Curs12 Hidrogeologie Aplicata MIM

Curs de hidrogeologie Conf. dr. ing. Omer Ichinur

Curs XII

PROGNOZA HIDROLOGICĂ ŞI HIDROGEOLOGICĂ

1. Prognoza hidrologică: definire, clasificare, organizare

2. Metodologia prognozei hidrologice

3. Prognoza hidrogeologică

4. Problema plan verticală

5. Problema axial simetrică

1. Prognoza hidrologică: definire, clasificare, organizare

Prin prognoză se înţelege în general prevederea evoluţiei unui fenomen pe baze

ştiinţifice înainte ca acesta să se fi produs.

Cu cât este mai avansată cunoaşterea evoluţiei unor fenomene, cu cât se cunosc

mai precis cauzele care le generează, cu atât mai precise sunt şi prognozele.

În hidrologie prognoza se referă la un fenomen natural hidrologic, de obicei în raport

cu starea la care acesta a ajuns la un moment dat. Având în vedere numărul mare de factori

care influenţează evoluţia fenomenelor hidrologice şi mecanismul complex de desfăşurare

a lor, prognoza hidrologică este caracterizată printr-un grad destul de ridicat de

incertitudine.

Cunoaşterea, chiar cu un asemenea grad de nesiguranţă a modului în care va evolua

un fenomen hidrologic, are o mare importanţă practică pentru planificarea raţională a

folosirii viitoare a resurselor de apă şi pentru apărarea contra efectelor negative ale

inundaţiilor, gheţurilor şi aluviunilor.

După mărimea intervalului de timp în care se prognozează evoluţia fenomenelor

hidrologice, prognozele se clasifică în:

- de scurtă durată când se referă la câteva zile;

- de durată medie când se referă la cel mult un sezon;

- de lungă durată când se referă la ani.

Informarea operativă a prognozei hidrologice este destinată beneficiarilor

folosinţelor hidraulice şi se referă la situaţia hidro-meteorologică prezentă şi din trecutul

apropiat, la evoluţia fenomenelor hidrologice ca şi la avertizarea asupra fenomenelor cu

evoluţie rapidă şi periculoasă. Informarea asupra situaţiei prezente şi din ultimele 24 ore,

precum şi prognoza pe următoarele 1-3 zile se efectuează zilnic. Avertizările se emit ori de

1


câte ori este cazul, uneori şi de mai multe ori pe zi.

Sistemul hidrologic informaţional este organizat pe următoarele verigi operative:

- punctele de măsurare sunt staţiile râspândite pe întreg teritoriul ţării în care, se fac

măsurători zilnice hidrologice şi meteorologice;

- centrele de colectare adună datele de la punctele de măsurare şi le transmit la

serviciul central de informaţii, avertizări şi prognoze hidrologice;

- staţiile hidrologice sunt unităţi care coordonează activitatea hidrologică în bazine

şi subbazine hidrografice şi asigură transmiterea informaţiilor către beneficiarii judeţeni,

orăşeneşti şi comunali din raza lor de acţiune;

- serviciile hidrologice sunt unităţi care coordonează mai multe staţii hidrologice în

cadrul bazinelor hidrografice mai întinse; elaborează prognoza şi avertizări la nivel de

bazin şi deservesc beneficiarii din zonă;

- serviciul control de informaţii, avertizări şi prognoze hidrologice care

centralizează toate datele meteorologice şi hidrologice, elaborând şi metodologii pentru

avertizări şi prognoze.

Numărul punctelor de măsurare trece de o mie, al staţiilor hidrologice în jur de 50 şi

al serviciilor hidrologice în jur de 10.

2. Metodologia prognozei hidrologice

Prognoza hidrologică se realizează prin folosirea unei anumite metode. Aceste

metode au fost verificate în practică şi admise după ce s-a constatat că ele îndeplinesc

anumiţi indicatori de natură statistică privind precizia. Asigurarea minimă a metodelor de

prognoză este de 60 %.

Metodele de prognoză se bazează pe teoriile cunoscute în hidraulică şi hidrologie

privind scurgerea superficială şi scurgerea în albii.

În cadrul prognozelor de scurtă durată metodele de prognoză se pot împărţi în

metode hidrometrice, metode hidrometeorologice şi metode combinate.

Metodele hidrometrice (metoda tendinţei, metoda valorilor corespondente) folosesc

numai datele de la postul prognozat şi pe cele de la posturile situate în amonte. Ele se

bazează pe caracteristicile curgerii apei de-a lungul diverselor sectoare ale cursurilor de

apă.

Metoda tendinţei este frecvent folosită pentru debite (niveluri) datorită simplităţii şi

faptului că foloseşte doar datele de la postul care interesează. Metoda presupune

2


valabilitatea legii de variaţie a debitelor din perioada anterioară şi pentru o scurtă perioadă

viitoare. Această constanţă a legii de variaţie se realizează în sectoarele inferioare ale

râurilor mari, cu bazine de peste 15.000 km, unde variaţiile sunt line, de lungă durată şi cu

amplitudine mare. În schimb la râurile de munte, unde variaţiile sunt bruşte, metoda nu se

poate aplica nici măcar pentru o zi de anticipare.

Metoda valorilor corespondente se bazează pe cunoaşterea deplasării undelor de

viitură în albia râurilor. Cunoscând debitul (nivelul) la un profil într-un anumit moment se

poate prognoza debitul (nivelul) la un profil situat în aval.

Prin valori corespondente se înţeleg debitele sau nivelurile în două profile (unul

amonte, celălalt aval), care reprezintă aceeaşi fază a viiturii dar se realizează la momente

de timp diferite. Întâi se realizează debitul (nivelul) în secţiunea amonte şi după un interval

de timp se va realiza valoarea corespondentă şi în secţiunea aval compusă din debitul

secţiunii amonte la care se va adăuga şi afluxul lateral. Se cere realizată condiţia ca debitul

în profilul aval să nu depăşească cu mai mult de 20 % debitul din profilul amonte.

Metodele hidrometeorologice (metoda izocronelor, metoda hidrografului unitar,

metoda bilanţului) pe lângă datele hidrormetrice folosesc datele asupra precipitaţiilor

căzute în diverse intervale de timp şi asupra temperaturilor aerului. Metodele se bazează pe

cunoaşterea procesului de formare a scurgerii sub acţiunea precipitaţiilor şi permit mărirea

intervalului de anticipare al prognozelor elaborate prin metodele hidrometrice prin

estimarea cantitativă şi a precipitaţiilor 1ichide (prin metodele meteorologice de prognoză).

Metoda izocronelor şi cea a hidrografului unitar au fost prezentate în cadrul cursului

de hidrologie. În ceea ce priveşte metodele de bilanţ aici se utilizează ecuaţii în care pentru

un interval de timp caracteristic se scrie egalitatea între volumul de apă care iese din bazin

prin secţiunea de control pe de o parte şi volumul scurgerii superficiale şi al scurgerii

subterane pe de altă parte.

Metodele combinate de prognoză sunt considerate cele în care se prognozează

undele de viitură ale alfuenţilor, modul de compunere al acestora şi transformarea acestor

unde până ce ajung în secţiunea de control, pe unde apa respectivă iese din bazin. Prognoza

de durată medie se referă în special la perioada viiturilor din perioada vară-toamnă (iulie-

septembrie), provenite din ploi şi constă în următoarele etape:

-prognozarea scurgerii minime din perioada cu ape mici vară - toamnă;

-determinarea aportului maxim probabil provenit din ploi pentru fiecare din lunile de

vară;

-însumarea scurgerii minime de vară prognozate, cu aportul maxim probabil lunar.

3


Prognoza necesită cunoaşterea caracterului fiecărei luni din sezonul vară-toamnă sub

aspectul precipitaţiilor de-a lungul unui interval de timp multianual. De asemenea sunt

necesare a fi cunoscute curbele de asigurare a debitului minim de vară-toamnă şi a

diferenţelor dintre debitul maxim şi minim în sezonul de vară – toamnă. Cu ajutorul

acestora se prognozează debitul minim şi aportul maxim provenit din ploi.

Prognoza de lungă durată, are la bază metoda modelării hidrologice. Spre deosebire

de modelarea hidraulică, modelarea hidrologică nu trebuie înţeleasă ca un model fizic, în

sensul ca mărimile omologe să respecte o anumită scară. Avem de-a face cu o reprezentare

a unei succesiuni de bilanţuri hidrologice realizate într-un pas de timp prestabilit. Fiecare

bilanţ parţial rezultă ca o consecinţă a bilanţului anterior şi a unor impulsuri suplimentare

care intervin în decursul pasului considerat. Prin natura factorilor componenţi, modelul

este de tip determinist, cuprinzând factorii cauzali şi un număr de parametrii.

Un model hidrologic poate fi elaborat numai pentru epoca de ape mari sau pentru o

perioadă mai îndelungată. În orice caz suprafaţa bazinului hidrografic se limitează la

valori ce nu depăşesc 300...400 km2, adică la componentele unui bazin hidrografic mai

important. Condiţiile pe care trebuie să le îndeplinească un modal corect sunt următoarele:

- să aibă o structură cât mai simplă şi fără mulţi parametri (în general numărul

parametrilor variază între 4 şi 12 după complexitatea fenomenului);

- să reflecte cât mai adecvat fenomenul fizic;

- să permită adaptarea fără dificultăţi şi la alte bazine cu similitudine

hidrologică;

- să fie susceptibil de a fi îmbunătăţit pe măsura creşterii numărului de măsurători.

Prognoza anuală poate fi operativă dacă se constată existenţa unei periodicităţi a

factorului hidrologic.Dacă momentul în care se dă prognoza situează valoarea fenomenului

pe ramura crescătoare a ciclului, atunci prin tendinţa variaţiei se poate presupune că pentru

anul următor valoarea va fi majorată conform unui calcul de extrapolare; invers, dacă

momentul se situează pe ramura descrescătoare, valoarea factorului va fi mai mică.

3. Prognoza hidrogeologică

Prognoza hidrogeologică se referă în primul rând la prognoza nivelului apelor

subterane, în special datorită schimbării unor condiţii naturale cum ar fi de exemplu

realizarea unui lac de acumulare, introducerea irigaţiilor pe un anumit teren etc.

Elaborarea unei prognoze este o operaţie complexă care se bazează pe anumite date,

4


care trebuies cunoscute de cel care elaborează prognoza şi anume trebuie cunoscut în

detaliu regimul apelor subterane în trecut şi în momentul întocmirii prognozei.

După colectarea tuturor datelor referitoare la regimul apelor subterane se trece la

stabilirea unei liste a factorilor care au o influenţă asupra nivelului apelor subterane, cum

sunt de exemplu:

- pierderile de apă din sistemele hldrotehnice, care ajung prin infiltraţii în stratele de

apă subterană;

- variaţia nivelului apei în cursurile de apă şi în lacurile naturale sau artificiale din

zona respectivă.

Din punct de vedere matematic aceasta revine la cunoaşterea tuturor condiţiilor la

marginea domeniului studiat, atât în prezent cât şi al evoluţiei lor în perspectivă. În

elaborarea prognozei propriu-zise se consideră că iniţial regimul de curgere al apelor este

cvasi-permanent.

După modificarea condiţiilor de scurgere, şi prognozele se fac în special acolo unde

se modifică condiţiile de scurgere, nivelul apei începe să crească sau să scadă. În mod

obişnuit viteza de evoluţie a fenomenului este mai rapidă la început şi după un timp

oarecare (teoretic infinit) se ajunge la o situaţie de regim permanent. Sunt posibile trei

situaţii ilustrată în fig.l prin curbele A, B şi C.

Fig. 1.

A - nivelul apei subterane rămâne sub nivelul critic, chiar după atingerea noului regim

permanent de scurgere. Nivelul critic este nivelul care fiind depăşit se diminuează recolta

agricolă datorită degradării solului prin fenomenul de sărăturare (apa se ridică la suprafaţa

solului şi se evaporă, rămânând solurile pe care le conţine).

B - nivelul apei subterane depăşeşte nivelul critic, dar după un interval de timp destul

5


de lung, notat pe figură timp critic (tcr).

În intervalul de timp (0, tcr) este necesar a se realiza măsurile tehnice care să

împiedice creşterea în continuare a nivelului apei subterane, cum ar fi execuţia unor

sisteme de drenaj.

C - nivelul apei subterane depăşeşte adâncimea critică într-un timp critic destul de

scurt şi crescând în continuare depăşeşte chiar nivelul terenului. În acest caz este necesar a

se realiza drenajul de la început, odată cu celelalte amenajări.

Din aceste consideraţii rezultă şi modul în care se face prognoza: la început se face

prognoza pe termen lung, corespunzătoare noului regim permanent de curgere. În cazul A

această prognoză este suficientă. În cazurile B şi C este necesară şi o prognoză în regim

nepermanent care să precizeze şi timpul critic, respectiv să dea indicaţii asupra vitezei de

creştere a nivelului apelor subterane.

Calculele sunt în general complicate şi necesită programarea la un calculator

electronic. În cele ce urmează se va expune detaliat două situaţii în care calculele se

simplifică mult: cazul problemei plan verticale şi cazul problemei axial simetrice.

4. Problema plan verticală

Se consideră o suprafaţă irigată pe terasa unui râu, având forma unei fâşii de lungime

mare paralelă cu un râu rectiliniu.

În plane perpendiculare pe direcţia râului mişcarea apei subterane se produce la fel de

aceea problema se numeşte plan verticală şi se studiază de obicei numai pe o lăţime

unitară.

Debitul care se infiltrează pe teren spre râu în fâşia de lăţime unitară (unitatea fiind

măsurată după direcţia râului) se numeşte debit specific şi se notează q.

În fig.2 se prezintă (după Pietraru) situaţia în plan vertical şi în plan orizontal.

Situaţia la momentul iniţial este caracterizat prin:

H0 – caracterizează nivelul mediu în secţiunea x = 0

H1 – caracterizează nivelul mediu în secţiunea x = L1

H2 – caracterizează nivelul apei în râu (x = B + L1 = L2)

6


Fig. 2.

Între aceste niveluri racordarea se face printr-o parabolă Dupuit:

constant în raport cu x

În condiţiile introducerii irigaţiilor, debitul pe fâşia irigată variază în raport cu x,

deoarece există un aport suplimentar. Acest aport suplimentar pe unitatea de lungime a fost

notat astfel încât:

Ecuaţia curbei de depresie în situaţia introducerii irigaţiilor este de forma Hi = Hi(x)

şi se obţine prin integrarea ecuaţiei anterioare:

Pentru determinarea constantei de integrare se pune condiţia de margine x=B,

Hi = Hi1.

În ceea ce priveşte Hi1, acesta se poate determina aplicând ecuaţia obişnuită a lui

Dupuit pentru B x L2:

În această relaţie s-a ţinut oont de egalitatea H2 = Hi2, cu alte cuvinte s-a neglijat

7


efectul aportului de apă datorată irigaţiilor asupra nivelului apei din râu.

Înlocuind valoarea lui , ultima relaţie în ecuaţia curbei de depresie din domeniul

, aceasta devine:

Pentru x = 0 se obţine nivelul maxim al apei subterane:

care permite a se încadra evoluţia nivelurilor în unul dintre cele trei cazuri A, B, C de la

paragraful anterior.

5. Problema axial simetrică

În cazul în care suprafaţa irigată are o formă aproximativ circulară, cu raza R0,

suprafaţa apei subterane iniţial orizontală avem de-a face cu o problemă axial simetrică. În

cazul unei asemenea probleme mişcarea în plane verticale care trec prin centrul cercului se

produce asemănător.

Fig. 3.

Ecuaţiile mişcării sunt diferite pentru cele două zone:

În primul domeniu, prin integrare nedefinită se obţine:

8


Punând condiţia de margine r = R0, Hi = Hi0 se determină constanta de integrare:

În cel de-al doilea domeniu, prin integrarea nedefinită:

Punând condiţia de margine la limita razei de influenţă r = R1, H = H1, se determină

constanta de integrare:

În această relaţie făcând r = R0 se poate obţine H0i, deocamdată necunoscut:

Introducând în ecuaţia curbei de depresie a primului domeniu acesta capătă forma:

Valoarea maximă care serveşte la încadrarea prognozei într-unul dintre cele trei

cazuri se obţine pentru r = 0:

În încheiere se menţionează că în cazul în care în apropierea suprafeţei irigate se află

un râu sau un lac, distanţa cea mai apropiată de la centrul cercului până la acesta fiind

notată cu L se va lua în formula anterioară raza de influenţă, egală cu dublul acestei

distanţe:

R1 = 2 L.

9

Curs12 Hidrogeologie Aplicata MIM

Documents

Transcript of Curs12 Hidrogeologie Aplicata MIM