HIDROLOGIE I HIDROGEOLOGIE

U N I V E R S I T A T E A D I N B A C U

FACULTATEA DE INGINERIE

IOAN RUSU

H I D R O L O G I E I H I D R O GEOLOGIETEORIE I LUCRRI PRACTICE

- CURS DE UZ INTERN -BACU, 2007

Cursul de Hidrologie i hidrogeologie a fost elaborat n special pentru studenii de la specializarea Ingineria mediului, care au n planul de nvmnt aceast disciplin. S-a urmrit asigurarea unui material unitar, sistematizat, accesibil studenilor, prin eliminarea unor elemente cu grad ridicat de dificultate, acceptndu-se introducerea noiunilor, a formulelor directe i simple, insistndu-se pe descrierea fizic a fenomenelor i terminologiei specifice.

Pentru elaborarea cursului au fost consultate diferite lucrri aprute n literatura de specialitate, coninutul fiind sintetizat i structurat astfel nct s acopere programa analitic.

Ultima parte cuprinde principalele lucrri practice care acoper programa analitic a cursului, fiecare lucrare coninnd o prezentare general a fenomenului fizic ce st la baza procesului atmosferic respectiv, dispozitivul experimental utilizat pentru determinarea parametrilor caracteristici fenomenului, modul de efectuare a msurtorilor. Totodat, sunt date indicaii referioare la ntocmirea tabelelor cu date experimentale, stabilirea condiiilor optime de lucru i calculul erorilor de msurare.

Redactarea computerizat a lucrrii a fost realizat de prof. Livia Rusu.

AutorulCUPRINS

Cursul 1

APA N NATUR.............................................................................................................6

Obiectul hidrologiei............................................................................................................6

Sistemul hidrologic.............................................................................................................7

Metode de investigare n hidrogeologie..............................................................................8

Domenii de aplicare ale hidrogeologiei..............................................................................9

Rspndirea apei pe glob....................................................................................................9

Cursul 2

CIRCUITUL APEI N NATUR.....................................................................................12

Generaliti.........................................................................................................................12

Circuitul general al apei.....................................................................................................13

Precipitaiile atmosferice...................................................................................................13

Scurgerea............................................................................................................................14

Evapotranspiraia...............................................................................................................18

Infiltrarea...........................................................................................................................19

Cursul 3

PROPRIETILE GENERALE ALE APEI....................................................................21

Starea natural a apei.........................................................................................................21

Proprietile fizico-chimice ale apei..................................................................................21

Apa ca dizolvant................................................................................................................24

Apa grea.............................................................................................................................25

Apa plat............................................................................................................................25

Bilanul hidrologic.............................................................................................................25

Cursul 4

PROPRIETILE HIDROLOGICE ALE ROCILOR.....................................................27

Compoziia granulometric................................................................................................27

Porozitatea rocilor..............................................................................................................27

Forma granulelor................................................................................................................28

Dimensiunea granulelor.....................................................................................................28

Modul de aranjare al granulelor.........................................................................................28

Porozitatea activ...............................................................................................................28

Gradul de ndesare al rocilor..............................................................................................28

Umiditatea .........................................................................................................................29

Higroscopicitatea...............................................................................................................29

Absorbia............................................................................................................................29

Permeabilitatea rocilor.......................................................................................................29

Apa n scoara Pmntului.................................................................................................30

Forme de ap n roci..........................................................................................................30

Apa legat..........................................................................................................................31

Apa liber...........................................................................................................................32

Cedarea apei de ctre roci..................................................................................................32

Cursul 5

REPARTIIA APEI N SOL I SUBSOL. ZONE DE UMIDITATE.............................34

Zona de aeraie...................................................................................................................35

Zona de saturaie................................................................................................................35

Originea i modul de formare a apelor subterane..............................................................36

Teoria infiltrrii..................................................................................................................36

Teoria condensrii vaporilor de ap...................................................................................36

Teoria apelor juvenile........................................................................................................36

Teoria apelor relicte de sedimentare..................................................................................36

Clasificarea apelor subterane.............................................................................................37

Strate acvifere....................................................................................................................37

Apele din zona de aeraie...................................................................................................39

Cursul 6

STRATE ACVIFERE FREATICE....................................................................................41

Presiune, suprafa i nivel piezometric.............................................................................41

Morfologia suprafeei piezometrice...................................................................................42

Oscilaiile de nivel ale suprafeei piezometrice.................................................................44

Alimentarea stratelor freatice.............................................................................................45

Alimentarea din stratele acvifere de adncime..................................................................46

Alimentarea din surse superficiale.....................................................................................46

Izvoare................................................................................................................................47

Cursul 7

CIRCULAIA APELOR SUBTERANE..........................................................................48

Micarea apei sub form de vapori....................................................................................48

Micarea apei legate...........................................................................................................48

Micarea apei libere...........................................................................................................48

Apa gravific......................................................................................................................52

Direcia de curgere a apelor subterane...............................................................................54

Cursul 8

NOIUNI DE HIDROLOGIE A RURILOR..................................................................55

Generaliti.........................................................................................................................55

Apele curgtoare permanente............................................................................................55

Rurile................................................................................................................................55

Izvoarele rurilor................................................................................................................55

Vrsarea rurilor................................................................................................................56

Reeaua hidrografic i sistemul fluviatil..........................................................................59

Vile rurilor i geneza lor.................................................................................................60

Elementele vilor rurilor..................................................................................................60

Cursul 9

PROFILUL ALBIEI RURILOR....................................................................................62

Profilul transversal al albiei...............................................................................................62

Profilul longitudinal al rurilor..........................................................................................64

Tipuri de vi.......................................................................................................................66

Cursul 10

DINAMICA RURILOR..................................................................................................69

Generaliti.........................................................................................................................69

Fore care acioneaz asupra rurilor.................................................................................69

Fora gravitaional............................................................................................................69

Fora Coriolis.....................................................................................................................71

Fora centrifug..................................................................................................................71

Micarea laminar i turbulent.........................................................................................72

Curenii din apa rurilor.....................................................................................................73

Repartiia vitezelor n seciunea rurilor............................................................................75

Cursul 11

VITEZA I DEBITUL RURILOR.................................................................................77

Viteza apei n ruri.............................................................................................................77

Debitul rurilor...................................................................................................................79

Metode de msurare a debitelor.........................................................................................79

Cursul 12

ALIMENTAREA RURILOR. SURSE DE ALIMENTARE CU AP..........................85

Alimentarea superficial....................................................................................................85

Alimentarea subteran.......................................................................................................85

Surse de alimentare cu ap.................................................................................................86

Alimentarea din izvoare.....................................................................................................86

Alimentarea din strate acvifere..........................................................................................88

Cursul 13

TRANSPORTUL I DISTRIBUIA APEI......................................................................93

Transportul apei.................................................................................................................93

Aduciuni cu nivel liber.....................................................................................................93

Aduciuni sub presiune......................................................................................................95

Distribuia apei...................................................................................................................98

LUCRRI PRACTICE DE HIDROLOGIE I HIDROGEOLOGIE.............................101

Fenomene capilare n tuburi i ntre plci........................................................................101

Determinarea tensiunii superficiale a unui lichid prin metoda stalagmometric.............107

Determinarea coeficientului de dilatare real a unui lichid prin metoda Dulong-Petit...111

Elemente de hidrometrie..................................................................................................115

Reeaua hidrometric....................................................................................................115

Hidrometria nivelurilor.................................................................................................116

HIDROLOGIE I HIDROGEOLOGIECURSUL 1 APA N NATUR

Apa reprezint o substan natural de importan deosebit, indispensabil vieii. n acelai timp, apa este utilizat pentru satisfacerea cerinelor tehnologice n domeniul industriilor. Prin urmare, apa reprezint o resurs tot mai cutat nu numai n regiunle aride sau semiaride, ci i n trile industriale, cu o populaie foarte dens.

n Romnia, cu toate c dispunem de o reea fluvial bogat i de zcminte importante de ape subterane, dezvoltarea industriei i creterea ponderii populaiei au determinat o cerin mai mare de ap n anumite regiuni cum sunt: Moldova, Dobrogea, Cmpia Romn, Banatul etc.

n aceast situaie, se impun cercetri moderne n scopul cunoaterii exacte a resurselor de ap, a prevenirii polurii apelor subterane, precum i a epurrii acestora. n consecin, este necesar ca i n Romania s poat fi luate msuri de protecie a apelor i de utilizare a acestora n mod raional.

Obiectul hidrologiei Hidrologia este tiina care studiaz proprietile generale ale apelor din natur, ale unitilor acvatice (oceane, mri, lacuri, ruri i gheari), legile generale care dirijeaz procesele din hidrosfer, ct i influena reciproc dintre hidrosfer, atmosfer, litosfer i biosfer. Majoritatea definiiilor atribuite hidrologiei scot n eviden faptul c aceasta studiaz caracteristicile eseniale ale apelor din natur i legile dup care se desfoar procesele din hidrosfer.

S-a convenit de comun acord, la nivel internaional, ca definiia acestei tiine s fie formulat astfel: Hidrologia este tiina apelor Pmntului, a formelor lor de existen, a circulaiei i rspndirii apelor pe glob, a proprietilor lor fizice i a interaciunii lor cu mediul nconjurtor, a modului n care rspund ele la activitatea omului.

Hidrologia are legtur cu multe alte tiine, care au ca obiect de studiu apa, urmrindu-se unele metode comune de lucru. Din seria acestor tiine menionm: hidrofizica, hidrochimia, hidraulica .a.

Hidrologia este legat strns i de alte tiine, procesele i legile sale aflndu-se ntr-un permanent raport de interdependen i reciprocitate cu: meteorologia, climatologia, geologia etc. Spre exemplu meteorologia i climatologia ne arat c apa joac un rol deosebit de important n procesele de evaporare, de condensare a vaporilor de ap, n formarea precipitaiilor, n distribuia temperaturii etc.

n geologie, formare rocilor sedimentare nu poate fi conceput fr contribuia apei, iar n mineralogie apa este rspunztoare de geneza mineralizrilor hidrotermale, acumularea minereurilor n aluviuni etc.

ntruct am amintit de legtura dintre hidrologie i geologie, se cuvine s enunm i obiectul hidrogeologiei.

Hidrogeologia este tiina care se ocup cu studiul originii, repartiiei, modului de micare i chimismului apelor subterane.

n cercetarea hidrogeologic este necesar s se determine existena rezervorului n care se acumuleaz apa, caracteristicile hidrogeologice ale stratelor acvifere i proprietile apei.

Rezervorul apelor subterane l constituie rocile permeabile. Acesta poate fi detectat prin cercetri geologice, care trebuie efectuate pe suprafee mari. Studiile de geologie regionale ajut la stabilirea structurii geologice a regiunii cercetate i la cunoaterea dezvoltrii spaiale a rocilor colectoare.

Caracteristicile hidrogeologice ale stratelor acvifere, cum ar fi: presiunea, debitul, coeficientul de filtrare etc. i proprietile fizico-chimice ale apei, alctuiesc la un loc condiiile hidrogeologice, n funcie de care se execut alimentarea cu ap a centrelor populate, lucrri de irigaii i desecri etc.

ntruct apele subterane particip la circuitul apei n natur, executarea cercetrilor hidrologice presupune o cunoatere amnunit a problemelor de hidrologie i meteorologie.

Apele acumulate n porii i fisurile rocilor nu se afl n stare de repaus, ci ntr-o continu micare ntre zona de alimentare i cea de drenare. n aceste condiii ntre ap i roc exist o permanent interaciune care se finalizeaz prin transformarea rocilor i schimbarea permanent a compoziiei apei. Pentru cunoaterea legilor de micare a apelor subterane i a proceselor chimice care se produc n scoara terestr, hidrogeologia trebuie s recurg la anumite rezultate, obinute de alte tiine, cum ar fi: fizica, chimia etc.

Datorit complexitii fenomenelor, s-au definit dou direcii de cercetare hidrogeologic: cercetarea matematic care se bazeaz pe fizica fluidelor i cercetarea naturalist care se bazeaz pe observaiile directe, fcute n teren. Rezultatele cele mai apropiate de realitate se bazeaz pe combinarea celor dou metode, motiv pentru care, n cele ce urmeaz vom face apel la contribuia esenial a acestora.

Sistemul hiodrologic

Dup cum este cunoscut, dou treimi din suprafaa globului terestru este ocupat de ap, motiv pentru care Pmntul a primit denumirea de planeta albastr. Resursele de ap care ocup suprafaa Terrei au proveniene diferite. Avnd n vedere numeroasele utilizri ale apei - n transporturi, n industrie, n agricultur, pentru alimentarea populaiei etc. s-au impus anumite metode de cunoatere a condiiilor de formare i de existen a unitilor acvatice, de studiu asupra proprietilor fizico-chimice ale acesteia, care s permit o valorificare ct mai bun a acestor resurselor . Metode de investigare n hidrologie

Principalele metode specifice hidrologiei sunt: observaia, comparaia, descrierea, experimentul i explicaia. Aceste metode se completeaz una pe alta i urmresc trecerea de la analiz la sintez, de la particular la general, de la simplu la complex. Scopul final l reprezint aplicarea n practic a rezultatelor obinute prin investigaiile menionate.

Observaia reprezint o prim faz a cercetrii hidrologice i se poate face, att pe hart, ct i pe teren. Pe hart se pot stabili anumite elemente referitoare la dimensiunile reelei hidrografice, tipul de relief unde sunt situate bazinele hidrografice, altitudinea medie, dar toate aceste observaii, precum i altele, pot fi fructificate numai dup verificarea n teren. Observaiile din teren urmresc stabilirea caracteristicilor cantitative i calitative ale unitilor acvatice prin msurtori de debit, de niveluri, de temperatur, de transparen, de turbiditate etc. Aceste observaii pot fi fcute n cadrul unor puncte fixe, special amenajate, sau prin efectuarea de expediii de cercetare organizate.

Observaiile de la posturile hidrometrice fixe se fac n urma alegerii acestor puncte, ca fiind cele mai caracteristice din regiunile fizico-geografice ale bazinelor hidrografice. Ele au ca scop determinarea bilanului hidrologic i al regimului rurilor pe perioade mai ndelungate de timp, prin amplasarea unor posturi higrometrice, prevzute cu aparate corespunztoare, care pot msura diferite elemente cum ar fi: nivelul, temperatura etc.

Exist posturi de unde se comunic (se nregistreaz) cotele apelor, necesare pentru prognozele hidrologice, pentru reglementarea navigaiei .a. Acestea sunt mai numeroase pe ruri, dar pot fi instalate i pe lacuri (posturi limnimetrice), pe mri sau pe oceane. Aceste mijloace de msurare prezint o importan practic deosebit prin datele pe care le nregistreaz, dar pot determina i stabilirea unor legi generale ale hidrologiei prin fructificarea pe perioade mai lungi a datelor nregistrate.

Observaiile expediionale se organizeaz n funcie de necesiti, adic ocazional, n zonele n care nu exist sau nu pot fi instalate posturi fixe. Aceste observaii sunt mult mai complexe, ele urmrind cunoaterea cauzelor care determin anumite procese i pot fi generalizate pe spaii mult mai extinse. Datele obinut n urma expediiilor din teren se prelucreaz n mai multe faze: - faza de analiz (de prelucrare a datelor) care const n stabilirea unor legturi dintre fenomene , aceast faz d posibilitatea stabilirii unor legi ale hidrofizicii, a unor legi privitoare la curgerea apelor de suprafa, precum i a unor caracteristici ale regiunilor studiate; - faza de sintez prin care se aplic n practic legile stabilite pentru desfurarea proceselor i fenomenelor hidrologice, faz n care se pot ntocmi i prognozele hidrologice. Aceast faz trebuie s verifice rezultatele obinute prin msurtori i prin calcule anterioare de observaie i de analiz.

Experimentarea hidrologic se practic pe scar din ce n ce mai larg i cu rezultate foarte bune, ea contribuind la cunoaterea legilor de curgere a apelor, la stabilirea experimental a coeficientului de evaporare a apei etc. Pentru atingerea scopurilor acestor cercetri se amenajeaz laboratoare speciale, n cadrul crora se analizeaz n detaliu rezultatele obinute pentru diferite regiuni, care se pot generaliza, n funcie de situaie, i pentru alte regiuni din jur. Domenii de aplicare ale hidrologiei

Utilizarea judicioas a apelor se realizeaz prin construcii hidrotehnice de diferite tipuri, dar aceasta presupune un stadiu avansat al cercetrilor hidrologice i o cunoatere profund a legilor hidrologiei. n acest mod se poate realiza o gospodrire raional a apelor, se pot face prognoze, se pot prevedea efectele construciilor, rentabilitatea acestora i se pot prentmpina anumite consecine catastrofale.

Aplicarea n practic a hidrologiei se face pe scar mare n construciile hidrotehnice, n construciile de poduri, n amplasarea hidrocentralelor, n crearea lacurilor de acumulare, n regularizarea rurilor, n irigaii etc. Studiindu-se bilanul apei din sol se pot realiza desecri de mlatini, amenajri piscicole ,se pot stabili noi amplasri de centre populate, de ci de comunicaie etc. Toate acestea sunt posibile numai printr-o organizare tiinific a reelei de posturi de observaie prin intermediul crora s fie cunoscute particularitile hidrologice de pe teritoriul rii, astfel nct, rurile, lacurile, izvoarele minerale, apa mrii etc. s poat fi utilizate n beneficiul societii. Ar mai fi de adugat, tot ca domeniu de aplicare al hidrologiei, regularizarea cursurilor de ap, amenajarea unor lacuri artificiale n scopul alimentrii cu ap a populaiei, captarea i amenajarea unor izvoare etc.

Rspndirea apei pe glob

Pe baza legii atraciei universale s-a fcut o difereniere a straturilor care alctuiesc planeta Pmnt. Conform acestei legi, globul pmntesc cuprinde trei straturi: barisfera, litosfera i hidrosfera i este nconjurat de un nveli gazos, numit atmosfer i de un nveli biotic numit biosfer. Diversele procese care se desfoar pe aceast planet se afl ntr-o strns interdependen. Toate aceste nveliuri se influeneaz reciproc. Apa este prezent n aer, n pmnt i n corpul vieuitoarelor. Practic, nu exist zone pe suprafaa Pmntului n care aerul, orict de uscat ar fi, s nu conin vapori de ap, chiar dac aceste cantiti sunt reduse. nveliul hidrosferic este un complex legat de diferite forme ale reliefului, fapt ce difereniaz unitile acvatice existente pe glob.

Apa curgtoare reprezint una din principalele uniti acvatice, ea provenind din mbinarea mai multor elemente pariale. iroirea constituie nceputul unui organism fluvial cu caracter temporar, legat de periodicitatea precipitaiilor. Prin dezvoltarea acestuia se formeaz torentul, care se difereniaz prin trei pri componente: bazinul de recepie, canalul de curgere i conul de dejecie. Atunci cnd torentul ntlnete un strat acvifer, care s-i asigure un debit de ap suficient, se transform ntr-o ap curgtoare.

Rul este un organism mai dezvoltat, care se caracterizeaz printr-o permanentizare a curgerii. Dac mai multe ape curgtoare se nmnuncheaz ntr-un tot, adic formeaz o arter hidrografic cu un debit suficient de mare i cu o permanentizare a cursului, se ajunge la sistemul fluviatil.

Toate aceste individualiti geografice (torent, pru, ru, fluviu) alctuiesc aa-numita unitate acvatic a apelor curgtoare, iar partea din hidrologie care se ocup cu studiul acestora se numete potamologie.

Tot unitate acvatic poate fi considerat i cea constituit din lacuri, mri i oceane. Aceasta reprezint obiectul de studiu al limnologiei i, respectiv, al oceanologiei. Caracteristica esenial a acestei uniti acvatice const n faptul c mrile i oceanele se ntind pe suprafee mari, au o anumit salinitate, mai mare sau mai mic, au caracter de ape stttoare i sunt individualiti geografice de sine stttoare. Alimentarea mrilor i a oceanelor este strns legat de regimul precipitaiilor i de reeaua de ape continentale, iar caracteristicile fizice i chimice depind de poziia lor pe globul pmntesc i, respectiv, de factorii fizico-geografici. Spre exemplu Marea Moart are o salinitate mare n funcie de evaporarea excesiv n condiiile climatului tropical - deertic; Marea Caspic are o salinitate mic n partea nordic din cauza apei dulci a fluviului Volga, care se vars n aceasta i o salinitate maxim n partea de sud-est, unde acest aport lipsete, iar climatul este semideertic. Lacurile au suprafee restrnse i, n funcie de condiiile geografice, pot fi dulci, salmastre sau srate, evolund la fel ca i mrile, dar n raport cu dimensiunile lor mai reduse.

Apele subterane formeaz o a treia unitate acvatic. Spre deosebire de celelalte uniti acvatice, curgerea lor nu poate fi observat, dar caracteristicile acesteia pot fi determinate prin diferite metode. Apele subterane apar sub form de straturi, nivelul acestora fiind influenat de regimul precipitaiilor, de prezena n vecintate a unor bazine fluviale sau lacustre, de structura geologic a solului, de starea climatic a vremii etc. Toate acestea duc la o serie de diferenieri fa de celelalte uniti acvatice.

Cu toate c n atmosfer exist cantiti imense de ap, ea nu poate fi considerat ca o unitate acvatic propriu-zis. Prezena apei n atmosfer face obiectul de studiu al fizicii atmosferei.

Toate unitile acvatice amintite se integreaz ntr-un circuit total sau parial i se afl ntr-o interdependen a unora fa de altele.

Cantitatea imens de ap de pe suprafaa Pmntului, aflat n stare lichid (care ocup depresiunile), formeaz un nveli numit oceanul planetar.

ntinderile de ap sunt mult mai mari n comparaie cu cele ale uscatului. Din suprafaa ntregului glob terestru, de aproximativ 510 milioane km2, numai 149 milioane km2 (adic 29,2%) revin uscatului, iar 361 milioane km2 (adic 270,8%) oceanului planetar. De exemplu, numai Oceanul Pacific, luat separat, este mai mare dect toat suprafaa uscatului la un loc , avnd o suprafa de 179,6 milioane km2.

Uscatul predomin, ca repartiie, n emisfera nordic, unde ocup 39% din ntreaga suprafa, fa de numai 19% n emisfera sudic. Regiunile de pe care apele continentale curg spre oceane i spe mri se numesc regiuni exoreice , iar cele fr scurgere spre oceanul planetar se numesc regiuni endoreice.

Pe suprafaa Pmntului se afl un volum de ap de aproximativ 2 miliarde km3. Din acesta, volumul general al apei oceanului planetar este de aproximativ 1,369 miliarde km3, ceea ce depete volumul uscatului de aproximativ 13 ori. Dac ne-am imagina c am nivela toat suprafaa Pmntului, am obine un strat de ap cu grosimea de 2680 m.

n urma unor calcule aproximative, s-a ajuns la concluzia c rezerva de ap din albiile rurilor de pe ntreg globul ocup un volum de 1200 km3, iar cea din bazinele lacurilor - un volum de 750.000 km3, ceea ce ar determina, prin nsumare, un volum al apelor uscatului de 751.200 km3. Dac facem o comparaie ntre aceast rezerv de ap i cea din oceanul planetar, se constat c ea este infinit de mic. Cu toate acestea, rolul apelor continentale n viaa de zi cu zi a omului este imens. Volumul anual al scurgerii apei rurilor este de aproximativ 35.000 km3, la care se adaug apele rezultate din topirea ghearilor din Groenlanda i Antarctica (aproximativ 1800 km3), ajunge la aproximativ 36.800 km3.

CURSUL 2CIRCUITUL APEI N NATUR Generaliti

Atmosfera reprezint nveliul gazos al Pmntului, n care apa se gsete n cantiti apreciabile. La fel ca i pe suprafaa Pmntului, n atmosfer apa se prezint sub trei forme de agregare:

- starea gazoas, sub form de vapori, care condiioneaz umiditatea aerului i care este prezent deasupra diverselor regiuni din suprafaa terestr n cantiti mai mari sau mai mici, chiar i acolo unde aerul este foarte uscat;

- starea lichid, sub form de picturi foarte fine, care pot alctui ceaa, n imediata vecintate a suprafeei terestre i norii la altitudini mai mari si, sub forma unor picturi mai mari, n cazul burnielor sau al ploilor;

- starea solid, sub form de cristale de ghea i fulgi de zpad, care formeaz norii la altitudini mari, sau sub form de grindin n straturile de aer reci. Aceste cristale se pot combina i pot forma conglomerate de dimensiuni mai mari, care, ajungnd la suprafaa terestr pot produce adevrate dezastre (n general, acestea se produc pe regiuni restrnse adic au caracter local). Cantitatea de vapori de ap din atmosfer nregistreaz variaii foarte mari ncepnd de la lipsa ei aproape total i pn la 4% dintr-un volum oarecare de aer. Calculele arat c majoritatea vaporilor de ap din atmosfer se gsesc n straturile inferioare ale atmosferei, adic la nlimi de 2000-3000 m nlime fa de suprafaa terestr. La altitudini mari, de peste 10-15 km, cantitatea de vapori existent n atmosfer scade treptat, pn aproape de dispariia complet .

Indiferent de starea de agregare n care se gsete, apa din natur se afl ntr-o continu micare .

Norii sunt formai din vapori de ap condensai n agregate fine, lichide sau solide, care stau n suspensie n atmosfer. Aa cum am menionat mai sus, asamblarea sub form de picturi sau fulgi, determin apariia ploii, a zpezii sau a grindinii. Aceste forme de precipitaii, ajunse la sol, se scurg n mare parte spre reeaua hidrografic, alctuind aa-numita scurgere artificial. O alt cantitate, mai redus, ptrunde n sol i n subsol, contribuind n acest mod la alimentarea apelor subterane, adic alctuiesc aa numitele infiltrri.

La suprafaa Pmntului, vegetaia i suprafeele de ap libere (ruri, lacuri etc.) determin apariia fenomenului de evaporare a apei. Acest proces este accelerat i de transpiraia plantelor predominant n regiunile cu vegetaie bogat. Evaporarea i transpiraia vegetaiei le vom grupa n cele ce urmeaz sub denumirea de evapotranspiraie. Temperatura mediului nconjurtor joac un rol esenial n evoluia acestor etape de transformare a apei n vapori, de cdere a precipitaiilor, .a., adic i aduce contribuia la ntoarcerea vaporilor de ap n atmosfer.

n funcie de repartiia uscatului, a mrilor i oceanelor pe glob i n funcie de circulaia general a atmosferei, n natur se formeaz un circuit general al apei. Circuitul general al apei. Apa, aflat n stare gazoas, lichid sau solid, se mic n natur urmnd un circuit alctuit din patru procese: precipitaii, evapotranspiraie, scurgere i infiltrri (Fig2.1).

Fig 2.1. Circuitul apei n natur Precipitaiile atmosferice

Cantitatea de ap n stare lichid (ploaie, cea, rou) i solid (zpad, grindin, chiciur) care cade pe o anumit arie de pe suprafaa terestr, poart numele de precipitaii atmosferice (P). n atmosfer se gsete ntotdeauna o cantitate de vapori de ap, care, n anumite condiii de temperatur pot ajunge la saturaie. Dac temperatura aerului scade, acesta poate ajunge n stare de saturaie, chiar i atunci cnd masa de vapori din atmosfer rmne aceeai. Dac rcirea continu, aerul devine suprasaturat i vaporii de ap aflai n exces, se condenseaz. De regul, condensarea vaporilor de ap se produce atunci cnd pe lng temperatura sczut, aerul mai conine particule fine de impuriti (pulberi) care devin nuclee da condensare, n jurul crora se formeaz picturi de ap. Cauzele precipitaiilor Radiaia Pmntului. n nopile cu cer senin, suprafaa solului i a corpurilor aflate pe ea, se rcete. Aerul care vine n contact cu aceast suprafa rece i care conine vapori saturai, se condenseaz, iar pe suprafaa corpurilor se depun picturi mici de ap, care formeaz roua, iar dac temperatura coboar sub 00C, vaporii de ap nghea i se formeaz bruma .

Radiaia atmosferei. Odat cu rcirea aerului din apropierea solului, datorat radiaiei terestre, are loc i o rcire datorat radiaiei atmosferice. n aceste condiii, temperatura poate cobor pn la condensarea vaporilor de ap, n special iarna, sau n nopile cu atmosfer linitit. Datorit acestui fenomen apare ceaa, sau norii stratus .Prin radiaia atmosferei se condenseaz o cantitate nu prea mare de ap, ntruct rcirea aerului se face pe un strat subire. Deplasarea aerului dintr-o regiune cald n alta mai rece. n acest mod, aerul mai cald se poate rci, pn la starea de saturaie i se produce ceaa.

Amestecul maselor de aer cu temperaturi diferite poate determina condensarea vaporilor de ap, dac prin amestec se atinge o temperatur necesar saturaiei vaporilor. Cantitatea de ap care rezult n urma acestui proces este mic i duce la apariia ceei slabe.

Destinderea adiabatic a aerului. Produce condensarea unor cantiti mari de vapori de ap i, n consecin, apariia precipitaiilor abundente. Masele de aer care au micare ascendent trec de la presiuni mari la presiuni din ce n ce mai mici i se rcesc. Nivelul de condensare va fi cu att mai ridicat, cu ct temperatura aerului din apropierea solului va fi mai mare, iar coninutul de vapori mai mic. Pentru a calcula nivelul de condensare putem utiliza formula lui Ippolitov:

H= 22(100 U) (2.1)

unde U reprezint umiditatea relativ, iar (100 U) gradul de uscciune al aerului .

n urma condensrii prin detent adiabat a aerului, apar norii, ploaia, zpada, grindina etc.

Precipitaiile reprezint, deci, cantitatea de ap care cade pe suprafaa Pmntului, n stare lichid sau solid, cu durate i intensiti diferite, din atmosfera saturat cu vapori.

Scurgerea

Scurgerea (S) reprezint micarea apei pe suprafee nclinate, n interiorul sau n afara albiei i se refer la apele cu caracter permanent sau temporar.

n urma cderii unor precipitaii de scurt durat, dar de intensitate mare, apa se mic la suprafaa solului la ntmplare (formnd aa-zisele ape neorganizate) sub form de iroaie. Acest fenomen se numete iroire i este cauzat de natura solului i de relief. iroirea are loc pe rocile puin permeabile, care alctuiesc versanii cu pante mari. n urma unor ploi toreniale, iroirea poate aprea i n rocile permeabile, ntruct cantitatea mare de ap, czut ntr-un timp foarte scurt, depete viteza de filtrare prin roci. iroirea i scurgerea sunt procese hidrologice care prezint o mare importan n hidrologie, ntruct acestea produc aciunea de eroziune a rocilor. Fenomenul de eroziune este direct proporional cu masa apei care se scurge i cu ptratul vitezei acesteia. La rndul ei, viteza de scurgere depinde de panta terenului i de volumul de ap transportat prin scurgere. Factorii care influeneaz scurgerea. Scurgerea poate fi influenat de: factori geografici, condiii geologice i factori biologici.

Factorii geografici. Suprafaa bazinului hidrografic influeneaz att debitul de ap al rului, ct i procesul de scurgere. Suprafaa unui bazin hidrografic poate fi determinat prin msurtori n teren, sau cu ajutorul hrilor topografice. Configuraia suprafeei bazinului hidrografic, poate avea form alungit, ceea ce implic parcurgerea unui drum mai lung al apei de la izvor pn la vrsare i deci pierderi de ap prin evaporare mai mari. n cazul bazinelor de form circular, cantitatea de ap evaporat este mai mic, ntruct aceast form favorizeaz regimul de scurgere. Relieful bazinului hidrografic se caracterizeaz prin urmtoarele mrimi :

- nlimea sau cota medie deasupra nivelului mrii, care se calculeaz fcnd media aritmetic dintre cota cea mai nalt i cea mai joas.

- panta medie a bazinului hidrografic ( Pmed) se determin cu ajutorul formulei:

(2.2)

unde :

l1 , l2, l3, ....ln - reprezint lungimea curbelor de nivel, msurate n km;

h1, h2, h3,...hn - reprezint distanele dintre curbele de nivel, msurate n km.

S suprafaa bazinului hidrografic msurat n km2.

- panta rului P se determin cu ajutorul formulei:

(2.3)

unde :

H1 reprezint altitudinea cotei celei mai inalte, msurat n m;

H2 - altitudinea cotei celei mai coborte, msurat n m;

D - distana dintre cele dou puncte considerate, msurat n m.

Nu trebuie confundat panta bazinului hidrografic cu panta rului. n multe cazuri, panta rului poate fi nensemnat, n timp ce panta bazinului hidrografic poate fi foarte mare.

Condiiile geologice. Geologia regiunii influeneaz asupra scurgerii prin natura rocilori prin structura nivelelor acvifere. n general, pe roci permeabile, scurgerea este destul de redus, cea mai mareparte din precipitaii infiltrndu-se n sol i subsol, formnd straturi de ap subteran. n regiunile calcaroase scurgerea de suprafa este limitat aproape total, iar n adncime, scurgerea este sub form de ruri subterane. Pe rocile impermeabile infiltrarea este foarte redus, iar fenomenul de scurgere atinge valori maxime.

Structura nivelelor acvifere determin formarea bazinelor hidrologice i hidrogeologice.

Bazinul hidrologic reprezint o unitate de relief n care toate scurgerile converg ctre punctul de la baz, i este ncadrat de linii de creste care separ apele. Precipitaiile atmosferice czute n bazinul hidrologic se scurg la suprafa ntr-un colector comun.

Bazinul hidrogeologic reprezint o unitate structural geologic, alctuit din strate acvifere.

ntre bazinul hidrologic i cel hidrogeologic, ntr-o anumit regiune, pot exista raporturi de concordan, n sensul c, bazinul hidrologic se suprapune peste cel hidrogeologic, dar i raporturi de discordan n sensul c, bazinul hidrologic se suprapune numai parial peste cel hidrogeologic. n acest ultim caz, scurgerea superficial nu are aceeai surs de alimentare cu cea subteran, fapt care trebuie luat n consideraie la calculul bilanului hidrologic.

Factorii biologici. Vegetaia influeneaz scurgerea apei, att n ceea ce privete debitul, ct i gradul de uniformitate al scurgerii. Vegetaia poate schimba att volumul precipitaiilor, ct i condiiile de evaporare i scurgere. n general, vegetaia fixat pe sol contribuie la afnarea acestuia i nlesnete infiltrarea apei. Pe de alt parte, vegetaia poate mpiedica scurgerea apei pe pantele abrupte, favoriznd ptrunderea acesteia n sol. Datorit micorrii vitezei de scurgere a apei i reinerea acesteia n sol, se micoreaz debitul torenilor i se mpiedic transportul solului de ctre ap.

Pentru a calcula influena vegetaiei asupra scurgerilor de ap, trebuie cunoscute suprafeele ocupate cu pduri, fnee etc. i modul de repartizare a lor n bazinul hidrografic.

Factorul uman poate contribui la eliminarea eroziunii solului prin reducerea scurgerilor de ap, prin construirea canalelor de irigaii sau a canalelor navigabile, care pot schimba bilanul hidrologic. Dezvoltarea reelei hidrografice. Formarea unei reele hidrografice ntr-o anumit regiune reprezuint o consecin a factorilor geologici, geomorfologici, climatici i bniologici din acea regiune. Aceti factori contribuie la dezvoltarea reelei hidrografice n felul urmtor : - natura terenului reeaua hidrografic este cu att mai dezvoltat i mai complex, cu ct solul i subsolul sunt mai puin oermeabile i determin o scurgere mai intens;

- relieful relieful accidentat favorizeaz dezvoltarea unei reele hidrografice dense; - volumul precipitaiilor atmosferice precipitaiile atmosferice abundente contribuie la dezvoltarea reelei hidrografice;

- coeficientul de evaporare evaporarea puternic determin micorarea reelei hidrografice;

- vegetaia n zonele cu vegetaie abundent reeaua hidrografic este redus.

Reeaua hidrografic poate fi caracterizat prin densitate i prin coeficientul de drenaj (Fig.2.2)

Fig.2.2

Prin densitatea unei reele hidrografice (D) se nelege raportul dintre numrul cursurilor de ap permanente i temporare (N) dintr-un bazin i suprafaa total a acestui bazin (S), adic D = N/S.

Se consider cursuri de ap permanente rurile pe a cror albie apa curge n mod continuu, n timp ce cursurile de ap temporare includ rurile pe care apa curge numai n timpul precipitaiilor i, dup ncetarea acestora, nc un interval scurtde timp.

Densitatea reelei hidrografice poate fi exprimat i prin relaia D = L/S, unde L reprezint lungimea rurilor, exprimat n km i S suprafaa bazinului hidrografic, exprimat n km2. Prin coeficient de drenaj (d) nelegem raportul dintre suprafaa bazinului hidrografic (S), msurat n km2 i lungimea total (L), msurat n km, a cursurilor de ap permanente i temporare. Deci:

(2.4)

Lungimea rurilor se calculeaz n felul urmtor: pentru rul principal de la izvor i pn la vrsare, iar pentru aflueni, de la izvor i pn la confluen (Fig.2.2). Componenii scurgerii. Apa rezultat din precipitaii poate ajunge n ruri prin urmtoarele ci: cderea precipitaiilor direct pe suprafaa liber a apei din ru, prin iroirea de suprafa, prin scurgerea hipodermic i prin curgerea subteran. - Precipitaiile czute direct pe suprafaa unui ru sunt neglijabile, ntruct volumul de ap care i aduce contribuia la creterea niuvelului rului este redus;

- iroirea de suprafa reprezint scurgerea pe suprafaa solului a apei rmase de la infiltrare i evaporare. Acest proces este influenat de caracteristicile precipitailor

(grosimea stratului de ap, durata precipitaiilor, intensitatea, modul de repartiie) i de cele ale teritoriului (relief, roc, acoperire vegetal, umiditate etc.). Saturarea solului cu ap, neregularitile din teren i vegetaia comntribuie la realizarea unui decalaj ntre momentul cderii primelor picturi de ap i cel de drenaj. Intensitatea scurgeri superficiale depinde de nclinarea terenului, de natura geologic a bazinului hidrografic i de intensitatea precipitaiilor. - Scurgerea hipodermic - se refer la apa care circul n straturile superficiale ale solului i se produce atunci cnd solul este saturat cu ap. Cantitatea de ap scurs n acest mod, depinde de topografia zonei. n zonele cu pante domole i mpdurite, scurgerea hipodermic reprezint aproximativ 80% din scurgerea superficial.

- Curgerea subteran - afecteaz n mod deosebit stratele acvifere. n perioadele ploioase, acest tip de curgere are un aport slab, ns n perioadele de secet devine predominant i alimenteaz scurgerea.

Caracteristicile scurgerii. Procesul de scurgere a apei din ruri are urmtoarele caracteristici: debitul, hidraulicitatea i deficitul de scurgere.

- Debitul (Q) - reprezint volumul de ap care traverseaz o seciune dreapt ntr-un anumit interval de timp i se poate exprima n : l/s, m3/s, m3/zi. Debitul unui ru se poate calcula dup formula lui Chezy :

, unde V = C (2.5)

n care:

V - reprezint viteza medie de scurgere n seciunea aleas, msurat n m/s;

S - seciunea de scurgere, msurat n m2;

C - coeficientul de rugozitate al albiei minore;

I - gradientul hidraulic (panta rului);

R - raza hidraulic:

(2.6)

unde P este perimetrul udat.

- Hidraulicitatea - reprezint raportul, exprimat n procente, ntre debitul anual total i debitul mediu anual. Prin debit anual nelegem media aritmetic a debitelor lunare din anul considerat, iar prin debit mediu anual media aritmetic a debitelor anuale, calculate pe 30 de ani.

- Deficitul de scurgere (D) - reprezint diferena dintre lama de ap P czut pe bazin i lama de ap Q, care se scurge ntr-o perioad dat (de obicei de ordinul anilor):

(2.7)

Aceast diferen reprezint, de fapt, suma dintre evapotranspiraie i infiltrare.

Evapotranspiraia n atmosfer se gsete n permanen o cantitate apreciabil de vapori de ap care reprezint umiditatea, caracterizat prin urmtoarele mrimi:

- Tensiunea vaporilor (e) - reprezint fora elastic (presiunea) vaporilor din atmosfer la un anumit moment. Tensiunea vaporilor corespunztoare cantitii maxime de vapori de ap la aceeai temperatur i presiune, se numete tensiune maxim i se noteaz cu E. Tensiunea maxim (tensiunea de saturaie) crete odat cu temperatura.

- Umiditatea absolut a aerului (a) reprezint masa de vapori (Mv) dintr-un metru cub de aer: (2.8)

- Umiditatea specific (q) reprezint masa de vapori exprimat n grame, dintr-un kg de aer umed: (2.9)

- Umiditatea relativ (U) sau starea higrometric, reprezint raportul dintre tensiunea vaporilor la un anumit moment i tensiunea maxim corespunztoare temperaturii din acel moment i se exprim n procente:

% (2.10) - Deficitul de saturaie (d) sau deficitul hidrometric, reprezint diferena dintre tensiunea maxim i tensiunea la un anumit moment, a vaporilor din atmosfer:

(2.11) - Temperatura punctului de rou () reprezint temperatura la care trebuie rcit aerul, la presiune constant, pentru ca , vaporii de ap s-l satureze .

- Evapotranspiraia. Evaporarea i transpiraia formeaz mpreun evapotranspiraia i prin aceste fenomene se restituie atmosferei o parte din apa czut pe Pmnt. Evaporarea este un fenomen fizic, iar transpiraia - un fenomen biologic dependent de acoperirea cu plante a suprafeei terestre. Evaporarea const n transformarea apei din stare lichid n vapori. Cantitatea de ap evaporat se poate calcula utiliznd formula:

(2.12)

unde: K - este un coeficient de proporionalitate care depinde de starea de agitaie a aerului;

S - reprezint suprafaa zonei de evaporare exprimat n m2 ;

( E e ) deficitul de saturaie ;

P - reprezint presiunea atmosferic , exprimat n mb . Transpiraia reprezint fenomenul fiziologic de transformare a apei n vapori , de ctre vieuitoare. Prin transpiraie plantele elimin 300 1000 l de ap pe kg de materie uscat. Infiltrarea

Precipitaiile atmosferice ajunse pe suprafaa solului sunt captate datorit scurgerii superficiale pe de o parte, ar pe de alt parte datorit infiltrrii. Scurgerea superficial capteaz cea mai mare parte din apa ajuns la sol. Infiltrarea reprezint cantitatea de ap care ptrunde n sol i subsol prin pori i fisuri i formeaz rezervele de ap subterane. Evapotranspiraia i scurgerea hipodermic preiau o parte din apa infiltrat i, din acest motiv, numai o mic parte din precipitaii ajunge s alimenteze stratele acvifere i s constituie aa-numita infiltrare eficace.

Condiiile infiltrrii.

- Condiiile geologice influeneaz hotrtor infiltrarea apei n roci. Rocile permeabile, cum sunt pietriurile i nisipurile, au capacitate redus de reinere a apei i asigur condiii optime infiltrrii. Rocile semipermeabile, cum sunt argilele nisipoase, au capacitate mare de reinere a apei i permit o infiltrare redus.Rocile impermeabile, cum sunt argilele i rocile compacte, nu permit infiltrarea apei. - Condiiile geomorfologice - influeneaz cantitatea de ap infiltrat n sol. Pentru roci cu aceeai permeabilitate, cantitatea de ap este invers proporional cu panta pe versanii cu pante domoale apa se infiltreaz n cantitate mai mare, iar pe versanii abrupi apa se scurge repede, n defavoarea infiltrrii.

- Condiiile climatice precipitaiile atmosferice, temperatura aerului i a solului sunt hotrtoare n procesul de infiltrare. Durata i intensitatea precipitaiilor influeneaz infiltrarea, n sensul c, apa ptrunde n roci n cantitate mai mare atunci cnd sunt ploi de lung durat i linitite. n cazul ploilor toreniale, solul se satureaz foarte repede de ap i cantitatea de ap infiltrat este redus.

Temperatura aerului i a solului influeneaz infiltrarea n sensul c , n timpul verii, temperatura find ridicat, precipitaiile care cad se evapor, n mare parte. Mai mult, solul fiind uscat la partea superioar, are porii umplui cu aer i, din aceast cauz, n timpul precipitaiilor aerul prins n pori formeaz un strat protector care se opune ptrunderii apei. Starea de umiditate a aerului face ca ntre solul permeabil i atmosfer s aib loc un schimb continuu de ap. n perioadele secetoase, apa infiltrat n roci se ridic la suprafa i apoi se evapor n anumite cantiti,n funcie de temperatur i de durata perioadei de secet. - Vegetaia - influeneaz infiltrarea apei n sol prin natura, densitatea i gradul su de dezvoltare. De regul, vegetaia ncetinete scurgerea i permite apei s se infiltreze n sol n cantitate mare. Vegetaia arborescent i aduce un aport deosebit n formarea precipitaiilor, influeneaz umiditatea aerului i circulaia atmosferic.

- Activitatea omului, materializat prin mpduriri, defriri, sisteme de irigaie, poate influena direct sau indirect infiltrarea apei n sol.

Apele infiltrate n adncime circul prin porii i fisurile rocilor i pot reveni la suprafa formnd izvoarele care alimenteaz rurile i lacurile. Datorit evaporrii , apa se condenseaz n diferite straturi ale atmosferei i revine sub form de ploaie, ncepnd un nou circuit.

CURSUL 3PROPRIETILE GENERALE ALE APEI Starea natural a apei

Apa se gsete n natur sub trei forme de agregare:

- stare gazoas (vapori) care se gsesc n atmosfer chiar i la temperaturi inferioare lui 00C , care rezult din evaporarea de la suprafaa mrilor, oceanelor, lacurilor etc. , sub influena radiaiilor solare i din transpiraia plantelor i a vieuitoarelor;

- stare solid care este alctuit din zpad i ghea i ocup o parte din suprafaa Pmntului n regiunile polare i cele muntoase, aflate la altitudini mari; - stare lichid care ocup dou treimi din suprafaa Pmntului i se gsete n oceane, mri, fluvii, lacuri, provine din precipitaii etc. n nici una din strile menionate mai sus, apa nu este pur datorit faptului c ea dizolv o mare parte din substanele cu care vine n contact.

Proprietile fizico-chimice ale apei

La temperatura i presiunea obinuit, n stare natural, apa se gsete sub form de lichid, fr miros i fr gust, iar sub form de straturi subiri este incolor. Dac stratul de ap depete grosimea de aproximativ 6 cm, aceasta capt o culoare albstruie. n prezena carbonatului de calciu i a anumitor alge verzi, culoarea apei devine verzuie. Clorura de sodiu poate da apei o culoare albstruie, pn la albastru profund. Apele naturale au caracteristici fizice diferite privitoare la temperatur, grad de transparen, miros,radioactivitate etc.

Temperatura apei depinde de temperatura mediului nconjurtor, dar se modific mai ncet dect temperatura acestuia, variind cu altitudinea i latitudinea, cu adncimea i cu ali factori fizici.

Culoarea apei este dat de substanele minerale sau microorganismele pe care le conine. Putem distinge: ap incolor, uor glbuie, glbuie, cafenie, albastr, lptoas culoare care se stabilete prin comparaie cu o soluie etalon de clorur de platin i cobalt.

Gustul apei se stabilete numai pentru apa potabil i poate fi amar, srat, acru etc. De regul apa nu are gust, dar pot aprea gusturi specifice determinate de prezena unor substane chimice naturale sau artificiale. Mirosul se determin pentru apa nefiart i se apreciaz prin anumii termeni cum ar fi: lipsete, sttut, de putrefacie etc. i este imprimat de anumite substane chimice.

Radioactivitatea este determinat de contactul apei cu rocile radioactive printre care curge. Radioactivitatea se determin prin metode specifice, aceast proprietate a apei fiind utilizat n scopuri terapeutice.

Turbiditatea este reprezentat prin prezena n ap a unor substane solide sub form de suspensii. Turbiditatea se poate aprecia prin comparaie cu o scar etalon, sau poate fi evaluat n laborator n urma recoltrii probelor prin filtrare sau cntrire.

Densitatea apei variaz odat cu temperatura. Majoritatea lichidelor i mresc volumul odat cu creterea temperaturii, micorndu-i n acelai timp densitatea, conform relaiei: (3.1)

unde reprezint densitatea lichidului la temperatura de 00C, - densitatea la temperatura t, iar - coeficientul de dilatare volumic. Apa prezint o particularitate: creterea temperaturii ntre 040C determina o micorare a volumului apei, deci o a densitii acesteia care, la temperatura de 40C atinge valoarea maxim (Fig.3.1).

Fig.3.1

Acest fenomen, cunoscut sub numele de anomalia apei se explic prin faptul c apa este format din trei tipuri de molecule: H2O, (H2O)2 i (H2O)3, al cror volum specifgic este diferit. Concentraia diferitelor grupe de molecule variaz cu temperatura. La temperatura de 40C apa prezint un astfel de aranjament molecular, nct volumul su specific atinge valoarea minim, iar densitatea devine maxim. Aceast particularitate a apei are o importan deosebit asupra climei i asupra vieii de pe planet. n particular, datorit acestei particulariti, apa lacurilor i a rurilor nghea iarna numai la suprafa, n adncime putnd continua viaa plantelor i a animalelor subacvatice. n Fig.3.2 este reprezentat distribuia temperaturii apei pe timp de iarn, ntr-un lac.

Fig.3.2

Pe msur ce apa se rcete, datorit scderii temperaturii mediului, densitatea ei crete i, ca urmare, straturile de la suprafa devin mai grele i coboar spre adncime. Acest fenomen are loc pn cnd temperatura apei atinge 40C cnd densitatea apei ajunge la valoarea maxim. Odat cu rcirea n continuare a straturilor de la suprafa, densitatea apei ncepe s scad, astfel nct aceste straturi rmn deasupra celor cu temperatura de 40C. La temperatura de 00C straturile de la suprafa nghea i datorit densitii mai mici a gheii, rmn la suprafa. n acest fel temperatura apei n adncime este ntotdeauna mai mare de 00C . Apa n stare solid este cunoscut sub denumirea de ghea i are caracteristici fizice diferite de cele ale apei sub form lichid: densitatea gheii are valoarea , iar cea a apei , cldura specific a gheii cg=2020J/kgK iar cea a apei ca= 4181 J/kgK . Punctul de topire sau de solidificare al apei pure, n condiii normale, este de 00C, iar cel de fierbere este de 1000C .

Presiunea vaporilor de ap crete odat cu creterea temperaturii. Prin dizolvarea n ap a diferiteloror sruri, presiunea acesteia scade fa de apa pur, iar punctul de fierbere corespunde unei temperaturi mai mari i cel de solidificare unei temperaturi mai mici (Fig.3.3)

Fig.3.3. Variaia presiunii vaporilor de ap n funcie de temperatur. Trecerea apei prin cele trei stri de agregare poate fi descris cu ajutorul graficului care prezint dependena de temperatur a presiunii ( Fig.3.4).

Fig.3.4. Graficul trecerii apei prin cele trei stri de agregare. Curba BD separ fazele solid i lichid i arat c temperatura de topire variaz cu presiunea. Aceast variaie este destul de mic, ceea ce face ca forma curbei s fie abrupt (aproape paralel cu axa ordonatelor). Curba AB reprezint variaia presiunii vaporilor rezultai din sublimarea gheii iar curba BC ne d variaia presiunii vaporilor rezultai din apa lichid. Cele trei curbe mpart planul (P,T) n trei regiuni, care corespund strilor n care apa poate fi transformat: lichid, solid sau gaz.

Cantitatea de cldur necesar unui kg de ghea, aflat la temperatura de 00C, pentru a se topi se numete cldur latent de topire i are valoarea Cantitatea de cldur necesar unui kg de ap pentru a se transforma n vapori la temperatura de 1000C se numete cldur latent de vaporizare i are valoarea de 2,3.106J/kg . Cantitatea de cldur necesar unui kg de ap pentru a-i mri temperatura cu un grad se numete cldur specific . Apa are cldura specific foarte mare comparativ cu alte substane solide sau lichide ca = 4181 J/kgK .

Apa ca dizolvant Apa are o capacitate mare de dizolvare datorit constituiei sale moleculare speciale, n care centrul sarcinilor pozitive nu coincide cu centrul sarcinilor negative. Se formeaz astfel un dipol, al crui dipolment adic produsul dintre mrimea sarcinilor i distana dintre ele - este diferit de zero, deci molecula are o polaritate pronunat.

Fora de atracie (F) dintre ionii unui electrolit (acid, baz sau sare) este dat de binecunoscuta lege a lui Coulomb :

(3.2)

unde q1 i q2 reprezint sarcinile electrice ale celor doi ioni , r - distana dintre ioni, iar - constanta dielectric a dizolvantului. Din expresia (3.2) se observ c fora de atracie dintre ioni scade odat cu creterea constantei dielectrice, n acest caz gradul de disociere crete. Apa are o constanr dielectric foarte mare (80,75) i din acest motiv electroliii vor fi puternic disociai, ceea ce permite o dizolvare pronunat.

Apa mrilor i a oceanelor este impur datorit coninutului mare de substane dizolvate (cloruri, bromuri etc.). Mrile nchise au o concentraie ridicat de sruri, ajungnd uneori pn la saturaie (Marea Moart).

Apa de ploaie sau zpada sunt cele mai curate, cu toate c ele conin substane dizolvate, n special sruri, nitrai, nitrii, de asemenea mai conine gaze (oxigen, azot, dioxid de carbon ) precum i lichide cum ar fi apa oxigenat. Apa izvoarelor i a rurilor poate conine diferite gaze din aer (oxigen, azot, dioxid de carbon etc.), substane solide (sruri de calciu, magneziu, sodiu), suspensii solide (nisipuri i mluri), etc. Una din cele mai importante substane coninut n apa izvoarelor i a rurilor este bicarbonatul ce calciu, datorit cruia apa devina dur, nu face spume cu spunul, iar dup fierbere depune o crust pe vasele respective. Apa subteran cu mult bicarbonat, ieit la suprafa, pierde dioxidul de carbon, iar carbonatul de calciu format find insolubil n ap, se depune formnd stalactitale i stalagmitele n peteri.

Apa grea

Hidrogenul obinuit conine n proporie de 0,016% un izotop greu, cu masa de 2,0147 (fa de 16 - care este masa atomic a oxigenului) numit deuteriu, care formeaz mpreun cu oxigenul apa grea. Apa grea se gsete n lichidele apoase ale esuturilor animale i vegetale, n apa de ploaie, n apa rezultat din topirea gheii etc. Proprietile apei grele difer de cele ale apei obinuite, cu toate c ambele au aceeai configuraie electronic.

Apa plat

Termenul de ap plat nu este pe deplin lmurit dar, avnd n vedere elementele care determin mineralizarea apei, n anumite condiii, apa plat poate fi considerat o ap mineral natural, necarbogazoas.

Bilanul hidrologic Bilanul hidrologic al unei regiuni urmrete o contabilizare a aportului i a pierderilor de ap n acea regiune. Acest bilan se bazeaz pe calculul unor elemente hidrologice eseniale (precipitaii, scurgere, evapotranspiraie, infiltrri).

Ecuaia general a bilanului hidrologic se exprim prin egalarea aporturilor i pierderilor de ap pe o anumit perioad de timp, suficient de lung:

(3.3)

unde P reprezint nlimea precipitaiilor (ploaie, zpad), msurat n mm, S - scurgerea superficial, msurat n mm, E evapotranspiraia - n mm, iar I infiltrarea - n mm.

Pierderile de ap subterane sunt compensate prin infiltrri. O anumit fraciune rennoiete cantitatea de ap pierdut de sol i subsol prin evapotranspiraie. O alt fraciune circul n subteran (datorit scurgerii hipodermice i curgerii subterane) i reapare pentru a realimenta reeaua hidrografic. Cu aceste precizri, ecuaia bilanului hidrologic devine: (3.4)

Considernd c pentru perioade lungi de timp scurgerea Q se compune din scurgerea superficial, hipodermic i subteran , ecuaia bilanului hidrologic poate fi scris sub forma:

(3.5)

Trebuie s menionm c echilibrul natural al bilanului se modific datorit exploatrii apelor subterane i de suprafa, sau datorit devierii apelor ctre alte bazine. Dac notm cu Q1 aceste pierderi, relaia (3.5) obinem pentru bilanul hidrologic: (3.6)

Exist diferite procedee i formule stabilite pentru calculul mrimilor din relaia (3.6), de care ne vom ocupa n continuare. Calculul bilanului prin evapotranspiraie. Se aplic atunci cnd sunt cunoscute precipitaiile P i temperatura medie a aerului. Dac scurgerile superficiale S i infiltrrile I sunt cunoscute, se poate calcula evapotranspiraia cu ajutorul formulei:

(3.7)

n care E reprezint evapotranspiraia medie n mm, P - nlimea precipitaiilor anuale n mm, L = 300 +25T+0,05 T3 (T fiind temperatura medie a aerului). Calculul bilanului prin deficitul de scurgere. Se face utiliznd formula:

P = D + Q , adic D = P Q (3.8)

Calculul bilanului prin infiltrri. Dac se cunosc infiltrrile, putem calcula aportul de ap n sol i subsol cu formula bilanului hidrologic:

(3.9)

Calculul bilanului cu ajutorul lisimetrului. Lisimetrele sunt instalaii care permit determinarea infiltrrii apei atunci cnd aparatele sunt instalate la adncime mai mare de un metru, unde nu se mai simte influena evaporrii. Lisimetrele permit, de asemenea, determinarea infiltrrii i evapotranspiraiei n condiii naturale.

Bilanul hidrologic se poate calcula din formula:

(3.10)

unde P reprezint valoarea precipitaiilor n mm, E evapotranspiraia n mm, I - infiltrarea eficace, n mm i - variaia cantitii de ap n sol n timpul considerat, msurat n mm.

Precipitaiile P pot fi msurate cu precizie la staiunile meteorologice, infiltrrile I se determin cu lisimetrele, variaiile pot fi neglijate, iar evaporaia poate fi calculat din relaia CURSUL 4PROPRIETILE HIDROLOGICE ALE ROCILOR Apa infiltrat n roci se acumuleaz n porii acestora i formeaz rezervele de ap subterane. Cantitatea de ap care se poate acumula n roci depinde de proprietile hidrologice ale acestora, cum ar fi: compoziia granulometric, porozitate, umiditate, permeabilitate etc.

Compoziia granulometric. Cantitatea de ap care se poate acumula ntr-o roc, sau care poate fi cedat de roca respectiv, depinde de volumul porilor i de mrimea acestora. n cazul rocilor sedimentare (nisipuri, pietriuri) porozitatea i dimensiunile porilor depind de forma i diametrul granulelor, de modul lor de dispunere n roc i gradul de ndesare.

Dimensiunile granulelor variaz n limite foarte largi, de la granule foarte mici, n cazul argilelor, pn la dimensiuni mari, n cazul prundiurilor i bolovniurilor.

De regul, o roc necoeziv (pietri, nisip) este alctuit din granule de diferite dimensiuni, granulele mai mici ptrunznd n spaiile libere dintre granulele mai mari. Pentru a obine informaii asupra proprietilor hidrologice ale acestor tipuri de roci trebuie s se cunoasc coninutul n fraciuni i pe dimensiuni al granulelor care alctuiesc rocile respective, adic, compoziia granulometric a acestora. Operaia de fracionare a rocilor n funcie de mrimea granulelor se numete analiz granulometric.

Granulele cu diametrul mai mare de 0,06 mm se pot separa prin cernere, utiliznd site speciale. Granulele care au diametrul mai mic de 0,06 mm se separ prin decantare sau alte procedee. Dac rocile necoezive i pseudocoezive (argile) sunt alctuite din granule de dimensiuni diferite se poate aplica pentru stabilirea granulometriei metoda combinat de cernere i sedimentare.

n funcie de mrimea granulelor, rocile necoezive se pot clasifica n:

pietri cu diametrul d>2mm; nisip - cu diametrul 0,02