Hidrologia apelor curgătoare

      Hidrogradul

      Este egal cu a zecea parte din diferenţa nivelului minim şi maxim înregistrat în locul măsurătorii. Valorea lui se exprimă în centimetri.

      Nivelul maxim (H_max) al apelor reprezintă nivelul cu cea mai mare valoare înregistrată la postul hidrografic respectiv, pe toată perioada de observaţie.

      Nivelul minim (H_min) este nivelul cu cea mai mică valoare înregistrat la postul hidrografic respectiv, pe toată perioada de observaţii.

      Nivelul apei la zi (H_zi) reprezintă nivelul sau cota râului, transmisă în ziua respectivă prin radiou, telefon sau alte mijloace.

      Valoarea hidrogradului (H_gr) se determină cu ajutorul formulei: 

 

      Pentru a determina numărul hidrogradelor (Nr.H_gr) la fiecare post hidrometric se efectuează un raport între diferenţa apei la zi (H_zi), nivelul minim (H_min) şi valoarea unui hidrograd (H_gr): 

 

      După  obţinerea numărului de hidrograde pentru toate posturile hidrometrice de pe cursul unui râu se întocmeşte harta cu hidrograde. Numărul de hidrograde se cartează, pe fiecare sector de râu, prin intermediul metodelor cartogramelor sau metoda graficelor circulare.

      Pe baza hidrogradelor se poate face şi o anumită apreciere a nivelurilor: între 1-3 hidrograde sunt ape mici şi medii; între 4-7 hidrograde sunt ape mari; între 8-10 hidrograde sunt ape de inundaţie.

      Tipurile de niveluri

      Nivelurile medii zilnice rezultă din mediile aritmetice a nivelurilor citite pe mire sau pe limnigrafe în ziua respectivă. Rezultă din media valorilor citite la orele 07 şi 17.

      Nivelurile caracteristice lunare şi anuale reprezintă media aritmetică a nivelurilor zilnice dintr-o lună.

      Nivelurile maxime şi minime lunare se extrag din valorile instantanee ale unei luni şi nu din şirul de valori medii zilnice.

      Nivelul mediu anual rezultă din media aritmetică a celor 12 valori medii lunare.

      Nivelul maxim şi nivelul minim anual se alege din valorile cele mai mari sau cele mai mici ale nivelului din cursul unui an.

      Pe “anuarele hidrologice” nivelurile medii zilnice sunt raportate la “0” al mirei sau la “0” al graficului.

      Pentru întocmirea diagramei cu oscilaţiile de nivel zilnice trebuie extrase din anuarul hidrologic datele referitoare la postul şi râul în cauză, după care se trec într-un tabel. Pe baza acestor date se construieşte hidrograful nivelurilor zilnice: pe abcisă se trec zilele şi lunile din cursul unui an, iar pe ordonată, în funcţie de valorile minime şi maxime ale nivelului, se stabileşte scara intervalelor de nivel.

      O caracterizare corectă asupra evoluţiei regimului de curgere a apelor este dată de graficul de frecvenţă şi durată a nivelurilor. Se stabileşte un raport între nivelurile maxime şi minime din cursul unui an sau a unui şir de ani, precum şi un număr de intervale cu cota nivelurilor în cm. Cu cât cotele intervalurilor de niveluri sunt mai mici, cu atât aprecierea asupra regimului apelor este mai judicioasă. Pentru întocmirea graficului de frecvenţă şi durată a nivelurilor se foloseşte un sistem de coordonate rectangulare: pe abcisă se trece numărul de zile dintr-un an, iar pe ordonată intervalul de niveluri.

      Debitul râurilor

      Debitul lichid

      Prin debitul de apă al unui râu (Q) se înţelege cantitatea de apă  care se scurge prin secţiunea activă în decursul unei unităţi de timp. El se exprimă în l sau m³ şi este asociat cu unităţile de timp s, min., oră, zi etc. Uzual se folosesc m³/s sau l/s.

      Debitul mediu specific (debitul pe unitate de suprafaţă) (q) se exprimă  în l/s/km² sau m³/s/km² şi este raportul dintre debitul de apă (Q) şi suprafaţa bazinului hidrografic (F sau S_b): 

 

      Prin raportarea debitului scurs (Q) într-un interval de timp dat (T) (zi, lună, an) la suprafaţa bazinului (F sau S_b) se obţine înălţimea stratului de apă scurs (h_mm) de pe un areal dat: 

 

      Metode de determinare a debitului lichid

      Debitul se poate calcula atât prin metode directe, cât şi indirecte. Printre cele mai utilizate metode de determinare a debitului sunt: morişca hidrometrică (metoda analitică, metoda grafoanalitică etc.), flotorii de suprafaţă, metoda volumetrică, deversorii hidrometrici (deversori dreptunghiulari, deversori triunghiulari), metoda chimică, cheia limnimetrică (corelaţia dintre niveluri şi debite). În fiecare caz se porneşte de la formula generală conform căreia debitul (Q) reprezintă produsul dintre secţiunea de curgere (ω) şi viteza apei (V): 

Q = ωV. 

      În funcţie de numărul verticalelor de viteză utilizate şi numărul punctelor de măsurare a vitezei pe fiecare verticală, măsurătorile pot fi:

      - complete, când vitezele sunt măsurate în toate punctele standard de pe verticalele vitezelor din cadrul profilului;

      - măsurători la 0,6h, când în fiecare verticală se măsoară  viteza numai la 0,6 din adâncimea fiecărei verticale;

      - măsurători la suprafaţă, când în fiecare verticală se măsoară viteza doar la suprafaţă;

      - integrală, când viteza medie a fiecărei verticale se determină  prin metoda integrării vitezelor.

      Cele mai importante debite întâlnite pe un curs de apă sunt:

      Debitul maxim maximorum (Q_max.max) reprezintă debitul cel mai mare înregistrat până în prezent. Poate avea şi caracter catastrofal (Q_cat).

      Debitul extraordinar (Q_max.ex) reprezintă debitul cel mai mare înregistrat într-o perioadă de 30 ani consecutivi.

      Debitul maxim anual (Q_max.an) este debitul cel mai mare înregistrat în timp de un an şi are o durată de o zi în cadrul acelui an.

      Debitul mediu anual (Q_med.an) este un rezultat obţinut prin media aritmetică a debitelor zilnice dintr-un an.

      Debitul normal sau debitul modul (Q₀) reprezintă media aritmetică a debitelor anuale pe un şir îndelungat de ani.

      Debitul mediu (Q_med.vară; Q_med.decadă etc.) este debitul care se stabileşte pentru o anumită perioadă de timp (decadă, lună, anotimp).

      Debitul de etiaj (Q_etj) exprimă situaţia debitului minim minimorum a cărui valoare este mai mică decât media debitului minim. Acest debit este considerat ca fiind debitul cu durata de 355 zile şi numai 10 zile din an ar putea să producă un debit mai mic decât Q_etj. Debitele specifice cu cantitatea de apă mai mică de 1 l/s/km² sunt considerate debite de etiaj.

      Debitul minim anual (Q_min.an) reprezintă debitul cu cea mai mică valoare dintr-o zi a unui an.

      Debitul minim minimorum (Q_min.min) este debitul cu cea mai mică valoare, produs până în prezent.

      Debitul specific reprezintă debitul de apă scurs pe versanţi, care poate fi raportat la suprafaţa bazinului hidrografic de pe care se colectează. Se calculează conform relaţiei: 

 

      Când debitul (Q) curge continuu pe intervalul de timp (T), volumul (QT) poate fi echivalent şi cu înălţimea (h) unui strat de apă uniform repartizat pe întreaga suprafaţă a bazinului hidrografic. Se obţine prin relaţia:

 

      Constanta debitului unui râu (coeficientul de torenţialitate) reprezintă raportul dintre debitul maxim şi cel minim înregistrat ( pentru Bârlad, pentru Someşul Mic, pentru Dunăre etc.).

      Debitul mediu total al râurilor din România este estimat la valoarea de 1150 m³/s, din care 443 m³/s aparţin bazinului Tisei, 702 m³/s bazinului Dunării şi doar 5 m³/s bazinului Mării Negre. Din regiunea montană, de la altitudini mai mari de 500m, provin cca.84% (955 m³/s) din scurgerea totală, restul aparţinând regiunilor de şes (6,9%) şi de dealuri (Podişul Transilvaniei cca.70 m³/s, Podişul Moldovei şi Podişul Sucevei cca.30 m³/s, Câmpia Română şi Piemonturile Sudice cca.55 m³/s, Câmpia de Vest şi Piemonturile Vestice 30 m³/s) (Ujvari, 1972).

      Pentru a se asigura un echilibru între perioadele cu excedent de umiditate şi cele cu deficit, este necesar să se realizeze o regularizare a debitelor, adică o compensare a acestora. Cea mai rapidă şi eficientă măsură o reprezintă construcţia de lacuri de acumulare (lacurile de pe râul Olt, L.Vidraru de pe Argeş, L.Strâmtorii de pe Firiza, L.Tarniţa şi L.Fântânele de pe Someş, L.Izvorul Muntelui pe Bistriţa, L.Vidra pe Lotru etc.). 

Tabel 4 Debitele principalelor fluvii şi râuri de pe Terra 

      Debitul solid (aluvionar)

      Aluviunile sunt materialele de natură anorganică şi organică  care au greutate specifică mai mare decât a apei şi sunt cărate de acestea din urmă dintr-un loc în altul. Debitul solid reprezintă întreaga cantitate de aluviuni transportată de apele unui râu prin secţiunea sa activă într-o unitate de timp. Se exprimă în g/s sau kg/s.

      Transportul aluviunilor prin albia râurilor se efectuează pe mai multe căi: rostogolire, târâre, suspensie şi soluţie. Rostogolirea se produce pe râurile de munte sau în cadrul organismelor torenţiale. Transportul prin târâre este specific cursurilor mijlocii, mai cu seamă la aluviunile care au o greutate specifică egală sau mai mică decâta a apei. În momentul în care mişcarea turbulentă devine mai activă, aluviunile fine sunt transportate în suspensie. Transportul în soluţie îl realizează apele încărcate cu clorură de natriu sau alte săruri.

      Aluviunile în suspensie au cea mai mare frecvenţă în transportul exercitat de râuri şi pot reprezenta 90-98% din totalul aluvionar. Excepţie fac doar cursurile superioare ale râurilor montane, unde ponderea cea mai mare o au aluviunile de fund. În cadrul secţiunii active a râului, repartiţia aluviunilor în suspensie depinde de intensitatea mişcării turbulente, de mărimea, forma şi greutatea particulelor

      De obicei, cantitatea de aluviuni, în secţiunea vie a unui râu, creşte de la suprafaţă spre adâncime şi de la maluri spre mijlocul albiei. Pentru colectarea aluviunilor se folosesc batometrele cu umplere instantanee şi batometrele cu umplere prelungită.

      Pentru calculul debitului solid se folosesc datele obţinute pentru debitul lichid, precum şi rezultatele probelor analizate în laborator. Turbiditatea apei se află conform formulei: 

 

unde:

      ρ = turbiditatea unei probe (într-un punct) (g/m³);

      P = greutatea aluviunilor din punctul de colectare (g);

      A = volumul probei (cm³);

      10⁶ = coeficientul de transformare a metrilor cubi în milimetri cubi.

      Instrumente utilizate la prelevarea probelor de aluviuni în suspensie

      În vederea recoltării probelor de aluviuni aflate în suspensie se folosesc mai multe tipuri de dispozitive cunoscute sub numele de batometre.

      Batometrul cu umplere instantanee prezintă un cilindru metalic, cu capacitate cunoscută (între 500-5.000 cm³), prevăzut la ambele capete cu câte un capac metalic ce se închide etanş. Batometrul în poziţie deschis, fixat de o tijă metalică, se introduce la adâncimea dorită, pe direcţia de curgere a apei, după care se scoate şi se goleşte în sticle sepciale sau alţi recipienţi cu volum cunoscut.

      Sticla cu ajutaj se caracterizează printr-o umplere prelungită şi este alcătuită dintr-un recipient cu capacitatea de 1 l, care se fixează pe un suport de metal şi se scufundă la adâncimea dorită. De regulă, este o sticlă de lapte închisă cu un dop prin care trec două ţevi: una de umplere, orientată contra curentului; alta de ieşire a aerului din sticlă, orientată în direcţia curentului. Pentru a împiedica pătrunderea apei în sticlă în timpul scufundării până la locul de prelevare, orificiul de pătrundere a apei se astupă cu un dop legat cu sfoară; la momentul potrivit se trage sfoara şi prin urmare dopul iese din orificiu.

      Dispozitivul de astupare a sticlelor poate fi constituit din patru dopuri (capete) care prezintă diametre diferite ale ţevii de umplere. La viteze mari ale apelor se foloseşte orificiul cel mai muc, iar la viteze mici, cel mai mare. La viteze şi adâncimi mari, batometrul se introduce, la fiecare punct de măsurare, cu ajutorul unui cablu lestat. Pentru râurile mici se poate folosi şi o sticlă cu capacitatea de 1 l.

      Sistemul de umplere lentă reprezintă mai exact situaţia pulsaţiilor pe care le are curentul de apă în perioada umplerii. Este recomandabil ca măsurătorile să se execute în profilul de la miră pentru ca rezultatele să fie corelate cu cele ale debitelor lichide.

      Tipuri de măsurători pentru aluviunile în suspensie

      În funcţie de posibilităţi şi de interesul avut se pot face mai multe tipuri de măsurători ale debitului solid în suspensie.

      Măsurători complete se fac, de regulă, în timpul măsurătorilor de debit lichid. Se recoltează probe de apă din toate punctele în care s-a determinat viteza, sau în verticalele caracteristice care îndeplinesc condiţiile:

      - să fie amplasate în zonele cu turbiditate mare faţă de restul verticalelor;

      - să fie în sectoarele profilului transversal cu neregularităţi pronunţate.

      Măsurători simplificate de aluviuni se efectuează în perioada viiturilor şi a apelor mari, când nu există timpul necesar pentru efectuarea măsurătorilor complete. Măsurătorile se efectuează la 0,6h sau la suprafaţă, în funcţie de modul cum s-au determinat vietezele din timpul viiturilor.

      Măsurători simple constau în recoltarea probelor numai din verticalele stabilite (una sau două) pentru acest tip de măsurători.

      Când se efectuează măsurătorile “complete” se prelevează  probe şi din verticalele fixate pentru probele “simple”.

      Măsurători de control sunt aşa-zisele măsurători “complete” (două sau trei) care se execută la fiecare staţie, în decursul unui an. Se acordă o atenţie deosebită viiturilor.

      Măsurătoarea integrată constă din coborârea lentă şi cu viteză uniformă a batometrului cu umplere înceată, pe tot traseul verticalei. Proba are valoarea turbidităţii medii pe verticală.

      Apa medie tip este asemănătoare ca procedeu cu măsurătoarea completă (Carbonnel citat de Zăvoianu, 1999). Se prelevează probe din toate punctele de măsurare a vitezei, numai că acestea, în final, se varsă într-un vas mai mare unde se amestecă bine toate probele. Din întreaga cantitate bine omogenizată se ia o singură probă, care este reprezentativă pentru întreaga secţiune. Rezultatul reprezintă turbiditatea medie pe secţiune şi cu ajutorul ei se poate calcula, în funcţie de debitul de apă, şi cantitatea de aluviuni transportată de cursul de apă.

      Probele recoltate se pun la filtrat în vederea reţinerii aluviunilor. Greutatea filtrelor a fost determinată după o prealabilă uscare în etuvă la 105⁰C. Greutatea va fi inscripţionată pe filtrul gol şi pe plicul în care se va vărsa. Pe plic se trec şi numele râului, staţiei hidrometrice, data la care s-a prelevat proba, cota mirei şi punctul de prelevare. Proba lichidă se trece prin filtru aşezat într-o pâlnie deasupra unui vas în care curge apa filtrată. Pe hârtia de filtru vor rămâne particulele solide. Filtrul cu aluviuni se usucă şi se introduce în plic. În laborator, filtrele se usucă din nou la 105⁰C pentru îndepărtarea apei din sedimente şi se vor cântări pentru determinarea greutăţii filtrului plin. Rezultatele se trec pe plic, pe filtru şi într-un registru. Ca urmare a diferenţei dintre cele două valori se determină cantitatea de aluviuni în suspensie. Prin urmare turbiditatea (ń) este cantitatea materialului solid (P) existentă într-un litru de apă recoltat (V): 

      

 

      Viiturile

      Reprezintă  creşterile bruşte şi de scurtă durată a nivelurilor şi implicit a debitelor râurilor, în general deasupra valorilor obişnuite, ca urmare a curgerii superficiale rezultată din ploi, din topirea zăpezilor sau ca urmare a unor accidente (ruperea unor baraje naturale sau antropice, supraalimentarea etc.). Cea mai importantă caracteristică a unei viituri este înălţimea apei în albie, care se poate ridica la valori foarte mari pentru unele fluvii: Parana 40m la Guaira, Garonne 12m la Agen, Târnava Mare 4m la Mediaş, Dunărea 5m la Patlageanca etc.