Universitatea de Stiinte Agricole si Medicina Veterinara "Ion Ionescu de la Brad" din Iasi Facultatea de Agricultura nvatamnt deschis la distanta

P. SAVU

D. BUCUR

mbunatatiri funciareManual de studiu vol. I

CUPRINSUL I. Amenajarea teritoriului agricol cu lucrari de mbunatatiri funciare.. 4 1.1 Important a si necesitatea amenajarii cu lucrari de mbunatatiri a teritoriului agricol al funciare Romniei. 4 1.2 Particularitatile lucrarilor de mbunatatiri n raport cu lucrarile agricole obisnuite.. funciare 5 1.3 Scurt istoric al lucrarilor de mbunatatiri funciare.. 5 1.4 Evolut ia si situatia actuala a amenajarii terenului agricol al cu lucrari de mbunatatiri Romniei funciare.. 7 II. Notiuni de hidraulica 9 2.1 Definitii. Proprietat i ale lichidelor.. 9 2.2 Notiuni de hidrostatica. 10 Legea fundamentala a hidrostaticii.. 2.2.1 11 Presiunea lichidelor pe suprafete plane 2.2.2 14 Notiuni de hidrodinamica 2.3 17 Clasificarea miscarii lichidelor... 2.3.1 17 2.3.2 Ecuatiile fundamentale ale hidrodinamicii.. ... 19 2.4 Aplicatii ale hidraulicii n lucrarile de mbunatat iri funciare.. 22pe canale si cursuri naturale de apa.. 2.4.1 Determinarea debitelor 22 Determinarea debitului n conductele sub presiune (fortate)..... 2.4.2 24 Dimensionarea canalelor si a conductelor sub presiune.... 2.4.3 30 III. Notiuni de hidrologie 413.1 Notiuni de hidrologie. Definit ii 41 3.2 Circuitul apei n natura. 41 Precipitatiile atmosferice.... 3.2.1 42 3.2.2 Infiltratia.. 44 3.2.3 Evapotranspiratia... 45 3.2.4 Scurgerea.... 47 3.2.5 Elemente de hidraulica si hidrologia rurilor.. ... 51 3.3 Notiuni de hidrografie.. 53 Notiuni de hidrogeologie. 3.4 55 Distributia pe verticala a apei subterane. 3.4.1 56 Regimul apei freatice...... 3.4.2 57 Circulatia apei subterane.... 3.4.3 58 Notiuni de hidrometrie. 3.5 59 Hidrometria rurilor (canalelor)..... 3.5.1 59 Hidrometria apei subterane.... 3.5.2 61 IV. Amenajarea terenurilor agricole cu umiditatea deficitara.. 654.1 Sistemul de irigatii 65 Componentele sistemului de irigatii. 4.1.1 66 Clasificarea sistemelor de irigatii... 4.1.2 67 4.1.3 Studii si cercetari necesare amenajarilor pentru irigatii.. ... 67 apa si calitatea apei de irigatii.. 4.2 Surse de 70 Surse de apa pentru irigatii. 4.2.1 70 Calitatea apei pentru irigat ii... 4.2.2 71 Prize de apa pentru irigatii 4.3 79 Prizele de apa gravitationale... 4.3.1 80 Prizele cu ridicare mecanica 4.3.2 prizele cu pompare) a apei.. ( Metode de udare.. 81 4.4 90 Udarea prin scurgere la suprafata... 4.4.1 90 Udarea prin submersiune.... 4.4.2 91 Udarea prin aspersiune... 4.4.3 91 4.4.4 Udarea localizata.... 91 Criterii pentru alegerea metodei de udare... 4.4.5 92 Tipul de amenajare cu canale de pamnt.... 4.5 94 Caracteristicile generale ale retelei permanente de canale..... 4.5.1 94 Trasarea si dimensionarea retelei de canale... 4.5.2 96 4.5.3 Calculul cotelor de comanda ale canalelor de irigatii din pamnt..... 98 4.5.4 Constructii hidrotehnice pe reteaua de canale... 99 4.5.5 Amenajarea sectorului de irigatii pentru prin scurgere la suprafata... udarea 101

22

4.5.6 Particularitat ile tipului de amenajare cu canale de pamnt pentru udarea prin aspersiune cu agregate de pompare mobile..... 105 4.5.7 Particularitat ile tipului de amenajare cu canale de pentru udarea prin submersiune. pamnt 105 4.5.8 Reteaua de colectare-evacuare si de drumuri n sistemele de irigatii.... 107 Tipul de amenajare cu conducte ngropate.. 4.6 108 Scheme de principiu ale amenajarilor cu conducte ngropate... 4.6.1 110 4.6.2 Scheme de amenajare cu conducte ngropate, n functie pozitia sursei de apa si orografia terenului..... de 111 4.6.3 Conducte folosite n amenajarile pentru irigatii.... 113 Instalat ii si accesorii pe reteaua de conducte ngropate. 4.6.4 115 Executarea retelei de conducte ngropate... 4.6.5 117Exploatarea hidrotehnica si ntretinerea sistemelor de irigat ii. 4.7 121 Planificarea si distributia apei n sistemele de irigatii.... 4.7.1 122 Prevenirea si combaterea pierderilor de apa n sistemele de irigatii.. 4.7.2 125 ntretinerea sistemelor de irigatie... 4.7.3 130 Referate... 134 Sinteza bibliografica .

13 5

23

I. AMENAJAREA TERITORIULUI AGRICOL CU LUCRARI DE MBUNATATIRI FUNCIARE1.1 Importanta si necesitatea amenajarii cu lucra ri de mbunatatiri funciare a teritoriului agricol al Romniei 1.2 Particularitatile lucra rilor de mbunatatiri funciare n raport cu lucrarile agricole obisnuite 1.3 Scurt istoric al lucra rilor de mbuna tatiri funciare 1.4 Evolutia si situat ia actuala a amenaja rii terenului agricol al Romniei cu lucrari de mbunatatiri funciarePrin amenajari de mbunatatiri funciare se nt elege ansamblul de lucra ri tehnice (ndeosebi hidrotehnice) s i biologice, cu efect de lunga durata, prin care se pun n valoare suprafetele cu soluri neproductive sau se ridica productivitatea unor terenuri cu soluri slab productive.

1.1 Importanta si necesitatea amenajarii cu lucrari de mbuna tatiri funciare a teritoriului agricol al RomnieiDin suprafata totala a Romniei de 23,839 mil ha, terenul agricol reprezinta aproape 15 mil ha ( 62 %). Diversitatea conditiilor fizico-geografice si variabilitatea n timp a elementelor climatice, hidrologice si hidrogeologice favorizeaza periodic, pe aproximativ 70 % din suprafata agricola, diminuarea sau compromiterea recoltelor agricole, prin actiunea separata sau combinata a deficitului de umiditate, a excesului de apa, a eroziunii solului si a altor procese. nlaturarea efectelor negative ale secetei, excesului de umiditate si eroziunii solului se realizeaza prin amenajarea terenurilor agricole afectate, cu lucrari de mbunatatiri funciare (irigatii, desecari, drenaje, ndiguiri, combaterea eroziunii solului, regularizarea cursurilor de apa etc). Lucrarile de mbunatatiri funciare contribuie - mpreuna cu masurile s i lucrarile agrofitotehnice aplicate rational la exploatarea durabila a terenurilor agricole, asigurarea hranei populatiei si protectia mediului natural prin: cresterea s i stabilizarea productiei agricole n zonele secetoase cu ajutorul irigatiilor, sporirea surselor de apa pentru populatia rurala, piscicultura s i alte folosint e, apararea suprafetelor agricole si a localitatilor de inundatii, eliminarea excesului de apa de pe terenurile depresionare, reducerea eroziunii solului de pe terenurile nclinate si a

24

torentialitatii pe reteaua hidrografica, ameliorarea si nfrumusetarea peisajului geografic local. O buna parte din terenurile agricole afectate de factori limitativi au nevoie de doua sau mai multe tipuri de lucrari ameliorative. De exemplu, luncile rurilor reclama, pentru a putea fi folosite la valoarea potentiala, lucrari de aparare mpotriva inundatiilor, de desecare-drenaj, de irigare s i uneori si de desalinizare si/sau de corectare a reactiei solului.

1.2 Particularitatile lucra rilor de mbuna tatiri funciare n raport cu lucra rile agricole obisnuiteComparativ cu lucrarile agricole curente, amenajarile de mbunatatiri funciare prezinta unele particularitati: se realizeaza, de regula, pe unitati naturale (bazin hidrografic, versant, lunca etc) cuprinznd, n majoritatea cazurilor, mai multe exploatatii agricole; se executa pentru o durata de functionare de mai multi ani, fapt pentru care trebuie sa satisfaca o gama larga de variatie a parametrilor factorilor naturali si a exigentelor comunitatilor umane; implica investitii specifice mari care se amortizeaza n 5 - 10 ani, din sporurile de recolta pe unitatea de suprafata amenajata; au caracter complex, ntruct sunt dependente de o multime de factori naturali s i de factorul antropic, din care cauza specialistii care proiecteaza, executa si ntretin astfel de lucrari trebuie sa cunoasca bine relatiile sol - apa planta - clima, stapnind notiunile de hidraulica, hidrologie, hidrografie, hidrogeologie si hidrometrie precum s i pe cele de topografie, pedologie, agrometeorologie, agrotehnica, fitotehnie, mecanizare etc; prezinta o evolutie rapida a conceptiei de amenajare, n concordanta cu progresul tehnico-stiintific si dezvoltarea economica sociala. 1.3 Scurt istoric al lucrarilor de mbunatatiri funciare Lucrarile de mbunatatiri funciare sunt tot asa de vechi ca si agricultura. Dezvoltarea comunitatilor umane si a agriculturii n luncile unor fluvii (Nil, Tigru, Eufrat, Gange etc) expuse att inundatiilor ct si secetei, a determinat necesitatea unor lucrari, fie de aparare mpotriva apelor mari, fie de irigatii pentru completarea umiditatii solului la nivelul cerintelor de apa ale plantelor cultivate. n China si Mesopotamia se foloseau irigatiile cu aproximativ 5000 de ani .C. si putin mai trziu, n India, Egipt si Asia Centrala. 25

Daca nflorirea civilizatiilor antice (egipteana, babiloniana, indiana, incasa, azteca, cartagineza etc) a fost conditionata de dezvoltarea irigatiilor, declinul si disparitia acestora s-au datorat, n mare masura, degradarii terenurilor irigate prin salinizare s i nmlastinare secundare - consecinta a cunostintelor insuficiente privind interrelatiile sol - apa - planta clima. Aparitia si dezvoltarea lucrarilor de mbunatatiri funciare n Europa a fost lea , n marcata de ndiguiri si desecari, executate, ncepnd din secolul al XIII Olanda si Delta Rinului. Dupa declinul lucrarilor hidroameliorative n epoca feudala, la nceputul secolului al lea n Italia se ndiguiesc Padul si Adigele, se pun XVIII bazele ndiguirilor de la Dunare si Tisa si se elimina excesul de umiditate de pe cteva sute de mii de hectare. Un ritm rapid s-a nregistrat n cresterea suprafetelor amenajate pentru irigatii care, de la 8 mil ha, existente la sfrsitul secolului al lea , au ajuns peste un XVIII secol, la 40 mil ha iar n 1978, depaseau 265 mil ha. Lucrarile pentru prevenirea si combaterea eroziunii solului au constituit o preocupare sustinuta n toate tarile Europei cu agricultura avansata. n Romnia primele amenajari de mbunatatiri funciare au aparut ca lucrari derivate din activitatile cu caracter strategic, de consolidare statala si de afirmare pe plan comercial a formatiunilor geto-dacice s i dacoromane. Secolele XVII - XVIII au marcat extinderea s i diversificarea lucrarilor de mbunatatiri funciare n toate tinuturile romnesti. n secolul XIX s-au executat, mai ales, lucrari de regularizare a albiilor unor ruri si de eliminare a excesului de apa (ndiguirea Mures ului, Timisului, Brzavei, regularizarea Crisurilor, ndiguirea si desecarea Cmpiei Cris anei, primele ndiguiri n Lunca si Delta Dunarii etc). Spre sfrsitul secolului XIX si nceputul secolului XX, o pleiada de oameni de stiinta s i ingineri ilustri s-au evidentiat n activitatea pentru extinderea amenajarilor de mbunatatiri funciare n Ion Ionescu de la Brad (1819 Romnia: 1891), P. S. Aurelian (1833 - 1909), Anghel Saligny (1854 - 1925), Alexandru Davidescu(1858 - 1937), Gheorghe Ionescu Sisesti (1885 - 1967), Cezar Nicolau (1925 - 1981), Constantin Haret (1919 - 1997) s. a. Preocuparile acestor eminenti savanti sunt continuate, diversificate si dezvoltate de specialisti de marca, nca n activitate, din nvatamntul superior, cercetarea s tiintifica si unitatile de proiectare, executie s i exploatare a lucrarilor de mbunatatiri funciare.26

1.4 Evolutia si situatia actuala a amenajarii terenului agricol al Romniei cu lucra ri de mbuna tatiri funciareCea mai mare parte a patrimoniului amenajarilor de mbunatatiri funciare existent astazi n Romnia s-a realizat practic, n a doua jumatate a secolului XX, n special n perioada 1965 - 1989 (tab. 1.2).Tabelul 1.2 Dinamica suprafetelor amenajate n Romnia cu lucrari de mbunatatiri funciare (dupa M. A. A. ) datele P. Suprafetele amenajate (mii ha) cu lucrari de: Anul ndiguiri Desecari Irigatii Combaterea eroziunii solului 1944 622,0 358,0 18,0 1950 642,0 368,1 42,5 2,0 1955 668,8 404,4 93,1 9,4 1960 827,1 505,7 199,6 100,0 1965 856,7 587,0 229,9 197,5 1970 1331,9 1111,4 731,3 435,3 1975 1455,2 1965,5 1474,2 983,1 1980 1545,0 2462,5 2301,0 1609,7 1985 - 2948,8 2965,3 2095,5 1990 - 3168,7 3168,7 2222,3 1991 - 3194,1 3125,8 2282,4 1992 - 3182,1 3197,2 2264,4 1993 - 3188,5 3202,3 2253,4 1994 - 3191,7 3202,8 2267,9 1995 - 3196,2 3205,2 2267,8 1996 - 3199,5 3211,1 2279,1 1997 - 3198,8 3190,6 2276,2 1998 - 3198,8 3184,0 2276,5 1999 - 3201,5 3179,8 2276,9

Amenajarile realizate, care au avut ca principala sursa de finantare bugetul statului, sunt lucrari de complexitate tehnica deosebita (prize de apa, statii de pompare, constructii hidrotehnice etc) si sunt corelate cu lucrarile de gospodarire a apelor, de organizare a teritoriului, cai de comunicatie s. a. Majoritatea amenajarilor pentru irigatii au fost proiectate pentru udarea prin aspersiune s i sunt realizate n sisteme pe suprafete mari, de mai multe zeci de mii de hectare si chiar sute de mii de hectare. Lucrarile pentru prevenirea si combaterea inundatiilor si a excesului de umiditate cuprind Lunca Dunarii (aproape 480.000 ha) si luncile rurilor interioare (Jiu, Olt, Arges, Ialomita, Siret, Prut, Mures s. a.) Ele sunt asociate, dupa caz, si cu alte lucrari de mbunatatiri funciare. n Lunca Dunarii au fost ndiguite aproape 480.000 ha.27

Amenajarile pentru combaterea eroziunii solului, realizate n Romnia, includ lucrari pentru prevenirea s i combaterea eroziunii de suprafata (sisteme antierozionale de cultivare si unele lucrari speciale), de combatere a eroziuni n adncime, de terasare a plantatiilor viti-pomicole si de corectare a unor torente. Dupa anul 1989 ritmul de amenajare a teritoriului cu lucrari de mbunatatiri funciare a scazut mult iar unele lucrari existente au fost putin folosite ori s-au deteriorat, ca urmare a modificarilor social-politice survenite. De exemplu, n perioada 1990 - 1998, gradul de folosire a amenajarilor de irigatie (tab. 1.2) si suprafata efectiv irigata anual au fost extrem de reduse datorita conditiilor climatice, fondurilor alocate, interesului proprietarilor de terenuri, modului de amenajare al acestora si costului serviciilor prestate.Tabelul 1.2 Evolutia suprafetelor cu terenuri agricole irigate, n perioada 1990 - 1998 n Romnia (dup Buhociu si Creanga ) a L. L. din care, cu din Anul Suprafat a care, amenajata (mil lucrari functiune n irigata totala ha) (%) (%) 1990 3,17 92 70 1992 3,20 83 17 1994 3,20 78 27 1996 3,21 70 20 1998 3,18 71 8

Vechimea amenajarilor de mbunatatiri funciare din Romnia si, n special, a celor pentru irigatii precum si modificarile n structura de proprietate, produse dupa anul 1990, reclama elaborarea unui program de reabilitare a amenajarilor, de eficientizare a activitatilor si de adaptare a organizarii institutionale din domeniul mbunatatirilor funciare la noile conditii.

ntrebari recapitulativeDefiniti notiunea de mbunatatiri funciare. Explicati necesitatea amenajarii cu lucrari de mbunatatiri funciare a teritoriului agricol n Romnia. Care sunt particularitatile lucrarilor de mbunatatiri funciare, n raport cu lucrarile agricole obisnuite? Precizati etapele evolutiei conceptelor si realizarilor lucrarilor de mbunatatiri funciare pe teritoriul Romniei. Comentati evolutia suprafetelor cu terenuri agricole irigate n Romnia n perioada dupa 1990.28

II. NOTIUNI DE HIDRAULICA2.1 Definit ii. Proprietat i ale lichidelor 2.2 Notiuni de hidrostatica 2.3 Notiuni de hidrodinamica 2.4 Aplicatii ale hidraulicii n lucrarile de mbunatatiri funciare

Amenajarile de mbunatatiri funciare sunt lucrari de reglare a regimului apei la suprafata terenului si n profilul solului, n concordanta cu cerintele socialeconomice si de crestere si dezvoltare ale plantelor agricole si silvice. La proiectare, executia, exploatarea si ntretinerea acestor lucrari se face uz de o serie de principii care guverneaza hidraulica.

2.1 DefinitiiHidraulic este stiinta care studiaza legile echilibrului si miscarii a lichidelor si ale solidelor cufundate partial sau total ntr-un lichid. Are aplicabilitate n cele mai diverse domenii: mbunatatiri funciare (irigatii, desecari, regularizari de albii si debite, combaterea eroziunii solului etc), constructii hidroenergetice, alimentari cu apa s. a. Hidraulica are doua parti hidrostatic al carei obiect principale: a cuprinde studiul echilibrului lichidelor si solidelor cufundate partial sau total ntr-un lichid si hidrodinamic al carei obiect de studiu este miscarea lichidelor si a a solidelor cufundate partial sau total ntr-un lichid, considernd fortele care actioneaza asupra lor. Lichidele sunt corpuri fara forma proprie caracteristica, lund forma vaselor care le contin. Daca presiunea s i temperatura ramn constante, lichidele nusi schimba volumul cnd sunt trecute dintr-un vas ntr-altul. Mobilitatea mare a particulelor de lichid face ca deformatiile lente ale volumului sa se produca cu eforturi mici, daca deformatiile nu duc la micsorarea volumului. Lichidele au o mare incompresibilitate, exprimata prin rezistenta apreciabila la eforturile care tind sa le mics oreze volumul.

29

Caracterul de mobilitate al particulelor unui corp defines te proprietatea, numita n hidraulica, fluiditate . Datorita acestei proprietati, lichidele - ca si gazele - au capatat denumirea comuna de fluide. Rezumnd, se poate spune ca lichid - cum este desigur apa - se prin ntelege un fluid, practic incompresibil, care sub influenta gravitatiei ia forma recipientului n care este continut. Hidraulica fiind o stiinta cu pronuntat caracter aplicativ, studiaza legile echilibrului s i miscarii lichidelor reale, asa cum sunt n natura. n cele mai multe cazuri nsa, studiul fenomenelor hidraulice se simplifica mult daca, n prima aproximatie, se accepta notiunea de lichid ideal (perfect). Lichidul ideal este un fluid fictiv, absolut incompresibil si lipsit de vscozitate, cnd compresibil. pe lichidul real (natural) are o oarecare vscozitate si este putin

2.2 Not iuni de hidrostatican hidrostatica se face abstractie de viscozitate deoarece ntre particulele lichidelor n echilibru nu exista viteze relative. n mod conventional, fortele considerate n hidrostatica pot fi grupate n: forte exterioare si forte interioare lichidului. Fortele exterioare cuprind:

forte

superficiale (exercitate de actiunea mediului nconjurator pe suprafata de separatie a masei de lichid) s forte masice (generate de gravitatie, singura i sau mpreuna cu alte forte cum sunt fort a de inertie, forta centrifuga, forta centripeta etc). Fortele superficiale sunt proportionale cu suprafetele pe care se exercita iar fortele masice cu masele asupra carora actioneaza. Forta interioara care actioneaza asupra unei particule din masa de lichid se numeste presiune hidrostatica . Considernd un volum de lichid n echilibru n interiorul caruia exista o suprafata plana ( A), finita, orientata oricum si conturata n jurul punctului ( M ), si admitnd ca forta P) - normala pe suprafata A) n ( ( punctul ( M ) - este rezultanta tuturor fortelor de presiune care actioneaza asupra suprafetei considerate (fig. 2.1), atunci raportul P / A = p me definested

Fig. 2.1 Schema pentru definirea presiunii hidrostatice ntr-un punct din masa de lichid

presiunea hidrostatica medie pe suprafata A). (

30

Daca suprafata A) se micsoreaza n jurul punctului ( M ) - tinznd spre 0 ( atunci valoarea presiunii medii tinde spre o limita ce presiunea caracterizeaza hidrostatica n punctul Msi ntr-o directie data. P P = lim M A 0 (2.1) A Presiunea hidrostatica este perpendiculara pe elementul de suprafata pe care se exercita. Daca nu ar fi as a, atunci forta rezultanta ar genera doua componente, una normala s i alta tangentiala care - orict ar fi de mica - ar pune n mis care particulele de lichid. Dar miscarea particulelor de lichid contrazice ipoteza de lichid n echilibru. Prin presiunea hidrostatica este un efort unitar de urmare compresiune, normal pe suprafata pe care se exercita, oricare ar fi orientarea acestei suprafete . Presiunea dimensiunea:P= F L2 = L2

hidrostatica

areN m2*

M LT - 2

= M L- 1 T - 2 si se masoara

(2.2)

n

Presiunea hidrostatica se exprima si prin alte unitati de masura tolerate, cum sunt: kgf/cm2 , atmosfera fizica (atm), atmosfera tehnica (at), metri coloana de apa (mCA), Pascali (Pa). 2 = 10,33 (la + 4 C) kgf/cm mCA = 100 kPa 1 atm = 1, 033 (2.3) 1 at = kgf/cm 2 = 10 mCA 1 (2.4) 2.2.1 Legea fundamentala a hidrostaticii Presiunea ( (la + 4 C)

P) ntr-un punct din masa unui lichid omogen, n echilibru, este egala cu presiunea exercitata la suprafata libera a lichidului p0 ) plus greutatea ( unei coloane de lichid, avnd sectiunea de 1 2 si naltimea egala cu cm diferenta de nivel h) dintre suprafata libera a lichidului si planul orizontal al punctului ( considerat, lichidul avnd greutatea specifica ). Schema pentru ( ilustrarea legii fundamentale a hidrostaticii este prezentata n figura 2.2. Considernd un volum de lichid omogen n echilibru, aflat sub actiunea exclusiva a gravitatiei terestre (fig. 2.2) forta masica unitara Fz ) se reduce ( la acceleratia gravitatiei g): ( 1 d F = p = - g (2.5)z

d

de unde: dp = *N

z

g dz = - dz (2.6)

31

(Newton) este forta care ntr-o secunda imprima unei mase de 1 kg o crestere de viteza de 1 m/s.

deoarece = Integrnd n limitele ( sauP = p + hM 0

g (2.7)

p0 ), (P) si (z0 ), (z) rezulta: P- p =0

(z) - z = h (2.8)0

(2.9)

Daca se nedefinit: sau

integreaza z + p = constant

(2.10) z+ p = constant (2.11)

Fig. 2.2 Scheme pentru ilustrarea legii fundamentale a hidrostaticii

n figura 2.2 se mai poate observa: de unde:

p + z = P + z = constant 0 0 M (2.12) P =p +M 0

(z) - z = p + h (2.13)0 0

sau P = p + h (2.14)M 0

n baza legii fundamentale a hidrostaticii se pot exprima cteva observatii: Presiunea ( PM ) ntr-un punct din masa de lichid n echilibru, rezultata din nsumarea presiunii la suprafata libera a lichidului p0 ) si greutatea coloanei de ( lichid ( h sau P ) se numeste presiune absoluta sau presiune totala . / Presiunea ( h sau P ) produsa numai de lichid poarta numele presiune / de relativa. Presiunea relativa este nula la suprafata libera a lichidului n echilibru si creste odata cu adncimea punctului considerat n masa de lichid.32

Diferenta dintre presiunea absoluta ( numeste presiune manometrica ( Pm ):m a

P) si presiunea atmosferica (0 a

pa ) se

P = P - p = h + p - p (2.15) Daca presiunea p0 ) la suprafata libera a lichidului n repaus este mai ( mare dect presiunea atmosferica pa ), presiunea manometrica Pm ) ntr-un punct de ( ( pe suprafata libera a lichidului este: P =p - p m 0 a (2.16) h = 0 (2.17)

deoarece, caz:

n

acest

Cnd la suprafata libera a lichidului n echilibru actioneaza numai presiunea atmosferica ( p ), adica p = p ), presiunea manometrica Pm ) ntr-un punct din a 0 a ( ( interiorul lichidului, la adncimea ( h) este: P = h (2.18)m

Rezulta ca n unele cazuri, presiunea manometrica Pm ) se confunda cu ( presiunea relativa h sau P ). ( / Lungimea P ) mai poarta numele naltime piezometrica - sau naltimea ( / de coloanei de lichid, cu greutatea specifica ( ), corespunzatoare presiunii hidrostatice. Linia care uneste naltimile piezometrice (relative sau absolute) ntrun lichid de-a lungul unui traseu, fata de acelasi plan de referinta, linia este piezometrica . p Expresia ( z + ) reprezinta, din punct de vedere geometric, o suma de naltimi care ramne constanta pentru un lichid omogen n echilibru (v. fig. 2.2). Prin urmare, suprafetele lichidelor n echilibru sunt plane si orizontale. p Din punct de vedere energetic z + ) este energia potentiala a unitatii de ( greutate din lichidul considerat, ntr-un punct M ), de cota ( h) fata de nivelul ( liber al lichidului si de cota ( z) fata de un plan de referinta orizontal, situat sub acest punct. ( p z + ) se numeste energi specifica potentiala si se e din compune ). energia

specifica de pozitie ( z) si energia specifica de presiune ( p /

ntruct suprafata libera a unui lichid n repaus este o suprafata echipotentiala, n cazul vaselor comunicante, lichidul se ridica la acelasi nivel.33

Din legea fundamentala a hidrostaticii rezulta si principiul lui Pascal: ntrun lichid incompresibil, n echilibru, variatiile de presiune se transmit cu aceeasi intensitate n toate punctele din masa de lichid. 2.2.2 Presiunea lichidelor pe suprafet e plane n lucrarile de mbunatatiri funciare este important sa fie cunoscut modul cum se distribuie presiunea hidrostatica pe peretii diferitelor constructii hidrotehnice (canale, baraje, stavilare etc). n cazul peretilor plani, presiunile hidrostatice sunt paralele ntre ele si perpendiculare pe suprafata de actiune. Presiunea pe suprafetele (fig. 2.3). Suprafata plana, orizontale orizontala asupra careia se exercita presiunea este o suprafata izobara si echipotentiala. Rezultanta ( P) a fortelor de presiune care se exercita pe suprafata S) este data ( de expresia:P = () a + p h S

(2.19) Pm ), egala n acest caz cu

Daca se foloseste presiunea manometrica ( presiunea relativa:m

P = P S = h S = h a b (2.20) Se observa ca forta hidrostatica P) depinde numai de valoarea suprafetei S ), ( ( naltimea (h) a lichidului deasupra suprafetei orizontale considerate si de greutatea specifica ( ), fara sa fie influentata de forma rezervorului (paradoxul hidrostatic). Presiunea pe suprafet ele verticale . Se poate evidentia analitic sau pe cale grafica (fig. 2.4). Se considera oblonul unui stavilar vertical, supus la presiunea apei ntr-un canal. Pe acest stavilar se delimiteaza o fsie dreptunghiulara cu naltimea A = h ) B ( s i latimea ( 1D = m). Daca se rabate aceasta fsie B n planul hrtiei, se obtine suprafata ABCD ). ( Fig. 2.3 Schema Pentru suprafata elementara d = dh 1 m), la pentru ilustrarea s ( adncimea presiunii hidrostatice ( h ), forta hidrostatica elementara pe suprafetele 0 este: plane, orizontale dp = d h = h dh (2.21) 0 0 s Forta totala de presiune pe ntreaga fsie, lata de 1 m a stavilarului este: h2 h P = = h dh (2.22) 0 0 234

Fig. 2.4 Schema pentru ilustrarea presiunii hidrostatice pe suprafetele plane verticale a. nenecate; b. necate

Relatia (2.22) se poate deduce si geometric (v. fig. 2.4). ntr-adevar, daca n A) ( presiunea relativa este zero iar n B) - situat la adncimea h) - presiunea ( ( este ( h ), forta hidrostatica pe suprafata ABC ) este produsul dintre presiunea ( D medie h ( 2 ) si aria suprafetei (ABC ), care rezulta din produsul (1 m ). Deci: h D P= h2 (2.23) 2 aplicare a fortei hidrostatice se afla 1 ), masurat de la h fund. 3

Centrul de presiune, adica punctul de la 2 ), masurat de la suprafata sau la ( h ( 3

Daca suprafata verticala este necata - cazul vanelor de fund de la baraje sau cnd nivelul apei depaseste creasta deversorului barajului - (fig. 2.4.b): h + (h)+ h a a P= h (2.24) 2 sau P=2 h () + h (2.25) h a 2

Presiunea pe suprafet ele plane (fig. 12.5). Se considera un nclinate tronson de baraj rectiliniu, lung de 1 m, cu * amonte nclinat, paramentul asupra caruia se exercita presiunea apei, al carei nivel se afla la cota coronamentului (v. fig. 2.5.a). Forta elementara de presiune dp ) pe suprafata nclinata d = d 1 m), situata s z ( ( la adncimea h0 ) este: ( h 0 h dh (2.26) dp = h d = h0 d 1 = 0 a 0 cos s zbarajului este fata (amonte sau aval) a corpului barajului, finisata pentru a rezista la agentilor actiunea exteriori. 35* Paramentul

deoarece dh d = cos z (2.27)a

Fig. 2.5 Schema pentru ilustrarea presiunii hidrostatice pe suprafetele plane nclinate a. nenecate; b. necate

Rezultanta (

P) pe paramentulA ) al tronsonului de baraj cu latimea de 1m ( B este: h dh h2 P = hh = h dh = (2.28) 0 00 cosa cosa 2 cosa

Rezultanta (

P) poate fi descompusa dupa componentele Po ) si (Pv ), nct: ( dupa orizontala: P = P cosa = o dupa verticala: h2 (2.29) 2

h2 sina h2 tga = P = P sina = v 2 cosa 2 (2.30) Se obis nuieste ca tg a ) sa se noteze cu n), simbol care n acest caz, ( ( poarta numele de fructul paramentului (amonte sau aval) barajului. Cnd barajul are un parament vertical, se spune fructul barajului . Deci: simplu: h2 n = P (2.31) v 2 Daca nivelul apei depas este cota coronamentului barajului, ca n figura 2.5 b, atunci: P=2 h + a

() + h h ()2

a

h h = h + h (2.32) a cos a 2 cosa

P = 2 cosa = P 0 P = 2 sin a = P v

h () h + ha (2.33) 2 h n () h + h (2.34) a 236

2.3 Notiuni de hidrodinamicaLa studiul miscarii lichidelor se folosesc unele notiuni, cum sunt: linia de curent, traiectoria particulei, tubul de curent, firul de curent, sectiunea udata, perimetrul udat, raza hidraulica, debitul etc. Linia de curent este curba la care vitezele, n orice moment, sunt tangente n fiecare punct. Traiectoriareprezinta drumul parcurs real de o particula de lichid. Tubul de curent constituie suprafata tubulara formata din linii de curent care se sprijina pe o curba C ) nchisa. ( Firul de curenteste linia fluida din interiorul unui tub elementar de curent. Curentulexprima masa de lichid n mis care, ntr-un tub de curent. Sectiunea udata , sectiunea muiata sau sectiunea activa de curgere este partea din sectiunea transversala a albiei sau conductei, prin care curge efectiv apa (fluidul). Perimetrul udat reprezinta lungimea conturului sectiunii active de curgere n care lichidul se afla n contact cu peretii albiei sau conductei. Raza hidraulicareprezinta raportul dintre sectiunea udata si perimetrul udat. Debitulexprima volumul de lichid care se scurge prin sectiunea udata n unitatea de timp. 2.3.1 Clasificarea miscarii lichidelor Se disting mai multe criterii de clasificare a miscarii lichidelor: A. Dupa cauza se miscarii deosebesc: 1. Miscarea libera , la care cauza deplasarii lichidului este acceleratia gravitatiei ( g). Este tipica pentru albiile deschise ale cursurilor de apa. 2. Miscarea sub presiune , la care deplasarea se datoreaza unei presiuni diferite de presiunea atmosferica. Nu prezinta suprafata libera, lichidul miscnduse ntr-un spatiu nchis (n conductele cu sectiunea plina). B. Dupa variatia n timp a se miscarii diferentiaza: 1. Miscarea permanenta , la care n orice punct al curentului, marimea si directia vitezei ramn constante; viteza fiind constanta n timp, liniile de curent nu se modifica iar debitul ramne, de asemenea, constant. 2. Miscarea nepermanenta ( variata ), la care viteza ntr-un punct al curentului variaza de la un moment la altul; n conducte, trecerea de la

37

mis carea permanenta la miscarea variata se produce cnd se modifica debitul, prin nchiderea sau deschiderea partiala a vanelor, cnd presiunea scade sau cres te etc. C. Dupa variatia sectiunii transversale s i a pantei n lungul se disting: albiei 1. Miscarea uniforma , caracteristica albiilor rectilinii, la care: nu se modifica pe traseul de curgere, sectiunea, rugozitatea, panta, viteza si debitul; liniile de curent sunt paralele Fig. 2.6 Schema pentru ilustrarea si suprafata sectiunii udate este miscarii uniforme a lichidelor plana; pantele suprafetei libere a apei (piezometrica), hidraulica (de energie) s i topografica sunt egale (fig. 12.6). z - z2 I(panta fundului albiei) = 1 = tga ; L (2.35) i(panta piezometrica)

()(+)h - z + h z 2 2 = 1 1 L (2.36)=2 z +h+ 1 1

;

j(panta hidraulica)

v2 v2 1 - z2 + h2 + 2 2 g g L

=

hp L

(2.37)

Prin urmare, la mis carea uniforma: I=i= j (2.38) 2. Mis carea neuniforma se evidentiaza cnd schimbarea sectiunii udate, a rugozitatii, a pantei etc modifica viteza apei ca marime si/sau ca directie. n aceste conditii, cele trei pante I, i, j) nu mai sunt egale. La mis ( carea neuniforma, distributia presiunilor nu se face dupa legea fundamentala a hidrostaticii, ci dupa legi proprii miscarii turbulente. n functie de gradul de neuniformitate pot fi: miscarea rapid variata , pentru cazul cnd conditiile ce caracterizeaza miscarea prezinta variatii mari pe portiuni relativ scurte din traseul curentului si, miscarea gradual variata , cnd variatia caracteristicilor cinematice ale curentului este lenta, astfel ca pe sectoare scurte, curgerea poate fi asimilata cu deplasarea caracteristica miscarii uniforme. D. Dupa structura interna (fizica) a se miscarii deosebesc:

38

1. Miscarea laminara , la care liniile de curent sunt rectilinii si/sau paralele, particulele de lichid nu trec dintr-un strat n altul. 2.Miscarea turbulenta , care are aspectul aparent dezordonat; vitezele pulseaza n jurul unor valori temporale, avnd loc amestecul ntre straturi. 2.3.2 Ecuat iile fundamentale ale hidrodinamicii Hidrodinamica are la baza doua legi importante: ecuatia de continuitate si ecuatia lui Bernoulli. 1. Ecuatia de continuitate exprima relatia dintre sectiunile si vitezele medii pe traseul unui tub lichid (fig. 12.7). La miscarea permanenta, debitul Q) ( ramne constant indiferent daca vitezele medii si sectiunile variaza de-a lungul tubului de lichid. Asadar, V = V = = V = Q = constant (2.39) 1 1 2 2 n n Din ecuatia de continuitate rezulta ca raportul sectiunilor este invers raportului vitezelor:1 2

=

V2 (2.40) V 1

Fig. 2.7 Schema pentru ilustrarea ecuatiei de continuitate

2.

Ecuat ia Bernoulli se bazeaza pe legea conservarii energiei si lui exprima legatura dintre viteza si presiune n diferitele puncte ale unui fir lichid. La un lichid n miscare se disting trei feluri de energii si anume: energia p specifica de pozitie z), energia specifica datorita presiunii = h ), si ( ( energia specifica datorita miscarii (V2 2 g

).

39

n hidraulica, prin energie se ntelege capacitatea de a face un lucru mecanic; de aceea energia si lucrul mecanic sunt echivalente. Toate cele trei energii au dimensiunea unei lungimi:

(z) este diferenta de nivel ntre pozitia unui punct din tubul de lichid si planul orizontal de referinta; p ( = h ) este naltimea coloanei de lichid deasupra punctului considerat; (V2 2 g lungime

)

este,

deV2

asemenea,

o

L2 T 2 L T2

= L

si reprezinta efectul

m V2 ) rezulta considernd energia cinetica Ec = ) n 2 g ( 2 cmpul gravitational ( G ): m V2 Ec m V 2 V2 = 2 = = G 2.41) G 2 m g 2 g p Suma ( z + ) reprezinta energia specifica potentiala Ep ) iar suma celor trei ( miscarii lichidului. ( feluri de energii exprima energia totala Et ) a unei particule de ( lichid: p V2 (2.42) Et = 2 + z +g

La lichidele reale se considera ( Coriolissi are valoarea ( 1

a V22 g

) n care ( a ) este coeficientul lui

a = 1, ) pentru curgeri turbulente; pentru curgerea laminara sau pentru calcule mai putin riguroase a = 1 ). ( Ecuatia lui Bernoullipoate fi definita, att din punct de vedere energetic ct si din punct de vedere geometric: energeti La miscarea permanenta a unui lichid perfect, energia c specifica totala ramne constanta de-a lungul firului de lichid, fiind sarcina hidrodinamica H): ( p V2 p V2 (2.43) z + 1 + 1 =z + 2 + 2 = H = 1 2 constant 2g 2 g geometricLa lichidele ideale, suma celor trei naltimi (fig. 2.8): de pozitie, de presiune si cinetica este constanta n toate punctele firului de lichid si reprezinta sarcina hidrodinamica H). ( La lichidele reale, fortele tangentiale se opun miscarii lichidului nct H ) se ( reduce de-a lungul firului de lichid s i, prin urmare: p V2 p V2 z + 2 1 + 1 = z + 2 + 2 + h (2.44) p1

2 gde

2

g

n care:hp este pierderea hidrodinamica. sarcina

40

h =z +p 1

p

1

+

V2 2 g1

-

z +2

p

2

+

V2 2 g2

(2.45)

Fig. 2.8 Schema pentru ilustrarea geometrica a legii lui Bernoulli la lichidele perfecte

Fig. 2.9 Schema pentru ilustrarea legii lui Bernoulli la lichidele reale n albii deschise

Raportul dintre pierderea de sarcina hidrodinamica hp ) ntre sectiunile (1) si ( (2) s i distanta ( L) ntre aceleas i sectiuni, reprezinta panta hidraulica a curentului de lichid (fig. 2.9).j= hp

L

(2.46)

La canale: n cazul conductelor:

h = L I p (2.47) h =h +h p f l (2.48)h =2 f

L d

V2 g

(2.49)

h =2l

V2 g

(2.50)

n care:hp hf hl L d V g este pierderea de sarcina hidrodinamica la curgerea prin conducte, n -m; pierderea de sarcina prin frecarea lichidului de peretii conductei, n m; pierderi de sarcina locale, n m; lungimea conductei, n m; diametrul conductei, n m; viteza lichidului n conducta, n m/s; - acceleratia gravitat iei, n 2 ; m/s - exprima rezistenta diferitelor elemente care produc pierderi locale de sarcina pe traseul conductei (intrare n conducta, coturi, vane, reduct ii etc).

Transformarea energiei potentiale n energie Torricellia cinetica. h) constatat, n baza legii conservarii energiei, faptul ca energia potentiala ( ntr-un punct ( M ) din masa de lichid este egala cu energia cinetica a unitatii de volum, la iesirea lichidului printr-un orificiu. Prin urmare:41

2 = h

V2 g

(2.51)

sauV =2 g h (2.52)

2.4 Aplicatii ale hidraulicii n lucrarile de mbunatatiri funciarePrincipiile stabilite la studiul starilor de echilibru si de miscare ale lichidelor au o multime de aplicatii n lucrarile de mbunatatiri funciare. O importanta deosebita o prezinta aplicatiile referitoare la determinarea debitului si la dimensionarea canalelor (conductelor). 2.4.1 Determinarea debitelor pe canale si cursuri naturale de apa Debitul, notat n mod obisnuit cu literele ( Q, q) reprezinta volumul de lichid care curge n unitatea de timp printr-o sectiune transversala considerata a albiei unui curs natural de apa, canal sau conducta. Randamentul si durata de functionare a multor lucrari de mbunatatiri funciare depind nemijlocit de precizia cu care s-a calculat debitul. Avnd n vedere importanta majora a determinarii debitului, s-au stabilit diverse procedee de determinare care pot fi ncadrate n doua metode: metoda directa si metoda indirecta. Metoda directa cuprinde procedeul volumetric, procedeul care se bazeaza pe ecuatia de continuitate si procedeele care folosesc diferite constructii speciale sau dispozitive hidraulice (deversoare, stavilare, apometre etc). Folosirea acestor procedee pentru determinarea debitului presupune masurarea nemijlocita a unor marimi (volum, timp, viteza, lungime etc) care apoi se combina astfel nct sa rezulte ecuatia dimensionala a debitului. Metoda indirecta cuprinde procedeele care se diferentiaza, mai ales, n ceea ce priveste metodologia de stabilire a valorilor precipitatiilor si scurgerii n bazinele de receptie, a parametrilor hidraulici ai albiilor etc. Procedeele directe se folosesc mai ales n lucrarile de irigatii, desecari si drenaj. Procedeul volumetric este specific determinarii debitelor mici si consta n masurarea volumului de apa care trece printr-o sectiune ntr-o perioada de timp ce se cronometreaza. n acest caz, debitul rezulta efectund raportul ntre volum W ) ( si timp ( t), adica:42

consta n masurarea vitezei apei s i a elementelor geometrice care permit calculul ariei sectiunii udate. Q = V (2.54) n care:Q reprezinta debitul, n 3 /s; m - aria ocupata efectiv de apa n sectiunea de curgere (sect iunea udata), n 2 ; V m viteza medie de curgere a apei, n m/s.

W Q= t (2.53) Procedeul care se bazeaza pe ecuatia de continuitate

La canale, aria sectiunii udate se calculeaza cu relatiile cunoscute din geometria plana iar n cazul albiilor cursurilor naturale, valoarea lui ( ) se determina nsumnd ariile suprafetelor obtinute prin mpartirea sectiunii transversale n figuri geometrice simple (fig. 2.10). 1 s = d h 1 2 1 1 1 s = () + h d h 2 2 2 2 1 MFig. 2.10 Determinarea sectiunii udate la cursuri naturale de apa

s =n

1 h d 2 n- 1 n =L+s + s1 2

+ s (2.55)n

Determinarea vitezei apei se poate face cu flotoarele, cu tubul Pitt, cu pendulul hidraulic si, pentru determinari mai riguroase, cu morisca hidrometrica. Tronsonul de albie (canal) pe care urmeaza sa se determine viteza apei trebuie sa fie rectiliniu, fara modificari ale sectiunii transversale, cu panta constanta si fara constructii hidrotehnice care sa stnjeneasca miscarea permanenta si uniforma a apei n timpul masuratorilor. Instrument consacrat pentru masurarea cu precizie a vitezei apei pe canale, morisca hidrometrica transforma, prin intermediul palelor unei elice sau a unor cupe conice, miscarea de translatie a masei de apa ntr-o miscare de rotatie a axului pe care este solidarizata elicea (cupele), astfel ca ntre viteza curentului de apa si turatia rotorului moris tii exista relatia:V = a n + b (2.56)

n care:este viteza curentului de a n punctul din tiunea apfunct ioneaz amori sca, n sec udat - parametrii elicei folosite; m/s; a; b a rul de rotatii ntr-o secund aale rotorului mori stii. n num V 43 a n care

La toate moristile hidrometrice, principiul de functionare consta n semnalizarea (acustica si/sau luminoasa) sau nregistrarea producerii ntrun interval de timp t) a aceluiasi numar ( N ) de rotatii ale axului solidar cu elicea, ( prin nchiderea periodica a unui circuit electric. Asadar, numarul de rotatii ntro secunda (n) ale axului moristii rezulta din relatia: N n= t (2.57) Daca se cronometreaza intervalul de timp n care se produc mai multe semnalizari, atunci:

n care:n S N t

(S)- 1 N n= (2.58) teste numarul de rotatii ntr-o secunda ale axului moris -tii; numarul de semnale emise n timpul cronometrat; constant de rotatii ale axului ntre doua semnalizari a rul num - timpulconsecutive; emis S ) n care s-au semnalizari, n ( secunde.

O larga raspndire o are procedeul care foloseste constructii sau dispozitive si speciale pentru determinarea directa a debitului pe canale. ntre constructiile folosite la determinarea debitului pe canale, cele mai raspndite sunt deversoarele, stavilarele si apometrele speciale. Deversoarelesunt constructii hidrotehnice dispuse ntr-un curent de lichid cu suprafata libera, n scopul mentinerii n bieful amonte a unui nivel constant sau pentru masurarea debitelor (STAS-3061-56). Se caracterizeaza printr-o sectiune cu suprafata libera (fig. 2.11), marginita lateral de doua flancuri (AC) s i (BD) si la partea inferioara de un prag (AB), situat la o cota superioara fundului recipientului sau canalului cu valoarea ( p), numita naltimea pragului deversorului, peste care lichidul curge sub forma unei lame, cu grosimea h), care reprezinta sarcina ( de curgere.

Fig. 2.11 Schema de principiu a unui deversor

Deversoarele se pot clasifica dupa mai multe criterii (fig. 2.12).

44

Deversoarele cele mai folosite pentru masurarea debitului pe canalele din amenajarile de mbunatatiri funciare, sunt cele cu sectiunea rectangulara, trapezoidala s i/sau triunghiulara. Conditiile de folosire pentru determinarea debitului cu o precizie satisfacatoare si relatiile de calcul sunt prezentate n tabelul 2.1.

Fig. 2.12 Clasificarea deversoarelor 1 - n functie de pozitia crestei fata de directia curentului: a. normale; b. oblice; .laterale c (paralele); 2 - n functie de forma crestei: a. rectilinii; b. curbilinii; c. poligonale; 3 - n de grosimea si profilul pragului: a. cu prag subtire (cu muchie ascutita); b. cu profil functie practic; c. cu prag lat; 4 - n functie de condit iile curgerii: a. nenecat; b. necat; 5 - n functie de accesul lichidului la deversor: a. fara contractie laterala; b. cu contract ie 6 laterala; - n functie de forma sectiunii: a. dreptunghiulare; b. triunghiulare; c. trapezoidale 45

Tabelul 2.1 Conditiile de folosire si relatiile pentru calculul debitului pe canale cu ajutorul deversoarelor

Tipul deversorului Elementele geometrice hidraulice Relatiile de calcul si 12 3 Deversorul (Cipolletti): tg = 0 ,25 ; e < 7 , h ; p = 2 h ; 0 trapezoidal Q = 1,86 b h1, 5 (m3 /s), 0 ,06 m< h < 0,60 m; b = 4 h . cu muchia ascutita si orizontala; la viteza de apropiere a nenecat, cu pnza apei V0 < 0,2 m/s; deversanta aerisita; cu contractie, avnd flancurile Q = 1,90 b h1,5 (m3 /s), creasta departate de fundul si la viteza de apropiere a si peretii canalului, la distanta apei V > 0,2 m/s. aproximativa de 2,5 h; 0 asezat normal n curent si vertical. 7 tg = 0,25 ; e < 0, h ; p = 2 h ; 0,06 m < h < 0,60 m; b = 4 h ; Deversorul (Cipolletti): z < h ; z p < 0,75 . trapezoidal Q = 1,90 s b h1,5 (m3 /s); cu muchia ascutita si orizontala; s = 1,23 - K 2 - 0,127 (coeficient necat de K = hn h . ; contractie; cu necare) asezat normal n curent si vertical.

46

Tabelul 2.1 (continuare)

12 3 Deversorul (Thomson): triunghiular-

:0,05

p = 0,10

m;

pentru a = 90o :Q = 1,4 h2 , 5

cu muchie ascutita; nenecat ; ezat normal n curent as vertical (se foloseste pentru si masurarea debitelor mai mici m3 /s). de 0,5

m = h = 0,60 m; h p = 1,2 .

(m3 /s) m3 /s

sauQ = 1,34 h2 , 4 7

(daca h + 3p > h si B > 5 h , n care, Beste latimea albiei dreptunghiulare). pentru a = 45o : 3 Q = 0 ,7 h 2 , 5 (m /s) m; b = 0,20 m; p = 0,15 m.h = 0 ,03 Q = 1,84 b h1, 5

Deversorul : dreptunghiular cu muchie ascutita; nenecat ; ezat normal n curent as vertical; si fara contractie laterala. Deversorul : dreptunghiular cu muchie ascutita; nenecat ; ezat normal n curent as si vertical; cu contractie laterala. -

(m 3 /s),V2 0 2g1 ,5

pentru V < 1 m/s; 0Q = 1,84 b h+ V2 0 2 g1 ,5

-

(m 3 /s)

pentru V > 1 m/s. 02 Q = 1,84 h1 ,5 (b) 0, h

(m 3 /s) (m 3 /s)

pentru V < 1 m/s;0

Q =2 1,84

h+

V2 0 2 g

1, 5

-

V2 0 2g

1 ,5

()b

0, h

pentru V > 1 m/s. 0

47

Stavilarele

(stavilele) sunt constructii hidrotehnice cu deschiderea reglabila, formata dintr-un oblon care poate fi deplasat vertical pe doua ghidaje laterale, fixate prin umplutura de beton sau prin zidarie n peretii laterali ai canalelor (fig. 2.13). Sunt si stavilare cu mai multe obloane. Miscarea oblonului stavilarului n plan vertical se poate face prin actionare manuala sau electrica.

Fig. 2.13 Schema stavilarului folosit ca debitmetru a - vedere n profil transversal pe axa canalului; b - curgerea nenecata; c - curgerea necata; R - reper pentru citirea naltimii deschiderii stavilarului e). (

Stavilarele servesc pentru reglarea nivelului apei pe canale dar pot fi adaptate si n scopul masurarii debitelor. Pentru masurarea adncimii apei n canal n vederea determinarii debitului, se instaleaza n amonte si n aval de stavilar, la distanta de 58 m, cte o mira care are cota 0,00 la nivelul radierului. Daca stavilarul functioneaza nenecat nu este necesara mira n bieful aval. naltimea de ridicare a oblonului (deschiderea stavilarului) se citeste pe mira fixata pe timpanul din beton al stavilarului sau pe oblon. Stavilarele pot functiona nenecat sau necat. n cazul functionarii nenecate, relatia pentru calculul debitului este:

) Q = ' b e 2 g (H - e e (2.59)n care:Q0

b e g -

H0 = 2 + H

este debitul stavilarului, n 3 /s; m coeficientul de debit al stavilarului (tab. 2.2); lat imea stavilarului, n m; imea deschiderii stavilarului, n nalt m; acceleratia gravitat iei (9,81 2 ); m/s 2

a V

g m;

0

,

n

H - adncimea apei n canal, citita pe mira din amonte de stavilar, n V0 m; viteza de apropiere, n a m/s; - coeficient de corect ie ( a 1,1 ); e - coeficient de contractie pe verticala a vnei de apa care trece deschiderea stavilarului (tab. ' prin 2.2).

2

e ) stabilite teoretic n functie de raportul ( ' pentru e H = 0,65 , precum si valorile medii ale coeficientului de debit ( determinate experimental, sunt prezentate n tabelul 2.2. Cnd stavilarul functioneaza necat, debitul se calculeaza cu formula: ) Q = b e 2 g (H - h (2.60) 0 z Valorile coeficientului( n care:Q , , b, e, g, s i H0 au semnificatia din relatia (2.59); hz este grosimea stratului de apa n sect 1-1(v. iunea 2.13); fig.

e H ),

)

n care:

h = 5 h 2 - M () - 0,25 M + 0, M (2.61) Hz av 0

n care:M= 4 2 e 2 (h) - h hav hcav c

(12.62)

n care:' hc = e eTabelul 2.2 Valorile coeficientilor ( e ) si ( ) pentru stavilare nenecate ' (dup Certousov) a e H e H e H e' e' e' 0,00 0,6110 0,6110 0,25 0,6220 0,6137 0,50 0,6445 0,6205 0,05 0,6128 0,6111 0,30 0,6251 0,6143 0,55 0,6520 0,6229 0,10 0,6149 0,6113 0,35 0,6288 0,6155 0,60 0,6610 0,6250 0,15 0,6170 0,6120 0,40 0,6333 0,6169 0,65 0,6725 0,6275 0,20 0,6193 0,6130 0,45 0,6385 0,6185 - - -

Relatia (2.60) este aplicabila pentru calculeaza cu formula:

e H < 0,8 . Daca

e H > 0,8 debitul se

) Q = b e 2 g (H - h0

av

(2.63)

Pentru determinarea efectiva a debitului: se citesc valorile adncimii apei din canal H) si ( hav ) pe mirele instalate ( n amonte si n aval de stavilar; daca stavilarul functioneaza nenecat, adncimea apei n bieful aval nu este necesar sa fie cunoscuta; se citeste pe mira stavilarului naltimea deschiderii e) creata prin ( ridicarea oblonului si (daca nu este cunoscuta) se masoara latimea ( ) a sectiunii de b curgere; se efectueaza calculul debitului cu relatiile precizate. Apometrele speciale de diferite tipuri (Parshall, Marchi, automat etc) sunt instalatii mai complexe pentru masurarea debitelor pe canale. Ele permit determinarea comoda a debitului, cu o precizie satisfacatoare. 3

2.4.2 Determinarea debitului n conductele sub presiune (fortate) n conductele n care apa se gaseste sub presiune, masurarea debitului se efectueaza cu ajutorul debitmetrelor. Dispozitivele care confera calitatea de debitmetru sunt: diafragma circulara, ajutajul s i venturimetrul (fig. 2.14). Daca la un astfel de dispozitiv se ataseaza un mecanism care permite citirea directa a debitului, se realizeaza un debitmetru.

Fig. 2.14 Dispozitive pentru masurarea debitului n conductele sub presiune a - diafragma circulara; b - ajutaj; c, d - tuburi Venturi

n principiu, aceste dispozitive functioneaza pe baza teoremei Bernoulli lui conform careia, daca o parte din energia potentiala a apei este transformata n energie cinetica, se nregistreaza o pierdere de naltime (adica o mics orare a energiei potentiale de pozitie s i datorita presiunii). Aceasta pierdere de sarcina este compensata prin majorarea vitezei apei care curge prin sectiuni cu contractie si este proportionala cu debitul care trece prin sectiunea micsorata. Relatia de calcul a debitului n cazul dispozitivelor din figura 2.14 este:Q = c

2 g (h) - h1

2

(2.64)

n care:Q

h1 -h2c

3 /s; reprezinta debitul n conducta sub presiune, n m - coeficientul de debit ( = 0,62 pentru diafragme circulare); - aria sectiunii care asigura contractia, n 2 ; m diferent a dintre presiunea din amonte si respectiv din aval de sau de diafragma ajutaj, n m.

2.4.3 Dimensionarea canalelor si a conductelor sub presiune Canalele folosite n lucrarile de mbunatatiri funciare sunt constructii hidrotehnice, din pamnt sau din alte materiale, pentru transportul gravitational al apei n diferite scopuri (irigatii, desecari, prevenirea si combaterea eroziunii 4

solului, etc). Cele mai raspndite sunt canalele din pamnt cu sectiunea transversala trapezoidala care, din punct de vedere constructiv, pot fi: n ndebleu-rambleu , si n debleu(fig. 2.15).

rambleu ,

Fig. 2.15 Sectiuni transversale trapezoidale ale canalelor din pamnt 1 - sectiune n rambleu; 2 - sectiune debleu-rambleu; 3 - sectiune n debleu.

Dimensionarea, executarea si functionarea canalelor depind elementele de geometrice si ale acestora, ntre care fac parte: latimea hidraulice relativa, latimea la partea inferioara a sectiunii transversale, adncimea apei n canal, naltimea de siguranta, latimea la coronament a digurilor canalului, lumina canalului, naltimea coronamentului canalului, valorile taluzurilor, aria sectiunii udate, perimetrul udat, raza hidraulica, coeficientul de rugozitate, panta canalului, viteza apei si debitul. Daca se considera sectiunea transversala trapezoidala a unui canal din pamnt, se evidentiaza si alte elemente geometrice constructive (fig. 2.16).

Fig. 2.16 Sectiunea transversala a unui canal de irigatie. b - latimea la partea inferioara a sectiunii transversale (latimea la fund a canalului); h adncimea apei n canal;1 - naltimea de siguranta; 2 - adncimea sectiunii canalului; a - latimea h digurilor; B - lumina canalului; - latimea canalului ntre muchiile exterioare ale celor h coronamentului 1 B doua diguri; m - coeficientul taluzului interior; 1 - coeficientul taluzului exterior; - sectiunea mH - nalt imea coronamentului canalului; - cota coronamentului canalului; udata; cota c f C Ccota terenului; A - latimea amprizei fundului canalului; a - cota apei n canal; t C C canalului

Sectiunile transversale trapezoidale si rectangulare de o anumita marime pot avea diferite forme, determinate de variatia concomitenta si n sens contrar a dimensiunilor ( b) si ( h). Raportul = b /h reprezinta latimea relativa a canalului. Variind raportul se pot obtine sectiuni transversale echivalente n care viteza si debitul curentului de apa se modifica, chiar daca panta si rugozitatea canalului ramn neschimbate.5

= b /hse obtine sectiunea transversala prin care trece volumul de apa maxim n unitatea de timp. Aceasta sectiune se numeste sectiunea optima din punct de vedere hidraulic . Pentru o anumita valoare a raportului Latimea la partea inferioara a sectiunii transversale (b). Acest parametru mai poarta numele si de latimea la fund a canalului. Are valori semnificative numai n cazul sectiunilor transversale poligonale s i reprezinta departarea ntre peretii laterali la cota fundului canalului. Adncimea apei n canal (h). Adncimea apei este n sectiunea transversala a canalului diferenta de nivel ntre cota apei si cota fundului canalului. naltimea de siguranta (h1 ). Se mai numes te naltimea de garda sau garda si canalului. naltimea de siguranta reprezinta la canalele n rambleu s i la cele n debleu-rambleu, diferenta de nivel, n sectiunea transversala, ntre cota coronamentului si cota apei. La canalele n debleu, naltimea de siguranta este diferenta de nivel ntre cota terenului si cota apei. naltimea de siguranta h1 ) are rolul sa asigure transportul debitului pentru ( care a fost dimensionat canalul si dupa colmatarea partiala a sectiunii acestuia precum si sa permita transportul unui debit suplimentar provenit din ploi sau din reglarea necorespunzatoare a nivelului apei. Valoarea naltimii de siguranta h1 ) ( se stabiles te n functie de debitul si rolul functional al canalului, variind ntre 0,20 - 0,50 m, la canalele de irigatii si 0,50 1,50 m, la canalele de desecare. Latimea la coronament a digurilor canalului (a). La canalele construite n rambleu sau n debleu-rambleu trebuie sa se asigure digurilor laterale latimea la coronament ( a) care sa permita functionarea normala a canalelor. Dependenta de naltimea rambleului, aceasta dimensiune poate fi de 0,51,5 m. n functie de adncimea apei n canal h), latimea la coronament a) a digurilor canalului se ( ( poate calcula cu relatia: a = 15 + h 0, (2.65) Lumina canalului (B). Lumina canalului exprima, n sectiunea transversala, departare ntre muchiile interioare ale digurilor laterale, la cota coronamentului canalului. Este, ca si latimea la coronament, o dimensiune constanta de-a lungul traseului canalului. Latimea amprizei canalului (A). Este departarea ntre peretii exteriori ai canalului la cota terenului. Aceasta dimensiune variaza n diferitele puncte ale canalului n functie de microrelieful terenului pe traseul canalului.

6

(H). Aceasta dimensiune se evidentiaza numai la canalele construite n rambleu sau debleu-rambleu si reprezinta n sectiunea transversala, diferenta de nivel ntre cota coronamentului si cota terenului. Pe traseul canalului, valoarea lui ( H ) variaza, ca s i latimea amprizei, n functie de denivelarile suprafetei terenului. Taluzurile canalului (1:m; 1:m1 ). Prin taluz se ntelege tangenta unghiului ) ( format de planul peretelui lateral al canalului cu orizontala. La canalele construite n rambleu si la cele n debleu-rambleu se deosebesc: un taluz interior 1:m= tg ) ( si un taluz exterior ( 1: m = tg 1 ). 1 Taluzul exprima valoarea relativa a catetei orizontale, alaturate unghiului ), ( fata de cateta verticala (opusa ), considerata egala cu unitatea unghiului (de exemplu: 1:1; 1:1,5; 1:2,5, etc.). n calculele hidraulice se foloses te frecvent coeficientul de taluz ( 1. reprezinta inversul taluzului, adica = ct = m tg g m), care

naltimea coronamentului canalului

La canalele construite din pamnt, valoarea coeficientului de taluz m) variaza ( ntre 1,0 si 2,0 si se stabileste n functie de textura materialului de constructie si de tipul canalului Sectiunea udata ( ). Sectiunea udata sau sectiunea muiata este partea ocupata cu apa din sectiunea transversala totala a canalului. n figura 2.18, sectiunea udata ( ) este aria suprafetei delimitata de conturul DEFG. Pentru canalele trapezoidale: = () + m h h (2.66) b n care:este aria sectiunii udate, n 2 ; latimea la fund a canalului, n b -m m m; coeficientul de - adncimea apei n canal, n h taluz; m.

Perimetrul udat (P). Se mai numeste si perimetrul muiat. Perimetrul udat reprezinta lungimea conturului, n sectiunea transversala a canalului, care este n contact cu apa, adica lungimea liniei de contact a apei cu fundul si peretii laterali ai canalului, linie determinata de planul normal pe directia de curgere. P = 'b + m h (2.67) n care:P b h este perimetrul udat, n -m; latimea la fund a canalului, n m; adncimea apei n canal, n m; 2 =

m'7

2 1+ m

m ) se numeste coeficientul secund de taluz al canalului. ' Raza hidraulica (R). Raza hidraulica exprima raportul dintre sectiunea udata si perimetrul udat.R= P

Parametrul (

(2.68)

n care:R este raza hidraulica, n -m; sect iunii udate, n aria h m perimetrul udat, n m.2

;

n formula debitului

C R I se observa ca pentru aceeasi sectiune udata ( ), acelas i coeficient de viteza C ) s i aceeasi panta I ), debitul este ( ( maxim daca raza hidraulica R) are valoarea cea mai mare. Aceasta conditie ( este ndeplinita daca perimetrul udat este minim. Dintre toate figurile, nchiznd aceeasi arie, cercul are perimetrul udat minim s i deci, pentru un canal cu curgere libera, sectiunea optima din punct de vedere hidraulic este semicercul. n acest caz, raza hidraulica este jumatate din raza cercului sau jumatate din adncimea apei n canal, adica :R = r / 2 = h / 2 . ntruct la canalele din pamnt, forma semicirculara este greu de executat si de ntretinut, se ntrebuinteaza forma poligonala care, de cele mai multe ori, este un trapez. Dintre trapeze, jumatatea hexagonului regulat corespunde perimetrului udat minim deoarece hexagonul regulat se circumscrie cercului. n practica, taluzurile canalelor din pamnt se executa tinnd seama de conditia de stabilitate, de caracteristicile mbracamintei de protectie a peretilor canalului etc, nct trapezul isoscel cu = s i m = ctg 60 nu constituie dect 60 un caz particular de sectiune hidraulic optima. De aceea, se pune problema sa se m), sa fie gaseasca sectiunea ) care, pentru un anumit coeficient de taluz ( ( optima din punct de vedere hidraulic. Se demonstreaza ca orice trapez poate sa reprezinte o sectiune optima din punct de vedere hidraulic, cu conditia ca latimea = b h sa aiba relativa valoarea 0 = m' 2m(tab. 2.3), adica perimetrul udat sa fie circumscris unui semicerc cu diametrul la suprafata libera a curentului de apa.

Q=

Tabelul 2.3 Valorile ( 0 ) pentru sectiunile trapezoidale optime din punct de vedere hidraulic m 0 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,50 3,00 1,33 1,00 0,83 0,70 0,60 0,53 0,47 0,38 0,32 8

Coeficientul de rugozitate

( ,n ). Coeficientul de rugozitate este marimea

adimensionala ce exprima gradul n care fundul si peretii albiei (canalului) stnjenesc curgerea apei. n functie de natura peretilor si fundul albiei (canalului), s-au determinat experimental valorile diferitelor categorii de rugozitate. La noi n tara se folosesc frecvent valorile coeficientului de rugozitate ) ( propuse de Bazin (tab. 2.4) si cele ale coeficientului de rugozitate n) stabilite de ( Pavlovski (tab. 2.5).Tabelul 2.4 Valorile coeficientului de rugozitate ( ) (dup Bazin) a

Nr. crt. Natura peret ilor si fundului canalului si peret i foarte netezi, ca scndura geluita, sticla, tabla sau ca 1 Fund betonul si sclivisit. tencuit 2 Fund si peret i netezi ca scndura negeluita sau ca betonul tencuit simplu. 0,16 3 Fund si peret i captus iti cu moloane sau cu caramizi asezate pe lat s i rostuite cu ciment. 4 Canale de pamnt sapate recent sau captus ite cu pereu de piatra rostuit de cu mortar ciment. 5 Canale sapate n pamnt, cu fund s i pereti bine ntretinuti, fara buruieni 1,30 6 Canale cu fundul si peret ii nierbati sau albii de ru cu bolovani s invadate cu i/sau 7 buruieni. ru cu bolovani, gropi s i buruieni. Albii de 2,50 Valorile coeficientului de rugozitate ( n) (dup Pavlovski N. ) a N.

0,06

0,45 0,85

1,75

Tabelul 2.5

Nr. Canale crt. Caracteristicile canalelor irigatii n 1/n 1 Tencuiala cu ciment sclivisit. 0,0100 100,0 2 Zidarie din piatra necioplita sau beton simplu. 0,0170 58,0 3 Zidarie din piatra uscata. 0,0200 50,0 4 Canale cu rugozitatea marita prin zidarie. 0,0220 45,0 5 Canale de irigatii cu debite ntre 1 25 3 /s. 0,0225 44,5 m Canale de irigatii cu debite sub 1 3 /s. 0,0250 40,0 6 m Canale din reteaua permanenta de irigatii, cu functionare periodica. 0,0275 7 36,4 8 Canale nierbate po trivit si canale provizorii de irigatie. 0,0300 33,3 9 Canale din pamnt bine nierbate. 0,0400 25,0 10 Canale de desecare cu debitul ntre 1 25 3 /s. 0,0250 40,0 m Canale de desecare cu debite sub 1 3 /s. 0,0275 36,4 11 m

de

( I ). Panta hidraulica (j) a unui canal reprezinta variatia energiei specifice a curentului de apa raportata la lungime. Aceasta panta este egala cu panta piezometrica ( I) sau panta suprafetei libere a apei, care este raportul ntre pierderea de sarcina hidrodinamica ntre doua sectiuni transversale si distanta ntre ele. n ipoteza curentului de apa aflat n miscare permanenta si uniforma, panta hidraulica si panta piezometrica sunt egale cu panta fundului canalului I ), ( panta topografica sau geodezica. 9

Panta canalului

Panta topografica a unui canal exprima raportul ntre diferenta cotelor fundului canalului n doua sectiuni transversale s i distanta dintre aceste sectiuni. Cu alte cuvinte, panta fundului canalului reprezinta tangenta unghiului format de linia fundului canalului cu planul orizontal. Din considerente de ordin practic, la canalele de pamnt folosite n lucrarile de mbunatatiri funciare se admit valori ale pantei, cuprinse n limitele: 0,0002 - 0,01. Viteza apei (V). Viteza de miscare a apei n albia unui canal este influentata de marimea pantei I ), de valoarea razei hidraulice R) precum si de rugozitatea ( ( fundului si peretilor canalului ( , n). Calculul vitezei apei n albii cu suprafata libera se face cu formula propusa n 1775 de catre Frenchman Chzy :V = C RI

(2.69)

n care:V C R I este viteza medie a apei n canal, n -m/s;coeficientul de viteza (coeficientul lui Chzy);hidraulica, n - raza m; =C Wpanta. R reprezinta modulul vitezei, nct:v

Expresia

V = Wv

I

(2.70)

I=

V2 Wv2

(2.71)

Coeficientul lui

Chz depinde de rugozitate si de raza y hidraulica. Specialistii din Romnia folosesc, cel mai mult, formulele propuse de 87 R (2.72) C=+ R

Bazin:

si de Pavlovski :C= 1 n R y (2.73)

n care:

R - raza hidraulica, n m;coeficientul de rugozitate pentru categoriile stabilite Bazin (v. 2.4); n - de coeficientul de rugozitate pentru categoriile stabilite Pavlovski (v. 2.5); I - de panta. n - 0,13 - 0,75 R n - 0,1 . y = 2,5

tab. tab.

()

Viteza apei n canal trebuie sa fie cuprinsa ntre viteza de neeroziune (viteza maxima admisibila), peste care curentul ncepe sa desprinda de pe fundul si peretii laterali ai canalului, particule de pamnt cu diametrul pna la o anumita valoare considerata si viteza de nenamolire (viteza minima admisibila), sub care ncepe depunerea aluviunilor grosiere deplasate de catre curentul de apa. n functie de

10

textura si densitatea aparenta a materialului folosit la constructia canalelor de pamnt pentru irigatii, viteza apei poate varia ntre limitele: 0,40 - 1,25 m/s. Pentru stabilirea valorilor limita ale vitezei apei n canalele de pamnt au fost propuse si formule empirice, cum sunt cele elaborate Ghirskan : de V ma = K Q 0,1 (2.74)V mi = A Q 0,2 (2.75)x n

n care:Vmax Vmin Q K A

n sistemele de irigatii se considera ca aluviunile cu diametrul mai mare de 0,10 0,15 mm sunt retinute la punctul de priza, n bazinul de decantare iar cele cu diametrul mai mic, urmeaza sa ajunga pe terenul de irigat, avnd rol fertilizant.Tabelul 2.6 Valorile coeficientului ( K ) din formula

- este viteza maxima admisibila de circulatie a apei, n m/s; viteza maxima admisibila de circulatie a apei, n - este m/s; - debitul canalului, n 3 /s; m coeficient dependent de textura pamntului de construct ie a canalului (tab. 2.6); - coeficient dependent de viteza de cadere a particulelor solide purtate de de apa curentul si care, la rndu-i depinde de diametrul aluviunilor (tab. 2.7).

Tabelul 2.7 Valorile coeficientului ( A) din formula

Vma = K Q 0,1Textura materialului la constructia folosit canalului Nisipo-lutoasa 0,53 Luto-nisipoasa 0,57 Lutoasa 0,62 Luto-argiloasa 0,68 Argiloasa 0,75 0,85x

Vmi = A Q0,2K Diametrul Viteza de al particulelor cadere a particulelor mediu d(mm) W (mm/s) 0,04 1,1 - 1,5 0,33 0,05 - 0,07 1,5 - 3,5 0,44 0,08 - 0,09 3,5 - 6,5 0,55 0,10 > 6,5 0,66n

A

n general, viteza apei n canale nu trebuie sa scada sub 0,3 m/s, pentru apa cu turbiditatea mare s i sub 0,2 m/s pentru apa limpede. Daca apa contine mai mult de 0,1 g/l aluviuni, este recomandabil ca viteza maxima admisibila sa se majoreze cu 10 % fata de cea rezultata din calcule. Pentru canalele de evacuare se recomanda, de asemenea, sa se considere viteza maxima cu 10 % mai mare dect cea calculata. Debitul (Q). Debitul este volumul de apa care trece printr-o sectiune transversala n unitatea de timp, adica produsul ntre aria sectiunii udate a canalului ( ) si viteza medie V ) a curentului de apa. ( Q = V = C R I (2.76) n care:Q - debitul canalului, n 3 /s; maria sectiunii udate, n 2 ; m

11

V C R I

- viteza medie a curentului de apa, n m/s; coeficientul de viteza (coeficientul lui Chzy); raza hidraulica; panta.

Expresia

numele Considernd modulul de debit ( K) rezulta:K= C

R poarta

de

modul

de

debit.

Q=K I (2.77) Q K= I (2.78)I = Q K2 2

(2.79)

Dimensionarea unui consta n stabilirea valorilor elementelor canal geometrice si hidraulice ale acestuia astfel nct, n conditiile date, sa transporte un anumit debit ( Q). Sectiunea optima din punct de vedere hidraulic este preferabila ori de cte ori aceasta este optima si din punct de vedere economic. n unele cazuri, la canalele din pamnt se accepta sectiunea transversala diferita de sectiunea optima din punct de vedere hidraulic deoarece: sectiunile care se comporta cel mai bine la nenamolire si neeroziune au latimea relativa ( = b h ) mai mare dect cea corespunzatoare lui ) optim hidraulic; ( terasamentele minime la constructia canalului se obtin, de cele mai multe ori, la un ( ) diferit de ( ) optim din punct de vedere hidraulic; plusul de debit transportat de sectiunile optime din punct de vedere hidraulic este relativ mic; pentru mics orarea debitului cu 2,5 %, raportul ( ) poate sa atinga valori 2 3 optim hidraulic. de ) Pe baza acestor considerente, se apreciaza ca la canalele de irigatie raportul ( poate fi de 1 3 sau chiar mai mare. Dimensionarea canalelor se poate efectua analitic, grafic si folosind ndrumatoare care cuprind tabele si grafice cu elementele geometrice si hidraulice ale diferitelor canale, grupate dupa diverse criterii. Procedeul analitic de dimensionare a canalelor este riguros dar implica un volum apreciabil de calcule. Procedeul grafic permite determinarea rapida a elementelor geometrice si hidraulice cautate dar, cu precizia mai redusa, care depinde de calitatea nomogramei si abilitatea proiectantului. Dimensionarea cu ajutorul ndrumatoarelor de dimensionare mbina rigurozitatea analitica cu operativitatea grafica.

12

Dimensionarea analitica . Dimensionarea analitica a canalelor se poate face prin metoda clasica s i prin metoda sectiunilor asemenea. Calculele se conduc n functie de elementele cunoscute si de parametrii geometrici s i hidraulici care trebuie determinati. n cele mai multe cazuri se cunosc: debitul Q) pentru care trebuie ( dimensionat canalul, panta generala a terenului pe traseul canalului care permite alegerea pantei I ) - textura materialului de constructie a canalului - n ( functie de care se alege coeficientul de taluz m) - si conditiile ulterioare de ( functionare a canalului - de care depinde precizarea coeficientului de rugozitate (, ). n aceste conditii trebuie determinate dimensiunile b) si ( h) ale sectiunii n ( udate ( ). La dimensionarea metoda analitica clasica , determinarea elementelor b) prin ( si ( h) se poate face prin ncercari succesive n unul din urmatoarele 3 cazuri: cazul I: se considera cunoscuta latimea la fund b) si se ( calculeaza adncimea apei n canal h); ( cazul II: se considera cunoscuta adncimea apei n canal h) si se ( determina latimea la fund ( b); cazul III: se impune latimea relativa ) s i se calculeaza b) si (h). ( ( n toate cazurile, pentru rezolvarea problemei se calculeaza modulul debitului (K ), efectund raportul ntre debitul ( Q) si radacina patrata din panta I ). ( Dupa ce s-a determinat modulul debitului, se dau valori arbitrare elementelor necunoscute si se calculeaza , P, R, C R si modulul debitului succesiv K = C R pna cnd, din mai multe K . K i i i i i ncercari n continuare, se verifica debitul calculat (care trebuie sa fie ct mai apropiat de debitul dat), viteza apei (care trebuie sa se situeze n limite admisibile) si ) raportul ( ) care trebuie sa aiba valoarea data sau sa fie ct mai apropiat de ( optim din punct de vedere hidraulic. Pentru dimensionarea grafica a canalelor au fost elaborate nomograme care permit determinarea expeditiva a elementelor geometrice si hidraulice. La dimensionarea sub presiune trebuie sa se conductelor stabileasca diametrul si pierderile de sarcina corespunzatoare debitului de determinare. n acest scop, trebuie sa se cunoasca, n prealabil, debitul Q), viteza admisibila Va ) ( ( de circulatie a apei si tipul de conducta (tub) folosita. Se are n vedere nregistrarea unor pierderi de sarcina hidrodinamica acceptabile, motiv pentru care viteza apei se alege, de regula, n limitele 1,5 - 2,0 m/s.13

Relatiile cele mai folosite pentru dimensionarea conductelor sub presiune sunt: pentru conductele metalice si din beton armat precomprimat (PREMO), formula propusa de Manning:Q = K R 3 J 2 (2.80)2 1

pentru conductele din azbociment, formula lui Ludin:Q = K R 0,65 J 0,54 (2.81)

n care:Q - debitul conductei, n 3 /s; K = 83 pentru K m coeficient care depinde de rugozitatea conductei ( PREMO si K = 13 pentru conducte dinconducte 2 ;4 metalice; azbociment); - aria sectiunii udate, n R m raza hidraulica, n J m;pierderea liniara de sarcina hidrodinamica, n m/m liniar.

La conductele circulare:

= 0,785 D2 (2.82) R = 25 D 0, (2.83)D reprezinta diametrul interior (nominal) al conductei, n m.

n care:

ntrebari recapitulativeDefiniti legea fundamentala a hidrostaticii. Scrieti relatiile care exprima presiunea lichidelor pe suprafete plane. Clasificati miscarea lichidelor. Precizati si definiti legile de baza ale hidrodinamicii. Descrieti modalitatile de determinare a debitelor pe canale si cursuri naturale de apa. Descrieti modul de folosire a constructiilor hidrotehnice de pe canale, pentru determinarea debitului. Enumerati si definiti elementele geometrice si hidraulice ale canalelor. Descrieti cazurile de determinare a elementelor b) si ( h) la ( dimensionarea canalelor prin metoda analitica clasica. Prezentati succesiunea operatiilor la dimensionarea hidraulica a unui canal.

14

III. NOTIUNI DE HIDROLOGIE3.1 Notiuni de hidrologie. Definitii 3.2 Circuitul apei n natura 3.3 Notiuni de hidrografie 3.4 Notiuni de hidrogeologie 3.5 Notiuni de hidrometrie

3.1 Notiuni de hidrologie. DefinitiiHidrologia studiaza modul de formare a apelor de pe Terra, circulatia si distributia teritoriala, a acestora, proprietatile fizice, chimice si biologice precum si interactiunea lor cu mediul nconjurator. Fenomenele hidrologice, ca si cele meteorologice, sunt dependente de o multime de factori, ceea ce le imprima un caracter aleatoriu. De aceea la studierea proceselor hidrologice, de care depind lucrarile de mbunatatiri funciare (combaterea eroziunii solului, irigatii, desecari, regularizari de cursuri de apa etc), se folosesc datele si observatiile hidrologice - debite, niveluri - de pe intervale mari de timp (minim 20 de ani consecutivi), date prelucrate statistic n scopul stabilirii valorilor celor mai probabile ale fenomenului considerat pentru diferite asigurari de calcul sau perioade de repetare.

3 .2 Circuitul apei n naturaExistenta pe Pamnt este nemijlocit legata de ubicuitatea apei ca element al mediului, constituent al materiei vii si totodata aliment, suport al unei game largi de surse alimentare dar s i al crearii si dezvoltarii asezarilor umane, factor indispensabil att fertilizarii terenurilor aride ct si al productivitatii suprafetelor agricole actuale. Apa ocupa pe Terra circa 71% din suprafata si 93% din volumul planetei. nca de la nceputurile formarii ei, cu circa 3 miliarde de ani n urma, hidrosfera - ca nvelis terestru - a ramas sub aspect cantitativ, constanta, modificndu-se doar raportul dintre ntinderile oceanului planetar si uscatului precum si proportia starilor de agregare ale apei: gazoasa, lichida, solida. 3 , Volumul total al apei terestre se estimeaza ca depaseste cu putin 1460 mil km din care: 93,8%, adica 1370,3 mil km 3 constituie oceanul planetar, apa subterana

15

nsumeaza 60 mil km

, ghetarii din regiunile polare s i cei continentali includ 29 mil km3 iar diferenta de 830.200 km 3 se cuprinde n marile si lacurile interioare 3 (750.000 km ), apa infiltrata n sol (65.000 km3 ), vaporii din atmosfera (14.000 km3 )3

si apele curgatoare (1.200 km 3 ). Lacurile cu apa dulce si reteaua fluviala - sau disponibilul teoretic accesibil reprezinta aproximativ 95.000 km 3 (0,27% din apa dulce si 0,007% din volumul global). Din acest disponibil, se apreciaza ca oamenii pot capta si valorifica pentru cerintele existentei, n conditii tehnice s i economice convenabile s i fara a distruge ecosistemele acvatice, ntre 20.000 - 30.000 km 3 , ceea ce nu este prea mult. Fluiditatea mare si capacitatea de a trece us or din starea lichida n starea de vapori si invers, face posibila prezenta apei n toate geosferele Terrei, prin asa numitul circuit al apei n natura sauciclul hidrologic (fig. 3.1). Ciclul hidrologic (ocean - atmosfera uscat - ocean) antreneaza numai o parte din hidrosfera ( 510.900 km 3 ), se repeta anual si se prezinta ca o uriasa uzina planetara care, de miliarde de ani, functioneaza nentrerupt pe baza energiei solare si a gravitatiei, asigurnd resursele de apa dulce pentru ntretinerea Fig. 3.1 Schema circuitului apei n si natur perpetuarea vietii dincolo de oceanul a planetar. Se considera ca anual, ajung n atmosfera, sub forma de vapori, aproximativ 510.900 km 3 apa, din care: 447.900 km 3 (88 %) prin evaporare din oceanul planetar si 63.000 km (12 %) prin evapotranspiratie de pe uscat. Prin condensare s i transformare n precipitatii, revin pe suprafata marilor si oceanelor lumii 411.600 km 3 (81%) s i pe Terra emersa 99.300 km 3 (19%), din3

care: 61.300 km 3 (12%) compenseaza evapotranspiratia, iar 38.000 km

3

(7%)

constituie scurgerea de suprafata s i subterana spre oceanul planetar (v. fig. 3.1). Asadar, componentele ciclului hidrologic sunt: precipitatiile atmosferice, evaporatia si transpiratia (evapotranspiratia), infiltratia si scurgerea. 3.2.1 Precipitatiile atmosferice Consecinta a condensarii vaporilor de apa din atmosfera, precipitatiile cad pe suprafata Pamntului n stare lichida (ploaie, burnita etc) sau solida (zapada, grindina, chiciura) si constituie sursa naturala de aprovizionare cu apa a solului. Pentru amenajarea teritoriului cu diferite lucrari de mbunatatiri funciare, intereseaza, mai ales, precipitatiile sub forma de ploaie si zapada.16

Producerea precipitatiilor n zona fizico-geografica n care se situeaza Romnia este extrem de variabila n timp si spatiu. Cantitatea medie anuala a precipitatiilor pe teritoriul tarii noastre este de aproximativ 630 mm, cu valori sub 500 mm pe suprafetele din sud s i est avnd altitudinea mai mica de 100 m s i de peste 1200 mm n zonele montane nalte. n sezonul cald al anului se nregistreaza 60 - 70 % din totalul precipitatiilor anuale, cea mai ploioasa fiind luna iunie iar cu cele mai putine precipitatii, luna februarie. Dependent de marimea si repartitia anuala, lunara si decadala a precipitatiilor atmosferice, se stabileste tipul de amenajare a teritoriului (pentru irigatii, pentru eliminarea excesului de apa, pentru prevenirea si combaterea eroziunii solului etc). Ploile se caracterizeaza prin doi parametri de baza: cantitatea de apa cazuta (la o ploaie, n 24 de ore, n 3 - 5 zile consecutive etc) si intensitatea ploii. Cantitatea de apa cazuta la producerea precipitatiilor se exprima n mm grosime strat de apa, 2 sau m 3 /ha. l/m 1 mm grosime strat de apa = 1 l/m 2 = 10 m 3 /ha(3.1) Cantitatea de apa la producerea unei ploi variaza n limite largi, de la mai putin de 1 mm, la peste 100 mm iar n 24 de ore se pot produce precipitatii care sa depaseasca media lunii respective sau chiar media anuala (691 mm, la 24 august 1924 - Letea, Delta Dunarii). Avnd n vedere caracterul aleatoriu al precipitatiilor atmosferice, la proiectarea amenajarii teritoriului cu lucrari de mbunatatiri funciare, se considera valorile probabile ale acestora, cu o anumita asigurare de * obtinute n urma calcul prelucrarii datelor dintr-un s ir ct mai lung de ani consecutivi n care s-au facut nregistrari ale precipitatiilor produse. Intensitatea se defineste ca fiind valoarea raportului ntre cantitatea ploii de apa cazuta la producerea unei ploi si durata ploii. Intensitatea ploii se exprima, de regula, n mm/minut.I= H t

(3.2)

n care:

n de specificaa ploii sau debitul specific al ploii:*

intensitatea ploii, n I este mm/minut; H - cantitatea de apa la ploaia considerata, n mm grosime strat de t apa; durata ploii, n minute. calculele hidrologice se obisnuieste si exprimarea sub forma

intensitatea

Prin asigurare de calcul se ntelege probabilitatea, n %, ca valoarea unui element meteorologic sau hidrologic sa fie depas ita de ansamblul tuturor valorilor posibile ale acestuia. 17

I s = 166 ,7 I = 166 ,7

H t

(3.3)

n care:Is este intensitatea specifica ploii, n I -l/sha; intensitatea ploii, n mm/minut;

n functie de valoarea intensitatii, se ploi torentiale (cu intensitatea deosebesc mare) si ploi obisnuite (cu intensitatea relativ mica). S-au propus diverse criterii pentru aprecierea ploilor torentiale n functie de durata si intensitatea lor (tab. 3.1).Tabelul 3.1Ploile torent iale, n funct ie de durata si intensitate minima

Dupa Hellmann Dupa Donciu Dupa Berg Dupa Yarnell Durat Intensitatea ploilor Durat (minute) obis (minute) Intensitatea medie, a torentiale exceptionale, a mm/minu nuite, n n n t mm/minut mm/minut 1 - 5 1,00 2,00 5 0,50 1,27 6 - 15 0,80 1,60 15 0,33 0,59 16 - 30 0,60 1,20 30 0,27 0,42 31 - 45 0,50 1,00 45 0,23 0,37 46 - 60 0,40 0,80 60 0,20 0,34 61 - 120 0,30 0,60 120 0,15 0,30 121 - 180 0,20 0,45 180 0,13 0,28 > 180 0,10 0,30 180 0,10 0,25

Ploile torentiale intereseaza, n mod obis nuit, pentru amenajarile de prevenire si combatere a eroziunii solului. n general, cu ct o ploaie are intensitatea mai mare, cu att sunt mai mici durata si arealul de producere ale ploii. La proiectarea amenajarilor de mbunatatiri funciare se au n vedere si precipitatiile maxime - cu asigurarea de calcul - pe anumite perioade de timp: ploile maxime n 24 de ore, pentru lucrarile de prevenire si combatere a eroziunii solului; ploile maxime n 3 - 5 zile consecutive, pentru lucrarile de prevenire si eliminare a excesului de umiditate; ploile lunare si decadale din sezonul de vegetatie, pentru lucrarile de irigatii. Zapada intereseaza n amenajarile de mbunatatiri funciare prin grosimea stratului, durata de acoperire si intensitatea de topire. 3.2.2 Infiltratia

18

Infiltratia este procesul de patrundere descendenta a apei din precipitatii (sau din irigatii) n sol s i n deplasarea ei spre orizonturile inferioare ale profilului, spre roca subiacenta sau spre pnza de apa freatica. Infiltratia reprezinta volumul de apa patruns n sol n unitatea de timp, pe unitatea de suprafata sau, grosimea stratului de apa patrunsa n sol n unitatea de timp, astfel ca dimensiunea infiltratiei apei n sol este o viteza care, se exprima frecvent, n mm/ora, cm/ora, mm/zi sau m/zi. Viteza de infiltratie a apei n sol depinde de proprietatile solului si ale rocii de solificare, de starea de acoperire cu vegetatie a terenului, de umiditatea solului n momentul nceperii ploii, panta terenului, activitatea antropica etc. 3.2.3 Evapotranspiratia Evapotranspiratia, termen conventional, folosit n practica agricola semnifica suma cantitatilor de apa pierduta din sol n perioada de vegetatie, prin evaporatie si transpiratia plantelor, la care se adauga uneori si pierderile prin percolare. Evaporat iaeste faza ciclului hidrologic care consta n transformarea apei din stare lichida n vapori. Evaporatia se produce att la suprafata libera a apei ct si la suprafata terenului (din sol). Evaporatia la suprafata libera a apei permite determinarea pierderii apei din lacurile de acumulare, canalele de irigatie etc. La suprafata terenului, evaporatia depinde, att de factorii atmosferici (deficitul de saturatie n vapori, temperatura, radiatie, vnt) care determina cerinta de evaporatie a atmosferei, ct si de factorii de sol ai evaporatiei (umiditatea solului, prezenta sau absenta surselor de rennoire a apei evaporate, nsusirile care controleaza miscarea apei n sol). n absenta surselor de rennoire (apa freatica, precipitatiile sau irigatia), evaporatia apei din sol se desfasoara n trei etape, relativ distincte. n prima etapa, evaporatia este oarecum constanta, depinznd de cerinta de evaporatie a atmosferei, n a doua etapa, procesul se reduce rapid datorita micsorarii umiditatii solului iar n a treia etapa, evaporatia devine aproximativ constanta, la o valoare redusa, fiind influentata exclusiv de nsus irile solului. Reducerea rapida a ritmului de evaporatie a apei din sol dupa nceperea procesului se datoreaza formarii la suprafata terenului a unui strat uscat de 30 - 35 cm grosime, cu efectul unui mulci, prin care apa circula foarte lent. Asadar, formarea unui strat afnat la suprafata profilului de sol, prin lucrari agrotehnice adecvate sau aplicarea pe

19

suprafata terenului a mulciului propriu-zis micsoreaza evaporatia. De observat ca mobilizarea energica a stratului superficial a solului n perioadele cu cerinta de evaporatie a atmosferei mare, duce la pierderi suplimentare de apa iar uscarea excesiva a stratului superficial al solului poate ntrzia sau mpiedica germinatia semintelor si rasarirea plantelor, poate provoca disparitia plantelor abia rasarite si, de asemenea, poate avea efecte nefavorabile asupra executarii lucrarilor solului. n prezenta franjului capilar freatic n profilul solului, apa pierduta prin evaporatie este nlocuita prin aportul freatic si, dupa echilibrarea celor doua procese, evaporatia se mentine constanta, depinznd de adncimea pnzei freatice, caracteristicile acviferului si nsusirile solului. n zonele secetoase, evaporatia apei din solurile cu aport freatic poate favoriza salinizarea straturilor superioare daca apa freatica sau subsolul sunt bogate n saruri solubile. Pentru agricultura, evaporarea apei din sol este un consum neproductiv. Apa din sol se consuma s i transpiratia , adica prin plantelor trecerea din tesuturile vegetale n atmosfera. Consumul prin plante a apei din sol (transpiratia) este un consum util (productiv) ntruct contribuie esential la prin

formarea biomasei vegetale (a recoltelor), cu toate ca n biomasa vegetala se ncorporeaza numai putin peste 1 % din consumul prin transpiratie; restul cantitatii de apa care se transloca, prin planta, din sol n atmosfera, asigurnd doar desfasurarea normala a diferitelor procese fiziologice (respiratia, termoreglarea, nutritia, asimilatia clorofiliana etc). Transpiratia plantelor depinde, n principal, de umiditatea solului s i de cerinta de evaporatie a atmosferei. Daca solul este bine aprovizionat cu apa, transpiratia se regleaza n concordanta cu cerinta de evaporatie a atmosferei iar cnd umiditatea n sol este deficitara, transpiratia scade rapid, mai ales cnd cerinta de evaporatie este mare (> 3 mm/zi). Transpiratia, la un moment dat, depinde si de natura plantei si stadiul de vegetatie al acesteia. n practica agricola intereseaza cantitatea cumulata de apa consumata din sol att prin evaporatie, ct s i prin transpiratie - consum care, asa cum s-a precizat, poarta numele evapotranspiratie de . Consumul de apa din sol prin evapotranspiratie, pe un teren acoperit cu o anumita planta de cultura, se poate referi la ntreaga perioada de vegetatie cnd se exprima n mm sau n 3 /ha - sau numai la cantitatea consumata ntr-o m zi, cantitate ce se diferentiaza decadal, lunar sau pe faze de vegetatie si se exprima n mm/zi sau n m 3 /hazi. Evapotranspiratia se poate determina direct prin lucrari n20

cmpurile experimentale, pe baza bilantului apei n sol - folosind metoda parcelelor n regim optim de irigare sau metoda lizimetrelor - s i prin metode indirecte Thornthwaite , Penman, Blaney-Criddle , Trc, Bouchetetc). (dupa 3.2.4 Scurgerea Scurgerea, ca faza a ciclului hidrologic, reprezinta fenomenul prin care o parte din apa din precipitatii sau irigatii, se deplaseaza la suprafata terenului, prin sol sau subsol, catre locurile depresionare (vai, ruri, lacuri etc). Scurgerea poate fi: la suprafata terenului (de suprafata), prin sol (hipodermica) si subterana (de adncime). Scurgerea la suprafata terenului - pe versante sau n bazinele hidrografice prezinta importanta pentru amenajarile antierozionale si de corectare a torentelor iar scurgerea prin sol s i subterana intereseaza n mod deosebit n lucrarile de desecare-drenaj si de irigatie. Scurgerea de suprafata este controlata, ca si infiltratia, de elementele ce caracterizeaza precipitatiile (cantitate, intensitate), nsusirile solului s i rocii de solificare (cu deosebire nsusirile hidrofizice si fizico-mecanice), gradul de acoperire cu vegetatie a terenului si caracteristicile acesteia si, fireste, activitatea omului. De aceea, scurgerea - caracterizata prin anumiti parametri se diferentiaza n fiecare moment. Scurgerea la suprafata terenului nu se produce concomitent cu nceputul ploii sau al topirii zapezii, ci numai atunci cnd viteza de infiltratie a apei n sol este depasita de intensitatea ploii sau de topire a zapezii. Parametrii care caracterizeaza scurgerea pe versante si n bazinele hidrografice sunt; coeficientul mediu de scurgere, scurgerea medie specifica, timpul de concentrare, viteza scurgerii, volumul scurgerii si debitul scurgerii. Coeficientul de scurgere ( a), ( s ), ( K), sau ( Ks ), reprezinta raportul dintre volumul sau grosimea stratului de precipitatii scurse s i volumul sau grosimea stratului de precipitatii cazute pe una si aceeas i suprafata de teren. Deci:Ks = Vs Vp = hs hp

(3.5)

n care:Ks Vs Vp hs hp este coeficientul mediu de -scurgere; scurgerii pe o anumita suprafata de control, n 3 ; volumul m volumul precipitat iilor cazute pe aceeasi suprafata de control, n 3 ; m grosimea stratului de precipitatii scurse de pe o suprafata de control, n mm; - grosimea stratului de precipitatii cazute pe aceeasi suprafata de control, n mm.

Pentru coeficientii de scurgere medii multianuali s-au propus diverse relatii empirice, cum sunt, de exemplu:21

formula

Krep : sK s = 0,88

26

+ P

240

(3.6)

si formula M. Velikanov :Ks = 1

1+ () d 3,5 0,5

(3.7)

n care:este temperatura medie multianuala a aerului n bazinul hidrografic, n C; P - precipitat iile medii multianuale n bazinul considerat, n - deficitul mediu multianual de umiditate, n mm coloana de d mm; mercur.

Coeficientul de scurgere are valori subunitare si nglobeaza efectele factorilor care influenteaza scurgerea, inclusiv pierderile prin infiltratie s i evapotranspiratie. n calcule se folosesc valorile coeficientului de scurgere, Frever (tab. 3.3). dupa tTabelul 3.3

Valorile coeficientului de scurgere ( Ks ) (adaptare Frevertde Gas par, 1978) dupa R. Textura Pant solului Lutoas Folosint a terenului a (%) Nisipo - - Luto Luto argiloasa a lutoasa nisipoasa Argiloasa 0 - 5 0,10 0,30 0,40 Padure 5 - 10 0,25 0,35 0,50 10 - 30 0,30 0,40 0,60 > 30 0,32 0,42 0,63 0 - 5 0,15 0,35 0,45 5 - 10 0,30