utcb - buletin stiintific - 2014 - nr. 1-2

8/19/2019 UTCB - Buletin Stiintific - 2014 - Nr. 1-2

1/101

BULETINUL ŞTIINŢIFIC

AL

UNIVERSITĂŢII TEHNICEDE CONSTRUCŢII

BUCUREŞTI

SERIE NOUĂ

Nr. 1-2 2014


2/101

Disclaimer

With respect to documents available from this journal neither T.U.C.E.B. nor any of its employees make anywarranty, express or implied, or assume any legal liability or responsibility for the accuracy, completeness, orusefulness of any information, apparatus, product, or process disclosed.

Reference herein to any specific commercial products, process, or service by trade name, trademark,

manufacturer, or otherwise, does not necessarily constitute or imply its endorsement, recommendation, or favoring by the T.U.C.E.B.The views and opinions of authors expressed herein do not necessarily state or reflect those of T.U.C.E.B., and

shall not be used for advertising or product endorsement purposes

…………………………………………. …………………………………………. ………………………………………….

Cu privire la documentele prezente în acest buletin, nici UTCB şi niciunul din angaja ţ ii săi nu garantează ,explicit sau implicit, şi nici nu î şi asumă vreo obliga ţ ie legal ă sau responsabilitate pentru corectitudinea,caracterul complet sau utilitatea oricăror informa ţ ii, aparate, produse sau procese prezentate.Orice referin ţă care se face în documentul de fa ţă la produse comerciale, procese sau servicii, folosindu-senumele de marcă , numele producătorului sau altele de acela şi tip nu constituie în mod necesar o sus ţ inere,recomandare sau favorizare a acestora de către UTCB.

P ărerile şi opiniile autorilor, exprimate în documentul de fa ţă , nu reflect ă în mod necesar părerile şi opiniileUTCB şi ele nu vor fi folosite pentru a face reclamă sau pentru a sus ţ ine vreun produs


3/101

CUPRINS

DEZVOLTAREA MODELELOR HIDRAULICE PENTRU SISTEMELE DE DISTRIBUŢIE AAPEI SI SISTEMELE DE CANALIZARE ŞI APLICAŢIILE GIS PENTRU APA REZIDUALĂ ŞIUTILITĂŢILE APEI PLUVIALE .......................................................................................................... 5

Ausama Altadmory

MANAGEMENTUL APELOR SUBTERANE DIN SISTEMUL ACVIFER AL STRATELOR DEFR ĂTEŞTI-CÂNDEŞTI ....................................................................................................................... 13

Ruxandra Bălăeţ

ACȚIUNEA UNDEI DE INUNDAȚIE ASUPRA PILELOR DE POD .............................................. 23

Eduard-George Cr ăciun

EFECTUL PREZENȚEI SALTULUI HIDRAULIC ASUPRA DIMENSIONARII COLECTOARELORDE CANALIZARE ................................................................................................................................ 30

Mihaela Luiza Dumbrava

STUDII PRIVIND SOLUȚII DE RETEHNOLOGIZARE LA STAȚIA DE TRATARE A APEIVOILA .................................................................................................................................................. 36

Sorin Niculae

ANALIZA VARIABILITĂȚII RIGIDITĂȚII PLANȘEELOR PE CADRUL SPAȚIAL COMPUS

DIN STÂLPI, GRINZI ȘI PLACI. CONCLUZII. ................................................................................ 46 Florin Nistor

CÂTEVA CONSIDERAȚII DESPRE INFLUENȚA VIBRAȚIILOR ASUPRA MOBILITĂȚIIARTICULAȚIEI COTULUI ................................................................................................................. 54

Radu Panaitescu-Liess

METODA ANALITICĂ PENTRU DETERMINAREA STĂRII DE EFORTURI ŞI DEFORMAŢIIÎN GRINZILE DIN BETON ARMAT ACŢIONATE DE SISTEME DE FOR ŢE ŞI DE VARIAŢIILEDE TEMPERATUR Ă, ÎN STADIUL ELASTIC ................................................................................. 60

Sorohan Lucian Valentin

CONCLUZII PRIVIND TEHNOLOGIA ȘI OPERAȚIILE TEHNOLOGICE DE MALAXARE ABETONULUI AUTOCOMPACTANT (BAC) ..................................................................................... 68

Elena Cătălina Ștefancu

MANIFESTAREA EFECTULUI DE AVERE ÎN ROMÂNIA: EVIDENȚE REGIONALE ȘI NAȚIONALE ........................................................................................................................................ 74

Dumitra Stancu, Alex Oproiu

EFECTE DIRECTE ALE EVOLUȚIEI PIEȚEI IMOBILIARE ASUPRA CREȘTERII ECONOMICEDIN ROMÂNIA .................................................................................................................................... 87

Alex Oproiu, Dumitra Stancu


4/101


5/101

BULETINUL ŞTIINŢIFIC U.T.C.B. NR. 1/2014 5

DEZVOLTAREA MODELELOR HIDRAULICE PENTRU SISTEMELEDE DISTRIBUŢIE A APEI SI SISTEMELE DE CANALIZARE ŞI

APLICAŢIILE GIS PENTRU APA REZIDUALĂ ŞI UTILITĂŢILE APEI

PLUVIALE

DEVELOPMENT OF HYDRAULIC MODELS FOR WATER ANDSEWERAGE SYSTEMS AND THE GIS APPLICATION FOR WATER

AND WASTE WATER UTILITIES

AUSAMA ALTADMORY1

Rezumat: Obiectivul acestui articol este de a în ț elege cum poate fi aplicat GIS-ul în dezvoltarea

modelelor hidraulice pentru sistemele de distribu ţ ie a apei şi sistemele de canalizare și prezentarea rezultatelor modelelor hidraulice. Se dau câteva exemple de aplica ţ ii care pot fiutilizate prin aplicarea tehnologiei GIS pentru re ţ elele de apă şi de apă rezidual ă și beneficiileobtinu ț e din partea clien ț ilor pentru a sprijini toate departamentele care se ocupă cu utilit ăț ile.

Cuvinte cheie: modele hidraulice, GIS, SWMM, utilităţi de apă Abstract: The objective of this article is to understand how GIS can be applied in thedevelopment of hydraulic models for water distribution systems and sewerage systems and presentthe results of hydraulic models. And to give some examples of applications that can be used byapplying GIS technology, water and wastewater, and the benefits obtained from customers to

support all utilities departments.

Keywords: hidrolic models, GIS, SWMM, water utilities

1. Introducere

Tehnologia GIS are aplicabilitate largă pentru studiile privind sistemele de distribuţie a apei.Reprezentarea şi analiza fenomenelor legate de apă cu ajutorul tehnologiei GIS facilitează gestionarea lor.

Aplicaţiile GIS, care sunt de o importanţă deosebită pentru utilităţile de apă includcartografiere, modelare, facilităţi de management, managementul ordinelor de muncă şi

planificarea pe termen scurt şi pe termen lung.

În reţelele de ape reziduale puterea GIS-ului este de multe ori mai bună daca este realizată împreună cu modele specifice aplicaţiei, interfaţa grafică personalizată a utilizatorului, bazede date externe şi alte metode de soluţionare a problemelor bazate pe calculator.[6]

2. Dezvoltarea modelelor hidraulice

Cea mai comună utilizare a unui modelul hidraulic în cadrul unui sistem de distribuţie a apeieste de a determina dimensiunile ţevilor pentru îmbunătăţirea sistemului, extinderea şi

1 Doctorand inginer la Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti (Doctoring, Technical University of Civil

Engineering), Facultatea de Geodezie (Faculty of Geodesy), e-mail: [email protected] de specialitate: Prof. Univ. Dr. Ing. Constantin Moldoveanu, Universitatea Tehnică de ConstrucţiiBucureşti (Professor, PhD, Eng., Technical University of Civil Engineering Bucharest)


6/101


reabilitarea lui. Modelele sunt, de asemenea, utilizate pentru a evalua calitatea apei şi pentruinvestigarea strategiei pentru reducerea timpului de oprire. Modelele permit, de asemenea,inginerilor să evalueze rapid reţeaua de distribuţie în timpul perioadelelor critice, cum ar fiîntreruperile de apă cauzate de ruperea unor conducte principale.

Modele hidraulice care sunt create pentru a aborda o problemă specifică r ămân uitate pe unraft până când acestea sunt necesare, din nou, ani mai târziu. Acest lucru necesită oactualizare cuprinzătoare şi adesea costisitoare a modelului pentru a reflecta ceea ce s-aschimbat în sistemul de apă. O conexiune directă la o bază de date GIS permite modelului să r ămână mereu actualizat. Aplicaţiile GIS reduc timpul de dezvoltare a modelarii şi de analiză.GIS-ul poate fi utilizat pentru proiectarea sistemelor optime de distribuţie a apei.

În general, există patru scopuri principaleale aplicaţiilor GIS pentru modelaresistemului de apa:1. Sincronizarea reţelei modelului pentru ase potrivi cu reţeaua GIS.

2. Transferul de date de intrare de la GIS lamodel.3. Stabilirea condiţiilor de execuţie amodelului şi punerea sa în aplicare.4. Transferul rezultatelor oferite de model laieşirea din GIS.GIS este extrem de util în crearea intr ărilor

pentru modele hidraulice şi prezentareaieşirilor. Un modelator hidraulic care-şi

petrece sute de ore în extragerea de date deintrare de la hăr ţi analogice poate îndepliniaceeaşi sarcină, cu câteva clicuri de mouseîn interiorul unui GIS (cu condiţia castraturile de date solicitate să fiedisponibile). Fig 1- Metoda integr ării interrelationare

GIS-ul poate fi folosit pentru a prezenta rezultatele modelarii hidraulice sub formă de hăr ţitematice, care sunt uşor de înţeles pentru publicul f ăr ă pregătire tehnica.[4]

3. Analiza rețelelor hidraulice

Analiza re

țelelor hidraulice este procesul de utilizăre a unui model computerizat al sistemului

de distribuție a apei pentru analiza capacitățile de performanță și de a defini cerințelenecesare pentru a respecta standardele de proiectare pentru sisteme de presiune și debit.Aplicațiile analizei rețelei hidraulice se încadrează, în general, în trei categorii: planificare,

proiectare și a operațiuni. Planificarea

O aplicatie primara a planificarii a analizei rețelei este dezvoltarea care include programarea,așteptarea, dimensionare și de rutare preliminarea și localizarea instalațiilor viitoare. Alteaplicatii includ dezvoltarea unui plan de reabilitare principal și planul sistemului deîmbunătățiri. Planurile de reabilitare trebuie sa prevadă curațenia rețelelor de alimentare.Planurile de îmbunătă

țire ale sistemului trebuie sa prevadă instalarea de re

țele noi pentru a


7/101


ține pasul cu creșterea sau pentru a îmbunătăți sistemele de transport și de distribuțieconform standardelor.

Proiectare

Aplicația poiectarii analizei rețelei include dimensionare a diferitelor tipuri de instalații.Puțuri , conducte, stații de pompare, valve de reglare a presiunii, rezervoare ridicate șirezervoarele subterane pot fi dimensionate folosind rezultatele calculelelor presiunii șidebitului rezultate din modelarea hidraulică. În plus, capabilitățile de performanță alesitemului pot fi analizate pentru a determina capacitățile fluxului hidrantilor și îmbunătățirilenecesare pentru a îndeplini cerințele in caz de incendiu.Opera

iunile

Dezvoltarea strategiilor de operare, de formare și de depanare ale sistemului sunt aplicațiilesusținute de operațiunile sistemului de modelare. Strategiile de operare se pot baza pecondiții de urgență, restricțiile de gestionare a energiei, disponibilitatea apei sau a altorcondi

ții. De exemplu planurile de interven

ție pentru o întrerupere a unei facilitați cheie, cum

ar fi o stație de pompare, pot fi dezvoltate. [1]4. Schematizarea Retelei

Straturile GIS si CAD ale sistemelor de distribuţie a apei au adesea un nivel de detaliu careeste necesar pentru analiza elementelor hidraulice ale sistemului. Aceastea pot includehidranţi, conexiuni de serviciu, robinete, racorduri şi noduri colţ. Încercarea de a include toateelementele reţeleia ar putea fi o actiune uriasa care poate sa nu aiba un impact semnificativasupra rezultatelor modelului. Modelatorii, prin urmare, trebuie să recurgă la un proces desimplificare a reţelei, care este, de asemenea, menţionate ca procesul de "chematizare a

retelei".Următoarele figuri arată etapele procesului de schematizare care includ reducerea numaruluide ţevi şi noduri ale sistemului de reţea. Un exemplu al modului în care GIS efectuează schematizarea este prezentat în fig - 2 pana la fig -7. fig - 2 arată straturi GIS pentru

parcelele, conducte de apa, linii de servicii,supape de serviciu, supape ale sistemului dedistribuţie, şi hidranţi de incendiu. În cazul în care un nod de modelare este creat la fiecarelegatura de ţeavă, valva şi hidrant, modelul de reţea care rezultă poate avea 93 noduri şi 94ţevi (legături). Dacă acest proces se intinde pentru întregul sistem, ne putem astepta mii denoduri şi ţevi. Pentru sisteme mari, acest proces poate genera sute de mii de noduri şi ţevi. [7]

Fig 2- Modelul de reţea f ăr ă schematizare Fig 3- Modelul de reţea schematizat după îndepărtarea nodurilor hidranţilor de incendiu


8/101


Fig 4 - Modelul de reţea schematizat după îndepărtarea nodurilor supapelor

Fig 5- Modelul de reţea schematizat după eliminareanodurilor colţ

Fig 6- Model de reţea schematizat după îndepărtareațevi mai mici de 8 inch

Fig 7- Modelul de reţea schematizat după agregareanodurilor pentru cereri

5. Modele ale sistemelor de canalizare

Aplicaţiile GIS pentru sistemele de canalizare includ:

• Efectuarea modelarii hidrologice şi hidraulice a sistemelor de colectare, inclusiv:

• Delimitarea automată a bazinelor, canalelor şi zonelor de drenaj

• Simplificarea modelului sau schematizarea pentru a reduce numărul de camine devizitare si canale care să fie incluse în model hidraulic si hidrologic.

• Estimarea altitudinii de suprafaţă şi panta din modelul de date digital de elevaţie(DEM)

•Estimarea ratelor debitului de canalizare pe vreme uscată provenit din utilizareaterenurilor, datelor de recensământ, şiînregistr ările de facturare

• Estimarea pentru vreme umedă a debitelor provenite din utilizarea terenurilor, asolului, impenetrabilitatea de suprafaţă, şi panta.

• Crearea de hăr ţi pentru apa reziduala

•Documentarea inspecţiilor pe teren , inclusiv:

• Managementul ordinelor muncă f ăcând clic pe elementele hartii

• Inspecţia şi întreţinerea structurilor de revărsare si camine

• Inspecţia televizata a canalizarii


9/101


• Fluxul de monitorizare şi prelevare de probe

• Investigaţiile folosind testare cu fum, colorant, şi investigatii pentru aflux / infiltrare

• Efectuarea şi planificarea de sarcini cum ar fi evaluarea fezabilităţii şi a impactuluiextinderii sistemului.

6. Integrarea Modelarii Sistemelor De Canalizare

GIS ofer ă o platformă comună pentru accesarea tuturor datele afacerii, actualizareainformațiilor rețelei, integrarea comenzilor de lucru, găsirea informațiilor clienților fie pentruelaborarea unui raport. Cu instrumente integrate de analiză spațială, se poate sprijini rețeauade urmărire, precum și analiza tendințelor de dezvoltare care afectează cererile viitoare.Caracteristicile de vizualizare și de cartografiere ofera o imagine de ansamblu a rețelei aflată in legătur ă cu clienții și cu infrastructur ă din jur. [2] Aplicaţiile GIS în modelarea sistemului de canalizare sunt dezvoltate prin utilizarea celor trei

metode de aplicare (de transfer, interfata, şi integrare). Aceste metode faciliteaza pregătireadatelor de intrare in model şi de cartografiere a rezultatelor de ieşire din model similar cuaplicatiile lor pentru modele sistemului de apă descris. Transferul de date între un sistem GISşi un model de canalizare este tratată diferit de către diferiti furnizori de software. Unele

produse ofer ă nu nimic mai mult decât o abordare manuală "taiere şi lipire" (cut and paste ) pentru transferul de date între un GIS şi model. Altele ofer ă un adevărat pachet integrat.

7. SWMM

EPA SWMM este un " model de simulare dinamic ploaie-scurgere folosit pentru o simulare aunui singur eveniment sau pe termen lung (continua) a cantită

ții

și calită

ții scurgerilor din

mediul urban " (USEPA, 2009).Modelul este împăr țit în patru compartimente conceptuale:atmosfera, suprafata de teren, a apelor subterane, și transportul. Cantitatea de precipitatii estegenerată în cadrul compartimentului atmosfera și primită de către compartimentul suprafață de teren. Acestea de vor infiltra în compartimentul subteran, sau sunt transportate încompartimentul de transport, care include conducte, canale și alte elemente transport. [5] Modelatorul poate simula toate aspectele legate de ciclurile hidrologice urbane şi de calitate,inclusiv precipitaţii, zapada care se topeste, scurgerile de suprafaţă şi subterane, fluxul derutare prin reteaua de drenaj, depozitare, şi tratament. Analizele statistice pot fi efectuate pedate de precipitaţii pe temen indelungat şi pe ieşire de la simulare continuă. Figura 8 arată oschematica conceptuală a SWMM. Această figura arată că este un SWMM complexe model

capabil de modelare diferitele faze ale ciclului hidrologic utilizând blocuri diferite (module),cum ar fi scurgeri, transport, şi extran. (RUNOFF, TRANSPORT, EXTRAN)

SWMM pot fi utilizate atât pentru planificare şi proiectare. Planificarea este folosita pentru oevaluare de ansamblu a problemei scurgerilor urbane sau opţiunile propuse pentru reducere.

SWMM este frecvent utilizat pentru a efectua analize detaliate ale performanţelor detransport ale sistemului în conformitate cu o gamă largă de condiţii de debit pe vreme uscataşi umedă. Utilizarea SWMM pentru modelarea revărsărilor pe vreme umeda este deosebit deavantajoasa pentru următoarele motive:

• SWMM produce estimări prezente şi viitoare ale ratei fluxului pe vreme uscata şi pe vreme umeda.


10/101


Estimările de debit pot fi pregatite pe bazacondiţiilor prezente şi viitoare de utilizare aterenurilor, topografie, caracteristici decanalizare, şicondiţiile meteorologiceselectate. Modelul poate fi calibrat în raport cudebitele măsurate.

• SWMM modeleaza performanţă detransport a sistemului în conformitate cu o

serie de condiţii dinamice a debitului.• Utilizand SWMM, este posibil să se

evalueze capacitatea hidraulica, ca r ăspuns laintrarile pentru vreme umeda. Această caracteristică poate fi foarte utila pentruanalize legate de reducerea revărsărilor.[7]

Fig 8 - SWMM schema conceptuala

8. Aplicaţiile GIS pentru apa reziduala si utilitaţile apei pluviale

Utilitatile tin evidenta unor mari cantităţi de informaţii despre active; retelele de distribuţie,colectare şi de drenaj; clienţi şi înregistr ările financiare. Toate aceste informaţii are o legătur ă cu locaţia, indiferent dacă acesta este localizarea unei conducte principala de apă sau uncontor al unui client. Tehnologia GIS foloseşte aceste conexiuni geografice să integrezesistemele de date-cheie de baza, simplifica sarcinile de gestionare a datelor şi ajuta lavizualizarea relaţiilor geospaţiale importante.

8.1. Utilizarea GIS pentru a îmbunătăţi controlul gestiunii activelor

Profesioniştii in apă si apa reziduala monitoriza mari cantităţi de informaţii despre un

inventar mereu în schimbare ale activelor fizice. Sunt responsabili pentru manipulareacererilor de zi cu zi, precum şi de asigurarea viabilităţii viitoare a reţelei.

Planificare

Pentru un factor de decizie estenevoie de capacitatea de a cântări maimulte scenarii care pun in echilibrunivelurile de investiţii în comparaţiecu durata de viata activelor.Tehnologiea GIS ofer ă instrumenteanalitice pentru a efectua analize "si

daca" şi segmentare dinamicea.Performanţă şi de urmărire Soluţiileintreprinderii de gestionare a activelorajuta la îmbunătăţirea performanţeiactivelor utilităţii şi in urmărire. Fig 9 - Echipajele de operațiuni pentru aduc GIS pe teren

Performan ă i Urmărirea

Enterprise asset management (EAM) solutii ofera ajutor utilităților la îmbunătățirea performanței activelor și urmărire.Componenta de gestionare a activelor a software-ului GISESRI ofer ă acces facil la urmărire, localizarea, precum și gestionarea activelor. De asemenea,creează o vizualizare consolidată a opera

țiunilor

și a cre

ște disponibilitatea informa

țiilor în

cadrul organizației. Buna administrare a activelor inseamnă efectuarea întrețineriicorespunzătoare și de reparații la locația corectă. Acest lucru produce servicii mai bune


11/101


clienț ilor, precum și economii pentru bugete mici. GIS permite folosirea de instrumente cuconexiune la internet care permit echipajelor de pe teren să adnote cererile ordinelor delucru și de a pune informaț ii în baza de date direct din teren.

Beneficii

O aplicaț ie EAM poate ajuta la realiarea de economii semnificative prin standardizare• Procesele de cumpărare• procedurile de întreț inere• echipamente de urmărire• Inventaru

EAM, de asemenea, ajută la gestionarea întregul ciclu de viaț ă a activelor critice, inclusiv:Achiziț ii, Instalare, Serviciu, Reparatii, Eliminarea

8.2. Furnizarea de date actualizate, informaţii exacte la Finanţe, Administraţie, şi

Departamentele de relaţii cu clienţii.

Personalul de administrare si finanţe poate oferi departamentului administrativ central o privire de ansamblu pentru a sprijini planificarea organizaţiei şi a activităţillor operaţionale.Se poate îmbunătăţi prognoza bugetului, facilitatea analizei de inventar, de facturare aclientului, relatii cu cleintii, şi alte funcţii cheie administrative prin punerea în aplicare asoluţiilor GIS.[3]

Fig 10 - Furnizeaza reprezentantilor carese ocupa cu clientii informaţii legate declienti la zi pentru a îmbunătăţi precizia şieficienţa în r ăspunsurile acestui serviciu.

Îmbunătăţirea preciziei şi eficienţeo atunci cândse utilizează GIS pentru sarcini cum ar fi

• Rata de justificare• Imbunătăţirea capitala a planificării proiectului• Relatii cu clientii• Urmărirea reclamatiilor• Managementul proprietatii

6. Concluzii

Prin folosirea informaţiilor obţinute cu aplicaţii GIS pentru sistemele de distribuţie a apei,un manager al unui sistem de apa poate dezvolta un program de ameliorare detaliat sau

planuri operaţiuni şi de întreţinere. Planificarea activităţilor sistemului de distribuţie deapă pot fi mult îmbunătăţite prin integrarea acestor aplicaţii. [6]

Modelare hidraulică poate fi, de asemenea, utilizat ă pentru a dezvolta strategii defuncț ionare bazate pe cu ghidul de gestionare a energiei și pe restricț ii pentru operaț iuni


12/101


mai eficiente ale sistemului. Modelarea și analiza rețelei sunt, de asemenea, modalități bune de formare a personalului implicat în operarea sistemelor de distribuție. Operatoriisistemelor de distribuție pot experimenta cu modelul pentru a determina modul în caresistemul va funtiona în condițiile de operare specificate. Rezolvarea problemelorsistemului, bazata pe modelarea

și analiza re

țelei, pot fi utilizate pentru a determina cauza

diverselor probleme, cum ar fi presiunea scăzută și evenimente inexplicabile.[1] SWMM simuleaza fluxurile pe vreme uscată şi umedă pe baza utilizarii terenului, a

condiţiilor demografice, a condiţiilor hidrologice în zonele de drenaj, de meteorologie, şitransmiterea / caracteristicile de tratare a sistemului de canalizare;

SWMM este suficient de flexibil pentru a permite abordări de modelarea diferite inaceeaşi zonă. O abordare care descrie în mod adecvat zona de servicii şi cu acurateţecalculează şi indruma fluxurile, la un timp de calcul rezonabil şi efort ar trebui să fieadoptata.

Bibliografie

[1] Department And Agency Reports "Water Resources Master Plan" http://www.guamwaterworks.org/[2] ESRI, "GIS for Water and Wastewater", http://www.esri.com/industries/water/index.html[3] ESRI, "Utility GIS - More Than Just AM/FM", ESRI Press article; 2003[4] Mark G. Wehmeye ;"Integrating SCADA Systems with AM/FM-GIS Technology"; USA;2000

http://www.wwdmag.com/Integrating-SCADA-Systems-with-AM-FM-GIS-Technology-article159"[5] Robert S. Arthur; "Stormwater Runoff Simulation Using SWMM: Evaluating Stormwater Management on

the University of Virginia Grounds" Research Paper; USA; 2010[6] Said easa, Yupo chan “Urban Planing And Development Applicatios of GIS “ USA; 2000[7] U.M.Shamsi,"GIS Applications for Water, Wastewater, and Stormwater Systems"; CRC Press; USA; 2005


13/101


MANAGEMENTUL APELOR SUBTERANE DIN SISTEMUL ACVIFERAL STRATELOR DE FR ĂTEŞTI-CÂNDEŞTI

MANAGEMENT OF GROUNDWATER FROM THE FR ĂTEŞTI-CÂNDE

ŞTI STRATA AQUIFER SYSTEM

RUXANDRA BĂLĂEŢ1

Rezumat : Articolul începe cu descrierea succint ă a caracteristicilor geologice, hidrogeologice şihidrochimice ale Sistemului acvifer al Stratelor de Fr ăte şti – Cânde şti, rezultate din literatura de

specialitate şi din prelucrarea datelor a 313 foraje reprezentative. În continuare sunt trecute înrevist ă studiile efectuate recent în vederea implement ării prevederilor legisla ţ iei europene îndomeniul apelor subterane, în principal cele pentru delimitarea şii caracterizarea corpurilor deapă subterană corespunzătoare Sistemului acvifer al Stratelor de Fr ăte şti - Cânde şti şi alocarealor în scopuri manageriale, realizarea bazelor de date necesare, stabilirea valorilor de prag şi

evaluarea st ării chimice şi cantitative. Pe baza celor men ţ ionate şi a unui model matematic alcurgerii şi transportului de poluan ţ i realizat în GMS pentru intreg sistemul acvifer sub presiune, sunt identificate alte studii şi mă suri necesare şi se prezint ă propuneri pentru îmbunăt ăţ ireaactivit ăţ ii de management al apelor subterane.

Cuvinte cheie: corpuri de ape subterane, evaluarea stării chimice şi cantitative, forajehidrogeologice, legislaţie europeană, managementul apelor subterane, model matematic, sistemacvifer, valori de prag,.

Abstract: The paper begins with a brief description of the geological, hydrogeological andhydrochemical characteristics of the Fr ăte şti – Cânde şti Strata Aquifer System, as resulted fromthe specialty literature and from processing of the data of 313 reprezentative wells. Following, therecent studies developed in order to implement the European legal provisions in the groundwater

field were reviewed, mainly those realized in order to delineate and characterize the Fr ăte şti –Cânde şti Strata Aquifer System groundwater bodies and to allocate them for management

purposes, to construct the necessary databases, to establish threshold values and to assess groundwater bodies status. Based on those mentioned above and on a mathematical flow and pollutant transport model in GMS, other studies and necessary measures are identified and proposals for improvement of groundwater management activities are presented.

Keywords: groundwater bodies, chemical and quantitative status assessment, hydrogeologicalwells, European legislation, groundwater management, aquifer system, threshold values.

1. Introducere

In Uniunea Europeană managementul apelor subterane se face după principii şi reguli clareincluse într-un cadru legislativ specific, menit să protejeze aceaste valoroase resurse naturalestrategice. Bazele cadrului legislativ european au fost puse încă din 1980, prin Directiva80/68/EEC privind protectia apelor subterane împotriva poluării cu anumite substanţe

periculoase. Această directivă, considerată în prezent depăşită, va fi abrogată la sfîr şitulanului 2013. Intre timp, obiectivele politicii europene s-au extins, cuprinzând atât aspectelecantitative cât şi conexiunile cu apele de suprafaţă.

1 Ing. geolog , consilier superior Direcţia de Management al Resurselor de Apă şi Piscicole – Ministerul

Mediului şi Schimbărilor Climatice, e-mail: [email protected] de specialitate: Prof. univ. dr. ing. Radu Drobot, Universitatea Tehnică de Construcții București(Professor PhD, Technical University of Civil Engineering Bucharest).


14/101


Directiva - cadru a Apelor 2000/60/EC defineşte corpul de ape subterane ca fiind volumuldistinct de apă subterană cantonat într-unul sau mai multe acvifere, precum şi starea bună aapelor subterane ca realizarea cumulativă a stării chimice bune şi a stării cantitative bune acorpului de ape subterane. Cu scopul de a menţine sau de a reconstitui starea bună a tuturorapelor de pe teritoriul Uniunii Europene, în vederea protejării ecosistemelor acvatice şi

terestre şi menţinerii sănătăţii cetăţenilor, Directiva – cadru prevede realizarea, la fiecare 6ani, a unui Plan integrat de management al apelor de suprafa ţă şi subterane şi a unui

Program de mă suri pentru fiecare bazin hidrografic. Directiva 2006/118/EC privind protecţia apelor subterane împotriva poluării şi deterior ării (Directiva Apelor Subterane) estedirectivă fiică a Directivei Cadru a Apei 2000/60/CE, detaliind cerinţele şi modul deimplementare a păr ţii referitoare la apele subterane din Directiva Cadru a Apei 2000/60/CE; afost transpusă în legislaţia românească prin H.G. nr.53/2009 pentru aprobarea Planuluinaţional de protecţie a apelor subterane împotriva poluării şi deterior ării şi prin Ordinulministrului mediului nr.137/2009 privind aprobarea valorilor de prag pentru corpurile de apă subterană din România. Raportarea transmisă de România privind stabilirea valorilor de prag

pentru apele subterane conform Directivei a constituit obiectul unui Raport al Comisiei

Europene privind implementarea acestei directive la nivel european iar cererea de clarificaritransmisă de Comisia Europeană referitoare la Planurile de management vizează si

problematica Directivei Apelor Subterane.

Sistemul acvifer al Stratelor de Fr ăteşti - Cândeşti este cea mai mare şi mai complexă structur ă hidrogeologică din România şi constituie principala rezervă strategică pentrualimentarea cu apă potabilă a localităţilor situate între R. Olt la V si Trotuş la NE înDepresiunea Subcarpatică, în Câmpia Română şi în sudul Moldovei. Pornind de la cercetărileanterioare, în principal de la cele efectuate de M. Dr ăghiceanu, E. Liteanu, T. Constantinescu,M. Bretotean şi M.T. Munteanu, lucrarea aduce noi contribuţii la delimitarea spaţială şi lacaracterizarea geologică, hidrogeologică şi hidrochimică a acestui sistem acvifer.

2. Caracterizarea sistemului acvifer şi managementul acestuia

Zona de studiu a fost caracterizată din punct de vedere geologic ţinând cont de cele trei mariunităţi structurale care o compun, şi anume Platforma Moesică, Depresiunea Subcarpatică şiPlatforma Covurlui.

In cadrul păr ţii superioare a cuverturii sedimentare a acestor unităţi structurale, un deosebitinteres din punct de vedere hidrogeologic prezintă "Stratele de Fr ătești” şi “Stratele deCândeşti”. Acestea sunt formaţiuni geologice aproximativ sincrone, constituite în general din

pietrişuri şi nisipuri cu intercalaţii de argile, care au luat naştere prin sedimentarea în Bazinul

Dacic a materialului detritic de origine carpatică, balcanică şi nord-dobrogeană. Ele aflorează pe marginile acestui bazin şi se afundă sub depozite mai noi către linia pericarpatică.Incadr ările cronostratigrafice din 1996, când limita Pliocen-Pleistocen inferior era stabilită la1,8 milioane de ani, trebuie reactualizate pe baza noii Scări geocronologice a Cuaternarului,adoptată la Congresul geologic mondial de la Oslo în 2008, conform căreia această limită afost coborâtă la 2,6 milioane de ani. Având în vedere că reperele magnetostratigrafice se

păstrează în ciuda schimbărilor intervenite în poziționarea pe scara geologică, majoritateacercetătorilor consider ă că atât “Stratele de Cândeşti” cât şi “Stratele de Fr ătești” reprezintă

pragul de trecere între Neogen și Cuaternar în Depresiunea Subcarpatică, respectiv CâmpiaRomână şi partea sudică a Podişului Moldovenesc.

Sistemul acvifer cu dezvoltare regională, redenumit convenţional "Sistemul acvifer alStratelor de Fr ăteşti - Cândeşti" după stratotipurile formaţiunilor care îl cantonează,delimitat anterior între V. Oltului şi V. Buzăului, pe o suprafaţă de 32000 km2, a fost extins şi


15/101


cercetat amănunţit în cadrul prezentei teze de doctorat până la V. Trotuşului şi V. Prutului,limita nordică a extinderii fiind fixată pe criterii geologice şi hidrogeologice pe traseul FalieiOancea-Adjud, care separ ă Platforma Covurlui de Depresiunea Bârladului. Această nouă delimitare, în care sistemul acvifer are o suprafaţă de 42.493 km2, corespunde ariei dedezvoltare a formaţiuniunilor de Fr ăteşti şi Cândeşti, din care a fost exceptată zona de la est

de R. Prut, pentru care nu există informaţii, precum şi zona de la vest de râul Olt(corespunzătoare câmpiei şi zonei colinare din Oltenia), unde ambele formațiuni se ridică deasupra nivelului de eroziune regional, determinat de rîurile Olt și Jiu, cantonând doaracvifere freatice de importanță locală.

Fig. 1 - Plan de situaţie cu forajele reprezentative şi orientarea secţiunilor hidrogeologice realizate.

Au fost prelucrate, corelate şi interpretate datele de execuţie a 313 foraje reprezentative ,dintre care 49 foraje de prospecţiune şi explorare pentru hidrocarburi, 148 f oraje de studiu

pentru acviferele de adâncime, 18 foraje din reţeaua hidrogeologică de stat pentru acviferelefreatice şi 98 de foraje la diferiţi utilizatori de apă (Fig. nr.1). Pe baza acestor date şi a foilorcorespunzătoare ale Hăr ţii geologice 1:200.000, au fost realizate 19 secţiuni hidrogeologiceorientative având scara orizontală 1:400.000 şi scara verticală 1:4000, care ofer ă imagineadezvoltării spaţiale a sistemului acvifer şi care au completat şi detaliat modelul conceptualconturat prin asamblarea datelor din literatura de specialitate.

Imaginea structurală generală rezultată din analiza datelor prelucrate este cea a unei afundări

a depozitelor spre contactul Depresiunii Subcarpatice cu Platforma Moesică. In cadrulPlatformei Moesice, sistemul acvifer se afundă de la sud spre nord şi nord-est. In cadrulPlatformei Covurlui, se remarcă de asemenea o afundare către avanfosa carpatică, pe direcţiaest-vest. In zona Depresiunii Subcarpatice, sistemul acvifer prezintă căderi de la nord spresud, respectiv de la vest spre est, mult mai accentuate faţă de înclinările din zona PlatformeiMoesice sau din zona Platformei Covurlui (Fig. nr.2). Sistemul acvifer al Stratelor deFr ăteşti-Cândeşti este o structur ă hidrogeologică unitar ă, care se alimentează natural din

precipitaţii şi din cursurile de apă în zona marginală de la nord şi nord-vest unde aflorează Stratele de Cândeşti, şi se descarcă artificial pe întreg arealul de dezvoltare, prin cele peste6000 de foraje de exploatare, iar natural în zona marginală de la sud şi sud-est, fiind drenată de unele râuri (Olt, Vedea,Teleorman, Cîlniştea, Neajlov, Argeş, în partea inferioar ă a acestorcursuri de apă) şi de terasele Dunării. In cea mai mare parte a sistemului acvifer, curgerea


16/101


este sub presiune, iar în zonele marginale de alimentare şi descărcare naturală, apelesubterane au nivel liber.

La scar ă regională, sistemul acvifer funcționează în regim cvasistaționar, fapt confirmat denivelurile piezometrice constante sau cu variaţii foarte mici în timp înregistrate în forajeleReţelei hidrogeologice naţionale. A pa furnizată de forajele de exploatare este, în general,

potabilă, de cea mai bună calitate. Există zone în care se înregistrează depăşiri la anumiţi parametri (amoniu, cloruri, fosfaţi, sulfaţi) în principal datorate variaţiei fondului geochimicnatural, dar şi, în unele cazuri, drenării apelor poluate din alte structuri, direct sau prin forajeincorect realizate.

Fig.2 - Secţiuni hidrogeologice N-S:1-2 Căzăneşti-Gura Padinei; 15-16 Coţofeneşti-Giugiu; 25-26 Adjud-Cuza Vodă.


17/101


Problemele teoretice ale implementării prevederilor europene în domeniul apelor subterane,cât şi aspectele practice au fost exemplificate prin aplicarea lor în cazul celor mai importantecorpuri de apă subterană raportate de România, şi anume ROAG12 - Depresiunea Valahă deEst şi ROAG13 - Bucureşti, ambele cantonate în Sistemul acvifer al Stratelor de Fr ăteşti -Cândeşti. Principalele acţiuni întreprinse au fost delimitarea și caracterizarea corpurilor de

ape subterane corespunzătoare Sistemului acvifer al Stratelor de Fr ătești - Cândești șialocarea lor în scopuri manageriale, realizarea bazelor de date privind calitatea apelorsubterane, stabilirea valorilor de prag și evaluarea stării acestor corpuri de ape subterane.

3. Realizarea modelului de curgere şi transport pentru Sistemul acvifer al Stratelor deFrătești - Cândești

In vederea cunoaşterii aprofundate a comportamentului acestei hidrostructuri a fost realizatmodelul numeric bidimensional al curgerii şi al transportului masic pentru întregul Sistemacvifer al Stratelor de Fr ătești-Cândești aflat sub presiune. Pentru construcţia modelului a fostutilizat software-ul GMS 4.0 - modulele MODFLOW şi MODPATH. Etapele de realizare aacestui model matematic au constat in prelucrarea şi introducerea în GIS a datelor celor 313foraje de referinţă, fundamentarea matematică şi modelul conceptual, construirea hăr ţilor cuhidroizopieze şi cu izobate la coperişul şi culcuşul sistemului acvifer şi cu calibrarea modelului.

Punct

observatieX Y

Nivel

masurat

Nivel

calculatdH

PO 1 495117.11 290766.41 80.00 80.94 0.94

PO 2 545378.46 297455.72 76.00 75.40 -0.60

PO 3 484107.06 376413.16 300.00 299.11 -0.89

PO 4 518210.62 355755.37 206.00 206.66 0.66

PO 5 511431.42 326390.43 137.00 136.64 -0.36

PO 6 542332.99 379149.35 249.00 249.55 0.55

PO 7 682834.31 412246.14 42.00 41.88 -0.12

PO 8 666837.65 310952.59 23.00 22.15 -0.85

PO 9 665360.27 459022.03 103.00 103.04 0.04

PO 10 654614.00 412742.15 96.00 96.81 0.81

PO 11 691778.81 362451.95 15.00 14.65 -0.35

PO 12 688100.18 327890.76 21.00 21.17 0.17

PO 13 476831.93 307350.50 105.00 105.38 0.38

PO 14 551532.90 369930.10 200.00 199.76 -0.24

PO 15 580040.82 299301.63 50.00 51.07 1.07

PO 16 480252.70 309230.74 110.00 109.85 -0.15

PO 17 510600.29 374185.35 288.00 288.65 0.65

PO 18 559504.66 368173.32 171.00 170.26 -0.74

PO 19 659656.67 475082.90 144.00 144.37 0.37

PO 20 721724.19 449130.53 26.00 26.71 0.71

PO 21 661791.45 413721.42 89.00 88.01 -0.99

PO 22 687666.82 486506.66 48.00 48.48 0.48

PO 23 594079.19 300965.81 42.00 41.10 -0.90

PO 24 628929.34 307548.48 27.00 27.00 0.00

PO 25 685487.51 315933.36 21.00 20.03 -0.97

Eroarea de calcul a modelului de

curgere - sub valoarea de 1 m

Fig.3 - Calibrarea modelului, niveluri măsurate versus niveluri calculate.

Potrivit modelului matematic de curgere creat, acviferul este alimentat din zona subcarpatică,

afluxul de apă subterană (alimentarea naturală) în zona modelată fiind de 12 595 l/s, debitultotal extras prin foraje de 2600 l/s iar descărcările naturale de 9 990 l/s.


18/101


Cu ajutorul modelului de curgere realizat s-au rulat în zona Municipiului Bucureşti diferitescenarii constând în extragerea unor debite suplimentare diferite cu noi fronturi de forajeamplasate în diferite locaţii, evaluându-se efectele asupra sistemului acvifer.

Rezultatele finale au ar ătat că începând cu extragerea unui debit suplimentar total de 3200 l/s, prin două fronturi de foraje amplasate în sud-estul şi nord-vestul Capitalei în zona fostelormari platforme industriale, scenariu care reconstituie aproximativ situaţia anilor 1980-1990,se formează o zonă depresionar ă neregulată care conduce la atragerea oricărei poluăriexistente la confluenţa Neajlovului cu Argeşul către Bucureşti. Aceasta dovedeşte că cercetările efectuate anterior sunt corecte şi că debitele ce pot fi exploatate în zona Bucureştinu sunt limitate doar de considerentele menţinerii în bună stare de funcţionare a forajelor deexploatare, ci şi de cele ale protejării calităţii apelor din sistemul acvifer.

a)

b)

c)

d)

Fig.4 - Introducerea unui front de foraje în sudul Capitalei - a), şi simularea extracţiei unor debite suplimentare de b) 800 l/s; c) 1200 l/s şi d) 1600 l/s.

Fig.5 - Influenţa exploatării, prin două fronturi de foraje amplasate în vestul şi în estul Capitalei, aunui debit suplimentar de 3200 l/s.

Pentru simularea evoluţiei poluării în zona de maxim interes, s-au amplasat sursele ipoteticede poluare atât la suprafaţa terenului, în extremitatea de sud a zonei modelate, acolo underâurile Neajlov şi Argeş au erodat par ţial sistemul acvifer, iar aluviunile acestora intr ă încontact direct cu stratele permeabile, cât şi în foraje existente în zonele de la sud şi de la vestde Municipiul Bucureşti.

Având în vedere că debitele exploatate din Sistemul acvifer al Stratelor de Fr ăteşti-Cândeştiîn zona Bucureşti au scăzut continuu din anii '90 până în prezent, unele degradări ale calităţiiapelor acestuia în foraje din sudul Capitalei nu poate fi totuşi explicată prin antrenarea către


19/101


nord a poluanţilor din lunca Neajlovului, ci doar prin execuţia defectuoasă a unor foraje sau prin descărcări ilegale în foraje abandonate şi neînchise corespunzător. In ambele cazuri,forajele pot constitui calea de pătrundere a poluanţilor în sistemul acvifer, iar propagarea

poluării, simulată prin scenariile de transport prezentate în cadrul tezei, se face în principal pedirecţia naturală de curgere către limita de sud şi sud-est a sistemului acvifer, iar în secundar

spre zonele mai intens exploatate.

a)

b)

c)

d)

Fig.6 - Avansarea penelor de poluare cu originea în lunca Neajlovului, la anumite intervale de timp: a)10 ani; b) 20ani; c)30 ani; d)100 ani, la exploatarea unui debit suplimentar de 3500 l/s la limita de nord-est a Capitalei.

a) c)b)

b)

b)

d)

Fig.4 - Avansarea penei de poluare cu originea prezumată în F 252 la diferite intervale de timp: a) după 10 ani; b) după 20 ani; c) după 30 ani; d) după 50 ani, în condiţiile exploatării unui debit suplimentar de 1600 l/s la

limita de sud a Capitalei.

4. Concluzii şi propuneri pentru îmbunătățirea managementului apelor subterane

In concluzie, aşa cum reiese din cercetările şi simulările efectuate, pericolul principal lacare este expus în prezent Sistemul acvifer al Stratelor de Fr ăteşti - Cândeşti este

poluarea prin intermediul forajelor executate defectuos sau abandonate şinesupravegheate. Acest pericol este foarte mare mai ales pe teritoriul Municipiului


20/101


Bucureşti, unde calitatea acviferului freatic, cantonat în Pietrişurile de Colentina, estedeja compromisă datorită activităţilor desf ăşurate în trecut pe marile platformeindustriale şi pierderilor continue din reţeaua de canalizare. Unele foraje care captează sistemul acvifer studiat în sudul Capitalei au început să prezinte depăşiri la amoniu(NH4

+). Pentru a preveni sau a stopa fenomene cum sunt cele menţionate mai sus este

necesar ă în primul rând o mai bună cunoaştere şi gestionare a situaţiei forajelor.De aceea o primă propunere este inventarierea pe teren a forajelor care deschid Sistemulacvifer al Stratelor de Fr ăteşti - Cândeşti, cu identificarea deţinătorilor actuali şicontrolul documentaţiei de execuţie.

Odată identificaţi deţinătorii, este necesar ca forajele în funcţiune să fie contorizate, iarcele nefolosite să fie trecute în conservare cu montarea unor capace sudate, prevăzute cusigiliu (a doua propunere). Numai astfel va exista siguranţa că volumele de apă consumate anual, înregistrate în evidenţele Administraţiei Naţionale "Apele Române",reflectă într-adevăr realitatea, iar resursa disponibilă poate fi evaluată cu precizie.

A treia propunere este cea ca forajele abandonate şi cele defectuos executate să fiecasate conform unei metodologii specifice, astfel încât să fie reconstituită continuitateastratelor acvifere captate, dar mai ales, pe cât posibil, izolarea naturală între ele.

A patra propunere se refer ă la avizarea şi autorizarea de noi foraje care să captezesistemul acvifer studiat, procedur ă care ar trebui să fie mult mai restrictivă decât în

prezent. Incă din anii '80, autorităţile de gospodărirea apelor au interzis captareaSistemului acvifer al Stratelor de Fr ăteşti - Cândeşti în scopuri industriale, cu excepţiaindustriei alimentare şi farmaceutice, rezervând această sursă de calitate superioar ă alimentării cu apă a populaţiei. Însă şi alimentarea cu apă a populaţiei poate crea

probleme, atunci când ea nu se face în sistem centralizat, ci printr-o multitudine desurse individuale. Pentru limitarea numărului de foraje, captarea Sistemului acvifer al

Stratelor de Fr ăteşti - Cândeşti pentru alimentarea cu apă a populaţiei ar trebui permisă doar prin fronturi de captare care să constituie surse ale sistemelor centralizate dealimentare cu apă a localităţilor sau a unor păr ţi din acestea, pentru surselegospodăriilor individuale autorizându-se doar captarea acviferelor superioare.

A cincea propunere este ca normativul de conţinut al documentaţiilor pentru obţinereaavizului de gospodărire a apelor să fie modificat, astfel încât să solicite nu numaistudiul hidrogeologic, ci şi proiectul de foraj. Astfel, corelarea dintre acestea va putea ficontrolată, vor fi avizate doar soluţiile constructive corecte şi vor fi respinse proiectelede foraj care nu prevăd izolarea acviferelor traversate prin cimentări în spatele coloaneide tubare, sau proiectele care prevăd captarea mai multor acvifere în acelaşi foraj.

A şasea propunere se refer ă la certificarea firmelor de foraj de către Ministerul Mediuluişi Schimbărilor Climatice şi la urmărirea activităţii acestora de către autorităţile degospodărirea apelor. În prezent, spre deosebire de alte activităţi unde se cere calificareîn profesia respectivă, pentru firmele de foraj se cere numai să aibă înregistrat acestobiect de activitate la Registrul comer ţului, ceea ce explică şi calitatea din ce în ce maiscăzută a forajelor executate în ultima perioadă.

Cu excepţia propunerii nr. 4, care este indicată doar pentru acviferele de adâncime sub presiune, acţiunile propuse mai sus ar avea efecte benefice pentru toate apele subteranedin România. Ele sunt costisitoare şi necesită specialişti şi eforturi organizatorice din

partea autorităţilor, însă, aşa cum rezultă din capitolele precedente, previn probleme a

căror soluţionare este cu mult mai costisitoare.


21/101


Referitor exclusiv la Sistemul acvifer al Stratelor de Fr ăteşti - Cândeşti, o primă măsur ă de management fundamentată de prezenta teză este extinderea Corpului de apesubterane ROAG12 până la Râul Olt, deoarece, aşa cum demonstrează modelulmatematic realizat, sectorul care în prezent este gestionat separat de AdministraţiaBazinală a Apelor Olt este parte intrinsecă a sistemului acvifer şi contribuie la curgerea

generală din toată partea de sud-vest a sistemului acvifer. De asemenea, Corpul de apesubterane ROAG13 ar trebui unificat cu Corpul de ape subterane ROAG12, având învedere că argumentele pe baza cărora a fost artificial separat au fost infirmate ca urmarea rezultatelor evaluării stării chimice şi cantitative a ambelor corpuri de ape subterane.

Având în vedere limitările prezentului studiu, consider că studierea Sistemului acviferal Stratelor de Fr ăteşti - Cândeşti trebuie aprofundată în viitor, pe măsura acumulării denoi date. Pentru aceasta ar fi necesar ă execuţia câtorva foraje hidrogeologice de studiude adâncime în zona de contact a celor două formaţiuni componente, în primul rând aunui foraj de studiu de cca. 700 m. adâncime în zona Batogu - Bordei Verde. Estenecesar ca cercetările să fie continuate, în principal în direcţia clarificării relaţiilor cu

acviferele situate deasupra şi dedesubtul Sistemului acvifer al Stratelor de Fr ăteşti -Cândeşti, din care, în cazul creşterii debitelor exploatate, s-ar putea atrage prin drenanţă ape cu chimism necorespunzător. O altă direcţie de cercetare, cerută de altfel şi deDirectiva-cadru a Apelor, ar fi determinarea aportului sistemului acvifer la curgerea de

bază în zonele de vărsare ale Oltului, Vedei, Teleormanului, Câlniştei, Neajlovului şiArgeşului, unde aluviunile acestor râuri intr ă în contact cu stratele acvifere alesistemului studiat. De asemenea, ar trebui evaluată influenţa asupra ecosistemeloracvatice şi terestre din aceste zone a reducerii aportului sistemului acvifer şi chiar aatragerii în sistemul acvifer a apei din râurile menţionate, pe măsura creşterii debitelorexploatate.

Studierea prevederilor directivelor europene şi a aplicării lor a contribuit la formulareaunor propuneri generale legate de implementarea cerinţelor europene, cu efect pozitivasupra managementului apelor subterane.

Astfel, realizarea etapizată a modelelor numerice ale curgerii şi transportului de poluanţi în toate corpurile de ape subterane delimitate în România este necesar ă înalegerea măsurilor pentru menţinerea/restabilirea stării bune, putând anticipa astfelefectele diferitelor măsuri propuse. Indeosebi evaluarea efectelor schimbărilor climaticeasupra apelor subterane şi includerea măsurilor de atenuare a acestor efecte în

programele asociate următoarelor planuri de management pe bazine hidrografice esteimposibil de realizat f ăr ă a dispune de astfel de modele.

O altă propunere ar fi identificarea tendinţelor crescătoare în concentraţia poluanţilor pentru toate corpurile de ape subterane unde au fost înregistrate depăşiri alestandardelor de calitate şi ale valorilor de prag, şi nu numai pentru corpurile declarate înstare chimică slabă, tocmai pentru a împiedica şi alte corpuri de ape subterane să sedeterioreze. Pentru calculul acestor tendinţe, este necesar ă păstrarea tuturor forajelor demonitorizare în Manualul anual de operare al Programului de monitoring, pentru a puteadispune de serii de timp cât mai lungi.

Bibliografie

[1] Administraţia Naţională “Apele Române”, 2010. Planul naţional de management al apelor.[2] Administraţia Naţională “Apele Române”, 2012. Balanţa apei pe anul 2011.

[3] Administraţia Naţională “Apele Române”, 2012. Sinteza calităţii apelor pe anul 2011.[4] Administraţia Bazinală a Apelor Argeş – Vedea, 2009 Planul de management al districtului de bazin


22/101


hidrografic Argeş – Vedea.[5] Bretotean M., 1996. Analiza sistemelor acvifere subterane prin modelare matematică în scopul evaluării

resurselor de apă. Teza de doctorat, Universitatea din Bucureşti – Facultatea de Geologie şi Geofizică.[6] Constantinescu, T. (1972) Datarea apelor subterane cu ajutorul izotopilor naturali, cu aplicare în cercetarea

apelor subterane din zona Bucureşti şi Câmpia Română. Studii de Hidrogeologie IX, INMH, Bucureşti, p. 1 – 228.

[7] Dassargues, A., 1995. Modeles mathematiques en hydrogeologie. Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti.[8] Dr ăghiceanu, M., 1895. Studii asupra idrologiei subterane din punctul de vedere al alimentarei oraşelor din

România Mare, cu privire specială asupra alimentarei Bucurescilor. Imprimeria Cur ţii Regale F. Gobl,Bucureşti.

[9] Dr ăghiceanu, M., 1895. Coup d’oeil sommaire sur l’hydrologie souterraine de la Plaine Roumaine au pointde vue de l’alimentation de Bucarest. Imprimeria Cur ţii Regale F. Gobl, Bucureşti.

[10] Drobot, R. (1982) Groundwater Resources Management by Mathematical Models. 4-th Intern Conf. onWater Resources, Planning and Management v. I. , Marseille.

[11] Gheorghe, Al., Zamfirescu, Fl., Scr ădeanu, D., Albu, M. (1988) Aplicaţii şi probleme de hidrogeologie,Edit. Univ. Bucureşti.

[12] Liteanu E., (1952) Geologia zonei oraşului Bucureşti. Studii Tehnice si Economice, E/1, p. 3-80, Bucureşti.[13] Munteanu M.T., 2006. Geologia păr ţii de sud a Platformei Covurlui. Teza de doctorat, Universitatea "Al. I.

Cuza" din Iaşi – Facultatea de Geografie şi Geologie.[14] Radu E., Bălăeţ Ruxandra, 2009. Determinarea fondului natural si a valorilor de prag pentru apele subterane

din Romania, Revista Hidrogeologia 2009[15] Radu E., Bălăeţ Ruxandra, Vliegenthart F., Schipper P., 2010. Derivation of Threshold Values for

Groundwater in Romania, in order to Distinguish Point &Diffuse Pollution from Natural BackgroundLevels, Environmental Engineering Research - Journal of the Korean Society of Environmental Engineers

– Volume 15 Number 2, June 2010, p. 85-91, Seul.


23/101


ACȚIUNEA UNDEI DE INUNDAȚIE ASUPRA PILELOR DE POD

FLOOD WAVE ACTION ON BRIDGE PIERS

EDUARD-GEORGE CR ĂCIUN1

Rezumat : Pentru un canal prin care curge un debit de apă controlat, unda de inunda ț ie este fenomenul produs la ruperea unui baraj sau ridicarea bruscă a unor stavile. Debitul este foartemare în acest caz, când în albia râului curge, în mod curent, un debit foarte mic sau chiar nul.

Pentru observarea evolu ț iei în timp a undei de viitur ă precum și efectele sale asupra pilelor de pod au fost efectuate experimente de laborator. În cadrul acestor experimente s-au folosit două tipuri de pile: una cu sec ț iune circular ă și o pila cu sec ț iune lamelar ă. Deasemenea, au fostobservate și notate modificările patului canalului în zona pilelor cât și în aval de pile, pe zonainfluen ț at ă de prezen ț a obstacolului aflat în mijlocul curentului de apă.

Cuvinte cheie: inundație, undă, pile pod, experimente, evoluție afuiere

Abstract: For a channel through which flows a controlled water flow, flood wave is the phenomenon produced due to a dam failure or sudden lifting of gates. Flow is very high in thiscase, when the creek flows, currently, a very low or zero flow. To observe the evolution in time ofthe flood wave and its effects on bridge piers were conducted laboratory experiments. In theseexperiments, there were used two types of piers: one with circular section and another lamellar

pier. Also, have been observed and noted changes in the channel bed around and downstream piers, in the area influenced by the presence of the obstacle located in the middle of the watercurrent.

Keywords: flood, wave, bridge piers, experiments, scour evolution

1. Introducere

În plan internațional, din informațiile acumulate în ultimile decenii, reiese că o serie de țări de pe întreg cuprinsul globului au suferit pagube datorate capriciilor vremii, atât inundații cât șiincendii.

De exemplu, în timpul inundațiilor din 1985-1987, în America, zona New-York-ului, 17 poduri au suferit avarii datorate afuierilor. În 1973 din 383 poduri avariate de inundații, 25%au avut cedări ale pilelor și 75% au înregistrat cedări ale culeelor.

În țările Europei de vest, cum ar fi Franța, Anglia, Germania, Spania, Italia s-au înregistrat, înultima perioadă, probleme la poduri, în mare parte datorate afuierilor produse în urma unor

inundații.În Asia, problemele majore apărute în ultima perioadă au fost provocate de tzunami, care aumăturat în calea lor tot ce au întâlnit.

România s-a confruntat, de curând, cu cele mai mari inundații din ultimii 50 de ani. În anul2005, la inundațiile din aprilie-mai și mai apoi la cele din iulie-august, o serie de poduri auavut de suferit. Legat strict de problema podurilor, exceptând pagubele provocate înagricultur ă sau în plan social, aceste inundații au avut ca efect producerea unor degradări

1 Drd. ing. Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti (PhD candidate, Technical University of Civil

Engineering), Facultatea de Hidrotehnică (Faculty of Hydrotechnics), e-mail: [email protected] de specialitate: Prof. univ. dr. ing. Anton Anton, Universitatea Tehnică de Construcții București(Professor PhD, Technical University of Civil Engineering Bucharest).


24/101


majore la poduri, o parte din ele ajungând la starea de colaps și cedarea definitivă. Cauzelecedării podurilor au fost atât naturale cât și umane.

2. Cauze și efecte ale inundațiilor

Ploile abundente au condus la formarea viiturilor care au produs afuieri în zonainfrastructurilor podurilor, atât la pile cât și la culei. Necur ățarea albiilor de arbori și plutitoria condus la creșterea vitezei de curgere datorită obtur ării.

Modificarea cursului de apă din cauze naturale a fost alt factor ce a condus la producereaafuierilor și mai departe la cedarea podurilor.

Realizarea unor lucr ări în albie sau în apropierea podurilor, sau modificarea cotei talvegului prinexcavații sau lucr ări în imediata vecinătate a podului, au condus la dezvelirea fundațiilor prinantrenarea materialului din albie. Efectul a fost devastator în special la podurile fundate direct.

Nerespectarea prevederilor din proiect, în faza de execuție, de către firma constructoare este

un alt motiv pentru care podurile au cedat. Această situație este, în principiu, mai rar intâlnită.O altă situație întălnită este nerealizarea la timp a lucr ărilor de protecție pentru poduri. Dindiverse motive, financiare, sociale, naturale, lucr ările de protecție prevăzute în diverse

proiecte nu mai sunt executate după construcția sau reparația podului. Apa actionează distructiv asupra lucr ărilor, motiv pentru care amânarea sau neexecutarea la timp a acestorlucr ări, sau altfel decât au fost prevăzute în proiect, conduce la efecte negative asupra

podurilor.

3. Descrierea undei de inundație

Unda de inudație prezintă un front abrupt, cu caracter de salt, urmat de corpul undei, cumiscare gradual variată. Tratarea ei se face prin combinarea rezultatelor obținute la analizavitezei și înalțimii saltului de amplitudine finită, pe de o parte, și ecuațiile mișcăriinepermanente gradual variate.

Frontul de undă se deplasează pe un pat uscat. Rezistența întâmpinată de acesta este foartemare datorită frecării cu terenul. Forma acestuia este o parabolă descrisă de ecuația Saint-Vernant:

h

y

ght

x32

(1)

Axa parabolei este verticală iar vârful ei este la fundul albiei.În punctul “y1“ în care parabola, descrisă de suprafața apei, intersectează verticala avem:

h y9

41 ghV 3

21

2/3

27

8 ghq (2)

unde : h – înalțimea curentului;

V 1 – viteza curentului;

q – debitul specific;


25/101


Fig. 1 - Unda de inundație

Viteza apei într-un punct “C” de la baza este gh2 iar a unui punct “A” de la nivelul

superior este gh . Notând cu “B” punctul de intersecție al parabolei cu planul vertical cedescrie poziția inițială a undei, rezultă că punctul a se deplasează spre amonte iar punctul C

spre aval. Poziția efectivă a punctului C nu este în vârful parabolei ci mai în urmă. Aceasta sedatorează frecării cu terenul.

În cazul unei breșe de lațime “b” într-un dig de apărare sau baraj de retenție, debitulinundației într-o vale cu lățimea “B” este:

2/34/1

27

8h g b

b

BQ

(3)

Forma undei de inundație o are și suprafața de separație dintre doi curenți de densități diferitece curg printr-o albie. Curentul cu densitate mai mare îl urmează pe cel cu densitate mai mică

și pătrunde ca o pană pe sub acesta. Viteza frontului la baza undei este h g ' unde g’ este

diferența de densitate. Datorită creșterii for țelor de frecare ce se exercită la suprafața deseparație dintre cele două straturi, această viteză scade în timp.

4. Experimente de laborator

Au fost efectuate experimente de laborator pentru observarea evoluției în timp a afuierii în jurul pilelor de pod. În cadrul experimentelor s-au folosit două tipuri de pile: două pile cusecțiune circular ă dar diametre diferite și una cu secțiune lamelar ă cu grosimea egala cudiametrul primei pile circulare. Acestea au fost poziționate într-un canal cu panta variabilă și

pereți vitrați. Patul canalului a fost din nisip cu dimensiunea medie a particulelor d50 =

0.20mm. În toate experimentele s-a folosit apă curată, f ăr ă transport de sedimente. Pilele aufost supuse acțiunii a trei debite de apă.

Pentru fiecare situație în parte a fost monitorizată evoluția în timp a afuierilor și modificarea patului albiei. Au fost măsurate dimensiunile gropii de afuiere atât pe verticală cât și în plan.

4.1. Experiment 1. Pila circulară supusă acțiunii unei unde de viitură

Varianta 1. Pila circular ă cu afuierea măsurată la experimentul 1a, la 40 min după ce s-atrecut la treapta a treia de debit, este supusă unei unde de viitur ă. Simularea acesteia serealizează prin introducerea în zona dintre canal și bazinul de liniștire a unei stavile. După ceapa se acumulează în bazin se ridică stavila și se observă evoluția afuierilor. Acestea au

crescut de la 10mm la 13mm imediat după trecerea vârfului de viitura. Antrenarea


26/101


particulelor se face în special din zona amonte de pila. După o perioada de timp afuierea s-astabilizat la valoarea de 11mm.

Dupa o ora și 10 minute se ajunge la situația din figura 2: vârful primului riflu este la 72.5mmde fața aval a pilei iar înalțimea maximă a acestuia este de 7.5mm. La distanța de 115 mm dela fața aval a pilei s-a format al doilea riflu cu înalțimea maximă de 3mm .

La fiecare simulare a undei de viitur ă se constată că afuierea creste cu 3-4 mm în timpulviiturii. După o perioadă de timp de la trecerea acesteia, afuierea se stabilizează la o valoarecu aproximativ 1mm mai mare decât valoarea măsurată înaintea viiturii.

Fig. 2 - La 70min de la trecerea la treapta a treia de debit

Varianta 2 Pila circular ă este poziționată la mijlocul canalului și se dă drumul la apa, latreapta 1 de debit. După ce afuierea se stabilizează se trece la simularea undei de viitur ă.Aceasta se realizează prin poziționarea unei stavile între canal și bazinul de liniștire, astfelîncat debitul la intrarea pe canal să fie redus. Când nivelul apei în bazinul de liniștire a

crescut la peste 80% din capacitatea maximă, se îndepărtează stavila. S-au f ăcut măsur ătoriimediat după trecerea debitului maxim dar și în timp, pentru a se observa evoluția afuierilorcând debitul revine la o valoare constantă în timp.

La 40 minute după trecerea viiturii, profilul în lungul albiei ar ăta ca în figura următoare:

Fig. 3 - La 40min de la trecerea viiturii

4.2. Experiment 2. Pila lamelară atacată sub un unghi α de către un curent de apă

Pila lamelar ă, prevăzută cu avantbec și arierbec este atacată sub un unghi α de către un curent

de apa. După stabilizarea afuierilor, pentru un debit constant în timp, se trece la deviereacurentului. Aceasta se realizează prin introducerea în canal a unei lamele verticale (deviator)


27/101


care face un unghi de 10º cu peretele canalului. Scopul este urmărirea evoluției afuierilor în jurul pilei și a modificărilor survenite în patului albiei între deviator și pilă, și în aval de pilă (lungimea pe care se propagă modificarea patului albiei).

Experiment 2.1 – deviatorul montat la intrarea în canal

Lamela are dimensiunea de 10 cm. Secțiunea în care lamela atinge peretele canalului estechiar intrarea în canal. S-a constatat că în cazul în care distanța între pila și secțiunea în carecurentul este deviat de la cursul rectiliniu este mare, fenomenul de afuiere influen țează patulalbiei în imediata vecinătate a pilei. Afuierea măsurată în acest caz a fost de 10mm. Zonaafuiată este partea amonte a pilei.

Fig. 4 - Patul albiei după introducerea unui deviator de curent la capătul canalului

Experiment 2.2 – deviatorul montat la 25cm de axul pilei

Lamela are dimensiunea de 10 cm. Secțiunea în care lamela atinge peretele canalului se aflala 25cm fata de secțiunea din axul pilei. Deviatorul este poziționat pe peretele din stânga(privind în sensul de curgere). Prezența deviatorului modifică profund forma patului albieiatât în amonte de pilă cât și aval. Afuierea a ajuns la 1.1cm. Vârtejurile formate datorită deviatorului antrenează atât particulele din jurul pilei cât și particulele din amonte.

Pe partea dreaptă a canalului se observă eroziuni puternice ale patului și ușoare depuneri înapropierea peretelui, pe latura din stânga, în dreptul pilei. Vârtejurile formate în jurul pileiantrenează material din zona amonte dreapta a pilei și depunere în zona aval stânga.

Fig. 5 - Vedere din lateral Fig. 6 - Vedere din amonte

Pe fata amonte dreapta afuierea este de 20mm iar pe fața aval stânga depunerea este de 5mm

Experiment 2.3 - Pila lamelar ă supusă actiunii unei unde de viitur ă

Experimentul are ca scop observarea modificarii patului albiei în jurul pilei lamelare atacatede o undă de viitur ă. Se pornește cu un debit corespunzător treptei a treia și după 10 minute

se observă o afuiere de 5.5mm. Zona influențată de prezența pilei are 12mm în amonte de pilași 15mm în aval.


28/101


Profilul albiei arată ca în figura următoare:

15

8 . 5

5 . 5

12 7 9

3 5

amonteaval

Fig. 7 - La 10 minute de la începerea experimentului

Fig. 8 - La t=10 minute Fig. 9 - În timpul viiturii

În momentul imediat următor viiturii, afuierea măsurată este de 10 mm.

Fig. 10 - După viitur ă, când afuierea s-a stabilizat

În timpul viiturii, afuierea a crescut semnificativ pentru o perioada foarte scurtă de timp.

Zona din aval influențată de prezența pilei a crescut la 15cm.

Vedere din stanga Vedere din amonteFig. 11 - După 20 min de la viitur ă


29/101


Viitura a trasnportat din amonte o cantitate mare de material granular din patul canaluluiastfel încât, după trecerea vârfului de viitur ă, materialul transportat a fost depus în groapaformată în amonte de pila, iar afuierera măsurată a fost de 10mm. După 20 de minute de latrecerea undei de viitur ă, când debitul a revenit la o valoare constantă în timp, s-a înregistrat oafuiere de 11mm, valoare care s-a menținut în timp. Zona influențată de prezența pilei a fost

de 16mm pe fiecare parte (dreapta și stânga) a pilei.

5. Concluzii

Toate măsur ătorile s-au f ăcut considerând valori constante în timp pentru fiecare treaptă de debit.

În general, în amonte și aval de fundație s-au produs eroziuni sub formă de gropi urmate dezone cu depunere de material. Aceste modificări ale patului albiei sunt provocate devârtejurile care se formează odată cu desprinderea stratului limită generat de prezența pilei încurentul de apă. Vârtejurile formate în jurul pilei sunt atât în plan orizontal cât și vertical.Vârtejurile apar în vecinătatea pilei, și se propagă în aval pe distanțe mari, în funcție de debit

și de viteza curentului de apă.Modificarea debitului, respectiv creșterea bruscă a acestuia, în ipoteza unui debit foarte marede apă (viitur ă) ce urmează unui debit redus de apă (perioadă/anotimp mai secetos) generează accentuarea temporar ă a afuierilor, în vecinătatea pilei, atât în zona aval cât și amonte(experimente 1b și 2d). Afuierile oscilează în timp datorită deformării patului albiei, însă această situație se realizează numai pe perioada viiturilor.

Afuierile maxime se ating în momentul producerii viiturii. După trecerea viiturii, când debitulrevine la o valoare aproximativ constantă în timp, se constată depuneri de material înimediata vecinătate a pilei. În acest caz, adâncimea afuierii revine aproape de valoareamăsurată înaintea viiturii dar se menține la o valoare mai mare decât în cazul unei creșteri

mai lente a debitului.Fenomenul curgerii asociat cu afuierea locală produsă în jurul pilei podului este extrem decomplicată, fiind caracterizată de mișcarea turbulentă tridimensională. Metoda tipică deevaluare a adâncimii de afuiere constă în relații empirice determinate pe baza experimentelordin laborator.

Rezultatele experimentelor pot fi folosite la calibrarea unui model matematic cu elementefinite prin care se poate analiza deplasarea, în timp, a particulelor din patul albiei.

Bibliografie

[1] Mateescu, C. - Hidraulica construcțiilor, Vol I, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1963[2] Cioc, D. - Hidraulică, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1983[3] Iamandi, C., Petrescu, V., Anton, A. - Mecanica fluidelor, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1978[4] Armfield - Sediment Transport Demonstration Channel - Technical Teaching Equipment,

http://www.armfield.co.uk


30/101


EFECTUL PREZENȚEI SALTULUI HIDRAULIC ASUPRADIMENSIONARII COLECTOARELOR DE CANALIZARE

THE IMPACT OF HYDRAULIC JUMP PRESENCE ON THE SIZE OFTHE SEWERAGE COLLECTORS

MIHAELA LUIZA DUMBRAVA 1

Rezumat: Conform standardelor în vigoare, dimensionarea hidraulică a re ţ elei de canalizare se face în condi ţ ii simplificate; procedura de calcul prevede utilizarea ipotezei de mi şcare uniformă pe toat ă lungimea unui colector. Acest mod de calcul are desigur avantajul simplit ă ţ ii dar, pe dealt ă parte, el nu corespunde realit ă ţ ii. În cazul racord ării cu salt hidraulic când acesta se

produce pe canalul rapid din amonte, dacă se urmează procedura standard de calcul, diametrultubului se alege în funcț ie de adâncimea normala N, în timp ce în realitate, prin prezenț a saltuluihidraulic, adâncimile sunt cu mult mai mari şi tubul se poate pune sub presiune. Pentrudimensionarea corect ă a colectoarelor aflate în aceast ă situaț ie se impune efectuarea unui calculexact, folosind programe de calcul moderne care să ț ină seama de ne-uniformitatea curgerii,inclusiv prin apariț ia saltului hidraulic.

Cuvinte cheie: mișcarea uniforma, regim permanent, saltul hidraulic, numărul Froude

Abstract : In accordance with the existing standards, the hydraulic dimensioning of the sewage system shall be made under simplified conditions; the calculation procedure provides usage of the uniformmovement hypothesis on the whole length of a collector. This calculation method has of course theadvantage of being simpler, but, on the other hand, it does not match the reality. In the case of ahydraulic jump presence, when it occurs on the upstream rapid channel, if the standard calculation

procedure would be followed, the tube diameter should be selected depending on the normal N depth,whilst in reality, due to the existence of the hydraulic jump, the depths are much higher and the tubecan be put under pressure. An accurate calculation is needed in order to achieve an accurate

dimensioning of collectors in this situation, by using state-of-the-art software programmes that takeinto account the non-uniformity of the movement, including the emergence of the hydraulic jump.

Keywords: uniform movement, steady state, hydraulic jump, Froude number

1. Introducere

Standardele actuale, atât cele românești cât și cele str ăine, care se refer ă la calculul curgerii întuburile de canalizare, admit ipoteza cea mai simplă și anume cea a curgerii uniforme și înregim de mișcare permanent.

Această ipoteză conduce la concluzia ne-realistă că, pe toată lungimea tubului de canalizare,

parametrii curgerii (adâncimea și viteza) păstrează valori constante și că, dacă la un momentdat tubul își schimbă fie secțiunea, fie panta, fie rugozitatea, acești parametri sufer ă omodificare bruscă.

Bazele teoretice hidraulice [1, 2] arată clar că ipoteza mișcării uniforme este corectă doar pentru cazul tuburilor cu lungime foarte mare și că la schimbarea condițiilor de curgere(secțiune, pantă, rugozitate), mișcarea devine ne-uniformă, fie gradual variată, fie rapidvariată prin apariția saltului hidraulic.

1 Drd. ing. Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, Departamentul de Hidraulică și Protecția Mediului(PhD student, Technical University of Civil Engineering, Hydraulics and Environmental Protection

Departament), e-mail: [email protected] de specialitate: Prof. univ. dr. ing. Gabriel Tatu, Universitatea Tehnică de Construcții București(Professor PhD, Technical University of Civil Engîneerîng).


31/101


2. Efectului apariției saltului hidraulic

La racordarea unui canal „rapid” cu unul „lent” apare fenomenul de mișcare rapid variată denumit „salt hidraulic” care modifică brusc adâncimile în sensul creșterii acestora de laadâncimea mai mică „de intrare în salt” la cea mai mare „de ieșire din salt”. Cele două

adâncimi poartă numele de adâncimi „conjugate” în saltul hidraulic.În articolul de fată se analizează cazul când un salt hidraulic se produce pe un canal rapid,având ca adâncime de intrare adâncimea normală pe acest canal ( figura 1).

Fig. 1 - Racordarea prin salt hidraulic pe canalul rapid (amonte)

Se urmărește evaluarea creșterii procentuale a adâncimii apei ca urmare a apariției saltului înraport cu adâncimea normala, respectiv sub-dimensionarea care rezultă din aplicarea

procedurii standardizate.

Pentru simplificarea calculelor, s-a considerat un tub de canalizare în forma de casetă, avândsecțiunea rectangular ă cu lățimea b, coeficientul de rugozitate n și panta longitudinală i,

pentru care formulele de calcul se dau mai jos.

Adâncimea critică se calculează cu formula:

h

q (1)

în care

q iar Q AC√ R√ i Făcând analiza pe o „fâșie” unitar ă cu b=1, rezultă:

A=h; P=1; R=h; V ; C

; q hi; h

;

Fr VV hh αg

1n i q ; și, apoi,

h ; (2)și

q

; (3)

Cu aceste formule, s-a f ăcut o analiză cantitativă a efectului prezenței saltului hidraulic. S-audat valori pentru Fr și i, din (3) s-a calculat q iar din (1) s-a calculat h

cr . Din (2) s-a calculat,

în final, h care reprezintă adâncimea apei în mișcare uniformă. Pentru Fr s-au ales în mod


32/101


special valori supraunitare (Fr > 1), astfel încât regimul de mișcare să fie rapid și să se producă saltul hidraulic având la intrare adâncimea h1 = h si Fr 1 = Fr; în acest caz, adâncimeade ieșire din salt este

h

1 8F r 1; (4)iar creșterea adâncimii, exprimată în procente este:

Δ% 1

1 8F r 1 1 ∗ 100 (5)

unde adâncimea de intrare în salt s-a notat cu h1 iar cea de ieșire cu h2.

Pentru α = 1.2 și un coeficient de rugozitate n = 0.016, rezultatele semnificative ale acestorformule se află în tabelul 1 si sunt reprezentate grafic în figurile 2 … 9. Ele arată, calitativ șicu aproximație și cantitativ, în ce fel depinde creșterea adâncimii (respectiv, adâncimea deieșire din salt) de cei doi parametri principali, adică numărul Froude (Fr) și pantalongitudinală (i).

Din punct de vedere practic, cel mai important este rezultatul privitor la creșterea adâncimiiΔ, care este funcție doar de numărul Froude (Fr), fiind, așa cum se vede din figura 9, propor țională cu acesta. În cazul secțiunii rectangulare analizată aici, această dependență estechiar de directă propor ționalitate.

În ceea ce privește evaluarea cantitativă, se constată că pentru valori uzuale ale numărului Froude adâncimea în canal poate depăși și cu 200% adâncimea normală la care sedimensionează acesta, conform cu metodologia actuală.

Dimensionarea tubului de canalizare folosind metoda standard de calcul bazată pe mișcareauniformă poate conduce astfel la diametre semnificativ mai mici decât cele care ar fi necesareîn realitate datorită apariției saltului hidraulic. De aceea, pentru dimensionarea corectă a

colectoarelor aflate în această situație se impune efectuarea unui calcul exact, folosind programe de calcul moderne care să țină seama de ne-uniformitatea curgerii, inclusiv prinapariția saltului hidraulic.

Tabelul 1i q Fr hcr h1 h2 Δ

(-) (m2/s) (-) (m) (m) (m) (%)

0.01 0.038701 1.2 0.056796 0.047326 0.067454 42.52972

0.01 0.390077 1.4 0.265015 0.189305 0.358782 89.526

0.01 2.887951 1.6 1.006694 0.629254 1.51338 140.5039

0.01 16.91665 1.8 3.27125 1.817443 5.364071 195.1439

0.02 0.001688 1.2 0.007037 0.005869 0.008351 42.2913

0.02 0.017336 1.4 0.033251 0.023743 0.04503 89.65483

0.02 0.126887 1.6 0.125348 0.078382 0.188382 140.3393

0.02 0.747862 1.8 0.408995 0.227225 0.670666 195.155

0.015 0.006263 1.2 0.016867 0.014051 0.020036 42.59113

0.015 0.062917 1.4 0.078527 0.056093 0.106311 89.52761

0.015 0.467002 1.6 0.298802 0.186739 0.449253 140.57790.015 2.728428 1.8 0.969272 0.538508 1.589377 195.1446


33/101


Fig. 2 - Variația adâncimilor (h1, hcr si h2) în funcție de numărul Froude, la pantă constantă (1%)

Fig. 3 - Variația adâncimilor (h1, hcr si h2) în funcție de numărul Froude, la pantă constantă (1.5%)

Fig. 4 - Variația adâncimilor (h1, hcr si h2) în funcție de numărul Froude, la pantă constantă (2%)

Fig. 5 - Variația adâncimilor (h1, hcr si h2) în funcție de panta longitudinală, la un număr Froude constant (1.2)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

A d a n c i m i ( m )

Panta

Fr= 1.2


34/101





Fig. 9 - Variația creșterii adâncimii în funcție de numărul Froude

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

A d a n c i m

i ( m )

Panta

Fr= 1.4

0

0.5

1

1.5

2

0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

A d a n c i m i ( m

)

Panta

Fr= 1.6

0

2

4

6

0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

A d a n c i m i ( m )

Panta

Fr= 1.8


35/101


3. Concluzii

Studiul de fată dovedește faptul ca un calcul conform cu procedura standardizată conduce la osubdimensionare importantă a colectorului, adâncimea normală din mișcarea uniformă fiindcu mult mai mică decât adâncimea reală.

Analiza cantitativă, efectuată pentru o secțiune prismatică, relevă în primul rând faptul că subevaluarea Δ depinde doar de numărul Froude de pe canalul rapid (care depinde desigur de

panta respectivă) și că, din punct de vedere cantitativ, ea este foarte importantă, pentrunumere Froude uzuale putând ajunge la peste 200% în raport cu adâncimea din mișcareauniformă (standardizată).

În cazul particular analizat, al secțiunii rectangulare (tip „casetă”), se mai constată că dependența Δ – Fr este liniar ă ( figura 9) și trebuie menționat faptul că pentru alte forme alesecțiunii (circulare, ovoidale, clopot) această formă nu mai este liniar ă iar calculul trebuief ăcut utilizând forma generală a funcției saltului S(h), scrisă pentru forma și dimensiunileconcrete ale secțiunii în cauză.

În ce privește lungimea curbei a2, pe care dimensiunea colectorului este subevaluată, aceastadepinde de panta canalului lent din aval și, evident, de forma și dimensiunile colectorului; eanu poate fi evaluată decât folosind un program specializat de calcul automat al mișcărilorgradual variate (curbelor de remu).

Concluzia general ă a cercet ărilor efectuate, confirmat ă prin cifre, este aceea că disconfortulcreat pentru proiectanț i prin calcule mai sofisticate, folosind programe specializate, este pedeplin justificat şi compensat de evitarea subdimensionării grave a reț elei de canalizare.

Bibliografie

[1] Cioc, D. – Hidraulica. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983.[2] Tatu, G. – Hydraulique II (french language). Université Technique de Construction de

Bucarest, 1998.


36/101


STUDII PR

utcb - buletin stiintific - 2014 - nr. 1-2

Documents