HIDROLOGIE SI PROTECTIA APELOR NOTE DE CURS

CURS 1 HIDROLOGIE SI PROTECTIA APELOR Notiuni generale de hidrologie

Apa reprezint unul din elementele naturale indispensabile existenei lumii vii. Ea are un rol fundamental n desfurarea proceselor naturale (fizico-chimice, biologice, climatice, n modelarea reliefului) i a activitilor social-economice, constituind un mijloc important de comunicaie i de aprare, o materie prim pentru industrie, o surs apreciat pentru energie, pentru irigarea culturilor, alimentarea populaiei.

Prin diferitelor ei forme de manifestare i prin larga rspndire pe care o are, apa alctuiete unul dintre cele mai extinse nveliuri ale Terrei, cunoscut sub numele de hidrosfer. Aceasta se afl n relaii de interaciune i influen reciproc cu celelalte sfere ale Pmntului (atmosfera, litosfera i biosfera).

Pentru cei mai muli dintre noi, apa este un corp incolor, inodor i insipid. Aceast definiie, nsuit nc din copilrie, las o impresie de banalitate. Ca urmare a caracteristicilor sale, apa este o substan extraordinar. Dac Terra este un organism, apa joac rolul sngelui. Dac poate exista via fr aer, nu acelai lucru se poate spune i despre ap.

n condiiile societii actuale, apa joac un rol de prim importan n economia i bugetul oricrei ri. Ca urmare a locului ocupat pentru societatea actual, aceast substan trebuie foarte bine manageriat.

Hidrologia, n cadrul tiinelor geografice, ocup un rol foarte important, fiind considerat tiin fundamental. n acest context trebuie acordata o atenie deosebit fenomenelor hidrologice cu implicaii majore asupra mediului nconjurtor.

Apa, ca agent cu mobilitate ridicat, trebuie studiat cu toate formele sale de agregare.

Imoprtana cea mai mare este acordat apelor subterane i rurilor, deoarece acestea contribuie cu cele mai mari cantiti n circuitul economiei generale. Un loc foarte important l ocup i studiul gurilor de vrsare (estuare i delte). n actuala modalitate de globalizare, locul de vrsare al marilor fluvii reprezint locul de consens ntre peren i efemer. nc din cele mai vechi timpuri gurilor marilor fluvii au atras populaia ca urmare a binefacerilor oferite gratuit de natur.

O problem foarte important se refer i la subiectul legat de poluarea apelor, mai ales a celor utilizate n alimentarea populiei.

DEFINIII I SUBDIVIZIUNI

Hidrologia este tiina care se ocup cu studiul diferitelor uniti acvatice, cu fenomenele i procesele dinamice, fizice i chimice specifice acestor uniti, precum i cu modul de folosin a apelor pentru diferitele necesiti social-economice. Cu alte cuvinte hidrologia este tiina apelor sau tiina care studiaz hidrosfera (nveli complex aflat n strns interaciune cu celelalte geosfere- atmosfera, litosfera i biosfera). Etimologic, cuvntul hidrologie deriv din limba greac: hydros = ap i logos = tiin.

O alt definiie care poate fi dat este aceea conform creia hidrologia este o tiin care se ocup cu studiul apelor naturale. Cerceteaz i stabilete formarea, circulaia i rspndirea apelor, proprietile fizice i chimice, regimul i aciunea lor, legile fenomenelor i proceselor desfurate n cadrul apelor, dar i aciunea lor mutual cu mediul nconjurtor i cu diverselor activiti umane.

Conform dicionarului enciclopedic (The Encyclopaedic Dictionary. Physical Geography, Edited by Andrew Goudie) hidrologia este tiina care studiaz apa sub diferitele ei forme i existena acestora n natur. Principalele sale preocupri sunt circulaia i distribuia apei ca o consecin a bilanului apei i ciclului hidrologic.

innd cont de complexitatea structural i funcional a obiectului su de cercetare, hidrologia poate fi definit mai pe larg ca tiina care studiaz toate tipurile de uniti acvatice, din punct de vedere al formrii, circulaiei i distribuiei lor, al proprietilor fizice i chimice care le caracterizeaz, al proceselor i legilor generale care acioneaz n hidrosfer, precum i al modalitilor de valorificare a resureselor de ap (I. Piota).

ntruct are drept obiect de studiu un element al mediului natural, hidrologia este ncadrat n categoria tiinelor fizico- geografice (permite abordri calitative, utiliznd metode descriptive, explicative, conceptuale) sau naturale. n acelai timp, prin metodologiile de investigare, analiz i prelucrare a informaiilor, precum i prin tehnologiile utilizate n acest scop, hidrologia este o tiin inginereasc (permite abordri cantitative oferind posibilitatea soluionrii numeroaselor aspecte de ordin parctic valorificarea resurselor de ap, protecia lor, reducerea i eliminarea riscurilor hidrologice etc.). Cele dou aspecte se completeaz reciproc i confer o individualitate aparte hidrologiei.

Datorit obiectului de cercetare foarte vast i diversificat, hidrologia ca tiin a fost divizat n dou mari domenii: hidrologia uscatului sau hidrologia continental i hidrologia mrilor i oceanelor. Aceast structurare a fost impus de diferenele importante dintre caracteristicile, procesele i fenomenele specifice celor dou dou medii.

Hidrologia continetal, care cuprinde mai multe subramuri:

potamologia (potamos = ru) se ocup cu studiul apelor curgtoare de pe continente; limnologia (limnos = lac) studiaz geneza, evoluia i proprietile unitilor acvatice naturale i artificiale; telmatologia are ca obiect de cercetare mlatinile; glaciologia studiaz rspndirea zpezilor permanente i a ghearilor, geneza i micarea lor, tipurile de gheari. hidrogeologia se ocup cu cercetarea apelor subterane, n scopul cunoaterii modalitilor de formare a straturilor acvifere, izvoarelor, a caracteristicilor lor, a circulaiei apelor subterane, proprietilor hidrogeologice ale rocilor; hidrometria se ocup cu organizarea posturilor i staiilor hidrometrice din reeaua de ruri, lacuri, mlatini ale unui teritoriu, cu metodele i procedeele de msurare i prelucrare a elementelor hidrologice (niveluri, debite lichide i solide, temperatura, chimismul apelor etc.); hidrologia urban studiaz caracteristicile proceselor hidrologice din spaiile urbanizate; hidrologia rural cerceteaz funcionarea sistemelor hidrografice n relaie cu modul de utilizare a terenurilor i cu practicile asociate fiecrui tip de folosin; hidrometeorologia este un compartiment al meteorologiei care se ocup cu studiul apei existente n spaiul atmosferic.Ca o ramur aparte hidrologiei poate fi considerat gospodrirea apelor , care nglobeaz un ansamblu de aciuni menite s conduc, n principal, la: cunoaterea caracteristicilor cantitative i calitative ale unitilor acvatice; conservarea, dezvoltarea i protecia fondului acvatic; prevenirea i combaterea efectelor distructive ale apelor.

Ca urmare a finalitii practice se contureaz pregnant i o hidrologie aplicat.

LEGTURA HIDROLOGIEI CU ALTE TIINE

Apa constituie obiectul de studiu i al altor tiine cu care hidrologia este n strns legtur. Dintre acestea menionm:

hidrofizica i hidrochimia, care se ocup cu studiul proprietilor fizice, respectiv chimice ale apelor;

hidraulica, ce studiaz dinamica apleor;

hidroenergetica, al crei scop este cunoaterea potenialului energetic al apelor i posibilitatea valorificrii lor;

hidrotehnica, ce studiaz modalitile i tehnicile de realizare a lucrrilor de amenajare a unitilor acvatice;

hidrobiologia, ale crei preocupri constau n studierea condiiilor de via vegetal i animal din diferitele uniti acvatice.

Deoarece fenomenele i procesele hidrologice se gsesc n strns legtur cu mediul geografic n care se produc, hidrologia are relaii strnse cu celelalte tiine care studiaz geosferele: meteorologia i climatologia (rul este un produs al climei), geologie, geomorfologie, pedologie, biologie, hidrobiologie, microbiologie, paleohidrologie, paleohidrologie, filosofie etc.

Hidrologia, prezint o arie larg de aplicaii, ntruct apa constituie un element esenial pentru viaa omului i activitile social-economice. Cunotinele i cercetrile hidrologice sunt utilizate n diferite domenii de valorificare a apelor: alimentri cu ap potabil i industrial,irigaii,piscicultur, producere de energie, navigaie, construcii hidrotehnice, amenajri pentru agrement i ocrotirea sntii, utilizarea forei mecanice a apei (pentru mori de ap, joagre, gatere, pive, darace de ln) etc.

OBIECTIVELE PRINCIPALE

Cel mai important obiectiv al hidrologiei este cel al cercetrii fundamentale. Deoarece atac i domenii tehnice, trebuie s rspund i la unele probleme aplicative:

stabilirea bilanurilor hidrologice pe teritorii componente din cadrul continentelor: bazine hidrografice (precipitaii, umiditatea solului, scurgeri pe cursurile de ap), uniti de relief etc.

determinarea volumului de ap care se scurge printr-un profil transversal din cadrul unui ru (potenial hidroenergetic) variaia volumului de ap scurs n diferite intervale calendaristice;

stabilirea valorilor extreme ale scurgerii din cadrul cursurilor de ap (valori maxime i minime)

scurgerea aluviunilor

prognoza volumului i nivelului

influena aciunii umane asupra cantitii i calitii apelor etc.

Hidrologia, ca tiin de prim importan practic n activitatea uman pune n valoare puterea hidraulic a cursurilor de ap, mrete fertilitatea solului, alimenteaz cu ap centrele populate i impulsioneaz industria etc. (Gh. Romanescu, 1996).

METODE DE CERCETARE N HIDROLOGIE

n cercetarea hidrologic sunt utilizate diferite metode, multe dintre ele fiind folosite i de alte tiine ale naturii. Dintre cele specifice hidrologiei se remarc: metoda observaiilor staionare, metoda observaiilor experimentale i metoda cercetrilor experimentale.

Metoda observaiilor staionare sau observaiile la posturile hidrometrice const n observaii i msurtori dup un anumit program, la posturile hidrometrice, asupra variaiilor de nivel, a debitelor de ap, a debitelor de aluviuni, asupra temperaturii, transparenei, culorii apei, a reziduului fix, datele obinute pe baza unor observaii regulate, pe intervale mari de timp, servesc, la realizarea de sinteze i generalizri ale unor parametrii de ordin hidrologic i permit desprinderesa unor legiti n manifestarea diferitelor fenomene i procese hidrologice.

Metoda observaiilor expediionare este folosit pentru regiunile greu accesibile, unde nu se pot instala posturi hidrometrice fixe pentru executarea unor msurtori i observaii regulate (zilnice, lunare sau sezoniere). Observaiile expediionare se desfoar pe baza unui plan itinerant n care se are n vedere att executarea de msurtori pentru obinerea unor date cantitative de ordin hidrologic, ct i efectuarea de observaii comparative cu scop aplicativ. Prin observaii expediionare avem posibilitatea s efectum o analiz asupra principalilor parametri hidrologici (debite, viteza apelor, indici morfometrici, temperatur, salinitate) i totodat s realizm o sintez asupra eventualelor prognoze hidrologice.

Metoda cercetrilor experimentale ne permite s redm un fenomen oarecare din natur, la o anumit scar, n condiii de laborator n ideea de a se putea analiza modul n care acioneaz diferitele procese naturale (de exemplu, de eroziune i acumulare) asupra unei uniti acvatice.

ISTORICUL DEZVOLTRII HIDROLOGIEI

1. Cu toate c hidrologia este o disciplin relativ nou, ea a cptat o importan foarte mare ca urmare a utilizrii multiple pe care o capt apa n zilele noastre. Practic, fundamentele sale au fost puse abia la sfritul secolului al XIX-lea. Preocupri n domeniu sunt amintite, totui, i din timpuri foarte vechi. Acest fapt este atestat de prezena numeroaselor staiuni arheologice pe malul mrilor, rurilor i lacurilor. Cele mai vechi civilizaii omeneti s-au dezvoltat, cu precdere, n preajma apelor. Strmoii foarte ndeprtai fceau hidrologie fr a cunoate noiunea: se aezau n apropierea izvoarelor, a cursurilor de ap, pe rmul mrii etc. Existena apei le asigura posibilitatea deplasrii, utilizarea sursei ca ap potabil, pescuitul etc. Prin urmare, nevoile erau asigurate cu mai mare uurin, comparativ cu locurile situate n puncte mult ndeprtate de sursele de ap. Izvoarele, au reprezentat subiectul unui respect marcat de superstiie. Fr ndoial c atracia lumii necunoscute a fcut din oameni s respecte n mod deosebit apa, mai ales cea potabil. Preoii, divini i gnditori, au atribuit izvoarelor un caracter mai mult sau mai puin mistic i religios; ca urmare a acestui fapt ele au fost protejate pentru a nu fi profanate. Actuala legislaie a luat locul veneraiei, mai ales pentru perimetrele de protecie.

Caracterul sacru i mistic al izvoarelor este n mod particular marcat pentru apele care au virtui curative. n primul rnd ele au fost consacrate unor diviniti. Terapeutica hidromineral este extrem de veche, ea fiind exploatat pentru prima dat n apropierea oraului Forli (Italia). n acest scop a fost amenajat un pu cu ape termale care dateaz din perioada neolitic.

2. Trebuie subliniat faptul c dezvoltarea hidrologiei ca tiin a mers n paralel cu dezvoltarea tehnicii de folosire a apelor. Prin urmare, primele observaii hidrometrice sunt legate de folosirea apei pentru irigarea terenurilor (4.000 ani B.P., before present). n acest caz egiptenii au fcut o serie de nsemnri cu privire la regimul Nilului deoarece calitatea recoltelor era determinat de mrimea i momentul producerii inundaiilor acestui fluviu.

n Antichitate s-au fcut observaii hidrometrice i n bazinele fluviilor asiatice Amu-Daria, Zeravan (aflunet dr. Amu- Daria; izvorte din Tadjikistan), Tigru i Eufrat etc.; n acest caz observaiile sunt legate de sistemele de irigare. Apar i primele ipoteze despre originea i dinamica apelor subterane folosite ca ap potabil (Egipt, China), n bile publice (Grecia, Roma) i pentru tratarea unor boli prin intermediul apelor termale i minerale.

Una din primele observaii de natur hidrologic apare n versetele eclesiaste atribuite regelui Solomon: toate fluviile ajung n mare i marea nu deverseaz niciodat: or, fluviile care se vars, nu nceteaz niciodat a curge.

Istoria hidrologiei este mai interesat de apele terapeutice, comparativ cu cele potabile. Apele terapeutice, cunoscute i sub denumirea de minerale, au o origine foarte ndeprtat (din punct de vedere al utilizrii), mai ales n Galia (Gaule), cunoscute nc din perioada anterioar invaziei romane. S-au descoperit situri cu numeroase silexuri tiate sau polizate n apropiere de Vichy (centrul Franei, n nordul Masivului Central Francez bazinul superior al Loirei), Bourbon-l'Archambault, monezi la Mont-Dore i Nris, i chiar o piscin angular anterioar instalaiilor romane la Mont-Dore. Nu romanii au introdus cultul apelor n Galia, meritul lor fiind doar acela de a pune n valoare noi surse i a facilita utilizarea apelor prin intermediul construirii de piscine, devenite celebre n domeniu.

3. O serie de scriitori i nvai antici au lsat numeroase nsemnri cu privire la geneza i dinamica apei, dup cum urmeaz:

Palissy Bernard (1510-1589), n lucrarea Discursuri admirabile despre natura apelor i a fntnilor pmntului, explic faptul c apa de ploaie intr n sol, trece prin roci i curge pn ntlnete o ieire i se descarc prin izvoare.

Cu toate observaiile ntreprinse nc nu se poate vorbi de o tiin hidrologic n adevratul neles al cuvntului. Progrese sensibile n dezvoltarea acestei discipline tiinifice s-au nregistrat ncepnd cu secolul al XVI-lea ca urmare a bazei teoretice realizate de unii oameni de tiin din domenii colaterale: fizic, chimie, hidraulic, hidrotehnic etc.

Simon Stevin (1548-1620), inginer flamand, celebru prin lucrrile sale de hidrostatic;

Galileo Galilei (1564-1642), enun principiul ineriei i al compunerii micrilor, principiul vaselor comunicante etc.;

Torricelli E. (1608-1647), descoper legile scurgerii lichidelor prin orificii;

Blaise Pascal (1623-1662), stabilete legile presiunii atmosferice i ale echilibrului lichidelor, fiind totodat i autorul primei prese hidraulice;

Isac Newton (1642-1727), sprijin explicarea micrii ritmice a apelor marine i lacustre prin fundamentarea legilor atraciei universale.

Francezii Perrault Pierre (1608-1680) i Mariott Edm (1620-1684) i astronomul englez Halley Edmund (1656-1742) pun hidrologia pe baze cantitative (Meinzer, 1942 citat de Zvoianu I., 1999).

Perrault Pierre a calculat, pe baza msurrii precipitaiilor timp de trei ani, cantitatea de ap czut n bazinul hidrografic al Senei i apa scurs, remarcnd c apa czut sub form de ploaie i de zpad este de ase ori mai mare ca debitul rului. ntreprinde cercetri asupra capilaritii i evaporaiei.

Mariott Edm , se apleac asupra calculului de debit al Senei la Paris prin determinarea adncimii, a limii i vitezei rului cu ajutorul flotorilor.

Halley Edmund studiaz rata evaporrii i estimeaz c indicele evaporrii de pe Marea Mediteran este suficient pentru a alimenta rurile care se scurg n ea.

Descoperirea tubului hidrometric de ctre Pitt (1732) i a elicei hidrometrice a lui Woltman (1790) a fcut posibil msurarea i cercetarea direct a vitezelor de curgere i a debitelor de ap a rurilor.

Fundamentul hidraulicii moderne este cldit de Bernoulli Jean i Bernoulli Daniel (tal i fiu) n 1738, prin punerea la punct a ecuaiei:

4. Secolul al XVIII-lea reprezint perioada n care s-au pus bazele hidrodinamicii generale:

Euler L. (1750) concepe ecuaia micrii lichidelor;

Chzy (1775) emite ecuaia micrii turbulente a apelor de suprafa care se aplic i pentru scurgerea subteran prin goluri; totodat, el precizeaz c viteza unui ru variaz cu panta suprafeei lui i gsete formula care d hidrologilor o nou baz de estimare a curgerii apei;

Darcy H. (1856) descrie cu lux de amnunte dinamica apelor subterane formulnd legea circulaiei apei prin porii rocilor;

Dupuit J. aplic legea Darcy la calcularea debitelor de ap din foraje.

Studii de hidrologie au mai fost realizate de Vasrhelly (1845), Humpharey, Abbot (1861), Bazin (1861), Penck (1886), Manning (1890) etc.

n a doua jumtate a secolului al XIX-lea a nceput studiul sistematic al apelor de suprafa. n Germania, Ungaria, Frana i Elveia se organizeaz instituii de stat n vederea culegerii datelor hidrometrice.

i fac apariia i primele studii monografice de hidrologie: Voeikov A.I. i Lohtin V.M. n Rusia; Fargue, Belgrand i Contagne n Frana; Schreiberg i Keller n Germania etc.

Voeikov A.I. formuleaz o serie de teorii cu privire la rolul mlatinilor n alimentarea rurilor, la influena lucrrilor de desecare asupra climei i a regimului apelor etc. n lucrarea sa Climatele globului pmntesc (1884) demonstreaz c rurile sunt un produs al climatului. n acelai timp face i o clasificare a rurilor artnd sursele de alimentare i regimul lor.

Lohtin V.M. n lucrarea Mecanismul albiei rului stabilete o serie de relaii teoretice viabile i astzi.

Belgrand a publicat lucrarea Hidrologia bazinului Sena (1850), iar Farague Forma albiei rului cu pat mobil. Tot ei au organizat, n 1854, reeaua hidrometric din bazinul Senei.

n a doua parte a secolului al XIX-lea i nceputul secolului al XX-lea se aduc contribuii importante mai ales n cadrul staiunilor limnologice: Sevastopol (1871), Neapole (1872), New Port (S.U.A. - 1876), Plun (Germania 1890), Aneboda (Suedia 1907) etc. Sunt ntreprinse aciuni cu privire la dezvoltarea bazinelor, la viaa existent n ape, la proprietile fizice i chimice etc.

ntemeietorul limnologiei ca tiin este elveianul Forel F.A. (1814-1912) care a studiat lacurile din Elveia i Germania. Forel, profesor la Universitatea din Lausanne (Elveia) a nceput cu Introduction a l'tude de faune profonde du lac Lmon (1869); a continuat cu publicarea unei ample monografii asupra lacului respectiv n trei volume: Le Lmon: monographie limnologique (1892, 1895, 1904). Printre altele, a mai publicat peste 100 de articole cu subiect limnologic i un manual: Handbuch der Seekunde: allgemeine Limnologie.

Cercetri foarte importante n domeniul hidrologiei au fost aduse de foarte muli hidrologi americani printre care: Snyder, Forter, Horton, Mayer etc. n ex-Uniunea Sovietic se remarc: Appolov, Zaikov, Poliakov, Rbkin, Velikanov, Davdov, Lvovici (potamologie); Voskresenkii, Lebedev (hidrogeologie); Kalesnik (glaciologie); Dubah, Ivanov (telmatologie); Berg (limnologie) etc.

Dup cel de-al doilea Rzboi Mondial se ntreprind cercetri, mai ales, pentru cunoaterea legilor scurgerii, determinarea debitelor solide, posibilitatea regularizrii i compensrii debitelor, gospodrirea apelor, utilizarea acesteia etc.

n Romnia, primele descrieri hidrografice sau observaii hidrologice apar n lucrrile lui Dimitrie Cantemir, Constantin Cantacuzino i Alexandru Ipsilanti. n secolul XX, se remarc lucrrile lui Gr. Antipa, care n anul 1924 public Chestiunea Dunrii, ale lui Vidracu, Lunca Dunrii i regimul apelor ei (1888), Ionescu-Siseti, Lunca Dunrii i punerea ei n valoare (1933), G. A. Vasilescu, Debitul solid al Dunrii (1929) . a. De mare valoare sunt studiile efectuate de D. Leonida, Dorin Pavel, Iacobi Robert, Gh. Bal, Iulian Rick .a., care au efectuat o serie de lucrri legate de resursele de ap ale Romniei.

Dup cel de al doilea rzboi mondial, s-a nfiinat Institutul de Studii i Proiectri Energetice (ISPE), Direcia General Hidrometeorologic (DGH) nglobat, n anul 1957, n Comitetul de Stat al Apelor mpreun cu Institutul de Proiectri i Amenajare a CursurilorAUTOEVALUARE

1. Cum este definit hidrologia i care sunt principalele sale ramuri i subramuri?

2. S se enumere tiinele nrudite cu hidrologia prin obiectul lor comun de cercetare i principalele domenii de aplicare a cunotinelor hidrologice.

3. Care sunt metodele de cercetare specifice hidrologiei? hidrosfera totalitatea apelor Pmntului, srate sau dulci, sub toate formele de agregare, rspndite n/pe pmnt, aer i Oceanul Planetar (hydrosphere). cf. The Encyclopaedic Dictionary. Physical Geography, Edited by Andrew Goudie

hidrologia tiina care studiaz proprietile mecanice, fizice, chimice i biologice ale apelor marine i continentale, formarea, circulaia i distribuia lor n timp i spaiu, precum i interaciunea cu mediul nconjurtor.

mutual - reciproc

bilan al apei raportul dintre intrrile i ieirile unui sistem acvatic

cilul hidrologic succesiuna fazelor prin care trece apa n sistemul atmosfer - pmnt

acvatoriu (uniti acvatice) ntindere de ap delimitat precis, fie natural prin linia coastei, fie prin construcii hidrotehnice

gospodrirea apelor activitate care are ca obiect valorificarea resurselor de ap, aprarea mpotriva efectelor duntoare ale apelor i protecia acestora, n conformitate cu cerinele populaiei i tuturor ramurilor economice.

joagre ferstru acionat de un curs de ap cu cdere mare prin intermediul unei roi de ap

rezidiuu fix totalitatea srurilor dizolvate n ap, exprimat n mg/l