Hidrologia apelor curgătoare

      Curenţii din râuri

      În natură este foarte greu de sesizat un traseu perfect rectiliniu. Toate cursurile de apă prezintă curburi mai ample sau mai mici, cunoscute sub denumirea generică de meandre. Orice menadră prezintă o adâncire mai mare în dreptul malului concav şi o zonă cu adâncimi mici , unde predomină acumularea, în malul concav.

      Apariţia malurilor concave adânci şi a celor uşor adâncite, se datorează  unor cauze diverse: forţa de gravitaţie, forţa Coriolis, forţa centrifugă. Cea mai importantă dintre ele, mai ales în cadrul meandrelor, este forţa centrifugă a cărei valoare se poate determina cu ajutorul formulei: 

 

unde:

      m = masa apei;

      V = viteza;

      R = raza de curbură a concavităţii.

      Această  forţă determină o ridicare a oglinzii apei spre malul concav, sub un unghi α, cu o anumită înălţime (H), care poate fi determinată cu ajutorul vitezei curentului, a razei de curbură a râului (R) a acceleraţiei gravitaţionale (g) şi a lăţimii râului (B).

      Într-un curs natural de apă i-au naştere curenţi interiori foarte complecşi: un curent superficial, convergent, în formă de pană ce coboară spre talveg; un curent de fund, divergent, în formă de evantai, ce se abate traptat de la direcţia convergentă a curentului de la talveg spre maluri.

      Datorită  vitezei mai mari a masei de apă din zona centrală a unui râu se formează curentul superficial convergent care atrage după sine apa de la margini, formând spre suprafaţă o coamă mai ridicată. Curentul superficial convergent provoacă formarea unor curenţi circulari care, în sectoarele rectilinii ale râurilor, în secţiune transversală, se separă în două circuite ce converg spre suprafaţă şi diverg în adâncime. Prin acţiunea curentului de fund, materialul erodat, atât din albie, cât şi din malul concav, este depus în sectorul reniei.

      Datorită  mişcării de atracţie a apei, curenţii circulari se manifestă, de-a lungul râului, sub forma unor curenţi elicoidali longitudinali, divergenţi spre profunzime, uşor vizibili în porţiunile rectilinii ale albiilor. În cadrul meandrelor, acolo unde talvegul se apropie de malul concav, se produce o afluenţă unilaterală, iar cele două inele circulare, formate în sectorul rectiliniu al cursului, se transformă într-o mişcare circulară unilaterală. În acest sector, particulele de apă din imediata apropiere a malului, întâmpinând rezistenţa materialelor din care este compus, se abat de la direcţia lor iniţială deplasându-se de-a lungul curburii malului concav.

      Curentul de lângă mal este presat de curentul învecinat ce se mişcă  rectiliniu, se izbeşte de mal şi este reflectat îndreptându-se în direcţia malului opus. Curenţii respinşi, astfel rezultaţi, din cauza vitezei reduse, nu vor mai putea învinge presiunea celorlalţi şi vor fi nevoiţi să coboare la fund, determinând apariţia circulaţiei de adâncime îndreptată de la mal spre profunzime şi spre malul opus.

      În profil transversal curenţii vor avea viteze maxime lângă malul concav, reduse pe fund şi minime în regiunea malului convex. Prin coborârea lor în dreptul malului concav, curenţii îl vor eroda şi vor antrena aluviunile spre malul convex unde le vor depune datorită vitezei reduse.

      La revărsări, direcţia generală a curenţilor caută să  se conformeze direcţiei văii râului şi nu sinuozităţii albiei minore. Se formează astfel două cursuri de apă: superior, ce urmează direcţia văii; inferior, pe direcţia albiei minore. Se pune în evidenţă existenţa unor zone de amestec turbulent în regiunea de tranziţie dintre albia minoră şi cea majoră, caracterizate prin formarea de turbioane cu axa verticală care realizează un transfer cantitativ de mişcare între albii. În urma acestui transfer cantitativ de mişcare între albia minoră şi cea majoră, produs prin aceste turbioane, vitezele şi debitele corespunzătoare primei, se reduc, iar celei corespunzătoare celei de-a doua, cresc.

      Dinamica procesului de interacţiune se explică pe baza conceptului emis de Hsin-Kuan Liu (1957), aplicat iniţial pentru formarea ripplurilor din patul albiilor aluvionare. Cei doi curenţi sunt în contact şi se deplasează cu viteze difereite în aceeaşi direcţie. Când, dintr-un motiv oarecare, în unul din straturi se produce o uşoară deviere de la direcţia rectilinie iniţială, vitezele locale se vor micşora în zonele în care liniile de curent sunt divergente şi vor creşte în zonele în care acestea sunt convergente. Fenomenul conduce la accentuarea iregularităţilor liniilor de curent în lungul curgerii astfel încât, la un moment dat, echilibrul se rupe şi zonele de  discontinuitate se transformă într-o serie de turbioane de mărime finită.

      În profil transversal, curenţii de apă superficiali, prin deviere, se vor izbi de maluri şi se vor transforma în curenţi transversali de fund. În sectorul bancurilor de nisip se observă o dispoziţie a curenţilor sub formă de evantai deoarece nu există o curbură bine definită a albiei în plan şi nici posibilitatea folosirii unor curenţi transversali. Din această cauză curenţii orizontali se împrăştie în toată secţiunea şi se amestecă între ei.

      Principalele caracteristici ale curgerii într-o albie meandrată se rezumă la:

      - existenţa unei mişcări generale elicoidale, liniile curentului fiind curbilinii în spaţi (mişcare în spirală);

      - apariţia unei supraînălţări de nivel (Δh) la malul concav, de unde existenţa unei pante transversale în curbă (I_r).

      Existenţa malurilor concave şi convexe, în cadrul albiilor, dovedeşte că  aceasta se deplasează în plan orizontal. Eroziunea malurilor concave poate depăşi, uneori, 10-15 m/an, sau chiar 100 m/an (Kondratiev, Popov, 1965; Hooke, 1978). O vreme s-a crezut că meandrele migrează numai spre aval însă, observaţiile şi măsurătorile de teren, precum şi cercetările pe bază de analize aerofotogrammetrice, au demonstrat că sunt şi cazuri când migrarea lor se poate face şi spre amonte sau, în mod frecvent, lateral. Identificarea direcţiilor de migrare se face prin măsurarea unghiului azimut între direcţia principală şi axa de eroziune a unui meandru, definită ca ortogonală pe renie, în lungul căreia eroziunea este maximă în apexul buclei (Hickin, 1975). Acest parametru este definit prin procese şi nu prin morfologie. Rata de migrare a meandrelor scade cu cât amplitudinea acestora creşte (Kinoshita, 1961).

      În stadiul unei evoluţii avansate, meandrele pot ajunge la fenomene de autocaptare sau străpungere naturală care reprezintă un fenomen de ajustare a pantei şi scurtării râurilor. De cele mai multe ori autocaptarea se realizează în timpul revărsărilor. Dintre efectele favorabile se pot menţiona: reducerea lungimii râului, scurtarea lăţimii fâşiei inundabile, reducerea timpului de navigaţie, a razei curburii buclelor rămase care duce la micşorarea albiei ce trebuie stabilizată etc. Dintre dezavantaje sunt amintite: creşterea pantei şi vitezei care, la rându-le, determină o accelerare a eroziunii patului, ceea ce se răsfrânge asupra stabilităţii întregului sistem de exploatare.

      Reţeaua hidrometrică

      Hidrometria este ramura hidrologie care se ocupă cu descrierea aparatelor şi instalaţiilor hidrometrice, cu tehnicile şi metodele de măsurare şi analiză a caracteristicilor fizice şi chimice ale apei şi cu prelucrarea datelor obţinute.

      Pentru obţinerea datelor cu privire la fenomenele hidrologice din cadrul unui bazin hidrografic este nevoie, ca în anumite puncte geografice, să  se înfiinţeze servicii speciale de măsurare a nivelurilor, debitelor, vitezelor etc. În funcţie de importanţa lor acestea se numesc staţii hidrometrice, posturi hidrometrice etc. Totalitatea acestor servicii constituie o reţea hidrometrică care, la rându-i, înglobează două reţele componente: una cu funcţionalitate de lungă durată (reţeaua hidrometrică de bază); alta cu durată de funcţionare relativ scurtă (reţeaua hidrometrică auxiliară).

      Hidrometria este disciplina care asigură informaţiile culese în timp şi spaţiu, asupra regimului de variaţie a resurselor de apă. În acest caz hidrometria poate să aibă o imagine asupra ecartului de variaţie a fenemenelor hidrologice studiate, să determine o serie de parametri din formule empirice şi modele hidrologice, să formeze şiruri statistice şi să realizeze operaţii de prognoză hidrologică.

      Reţeaua hidrometrică de bază trebuie să furnizeze date continui pe cel puţin 20-25 ani. Staţiile sau posturile hidrometrice trebuie amplasate în locurile care să asigure caracterul natural al variabilei studiate. În aceste condiţii trebuie să se evite influenţele provenite din:

      - vecinătatea imediată a construcţiilor hidrotehnice de genul lacurilor de acumulare, prizelor de apă etc., dar şi a podurilor cu debuşee reduse;

      - instabilitatea în plan orizontal şi vertical a albiei;

      - lipsa de sensibilitate hidrologică (variaţiile mari ale nivelurilor în profil transversal care conduc la variaţii mici de debite);

      - accesul dificil de la cea mai apropiată arteră de circulaţie.

      Repartizarea staţiilor hidrometrice şi inclusiv a posturilor, în cadrul reţelei, trebuie să aibă în vedere următoarele criterii:

      - pe sectoare lungi, fără afluenţi importanţi, distanţele între două puncte hidrometrice să se aleagă astfel încât debitul mediu al cursului de apă, respectiv între două asemenea puncte învecinate, să difere cu cca.20%;

      - la confluenţe importante, fiecare curs de apă să dispună  de câte un punct hidrometric imediat în amonte, iar pe cursul principal de apă, de un punct în aval la o distanţă care să satisfacă  diferenţa de 20%, mai sus menţionată, în raport cu însumarea debitelor de la confluenţă.

      Reţeaua hidrometrică de bază din România se compune din 760 puncte hidrometrice, ceea ce ar reveni un punct la 320 km². Punctele hidrometrice din reţeaua auxiliară completează, temporar, reţeua de bază cu scopul obţinerii informaţiilor suplimentare. Fiecare punct de măsurare este identificat prin numele râului şi localitatea cea mai apropiată sau locul amplasării postului (ex: Moldoviţa la Dragoşa şi Lunguleţ, Dâmboviţa la Conţeşti etc.).

      Nivelul râurilor

      Prin nivelul apei râurilor se înţelege cota oricărui punct situat pe suprafaţa liberă a apei, la un moment dat. Planul orizontal de referinţă poate fi considerat nivelul mării sau un plan relativ. Planul fix este socotit ca fiind orizontala care intersectează partea inferioară a mirei. Limita inferioară are valoarea zero şi poartă numele de planul “0” al mirei. Nivelul apei din punctele reţelei hidrometrice, este dat de cota suprafeţei libere din profilul transversal, adică de mărimea verticalei în momentul măsurării.

      În acest caz nu trebuie să se confunde termenii de nivel şi adâncime deoarece sunt noţiuni diferite. Adâncimea se raportează la configuraţia albiei astfel încât pentru acelaşi nivel, în profil transversal, se obţin valori variabile pentru adâncimi. Deoarece cotele nivelurilor se pot schimba cu timpul datorită proceselor de eroziune sau acumulare din albia minoră, se recomandă ca nivelurile apelor citite pe miră să fie corelate cu “0” al graficului. Acesta din urmă se stabileşte pentru fiecare post hidrometric, la înfiinţarea lui şi trebuie să rămână neschimbat pe tot parcursul perioadei de activitate. Cota “zero a graficului” se fixează, de regulă, cu 0,5m mai jos decât nivelul cel mai scăzut al apelor. La albiile de râu, care sunt supuse unei intense eroziuni, “zero al graficului” se stabileşte cu 1-2m sub punctul cel mai adânc al albiei minore. La râurile de câmpie, unde predomină acumularea, “zero al graficului” se poate lua pe linia talvegului sau mai jos.

      Pentru transporturile fluviale, citirea nivelurilor se face prin întrebuinţarea unui “0” al navigaţiei, care reprezintă nivelul minim de navigaţie pe râu.

      Construcţii pentru măsurarea nivelurilor

      Pentru măsurarea nivelurilor se utilizează mira hidrometrică. Aceasta este o riglă care indică nivelul suprafeţei apei unui râu, lac, canal, baltă etc.

      Pentru a instala mira hidrometrică este necesar ca sectorul de râu să  fie rectiliniu pe cel puţin 100m, să nu prezinte rupturi de pantă, malurile să fie consolidate şi albia să fie stabilă în timpul viiturilor. Mira trebuie să fie perfect verticală şi fixată pe culeea unui pod, pe unul sau mai mulţi piloţi din albie etc.

      În funcţie de particularităţile locale ale râului şi de scopul urmărit, se folosesc mai multe tipuri de mire.

      Mira hidrometrică este formată din mai multe plăci de aluminiu, cu lungimi de 0,5-1m fiecare, divizate din 2 în 2 cm, în aşa fel încât fiecare decimetru să formeze în alternanţă litera E. Plăcile se amplasează în poziţie verticală, pe unul sau mai mulţi piloţi, în funcţie de configuraţia albiei. Piloţii amplasaţi trebuie să aibă o stabilitate maximă, pentru a nu fi dislocaţi în timpul viiturilor şi să permită citirea nivelurilor pe întregul ecart de variaţie multianuală.

      Partea inferioară a mirei este fixată, cu punctul “0 miră” în sectorul cel mai jos al fundului de albie deoarece trebuie citite şi cele mai coborâte niveluri posibile.

      Ţinând cont de configuraţia albiei, mirele fixe trebuie instalate pe un singur sau pe mai mulţi piloţi în cazul în care malul prezintă o pantă redusă. Se impun precauţii la instalare, fiind necesare nivela sau teodolitul, pentru ca mirele de pe piloţii succesivi să fie aliniate în aşa fel încât să nu se suprapună sau să nu rămână distanţe între capetele lor. Pe pilotul situat la cota cea mai joasă, mira se introduce în pământ cu 30-50 cm faţă de cel mai coborât nivel, iar pe primul pilot, situat la cota cea mai ridicată, mira trebuie să se termine cu cca.50 cm mai sus faţă de cel mai ridicat nivel înregistrat în perioada observaţiilor.

      Când nu se dispune de plăci de miră, se pot instala, pe piloţi, repere cu cote bine determinate, în raport cu care se pot face citirile cu mire portabile (Diaconu et al., 1997; Zăvoianu, 1999).

      După  modul de aşezare, în raport cu înclinarea malului, mirele pot fi:

      - verticale, cu piloţi şi plăci în poziţie verticală;

      - înclinate, cu valori ale înclinărilor de 35⁰, 45⁰ sau 60⁰ în funcţie de înclinarea malurilor.

      1.Mirele verticale în raport cu modul lor de instalare pot fi:

      Mire hidrometrice instalate pe o construcţie hidrotehnică deja existentă, de genul pilei sau pe culeea unui pod. Plăcile sunt montate în acelaşi loc pentru întregul ecart de variaţie a nivelurilor. În cazuri extreme aceste mire se pot completa cu unu sau doi piloţi de miră la partea inferioară a albiei minore sau în albie.

      Mire hidrometrice pe piloţi izolaţi dispune de un singur pilot instalat la malul cursului de apă.

      Mire pe piloţi în scară, alcătuite din unu sau mai mulţi piloţi metalici sau din lemn, implantaţi în scară pe malul înclinat, cu mire montate la nivelment pentru a putea realiza o continuitate a citirilor.

      Numerotarea piloţilor se face începând de la mal spre axul râului.

      Mire pe zidărie, instalate în cazul în care malul râului este protejat de un zid de beton sau piatră.

      2.Mirele înclinate

      Sunt folosite în cazul ecarturilor mari de variaţie care se manifestă, cu precădere, în lacurile de acumulare sau chiar naturale. De regulă, sunt instalate pe locurile stâncoase, pe malurile betonate ori înclinate (canale) ori pe malurile de râu amenajate şi protejate de pereuri stabile.

      Pentru mirele instalate se fixează o serie de planuri caracateristice, cu cote bine precizate. La partea inferioară a mirelor se deosebesc:

      -planul “0” al mirei trece prin cota “0” a mirei şi pentru care se determină poziţia altimetrică precisă;

      -planul “0” al graficului este imaginar şi se fixează cu până  la 1m mai jos faţă de “0” al mirei şi la care se raportează  toate citirile nivelurilor care se efectuează la miră. Este o măsură de prevedere deoarece, în viaţa unei mire, survin accidente, de genul ruperii şi reinstalarea la aceeaşi cotă este foarte greoaie, albia se poate adânci şi nivelul “0” al mirei să rămână suspendat. La reinstalarea mirei, în astfel de situaţii, se determină numai diferenţa ΔH între “0” miră şi “0” grafic, iar corectarea nivelurilor se face cu noua valoare, fără a fi afectate valorile pe termen lung.

      La partea superioară, mira se marchează cu vopsea, printr-o linie orizontală, cu următoarele indicative:

      -cota de atenţie (CA), cu linie albastră; semnifică preavizarea unei viituri mari cu pericolul producerii inundaţiilor;

      -cota de inundaţie (CI), cu linie roşie; mai sus cu 0,5m arată cota la care, practic, începe procesul inundării albiei majore, a unui teren sau a unui obiectiv protejat;

      -cota de pericol (CP), cu linie galbenă; de regulă, cu 0,5m mai sus ca cea anterioară, avertizează asupra acţiunilor de evacuare a unităţilor industriale, case sau grajduri de vite, pentru a se evita pierderile de vieţi omeneşti sau de bunuri materiale (Savin, 1996; Diaconu et al., 1997; Zăvoianu, 1999).

      Limnigraful reprezintă instrumentul care înregistrează grafic toate variaţiile verticale ale suprafeţei apei din cadrul unui râu sau lac.

      Limnigraful se montează într-o cabină metalică aşezată deasupra unui tub sau puţ săpat în malul râului şi pus în legătură cu apa acestuia printr-un canal sau tub de legătură.

      După  instalarea mirelor hidrometrice se efectuează citirea nivelurilor, zilnic la orele 07 şi 17 pentru orarul de iarnă şi 06 şi 18 pentru cel de vară. Când sunt creşteri sau scăderi bruşte ale nivelului apei, citirile se pot face şi la intervale mai mici de timp. Citirile din timpul unei viituri, înregistrate din 10 în 10 cm, sunt notate în carnet. Pentru citirea corectă a nivelului se impun următoarele condiţii:

      - mira să fie în contact direct cu suprafaţa apei din râu (în cazul în care mira este izolată de depunerile mâloase, nivelul de la miră nu este în corcordanţă cu cel din râu şi, în acest caz, se execută un şanţ care să repună mira în legătura cu albia principală);

      - în condiţiile existenţei unui pod de gheaţă nu se citeşte nivelul arătat de suprafaţa gheţii, ci aceasta se sparge în dreptul mirei pentru a se putea citi nivelul efectiv al apei;

      - citirea trebuie făcută de la o distanţă mică.

      Pentru mirele cu plăci, nivelul citit se rotinjeşte la centimetru, în carnet trecându-se valoare din urmă. La mirele portabile, aceasta se aşează  în poziţie verticală pe capul pilotului plasat sub apă  după care se citeşte nivelul; în acest caz, valoarea citită pe miră se adună la cota pilotului şi se obţine nivelul real. Când capătul pilotului nu se află sub apă, se măsoară distanţa între capul acestuia şi suprafaţa apei şi valoarea se scade din cota pilotului pentru a se obţine nivelul real. Din două sau mai multe citiri ale nivelurilor se calculează nivelul mediu zilnic al punctului ales.

      În condiţiile existenţei unui acces greoi la punctul de măsurare se folosesc aparate de măsurat care transmit valoarea nivelului la distanţă (până la 5 km). Instrumentarul respectiv este prevăzut cu o sursă de curent electric (până la 60 V) şi se bazează, fie pe principiul variaţiei rezistenţei curentului electric (variaţia nivelului modifică intensitatea curentului electric), fie pe emiterea de impulsuri electrice (se emit 5-15 impulsuri pe secundă).