hidrologie curs nr 6
TRANSCRIPT
Hidrologie
CURS NR. 6
APELE CURGĂTOARE
(continuare)
1. Văile şi albiile râurilor 2. Dinamica apei în râuri 3. Curenţii din râuri
1. Văile şi albiile râurilor
Văile râurilor sunt forme de relief negative pe suprafaţa Pământului, de formă în
general îngustă şi alungită care permit apei să curgă în sensul pantei. Traseul acestor văi
poate fi de la rectiliniu până la maximum de sinuozitate.
Elemente comune:
Patul văii sau fundul băi reprezintă porţiunea cea mai coborâtă de pe cuprinsul văii.
Linia ce uneşte punctele cu cea mai joasă cotă de pe profilul longitudinal al râului se
numeşte talveg. Porţiunea din patul văii care este în permanenţă sau temporar ocupată
de apa râului poartă numele de albie iar versantele laterale se numesc maluri.
La un curs de apă se disting 2 tipuri de albii: o albie minoră (M.N. în fig. 1).
corespunzătoare acelei părţi a văii acoperită permanent sau aproape permanent de apa
râului şi o albie majoră (EF) acoperită cu apă numai în perioada apelor mari.
La albiile mai evoluate
datorită viiturilor şi
depunerilor de aluviuni în
albia majoră se formează
terase (t1 şi t2). După
terase urmează părţile
laterale ale văii primare sau
malurile primare (CF şi DF)
şi apoi versantele văii (AC
şi BD) delimitate la partea superioară de lina de cumpănă a apelor (A şi B).
Fig. 1 Elementele unei văi
Adâncimea văii este reprezentată de diferenţa de nivel dintre nivelul liniei de
cumpănă a apelor şi fundul văii (H). Există o diferenţă iniţială a văii (H1) şi o adâncime
actuală a văii (h).
Lăţimea văii se exprimă ca lăţimea bazinului văii (AB), lăţimea în dreptul malurilor
primare (CD) şi lăţimea de jos a văii (EF).
În funcţie de natura reliefurilor pe care le traversează, albiile râurilor pot fi:
- albiile râurilor de munte, mai drepte, cu multe fragmente din roca pe care au
An univ. 2007-2008 1
Hidrologie Curs nr. 6
înfrânt-o;
- albiile râurilor de şes, cu forme sinuoase, cu scăderea pantei longitudinale,
scăderea vitezei de scurgere a apei.
În evoluţia lor, albiile râurilor dau naştere unor formaţii de albie: plajele, care iau
naştere lângă maluri (în special, cele convexe), alcătuite din depuneri de nisip; praguri
transversale, care apar în puncte de inflexiune ale albiei, adică acele locuri unde se
înregistrează treceri de la o curbă a albiei într-un sens la o curbură în sens opus; bancuri
de nisip care apar pe cursul unui râu datorită prezenţei unor obstacole în faţa cărora se
depun aluviunile care cresc în timp şi ajung la sfârşit să se transforme în insule.
Totalitatea proceselor prin care albiile râurilor se schimbă este cunoscut denumirea de
procese de albie.
Dacă facem o secţiune în albia
unui râu cu un plan
perpendicular pe direcţia de
curgere a apei, obţinem profilul
transversal al râului respectiv
(fig 2). Profilul transversal este
limitat la partea sa inferioară de
fundul albiei iar lateral de
malurile albiei. Fig. 2 Profil transversal printr-un râu
Din profilul transversal se
disting:
Nivelul maxim – nivelul până la care se ridică apa râului în albie în cazul apelor mari;
Nivelul minim – nivelul cel mai scăzut ce se înregistrează în albiea râului în
perioadele de secetă;
Nivelul mediu – media nivelurilor apelor unui râu într-o anumită perioadă (1 an);
Suprafaţa secţiunii transversale a albiei - care poate fi măsurată până la nivelul
maxim al apei, până la nivelul mediu sau minim;
Suprafaţa activă a apei curgătoare - în care se poate pune în evidenţă mişcarea apei
în toate punctele secţiunii. Se
caracterizează prin următoarele
elemente morfometrice (fig. 3):
- lăţimea râului – distanţa
dintre limitele apei de pe
profilul transversal (B);
- adâncime maximă – este
cea mai mare adâncime Fig. 3 Determinarea secţiunii active a unui râu.
An univ. 2007-2008 2
Hidrologie Curs nr. 6
măsurată în profilul ridicat (Hmax);
- adâncime medie – exprimă raportul dintre suprafaţa secţiunii active (Ω) şi lăţimea
râului (B): B
HmediuΩ
= ;
- perimetrul udat – lungimea liniei fundului între limitele apei, este format din
segmente de dreaptă reprezentând ipotenuzele triunghiurilor dreptunghice care au
catetele reprezentate de distanţele dintre două verticale alăturate; relaţia de
calcul:
( ) 222
212
22
21
21 nhb....hhbhbP +++−+++=
- raza hidraulică este un element imaginar lşi exprimă raportul dintre suprafaţa
secţiunii active (Ω) şi perimetrul udat (P): P
RΩ
= ; pentru fluvii sau râuri mari a
căror lăţime depăşeşte mult adâncimea medie, raza hidraulică poate fi înlocuită cu
adâncimea medie.
- coeficientul de rugozitate – au fost determinate pentru diferite tipuri de albii (tabel
1).
- Secţiunea totală de scurgere (Ω) se determină pe baza planimetrării secţiunilor
elementare ω1, ω2, ω3,… ωn , sau analitic cu ajutorul relaţiei:
22221
121
21
1n
nnn
nh
bhh
b...hh
bh
b ++
+++
+=Ω −−
- Secţiunea moartă sau inactivă – in care mişcare apei este foarte redusă sau apa
stagnează.
Tabel 1 Valori ale coeficientului de rugozitate (ρ)
pentru diferite tipuri de albii
An univ. 2007-2008 3
Hidrologie Curs nr. 6
2. Dinamica apei în râuri
Scurgerea apei în râuri nu se desfăşoară în mod uniform ci, de regulă, datorită
caracteristicilor morfologice şi morfometrice ale albiei râurilor, a caracteristicilor climatice
ale zonei prin care curge râul, mişcarea apei prezintă o serie de fenomene dinamice
referitoare la: variaţii ale vitezelor de deplasare, variaţii ale nivelurilor, curenţii şi debitele
etc. a căror caracteristică este instabilitatea.
Asupra masei de apă care se deplasează în albia râurilor acţionează următoarele
forţe: forţa gravitaţională, forţele lui Coriolis şi forţa centrifugă.
Principala cauză care determină mişcarea apei în râuri este reprezentată de
gravitaţie. O picătură de apă A situată pe un plan înclinat sub un unghi α faţă de planul
orizontal, tinde să se deplaseze pe direcţia planului înclinat (fig. 4). Greutatea proprie G,
se descompune în cele 2 componente: P1 – paralelă cu planul înclinat, reprezentând
direcţia de mişcare a picăturii şi P2 – perpendiculară pe plan. Cele 2 forţe au valorile:
Fig. 4 Deplasarea unei particule de apă pe un plan vertical.
P1 = G sinα
P2 = G cosα
Forta P1 care provoacă deplasarea picăturii de apă pe planul înclinat ar trebui să
imprime acesteia o mişcare uniform accelerată, lucru care ar provoca viteze sporite ale
râurilor de la izvor spre vărsare. În realitate coeziunea dintre moleculele de apă precum
şi frecarea dintre picătura de apă şi teren apropie această mişcare de una uniformă.
Coriolis a demonstrat că dacă două corpuri în natură se află în mişcare, unul în
raport cu celălalt, atunci la cea de-a doua mişcare i se aplică o acceleraţie suplimentară
perpendiculară pe direcţia sa de deplasare care modifică mişcarea acestuia. În cazul
nostru Pământul efectuează o mişcare de rotaţie de la vest spre est şi atunci asupra
maselor de apă aflate în mişcare, în raport cu mişcarea Pământului, acţionează
suplimentar forţele lui Coriolis, care abat aceste mişcări spre dreapta în emisfera nordică
şi spre stânga în emisfera sudică. Această abatere spre dreapta o întâlnim în cazul
râurilor din emisfera noastră, la care se înregistrează modificări ale pantei secţiunii
transversale spre malul drept unde se exercită presiuni mai mari şi ca o consecinţă
eroziuni şi mai puternice. Datorită acţiunii acestor forţe şi a consecinţelor ei se poate
vedea în emisfera nordică că râurile au malul drept mai înalt şi o tendinţă la râuri de
curgere spre dreapta.
An univ. 2007-2008 4
Hidrologie Curs nr. 6
An univ. 2007-2008 5
Pe cursurile de ape se întâlnesc în multe cazuri coturi sau meandre care dau
râurilor o formă de arc de cerc şi unde datorită mişcării apei se naşte o forţă centrifugă
dată de relaţia R
vmC
2⋅= în care C – reprezintă forţa centrifugă; m – masa apei; v –
viteza de deplasare a apei în râu; R – raza de curbură a meandrului.
Datorită acestei forţe, în zonele de meandru, în secţiunea transversală a râului se
înregistrează o ridicare a suprafeţei apei către malul concav (fig.5). Această denivelare se
poate exprima în funcţie de unghiul α format de planul oglinzii apei şi planul orizontal sau
prin denivelarea h, ambele valori putând fi exprimate în funcţie de forţa centrifugă şi
elementele morfometrice ale râului cu ajutorul relaţiilor:
gRv
gmR
vm
gmc
tg⋅
=⋅
⋅
=⋅
=α2
2
în care: g – acceleraţia gravitaţională; h = l x tg α
Toate aceste forţe acţionează concomitent asupra apei râurilor.
3. Curenţii din râuri
Datorită configuraţiei deosebite a albiei
râurilor în diferite secţiuni, a existenţei unor
praguri sau obstacole, precum şi datorită variaţiei
vitezelor de deplasare a apei în diferite puncte ale
secţiunii transversale, în apa râurilor se formează
o serie de curenţi care prezintă direcţii diferite, în
funcţie de cauzele care-i determină.
În apa râurilor se întâlnesc curenţi de
suprafaţă şi curenţi de adâncime.
Datorită valorilor diferite ale vitezelor de
deplasare care sunt mai mari spre mijlocul apei şi
mai mici spre maluri, datorită frecării, curentul Fig. 6 Curentul superficial
convergent
Fig. 5 Forţe centrifugă şi influenţa ei asupra suprafeţei râurilor
Hidrologie Curs nr. 6
superficial din râuri prezintă o particularitate şi anume, este convergent spre mijlocul
râului ceea ce determină existenţa unui cumul de apă în zona de convergenţă şi, în
consecinţă, ridicarea nivelului apei în acel loc (fig. 6)
Curentul superficial convergent determină existenţa a doi curenţi de profunzime
circulari, ce apar în mod natural în secţiune sub forma unor curenţi divergenţi (fig. 7). La
râurile cu adâncimi mai mari şi cu viteze de deplasare relativ mari ale apei se semnalează
şi prezenţa unor curenţi de profunzime convergenţi, care sunt împinşi de la maluri spre
mijlocul apei (fig. 8)
Curenţii de profunzime divergenţi sau convergenţi, datorită deplasării apei râurilor
capătă şi o mişcare de translaţie în sensul de scurgere a râului şi dau naştere unor
curenţi elicoidali, longitudinali (fig. 9).
Fig. 7 Curenţi de profunzime Fig. 8 Curenţi de profunzime convergenţi
În zonele de curbură ale râurilor, la meandre, curenţii de suprafaţă şi cei de
adâncime capătă o direcţie unică spre mal (fig. 10).
Pe malul concav se formează o peliculă de apă care se scurge pe lângă mal şi care
respinge cea mai mare parte a curentului spre malul opus.
Pentru determinarea direcţiei curenţilor de suprafaţă se folosesc flotorii liberi iar
metodele de lucru depind de
lăţimea râului.
La râurilor înguste se instalează
la anumite intervale,
perpendicular pe direcţia de
scurgere a râului, mai multe
cabluri gradate. Se lansează
flotorii şi se urmăreşte cu ochiul
liber deplasarea flotorilor
înregistrând la fiecare cablu gradaţiile pe unde trec flotorii. La râurile late, pentru aceeaşi
operaţie se folosesc aparatele optice (teodolitele), măsurând unghiurile şi distanţele.
Fig. 9 Curenţi elicoidali (longitudinali)
An univ. 2007-2008 6
Hidrologie Curs nr. 6
An univ. 2007-2008
Pentru efectuarea acestor
măsurători se recomandă un
timp calm, fără vânt şi se
cere să se măsoare şi panta
râului. Cronometrând timpul
în care s-a efectuat
deplasarea flotorului se
determină şi viteza
curentului.
Fig. 10 Curenţii superficiali şi de fund în zonele de curbură ale râurilor.
Aceste măsurători efectuate se trec pe planul de situaţie a râului cu poziţiile flotorilor
înscrise.
7