Hidrologia apelor curgătoare

      Albia minoră a cursurilor de apă cu curgere permanentă este delimitată de cele două maluri. În funcţie de structura geologică, malurile, în profil transversal, au înclinări care variază de la poziţia verticală până la înclinări de 1/5. Linia adâncimilor maxime pe firul albiei minore, în profil transversal şi longitudinal, poartă denumirea de talveg.

      În locurile unde interacţiunea dintre curent şi albie este puternică, profilele transversale, pe anumite sectoare, suferă modificări importante care trebuie înregistrate. Aceste modificări sunt provocate de eroziunea care are loc în patul albiei ce coboară şi malurile devin abrupte, sau de depunerile aluvionare când patul albiei suferă o ridicare.

      În secţiunea transversală albia majoră dispune de trei zone distincte:

      - o zonă înălţată, faţă de albia minoră şi luciul apei, ce prezintă înălţimi de la câţiva centimetri până  la 2-3m şi chiar mai mult; este situată în imediata apropiere a luciului de apă şi poartă denumirea de grinduri fluviale (longitudinale). Înălţarea lor se datorează aluvionării din timpul viiturilor;

      - o zonă de tranziţie, mai coborâtă şi mai netedă, cunoscută  sub numele de lunca centrală. Ocupă cea mai mare suprafaţă din cadrul luncii;

      - zona cea mai joasă, alungită, situată între lunca centrală  şi versant, purtând încă amprenta unor vechi albii minore. Poartă denumirea de lunca preterasă şi mijloceşte trecerea spre versantul propriu-zis al văii. Nivelul freatic este ridicat, legat, în primul rând, de nivelul râului, dar şi de aportul apei provenite de pe versanţi. Sunt frecvente înmlăştinirile şi vegetaţia este higrofilă (stufăriş, păpuriş, trestie).

      Albia minoră şi părţile sale laterale (adică luncile) formează albia majoră a unui curs de apă. În funcţie de gradul inundabilităţii, albia majoră are întinderi mai mari sau mai mici. Calculele hidrologice de probabilitate şi cele pur hidrologice, permit determinarea întinderii albiei majore pentru diferite asigurări de depăşire a debitelor maxime.

      Albiile majore ale cursurilor de apă îndeplinesc funcţii hidrologice (atenuarea undelor de viitură, stabilizarea liniei malului, reîncărcarea pânzei freatice etc.) şi contribuie la îmbunătăţirea calităţii apei (reţinerea sedimentelor, absorbţia nutrienţilor) (Diaconu, 1999).

      Profilul transversal al albiei unui râu este limitat, la partea inferioară, de fund, iar lateral, de maluri.

      Din punct de vedere hidrologic, la un profil transversal, în mod obişnuit, se disting:

      - suprafaţa secţiunii transversale a albiei până la nivelul maxim;

      - suprafaţa secţiunii transversale a albiei la un moment dat. În cadrul acestei suprafeţe se disting: o secţiune cu spaţiu activ şi alta cu spaţiu inactiv (când râul este fără pod de gheaţă); în cazul în care râul prezintă un strat de gheaţă, se deosebesc: secţiunea activă, spaţii inactive, secţiunea năboiului (gheaţă spongioasă netransparentă), secţiunea gheţii, secţiunea zăpezii, uneori secţiunea cu aer cuprins între podul de gheaţă (suspendat) şi nivelul râului.

      Profilul longitudinal al râurilor

      Profilul longitudinal al râurilor imprimă unul din cele mai interesante caractere apelor curgătoare. El reprezintă transpunerea în plan vertical a liniei talvegului şi a liniilor suprafeţei libere la anumite asigurări ale debitului.

      Panta unui râu este invers proporţională cu debitul de apă scurs (Gilbert, 1877). Printre cercetătorii care au adus contribuţii importante la analiza acestui domeniu se pot remarca: Iovanovici (1940), Ivanov (1952), Makaveev (1955), Hack (1957), Birot (1961), Zăvoianu (1978) etc.

      Forma profilelor, în special concavitatea lor, mai mult sau mai puţin accentuată, este rezultanta mai multor factori:

      - concentrarea debitului colectat de reţeaua de drenaj într-o singură albie, care are ca rezultat creşterea capacităţii de transport a cursului principal;

      - uzura aluviunilor care le determină micşorarea dimensiunii; se produce în orice sector de râu. Prin diminuarea granulozităţii pot fi antrenate mai uşor în mişcare;

      - panta versanţilor, pentru orice bazin hidrografic, scade din amonte spre aval, cu influenţe, în primul rând, asupra dimensiunii materialelor pe care versanţii le dă albiilor (Birot, 1961).

      Cu toate că este de mare folos pentru hidrologie şi geomorfologie, analiza profilelor longitudinale rămâne încă destul de greoaie. Cauza principală o constituie marea complexitate a fenomenelor din albie, ca domeniu de interferenţă între procesele geomorfologice, hidrologice şi hidraulice. Numărul de factori care concură la realizarea unei anumite forme a profilului longitudinal este destul de mare şi nu s-a găsit încă metoda de determinare a ponderii pe care o are fiecare.

      Evoluţia profilului longitudinal a râurilor este în strânsă dependenţă cu aspectele orografice: natura şi structura geologică, regimul climatic, gradul de evoluţia al văii, debitul râului. Pentru râurile cu caracter torenţial, sau cele situate în structuri geologice variate, profilul longitudinal se prezintă în trepte. Apariţia accidentelor se explică prin faptul că râul, în evoluţia sa, nu a avut suficient timp să-şi erodeze patul deoarece curge peste roci cu rezistenţă diferită. Treptelor din profilul longitudinal le corespund, pe cursul principal, cascadele, repezişurile etc.

      Cascada apare, de obicei, în regiunile faliate sau unde structura geologică este diferită. Profilul longitudinal al râului prezintă o cădere importantă pe verticală. În cazul cascadelor eroziunea nu se face liniar ci prin fenomenul de evorsiune: apa care cade de la diferite înălţimi dă naştere unor vârtejuri; acestea antrenează pietrişuri şi nisipuri care contribuie, la rându-le, la accentuarea eroziunii şi formarea unor marmite sau bulboane ce se lărgesc treptat şi duc la subminarea albiei şi prăbuşirea pachetelor de straturi rămase fără suport. Eroziunea regresivă, în acest caz, este foarte puternică şi tinde să atenueze abruptul.

      Prin evoluţia regresivă a cascadei, profilul râului se transformă  în repeziş; faza intermediară spre repeziş este reprezentată de pragurile care pot apărea pe traseul unui profil longitudinal, fie izolat, fie succesiv. Pe repeziş, apa nu mai cade vertical ci pe trepte structurale mici sau pe un plan înclinat: Angel, pe râul Caroni (Venezuela), cu o cădere de 978m; Victoria, pe Zambezi, cu 122m; Niagara, între Canada şi S.U.A., cu 50m; Bâlea, în Munţii Făgăraş; Vânturişu, în Munţii Bucegi; Duruitoarea, în Munţii Ceahlăului etc.

      Repezişurile sunt sectoare ale cursului de apă, cu pante accentuate, cauzate de structura geologică, unde scurgerea este rapidă.

      Pragurile sunt sectoare ridicate de pe fundul albiei minore, care produc o creştere a vitezei de curgere din cauza reducerii adâncimii. Apar în locurile cu roci dure sau de depunere a materialului aluvionar.

      Profilul longitudinal al oglinzii apei se apropie de cel al albiei propriu-zise. Deosebirea constă în faptul că profilul albiei prezintă mai multe denivelări datorate rugozităţii, depunerilor aluvionare, structurii geologice etc.; cel al apei este mai accentuat.

      Curba profilului longitudinal a suprafeţei apei se găseşte în raport direct cu variaţiile de nivel ale acesteia. Pentru nivelurile foarte scăzute profilul longitudinal al apei capătă aspectul unor trepte care coboară spre gura de vărsare. Odată cu creşterea debitului, apa se va revărsa peste praguri, cu viteze mici, producând repezişuri şi acoperă astfel întreaga albie. În sectoarele cu concavităţi, viteza apei este mică, în timp ce deasupra pragurilor viteza este mai mare (aproximativ identică cu cea din talveg). La o creştere şi mai mare a debitului, pantele albiei cresc la praguri şi scad la concavităţi. În faza când apele cresc foarte mult, pantele albiei se nivelează. Variaţia pantelor este legată de fluctuaţia nivelului, de viteza de curgere, de procesul de eroziune şi acumulare. În cazul nivelului ridicat se produce o puternică eroziune a concavităţilor şi o acumulare a materialului în zonele cu asperităţi.

      Panta unui râu poate fi studiată sub două aspecte: panta albiei şi panta oglinzii.

      Panta râului reprezintă raportul dintre altitudinea punctului de izvor şi a celui de vărsare şi lungimea râului. Valoarea pantei rezultă din formula: 

 

unde:

      I = panta;

      H₁ = cota nivelului punctului superior;

      H₂ = cota nivelului punctului inferior;

      L = distanţa dintre puncte.

      Cu cât diferenţa de nivel dintre cele două extreme ale râului este mai mare, cu atât panta este mai accentuată. Valoarea pantei se exprimă în grade, metru pe metru sau metru pe kilometru.

      Profilul albiei râului suferă transformări evolutive: în stadiul iniţial prezintă o serie de rupturi de pantă; în stadiul intermediar, rupturile de pantă se atenuează; în stadiul evoluţiei avansate, rupturile de pantă dispar aproape complet (râul poate ajunge la un profil de echilibru ideal).

      Profilul de echilibru specific unui râu se realizează atunci când eroziunea şi acumularea se compensează, tinzând către valoarea zero. Noţiunea matematică abstractă, profilul de echilibru exprimă limita de acţiune a râului care se găseşte foarte rar în natură. El poat fi atins doar în condiţiile unei stabilităţi a nivelului de bază, adică a lipsei mişcărilor tectonice în cuprinsul bazinului, precum şi a uniformităţii îndelungate a climatului.

      Profilul de echilibru este redat de o curbă parabolică, mai accentuată  în regiunea izvoarelor şi foarte domoală spre gura de vărsare. În cadrul profilului, chiar dacă se menţin aceleaşi condiţii climatice, se produc şi unele schimbări:

      - dacă în bazinul superior (alpin) al râului se produc mişcări tectonice pozitive, eroziunea va fi mai intensă în regiunea izvoarelor, iar pe cursul inferior se va accentua colmatarea;

      - dacă bazinul superior suferă mişcări tectonice de coborâre, ritmul eroziunii se domoleşte şi creşte aluvionarea;

      - dacă nivelul de bază (baza de eroziune) se ridică, colmatarea din bazinul inferior se măreşte;

      - dacă nuvelul de bază coboară, se accelerează eroziunea, mai ales cea regresivă chiar şi în cursul inferior.

      Nivelul de bază (baza de eroziune)

      Reprezintă  locul de confluenţă sau de vărsare a unui râu într-un bazin lacustru, marin sau oceanic. Nivelurile de bază pot fi:

      - generale (date de oceane);

      - legate de mările continentale (Marea Neagră, Marea Caspică);

      - locale (date de confluenţa a două râuri).

      Configuraţia în plan a râurilor

      În funcţie de configuraţia în plan a cursurilor de apă se pot distinge trei tipuri majore de albii (Leopold, Wolman, Miller, 1964): rectilinii, meandrate şi împletite.

      a. Albiile rectilinii

      “Albiile de râu cu traseu drept sunt atât de rare încât aproape că nu există” (Leopold, Wolman, 1957). În totalul general al albiilor ele deţin o pondere foarte redusă. Segmentele drepte de albie rareori depăşesc de zece ori lăţimea albiei minore. Rectiliniaritatea este considerată o stare temporară în comportarea albiilor, comparativ cu meandrarea, care este o stare des întâlnită în natură (Langbein, Leopold, 1966). Convenţional, se consideră rectilinie, albia cu indicele de sinuozitate mai mic de 1,1 (Schuman, 1977; Richards, 1982).

      Ca urmare a studiilor întreprinse asupra morfologiei curgerii apei, ratei transportului aluvionar, faciesului de albie etc. s-a demonstrat şi accentuat starea de “temporalitate” a albiilor drepte în devenirea lor spre tipul meandrat (Leopold, Wolman, 1957; Langbein, Leopold, 1966; Leopold, 1982). La nivelul morfologiei albiei s-a arătat că:

      - deşi albia, în plan, este dreaptă, talvegul are un traseu sinuos;

      - secvenţa vaduri-adâncituri se organizează după aceleaşi legi ca în râurile meandrate sau împletite.

      Morfologia apei este controlată de fenomenul cunoscut sub numele de “circulaţia secundară” a apei care se suprapune peste circulaţia principală, în direcţia aval, aceasta fiind cauzată de:

      - crearea turbulenţei datorită neregularităţii malurilor;

      - diferenţa de densitate cauzată de variaţiile temperaturii sau concentraţiei de aluviuni;

      - interacţiunea curgerii cu spaţiile “moarte” din colţurile secţiunilor transversale ale albiilor.

      Traseul rectiliniu, odată instalat, se caracterizează printr-o stabilitate morfologică mare datorată capacităţii erozive limitate a albiilor în perimetrul lor; eroziunea malurilor se manifestă doar acolo unde se produce divergenţa în jurul vadului, iar eroziunea patului se produce unde are loc convergenţa curgerii în adâncuri. Albiile rectilinii reflectă condiţii de stabilitate relativă şi din punct de vedere al alcătuirii granulometrice. Patul albiilor este alcătuit, în general, din material grosier (pietriş, bolovăniş) pe care râul, cu sinuozitate şi putere scăzută de transport, nu-l poate pune în mişcare.

      b. Albiile meandrate

      Traseele în plan relativ stabil al albiilor de râu, formate într-un pat aluvionar, este traseul meandrat determinat de acţiunea eroziunii laterale. Sinuozităţile formate de râuri poartă denumirea de meandre şi se formează  datorită râurilor care în deplasarea lor lovesc malurile; repetabilitatea fenomenului determină eroziunea malurilor, transportul materialului desprins şi depunerea acestuia. Prin eroziune se generează concavităţi, iar prin acumulare, bancuri de nisip sau pietriş în malul convex.

      Denumirea de “meandru”, cu semnificaţia de curs sinuos, derivă de la hidronimul Maiandros (menţionat pentru prima dată în Iliada lui Homer), dat unui râu din regiunea Anatoliei (Asia Mică). Primul studiu asupra râului Maiandros (Russell, 1954) s-a efectuat mult mai târziu, după ce s-a folosit deja denumirea în definirea râurilor sinuoase. Câteva lucrări din secolul al XIX-lea şi începutul secolului XX au consacrat o mare parte din informaţii acestei terminologii (Adamis, 1848; Miller, 1883; Davis, 1902; Jefferson, 1902). Folosirea termenului “meandru” se datorează nu atât cunoaşterii râului anatolian, ci mai curând hidronimului grecesc “maiandros” care, în traducere liberă, înseamnă “fluviu din Caris, celebru prin sinuozităţile sale”. “Andros” în greacă înseamnă râu sinuos.

      Albiile împletite

      Definiţie

      În literatura românească, albiile împletite sunt cunoscute şi sub denumirea de albii despletite. Amith (1973) caracterizează acest gen de albii ca fiind “un râu care curge prin mai multe albii ce se despart şi se reunesc, asemănându-se cu şuviţele unei funii, cauza diviziunii fiind obstrucţia prin depunerea de aluviuni de către un râu”.

      De regulă, albiile împletite au pante mari, transportă în mod predominant debit târât care, la rându-i, se acumulează într-o reţea complicată de bare şi ostroave, inundate de ape mari. Pentru albiile împletite s-au propus mai multe denumiri: “albii cu mai multe braţe” (Kondratiev, Popov, 1967); “albii multiple” (Brice, 1964) etc. Se propune şi o formulă de calcul a indicelui de împletire (Brice, 1964): 

 

      Cauzele formării albiilor împletite

      Pentru apariţia şi dezvoltarea albiilor împletite sunt admise următoarele condiţii: maluri uşor erodabile; variaţie rapidă şi mare a debitului lichid; creşterea pantei; debit solid abundent; incompetenţa locală a curgerii,

      Schimbarea morfologiei albiei, de la tipul sinuos la cel împletit, reflectă  o discontinuitate morfodinamică şi se asociază cu o schimbare în regimul tranzitului de aluviuni. Morfologia în plan a albiilor împletite este controlată de formarea ostroavelor romboidale.

      Forme ale curgerii fluviale

      Teoriile mecanicii fluidelor se aplică atât curgerii apei, cât şi mişcării aerului. În dinamica apei râurilor, pe lângă factorii intrinseci, intervin şi cei extrinseci, care pot fi factori de condiţie (natura şi rezistenţa rocilor, obstacolele din cale curentului) şi factori de presiune (aporturi suplimentare şi abundente de apă, îndiguirea albiilor etc.). Apa, lichid vâscos (newtonian), curge după exercitarea unui effort de solicitare. Această forţă care propulsează lichidul pe pante, poartă numele de gravitaţie.

      Viteza de deplasare a apei este în funcţie de corelaţiile existente între componenta forţei gravitaţionale şi forţele de rezistenţă care se nasc prin frecarea apei cu albia. Componenta forţei gravitaţionale depinde de profilul longitudinal al curentului, iar rezistenţa, de gradul de rugozitate specific substratului.

      Fluidele vâscoase se deformează continuu prin exercitarea forţelor de solicitare, iar rata deformării este proporţională cu forţele puse în joc. Raportul dintre rata şi forţa deformării (stres) poartă denumirea de vâscozitate (v). Valoarea acesteia, la ape cu temperaturi de 0⁰C este de 0,018, la 10⁰C de 0,013 şi la 20⁰C de 0,010 poise. Apa curgătoare, cel mai important fluid vâscos, se poate deplasa în natură sub două forme: laminară şi turbulentă.

      Mişcarea laminară reprezintă deplasarea unor şuviţe de apă, paralele între ele în cadrul masei de apă. Vitezele sunt maxime la suprafaţă şi mici la fundul albiei.

      În cadrul albiilor naturale, mişcarea laminară se întâlneşte foarte rar. Este specifică, cu precădere, canalelor cu pantă redusă care prezintă un strat subţire de apă, sau apelor subterane cu viteze mici, în cadrul terenurilor cu granulometrie fină şi uniformă.

      Mişcarea turbulentă. La creşterea debitelor şi implicita a vitezei apelor, mişcarea laminară devine instabilă şi trece într-o mişcare dezordonată cunoscută sub numele de mişcare turbulentă. Cea mai cunoscută expresie pentru definirea tranziţiei vitezei, de la cea laminară spre cea turbulentă, este numărul Reynolds: 

. 

unde:

      V = viteza;

      D = adâncimea;

      vâsc.din = vâscozitatea dinamică sau cinematică.

      Datorită  caracterului turbulent al apei, se asistă la un amestec proporţional cu creşterea vitezei. În urma acestui amestec se uniformizează temperatura râurilor.

      Curgerea turbulentă prezintă două forme:

      - curgerea turbulentă liniştită;

      - curegerea turbulentă agitată (zbuciumată).

      Viteza la care apare trecerea de la curgerea liniştită la cea agitată  (accelerată) este cunoscută sub numele de numărul Froude: