suprafaa bazinului
L - ptratul lungimii maxime a acestuia.
Mai trziu, n 1953, V.C. Miller a formulat raportul de
circularitate (Rc):
(3.12.)
unde:
Ac - este suprafaa cercului de aceeai lungime cu perimetrul
bazinului. Valoarea acestui raport tinde ctre valoarea 1.
S.A. Schumm, n 1956, a apreciat forma bazinului printr-un raport
de alungire (Re) care este raportul dintre diametrul cercului cu
suprafaa bazinului (Dc) i lungimea maxim a bazinului (Lb) msurat
paralel cu axa rului principal:
(3.13.)
Raportul de alungire are valori ntre 0,64 i 1,27 la bazinele
alungite i peste 1,27 la cele rotunjite.
Pentru caracterizarea formei bazinului se mai calculeaz i
coeficientul (indicele) de dezvoltare a cumpenei de ape prin
relaia:
(3.14.)
unde:
L - este lungimea cumpenei de ape n km
l - lungimea unui cerc care are aceeai suprafa cu cea a
bazinului.
3.2.9.2. Caracteristici morfometrice ale bazinului
hidrografic
Suprafaa bazinului (aria bazinului) notat cu F i exprimat n km2
este dat de limita cumpenei de ap i se determin grafic (caroiaj,
figuri geometrice), mecanic (prin planimetrare cu planimetru
polar), analitic (prin coordonate).
Lungimea bazinului (L n km) este distana dintre vrsare i cumpna
de ape din dreptul izvorului. Msurarea se face n linie dreapt sau n
linie frnt n funcie de forma bazinului, prin unirea punctelor
mediane ale sectoarelor de bazin.
Limea medie a bazinului (B) se face prin calcul prin relaia:
(km)
(3.15.)
Acest parametru este important n calculele hidrologice. Se poate
calcula limea medie a bazinului de pe dreapta sau stnga cursului
principal:
(3.16.)
La valori mici ale lui B rezult un bazin alungit i deci o
deplasare treptat a apelor maxime.
Limea maxim a bazinului (Bmax) este dat de perpendiculara cu
lungimea maxim pe linia lungimii bazinului. Valori mari ale acestui
parametru indic un bazin care se apropie de forma cercului.
Coeficientul de dezvoltare a bazinului () rezult din calcul, ca
raport al suprafeei (F) fa de suprafaa ptratului care are latura
egal cu lungimea bazinului (I2) i are valori subunitare.
EMBED Equation.3
(3.17.)
Coeficientul de asimetrie a bazinului (a) se calculeaz prin
planimetrarea celor doi versani care se raporteaz la suprafa (F)
potrivit relaiei:
(3.18.)
Altitudinea medie a bazinului (Hm) se determin conform
relaiei:
(3.19.)
unde:
f1, f2 , ..., fn - sunt suprafeele pariale dintre curbele de
nivel;
h1, h2, ..., hn - semisuma altitudinilor curbelor de nivel;
F - suprafaa bazinului.
Dup altitudinea medie bazinele hidrografice se pot grupa n:
bazine de munte cu Hm > 600 m, de deal cu Hm ntre 200 - 600 m,
de cmpie cu Hm < 200 m i mixte care se nscriu n 2 - 3 uniti de
relief.
Panta medie a bazinului (Im) important n calculele hidrologice
deoarece determin viteza de deplasare de la obrie spre vrsare, de
la cumpna de ape la artera colectoare. Se calculeaz folosind hrile
topografice n curbe de nivel conform relaiei:
(3.20.)
unde:
h - este diferena ntre valorile curbelor de nivel apropiate
I1, I2, ..., In - lungimea curbelor de nivel;
F - suprafaa bazinului.
Alt relaie sintetic este:
(3.21.)
unde:
h - este echidistana curbelor de nivel
L suma lungimilor curbelor de nivel.
Graficul de cretere a bazinului odat cu lungimea d posibilitatea
unei imagini sintetice de dezvoltare a bazinului pe cei doi
versani, de la izvor ctre vrsare. Se iau dou axe ordonata care
reprezint lungimea rului principal (n km) i pe abscis suprafaa (n
km2) pe cei doi versani. Scara de reprezentare este n funcie de
mrimea bazinului i de posibilitatea cercettorului (studentului).
Detalii de ntocmire se gsesc n caietul de lucrri practice. (Fig.
3.21).
Fig. 3.21. Graficul de cretere a suprafeei bazinului Dunrii cu
lungimea cursului
Graficul circular al suprafeei bazinului - o alt posibilitate de
reprezentare a bazinelor componente (subbazine) a spaiilor
interbazinale pe cei doi versani, de astdat n cadrul unui cerc
divizat n 360 sau 400. Pe cercuri concentrice se nscriu valorile n
km2 a suprafeelor bazinelor sau a celor nedrenate (Fig. 3.22).
Coeficientul de acoperire a bazinului cu lacuri, mlatini, pduri
etc. (Ka) rezult din relaia:
unde:
f - reprezint nsumarea suprafeelor componentului msurat;
F - suprafaa bazinului.
Graficul de repartizare a suprafeelor bazinului este o diagram
care d posibilitatea analizrii desfurrii bazinului hidrografic pe
trepte altitudinale. Datele rezultate din calculele pentru
altitudinea medie a bazinului pot fi folosite pentru reprezentarea
grafic pe altitudine a suprafeelor pariale.
Tot cu aceste date i pe acelai grafic de data aceasta cumulate
de la nlimea cea mai mare spre cele mai mici, se ntocmete curba
hipsografic (Fig. 3.23.).
Fig. 3.23. Curba hipsografic a bazinului
Densitatea reelei hidrografice (D) este o caracteristic
important att cea circumscris n cadrul unui bazin hidrografic ct i
n limitele unei regiuni geografice. Densitatea reelei hidrografice
este n funcie de altitudine, de energia de relief, de constituia
litologic, de clim, respectiv de cantitatea de precipitaii.
Densitatea reelei hidrografice reflect o stare a potenialului
resurselor de ap, o evoluie n timp a arterelor de scurgere.
n calcularea acestui parametru se pot lua n considerare arterele
cu scurgere permanent, semipermanent, temporar (torenial), lungimea
arterei i suprafaa bazinului pn la care se poate merge cu
calculul.
n situaia n care se iau n calcul toate arterele de la rigole i
ogae pn la fluvii, densitatea se poate denumi densitate de drenaj i
nu numai hidrografic.
Determinarea densitii se face conform relaiei:
(3.22.)
unde:
L- lungimea totala a arterelor de scurgere pe o anumita unitate
de suprafaa sau pe bazin;
F- suprafaa fa de care se raporteaz lungimea (Fig. 3.24.)
Modul de calcul si metodele de reprezentare se gsesc n caietul
de lucrri practice.
Fig. 3.24. Densitatea reelei hidrografice a bazinului Olt
(km/kmp)
3.3. ELEMENTE DE HIDRAULIC I HIDROMETRIA RURILOR
3.3.1. Forele care acioneaz asupra apei n ruri
Deplasarea (micarea) apei n albia rului are loc sub aciunea
forei gravitaiei, forei Coriolis i forei centrifuge.
Fora gravitaional este principal n deplasarea apei care se
exprim (se deduce) conform fig. 3.25.
O pictur de ap (A) cu greutatea (G) pe un plan nclinat (P) sub
un unghi () tinde s se deplaseze. Fora G (de deplasare) se
descompune n dou componente: P1 (P1 = G cos ) perpendicular pe
direcia planului nclinat i P2 (P2 = G sin ) paralel cu planul
nclinat pe care se deplaseaz molecula (pictura de ap) (Fig.
3.25.).
Sintetiznd - micarea apei n ruri are o vitez uniform determinat
de lucrul mecanic generat de fora gravitaiei asupra masei de ap
care se deplaseaz dintr-un punct cu o cot superioar spre altul cu o
cot inferioar.
Fora Coriolis (C) este acea abatere a masei de ap din albie sub
influena micrii de rotaie a Pmntului.
n aceste condiii rurile care curg n emisfera nordic n sensul
meridianului vor eroda mai mult pe malul drept i invers, pe malul
stng n emisfera sudic (Fig. 3.26.).
Fig. 3.26. Sensul de aciune al forei Coriolis
Fora Coriolis (C) se determin potrivit relaiei:
C = 2Vu V sin
(3.23.)
unde:
Vu - este viteza unghiular;
V - viteza medie a apei (m/s)
- limea albiei.
Fora centrifug se manifest n sectoarele (malurile) concave ale
meandrelor i se exprim prin relaia:
(3.24.)
unde:
m - este masa apei;
V - viteza;
R - raza de curbur a concavitii.
Consecin - oglinda (nivelul apei) se ridic n profil transversal
sub un unghi cu un H spre malul concav i se determin prin
relaia:
(3.25.)
unde:
R - este raza de curbur a rului;
G - acceleraia gravitaional;
B - limea rului.
Este evident c cele trei fore acioneaz concomitent ntr-un sector
i la un moment dat fapt ce are ca rezultat o eroziune puternic n
coturile rurilor dezvoltate pe stnga (Fig. 3.27).
Fig. 3.27. Eroziunea apei spre malul concav datorit forei
centrifuge; R raza de curbur a concavitii rului; H nlimea apei la
malul concav
Pe lng factorii menionai, eroziunea mai este influenat i de
adncimea apei, variaia vitezei i dimensiunea razelor de curbur.
3.3.2. Micarea laminar i micarea turbulent
Deplasarea apei n albie sub influena direct a gravitaiei este
modelat de frecarea apei cu albia (gradul de rugozitate). Dac fora
de rezisten n albie este mai mic dect fora gravitaiei viteza de
deplasare crete i invers.
Deplasarea (micarea) apei n albie se produce sub form laminar i
turbulent.
Micarea laminar este deplasarea n direcii paralele a masei de
ap, de regul n canale cu pante mici i un strat subire de ap. Viteza
este mai mare la mijlocul volumului de ap ce se deplaseaz. Odat cu
creterea vitezei, a debitului i rugozitii, micarea laminar se
transform n micare turbulent.
Viteza de la care se trece din micarea laminar n turbulent i
invers se numete vitez critic. Dup M.A. Velikanov viteza critic
este de 0,33 cm/s la adncimea apei de 10 cm, de 0,033 cm/s la 100
cm, de 0,017 cm/s la 200 cm.
n micarea turbulent viteza n apropiere de fundul i malurile
albiei are valori mici; vectorul vitezei are direcie variabil n
diferite puncte i cu tendine de orientare pe direcia cursului de
ap. Micarea apei - turbulent - nu depinde de vscozitatea ei iar
rezistena albiei este egal cu ptratul vitezei curentului.
3.3.3. Curenii din apa rurilor
Datorit neuniformitii albiei n profil longitudinal i
transversal, n deplasarea apei se nasc mai multe tipuri de
cureni.
La suprafaa apei datorit vitezei mai mari se formeaz n spaiul
central un curent superficial fapt ce atrage dup sine apa de la
margini avnd aspect convergent; acest curent superficial determin n
sectoarele rectilinii un curent circular convergent la suprafa i
divergent spre fundul albiei i care pe spaii mai mari au aspect de
cureni elicoidali (Fig. 3.28., 3.29.).
Fig. 3.28. Curent superficial
Fig. 3.29. Cureni elicoidali longitudinali
convergent
Curenii n albia major. n momentul depirii malurilor albiei
minore, curenii de ap din albia major tind s aib o direcie
longitudinal n sensul direciei vii, depind sinuozitile albiei
minore. n aceast situaie avem de a face cu un curs de ap inferior n
albia minor care urmrete sinuozitile i un curs superior, mai lat n
albia major care are o direcie longitudinal, respectiv urmrete
direcia general a vii (Fig. 3.30.).
Fig. 3.30. Curenii din albia major la viituri i ape mari
3.4. HIDROMETRIA RURILOR
3.4.1. Reeaua hidrometric
Ca parte integrant a Hidrologiei generale, hidrometria, n cazul
de fa, hidrometria rurilor se ocup cu aparatele i instalaiile,
inclusiv metodele i programele necesare msurrii parametrilor
hidrologici.
De asemenea se poate asocia la hidrometrie i o parte din
prelucrarea informaiilor obinute prin reeaua hidrometric, deoarece
o alt parte revine calculelor hidrologice.
Programul de msurtori se refer la componenta timp, iar reeaua
hidrometric la cea spaial. Amndou aspecte trebuie s rspund la cteva
cerine:
-s cuprind i s ofere o imagine cuprinztoare i specific a
condiiilor geografice privind reeaua hidrografic;
-s ofere iruri statistice suficiente de informaii pe baza crora
s se elaboreze modele i prognoze hidrologice;
-s permit realizarea de sinteze hidrologice privind resursele de
ap i ciclurile hidrologice.
Reeaua hidrometric, n Romnia include posturile hidrometrice la
care se efectueaz msurtori asupra nivelurilor, debitelor,
temperaturii i fenomenelor de iarn, chimismului, aluviunilor etc.,
i staiile hidrologice la care se face prelucrarea volumului de date
rezultate de la posturile hidrometrice.
Reeaua hidrometric este de regul permanent, dar n anumite
situaii cnd se construiete un obiectiv hidrotehnic (baraj cu lac de
acumulare, pod important etc.) se realizeaz i o reea temporar
pentru obinerea unor informaii hidrologice mai detaliate,
punctuale.
Amplasarea staiilor (posturilor) hidrometrice se face pe baza
unei analize (studii) n care s se cunoasc caracteristicile reelei
hidrografice nct s se aleag seciunile reprezentative.
n acest sens trebuie s se aib n vedere:
-evitarea vecintii unor construcii hidrotehnice ca poduri,
seciuni de ru modificate;
-albiile rurilor s fie stabile, rectilinii i cu scurgere
permanent;
accesul la postul hidrotehnic s fie uor chiar cu mijloace auto,
la acelea unde se fac i msurtori pentru determinarea debitelor
lichide i solide.
Cerine n amplasarea posturilor hidrometrice:
-distana dintre dana staiei hidrometrice vecin s fie astfel nct
debitul s difere cu cel puin 20%;
-la confluene, fiecare ru s aib o staie hidrometric iar pe
cursul colector (principal) s fie la o distan de 20% din debitul de
la confluen;
-posturile hidrometrice s fie uor identificate prin localitile
cele mai apropiate sau alte repere.
n Romnia numrul posturilor hidrometrice a variat mult de la
peste 1 000 n anii 1950-1960, cnd s-au nfiinat cele mai multe la
cca. 700 n anii 1980-1990 i sub acest numr dup anul 2 000.
3.4.2. Nivelurile. Dispozitive de msurare
Aa cum s-a menionat reprezint primul parametru care se msoar el
fiind necesar n determinarea ulterioar a seciunii i vitezei care
servesc la calcularea debitului. De asemenea nivelul este important
n cunoaterea regimului de scurgere n inundaii i amplasarea unor
obiective economice i sociale.
Nivelul apei reprezint nlimea oglinzii de apei libere n raport
cu un plan de referin stabilit.
Nivelul apei trebuie s fie orizontal n seciune pentru a fi luat
n calcul. Nivelul apei poate fi influenat de vnt (n sensul de
curgere sau invers).
Eroziunea sau aluvionarea albiei (seciunii muiate) influeneaz
valoarea real a nivelului.
Rugozitatea albiei ndeosebi vegetaia influeneaz nivelul provocnd
ridicarea acestuia prin reducerea vitezei.
Lucrrile hidrotehnice, poduri cu deschidere mic, digurile
laterale, barajele toate influeneaz nivelul. Producerea zpoarelor
(blocaje de ghea) provoac ridicarea nivelului. n toate cazurile
menionate i altele care apar nivelurile sunt diferite pentru
debitele echivalente.
Msurarea nivelurilor se face cu ajutorul mirelor hidrometrice.
Acestea sunt rigle (plci) gradate care se instaleaz pe malurile
rurilor pentru citirea nivelurilor.
Condiii de instalare a mirelor. Sectorul de ru s fie rectiliniu
pe minim 100 de metri, s nu prezinte rupturi de pant, malurile s
fie stabile, iar albia s fie stabil.
Mira hidrometric simpl, este constituit din plci metalice
(aluminiu) cu lungimi de 50 cm sau 1 m gradate din 2 n 2 cm astfel
nct un decimetru (10 cm) s formeze litera E (Fig. 3.31.a).
Amplasarea mirelor poate fi vertical sau nclinat (35, 45 sau
60). Mirele verticale-plcile se fixeaz pe piloni astfel nct s fie
protejate de eroziuni, sloiuri, viituri. De regul, pentru
cuprinderea ecartului (amplitudinii) acestea se fixeaz pe piloni n
scar, primul pilon (plac) de jos s fie sub nivelul minim al apei i
care are determinat 0' mir. De la acesta se fac citirile iar
trecerea de la un pilon la altul se face prin cumularea valorilor.
0 mir este determinat altimetric prin msurtori topografice fa de o
cot apropiat. Deci are valoare fa de nivelul mrii (cota
absolut).
n afar de 0 mir exist i 0 grafic care este de regul, cu 0,5-1 m
mai jos fa de primul reper, aceasta pentru a evita rmnerea lui 0
mir deasupra nivelului minim prin adncirea albiei. Toate nivelurile
citite se raporteaz la 0 grafic. Exist i situaii cnd 0 mir este
egal cu 0 grafic.
Mirele verticale pot fi instalate pe pod i mal. Mirele de pe pod
se instaleaz pe pila acestuia sau pe culee astfel nct s cuprind
variaia nivelului; mire pe piloi n scar; mire pe zidrie cnd pe mal
exist un zid de piatr sau beton; mire nclinate care se folosesc n
cazul unor variaii mari ale nivelurilor, de regul n cazul lacurilor
de baraj antropic instalate pe malurile betonate sau pe stnci acolo
unde se gsesc (Fig. 3.31.b).
Fig. 3.31.b Modaliti de amplasare a mirelor hidrometrice. A. Mir
pe pilon izolat; B. Mir amplasat pe o construcie hidrotehnic; C.
Mir hidrometric pe piloi n scar; D. Mir nclinat.
n situaia dezafectrii unei mire sau cnd se produc modificri
majore ale albiei; reinstalarea acesteia se face prin calcularea
diferenei (H) ntre 0 mir i 0 grafic pentru corectarea i corelarea
cu nivelurile anterioare.
Pe mire de regul se marcheaz cu vopsea diferit urmtoarele
niveluri caracteristice; cota de atenie (CA), cu albastru
(avertizarea viiturii); cota de inundaie (CI) cu rou; cota de
pericol (CP) cu galben (de regul cu 0,5 m mai mare dect CI).
La viituri mari cnd nivelul depete cota de pe placa cea mai
ridicat se folosete mira portativ ce se fixeaz pe ultimul
pilon.
Limnigraful este alctuit din urmtoarele piese: un flotor care
este n balans cu o contragreutate legate printr-un cablu; un tambur
pe care se nfoar banda de hrtie gradat, un sistem de ceasornic care
mic tamburul, cabina n care este adpostit tot angrenajul (Fig.
3.31.c).
Fig. 3.31.c Seciunea construciei limnigrafului
Tamburul cu sistemul de ceasornic poate fi proiectat pentru 24
de ore sau o sptmn, perioad la care trebuie schimbat diagrama cu
nregistrarea variaiei nivelului.
Dac observaiile de la nivel la mir se fac de regul de dou ori pe
zi (orele 700 i 1700) cu excepia viiturilor, cnd se fac din or n or
sau la 2, 3, sau 4, limnigrafele ofer curba de variaie a nivelului
pentru orice moment din zi i din noapte (Fig. 3.31.d).
Fig. 3.31.d. Modaliti de amplasare a limnigrafelor.
Limnigraf cu pu (stg.); limnograf cu canal deschis (dr.)
Instalaii mai moderne - telelimnimetre i telelimnigrafe
Telelimnimetrul se compune din - organul de sesizare,
traductorul valorilor msurate, organul de transmisie, canalul de
legtur, organul de recepie, traductorul impulsurilor electrice,
organul de citire, sursa de alimentare. n ar la noi s-a
experimentat un prototip (S. Harabagiu) care transmitea prin radio
sau fir, cifrele nscrise pe banda de nregistrare compuse din cm,
dm, m i la orele fixate prin program. Precizia de citire era de 0,5
cm pentru o amplitudine de 10 cm, iar cea de transmitere de 1 s la
aceeai amplitudine.
n practica hidrometric nivelul apei la un post hidrometric este
rezultatul mediu pe o zi, pe o lun, pe sezon i pe an.
Existena valorilor de nivel zilnice prin corelare cu debitele
msurate cu ajutorul cheii limnimetrice permite determinarea
debitelor zilnice.
3.4.3. Hidrograful, niveluri caracteristice
Valorile zilnice ale nivelului transpuse grafic lund timpul (T)
pe abscis i nlimea (H) pe ordonat rezult diagrama de variaie a
nivelurilor pe un an calendaristic sau hidrologic. Aceast diagram
este denumit n hidrologie hidrograf.
Evident c hidrograful poate fi construit i cu niveluri medii
lunare sau medii anuale pentru perioade mai lungi de timp.
Din prelucrarea nivelurilor i a hidrografului se pot stabili
nivelurile caracteristice i anume: nivelul maxim anual, nivelul
minim anual, nivelul maxim al viiturii de toamn, nivelul de formare
a podului de ghea, nivelul minim de iarn, nivelul dezgheului,
nivelul provocat de zpor etc. (Fig. 3.32.).
Fig. 3.32. Hidrograful nivelurilor caracteristice
n afar de nivelurile caracteristice, din irul de observaii se
mai calculeaz frecvena i durata nivelurilor.
3.4.4. Curba de frecven, curba de durat
Curba de frecven indic numrul de niveluri (adic numrul de zile)
sau procentul de niveluri (zile) dintr-un an, ce corespunde
anumitor trepte de niveluri (adic 20% din numrul de niveluri
zilnice dintr-un an se gsesc n intervalul de nivel de 150 -
200).
Curba de durat arat numrul de zile exprimat n valoare absolut
sau n % din numrul total din an n care valoarea nivelului este mai
mare dect o anumit valoare dat. De exemplu, 20% din numrul
nivelurilor dintr-un an au valoarea mai mare de 100 cm (Fig. 3.33.,
Tab. 3.3.)
Tabelul 3.3. Niveluri zilnice
Fig. 3.33. Curba cronologic
(hidrograf) A; curba de frecven
B; curba de durat - C a nivelurilor unui
post hidrometric
3.4.5. Hidrogradul
O noiune folosit mai puin n hidrologie. De regul este folosit n
navigaia fluvial pentru indicarea nivelurilor i oportunitatea
efecturii transportului n perioadele cu ape mici de var-toamn i
pentru inundaii.
Hidrogradul reprezint a zecea parte din amplitudinea nivelurilor
(ntre nivelul minim i maxim pe o perioad lung de timp). Calcularea
valorii hidrogradului este valabil ntr-o seciune (post
hidrometric). Valoarea hidrogradului variaz n profil longitudinal n
funcie de amplitudinea nivelurilor la diferite posturi
hidrometrice.
Relaia de determinare a hidrogradului este:
Hg = (Hmax - Hmin) / 10 = (600 - 60) / 10 = 54 cm (3.72.)
unde:
Hmax- este nivelul maxim;
Hmin - nivel minim
Din definirea hidrogradului rezult c vom avea 10 hidrograde n
fiecare seciune (de la 1 Hg la 10 Hg) (Tab. 3.4.).
Tabelul 3.4. Valorile hidrogradelor
Hidrogradul12345678910
Valoarea n cm114168222275330384438492546600
Din calcularea hidrogradelor n mai multe puncte n lungul rului i
corelarea nivelului fiecrui hidrograd cu cotele absolute de pe
harta topografic se poate face interpolarea ntre puncte pe baza
unor nomograme (abace) i trasarea acestora sub form de izolinii pe
ambele pri ale rului ncepnd din albia minor i continund n albia
major inundabil.
n acest fel dispunem de o hart a hidrogradelor care servete la
navigaie n perimetrul albiei minore i la calcularea suprafeelor
inundate la dferite hidrograde, n albia major.
Se nelege de la sine c hidrogradele 1 - 3 reprezint ape mici i
medii i peste acestea, ape mari. Evident c hidrogradele 8 - 10
reprezint ape foarte mari i catastrofale.
La noi n ar s-au folosit mult hidrogradele pe Dunre. Mai mult, n
harta Deltei Dunrii la scara 1: 50.000 elaborat de ing. Gh. Vidracu
i publicat n 1911 hipsometria este dat n hidrograde.
3.4.6. Niveluri corespondente (corespunztoare)
Dup cum se tie n lungul unui ru sunt instalate mai multe mire
hidrometrice pentru msurarea nivelurilor. Prin ntocmirea
hidrografelor nivelurilor la aceste posturi i analizarea alurei
acestora se remarc unele asemnri n ceea ce privete nivelul maxim,
nivelul minim, forma diagramei n perioada de primvar cu ape mari i
invers. Dac se aleg punctele caracteristice (H1, H2 ... Hn de pe un
hidrograf i H`1, H`2 ... H`n de pe alt hidrograf sau de pe mai
multe hidrografe) se pot construi graficele de corelaie ntre cele
dou puncte.
Graficele de corelaie a nivelurilor corespondente sunt folosite
pentru completarea unor date care lipsesc la unul din posturile
hidrometrice, la verificarea unor valori care nu prezint ncredere i
pentru prognoza transmiterii unor niveluri la ape mari.
3.5. VITEZA APEI N RURI
3.5.1. Configuraia vitezelor n seciune transversal
Viteza curentului de ap dintr-o albie de ru variaz n funcie de
configuraia albiei n ansamblu, de detaliile profilului malurilor i
fundului, de structura depozitelor (aluviunilor), de gradul de
nierbare i acoperire cu arbori (la maluri).
Viteza curentului are un caracter pulsatoriu, dezordonat cu
schimbarea intensitii i direciei n plan orizontal i vertical.
nregistrarea acestui tablou se poate face cu morica hidrometric
sau cu cronograful.
Se precizeaz c acest caracter pulsatoriu al vitezei este
pregnant la maluri, la fund i sub stratul de ghea (iarna).
Msurarea vitezei se face ntr-o seciune activ de ru n mai multe
verticale, iar pe fiecare vertical n mai multe puncte de adncime
conform unui standard stabilit n hidrometrie, respectiv la suprafa,
la 0,2; 0,6; 0,8; din adncimea verticalei i la fundul albiei.
Numrul verticalelor se stabilete n funcie de limea rului, de
variaia curentului etc.
n funcie de adncimea rului se stabilesc astfel punctele de
msurare: < 15 cm nu se msoar, ntre 15-20 cm la 0,6 din adncime,
ntre 21-40 cm la suprafa i fund, ntre 41-80 cm la 0,2; 0,6; 0,8 din
adncime, >80 cm la suprafa, 0,2; 0,6; 0,8 i la fund.
n cazul podului de ghea fa de situaia de mai sus se suplimenteaz
msurtori la adncimile ntre 41-80 cm i > 80 cm cu cte o msurtoare
i la 0,4 din adncime.
Msurarea vitezei ntr-un singur punct se numete vitez punctual
care nu este concludent, fapt ce impune mai multe msurtori n acel
punct obinndu-se o vitez punctual medie.
Reprezentarea grafic a vitezelor pe o vertical se numete
hodograful vitezelor (Fig. 3.33. a).
Fig. 3.33. Distribuia vitezelor n seciunea de curgere
Viteza medie pe vertical se poate calcula prin urmtoarele
metode: grafomecanic, grafoanalitic, analitic i integrativ.
Dispunnd de vitezele punctuale medii n mai multe verticale se
poate ntocmi hodograful i epura vitezelor n seciunea de ru n care
se face msurtoarea. Curbele care unesc punctele cu aceeai vitez se
numesc izotahe (Fig. 3.33.b).
Configuraia izotahelor difer n funcie de morfologia albiei. n
cazul podului de ghea izotahele se nchid (Fig. 3.33.c).
3.5.2. Msurarea si calcularea vitezei apei rurilor
Msurarea vitezei apei este important pentru: determinarea
debitului de ap, direciei curenilor, pentru construcii hidrotehnice
(deschideri i amplasri de poduri, baraje, diguri etc.), Pentru
navigaie etc.
Viteza apei se determin cu: flotori sau plutitori, tahobatometre
(tahimetre - batometre), tuburi piezometrice (hidrometrice), moriti
hidrometrice.
Flotorii se folosesc n lipsa celorlalte instrumente. Sunt buci
de material uor plutitor (flotori de suprafa, de adncime, prjini
hidrometrice, flotori integratori).
Relaia de determinare cu flotori este:
V = L / T (m/s)
(3.26.)
unde:
L - este distana n m;
T - timpul n secunde.
Dac rul este lat, urmrirea flotorilor se face cu teodolitul. De
regul pe o distan de Xm se aleg trei momente de trecere X1, X2, X3
i se face media timpului (Fig. 3.34.).
Tahobatometrele pliante i cu volum constant sunt folosite
concomitent i pentru recoltarea aluviunilor n suspensie. Au volume
bine determinate i se calculeaz timpul de umplere. Pe baza curbelor
de tarare a batometrelor se determin viteza (Fig. 3.35.,
3.36.).
Fig. 3.35. Tahobatometru pliant
Fig. 3.36. Tahometre cu volum constant
(balon de cauciuc) i curba de i curba de tarare ntre vitez (v) i
timp (t)
tarare
Tubul hidrometric imaginat n secolul XVIII (1732) de francezul
Pitot, este un tub de sticl ndoit de 90 cu o deschidere la ambele
capete. Acesta se introduce n ap cu deschiderea contra curentului
(Fig. 3.37.).
Datorit presiunii apei, nivelul n tub se ridic deasupra
nivelului din ru cu att mai mult cu ct viteza apei este mai
mare.
Viteza apei se poate calcula potrivit relaiei:
(3.27.)
unde:
H - este nlimea coloanei de ap din tub deasupra nivelului apei
din ru
C - o constant de etalonare a tubului Pitot.
Acest procedeu are o valoare istoric.
Morica hidrometric este aparatul de baz pentru msurarea vitezei
apei din ruri. Acest aparat se folosete la adncimi mai mari de 15
cm i la viteze de cel puin 3 - 5 cm/s. n ultima perioad prin
realizarea unor moriti mici i cu sensibilitate mare se folosesc i
sub limitele menionate. Prima moric hidrometric a fost realizat n
1790 de ctre un oarecare Woltman i a fost folosit la msurarea apei
n canale.
Prile componente ale unei moriti sunt: rotorul reprezentat de o
palet i un ax filetat, corpul n care se gsete camera de contacte i
coada sau crma (Fig. 3.38.).
Fig. 3.38. Moric hidrometric. Elementele componente: 1 elice; 2
piuli rigidizare; 3 corpul moritii; 4 urub fixare ax-corp; 5 born
de mas; 6 born electroizolat; 7 fant pentru citire tij; 8 urub
fixare corp pe tij; 9 loca urub ampenaj; 10 urub fixare ampenaj n
corp; 11 corpul ampenajului; 12 paletele ampenajului; 13 urub
fixare paletele ampenajului; 14 vrtejul; 15 indicatorul de direcie;
16 carabinier; 17 urub fixare ampenaj pe corp; 18 cmaa exterioar a
rotorului; 19 axul moritii; 20 piuli fixare rulmeni; 21 rulmeni; 22
distanierul exterior; 23 distanierul interior; 24 roti dinat cu 20
de dini; 25 roti de plastic cu tift; 26 acul de contact; 27 axul
moritii detaliu.
Principiul de funcionare se bazeaz pe rotirea sub aciunea
dinamic a apei a paletei (elicei) care printr-un ax cu filet
(rotor) mic o roti dinat prevzut cu un tift; aceasta la o rotire
complet (are 20 de dini) atinge o lamel care nchide un circuit
electric alimentat de la o baterie i pune n funciune un semnal
sonor sau optic. Coada moritii are rolul de a menine morica pe
direcia curentului. Tija pe care este fixat morica i greutatea
hidrodinamic pentru meninerea pe vertical.
Pentru msurarea vitezelor cu morica i calcularea lor se
procedeaz astfel:
V - viteza curenilor este n funcie de n numrul de rotaii ale
paletei n unitatea de timp, V = f (n) i se exprim printr-o constant
K determinat n laborator (tararea moritii).
Cunoscnd valoarea lui K i viteza iniial a paletei (V0 - viteza
de pornire sub 2-5 cm/s) cu ajutorul ecuaiei moritii se determin
viteza conform relaiei:
V = V0 + K n
(3.28.)
unde: n se msoar.
Procedeul de msurare: se lanseaz morica fixat de tij la adncimea
stabilit conform stasului i pe o anumit vertical; se las un timp ca
s se uniformizeze, s intre n regimul vitezei; la primul semnal
acustic sau optic se pune n funciune cronometru i se marcheaz
secundele pn la urmtoarea semnalizare i se noteaz n continuare 5 -
6 intervale cu timpul corespunztor cumulat.
Pentru veridicitate i datorit pulsaiilor vitezei se ia timpul
cumulat la primele trei intervale (T1 = 51') i urmtoarele trei
intervale (T2 = 53') i dac se ndeplinete condiia 0,9 < T2/T1
< 1,1 adic T2 nu se abate fa de T1 cu mai mult de 10% -
msurtoarea este bun.
Numrul de rotaii ale paletei pe secund (n) se determin cu
ajutorul relaiei:
(3.29.)
unde:
M - este numrul de rotaii ale paletei pentru a produce un
semnal;
i - numrul semnalelor nregistrate;
T - timpul n care s-au nregistrat semnalele (n secunde).
Calculul vitezei se face prin metodele: grafomecanic,
grafoanalitic, analitic, integrrii vitezei pe vertical.
Metoda grafomecanic. Folosind hodograful vitezei pe vertical se
planimetreaz suprafaa de 2 - 3 ori iar viteza medie (Vm) se
calculeaz conform relaiei:
(3.30.)
unde:
Fv - este suprafaa graficului;
H - adncimea
(exemplu: pentru viteze 1 cm = 0,5 m/s i pentru adncime 1 cm =
0,2 m atunci 1 cm2 de pe grafic reprezint 0,1 m2/s). Un cm2 de pe
grafic reprezint un anumit numr de diviziuni la planimetru.
Metoda grafoanalitic. Se mparte hodograful n fii orizontale de 4
mm nlime i determinarea grafic a vitezei la mijlocul fiilor se face
conform relaiei:
(3.31.)
Cnd ultima fie (de la fund) are o nlime mai mic de 4 mm viteza
medie se calculeaz conform relaiei:
(3.32.)
unde:
Vm - este viteza medie pe vertical (m/s);
Vi - viteza intervalului (m/s);
Hn - nlimea ultimei fii (mm);
hi - nlimea unei fii de 4 mm;
Vn - viteza mijlocului fiei de jos (m/s).
Metoda analitic - vitezele treptelor reprezint vitezele
treptelor n punctele standard de msurare i viteza medie se
calculeaz dup formulele:
1) msurarea vitezei n 5 puncte (h > 80 cm):
(3.33.)
2) msurarea vitezei n 3 puncte (h = 41 - 80 cm):
(3.34.)
3) msurarea vitezei n 2 puncte (h = 21 - 40 cm):
(3.35.)
4) msurarea vitezei ntr-un punct (h = 15 - 20 cm):
Vm=V0.6h
(3.36.)
n situaia existenei podului de ghea, viteza se calculeaz cu
aceeai formul pentru 2-5 puncte. Cnd se msoar ntr-un singur punct
Vm = KV, n care K este o constant experimental cu valorile: pentru
V0,4h, K = 0,75; V0,5h, K = 0,85; V0,6h, K = 0,95.
Metoda integrrii vitezelor pe vertical - se ridic morica pe
vertical cu o vitez constant (de la fund spre suprafa i invers)
nregistrndu-se numrul impulsurilor (i) i timpul n care se produc
(t). Cunoscnd cele dou elemente (n i t) se determin viteza medie
prin relaia cunoscut.
3.6. DEBITUL LICHID AL RURILOR
Debitul de ap (Q) al unui ru (canal, conduct nchis) este
cantitatea de ap care trece printr-o anumit seciune (w - m2) n
unitatea de timp (V - m/s).
Deci debitul de ap (Q) se determin conform relaiei:
Q (m3/s) = w V
(3.37.)
Este evident c n cazul rurilor, seciunea se refer la albia activ
prin care se scurge apa. Deplasarea apei n albia rului se face
conform legii gravitaiei i nclinrii acesteia n profil longitudinal.
Debitul de ap se exprim, de regul, n m3/s sau l/s.
Prin determinarea vitezelor n mai multe verticale i respectiv n
mai multe puncte pe acestea (conform standardelor menionate
anterior) i reprezentarea lor grafic se pot calcula debitele
pariale i prin nsumare, debitul total.
n acest sens se procedeaz potrivit modelului debitului parial i
total (Fig. 3.39).
Fig. 3.39. Modelele debitului total (a) i a debitului parial (b)
ntr-o seciune de ru
Din figura 3.39 a. se defalc volumul delimitat de coordonatele
A,B,C,D, respectiv epura vitezei pe verticale V2 i celelalte
E,F,G,H, adic epura vitezei din verticala V3.
Dac se consider volumul, astfel delimitat ca un trunchi de
piramid, evideniat n figura 3.39. b., se aplic relaia:
(3.38.)
Respectiv:
(3.39.)
unde:
q3 - este debitul parial;
Vm2 - viteza medie pe verticala 2;
Vm3 - viteza medie pe verticala 3;
b3 - distana dintre verticalele 2 i 3.
O alt variant pentru calcularea debitului parial este calcularea
seciunii (w3) i a vitezei medii (V2,3) ntre verticalele
respective.
Astfel:
(3.40.)
iar
(3.41.)
iar
(3.42.)
Debitul total se obine prin nsumarea debitelor pariale:
Q=q1+q2++qn-1+qn=qi (m3/s)
(3.43.)
3.6.1. Metode de determinare a debitului
Determinarea debitelor de ap constituie una dintre cele mai
importante activiti n hidrometrie i n hidrologie, deoarece
determinarea acestui parametru st la baza tuturor calculelor
privind o construcie hidrotehnic.
Sunt mai multe metode de determinare a debitului de ap, unele
dintre ele corespunznd celor analizate la determinarea vitezei.
Metoda seciune - vitez este cea mai utilizat i const n msurarea
seciunii i vitezelor apei cu morica hidrometric sau cu flotori.
Metoda construciilor hidrometrice speciale i hidrotehnice
existente. Amenajarea unor canale hidrometrice i deversor cu
tararea acestora. Prin msurarea nivelurilor apei i utilizarea
curbelor de tarare se determin debitul. Aceasta se practic pe ruri
mici.
Deversorii sunt de mai multe tipuri: deversori cu prag,
deversori cu perei subiri.
Deversori cu prag
a) Deversor cu prag inundat
(3.44.)unde:
- este coeficientul de vitez (din tabele)
P1 - adncimea apei n aval de deversor (n m);
P - nlimea feei din amonte a deversorului (n m);
b - limea deversorului (n m) i
b) Deversor cu prag neinundat
(3.45.)
(3.46.)
unde:
m - este coeficientul de debit (din tabele);
g - acceleraia gravitaional;
H - grosimea lamei de ap deversat
Deversori cu perei subiri
a) Deversori cu perei subiri dreptunghiulari
(3.47.)
unde:m0 - este coeficientul de debit care se calculeaz dup
relaia:
(3.48.)
unde:
P - este nlimea pragului deversor fa de fund.
b) Deversori cu prag subire trapezoidal - pereii au nclinarea tg
= 1/4. Sarcina maxim (H) trebuie s fie de cel puin 1/3 din lungimea
pragului:
Q=1,86 b H3/2
(3.49.)
c) Deversori cu perei triunghiulari - sarcina minim H = 0,05 m i
cea maxim H = 1 m:
Q=1,4 H5/2 sau Q=1,343 H2,47
(3.50.)
Sarcina H (nlimea apei) se determin cu o rigl sau mir. Exist
tabele cu ajutorul crora n funcie de seciunea deversorului i
sarcina H se determin Q n l/s sau m3/s.
Metoda diluiei (amestecului)
n cazul praielor mici, de munte, este greoaie folosirea
celorlalte metode i atunci se practic metoda amestecului (chimic).
Se lanseaz o soluie cu o concentraie mare de NaCl care se amestec n
apa curentului. Mai jos de amestecul soluiei se colecteaz probe de
ap la care se determin concentraia. Debitul se determin cu
relaia:
(3.51.)
unde:
q - este debitul soluiei n l/s;
K1 - concentraia soluiei n g/l;
K0 - concentraia soluiei n curent n stare natural (g/l);
K2 - concentraia soluiei din proba colectat n aval (g/l);
Q - debitul curentului (l/s).
Dac nu se ia n considerare concentraia soluiei n stare natural
(K0) valoarea debitului se determin astfel:
(3.52.)
Sunt necesare detalii asupra capacitii vasului i modalitatea de
lansare.
Metoda volumetric se practic la izvoare sau obria praielor unde
debitul este de ordinul ctorva l/s. Se dreneaz apa izvorului pe un
jgheab i se colecteaz ntr-un vas cu volum cunoscut. Debitul se
determin cu relaia:
(3.53.)
unde:W-este volumul vasului;
t - timpul n care se umple vasul.
Metoda hidraulic se practic n imposibilitatea folosirii altor
metode directe - experimentale. n acest scop se folosesc formule
hidraulice. Cea mai utilizat este formula Chzy:
(3.54.)
unde:
V - este viteza medie pe seciune;
C - un coeficient de vitez;
R - raza hidraulic;
I - panta longitudinal a suprafeei apei.
Debitul se va calcula dup formula:
Q = w V
(3.55.)
unde:
w - este suprafaa seciunii (m2);
V - viteza (m/s).
Pentru coeficientul C se folosete formula Bazin:
(3.56.)
unde: este rugozitatea, se determin astfel:
(3.57.)
De regul valorile coeficientului rugozitii se dau n tabele.
Metoda se folosete pentru extrapolarea cheilor limnimetrice cnd
lipsesc msurtori directe (la ape mari i ape mici).
Determinarea debitelor cu ajutorul flotorilor
Cteva condiii care se impun acestui gen de determinri:
- s nu fie vnt care s influeneze deplasarea flotorilor;
- nivelul apei s fie stabil (nici n cretere nici n scdere);
- sectorul de ru s fie lipsit de vegetaie la maluri sau la
fund;
- sectorul de ru s fie aproximativ rectiliniu pe o distan de 3-5
ori mai mare dect limea.
Procedeul de alegere a distanei de lansare este cel prezentat la
vitez.
Determinarea debitului se face astfel:
* se calculeaz seciunea albiei (m2);
* se determin viteza de suprafa:
(3.58.)
unde:
L-este distana parcurs de flotori (m);
t-durata de deplasare a flotorilor (sec.);
* se calculeaz debitul fictiv pe baza lui Vsuperf.:
Qfictiv = w Vm (m/s) .
(3.59.)
* se calculeaz debitul real:
Q = K Qfictiv (m/s)
(3.60.)
unde:
k - este un coeficient de reducie i se apreciaz ntre 0,86 i 0,89
i el se calculeaz astfel:
- la ruri de es:
(3.61.)
- la ruri de munte:
(3.62.)
unde:C-este coeficientul de vitez determinat cu formula N.
Pavlovski
(3.63.)
unde:
n - este coeficientul de rugozitate;
R - raza hidraulic;
y - factor exponenial ce poate fi scos din tabele sau
calculat
(3.64.)
cnd R < 1,0 m
(3.65.)
cnd R > 1,0 m
(3.66.)
3.6.2. Calculul debitului
Dup cum s-a artat la determinarea vitezelor cu morica
hidrometric prin mai multe metode - analitic, grafoanalitic,
grafomecanic, prin aceleai metode se determin i debitul lichid.
Metoda analitic. Se determin debitele elementare (pariale)
pentru fiecare spaiu dintre verticale i nsumarea acestora.
n acest sens:
- se calculeaz viteza medie pe fiecare vertical (V1, V2, ...,
Vn);
- se calculeaz suprafeele pariale (w1,w 2, ...,w n) prin metoda
figurilor geometrice;
- se calculeaz viteza medie pentru fiecare suprafa parial ca
medie aritmetic dintre verticalele vecine. Pentru prima i ultima
seciune viteza medie se calculeaz, se apreciaz c reprezint 2/3 din
prima i, respectiv ultima vertical;
- se determin debitul parial ca produs dintre w i Vm;
- se nsumeaz debitele pariale utiliznd relaia:
(3.37.)
Metoda grafoanalitic presupune reprezentarea grafic a vitezelor
pe seciune i o serie de calcule care ofer o mai mare precizie n
determinarea debitului (Fig. 3.40.)
Astfel:
1) Se reprezint grafic o seciune pe baza sondajelor la
verticalele respective.
2) Se ntocmete un tabel la partea inferioar a seciunii cu
urmtoarele elemente:
* numrul verticalei de sondaj;
* numrul verticalei de vitez;
* distana de la reper (d) n m;
* adncimea pe vertical (h) n m;
* viteza medie (Vm) pe vertical n m/s;
* debitul elementar (qelem) n m2/s.
Fig. 3.40. Calcularea debitului lichid prin metoda grafoanalitic
(dup I. Piota, 1983)
3) Se reprezint hodograful vitezelor pe fiecare vertical i se
calculeaz conform determinrii vitezelor elementare.
4) Se reprezint grafic curba vitezelor.
5) Se determin debitul elementar n m2/s ca produs ntre Vm i h
verticala:
qelem = Vm h (m2/s)
(3.68.)
6) Se reprezint la scara seciunii transversale i deasupra
acesteia debitul elementar dup care se unesc punctele obinndu-se
curba debitelor elementare.
7) Se determin suprafaa dintre curba debitului elementar i
suprafaa apei mprindu-se n distane egale (de exemplu n 4 mm sau 5
mm).
S = ( a + b + c + ... + n) h
(3.69.)
unde: a,b,c,...,n - sunt verticalele care mpart suprafeele din 4
n 4 mm (sau 5 mm) i h este distana dintre ele, respectiv 4 mm (sau
5 mm).
8) Determinarea debitului obinut prin nmulirea suprafeei grafice
cu scara de reprezentare a limii rului (B) i scara de reprezentare
a debitului elementar:
(m3/s)(3.70.)
unde:
q1, q2, ..., qn
reprezint debitul elementar (m2/s);
b0, b1, ..., bn-reprezint distana dintre verticale (m).
Metoda grafomecanic este cea mai exact i se recomand a fi
folosit. Aceasta const n reprezentarea grafic a profilului
transversal cu verticalele i hodografele respective dup care se
planimetreaz fiecare hodograf. Prin nmulirea vitezei medii pe
vertical cu adncimea se obine debitul elementar (qelem.). Cu qelem
se reprezint deasupra suprafeei apei (profilului transversal) curba
acestuia.
Debitul total rezult din planimetrarea suprafeei dintre nivelul
apei n profil transversal i curba de deasupra a debitului
elementar. Dac din planimetrare rezult, de exemplu 50 cm2, cunoscnd
c fiecare cm2 reprezint la scara folosit (1 cm lungime = 1 m i 1 cm
debit elementar = 0,5 m2/s) n debit de 0,5 m3/s obinem 25 m3/s
debit.
3.6.3. Prelucrarea datelor asupra debitului de ap
Scopul prelucrrii datelor asupra debitelor de ap este acela de a
gsi soluia concret de determinare a debitului de ap n oricare
moment a unei perioade, s se utilizeze aceste informaii pentru
calcularea debitelor maxime i minime instantanee, debitele minime
zilnice, lunare i anuale.
Metodele de calculare a debitelor instantanee depind de
caracteristicile albiei rului i de mijloacele folosite.
De regul, la rurile mijlocii, mari i mici cu albie stabil i la
care variaia nivelului apei cu 1 cm se produce la o variaie
corespunztoare a debitului, determinarea acestuia se bazeaz pe
legtura (corelaia) dintre nivel i debit, corelaie cunoscut sub
denumirea de cheie limnimetric. n cazul n care variaia de 1 cm a
nivelului apei este produs de o cretere mai mare a debitului (peste
20%) atunci pentru calculul debitului instantaneu se utilizeaz
metoda interpolrii directe i deci numrul msurtorilor trebuie s fie
mai mare pentru a cuprinde paleta evoluiei debitului. De regul,
aceast metod se folosete pentru extremitile cheii limnimetrice.
n cazul existenei unei construcii hidrotehnice se folosete curba
de tarare a acestora.
Cheia limnimetric este cea mai folosit n determinarea debitelor
instantanee.
Este necesar s precizm urmtorul aspect: pe ruri sunt instalate
mire hidrometrice care se constituie n staii (posturi
hidrometrice).
La aceste posturi hidrometrice, primul parametru care e msoar
este nivelul apei (de regul o dat pe zi, dar la viituri se fac
citiri i din or n or), apoi se msoar temperatura apei, se preleveaz
probe de ap pentru chimism, se msoar debitul de ap i de
aluviuni.
Dac nivelul apei se citete i se consemneaz n fiecare zi, n ceea
ce privete msurtoarea de debit, dat fiind complexitatea ei i numrul
minim de 2 persoane pentru efectuare, acestea se fac de cteva ori
pe an, astfel nct s se poat acoperi ecartul de variaie al
nivelurilor dintr-un an (de la niveluri minime la cele maxime).
Deoarece n practic este necesar s se cunoasc debitele zilnice,
lunare i anuale atunci se procedeaz la stabilirea cheii
limnimetrice pentru postul hidrometric, respectiv stabilirea
corelaiei dintre niveluri i debite.
Din cele de mai sus rezult c ntr-un an vom fi n posesia a 365 de
valori ale nivelului i a 5-10 msurtori de debite.
Pentru cunoaterea stabilitii seciunii de msurare este necesar s
se efectueze periodic msurtori de adncime deoarece la viituri,
albia (seciunea) se modific prin eroziune sau aluvionare.
La orice msurtoare de debit se ntocmete un tabel cu data
msurtorii, nivelul apei fa de 0 al mirei, suprafaa seciunii, limea
albiei, adncimile medii i maxime, panta suprafeei apei (I ), viteza
medie n seciune, viteza maxim, debitul de ap (Q n m3/s).
Pe baza datelor de niveluri i debite se ntocmete graficul de
corelaie (cheia limnimetric) (Fig. 3.41.)
Fig. 3.41. Cheia limnometric Q , Vm= f (H)
De regul, cheile limnimetrice se extrapoleaz n cele dou extreme
(minim i maxim) unde nu sunt fcute msurtori de debite dar sunt
observaii de niveluri. Extrapolarea se face pe cca. 10 - 15% din
ecartul nivelurilor.
Cheile limnimetrice se ntocmesc separat pentru perioada de var i
de iarn (pod de ghea). Extrapolarea se face dup tendina curbei, pe
baza curbelor w= f(H), Vm = f(H) i formulei Chzy.
Pentru calcularea debitelor medii zilnice pe baza cheii
limnimetrice grafice se ntocmete cheia limnimetric tabelar (Tab.
3.2)
Tabelul 3.2. Cheia limnimetric Q= f (H) cm
Nivel (cm)0123456789
107,07,207,407,607,808,008,208,408,608,80
209,09,359,7010,0510,4010,7511,1011,4511,8012,15
3012,5012,9513,4013,8514,3014,7515,2015,6516,1016,55
4017,0017,5518,1018,6519,0019,7020,3020,8521,4021,85
5022,50
3.6.4. Debite caracteristice
Odat determinate debitele zilnice se ntocmete graficul anual de
variaie a acestora care se numete hidrograful debitelor.
Analizndu-se hidrograful anual al debitelor se pot stabili cteva
debite caracteristice.
Debilul maxim maximorum (Qmax.max.) este cel mai mare debit ce
s-a nregistrat n perioada de observaii (msurtori) sau reconstituit
(pn n prezent).
Debitul extraordinar (Qmax.ex.) este debitul cel mai mare
nregistrat ntr-o perioad de 30 de ani consecutivi.
Debitul maxim anual (Qmax.an.) este cel mai mare debit din 365
de zile (dintr-un an).
Debitul maxim normal (Qmax,norm.) este debitul cu durata de 10
zile pe an (s-a meninut sau a depit 10 zile/an).
Debitul mediu anual (Qm) reprezint media aritmetic a debitelor
zilnice dintr-un an.
Debitul normal (debitul modul) (Q0) este debitul care reprezint
media debitelor medii pe o perioad ct mai mare de ani
consecutivi.
Debitul mediu - formulare general - pe anumite perioade (decad,
lun, anotimp).
Debitul de etiaj (Qe) - cel care are o durat de 355 zile (Qan -
10 zile).
Debit minim anual (Qmin.an.) - cel mai mic nregistrat n ntreaga
perioad de observaii.
Aceste debite caracteristice se mai exprim i prin asigurarea la
% astfel:
Qmax.an. (cu durata de o zi) este Q0,3%
Qmax.normal (cu durata de 10 zile) este Q3%
Qetiaj (cu durata de 355 zile) este Q97%
Qmin.an. (cu durata de 365 zile) este Q99,7%Raportul dintre Qmax
i Qmin (Qmax/Qmin) exprim uniformitatea scurgerii sau
torenialitatea unui ru.
Astfel, Oltul la Rmnicu Vlcea are 1/157, Someul la Satu Mare
1/328, Mureul la Arad 1/182, Siretul la Lungci 1/199, Brlad la
Brlad 1/7600, Jijia la Todireni 1/19700, Dunrea la Ceatalul Chiliei
1/11.
3.6.4. Regularizarea debitelor
Deoarece n condiiile climatului temperat-continental din ara
noastr exist o variaie mare n cursul anului a valorii debitului
scurs pe ruri, pentru rezolvarea unor necesiti economice se impune
regularizarea debitelor. Debitele extreme au n egal msur consecine
negative asupra modului de folosin sau asupra ecosistemelor
fluviatile (reofile). n acest sens se impun msuri de reinere n
lacuri de acumulare a unor volume de ap care s fie restituite
treptat n timpul anului. Acest procedeu poate fi considerat ca o
compensare a resurselor de ap.
Regularizarea debitelor poate fi fcut la nivelul unei zile, la
nivelul sezoanelor i la nivel multianual n funcie de regimul de
scurgere al rului.
n hidroenergie se reine o parte din ap n lacul de acumulare n
timpul nopii i se restituie ziua n perioada de vrf. Alte situaii:
la irigaii, la plutrit, la transporturi.
3.7. REGIMUL HIDROLOGIC AL RURILOR
Regimul hidrologic al unui ru sau al unui sistem de ruri, care
se grupeaz teritorial dup anumite legiti n care trebuie s lum n
considerare evoluia paleogeografic, condiiile climatice i
intervenia omului n decursul timpului, reprezint forma de
manifestare n timp i spaiu a rului (rurilor) reflectat prin
procesul de scurgere a apei n albia respectiv.
Analiza regimului hidrologic al rurilor prezint o importan
deosebit pentru cunoaterea tuturor aspectelor hidrologice i
respectiv a resurselor de ap de care dispunem pe un anumit
teritoriu (bazin hidrografic, unitate geografic, ar, continent sau
chiar planeta Terra).
Se poate extrapola termenul (noiunea) de regim hidrologic al
unui ru dincolo de scurgerea apei propriu-zis, incluznd aspecte de
turbiditate (aluviuni n suspensie), compoziia chimic a apei (tipuri
hidrochimice i grad de mineralizare), temperatura apei (inclusiv
fenomenele de nghe acolo unde zona geografic determin acest
aspect). ntr-un cuvnt se poate spune c prin regimul hidrologic al
unui ru nelegem, n sensul celor menionate, ansamblul de procese
hidrologice - sub aspect fizic i chimic - adic manifestarea
abiotic.
Pentru nelegerea acestui ansamblu de manifestri n sistemul
hidrografic analizat, se impune tratarea compartimental a acestora
care n final se sintetizeaz prin regionarea hidrologic a
teritoriului. n regionarea hidrologic a unui teritoriu se mai pot
lua n considerare i gradul de intervenie direct i indirect a omului
cu consecine pozitive i negative.
3.7.1. Factorii care determina scurgerea apei rurilor
Scurgerea apei ntr-un bazin hidrografic sau ntr-o anumit parte,
component a acestuia este deosebit de complex fiind rezultatul unor
factori ca: structura geologic, configuraia reliefului, clima
(precipitaii, temperatura, vnt etc.), solurile, vegetaia i
activitatea antropic prin agricultur, silvicultur, construcii
hidrotehnice etc.
Noiunile de ponderare i regularitate care sunt noiuni bine
definite se impun a fi precizate.
Ponderarea const ntr-un ecart mic ntre apele mari i apele mici,
fie la valori medii lunare, fie la valori extreme (etiaj,
viituri).
Regularitatea este revenirea periodic, ciclic, cu aceleai forme
de manifestare, fr mari diferene de la o secven la alta. Astfel,
rurile de tip glaciar sunt regulate dar nu ponderate, rurile
mediteraneene pluviale sunt de asemenea regulate dar nu
ponderate.
FACTORII CLIMATICI
Acetia sunt determinani n procesul scurgerii apei prin
precipitaii i evaporaie care prin combinare determin nivelul
scurgerii lichide. Raportul dintre precipitaii, evaporaie i
scurgere d configuraia bilanului hidrologic al rului.
n analizele hidrologice se manifest uneori tendina de a neglija
evaporaia, care de fapt este, n anumite cazuri, capital. Astfel,
variaia sezonier a scurgerii apei poate fi inversat prin raportul
dintre precipitaii i evaporaie. Rul Sena la Paris prezint un maxim
n sezonul rece chiar dac cea mai mare parte a bazinului su din
amonte este bine udat (plouat) n sezonul cald, de var.
Pe de alt parte, temperatura sczut poate stoca apa n stare solid
(zpad) pentru o perioad mai mult sau mai puin lung i s-o restituie
odat