1

CAPITOLUL 7

VALORIFICAREA ENERGIEI HIDRAULICE

7.1. Valorificarea energiei rurilor ....................................................................................... 3

7.1.1. Energia rurilor ........................................................................................ 3 7.1.2. Potenialul i repartiia resursei ................................................................ 5 7.1.3. Definirea microhidroenergiei ................................................................... 7

7.2. Elemente de hidrologie inginereasc ............................................................................. 3 7.2.1. Factorii naturali ai scurgerii apelor .......................................................... 3 7.2.2. Debitele cursurilor de ap ...................................................................... 13 7.2.3. Noiuni de hidrometrie ........................................................................... 28

7.3. Tipuri de amenajri pentru microhidrocentrale ........................................................... 29 7.3.1. Generaliti, clasificri ........................................................................... 29 7.3.2. Scheme de MHC convenionale, gravitaionale ..................................... 31 7.3.3. Scheme de MHC neconvenionale, cinetice ........................................... 35 7.3.4. Planificarea unei scheme de amenajare .................................................. 40 7.3.5. Utilizarea potenialului unui sector de ru n vederea amenajrii acestuia41

7.4. Echipamente ale microhidrocentralelor ...................................................................... 43 7.4.1. Componentele principale ale unei MHC ................................................ 43 7.4.2. Cldirea centralei .................................................................................... 44 7.4.3. Turbina hidraulic .................................................................................. 46

7.4.3.1. Tipuri de turbine ...................................................................... 46 A. Turbine cu impuls ................................................................ 46 B. Turbine cu reaciune ............................................................ 49

7.4.3.2. Criterii pentru alegerea turbinei .............................................. 53 7.4.4. Multiplicatorul de turaie ........................................................................ 56 7.4.5. Generatorul ............................................................................................. 58 7.4.6. Comanda turbinei ................................................................................... 60 7.4.7. Echipamentele electrice auxiliare ........................................................... 62 7.4.8. Echipamentele hidromecanice auxiliare ................................................. 63

7.5. Evaluarea impactului asupra mediului ........................................................................ 66 7.5.1. Impactul n faza de construcie ............................................................... 66 7.5.2. Impactul n faza de exploatare................................................................ 68

2

7.1. Valorificarea energiei rurilor

7.1.1. Energia rurilor Energia hidraulic reprezint cantitatea de energie corespunztoare unui volum de ap. Principalele forme ale energiei hidraulice sunt: mecanic, chimic, termic. n continuare, prin energie hidraulic se face referire la energia hidraulic sub form mecanic, iar din aceasta doar la energia cursurilor de ap, ce reprezint energia corespunztoare volumului de ap care se scurge ntr-o anumit perioad (de exemplu 1 an) pe cursurile de ap.

Energia hidraulic se poate exprima prin produsul a doi factori: un factor extensiv (de volum) care exprim mrimea purttorilor de energie; acest

factor are proprietatea de aditivitate, putnd rezulta din nsumarea unor uniti componente; un factor de intensitate care exprim diferena de nivel (potenial) al purttorului de

energie. Astfel se poate scrie pentru energia hidraulic:

GHE = , n [J] (1 J = 1 Nm), (7.1) n care: G este greutatea apei, ]N[VgG = ; H - energia specific, [m];

- densitatea apei, 3kg/m0001= ;

g - acceleraia gravitaional, 2m/s81,9=g ;

V - volumul, ][m3 .

nlocuind expresia greutii, relaia (3.1) devine: gVHE = , n [J], (7.2) sau, nlocuind valorile densitii apei i acceleraiei gravitaionale: VHE = 81,9 , n [kJ]. (7.3) Energia specific a apei n curgere cu suprafa liber, este dat de relaia lui Bernoulli:

g

v

g

pZH

2

2+

+= , (7.4)

n care: Z reprezint cota fa de un plan de referin; atpp = - presiunea curentului, egal cu cea atmosferic; v - viteza medie a apei;

- coeficient care apare datorit neuniformitii vitezei n seciune (coeficientul lui Coriolis).

Cei trei termeni corespund respectiv, celor trei forme ale energiei cursurilor de ap: energia potenial de poziie, energia potenial de presiune i energia cinetic.

Se consider un curs de ap i dou seciuni transversale, 1 i 2, care delimiteaz un sector 1-2 (fig. 7.1). Se scrie relaia 7.4 pentru fiecare din cele dou seciuni:

g

v

g

pZH at

2

211

11

+

+= , g

v

g

pZH at

2

222

22

+

+= . (7.5)

3

1

2

Fig. 7.1. Schie pentru ilustrarea i definirea cderii unui sector de ru.

Se definete cderea brut (sau cderea hidroenergetic brut) a unui sector de ru,

Hb, diferena energiilor specifice n seciunile care l delimiteaz. Astfel, se poate scrie:

g

v

g

vZZHHHb 22

222

211

2121

+== , (7.6)

sau, innd cont c se poate considera cu aproximaie destul de bun c = 21 (coeficientul lui Coriolis nu variaz mult), relaia (7.6) devine:

( )222121 2 vvgZZHb

+= . (7.7)

Cderea brut este format dintr-un termen potenial i un termen cinetic. Termenul potenial, 21 ZZ , reprezint diferena dintre cota apei n amonte i cota apei n aval, sau dintre cotele seciunilor care delimiteaz sectorul pentru care se definete cderea. Termenul

cinetic este ( )22212 vvg

.

Pentru utilizarea cderii i transformarea energiei hidraulice n energie electric se realizeaz un ansamblu de lucrri i construcii reunite sub numele de amenajare hidroenergetic (AHE). La cderi mai mari de 50 m, termenii cinetici sunt neglijabili n raport cu cei poteniali i pot fi neglijai n calcule. La cderi mai mici de 10 m, AHE fluviale, termenul cinetic poate reprezenta o valoare semnificativ care trebuie luat n calcul. n general, ca unitate de msur pentru energie se prefer utilizarea kilowatt-orei, [kWh]. n acest caz, innd cont c:

Ws1J1 = ; J106,3Ws600310kWh1 63 == ; rezult c, pentru a obine energia n [kWh], relaiei (7.2) i se aplic un coeficient derivat din faptul c:

kWh106,3

1J1

6= .

Relaia utilizat pentru calculul energiei hidraulice brute teoretice, pe scurt energia hidraulic, devine:

bbbh VHVHVHE ==

= 00272,0

367

1

106,3

1081,96

3, [kWh]. (7.8)

Puterea hidraulic brut teoretic, pe scurt puterea hidraulic, reprezint energia pe unitatea de timp; innd cont de relaia (7.2) se poate deci calcula cu relaia:

bh

h Ht

Vg

t

EP

d

d

d

d== , n [W], (7.9)

4

iar dac se ine cont c variaia volumului n timp reprezint debitul mediu, Q, pe intervalul de timp i se nlocuiesc numeric densitatea apei i acceleraia gravitaional, se obine: bh QHP = 81,9 , n [kW]. (7.10) Pentru putere se mai utilizeaz ca unitate de msur cal-putere, [CP]. Pentru transformarea n wai se ine cont c: 1 CP = 736 W. La curgerea natural pe un curs de ap, ntre dou seciuni, 1 i 2, diferena de energie dintre cele dou seciuni este consumat pentru: nvingerea forelor rezistente de viscozitate i turbulen; transportul aluviunilor din cursul de ap; eroziunea albiei.

7.1.2. Potenialul i repartiia resursei

Pentru Romnia resursele de ap dulce sunt evaluate astfel: ruri interioare: 40 mld.m3/an, din care 25 mld.m3/an tehnic utilizabile; Dunrea, al doilea fluviu ca mrime din Europa (cu lungime de 2850 km, din care

1075 km pe teritoriul Romniei) are un stoc mediu la intrarea n ara noastr de circa 174 mld.m3/an, jumtate revenind Romniei, dar doar circa 30 mld.m3/an tehnic utilizabile;

ape subterane: 10,3 mld.m3/an, din care 6 mld.m3/an tehnic utilizabile. Prin tehnic utilizabil se nelege acea parte a potenialului teoretic (disponibilul energetic al cursului de ap) care poate fi utilizat innd cont de posibilitile tehnice de amenajare la un moment dat. Depinznd de stadiul de dezvoltare a tehnicii poate fi cresctor.

Caracteristicile de baz a resurselor de ap a Romniei, rurile interioare, sunt: variabilitatea foarte mare n spaiu i timp:

Neuniformitatea repartiiei resurselor de ap pe teritoriu este ilustrat de faptul c, 66% din volumul total de ap se gsete n zona de munte care constituie 21% din teritoriu, iar n zona de cmpie care constituie 48% din teritoriu, se gsete doar 10% din volumul total de ap. Repartiia inegal a resurselor de ap pe teritoriul Romniei este ilustrat i de faptul c multe zone sunt foarte srace n resurse de ap: Dobrogea, Cmpia Romn, sudul Moldovei.

Neuniformitatea n timp este accentuat, variaiile se produc att de la un an la altul, ct i n interiorul unui an. S-au nregistrat ani n care volumul de ap scurs n cele 3 luni de primvar reprezint mai mult dect jumtate din volumul anual.

n tabelul 7.1 se prezint repartizarea volumelor de ap disponibile n anul mediu, n ara noastr, pe bazinele hidrografice importante. n coloanele cu altitutini, pentru aceasta apare ca unitate de msur [mdM] metri deasupra mrii. n ara noastr Marea Neagr este considerat ca reper 0 absolut, fa de care se msoar altitudinile sau cotele absolute.

Tabelul 7.1 Repartizarea volumelor de ap disponibile n anul mediu n Romnia pe bazine

hidrografice

Nr.

crt

.

Ru

l

Sec

iu

nea

Dis

tan

a

izvor

Alt

itu

din

e

pu

nct

Su

pra

fa

bazi

n

Alt

itu

din

e

med

ie

bazi

n

Pan

ta

med

ie

Sto

c

med

iu

an

ual

[km] [mdM] [km2] [mdM] [] [106m3] 1 Tisa sup. Front.Ungaria - - 4640 - - 1802 2 Some Front. Ungaria 345,0 112 15352 536 170 3800 3 Criul N. Front.Ungaria 144,1 75 4476 277 68 2584 4 Mure Front.Ungaria 719,0 86 27919 613 179 4932

5

5 Timi Front. Serbia 241,2 72 5248 415 151 1618 6 Nera Conf. Dunre 131,2 65 1361 559 217 1166 7 Jiu Conf. Dunre 346,2 22 10594 438 93 2769 8 Olt Conf. Dunre 698,8 21 24300 624 135 5040 9 Vedea Conf. Dunre 242,7 20 5364 169 25 363 10 Arge Conf. Dunre 339,6 10 12521 376 90 1957 11 Ialomia Conf. Dunre 414,0 8 8873 374 59 1319 12 Siret Conf. Dunre 725,8 2 44014 515 110 5860 13 Prut Conf. Dunre 952,9 - 28396 - - 2580 14 Dunrea - - - 7039 - - 259 15 Litoral - - - 5330 - - 35

n tabelul 7.2 este ilustrat evoluia cerinei de ap cu punerea n eviden a

consumului (partea nerecuperabil).

Tabelul 7.2 Evoluia cerinelor de ap n ara noastr

Anul Cerina de ap Din care nerecuperabil

[109 m3/an] [109 m3/an] 1975 14,4 9,7 1980 22,4 15,3 1990 35 25,6

2000 2010 46 36 n tabelul 7.3 se prezint resursele de ap poteniale i tehnic utilizabile evaluate n

anul 2004. Tabelul 7.3

Resursele de ap poteniale i tehnic utilizabile pentru anul 2004

Resursa de ap Capacitate [109 m3/an]

Ruri interioare 1. Resursa teoretic 2. Resursa existent potrivit gradului de amenajare a

bazinelor hidrografice 3. Cerina de ap a folosinelor, potrivit capacitilor de

captare aflate n funciune

40,0

14,1

3,4

Dunre 1 Resursa teoretic (n seciunea de intrare n ar) Resursa utilizabil n regim actual de amenajare 2. Cerina de ap a folosinelor potrivit capacitilor de

captare aflate n funciune

85,0 20,0

3,2

Ape subterane 1. Resursa teoretic din care:

- ape freatice - ape de adncime

2. Resursa utilizabil 3. Cerina de ap a folosinelor potrivit capacitilor de

captare n funciune

10,3 4,5 5,8 6,0

0,9

6

Total resurse 1. Resursa teoretic 2. Resursa existent conform gradului de amenajare a

bazinelor hidrografice 3. Cerina de ap a folosinelor, potrivit capacitilor de

captare aflate n funciune 4. Cerina de ap pentru protecia ecologic

134,0

40,1

8,0 4,3

7.1.3. Definirea microhidroenergiei

Ca urmare a celei de-a "Treia Conferine a prilor la Convenia Cadru a ONU privind schimbrile climatice", ce a avut loc la Kyoto, n decembrie 1997, Uniunea European a recunoscut nevoia urgent de a aborda problema schimbrilor climatice. A fost adoptat, ca obiectiv, reducerea emisiilor de gaze cu efect de ser.

Pentru a facilita ca statele membre s realizeze acest obiectiv, Comisia a identificat o serie de aciuni, concentrndu-se pe reducerea consumului de energie i a emisiilor de bioxid de carbon.

Producerea energiei din resurse regenerabile reprezint un pas foarte important n reducerea emisiilor de CO2. Prin urmare, Consiliul i Parlamentul UE au prezentat Directiva 2001/77/CE de promovare a energiei electrice produs din resurse regenerabile de energie.

Producia de energie electric pornind de la energia hidraulic a fost i este i astzi prima surs regenerabil utilizat pentru a genera electricitate. n zilele noastre energia electric din resurs hidraulic n Uniunea European att la scar mare ct i la scar redus reprezint, n conformitate cu Cartea Alb, 13% din totalul de energie electric generat, reducnd astfel emisiile de CO2 cu mai mult de 67 milioane tone pe an. Dar, n timp ce amenajrile hidroenergetice convenionale necesit inundarea unor suprafee mari de teren, cu problemele sociale i de mediu rezultate, schemele de microhidrocentrale (MHC) corect proiectate sunt uor de integrat n ecosistemele locale.

n 2001, aproximativ 365 TWh a fost produs n Uniunea European din energie hidraulic, cu o putere total de 118 GW. Microhidrocentralele au reprezentat 8,4% din capacitatea instalat (9,9 GW) i au produs 39 TWh (aproximativ 11%). Avnd n vedere un mediu mai favorabil de reglementare, obiectivul Comisiei Europene fiind de 14.000 MW pn n 2010 i microhidrocentralele s fie al doilea mare productor, dup energia eolian.

n Uniunea European, se recomand ca limit superioar de 10 MW pentru puterea instalat a unei centrale hidroelectrice, pentru ca aceasta s fie considerat microhidrocentral (MHC). Cea mai mare parte a rilor membre au aplicat recomandarea, unele ri aplicnd ns i alte criterii alternative, cum ar fi de exemplu cel ca suprafaa liber s nu depeasc o anumit valoare.

Nu exist totui un consens n statele membre ale UE cu privire la definirea microhidrocentralelor: Unele ri ca Portugalia, Spania, Irlanda, Grecia, Belgia, Romnia, accept 10 MW ca limit superioar pentru capacitatea instalat. n Italia, limita este stabilit la 3 MW (centralele cu putere instalat mai mare trebuie s i vnd energia electric la preuri mai mici), iar n Suedia la 1,5 MW. n Frana limita a fost recent stabilit la 12 MW, nu ca o limit explicit a MHC-urilor, ci ca valoarea maxim a puterii instalate pentru care reeaua are obligaia de a cumpra energie electric din surse de energie regenerabil. n Marea Britanie limita este considerat 20 MW. Pe scurt, orice schem cu o capacitate instalat de 10 MW sau mai puin va fi considerat ca microhidrocentral. Aceast cifr este adoptat de cinci state membre, ESHA Asociaia European pentru Microhidroenergie, Comisia European i UNIPEDE (Uniunea Internaional a Productorilor i Distribuitorilor de Energie Electric).

7

Marea majoritate a microhidrocentralelor sunt scheme pe firul apei, ceea ce nseamn c nu au sau au o mic capacitate de ap stocat. Turbina produce energie numai atunci cnd apa este disponibil i asigurat de ru.

n cazul n care debitul rului scade sub o anumit valoare, producerea de energie electric nceteaz. Unele centrale sunt sisteme de sine stttoare utilizate n amplasamente izolate, dar, n cele mai multe cazuri, energia electric produs este livrat n reea. Schemele independente, mici, nu pot fi ntotdeauna capabile s furnizeze energie, cu excepia cazului n care mrimea lor este de aa natur nct ele s poat funciona indiferent de debitul din ru. n unele cazuri, aceast problem poate fi depit prin utilizarea unor lacuri de acumulare existente n amonte de central.

n ultimii ani, susinut de Directiva RES-e, privind energia electric produs din resurse regenerabile de energie, i n unele cazuri de legislaia naional, productorii de energie din surse regenerabile beneficiaz de scheme de susinere. Acest lucru a avut ca rezultat faptul c tot mai multe amenajri mici se justific din punct de vedere al recuperrii investiiei ceea ce a condus la o cretere a amenajrii de asemenea scheme hidroelectrice.

7.2. Elemente de hidrologie inginereasc

7.2.1. Factorii naturali ai scurgerii apelor Apa provenit din precipitaii se poate repartiza astfel: o parte se evapor i se rentoarce n atmosfer, o parte se infiltreaz n sol, alt parte se adun n spaiile concave ale reliefului dnd natere apelor stttoare (bli, mlatini, lacuri) iar cea mai mare cantitate, sub influena gravitaiei, se deplaseaz din regiunile mai nalte ale reliefului spre cele mai joase, dnd natere apelor curgtoare. Din punct de vedere hidrologic, scurgerea apelor la suprafaa pmntului este determinat de circuitul apei n natur, dar este influenat de o serie de factori naturali, care pot fi repartizai n dou grupe principale:

factori geomorfologici: caracteristicile reelei hidrografice, ale bazinului hidrografic i ale albiei rurilor;

factori climatici: precipitaiile, temperatura, presiunea atmosferic, vntul, evaporaia, transpiraia vegetaiei etc. De asemenea, scurgerea pe cursurile de ap este influenat de infiltraia precipitaiilor n sol i de atenuarea scurgerii n albie. n funcie de caracterul curgerii, apele curgtoare se pot clasifica n: ape de iroire; ape toreniale; ape curgtoare cu caracter permanent. Acestea din urm sunt cele care se amenajeaz n vederea captrii energiei lor i transformrii acesteia n energie electric. Vile rurilor sunt forme negative de relief determinate, n principal, de apa provenit din precipitaii i care curge sub aciunea gravitaiei. Vile colecteaz cea mai mare parte din apele precipitaiilor i a acviferelor, pe care le transport ctre cursul principal. Dispoziia ramificaiei depinde de relief i de structura geologic. Albia rului reprezint partea inferioar a unei vi, ocupat permanent sau temporar de curentul de ap. Pe terenuri tari, albia modeleaz forma curentului i i imprim direciile de curgere, n vreme ce pe terenuri aluvionare, curentul de ap, prin erodri i depuneri, i modeleaz singur albia. Albia unui curs de ap este determinat hidrografic prin profiluri transversale i forme n plan orizontal i prin profil longitudinal. Pe figura 7.2 se definesc perimetrul udat i aria seciunii vii (de curgere). Profilul transversal al albiei reprezint intersecia rului la nivel maxim cu un plan vertical, perpendicular pe direcia de curgere a apei, n punctul dat. Forma profilului transversal al albiei, numai n anumite cazuri particulare, poate fi asimilat cu un dreptunghi,

8

trapez, parabol sau combinaii ale acestora. De regul, profilul transversal al cursurilor de ap este destul de neregulat. Se disting: albia minor i albia major.

Fig. 7.2. Elementele caracteristice ale seciunii transversale ale unui ru.

Albia minor (principal) reprezint partea mai adnc a vii, acoperit permanent cu ap, i prile sale laterale care pot avea ap numai o anumit parte din an. Este spat, de obicei, n aluviuni i mai rar n roca dur. Pe fundul su se afl punctul de talveg, punctul de cea mai mare adncime n profilul transversal. Albia major (lunca) reprezint prile laterale ale vii, mai dezvoltate n suprafa i care sunt acoperite cu ap doar n timpul apelor mari, viiturilor.

Linia adncimilor maxime pe firul albiei minore, n profil transversal i longitudinal, poart denumirea de talveg. Reprezentarea talvegului n lungul rului determin profilul longitudinal al rului, acesta fiind strns legat de relieful terenului. Curba profilului longitudinal al suprafeei apei este n raport direct cu variaiile de nivel ale acesteia. Pentru nivelurile foarte sczute, profilul longitudinal al apei are aspectul unor trepte care coboar spre gura de vrsare, iar odat cu creterea debitului, apa trece peste praguri, cu viteze mici, acoperind ntreaga albie, pantele albiei se niveleaz. Panta unui ru poate fi studiat sub dou aspecte: panta albiei i panta oglinzii apei. Panta rului, I, reprezint raportul dintre diferena altitudinilor izvorului, Z1, i a seciunii de vrsare, Z2, i lungimea rului, L (fig. 7.1.b):

L

ZZI 21

= . (7.11)

Cu ct diferena de nivel dintre cele dou extreme ale rului este mai mare, cu att panta este mai accentuat. Valoarea pantei se exprim n grade, metru pe metru sau metru pe kilometru, [%] sau []. Valorile pantelor rurilor din ara noastr variaz, la munte, ntre 20 i 300 m/km, scznd la cmpie pn la 0,3 0,1 m/km.

Altitudinile sau cotele se citesc pe hri sau se obin prin nivelment. n ara noastr, nivelul de referin este nivelul Mrii Negre, considerat cota 0, iar cotele fa de acest nivel se exprim n metri deasupra mrii [mdM] i se numesc cote absolute. Se pot utiliza i cote relative, exprimate ca distana pe vertical fa de un reper local considerat 0 i a crui cot fa de Marea Neagr, 0 absolut, este cunoscut.

n anumite zone se mai utilizeaz exprimarea cotelor fa de nivelul Mrii Adriatice, [mdMA], sau fa de nivelul Mrii Baltice, [mdMB]. Simplificat se poate considera c Marea Neagr este mai sus cu 16...20 cm dect Marea Baltic i cu 40...44 cm mai sus dect Marea Adriatic.

Bazinul hidrografic sau bazinul de recepie al unui curs de ap este suprafaa de pe care acesta i adun apele. Linia care delimiteaz bazinul hidrografic se numete cumpna apelor iar totalitatea nervurilor care strbat suprafaa bazinului alctuiesc reeaua hidrografic. n fig. 7.3 sunt prezentate schematic elementele unui bazin hidrografic.

9

a) b)

Fig. 7.3. a) Elemente ale unui bazin hidrografic;

b) bazinul hidrografic al rului Arge aferent lacului Vidraru.

nveliul vegetal al bazinului hidrografic, att cel natural ct i cel realizat de om (plantaii, culturi agricole), are o influen foarte mare n formarea scurgerii. Este apreciat cantitativ prin coeficientul de acoperire a suprafeei cu diverse nveliuri vegetale.

Structura geologic a bazinului hidrografic n zona superficial a solului (1-1,50 m adncime), n care are loc scurgerea de subsuprafa (hipodermic) ctre albiile reelei hidrografice, are de asemenea o influen determinant n dezvoltarea proceselor hidrologice din bazin. Precipitaiile atmosferice reprezint sursa scurgerii hidrologice. Cantitatea de precipitaii este msurat punctual, la staiile meteorologice, amplasate pe teritoriu. Cantitatea de ap din ploi este determinat cu ajutorul unor aparate standardizate, numite pluviometre, msurarea fcndu-se discontinuu, de dou ori pe zi (la orele 07.00 i 19.00). Valoarea precipitaiei se exprim n nlime de strat uniform de ap, n milimetri [mm] sau, echivalent, n litri pe metru ptrat [l/m2]. Se poate obine i o nregistrare continu a ploii cu ajutorul unor aparate nregistratoare numite pluviografe.

Pentru precipitaiile sub form de zpad este important s se determine echivalentul lor n ap, att pe perioada ninsorii (cu aparate denumite nivometre) ct i pentru stratul de zpad acumulat la un anumit moment. Msurtorile de precipitaii sunt prelucrate i prezentate sub form de valori caracteristice:

precipitaii lunare i anuale, reprezentnd cantitatea total de ap provenit din ploi i ninsori pe perioada unei luni, respectiv a unui an, n punctul de msurare;

precipitaii maxime anuale n 24 h, reprezentnd cantitatea maxim de precipitaii czute ntr-o zi, n decursul unui an.

Ploile toreniale (averse) sunt ploi foarte puternice, cu o durat mai mic de 24 h. Acestea constituie un element de baz n studierea viiturilor (apelor mari) pe ruri i se caracterizeaz prin variaia n timp a cantitii cumulate de ploaie, h=h(t) i prin intensitatea ploii definit pe un interval de timp t prin relaia:

t

hi

= , n [mm/min], (7.12)

10

n care h este cantitatea de ap czut n intervalul de timp t. Reprezentarea grafic n timp a intensitii ploii se numete hietograma ploii. Prin reea hidrografic se nelege totalitatea unitilor hidrografice existente ntr-un bazin de recepie: cursuri permanente, temporare, lacuri naturale i antropice, mlatini etc. Structura reelei hidrografice este descris de civa factori mai importani: panta iniial a terenului, inegalitile rezistenei rocilor la eroziune, controlul structurii, diastrofismul recent (totalitatea deformrilor i dislocrilor pe care le sufer straturile din scoara terestr sub aciunea micrilor tectonice), istoria geomorfologic a reelei etc. Nivelul de baz (baza de eroziune) reprezint locul de confluen sau de vrsare a unui ru ntr-un alt ru, mare sau ocean. Nivelurile de baz pot fi:

generale (date de oceane); legate de mrile continentale (Marea Neagr, Marea Caspic); locale (date de confluena a dou ruri).

Pentru stabilirea rului principal i respectiv a afluenilor lui trebuie considerat un complex de criterii: lungimea, debitul, limea, adncimea, direcia. Afluenii direci ai rului principal se numesc aflueni de ordinul I, afluenii direci n afluenii de ordinul I se numesc aflueni de ordinul II pentru cursul de ap principal .a.m.d. Un exemplu de reea hidrografic, cu clasificarea afluenilor este prezentat n figurile 7.3.a i 7.4.

Fig. 7.4. Reeaua hidrografic a rului Milcovul Mic. Principalele elemente caracteristice ale unei reele hidrografice sunt:

lungimea rurilor din reea; msurarea lungimii se face pe teren sau pe hart, de la vrsare (kilometrul 0) ctre izvor; la msurarea pe hart trebuie s se in seama i de curburile rului, prin amplificarea lungimii msurate pe hart cu un coeficient de sinuozitate, KS, ale crui valori variaz ntre 1 i 1,25;

densitatea reelei hidrografice, dat de relaia:

rh

trh S

LD = , (7.13)

n care: tL este lungimea total a tuturor rurilor din reea; iar rhS aria teritoriului pe care

se desfoar reeaua (bazinul hidrografic al rului respectiv). Lungimea total a cursurilor de ap din ara noastr este de circa 118.000 km. Avnd n vedere c suprafaa Romniei este 237.500 km2, rezult o densitate medie a reelei hidrografice de 0,5 km/km2. Aceasta are valori maxime n zona de munte, cu altitudini de 1200 1400 mdM: 1,2 km/km2; valorile cele mai mici fiind n Cmpia Romn, unde sunt zone cu valori sub 0,3 km/km2.

11

n cadrul reelei hidrografice sunt cuprinse, pe lng apele curgtoare cu caracter permanent i vile seci ale torenilor, ravenele (vi strmte cu versani abrupi, formate prin eroziune de uvoaie) i ogaele (terenuri cu eroziune n adncime), diferite canale etc. Regimul scurgerii hidrologice este influenat, direct sau indirect, i de o serie de ali factori climatici: presiunea atmosferic, temperatura, umiditatea, vntul. Presiunea atmosferic este fora cu care aerul apas pe unitatea de suprafa a Pmntului. Presiunea se definete ca fora F ce apas normal pe unitatea de suprafa:

S

Fp = , [N/m2], (1 N/m2 = 1 Pa; Pascal)], (7.14)

unde F este fora uniform distribuit pe suprafaa de arie S. Pentru presiunea atmosferic se utilizeaz n practic milimetrul coloan de mercur

(Hg): 1 mmHg este presiunea exercitat de o coloan de mercur cu nlimea de 1 mm, adic 133,28 N/m2. n domeniul tiinific se prefer milibarul (mb) care reprezint un hectopascal, adic: 1 mb = 100 Pa = 1 hPa.

Presiunea standard la nivelul mrii este: 760 mm Hg = 101.325 N/m2 = 1013 hPa = 1013 mb. Valorile obinuite de presiune la nivelul mrii variaz de la 960 mb, n condiii de furtun, pn la 1050 mb, cnd presiunea este foarte ridicat.

Presiunea atmosferic variaz cu altitudinea. Cu ct altitudinea este mai mare cu att presiunea va fi mai mic. O bun aproximaie, valabil pn la aproximativ 3000 mdM, este urmtoarea: la fiecare 100 m cretere de altitudine presiunea scade cu 10 mb.

Presiunea atmosferic se msoar cu aparate numite barometre, respectiv se poate nregistra continuu cu ajutorul barografelor, exprimndu-se n nlime coloan de mercur (mmHg) sau n milibari.

Pe baza msurtorilor de la staiile meteorologice se traseaz la scar continental liniile de egal presiune (izobare). Formaiile barice cele mai importante sunt cele concentrice cu presiuni descresctoare spre centru, denumite cicloane, respectiv cu presiuni cresctoare spre centru, denumite anticicloane. n mod obinuit, aerul din regiunile cu anticicloane se deplaseaz ctre regiunile cu cicloane, cu viteze proporionale cu gradientul de presiune dintre aceste regiuni. De obicei, vremea este frumoas n regiunile cu presiune ridicat i avnd tendin la averse n zone cu cicloane.

Temperatura aerului intereseaz, din perspectiva analizelor hidrologice, prin valorile din imediata vecintate a solului i a maselor de ap. Acestea absorbind radiaia solar, transmit prin radiaie o parte din cldur aerului atmosferic cu care sunt n contact. Fenomenul de schimb energetic dintre sol i aerul atmosferic este deosebit de complex, determinnd variaia n timp i spaiu a temperaturii aerului i solului. Msurarea corect a temperaturii aerului (cu termometre, termografe, termometre de minim i maxim) se face la umbr, n adpost n care se asigur o circulaie ct mai natural a aerului, amplasat la o nlime de 2 m deasupra solului. Temperatura solului se msoar cu termometre speciale ngropate n sol la diferite adncimi, pn la 1 m. Datele obinute din msurtori se prelucreaz i se determin valori medii zilnice, lunare, anuale i multianuale.

Umiditatea aerului este unul dintre cele mai variabile elemente meteorologice i reprezint o msur a coninutului n vapori de ap a atmosferei. Concentraiile de vapori de ap n atmosfer variaz cu temperatura i presiunea. Acetia provin n majoritate din evaporarea mrilor i oceanelor i, n mai mic parte, din evaporarea ghearilor.

Variaiile anuale ale umiditii aerului sunt strns legate de variaiile temperaturii, respectiv minim iarna i maxim vara. Vaporii de ap condenseaz pe particulele suspendate n atmosfer, deoarece acestea, prin radiaie, se rcesc mai repede dect aerul. Ele devin nuclee de condensare chiar cnd temperatura aerului nu atinge punctul de rou. n cazul existenei unui numr mare de nuclee de condensare, se produce cea chiar dac nu este atins nivelul de umiditate de 100% (ceaa putnd aprea i la o umiditate de 70%). Ocupnd straturile inferioare ale atmosferei, ceaa determin creterea concentraiei

12

poluanilor, devenind un factor activ n dinamica reaciilor chimice din atmosfer. Din punctul de vedere al chimiei apelor este util de cunoscut derularea reaciilor chimice i formarea compuilor chimici existeni n ploaie, cea, zpad precum i a aerosolilor. Picturile de cea (cu diametrul de 10 50 m) se formeaz ntr-o atmosfer saturat n ap (umiditate relativ 100%) prin condensarea pe aerosoli. Concentraia n ap lichid n cea este de ordinul 4...10 l ap / m3 aer, n timp ce concentraiile de ioni i de acizi n cea sunt de 10...50 de ori mai mari dect cele din ploi. Norii deplaseaz volume importante de aer i transport gazele i aerosolii pe distane mari, iar picturile de cea sunt colectori importani de substane poluante de origine local i din apropierea solului. n general, proporia crescut de vapori de ap n atmosfer constituie un factor agravant al polurii. Precipitaiile favorizeaz ns dizolvarea i splarea impuritilor din atmosfer i aducerea acestora pe sol. Ploaia realizeaz splarea atmosferei n special de impuriti gazoase, iar zpada de impuriti solide.

Principalii indicatori ai umiditii aerului sunt: umiditatea absolut (Ua) reprezint masa de vapori coninut de volumul unitar de

aer (g/m3), la temperatura local; umiditatea de saturaie (US) este valoarea maxim a umiditii aerului la o anumit

temperatur; umiditatea relativ (Ur) este definit prin raportarea umiditii absolute la

umiditatea de saturaie:

100=s

ar U

UU [%]. (7.15)

Umiditatea poate fi exprimat i n uniti de presiune (mmHg, mb), ntruct vaporii de ap acioneaz ca un gaz, determinnd o presiune independent de presiunea atmosferic. Relaia de legtur ntre cele dou moduri de exprimare a umiditii este: 1 mb ~ 1,3 g/m3.

Umiditatea aerului se msoar cu un aparat numit psihrometru, iar cea relativ cu higrometrul.

Vntul reprezint deplasarea orizontal a maselor de aer, generat i influenat de urmtorii factori:

potenialul baric, care determin viteza i direcia iniial; fora Coriolis, determinat de rotaia globului pmntesc; componenta orizontal a forei centrifuge din micarea masei de aer pe traiectorii

curbe; frecarea maselor de aer cu relieful i nveliul solului; diferena de temperatur a zonelor de deasupra mrilor i uscatului (brizele

marine). Viteza i direcia vntului (dinspre care bate vntul) se determin cu girueta sau cu

anemometrul, dotate cu un ampenaj special i montate la nlimea standard de 10 m, sau la sol, pentru studiul evaporaiei. Variaia pe vertical a vitezei vntului este descris de o formul empiric, de tip parabolic:

71

00

=

H

Hvv , (7.16)

unde H0 este nlimea la care s-a msurat viteza v0. Dup vitez, vnturile se pot clasifica n 12 clase, conform scrii Beaufort, de la vnturi calme (v < 0,5 m/s), la vnturi tari (12,5 15,2 m/s) i uragan (v > 25,2 m/s). Prelucrarea nregistrrilor privind viteza i direcia vntului se poate face grafic prin roza vntului (fig. 7.4).

13

Fig. 7.5. Exemplu de roz a vntului. n ara noastr, vnturile cele mai importante sunt: crivul care sufl iarna din direcia nord i nord-est n Moldova, Dobrogea i Cmpia Dunrii; Austrul sufl din direcia vest n Cmpia Dunrii; Coova sufl din direcia sud n Banat; vntul negru n Dobrogea, tot din sud, acestea dou sunt vnturi calde i uscate. Brizele care sufl pe litoral sunt vnturi locale.

7.2.2. Debitele cursurilor de ap Debitul lichid al unui ru (Q) reprezint volumul de ap care se scurge printr-o seciune transversal ntr-o unitate de timp; se exprim n metri cubi pe secund, [m3/s] sau litri pe secund, [l/s]. Debitul mediu specific de scurgere pe suprafaa unui bazin hidrografic (debitul pe unitate de suprafa) (q) este raportul dintre debit (Q) i suprafaa bazinului hidrografic (S) i se exprim n metri cubi pe secund i kilometru ptrat, [m3/s/km2] sau litri pe secund i kilometru ptrat, [l/s/km2]:

S

Qq = . (7.17)

Debitul unui ru depinde de: suprafaa bazinului hidrografic; precipitaiile czute ntr-un interval de timp (or, zi, lun, an) i se determin ntr-o anumit seciune transversal, la un moment dat, prin metoda direct, prin msurtori pe teren sau prin metoda indirect cu ajutorul relaiei de calcul:

t

ShQ = , (7.18)

n care: este coeficientul de scurgere; S suprafaa bazinului de recepie corespunztor seciunii pentru care se estimeaz debitul, [km2]; h nlimea medie a precipitaiilor, [mm]; t intervalul de timp pentru care s-a nregistrat precipitaia, [s].

Coeficientul de scurgere, , indic fraciunea din apa czut sub form de precipitaii care se scurge efectiv pe ru, restul, 1 , se evapor i se infiltreaz n sol. Acesta depinde de muli factori, cum ar fi: precipitaii, temperatur, vnt, umiditate, coeficient de mpdurire, coeficient de permeabilitate a solului, panta medie a talvegului scurgerii, altitudinea medie a bazinului. Prin raportarea debitului scurs (Q) ntr-un interval de timp dat (T) (zi, lun, an) la suprafaa bazinului (S) se obine nlimea stratului de ap scurs ( [mm] h ) de pe un areal

(referitor la arie, la suprafa) dat:

14

S

QTh =[mm] . (7.19)

Cele mai importante valori ale debitului unui curs de ap sunt: Debitul maxim maximorum (Qmax.max) reprezint cea mai mare valoare a debitului nregistrat pn n prezent. Poate avea i caracter catastrofal (Qcat). Debitul extraordinar (Qmax.ex) reprezint cea mai mare valoare a debitului nregistrat ntr-o perioad de 30 ani consecutivi. Debitul maxim anual (Qmax.an) reprezint cea mai mare valoare a debitului nregistrat n timp de un an i are o durat de o zi n cadrul acelui an. Debitul normal sau debitul modul (Qm) reprezint media aritmetic a debitelor anuale pe un ir ndelungat de ani (3040 ani). Debitul mediu (Qmed.anual; Qmed.lunar; Qmed.decad; Qmed.var etc.) reprezint valoarea medie a debitului pentru o anumit perioad de timp (an, lun, decad, anotimp). Debitul de etiaj (Qetj) este considerat ca fiind debitul cu durata de 355 zile/an, astfel c numai 10 zile din an debitul ar putea fi mai mic dect aceast valoare. Debitele specifice cu cantitatea de ap mai mic de 1 l/s/km2 sunt considerate debite de etiaj. Debitul minim minimorum (Qmin.min) este debitul cu cea mai mic valoare, produs pn n prezent. Constanta debitului unui ru (coeficientul de torenialitate) reprezint raportul dintre debitul maxim i cel minim nregistrat (de exemplu: 1/933 pentru Brlad, 1/130 pentru Someul Mic, 1/16 pentru Dunre etc.). Pentru a se asigura un echilibru ntre perioadele cu excedent de umiditate i cele cu deficit, este necesar s se realizeze o regularizare a debitelor, adic o compensare a acestora. Cea mai rapid i eficient msur o reprezint construcia de lacuri de acumulare (lacurile de pe rul Olt, lacul Vidraru pe rul Arge, lacul Strmtori pe rul Firiza, lacurile Tarnia i Fntnele pe rul Some, lacul Izvorul Muntelui pe rul Bistria, lacul Vidra pe rul Lotru). Debitul solid (aluvionar) reprezint cantitatea (masa) de aluviuni, transportat de apele unui ru prin seciunea transversal, ntr-o unitate de timp; se exprim n grame sau kilograme pe secund, [g/s] sau [kg/s]. Aluviunile sunt materiale de natur anorganic i organic, cu greutate specific mai mare dect a apei i care sunt transportate de apele curgtoare. Transportul aluviunilor prin albia rurilor se face prin: rostogolire, trre, suspensie i soluie. Rostogolirea se produce pe rurile de munte sau toreni. Transportul prin trre este specific cursurilor mijlocii, mai cu seam la aluviunile care au o greutate specific egal sau mai mic dect a apei. n momentul n care micarea turbulent se intensific, aluviunile fine sunt transportate n suspensie. Transportul n soluie l realizeaz apele ncrcate cu clorur de sodiu sau alte sruri. Aluviunile n suspensie au cea mai mare frecven n transportul exercitat de ruri i pot reprezenta 90 98% din totalul aluvionar. Excepie fac cursurile superioare ale rurilor montane, unde ponderea cea mai mare o au aluviunile de fund. n cadrul seciunii de curgere a rului, repartiia aluviunilor n suspensie depinde de intensitatea micrii turbulente, de mrimea, forma i greutatea particulelor. De obicei, cantitatea de aluviuni, n seciunea vie a unui ru, crete de la suprafa spre adncime i de la maluri spre mijlocul albiei. Pentru calculul debitului solid se folosesc datele obinute pentru debitul lichid, precum i rezultatele probelor analizate n laborator. Turbiditatea se poate defini ca opacitatea sau lipsa de transparen a apei provocat de particule foarte fine, care nu pot fi individualizate cu ochiul liber, aflate n stare de suspensie n ap. Aceasta caracterizeaz coninutul n suspensii solide a apei i se determin cu relaia:

V

P 610= , [g/m3], (7.20)

15

n care: este turbiditatea unei probe de ap (ntr-un punct); P greutatea aluviunilor din punctul de colectare, n [g]; V volumul probei, n [cm3]; 106 coeficientul de transformare din [cm3] n [m3]. Viiturile reprezint creterile brute i de scurt durat a debitelor i implicit a nivelurilor rurilor, n general deasupra valorilor obinuite, ca urmare a curgerii superficiale rezultate din ploi, din topirea zpezilor sau ca urmare a unor accidente (ruperea unor baraje naturale sau antropice, supraalimentarea etc.). Cea mai important caracteristic a unei viituri este nlimea apei n albie (care se poate ridica la valori foarte mari pentru unele fluvii): Parana 40 m la Guaira, Garonne 12 m la Agen, Trnava Mare 4 m la Media, Dunrea 5 m la Ptlgeanca etc. Curbele caracteristice ale debitelor unui curs de ap sunt:

cheia limnimetric; curba de regim (hidrograful); curba de durat (clasat); curba de frecven; curba integral a debitelor; curba integral a diferenelor de debit.

Cheia limnimetric sau cheia debitelor printr-o seciune a unui ru reprezint legtura dintre adncimea apei n seciune i debitul care o strbate. Aceasta este exprimat de relaia lui Chzy:

RiACQ = , n [m3/s], (7.21) n care: A este aria seciunii vii (curgerii); C coeficientul lui Chzy; R raza hidraulic; i panta hidraulic (panta suprafeei libere; n micarea uniform este egal cu panta talvegului).

Raza hidraulic se calculeaz cu relaia:

P

AR = , (7.22)

n care P este perimetrul udat; iar una dintre relaiile de calcul pentru C este relaia lui Pavlovski:

yRn

C1

= , (7.23)

n care n este rugozitatea patului albiei, definit ca nlime medie a asperitilor, iar y este un coeficient care se poate considera conform lui Manning ca fiind:

6

1=y . (7.24)

Pentru exemplificare, n tabelul 7.4 sunt prezentate debitele rului Tazlu nregistrate la staia hidrometric Telegiu, iar n figura 2.17 este reprezentat cheia limnimetric.

Tabelul 7.4 Debitele rului Tazlu, Q n [l/s], pentru diferite adncimi, h n [mm], nregistrate la

staia hidrometric Telegiu

H 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 Q 7,7 12,7 18,2 24,4 31,3 39,1 47,8 57,6 71 87,5 105 125 H 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 Q 146 171 197 224 252 281 311 343 378 415 458 499 H 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 Q 544 590 636 682 728 774 820 866 912 958 1004 1050 H 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670

16

Q 1096 1142 1188 1234 1280 1326 1372 1418 1464 1510 1556

0

100

200

300

400

500

600

700

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

Q [l/s]

h [mm]

Fig. 7.6. Cheie limnimetric pe rul Tazlu, staia hidrometric Telegiu.

Curba de regim sau hidrograful reprezint variaia n timp a debitului. Pentru a

reprezenta curba de regim, este important de stabilit perioada i pasul de timp pentru care se construiete. Pentru a construi o curb de regim, este necesar s se calculeze debitele medii pe intervale de timp. Debitul mediu pe un interval de timp T se obine cu relaia:

( )T

WttQ

TQ T

TT == 0 d

1, (7.25)

unde TW reprezint volumul scurs prin seciunea de referin n perioada T.

Dac se mediaz un ir de debite pe intervale de timp t, se obine un ir de debite medii, tQ . n funcie de pasul de timp t pentru care se determin valorile medii, rezultatul

medierii poate fi:

tQ = zQ , lQ , anQ ; pentru t = 1 zi, 1 lun, 1 an.

Altfel spus, rezultatul poate fi: debit mediu zilnic, prin medierea debitelor instantanee; debit mediu lunar, prin medierea debitelor medii zilnice sau instantanee pe perioada unei luni; debit mediu anual, prin medierea debitelor medii lunare, zilnice sau instantanee pe perioada unui an. Prin medierea debitelor instantanee, medii zilnice, medii lunare sau medii anuale pe perioada mai multor ani se obine debitul mediu multianual.

ntotdeauna, debitul maxim al irului de debite medii rezultate este mai mic dect debitul maxim al irului de debite nregistrate, iar debitul minim al irului de debite medii rezultate este mai mare dect debitul minim al irului de debite nregistrate:

maxmax

QQ t . (7.26)

Dac se mediaz pe toat perioada T irul iniial de debite i se mediaz i irul de debite medii pe intervale t, se observ c cele dou valori ale mediilor sunt egale:

T

n

jjtTt

QQn

Q == =

1

,1

)( . (7.27)

n tabelul 7.5 se prezint, pentru exemplificare, debitele afluente medii zilnice pe rul Brdior, pe parcursul unui an, n metri cubi pe secund, iar pe figura 7.6 se reprezint curba de regim asociat valorilor din tabel.

Tabelul 7.5

17

Debitele afluente medii zilnice pe rul Brdior,

pe parcursul unui an, n [m3/s]

Lun

Zi I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

1 14,9 31,0 3,7 5,6 12,8 17,3 10,6 30,8 32,1 7,0 45,2 12,3 2 12,2 23,9 8,5 1,6 26,0 15,2 8,5 39,0 41,7 12,2 45,0 13,5 3 42,1 20,2 16,4 2,3 24,1 23,7 14,4 40,8 8,2 27,2 49,9 26,1 4 47,9 8,7 14,4 10,0 17,0 15,7 12,7 40,0 20,0 22,2 33,9 19,2 5 51,0 14,3 4,0 8,1 9,3 13,8 2,1 32,5 15,4 19,6 36,1 35,6 6 43,7 24,4 6,8 9,4 7,6 10,1 11,8 24,4 16,8 11,2 38,1 43,9 7 25,9 11,8 6,5 6,5 12,2 21,1 19,3 22,5 13,4 14,6 53,0 54,3 8 18,0 17,9 11,0 9,6 14,0 17,7 4,2 39,9 13,8 8,2 53,1 41,5 9 26,3 15,7 7,0 7,9 12,0 18,0 9,2 43,5 12,9 25,1 48,1 40,8 10 47,8 14,8 7,7 36,3 11,4 11,7 13,3 36,5 5,8 21,5 59,3 31,4 11 46,8 11,2 7,4 23,1 15,0 13,6 11,2 41,6 7,5 17,9 56,0 51,9 12 51,2 6,6 11,1 26,5 15,5 15,5 3,6 2,1 11,5 25,9 37,6 41,0 13 48,5 4,9 19,5 31,5 10,4 12,0 20,5 8,5 13,1 38,4 32,9 55,7 14 21,1 14,7 21,9 34,9 30,8 20,8 10,8 15,7 14,9 33,5 35,7 56,9 15 20,7 20,3 20,5 20,5 20,2 16,3 7,6 21,1 22,1 24,2 28,7 63,2 16 31,2 14,9 18,9 9,9 13,4 29,6 2,5 25,9 7,3 45,1 16,6 43,9 17 54,6 9,9 16,9 33,1 9,0 11,2 9,8 31,4 12,5 30,8 9,7 23,5 18 46,8 12,5 2,3 23,8 11,5 15,7 10,8 25,8 23,0 48,5 9,5 40,1 19 56,1 3,0 8,6 25,2 11,7 23,5 12,4 28,4 22,4 42,6 3,5 53,4 20 49,6 7,5 10,9 27,7 9,4 18,9 13,6 21,5 17,1 40,7 18,9 45,9 21 49,2 6,8 15,6 5,2 8,5 12,8 20,2 38,5 11,5 38,5 4,9 46,1 22 27,3 14,5 34,1 12,9 21,5 15,2 19,1 47,9 12,9 31,1 18,0 45,9 23 44,2 9,8 26,1 5,9 58,2 14,2 15,4 35,9 6,5 40,0 24,9 39,3 24 44,6 5,5 21,9 5,6 56,8 12,2 11,8 40,4 4,2 46,9 36,8 23,2 25 42,9 2,4 15,4 10,1 47,0 12,6 23,3 34,0 11,9 43,1 33,6 2,2 26 42,3 4,0 7,9 26,0 37,3 19,0 35,9 33,5 17,1 49,1 2,6 11,7 27 41,8 14,6 18,7 32,3 33,6 8,8 29,5 7,1 15,1 52,8 22,2 48,2 28 20,2 2,2 8,1 28,7 16,7 13,4 27,1 16,5 13,2 43,7 30,8 39,1 29 3,1 - 25,9 17,0 22,5 12,3 10,2 36,5 16,1 21,2 27,1 22,8 30 3,9 - 10,2 11,0 16,4 19,4 10,5 36,0 21,7 32,6 34,1 28,0 31 24,7 - 7,9 - 24,3 - 41,5 40,2 - 52,9 - 26,0 Medii 35,5 12,4 13,4 16,9 20,5 16,0 14,6 30,3 15,4 31,2 31,5 36,3

Pe ultima linie din tabelul 7.5 sunt debitele medii lunare, calculate ca medii aritmetice ale debitelor medii zilnice din fiecare lun. Pe figura 7.6, se reprezint curba de regim debitelor medii zilnice i curba de regim a debitelor medii lunare pentru 1 an. Se observ efectul medierii i anume imposibilitatea de a ine cont de variaiile zilnice ale debitului.

n calculele hidroenergetice (putere, energie) se utilizeaz, n general debite medii lunare n seciuni de interes, debite care sunt corectate cu coeficieni care le aduc mai aproape pe debitele medii zilnice, pentru a nu se pierde moaele zilnice ale debitelor.

18

0

10

20

30

40

50

60

70

t [zile/luni]

Q [mc/s]

ian feb mar apr mai iun iul aug sep oct nov dec t [zile/luni]

Fig. 7.6. Curba de regim a debitelor medii zilnice (linie) i a debitelor medii lunare (coloane),

pe rul Brdior, pe o perioad de 1 an.

Tot pentru exemplificare, n tabelul 7.6 se prezint debitele afluente medii lunare pe rul Brdior, pentru 49 ani, n metri cubi pe secund, iar pe figura 7.7 se reprezint curba de regim a debitelor medii lunare. n coloana din dreapta a tabelului se trec debitele medii anuale, ultima linie conine debitele medii lunare multianuale, calculate ca medii aritmetice a debitelor medii lunare nregistrate pe numrul de ani ai perioadei de studiu, pentru fiecare lun n parte. n celula din dreapta jos a tabelului se trece debitul mediu multianual a crui valoare este foarte important pentru calcule hidroenergetice reprezentnd o caracteristic a cursului de ap.

19

Tabelul 7.6

Debite afluente medii lunare pe rul Brdior, pentru 49 ani, n [m3/s]

Luna

An I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Media

1 8,6 7,7 7,1 36,7 48,0 47,3 49,6 16,3 33,7 16,8 10,8 10,0 22,8 2 8,4 7,5 6,6 8,8 43,2 171, 8,2 6,9 5,5 5,3 4,6 6,0 25,3 3 4,4 4,1 3,8 7,9 23,4 19,4 12,2 5,4 6,2 4,5 4,5 5,5 8,6 4 5,0 11,8 9,7 39,7 50,0 25,0 15,0 10,1 8,9 48,7 24,1 9,3 15,8 5 8,5 8,9 7,9 17,7 81,0 14,2 6,2 6,0 8,5 9,6 13,0 16,5 20,1 6 16,4 11,2 13,1 25,0 27,8 13,0 4,9 3,3 4,3 3,1 17,3 33,6 13,2 7 16,3 26,9 29,1 14,4 9,5 13,0 10,9 7,4 8,0 5,2 11,1 48,9 15,8 8 36,5 15,3 8,7 34,4 51,4 79,4 21,9 9,2 5,8 5,1 10,4 14,1 27,3 9 13,5 11,5 5,0 7,5 19,5 41,3 28,5 12,9 8,8 5,0 22,0 14,2 14,9

10 10,0 8,7 7,9 34,9 21,2 6,5 4,2 3,8 3,3 5,0 29,4 26,2 11,8 11 10,6 7,4 13,4 30,5 42,7 20,1 16,7 15,7 5,3 6,4 4,7 15,3 18,6 12 4,8 7,0 8,4 37,9 27,7 15,9 8,4 5,4 4,5 9,8 12,0 17,4 12,2 13 15,8 9,7 11,2 39,4 49,4 61,1 16,0 9,8 7,9 5,2 2,6 3,4 21,6 14 3,8 3,9 7,5 11,5 51,4 37,0 11,6 8,4 5,3 7,9 9,9 12,3 12,6 15 9,9 9,9 20,1 24,2 71,9 22,0 23,0 14,0 12,5 0,0 0,1 0,0 19,8 16 8,2 9,8 6,7 29,2 59,5 31,4 17,0 9,6 6,1 5,2 5,3 7,0 14,8 17 5,5 10,1 18,9 46,4 27,5 22,9 18,2 11,5 7,8 5,8 15,4 15,4 15,5 18 9,3 8,2 7,7 18,0 59,7 19,2 16,6 7,2 4,5 3,7 6,9 8,2 15,6 19 5,0 4,4 6,6 12,8 25,9 21,7 15,5 17,9 9,3 5,8 8,0 7,5 11,5 20 6,2 8,4 10,7 20,5 45,7 33,2 26,4 16,4 6,7 5,8 15,6 39,4 16,3 21 10,3 2,0 5,8 15,2 34,1 44,4 14,1 9,0 4,9 6,6 23,6 8,6 16,7 22 6,6 6,2 17,6 40,7 50,8 23,0 12,3 8,4 5,9 4,6 10,2 6,8 17,5 23 5,6 6,7 7,7 24,7 41,8 21,1 10,4 8,1 7,6 5,7 4,6 4,3 12,9 24 3,3 3,4 4,9 12,0 17,4 10,7 10,3 10,2 5,8 33,2 18,0 16,9 7,7 25 10,4 7,7 12,4 16,9 78,7 35,6 9,5 5,6 5,2 4,8 3,6 4,7 20,8 26 3,1 10,3 5,8 24,3 31,8 17,5 19,3 17,2 10,7 5,8 18,3 8,7 12,8 27 6,3 4,9 8,1 27,5 62,1 39,2 20,5 8,6 8,1 5,7 5,7 5,7 18,2 28 6,5 6,5 7,8 31,8 31,1 11,3 8,9 19,7 17,4 9,4 14,3 9,3 13,2 29 6,9 10,8 11,8 25,7 53,9 41,9 43,7 13,3 9,8 5,7 7,8 20,5 20,9 30 13,7 8,9 15,5 56,9 69,1 48,8 31,8 11,7 5,8 5,4 5,2 4,0 24,7 31 11,5 6,5 9,8 33,4 42,5 21,4 9,0 7,1 11,0 6,8 5,0 4,8 13,9 32 4,2 6,2 6,7 37,5 24,2 16,7 14,8 17,1 26,2 70,2 14,4 5,5 14,2 33 7,9 4,2 4,7 15,4 43,0 26,8 6,7 3,0 5,1 2,7 1,6 1,6 17,3 34 1,6 2,7 2,6 6,1 30,7 48,0 20,4 9,0 5,6 40,7 22,5 13,6 11,1 35 8,6 0,5 6,4 21,0 45,0 43,1 48,8 11,8 12,0 5,6 3,2 1,2 22,8 36 2,8 6,8 7,1 29,0 40,6 21,4 13,5 16,8 13,7 13,6 30,4 11,3 13,5 37 7,4 9,8 16,6 35,8 43,2 15,8 15,9 9,5 7,7 10,7 9,6 7,7 18,1 38 4,9 6,3 10,4 13,2 45,5 22,7 16,6 5,3 12,2 10,4 4,4 4,6 13,8 39 5,2 4,3 5,3 18,8 71,7 43,9 22,6 23,5 12,5 8,2 8,8 7,4 18,9 40 4,8 3,7 4,1 8,3 49,3 43,2 24,6 14,9 10,6 19,0 14,1 10,4 15,7 41 7,2 4,4 11,2 22,7 46,2 50,8 18,3 15,7 19,8 27,6 19,9 10,0 20,0 42 4,9 4,6 4,5 13,9 63,0 43,5 18,7 19,4 11,4 7,4 5,8 5,1 20,1 43 7,6 7,0 16,0 50,1 29,2 29,0 29,6 13,3 13,8 8,4 4,8 6,7 17,8 44 4,9 4,9 6,4 21,4 90,5 33,8 13,1 10,2 14,5 10,9 10,6 6,8 18,3 45 5,3 4,5 9,4 43,5 75,2 32,6 18,8 13,3 9,5 6,1 6,5 8,9 20,0 46 5,2 5,2 12,8 59,3 42,5 30,6 20,2 26,3 8,1 5,7 5,0 3,5 19,3 47 3,8 4,2 5,7 24,6 87,1 35,7 15,7 8,4 5,2 5,8 7,0 18,4 17,0 48 5,5 5,9 10,0 27,6 82,0 43,2 19,9 10,0 15,2 9,3 8,5 6,9 20,9 49 5,2 5,9 14,1 40,3 33,3 31,7 15,1 12,4 13,6 20,9 23,6 13,3 16,4

Media 7,9 7,3 9,6 26,4 46,8 33,5 17,8 11,3 9,6 11,0 11,1 11,2 16,9

20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Q [m3/s]

t [luni]

Fig. 7.7. Curba de regim a debitelor medii lunare, pe rul Brdior, pe o perioad de 49 ani. Cu linie groas este reprezentat debitul mediu multianual, 16,9 m3/s.

n multe dintre cazurile practice nu intereseaz succesiunea cronologic a valorilor

debitului ci durata lor. Durata unei valori a debitului reprezint fraciunea din orizontul de timp considerat, ct valoarea respectiv a fost realizat, depit, deci debitul a fost disponibil.

Reprezentarea grafic a valorilor debitului n ordine descresctoare pstrnd n abscis pasul de timp cu care se cunosc debitele medii se numete curb de durat sau curba clasat a debitelor. Aceast curb arat c pentru un interval de timp, T, pe un anumit ru i ntr-o anumit seciune, o anumit valoare a debitului, Q*, a fost depit o anumit durat, d*.

Durata d*, a unei valori a debitului, Q*, pentru un interval de timp T, se poate determina de pe curba de regim ducnd o paralel la axa timpului n dreptul valorii Q* i nsumnd intervalele de timp delimitate pe aceast paralel de curba de regim cnd Q Q*.

Dac se consider durata n procente din perioada T, se obine asigurarea debitului, care arat ct la sut din perioada T o valoare a debitului a fost depit. Reprezentarea grafic a curbei de durat cu abscisa n procente se mai numete curb de asigurare.

Asigurarea sau probabilitatea de depire p* a unei valori a debitului, Q*, pentru un interval de timp foarte mare T, se calculeaz cu relaia:

100*

* =T

dp [%], (7.28)

iar curba de durat tinde la o curb de probabilitate de depire. De exemplu, o valoare a debitului are o asigurare de 10% pe o perioad de 50 de ani,

nseamn c acel debit a fost depit 5 ani, cumulat pe perioad de 50 ani. Pentru exemplificare se realizeaz reprezentarea grafic din figura 7.8 a valorilor

debitelor medii lunare din ultima linie a tabelului 7.5 n ordine descresctoare, cu coloane. Pentru sugerarea formei curbei de durat, cnd numrul valorilor de debite este foarte mare, se unesc cu linie continu punctele de mijloc ale fiecrei coloane. n figura 7.9 se reprezint curba de regim i curba de durat a debitelor medii zilnice, rul Brdior, pe o perioad de 1 an, cu valorile din tabelul 7.5.

21

0

5

10

15

20

25

30

35

40

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XIIt [luni]

Q [mc/s]

Fig. 7.8. Curba de durat a debitelor medii lunare,

pe rul Brdior, pe o perioad de 1 an.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360t [zile]

Q [m3/s]

Fig. 7.9. Curba de regim i curba de durat a debitelor medii zilnice,

pe rul Brdior, pe o perioad de 1 an.

Tot pentru exemplificare, n figura 7.10 se reprezint curba de regim i curba de durat a debitelor medii lunare, rul Brdior, pe o perioad de 49 ani, utiliznd valorile din tabelul 7.6. Pentru reprezentare s-au utilizat dou scri pentru abscise: timpul n luni i asigurarea n procente.

22

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1 37 73 109 145 181 217 253 289 325 361 397 433 469 505 541 577t [luni]

0,2 6,3 12,4 18,5 24,7 30,8 36,9 43,0 49,1 55,3 61,4 67,5 73,6 79,8 85,9 92,0 98,1

Q [

m3/s

]

p [%]

Fig. 7.10. Curba de regim i curba de durat a debitelor medii lunare, pe rul Brdior, pe o perioad de 49 ani.

Trecnd la valorile discretizate pentru timp, curba de durat se transfer ntr-o curb n trepte. Diagrama n trepte este o aezare descresctoare a valorilor debitelor din irul

{ }nQQQ ,...,, 21 - curb clasat a debitelor. Debitele cu asigurare mare sunt debitele mici i foarte mici, specifice perioadelor

secetoase. Debitele cu asigurare mic sunt debite mari i foarte mari, specifice perioadelor ploioase i foarte ploioase.

Curba de frecven. Frecvena este o mrime care arat de cte ori se produce un fenomen ntr-o unitate de timp. Frecvena unui debit, dintr-un ir de debite dat, pe o perioad dat de timp, arat numrul de apariii ale acelui debit din numrul total de apariii. Pentru a construi o curb de frecven este necesar s se dispun de un ir de debite, de exemplu medii lunare pentru o perioad de timp ct mai mare.

Curba de frecven este reprezentarea grafic a frecvenelor relative ale debitelor. Se consider c perioada caracteristic este format dintr-un ir de N valori de debite. Se mparte ecartul dintre debitul minim minQ i cel maxim maxQ n m intervale egale, de lime Q , unde:

m

QQQ minmax

= . (7.29)

Se recomand alegerea unui numr de intervale m, conform relaiei: Nm ln33,11+= . (7.30) Valoarea rezultat se aproximeaz prin adaos i reprezint un minim pentru numrul de intervale.

Pentru fiecare interval l, ml ,1= , frecvena relativ corespunztoare se calculeaz cu relaia:

N

nf ll = , ml ,1= , (7.31)

n care ln este numrul de valori de debite cuprinse n intervalul ),( QQQ ll , cu

( ) QlQQl = 1max , ml ,1= . Reprezentarea grafic a curbei de frecven a debitelor medii lunare se face avnd n

ordonat debitele iar n abscis frecvenele.

23

Pentru exemplificare se consider debitele medii zilnice pe rul Brdior pentru 1 an, tabelul 7.5. Aplicarea relaiei (7.31), n care N = 365 zile, numrul de zile pentru orizontul de timp de studiu, conduce la valoarea m = 9 pentru numrul de intervale de debite. Se calculeaz limea unui interval, Q , cu relaia (7.29), maxQ =63,2 m

3/s, minQ =1,6 m3/s,

Q =6,84 m3/s; se numr valorile pentru debit corespunztor fiecrui interval, ln , 9,1=l . Cu relaia (7.32) se calculeaz frecvena relativ corespunztoare fiecrui interval de debite,

lf . Valorile obinute se trec n tabelul 7.7, iar curba de frecven se reprezint n figura 7.11.

Curba de frecven arat ct la sut din intervalul de timp dat se regsesc debitele cuprinse ntr-un interval de debite dat.

Aceast curb ajut, n hidroenergetic, la alegerea debitului instalat al unei hidrocentrale sau la alegerea numrului de grupuri (turbin-generator).

Tabelul 7.7 Frecvene relative ale debitelor medii zilnice pentru rul Brdior.

m lQ QQl ln lf

- [m3/s] [m3/s] - [%] 1 63,20 56,36 5 1,37 2 56,36 49,52 15 4,11 3 49,52 42,68 28 7,67 4 42,68 35,84 35 9,59 5 35,84 29,00 29 7,95 6 29,00 22,16 45 12,33 7 22,16 15,32 63 17,26 8 15,32 8,48 94 25,75 9 8,48 1,64 51 13,97 - - 365 100,00

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

f [%]

Q [m3/s]

Fig. 7.11. Curba de frecven a debitelor medii zilnice, pentru rul Brdior,

pe o perioad de 1 an. Curba integral a debitelor este reprezentarea grafic a volumelor de ap cumulate

scurse printr-o seciune transversal a rului. Calculul volumelor se face cu relaia:

( ) ( )=t

ttQtW0

d , ],0[ Tt , (7.32)

n care cu T se noteaz orizontul de timp de studiu, n zile, luni etc. Fiecare volum determinat cu relaia (7.32) reprezint volumul cumulat care a traversat

o seciune transversal n intervalul de timp scurs ntre momentul iniial 0 i momentul curent t.

24

Dac se consider debitul cunoscut ca mrime discret pe pai de timp t, se calculeaz integrala din relaia (7.33) ca o sum:

=

=k

iik QtW

1

, 00 =W , nk ,1= ; (7.33)

unde numrul de pai de timp n este: n = T / t. Fiecare valoare a volumului se poate calcula ca volumul cumulat din momentul 0

pn la sfritul intervalului de timp anterior celui curent, la care se adun volumul afluent n intervalul de timp curent:

tQWW kkk += 1 , 00 =W , nk ,1= . (7.34) Pentru exemplificare se consider ca orizont de studiu primii 10 ani din irul de debite

medii lunare pe rul Brdior, pentru 49 ani (tabelul 7.6), i pasul de timp t = 1 lun, rezult 120 intervale.

La sfritul primei luni volumul afluent este: tQW = 11 ; unde, /sm 6,83

1 =Q ,

s 1063,2lun 1 6==t , adic: 31 mil.m 6,22=W ; la sfritul celei de-a doua luni, volumul afluent total este: tQWW += 212 ; ... la sfritul ultimei luni de analiz, a 120-a, volumul afluent total este: tQWW += 120119120 .

Diferena tQWWW kkkk == 1 reprezint volumul afluent pe pasul de timp t. Valorile obinute din calcule se reprezint grafic n figura 7.12. Valoarea introdus n calcule pentru t s-a calculat considernd o lun medie care are 30,5 zile. Se poate ine ns cont de valoarea real a numrului de zile din fiecare lun.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

t [luni]

W [mil.m3]

Fig. 7.12. Curba integral a debitelor medii lunare, pe rul Brdior, pe o perioad de 10 ani cu pas de timp de o lun.

Curba integral a debitelor are cteva proprieti remarcabile. Pentru evidenierea acestora se prezint n tabelul 7.8 valorile volumelor cumulate pentru primul an din cei 10 ai orizontului de studiu, iar n figura 7.13 se reprezint grafic curba integral a debitelor corespunztoare.

25

Tabelul 7.8 Stocurile medii afluente pe rul Brdior, pe parcursul unui an, la sfritul fiecrui

interval de timp t = 1 lun

Luna W (mil.m3) Luna W (mil.m3) I 23,1 VII 539,9 II 41,7 VIII 583,6 III 60,8 IX 670,9 IV 155,9 X 715,9 V 284,5 XI 743,9 VI 407,1 XII 770,7

Se consider dou puncte pe curb ( )111 ,WtM i ( )222 ,WtM . Volumul corespunztor

punctului 1M este proporional cu aria de sub curb, 1A , n centimetri ptrai, factorul de

proporionalitate fiind produsul dintre scara debitului QS , n centimetri pe metru cub pe

secund, [cm/(m3/s)] i scara timpului, tS , n centimetri pe secund:

tQSS

AW 11 = . (7.35

n triunghiul 1M N 2M (v. fig. 7.13), se scrie tangenta unghiului pe care 1M 2M l

face cu axa t, notat 12 :

t

W

S

S

tt

WW

NM

NM

12

12

1

212tg

== , (7.36)

unde WS [cm/m3] reprezint scara de reprezentare a volumului.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

t [luni]

W [mil.m3]

T

12M 1

M 2

N

Fig. 7.13. Curba integral a debitelor medii lunare, Brdior,

pe o perioad de un an.

De exemplu, dac scrile de reprezentare pentru volum i timp sunt:

26

WS =1 cm : 20 mil.m3 sau

36m1020

cm1

=WS i respectiv,

tS =1 cm : 1 lun sau s1063,2

cm16

=tS ,

se obine: 33 ms 1315,0ms20

63,2==

t

W

S

S.

Se noteaz 12Q debitul mediu corespunztor intervalului ],[ 21 tt , a crui relaie de

calcul este:

12

1212 tt

WWQ

= . (7.37)

nlocuind relaia (7.38) n relaia (7.37) se obine:

t

W

S

SQ = 1212tg , (7.38)

adic: panta secantei 21, MM la curba integral a debitelor este proporional cu debitul

mediu corespunztor intervalului ],[ 21 tt .

Dac se consider intervalul [ ]T,0 i secanta care unete originea cu punctul final al curbei integrale a debitelor i se noteaz T unghiul pe care aceasta l face cu axa timpului, se poate scrie:

t

WTT S

SQ =tg , (7.39)

unde TQ reprezint debitul mediu corespunztor orizontului de timp de studiu T.

La limit, dac se consider c punctul 2M se mic pe curb spre 1M , adic 12 tt , se poate scrie:

112

12

112

lim Qdt

dW

tt

WW

tttt=

=

=, (7.40)

unde 1Q reprezint debitul instantaneu corespunztor momentului 1t . Intuitiv, secanta devine

tangent la curb n punctul 1M , ( ) ( ) ,, 121 MMM , iar unghiul devine unghiul pe care l face aceasta cu axa timpului, notat 1 : 112 . Relaia (7.40) devine:

t

W

S

SQ = 11tg . (7.41)

Panta unei tangente la curba integral a debitelor este proporional cu mrimea debitului corespunztor punctului de tangen. Punctele de inflexiune ale curbei integrale a debitelor corespund debitelor extreme, maxime sau minime. Dezavantajul evident al curbei integrale a debitelor este faptul c valorile volumelor cumulate care trec prin seciunea transversal fiind cresctoare, dac orizontul de timp de studiu este mare, se ajunge la valori foarte mari. Astfel, intervalul de variaie al volumului este foarte larg i n cazul reprezentrii grafice este nevoie de o scar foarte mic. n asemenea cazuri se utilizeaz o variant a curbei integrale a debitelor i anume curba integral a diferenelor de debit.

Curba integral a diferenelor de debit se utilizeaz, n general la analiza debitelor afluente ntr-un lac de acumulare. Prin definiie, relaia de calcul a diferenelor de debit este:

( ) ( )[ ] =t

tQtQtW0 0

d , (7.42)

27

n care 0Q este o valoare constant considerat semnificativ pentru valorile debitului.

Dac se alege TQQ =0 , unde ( )=T

T ttQTQ

0d

1 reprezint valoarea medie a debitului

pe perioada T, rezult pentru valoarea final a curbei integrale a diferenelor de debit:

( ) ( )[ ] ( ) 0d d 00

=== TQttQtQtQTW TTT

T , (7.43)

altfel spus curba se nchide n valoarea 0. Calculul integralei din relaia (7.42) ca o sum conduce la relaia:

=

=0

1

kQQtWk

iik , 00 =W , nk ,1= ; (7.44)

sau, fiecare valoare se poate calcula n funcie de valoarea anterioar:

( ) tQQWW kkk += 01 , 00 =W , nk ,1= . (7.45) Proprietile sunt similare curbei integrale a debitelor, astfel c, n aceleai ipoteze i utiliznd aceleai notaii, se poate scrie:

( )t

W

S

SQQ 01212tg = , ( )

t

W

S

SQQ 011tg = . (7.46)

Practic, curba integral a diferenelor de debit se obine prin rotirea curbei integrale a debitelor n sensul acelor de ceasornic cu unghiul T , sau, altfel spus, pn cnd ultima valoare a volumului ajunge pe axa timpului. Pentru exemplificare, n figura 7.14 se prezint curba integral a diferenelor de debite medii lunare, pentru rul Brdior, pe o perioad de un an. Singurele diferene fa de figura 7.13 le constituie rotirea n sensul acelor de ceasornic cu unghiul T i scara de reprezentare. Pentru a pune n eviden alura curbei integrale a diferenelor de debit se reprezint n figura 7.15 o asemenea curb, ale crei valori au fost calculate pornind de la irul debitelor afluente medii lunare ale rului Brdior, pe primii 30 ani din perioada de 49 ani pentru care se dispune de date, tabelul 7.6.

-150

-100

-50

0

50

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

t [luni]

W [mil.m3]

Fig. 7.14. Curba integral a diferenelor de debite medii lunare, rul Brdior, pe o perioad de un an.

28

Curba integral a diferenelor de debit se utilizeaz, n general, la analiza debitelor afluente ntr-un lac de acumulare. Aceast curb este necesar la trasarea firului ntins, metod folosit la calculul utilizrii raionale a stocului afluent ntr-un lac de acumulare i care a stat la baza graficului dispecer.

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240 252 264 276 288 300 312 324 336 348 360

t [luni]

W [mil.m3]

Fig. 7.15. Curba integral a diferenelor de debit, Brdior,

pentru o perioad de 30 ani cu pas de timp de o lun.

7.2.3. Noiuni de hidrometrie Hidrometria este ramura hidrologiei care se ocup cu tehnicile i metodele de msurare i analiz a caracteristicilor fizice i chimice ale apei i cu prelucrarea datelor obinute cu aparatele i instalaiile de msurare a mrimilor hidrologice. Pentru obinerea datelor cu privire la fenomenele hidrologice din cadrul unui bazin hidrografic este nevoie, ca n anumite amplasamente, s se realizeze msurarea nivelurilor, debitelor, vitezelor. n funcie de importana lor acestea se numesc staii hidrometrice, posturi hidrometrice. Totalitatea staiilor i posturilor hidrometrice constituie o reea hidrometric. Aceasta, la rndul ei, nglobeaz dou reele componente: una cu funcionalitate de lung durat (reeaua hidrometric de baz); alta cu durat de funcionare relativ scurt (reeaua hidrometric auxiliar). Hidrometria asigur informaiile culese n timp i spaiu referitor la regimul de variaie a resurselor de ap. Astfel, aceasta poate s ofere o imagine asupra ecartului de variaie a fenomenelor hidrologice studiate, s determine o serie de parametri din formule empirice i modele hidrologice, s formeze iruri statistice i s realizeze operaii de prognoz hidrologic. Reeaua hidrometric de baz trebuie s furnizeze date continue pe cel puin 20 25 ani. Staiile sau posturile hidrometrice trebuie amplasate n locurile care s asigure caracterul natural al variabilei msurate. n aceste condiii trebuie s se evite influenele provenite din:

vecintatea imediat a construciilor hidrotehnice de tipul lacurilor de acumulare i prizelor de ap, dar i a podurilor ale cror picioare se gsesc n albie;

instabilitatea n plan orizontal i vertical a albiei;

29

lipsa de sensibilitate hidrologic (variaiile mari ale nivelurilor n profil transversal care conduc la variaii mici de debite);

accesul dificil de la cea mai apropiat arter de circulaie. Repartizarea staiilor hidrometrice i inclusiv a posturilor, n cadrul reelei, trebuie s aib n vedere urmtoarele criterii:

pe sectoare lungi, fr aflueni importani, distanele ntre dou puncte hidrometrice s se aleag astfel nct debitul mediu al cursului de ap, respectiv ntre dou asemenea puncte nvecinate, s difere cu circa 20%;

la confluene importante, fiecare curs de ap s dispun de cte un punct hidrometric imediat n amonte, iar pe cursul principal de ap, de un punct n aval la o distan care s satisfac diferena de 20%, anterior menionat, n raport cu nsumarea debitelor de la confluen. Reeaua hidrometric de baz din Romnia se compune din 760 puncte hidrometrice, revenind un punct la 320 km2. Punctele hidrometrice din reeaua auxiliar completeaz, temporar, reeaua de baz cu scopul obinerii informaiilor suplimentare. Fiecare punct de msurare este identificat prin numele rului i localitatea cea mai apropiat sau locul amplasrii postului.

7.3. Tipuri de amenajri pentru microhidrocentrale

7.3.1. Generaliti, clasificri Este important de specificat c exist dou tipuri principale de amenajri pentru MHC: - gravitaionale, care utilizeaz energia potenial a apei, numite i convenionale; - cinetice, care utilizeaz energia cinetic a apei, numite i neconvenionale.

Generarea convenional a energiei electrice din sursele hidro implica stocarea unor mari volume de apa cu ajutorul unor baraje. Hidrocentralele pe firul apei reprezinta centralele hidroelectrice care stocheaza volume foarte mici de apa sau nu retin deloc apa.

Acoperirea cererii de energie electric folosind centrale hidroelectrice convenionale eset limitat. De aceea estimrile de producie de energie, fcute de Uniunea Europeana (UE) pe termen mediu si scurt, din surse regenerabile, se pot realiza prin promovarea tehnologiilor hidro pe firul apei. O prim clasificare a MHC este: - cu acumulare, realizat cu ajutorul unui baraj sau stvilar; - fr acumulare, cu realizarea unei mici supranlri a nivelului apei pentru necarea prizei de ap.

Dac nu se poate utiliza pentru MHC un lac natural, realizarea unei acumulri implic construirea unui baraj sau a mai multor baraje. Pentru microhidrocentrale nu este, n general, fezabil din punct de vedere economic crearea de lacuri de acumulare, investiia fiind mare, poate doar cu excepia amplasamentelor izolate unde valoarea energiei este foarte mare. Stocarea, pentru o microhidrocentral este n general limitat la mici volume de ap dintr-un lac de acumulare nou sau ale unuia existent. Termenul folosit pentru a descrie acumulri cu volume mici de ap este polder sau, pentru volume foarte mici, bazin compensator. Acestea pot aduce beneficii microhidrocentralelor prin creterea produciei de energie.

O alt clasificare a MHC poate fi dup cdere. Astfel, schemele microhidrocentralelor

pot fi: - de cdere mic, figura 7.16.a), sau - de cdere mare, figura 7.16.b),

30

depinznd de caracteristicile geografice ale zonei disponibile. Convenional, limitele pentru diferenierea MHC dup "cdere" sunt:

- cdere mare (nalt): peste 100 m i mai mult - cdere medie: 30 100 m - cdere mic: 2 30 m

a) MHC de cdere mic, cu bararea seciunii de curgere;

b) MHC de cdere mare, cu prelevare lateral a debitului turbinat;

Fig. 7.16. Scheme tipice de MHC pe firul apei.

n scheme de cdere mic, exist dou configuraii posibile. Una utilizeaz stvilare

cu o schem foarte asemntoare cu cea de mai sus, dei canalul este, de regul, scurt i conducta forat mic sau inexistent (figura 7.17.a). Cealalt configuraie presupune un baraj cu o priz de ap integral i cldirea centralei (figura 7.17.b).

31

a) Schem cu baraj de derivaie i conduct forat scurt.

b) Schem cu un baraj cu priz de ap integral i cldirea centralei.

Fig. 7.17. Scheme tipice de MHC de joas cdere.

Pentru un ru care parcurge un relief abrupt pentru o parte din cursul su, diferena de nivel poate fi utilizat prin devierea total sau parial a debitului i prin returnarea acestuia n albia natural dup ce a trecut prin turbin (schema de nalt cdere, vezi figura 7.16.b)). Apa poate fi adus de la captare direct n turbin printr-o conduct sub presiune numit conduct forat.

7.3.2. Scheme de MHC convenionale, gravitaionale Schemele pot fi de asemenea definite ca: - scheme pe firul apei, - scheme cu centrala amplasat la piciorul barajului, - scheme integrate pe un canal sau ntr-o conduct de alimentare cu ap. Amenajrile pe firul apei se refer la modul de operare n care hidrocentrala folosete

doar apa disponibil din curgerea natural a rului. Amenajrile pe firul apei sugereaz c nu exist acumulri de ap sau inundri, iar puterea fluctueaz odat cu debitul rului. Amenajri tipice pe firul apei sunt prezentate pe figura 7.16 a) sau b). Ca diferene dintre cele dou scheme se pot enumera:

32

- schema a) creeaz o discontinuitate longitudinal a cursului de ap; pentru asemenea scheme este necesar s se prevad sisteme care s realizeze trecerea petilor ctre amonte i aval numite scri de peti, dezavantaj care nu apare la schema b);

- schema a) este tipic pentru MHC de joas cdere iar schema b) pentru cele de mare cdere.

Puterea produs de microhidrocentralele pe firul apei fluctueaz odat cu ciclurile hidrologice, astfel nct ele sunt mai potrivite pentru a da energie ntr-un sistem electric mai mare. Individual, ele nu asigur, n general, foarte mult capacitate sigur. De aceea, comunitile izolate care folosesc microhidrocentrale au nevoie deseori de o putere suplimentar. O central pe firul apei poate acoperi toate nevoile de electricitate ale unei comuniti izolate sau ale unui utilizator industrial doar dac debitul minim al rului este suficient pentru a ntmpina cerinele vrfului necesar de energie electric.

Microhidrocentralele pe firul apei pot implica necesitatea devierii traseului rului. Devierea este deseori necesar pentru a se putea exploata avantajele unei mai bune cderi. n general, proiectele de deviere conduc la o reducere a debitului rului dintre priza de ap i centrala propriu-zis. De regul, pentru a devia debitul ctre priza de ap este necesar un stvilar.

Un caz particular l reprezint amenajrile hidroenergetice complexe, care au producerea de energie electric subordonat altor folosine ca: irigaii, alimentarea cu ap a proceselor industriale, alimentarea cu ap a populaiei sau evacuarea apelor uzate. Astfel, dei util, producia de energie nu reprezint principalul obiectiv al amenajrii. n general, puterea instalat a acestor microhidrocentrale este de pn la 100 kW. O schem posibil de asemenea amenajare este prezentat n figura 7.18.

Fig. 7.18. Schem de amenajare hidroenergetic complex cu MHC.

Un alt caz particular l reprezint cel n care exist o acumulare realizat pentru alte

scopuri, cum ar fi: controlul viiturilor, irigaii, captarea apei pentru un ora mare, zon de recreere etc., i poate fi utilizat debitul determinat de utilizarea sa fundamental sau a debitului ecologic al lacului pentru producerea de energie electric. Principala problem este cum s se conecteze bieful amonte cu bieful aval printr-o conduct i modul n care s se amplaseze turbina pe aceast conduct. Dac barajul are deja o golire de fund, se poate amplasa turbina pe aceasta, figura 7.19.

33

Fig. 7.19. Schem de joas cdere folosind un baraj existent

n cazul n care un baraj existent nu este prea nalt, se poate instala o priz sifon, fig. 7.20. Prizele sifon integrale asigur o soluie elegant n cadrul schemelor cu cderi de pn la 10 m i pentru grupuri de pn la aproximativ 1 MW, n general, dei exist exemple de prize sifon cu o putere instalat de pn la 11 MW (Suedia) i cderi de pn la 30,5 m (SUA). Turbina poate fi amplasat fie la partea superioar a barajului fie n zona aval. Grupul poate fi livrat ambalat de ctre productor i instalat fr modificri importante la baraj.

Fig. 7.20. Schem de joas cdere priz sifon

Alte tipuri de amenajri convenionale l reprezint schemele integrate pe canale de irigaii. Astfel, pentru a exploata acest potenial se pot proiecta dou tipuri de scheme:

a) canalul este lrgit pentru a putea amplasa priza, centrala, canalul de fug i conductele de ocolire laterale, figura 7.21.a). La schema din figur centrala imersat este echipat cu o turbin Kaplan cu acionare n unghi drept. Pentru a garanta aprovizionarea cu ap pentru irigaii, schema trebuie s includ o conduct de ocolire lateral, pentru cazurile n care turbina nu funcioneaz. Acest tip de schem trebuie s fie proiectat n acelai timp ca i canalul, deoarece ca lucrare suplimentar n timp ce canalul este n funciune poate fi o alternativ foarte scump.

b) n cazul n care canalul exist deja, o opiune adecvat o poate reprezenta o schem precum cea prezentat n figura 7.21.b). Canalul ar trebui s fie uor lrgit pentru a include priza i deversorul. Pentru a reduce limea prizei la un nivel minim ar trebui s fie instalat un

34

deversor alungit. De la priz, o conduct forat amplasat de-a lungul canalului conduce apa sub presiune la turbin dup care aceasta este restituit prin intermediul unui scurt canal de fug.

a) schem integrat ntr-un canal de irigaii;

b) schem cu deversor alungit folosind un canal de irigaii existent;

Fig. 7.21. Scheme integrate pe canale de irigaii

n general, pentru asemenea tipuri de scheme nu sunt necesare scri de peti deoarece petii care migreaz nu sunt prezeni n canale de irigaii.

Un potenial extraordinar l reprezint schemele integrate n sisteme de alimentare cu ap a localitilor i obiectivelor industriale. Apa potabil este furnizat prin transportul de la un lac de acumulare prin intermediul unei conducte de presiune. De obicei, n acest tip de instalare, disiparea energiei la captul inferior al conductei la intrarea n staia de tratare a apei se realizeaz prin utilizarea de vane speciale. Montarea unei turbine la captul conductei, pentru a converti aceast energie, altfel pierdut, n energie electric, este o opiune atractiv, cu condiia s fie evitat fenomenul de oc hidraulic. Suprapresiunile de tip lovitur de berbec sunt deosebit de periculoase mai ales n cazul n care turbina este montat pe o eav de presiune veche.

Pentru a asigura alimentarea cu ap n orice moment, trebuie s se prevad a fi instalat un sistem de vane de deviere. n unele sisteme de alimentare cu ap, turbina poate avea evacuarea ntr-un bazin n aer liber. Un sistem de control menine nivelul aproximativ constant n bazin. n cazul unei opriri mecanice sau de cedare a turbinei, sistemul de vane de deviere poate menine, de asemenea, nivelul n bazin. Ocazional, n cazul n care vana de

35

deviere principal nu funcioneaz i apare suprapresiunea, o van de deviere auxiliar este deschis rapid de o contragreutate. Deschiderea i nchiderea acestor supape trebuie s fie suficient de lente pentru a menine variaiile de presiune n limite acceptabile.

Sistemul de control trebuie s fie mai complex la aceste sisteme n cazul n care golirea turbinei este condiionat de contra-presiunea din reea, aa cum se arat n figura 1.8.

Fig. 7.22. Schem integrat ntr-un sistem de alimentare cu ap

7.3.3. Scheme de MHC neconvenionale, cinetice

Energia cinetic a apei a fost folosit nc din antichitate, cnd se foloseau roile hidraulice la morile de ap (figura 7.23). Apa era utilizat ca atare, prin energia cinetic a rurilor sau transformat n aburi pentru acionarea unor maini. n Romnia, valorificarea energiei cinetice a cursurilor de ap se remarc, pentru nceput, n procesul finisrii i splrii esuturilor din ln, la cea mai simpl instalaie hidraulic, n cadrul creia, agentul mecanic este apa, proiectat cu for la baza dispozitivului, pentru crearea curentului de ap circular.

Energia cinetic a apei se exploateaz n principal la debite mari. n acest scop se folosesc roi pe care sunt montate pale, iar aduciunea apei se face n partea de jos a roii, apa mpingnd palele. Pentru a avea momente ct mai mari, raza roii trebuie s fie mare. Adesea, pentru a accelera curgerea apei n dreptul roii, naintea ei se plaseaz un stvilar deversor, care ridic nivelul apei i transform energia potenial a acestei cderi n energie cinetic suplimentar, viteza rezultat prin deversare adugndu-se la viteza de curgere normal a rului.

a) cu aduciune superioar b) cu aduciune inferioar

Fig. 7.23. Roi hidraulice.

36

n zilele noastre utilizarea curent a energiei hidraulice se face pentru producerea

curentului electric. Pentru captarea i transformarea energiei cinetice a rurilor n energie electric, s-au dezvoltat o serie de dispozitive numite cinetice, prin adaptarea i transformarea corespunztoare a dispozitivelor utilizate pentru captarea energiei eoliene. Primele dispozitive de acest gen au fost realizate pentru captarea energiei curenilor marini, unde debitele i adncimile sunt importante. Etapa urmtoare a constat n adaptarea dispozitivelor pentru utilizarea lor n ruri importante i fluvii.

Pentru amenajrile cu dispozitive cinetice, rurile trebuie sa aib urmtoarele caracteristici: debit cat mai puin variabil n cursul unui an, adncime convenabil, patul albiei stabil i solid, ap fr sedimente, vitez mai mare de 1 m/s. Instalaiile sunt n general amplasate n puncte strategice, unde relieful determin restricii naturale ale debitului, ceea ce se traduce n viteze locale mai mari. Cei mai puternici cureni ntr-un ru sunt localizai n centru i aproape de suprafa, unde nu exist frecare cu patul albiei sau alte straturi de ap. Cnd rul are un meandru, curgerea se accelereaz ctre exteriorul acesteia i se ncetinete ctre interior.

Schemele centralelor hidraulice cinetice presupun mai puine lucrri inginereti deoarece turbina este plasata direct n curentul de ap. Neavnd asociate lacuri sau deversoare, centralele care utilizeaz turbine cinetice au costuri mai sczute dect cele convenionale. Construcia poate utiliza structuri existente cum ar fi: poduri, canale de fug sau canale pentru alte scopuri (aduciuni, irigaii). Turbina propriu-zis poate fi fixat pe patul albiei, ancorata cu ajutorul unor cabluri subacvatice sau ataat unor dispozitive plutitoare.

Schemele de centrale hidroelectrice cu turbine cinetice sunt n special vulnerabile la astfel de distrugeri, iar in anumite cazuri (de exemplu in timpul viiturilor) ar putea fi necesar ca turbina sa fie scoas din ap. Pentru centralele cu turbine cinetice alte aspecte majore la montajul lor pe anumite ruri l pot constitui: viiturile, formarea unui pod de ghea, zaiul, plutitorii, riscul coliziunii cu vase de navigaie.

Tehnologiile pentru exploatarea curenilor de ap sunt concepute pentru a valorifica energia cinetic a apei. Dispozitivele cinetice sunt amplasate n curent de ap pentru a capta energia cinetic a acesteia i a o transforma n energie electric. Dintre variantele posibile se pot enumera: turbine hidraulice amplasate n apa rului, dispozitive cu pale oscilante i dispozitive Venturi.

Turbina cinetic cu ax orizontal (figura 7.24, a)) este plasat direct ntr-un curent de ap, care determin rotaia acesteia, i deci producerea de energie.

Turbina cinetic cu ax vertical (figura 7.24, b)) se bazeaz pe acelai principiu ca o turbin clasic cu ax vertical, doar c are o alt direcie de rotaie i poate fi plasat direct ntr-un curent de ap.

a) cu ax orizontal b) cu ax vertical

Fig. 7.24. Amplasarea turbinelor cinetice n curent de ap.

Dispozitivele cu pale oscilante (figura 7.25) au pale care nu se rotesc, ci se mic nainte i napoi ntr-un plan perpendicular pe curentul de ap; micarea oscilatorie este

37

utilizat pentru producerea energiei electrice. Anumite echipamente folosesc pistoane pentru a alimenta un circuit hidraulic, care acioneaz un motor hidraulic i un generator pentru a produce energie.

Fig. 7.25. Dispozitiv cu pale oscilante.

Echipamente ce folosesc efectul Venturi (figura 7.26). Curgerea curenilor de ap este

direcionat printr-o conduct, care realizeaz o concentrare a curgerii i produce o diferen de presiune. Aceasta are ca efect o curgere secundar a fluidului printr-o turbin.

Fig. 7.26. Dispozitiv Venturi.

Noua generaie de turbine, numite turbine hidraulice pentru curent sau n englez

Water Current Turbines (WCT), extrage o parte din energia cinetic a curentului de ap i o transform n energie mecanic. Cantitatea maxim de energie cinetic care poate fi transformat n energie mecanic nu depete 59 % .

WCT sunt dezvoltate pentru dou scopuri: conversia energiei cinetice a rurilor sau pentru conversia energiei cinetice a curenilor maritimi. Pentru conversia energiei cinetice a rurilor sunt n stadiu de elaborare agregate de mic putere (de pn la 100 kW). Este evident, c puterea turbinei depinde de doi factori principali: suprafaa baleiat de rotor (diametrul turbinei) i viteza curentului de ap.

n figura 7.27 sunt prezentate diverse tipuri de dispozitive cinetice.

38

a) turbin axial-orizontal b) dispozitive cu pale oscilante c) turbine axial-orizontal

d) turbin axial-orizontal e) turbin axial-orizontal f) turbin axial-orizontal

g) turbin axial-vertical h) dispozitiv cu pale oscilante i) turbin axial-orizontal

j) turbin axial-orizontal k) dispozitiv cu pale oscilante

Fig. 7.27. Diverse tipuri de dispozitive cinetice

39

n tabelul 7.9 i figura 7.28 sunt prezentate valorile estimative ale puterii turbinelor cinetice i a vitezei de rotaie n dependen de viteza curentului de ap i diametrul turbinei. Raportul P/n semnific puterea, n kW raportat la viteza de rotaie, n rot/min; U0 este viteza curentului de ap, n m/s; D este diametrul turbinei, n m.

Tabelul 7.9 Valorile estimative ale puterii i turaiei turbinelor cinetice n

funcie de viteza curentului de ap i diametrul turbinei

D 1,0 1,5 2,0 2,5 U0 P/n 1,00 0,16/95 0,35/63 0,63/48 0,98/38 1,25 0,31/119 0,69/79 1,23/59 1,92/48 1,50 0,53/143 1,20/95 2,12/71 3,31/57 1,75 0,84/166 1,89/111 3,36/83 5,26/67 2,00 1,26/190 2,83/127 5,02/95 7,85/76 2,25 1,79/214 4,02/143 7,15/107 11,18/86 2,50 2,45/238 5,52/158 9,81/119 15,33/95

Fig. 7.28. Valorile estimative ale puterii i turaiei turbinelor cinetice n funcie

de viteza curentului de ap i diametrul turbinei.

Din cele prezentate rezult c pentru turbinele cinetice care funcioneaz n cureni de ap cu viteza de 1...2,5 m/s, puterea este cuprins ntre 0,5...15 kW, viteza sincron a generatorului trebuie s fie 60...250 rot/min, respectiv numrul de poli: 100...24.

40

7.3.4. Planificarea unei scheme de amenajare Schema definitiv pentru o amenajare hidroenergetic este rezultatul unui proces

complex i iterativ, unde se ia n considerare impactul asupra mediului i diferitele opiuni tehnologice. Acestora li se determin apoi costul i se realizeaz o evaluare economic.

Dei nu este uor s se furnizeze un ndrumar detaliat privind evaluarea unei scheme, este posibil s se descrie paii eseniali care trebuie urmai nainte de a decide dac trebuie continuat cu un studiu de feza