Capitolul 2: Elemente de Hidrologie Inginerescă PDF

Capitolul 2 ELEMENTE DE HIDROLOGIE INGINEREASCĂ  2.1. Generalităţi Hidrologia: ştiinţa care se ocupă cu studiul hidrosferei. Funcţie de obiectul de studiu: -hidrologia continentală: - studiul râurilor (potamologia) - studiul lacurilo...

Capitolul 2 ELEMENTE DE HIDROLOGIE INGINEREASCĂ  2.1. Generalităţi Hidrologia: ştiinţa care se ocupă cu studiul hidrosferei. Funcţie de obiectul de studiu: -hidrologia continentală: - studiul râurilor (potamologia) - studiul lacurilor (limnologia), - studiul mlaştinilor (telmatologia), - studiul apelor subterane (hidrogeologia) şi - studiul gheţarilor şi al zăpezilor (glaciologia); - hidrologia mărilor şi oceanelor (oceanografia) Hidrologia cuprinde trei ramuri principale: Hidrografia Hidrometria Prelucrarea datelor hidrologice  2.2. Factorii naturali ai scurgerii apelor Hidrologic, scurgerea apelor la suprafaţa pământului este determinată de ciclul hidrologic Condensare Advecţie Condensare Sublimare Zăpadă Condensare Advecţie Ploaie Scurgerea Evapotranspiraţie apelor topite Ploaie Evaporaţie Sol umed Vegetaţie Scurgere din Lac Râu Apă subterană râu Ocean Infiltraţie Scurgere de suprafaţă Percolaţie Scurgerea apei Apă subterană subterane  Scurgerea apelor la suprafaţa pământului este influenţată şi de o serie de factori naturali: factori climatici: precipitaţiile, temperatura, presiunea atmosferică, vântul, evaporaţia, transpiraţia vegetaţiei, etc. factori geomorfologici: caracteristicile reţelei hidrografice, ale bazinului hidrografic, şi ale albiei râului;  Cursurile de apă de suprafaţă se clasifică după mărimea debitului de apă scurs şi după gradul de permanenţă a curgerii în: – cursuri de apă mici, cu scurgerea intermitentă a apei (şuvoaie, torenţi, pâraie); – cursuri de apă mijlocii şi mari, cu curgere continuă a apei (râuri şi fluvii).  Izvorul râului: punctul, originea, din care râul începe să curgă ( un lac, o mlaştină, o apă subterană, etc.) Deşi în apropierea izvorului, râul poate avea dimensiuni şi debite foarte mici, în lungul curgerii, pe măsură ce din ce în ce mai multă apă se adună în acesta, dimensiunile şi debitul său cresc. Cursurile râurilor au fost divizate în trei sectoare, ţinând cont de diferitele caracteristici hidrologice, topografice, fizico-geografice, geologice, etc., în cursul superior (alpin), cursul mijlociu şi cursul inferior. Vărsarea râului este locul în care acesta se varsă de regulă în alt râu mai mare.  2.2.1. Reţeaua hidrografică Reţea hidrografică a unui curs de apă: sistemul de văi afluente, direct sau indirect, permanent sau temporar, în cursul de apă considerat principal. Caracteristicile unei reţele hidrografice sunt: – lungimea râurilor din reţea; – densitatea reţelei hidrografice. Lungimea cursului de apă: distanţa desfăşurată între punctul de origine şi punctul de vărsare. 3+160 1+200 izvor Punctul de confluenţă Km 4 Km 3 Km 2 Km 1 Km 0 2+400 Figura 2.1. Schema hidrografică a unui curs de apă Densitatea reţelei hidrografice: se exprimă prin lungimea tuturor ramificaţiilor unui curs de apă cuprinsă în unitatea de suprafaţă (km/km2) Lt D r.h. Sr. h. unde Lt = lungimea totală a tuturor râurilor din reţea, Sr.h. = aria teritoriului pe care se desfăşoară reţeaua  2.2.2. Văile cursurilor de apă Văile râurilor: forme negative de relief determinate în principal de apa provenită din precipitaţii şi care curge sub acţiunea gravitaţiei. Terasa Terasa malului drept malului stâng Versantul drept Versantul Lunca malului stâng stâng Grind Lunca malului Malul drept stâng Malul drept Talveg Albia minoră Albia majoră Figura 2.2. Secţiune transversală printr-un curs de apă  Secţiune transversală: intersecţia râului la nivel maxim cu un plan vertical, perpendicular pe direcţia de curgere a apei, în punctul dat. Traseul în plan: o formă sinuoasă, constituită dintr-o succesiune de curbe şi contracurbe, cu, sau fără porţiuni rectilinii intermediare Mal convex Talveg Traversadă Mal b) a) concav Figura 2.3. Traseul în plan al albiei unui râu: a) dispoziţie sinuoasă normală; b) meandră  Profilul în lung: este determinat de limita talvegului şi are o formă apropiată de o parabolă. Se modifică permanent sub acţiunea mai multor factori, cei mai importanţi fiind: panta şi structura geologică. H (m) I II III L (km) Figura 2.4. Modificările caracteristice ale profilului în lung al albiei Panta unui râu se defineşte ca fiind panta talvegului şi este dată de relaţia: I H L (m/km, ‰) Râurile de munte au pante de 20 – 300 m/km, iar cele de şes de 0,3 – 0,1 m/km.  2.2.3. Bazinul hidrografic Bazin hidrografic, bazin de recepţie sau bazin colector al cursului de apă: suprafaţa terenului de pe care o reţea hidrografică îşi colectează apele. Pot fi: – bazine hidrografice de suprafaţă – bazinele hidrografice subterane, Cumpăna apelor: locul geometric al punctelor de la care apa din precipitaţii atmosferice se scurge prin gravitaţie spre cursul de apă considerat. Caracteristicile bazinelor hidrografice I. Caracteristicile geometrice ale bazinelor hidrografice a) Suprafaţa şi forma bazinului hidrografic. Suprafaţa: determinată prin planimetrarea teritoriului determinat de cumpăna apelor, se notează cu F sau Sb.h. [km2] Forma: influenţează în mod hotărâtor regimul hidrologic al cursului de apă. Mărimi caracteristice: - lungimea bazinului hidrografic, L (km): distanţa de la capătul amonte, din zona izvoarelor, până la vărsare, măsurată pe linia mediană a bazinului hidrografic; - lăţimea medie a bazinului hidrografic, B (km): determinată ca raport S b.h. între SBH şi L: B L S b.h. - coeficientul de formă a bazinului hidrografic 4 Pb2.h. - coeficientul de asimetrie a bazinului; - graficul de dezvoltare a bazinului.  b) Altitudinea medie a bazinului hidrografic, definită ca o medie ponderată în raport cu suprafaţa bazinului hidrografic: 1 Sb. h. H med 0 H s ds S b.h. unde variabila independentă s reprezintă suprafaţa în sensul dezvoltării bazinului hidrografic, iar H este altitudinea secţiunii de închidere a subbazinului de suprafaţă s. n 1 1 Hi Hi 1 H med si 1 si S b.h. i 0 2 H = H(s): curba hipsometrică a bazinului hidrografic După altitudinea medie, BH se clasifică în: BH de munte: Hmed > 600mdM BH de deal: 200mdM < Hmed < 600mdM BH de câmpie: Hmed < 200mdM  H0 H1 H2 H [ mdM ] Hi H0 si Hi li H med Hn Hn 1 Hn S 0 si S b.h. a) b) Figura 2.7. Curba hipsometrică a unui bazin hidrografic c) Panta medie a bazinului hidrografic I 1 med I s s n 1 (m/km, ‰) i ,i 1 i 1 i S b.h. i 0  II. Caracteristicile fizico-geografice ale bazinelor hidrografice Poziţia geografică Structura geologică a scoarţei terestre pe suprafaţa bazinului Climatul Învelişul vegetal Orientarea bazinului  2.3. Debitele cursurilor de apă 2.3.1. Definiţii, componente. Debitul lichid, debitul solid Debitele de apă reprezintă principala mărime caracteristică a scurgerilor de suprafaţă (a râurilor) din punctul de vedere hidrologic. Sunt importante: debitul lichid al râului şi debitul aluvionar al râului.  Debitul lichid al râurilor Debit lichid al unui râu: cantitatea de apă care se scurge printr-o secţiune într-o unitate de timp (exprimat în [m3/s] sau [l/s]). Sunt alimentate în principal din precipitaţii, care pot ajunge în cursurile de apă de suprafaţă prin mai multe căi: a.scurgerea la suprafaţă, b.scurgerea hipodermică, c.scurgerea subterană, d.precipitaţii directe la suprafaţa cursului de apă  a. Scurgerea de suprafaţă, reprezintă scurgerea de pe suprafaţa solului, determinată de gravitaţie. Este vorba de scurgerea apelor provenite din ploi şi topirea zăpezilor şi care nu s-a infiltrat, evaporat sau acumulat în depresiunile de suprafaţă. Timp de concentrare al bazinului: timpul necesar unei picături de apă care cade în cel mai îndepărtat punct al bazinului hidrografic să ajungă în secţiunea de ieşire b. Scurgerea hipodermică, reprezintă scurgerea unei părţi din precipitaţiile infiltrate, în zone din imediata apropiere a suprafeţei terenului c. Scurgerea subterană, care provine din alimentarea straturilor freatice sau de mare adâncime prin infiltraţie. Este sursa scurgerii în perioadele dintre precipitaţii d. Precipitaţiile directe la suprafaţa apei Viitură: creşterea bruscă şi de scurtă Q 3 Vârful viiturii durată a nivelelor şi implicit a debitelor [m /s] Q max cursurilor de apă, ca urmare a curgerii superficiale rezultate din precipitaţii, topirea zăpezilor sau ca urmare a unor accidente (ruperi de baraje naturale sau artificiale, supraalimentări, etc.). Curba de secare Parametri care definesc un hidrograf Tcr de viitură sunt: Ttot debitul maxim, Qmax; t [h] volumul viiturii, Wmax; Figura 2.13. Hidrograful de viitură timpul de creştere, Tcr; timpul total al viiturii, Ttot. Cele mai importante debite ale unui curs de apă sunt: Debitul maxim maximorum (Qmax.max) reprezintă debitul cel mai mare înregistrat până în prezent. Poate avea şi caracter catastrofal (Qcat). Debitul extraordinar (Qmax.ex) reprezintă debitul cel mai mare înregistrat într- o perioadă de 30 ani consecutivi. Debitul maxim anual (Qmax.an) este debitul cel mai mare înregistrat în timp de un an şi are o durată de o zi în cadrul acelui an. Debitul normal sau debitul modul (Q0) reprezintă media aritmetică a debitelor anuale pe un şir îndelungat de ani (30-40) Debitul mediu (Qmed.anual, Qmed.lunar, Qmed.vară; Qmed.decadă etc.) este debitul care se stabileşte pentru o anumită perioadă de timp (decadă , lună, anotimp). Debitul minim minimorum (Qmin.min) este debitul cu cea mai mică valoare, produs până în prezent.  Debitul aluvionar al râurilor Debitul aluvionar (debitul solid) reprezintă cantitatea de aluviuni (particule solide, de dimensiuni mai mari sau mai mici – bolovani, pietriş, nisip, argilă- desprinse din scoarţa terestră sub acţiunea agenţilor atmosferici sau de altă natură şi antrenate de curenţii de apă de suprafaţă) transportată de apele unui râu prin secţiunea sa activă, în unitatea de timp.  2.3.2. Curbe caracteristice ale debitelor Cheia limnimetrică sau cheia debitelor într-o secţiune a unui râu reprezintă corelaţia dintre debitul de apă şi nivelul din această secţiune. Q A C R J unde: A- aria secţiunii vii, (m2); R – raza hidraulică, (m), R = A/P, cu P – perimetrul udat, (m); J – panta hidraulică (panta suprafeţei libere), egală în mişcarea uniformă cu panta râului 1 y C – coeficientul lui Chezy: C R n n – rugozitatea albiei exponentul y = 1.6  Curba de regim a debitelor (hidrograf): variaţia în timp (cronologic) a debitului, respectiv a valorilor medii zilnice lunare, anuale. Curba de durată (clasată): reprezentarea grafică a valorilor debitului, ordonate descrescător, indiferent de momentul apariţiei. Asigurarea (durata) unui debit reprezintă valoarea cumulată a intervalelor de timp pe care debitul Q depăşeşte crescător sau descrescător valoarea lui Qmediu. Exprimă cât la sută din timp este depăşit un anumit debit sau cât la sută din timp este asigurat acest debit (curbă de asigurare). Debitele mici au o durată (asigurare) mare, iar debitele mari au o durată foarte mică. Curba de frecvenţă: reprezentarea grafică a frecvenţelor relative ale debitelor, grupate în intervale egale. Qmax Qmin nk m 1 1,33 ln N Q fk m N [m3/s] [m3/s] 450 450 400 400 350 350 200 200 250 250 200 200 150 = 130m3/s 150 100 100 50 50 40 80 120 160 200 240 280 320 365 10 20 30 f [%] 0 t [zile] Figura 2.14. Curbele de regim, durată şi frecvenţă ale debitelor medii zilnice  Curba integrală a debitelor (CIQ): reprezintă variaţia în timp a volumelor cumulate corespunzând unui regim dat al debitelor. Curba CIQ este o curbă crescătoare, deoarece debitul unui râu este întotdeauna o mărime pozitivă. Construcţia CIQ se poate face analitic sau grafic. t V t Q t dt 0 Curba integrală a diferenţelor de debit (CI Q): t V t (Q t Q0 )dt 0 Spre deosebire de CIQ, CI Q nu mai este crescătoare, poate avea şi valori negative, şi este situată în lungul axei t.