Hidrologia apelor curgătoare

 

      potamologie

      Hidrologia apelor curgătoare 

      Introducere. Potamologia este ştiinţa care se ocupă cu studiul apelor curgătoare. Elementul de bază în studiul potamologiei îl reprezintă râul. Râul este forma scurgerii superficiale organizate, permanentă sau temporară, care-şi păstrează traseul pe întreaga lungime a sa. Din punct de vedere hidrologic, noţiunea include toate cursurile de apă, indiferent de mărmea lor: pârâu, râu sau fluviu. Râul este un produs al climei (Volikov, 1954).

      Apa provenită din precipitaţii poate împrumuta diferite căi: o parte se evaporă şi se reîntoarce în atmosferă, alta se infiltrează în sol, iar alta se adună în spaţiile concave dând naştere apelor stătătoare (bălţi, mlaştini, lacuri etc.). Cea mai mare cantitate, sub influenţa gravitaţie, se deplasează din punctele mai înalte ale reliefului spre regiunile mai joase, dând naştere apelor curgătoare.

      Gravitaţia, este principala forţă care determină mişcarea apei în râuri. Deplasarea particulei de apă poate fi astfel explicată: pe un plan înclinat, sub un unghi α, o picătură de apă (A), cu greutatea G, va tinde să se deplaseze pe direcţia înclinării planului. Descompunând forţa G în două componente, P₁ (P₁=G*cosα), perpendiculară pe direcţia planului înclinat şi P₂ (P₂=G*sinα), paralelă cu planul înclinat, care provoacă curgerea apei, se observă că P₂ ar trebui să provoace o accelerare uniformă a vitezei de deplasare a picăturii. În realitate se produce o mişcare neuniformă deoarece forţa P₂ se consumă prin aderenţa care se naşte între moleculele de apă şi suprafaţa planului înclinat, dar şi datorită coeziunii dintre moleculele din masa apei.

      Forţa de frecare intervine pe interfaţa dintre apă şi suprafaţa pe care curge, ca urmare a rezistenţei pe care o opune fundul albiei la deplasarea apei. Valoarea forţei de frecare depinde de rugozitatea patului albiei şi a malurilor cu care apa intră în contact. În funcţie de mărimea şi forma asperităţilor este şi rezistenţe pe care o opune suprafaţa, fiind estimată prin coeficientul de rugozitate.

      Coeficientul de rugozitate reprezintă efectul neregularităţilor albiei şi a malurilor asupra vitezei medii, într-o secţiune transversală  a unui curs de apă. Cu cât aluviunile sunt mai grosiere cu atât coeficientul de rugozitate (η) este mai ridicat.

      1.Apele de şiroire

      Curgerea cu caracter temporar îmbracă diferite forme, de la curgerea în pânză (areolară) sau difuză, până la curgerea concentrată  de tipul torenţilor. Între cele două categorii extreme se intercalează  diferite forme de tranziţie cunoscute sub numele de şiroaie. Şiroirea se poate face sub forma unor multiple firicele de apă, a unor şuviţe sau curenţi, cei mai puternici dintre ei fiind cunoscuţi sub numele de şuvoaie.

      La şiroire nu se distinge un curs bine individualizat ci, după fiecare ploaie, apa îşi croieşte un alt drum. Cel mai important aspect al acestor concentrări este trecerea de la secţiunea de spălare sau eroziune areolară, la cea liniară. În felul acesta şiroirea creează forme de eroziune cu aspect alungit, începând cu unele şenţuleţe abia perceptibile şi instabile, până la excavaţiuni alungite pe sute de metri.

      Procesul de spălare a terenurilor este mai ridicat pe suprafeţele lipsite de vegetaţie, iar volumul apei de şiroire depinde de cantitatea, durata şi intensitatea precipitaţiilor, de permeabilitatea şi de gradul de acoperire cu vegetaţie a terenului.

      2. Apele torenţiale

      Torenţii reprezintă cursuri vijelioase, dar temporare, de apă care se formează pe pantele înclinate cu vegetaţie discontinuă, în urma ploilor abundente sau a topirii zăpezilor.

      În raport cu şiroirea, torentul are calitatea de a concentra o cantitate mai mare de apă pe o singură direcţie, ceea ce face ca el să dispună de o mare energie. Prin acţiunea sa complexă (eroziune, transport, acumulare), torentul se compune din trei elemente (Surell, 1870): bazinul de recepţie, canalul se scurgere şi conul de dejecţie.

      2.a. Bazinul de recepţie

      Reprezintă  teritoriul de pe care torentul îşi adună apele de ploaie, adică  zona în care apele se concentrează către punctul cel mai jos al locului şi către care se orientează şi se adâncesc ravenele, rigolele şi ogaşele.

      2.b. Canalul de scurgere

      Este un jgheab alungit, care porneşte din punctul cel mai coborât al bazinului de recepţie, pe care curge apa torentului împreună cu aluviunile desprinse. Valea este adâncă, pereţii uşor înclinaţi iar procesul erozional este mai intens pe verticală (eroziune liniară). Eroziunea laterală se face simţită abia în ultima fază a evoluţiei sale.

      2.c. Conul de dejecţie (evantai aluvial, con aluvial, agestru, vărsătură)

      Reprezintă  partea terminală a organismului torenţial şi se prezintă  sub forma unui semicorn teşit clădit din aluviunile cărate şi depuse de torent.

      În natură există şi cazuri când cele trei elemente nu se dezvoltă la toţi torenţii. Unele organisme tot fi lipsite de canal de scurgere fapt pentru care poartă denumirea de hunie (Oltenia).

      Ca urmare a eroziunii, prin deschiderea straturilor de ape subterane, torenţii evoluează spre pâraie şi râuri.

      3. Apele curgătoare cu caracter permanent

      Totalitatea precipitaţiilor ce cad pe suprafaţa scoarţei terestre, la care se adaugă apa provenită din izvoare, începe să se scurgă  pe suprafaţa topografică urmând linia de cea mai mare pantă  sub influenţa gravitaţiei. Cursurile de apă astfel formate au caracter permanent şi sunt cunoscute sub denumirea de pâraie (unitatea hidrologică cea mai mică). Din asocierea acestora se nasc râurile.

      Râurile

      Râul este un sistem deschis alcătuit dintr-un curs cu caracter permanent şi natural ce ocupă albii prin care curge apa datorită înclinării generale a profilului longitudinal, din punctele înalte ale reliefului, spre cele mai joase. Se varsă în alte unităţi hidrologice (fluvii, lacuri, mlaştini, mări, oceane) sau în mod excepţional se pierde în nisipuri sau în grote. Un râu presupune existenţa unui ansamblu format dintr-o masă de apă, mai mare sau mai mică, în mişcare spre zonele mai joase ale scoarţei şi făgaşul relativ bine conturat (Diaconu, Şerban, 1994).

      Râul are o structură holarhică, fiind alcătuit din subsisteme (holoni) cu un ridicat grad de autonomie în ajustarea variabilelor componente dar, în acelaşi timp, este în regim de subordonare ierarhică până la nivelul întregului bazin hidrografic.

      Faţă de şiroaie sau torenţi, râurile deţin părţi componente distincte. Deoarece sunt cursuri de apă cu caracter permanent şi acţiunea de eroziune are acelaşi caracter. Forma principală pe care o creează un râu este valea. Râurile transportă materialele erodate până la lacul de vărsare; când acesta este reprezentată de o mare sau ocean nu se mai formează un con de dejecţie ci o deltă sau estuar. În succesiunea amonte-aval, elementele componente sunt: izvorul, cursul de apă şi gura de vărsare.

      În funcţie de prezenţa apei în albii, se deosebesc mai multe categorii de râuri. Când râurile prezintă apă cu caracter continuu, în pofida tuturor variaţiilor în timp, sunt considerate râuri (cursuri) cu caracter permanent. Fenomenul secării râurilor este urmarea secetelor meteorologice prin epuizarea rezervelor de ape subterane interceptate de văi. Secarea râurilor este dependentă şi de legătura dintre albiile râurilor şi pânzele de apă subterană, de adâncimea mai mare sau mai mică a albiilor în fundurile de văi, de aşa-numita adâncime de eroziune a râurilor prin care acestea interceptează, complet sau numai parţial, pânzele subterane riverane. În unele cazuri defrişările neraţionale şi eroziunea puternică determină colmatarea văilor, ridicarea talvegului şi prin aceasta depărtarea albiilor de pânzele subterane şi diminuarea capacităţii de interceprate şi drenare a acestora.

      În funcţie de mărimea perioadelor cu lipsă de apă din albiile râurilor se deosebesc mai multe categorii de râuri cu caracter temporar (nepermanent) (Diaconu, Şerban, 1994):

      - cu secare foarte rară, la care fenomenul se produce odată la câteva decenii, în anii cu secete meteorologice severe şi de lungă durată;

      - cu secare rară, la care fenomenul secării se produce odată la câţiva ani;

      - cu secare anuală, la care fenomenul secării se produce aproape anual în timpul veriilor uscate, cu excepţia anilor foarte ploioşi când prezintă apă tot timpul anului.

      Gradul de secare schimbă formula de caracterizare în râuri intermitente: râuri care curg numai în anotimpul ploios, adică în fiecare an; râuri care curg numai la cele mai mari ploi, adică o dată la mai mulţi ani.

      O altă categorie de râuri depinde de prezenţa apei în albie şi anume râurile pe cale de dispariţie sau râurile care au fost, în care apa a fost semnalată odată la câteva decenii sau pe durata vieţii câtorva generaţii (Diaconu, Şerban, 1994).

      Se admite, în general, că noţiunea de râu implică prezenţa apei în grade diferite, pornind de la permanenţa până la apariţia ei foarte rară. Inconstanţa în timp şi marea variabilitate a “furnizării” apei de către râuri, apar drept corolare ale vremii. Definirea generală a râurilor, ca produse ale climei în condiţiile fizico-geografice specifice în care au luat naştere, este justificată.

      3.a. Izvoarele râurilor

      Izvoarele, dar şi limitele sectoarelor ce aparţin acestora, se determină, în majoritatea cazurilor, cu aproximaţie; cauza acestui fapt o reprezintă multitudinea factorilor care se pot lua în considerare: reţeaua de râpi (mai ales în regiunile de şes); baza unei alunecări sau limita unei mlaştini (mai ales în regiunile de podiş şi dealuri); baza unui grohotiş (la munte); limita externă a limbii unui gheţar; limita unui petic de zăpadă persistentă etc. Pâraiele pot avea izvoarele şi în lacuri, mlaştini, circuri glaciare etc.

      De cele mai multe ori, pentru râuri, sunt considerate izvoare, confluenţa a două sau mai multor pâraie: Dunărea (Brieg şi Brigach), Lotru (două pâraie care îşi au originea în lacurile Zănoaga şi Gâlcescu), Someşul Mic (confluenţa Someşului Rece cu Someşul Cald) etc.

      În condiţiile în care râul îşi începe cursul dintr-un izvor propriu-zis cu caracter permanent, acesta este considerat, în realitate, ca fiind izvorul râului. Dacă la originea râului participă mai multe izvoare mici, cu caracter intermitent, locul de formare al râului este variabil şi se stabileşte prin convenţie; în acest caz locul de formare este considerat primul izvor permanent, placând de sus, dinspre culme. În ambele cazuri, în timpul şiroirii din perioada ploilor abundente,  locul de naştere al râului urcă spre culme odată cu pâraiele temporare care îşi fac simţită prezenţa. În cazul apelor mari locul de formare al râurilor este considerat punctul cel mai îndepărtat al bazinului, din care o picătură de apă ajunge prin şiroire în firul principal. În aceeaşi manieră se procedează şi pentru izvoarele râurilor care seacă (Diaconu, Şerban, 1994). Pentru stabilirea locului de izvor sunt şi cazuri deosebite. Izvorul unui râu care porneşte dintr-un lac este considerat ca fiind locul de ieşire al râului din lac. În condiţiile în care un râu este format prin confluenţa a două râuri, izvorul este ales ca fiind pe cursul cel mai lung, cu debitul cel mai mare. În acest mod trebuie procedat chiar dacă denumirea râului principal este dată de numele componentului mai mic. Când cele două râuri componente sunt sensibil egale, ca loc de naştere se convine a fie ales izvorul componentului stâng.

      3.b. Cursul râurilor

      În mod convenţional râurile au fost divizate în trei sectoare care se deosebesc între ele prin trăsături specifice: hidrologice, topografice, fizico-geografice, geologice etc..

      3.b.1.Cursul superior (alpin)

      Prezintă,  în general, o pantă mare. Curentul de apă este rapid, depăşind adesea 3 m/s, tinzând astfel să-şi deschidă o cale adâncă  prin eroziune verticală (liniară). Debitele cresc din amonte spre aval, în funcţie de aportul afluenţilor şi al apelor subterane. Materialele erodate, din bazin sau albie, sunt transportate de curentul puternic, spre aval.

      Profilul longitudinal este variat, prezentând numeroase repezişuri, praguri, cascade, marmite etc.

      În rocile friabile, prăbuşirea versanţilor are ca efect formarea unei văi în V; în roci dure, cursurile de apă creează chei înguste. În albie se adună mari cantităţi de blocuri de piatră; materialele fine, precum pietrişul şi nisipul, sunt transportate, în aceeaşi măsură, dar la distanţe mai mari sau se pot depune în unele anse liniştite.

      Cursul superior este asimilat cu poziţionarea sa în regiunile muntoase sau deluroase. Poziţia îi determină şi forma cursului: rectiliniu sau slab meandrat.

      3.b.2.Cursul mijlociu

      Cursul mijlociu începe acolo unde râul atinge stadiul fundului relativ plat al unei văi de mari dimensiuni. În locul cu pricina albia se lărgeşte, debitul creşte, se diminuează viteza, în general la mai puţin de 1 m/s. Ca urmare a vitezei scăzute, râul are tendinţa de formare a meandrelor. Eroziunea verticală (liniară) se substituie eroziunii laterale.

      Valea de pe cursul mijlociu deţine un profil transversal, cu aspect de V mai deschis; albia se lărgeşte progresiv spre aval în timp ce malurile sunt din ce în ce mai puţin abrupte. Reducerea profilului longitudinal contribuie la diminuarea eroziunii şi transportului, favorizând creşterea sedimentării. Materialul transportat din cursul superior, cât şi cel din cursul mijlociu, este târât sau rostogolit, rulat şi sfărâmat, pe măsură ce râul se apropie de limita inferioară a cursului mijlociu.

      În interiorul meandrelor, mai ales a celor incipiente, materialele erodate se depun la ape mari şi erodează, pe malul celălalt, la ape mici. În funcţie de condiţiile locale ale curgerii, albia adăposteşte pietriş şi nisip, mâlul găsindu-se în sectoarele mai calme, unde de altfel şi plantele pot forma rădăcini.

      3.b.3.Cursul inferior

      Cursul inferior se formează acolo unde fluviul transportă o mare cantitate de apă, cu viteze foarte mici, uneori doar de câţiva centimetri pe secundă. De obicei este situat în zona dealurilor joase sau la câmpie. Înaintea ridicării digurilor de protecţie existau zone inundabile vaste; din păcate, acestea sunt mai joase decât terasele şi mai slab valorificate din punct de vedere economic.

      În albia propriu-zisă, eroziunea este aproape nulă. Aluviunile foarte fine, care se depun, dau naştere unui fund de albie mâlos. Caracteristica de bază a profilului longitudinal este reprezentată de formarea meandrelor sau despletirea albiei în mai multe braţe. Forma generală a albiei este de U larg deschis.

      Sunt numeroase cazuri când unele râuri prezintă toate sectoarele în aceeaşi unitate de relief: Vedea, Mostiştea, Călmăţui etc.

      Variaţiile termice anuale ale apei cresc gradual din amonte spre aval. În apropierea izvoarelor, ecartul amplitudinal, foarte adesea, nu depăşeşte 1-2⁰C; în cursul inferior poate atinge şi 20⁰C. Oxigenarea evoluează în sens invers: intensă în tumultoşii torenţi montani şi slabă în cursurile mijlocii şi inferioare, numai că de data aceasta este compensată, în parte, de producţia oxigenului elaborat de plantele acvatice.

      3.c.Gura de vărsare

      3.c.1. Sunt cazuri particulare când un râu nu poate ajunge la colector deoarece se pierde prin evaporare sau prin infiltrare. Extremitatea din aval, sau gura falsă poartă numele de capăt orb, iar râul în sine este considerat râu orb. Aceste râuri se găsesc, de obicei, în deşerturi: Tarim (Pod. Tibet), Zervaşan, Tedjeu, Murgab (Asia Centrală Sovietică) etc. sau în mlaştinile Okawango (Africa).

      3.c.2. În cele mai frecvente cazuri un râu se varsă în altul, de obicei mai mare. Locul de contact poartă denumirea de confluenţă. Râul mai mic poartă denumirea de afluent, iar cel receptor este cunoscut sub numele de râu recipient, colector sau râu principal.

      3.c.3. Un tip important de gură de vărsare, care ia naştere în mările deschise unde mareea are o amplitudine importantă, poartă numele de estuar.

      Estuarele constituie o categorie aparte de forme litorale. Ele au drept caracteristică penetrarea, prin intermediul mareelor, a apelor marine în cursul aval al organismelor fluviale. Ca urmare a întâlnirii apelor sărate cu cele dulci ia naştere o dinamică hidrologică particulară cu mecanisme sedimentare specifice. Estuarele apar ca locuri foarte importante pentru schimbul de energie şi materie dintre domeniul marin şi cel terestru. Această situaţia face ca estuarele să reprezinte spaţii privilegiate pentru activităţile umane. Foarte devreme navigaţia a beneficiat de aceste binefaceri naturale pentru a penetra în interiorul continentelor. Viaţa maritimă a creat funcţia portuară care, la rându-i, a stimulat urbanizarea şi industrializarea. În ţările puternic dezvoltate estuarele au devenit adesea târguri economice foarte importante.

      Cuvântul estuar derivă din latinescul aestus care semnifică maree (Nonn, 1972; Perillo, 1996). Termenul de estuar trebuie definit încă de la început deoarece geologii îl folosesc într-un sens larg. Geomorfologii îl definesc ca fiind o gură de vărsare a unui curs de apă important care se colmatează spre aval şi în care penetrează amplu mareele. Deschiderea spre larg nu poate fi obturată. Sedimentele fine, de origine fluvială şi marină, sunt împiedicate un oarecare timp. O parte din ele sfârşesc prin a fi expulzate în mare, o altă parte contribuie la colmatarea estuarului prin acumularea laterală a mâlului (acreţie) şi crearea de bancuri nisipoase mediane.

      3.c.4. Sistemul deltaic. Cei care pentru prima dată au utilizat denumirea de “deltă” au fost grecii antici, care au asemănat teritoriul mlăştinos al fluviului Nil, ce-şi diviza cursul în mai multe braţe, cu litera grecească Δ (Suter, 1993). Termenul de “deltă” a fost utilizat şi de Herodot (484-425 B.C.) pentru a compara teritoriul triunghiular de la gura de vărsare a fluviului Nil (Axelsson, 1967). Această denumire ascunde doar o formă de relief care dezvăluie doar caracteristici exterioare. Pentru că până atunci aceste teritorii nu aveau încă o denumire generală, oamenii de ştiinţă au colportat-o, utilizând-o din ce în ce mai des, până la generalizare. Denumirea literei “delta” a fost aplicată ca termen general pentru “teritoriile aluviale formate la gura râurilor, fără să aibă o formă precisă” (Lyell, 1854).

      În urma interpretării definiţiilor date, unele exhaustive, altele rezumative, se încearcă o formulare atotcuprinzătoare. Nu se emite pretenţia că această definiţie nu poate fi perfectibilă. Astfel, delta, reprezintă un caz tipic de aluvionare fluvială care se produce la gurile de vărsare ale marilor fluvii încărcate cu o mare cantitate de aluviuni şi care debuşează în ape liniştite, de obicei saline (mări şi oceane) ce prezintă ape puţin adânci şi un şelf extins, unde mareele (în cele mai multe din cazuri) sunt de mică intensitate şi unde curenţii litorali, cu sensuri diferite, sunt slabi, permiţând apariţia, submersibilă sau la zi, a unor bare sau a unui con de dejecţie cu suprafaţa plană pe care fluviul îşi împrăştie apele într-un păienjeniş de gârle, canale şi lacuri (Romanescu, 1996a,c).

      Deltele, nu sunt neapărat forme pur litorale, deoarece constituţia lor, dinamica etc. obligă a se lua în considerare şi ariile de acumulare care se întind destul de departe în interiorul uscatului (Nonn, 1972). În toate cazurile unde apare prima diviziune hidrografică (defluviaţie, bifurcare), în două sau mai multe braţe, se obişnuieşte să se ia această ramificare drept punct de plecare sau “rădăcina” (apexul) deltelor.