Evaporația la suprafața lacurilor în România [309462]

UNIVERSITATEA DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA DE GEOGRAFIE

TEZĂ DE DOCTORAT

EVAPORAȚIA LA SUPRAFAȚA LACURILOR

ÎN ROMÂNIA

Conducător științific:

Prof. Univ. dr. Liliana ZAHARIA

Doctorand: [anonimizat]-Iuliana STAN

București

2017

CUPRINS

INTRODUCERE

Evaporația definită ca fiind cantitatea de apă pierdută de la suprafața unui corp de apă deschid sau localizat la suprafața solului sub impactul proceselor fizice ale atmosferei (WMO, 2008), este o componentă principală a evapotranspirației. [anonimizat] (procese biologice ale plantelor prin care apa este extrasă din sol către rădăcini și condusă prin tulpina și frunze în atmosferă) (Șerban et al., 1989). [anonimizat] (Thornthwaite et al., 1939).

Componentă majoră a [anonimizat] (Preoteasa, 1984). Bilanțul apei pentru un teritoriu sau pentru un bazin hidrografic exprimă relația între cantitățile de apă intrate (aporturi) și cele ieșite (pierdute) [anonimizat], sau respectiv deficitul de apă (Gâștescu, 2006). [anonimizat] a [anonimizat] a apei, în domeniul agricol și piscicol (Preoteasa, 1984).

Pasiunea pentru cunoașterea ramurilor geografiei fizice m-a [anonimizat], [anonimizat], hidrologie și meteorologie. Interesul pentru aceast domeniu al cercetării a luat naștere odată cu începerea activității de hidrolog și ulterior de cercetător științific din cadrul Institutului Național de Hidrologie și Gospodărire a Apelor. Studiile și temele de cercetare realizate în cadrul Laboratorului de Hidrologie Experimentală (INHGA), [anonimizat]-[anonimizat] a [anonimizat].

Acest studiu surprinde analiza unei etape a [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat] : 1) analiza variabilității spațiale și temporale a evaporației de la suprafața apei lacurilor în România și 2) estimarea impactului pe care îl are variabilitatea evaporației asupra volumului de apă din lac.

[anonimizat] o controlează (Tegos et al., 2015; Jhajharia et al., 2006), [anonimizat]imici ai apei care o influențează (Dąbrowski M., 2007). Rezultatele obținute au ca scop identificarea unor metode pretabile de estimare indirectă a evaporației de la suprafața lacurilor (fie ea ecuația de regresie rezultată, sau ecuații propuse de Penman, Davydov s.a.), pe baza minimizării erorilor față de evaporația măsurată direct la nivelul plutelor evaporimetrice. Metoda identificată ca fiind pretabilă pentru tot teritoriul țării, va fi aplicată ulterior pe date meterologice preluate din bazele de date internaționale (exemplu EURO-CORDEX), în vederea estimării volumelor de apă pierdute prin evaporație și identificării eventualelor schimbări la nivelul rezervelor de apă ale lacurilor care pot afecta ecosistemele acvatice și societatea (Remini, 2006; Touchart, 2006).

Lucrarea este structurată în 3 părți, prima parte „Aspecte generale”, cuprinde un scurt istoric al cercetării evaporației la nivelul național și internațional, carcateristicile morfometrice ale lacurilor luate în studiu, precum și baza de date și metodologia utilizată în cadrul cercetării. Cea de-a doua parte denumită „Caracteristicile evaporației de la suprafața apei lacurilor din România”, prezintă variația spațio-temoprală a evaporației la nivelul țării, principalii factori climatici și morfometrici ai lacului ce influențează procesul de evaporație, precum și metodologia propusă în vederea estimării indirecte a acestui parametru.Iar cea de-a treia parte „Evaporația și bilanțul hidric al lacurilor” surprinde volumul de apă cedat prin prisma acestui proces, precum și analiza bilanțul hidric al acumulărilor Izvorul Muntelui și Fântânele (1991-2012).

Originalitatea lucrării constă în identificarea particularităților evaporației de la suprafața lacurilor atât pe baza valorificării observațiilor directe și experimentale, cât și a produselor satelitare (MOD16). Metodologia abordată a fost axată pe interpretări vizuale (a reprezentărilor grafice, a imaginilor de pe teren), dar și pe analize statistice detaliate și pe calcule de bilanț.

Lucrarea vine în sprijinul cercetătorilor din domeniul hidrologiei, dar și a celor din domeniile conexe, pentru o mai bună înțelegere a distribuției spațiale a evaporației la nivelul României, precum și a variației temporale și a tendițelor ei din ultimii 50 de ani.

Primele mele mulțumiri vreau să le adresez d-nei Prof. Univ. Dr. Liliana ZAHARIA pentru îndrumare și ajutorul acordat pe tot parcursul activității de cercetare, dar mai ales, pentru încrederea, încurajarea și șansa oferită de a colabora cu cercetători români și străini. De asemenea, cu răbdare, calm, profesionalism și meticulozitate mi-a îndrumat pașii către obținerea rezultatelor din prezenta lucrare.

Adresez mulțumiri speciale pentru îndrumare, corecturi, informații, discuțiile purtate, dar mai ales pentru susținerea oferită, dr. Gianina Neculau – șef Secție Hidrologie Experimentală, precum și conducerii Institutului Național de Hidrologie și Gospodărire a Apelor, dr. Daniela Rădulescu, dr. Viorel Chendeș și dr. Mary Jeanne Adler. Totodată, doresc să mulțumesc Institutului Național de Hidrologie și Gospodărire a Apelor pentru datele hidrologice furnizate, fără de care nu aș fi reușit să realizez această lucrare.

Mulțumesc Agenției Universitare Francofone pentru sprijinul financiar oferit pe parcursul Stagiului de Mobilitate Internațională, desfășurat în Franța (Universitatea Paris 7 și Universitatea Orleans), și bineînțeles cadrelor didactice Malika Madelin, Laurent Touchart, Nicolas Delbart, precum și colegilor doctoranzi din cadrul instituțiilor gazdă, pentru discuțiile purtate, informațiile oferite referitoare la tehnicile statistice și produsele satelitare, precum și pentru campaniile de teren efectuate.

Finalizarea lucrării nu ar fi fost posibilă fără recomandările și susținerea domnilor referenți și a membrilor comisiei de îndrumare a tezei,cărora le adresez mulțumiri speciale.

Totodată, doresc să mulțumesc pentru frumoasele colaborări, dar și pentru recomandările, corecturile, discuțiile productive și pentru susținerea oferită pe toată perioada celor trei ani de doctorat, colegilor mei: dr. Gabriela Ioana – Toroimac, dr. Gianina Neculau, drd. Sorin Mihalache, dr. Gabriel Minea și dr. Camelia Telteu.

Mulțumesc domnului Prof. Univ. Dr. Petre Gâștescu, pentru materialele bibliografice puse la dispoziție cu generozitate, precum și pentru recomandări și informațiile transmise.

Pe parcursul realizării lucrării am primit îndrumare și ajutor atât de la specialiști în domeniul hidrologie, cât și de la specialiști în domeniu climatologiei, din cadrul Administrației Naționale de Meteorologie, respectiv dr. Marius Bârsan și dr. Alexandru Dumitrescu, cărora vreau să le mulțumesc pentru discuțiile fructuoase, sugestiile și încurajările de pe tot parcursul cercetării.

De-a lungul celor trei ani, activitatea de teren, precum și informații ajutătoare au fost oferite de colegii mei din cadrul Secției Hidrologie Experimentală, Stațiilor Evaporimetrice Experimentale, precum și din cadrul Administrațiilor Bazinale de Apă Someș-Tisa, Dobrogea-Litoral și Buzău-Ialomița, cărora vreau să le mulțumesc pe această cale. În același timp vreau să multumesc pentru suportul și ajutorul oferit în realizarea hărților tematice colegului Alexandru Preda, din cadrul Laboratorului Baza De Date și GIS, precum și domnului dr. Mihai Barbuc pentru discuțiilor constructive legate de bilanțul hidric al lacurilor.

Pentru accesul la ortofotoplanuri, precum și pentru suportul și informațiile cu privire la produsele și imaginile satelitare vreau să mulțumesc dr. Ionuț Șandric (ESRI), drd. Sorin Mihalache (Institutul de Geografie), dr. Laurent Burckmann (PRODIG, Paris 7) și drd. Rémi de Matos Machado (PRODIG, Paris 7).

Doresc să adresez mulțumiri prietenilor și colegilor mei din cadrul Școlii Doctorale Simion Mehedinti, Universitatea din Bucuresti: dr. Remus Prăvălie, drd. Nicu Ciobotaru, dr. Iulian Mitof, drd. Gabriela Moroșanu, drd. Bogdan Maco, drd. Romulus Prăvălie, drd. Ruth Perju, alaturi de care am participat cu drag la conferințe naționale și internaționale și cu care am putut împărtăși bucurii, dar și probleme apărute de-a lungul perioadei de cercetare.

În final, dar nu în cele din urmă, mulțumesc din toată inima prietenului meu, familiei mele și prietenilor apropiați, pentru că au fost alături de mine și pentru că m-au susținut și m-au încurajat necondiționat.

PARTEA ÎNTÂI

ASPECTE GENERALE

CAPITOLUL 1

Repere privind cercetările anterioare asupra evaporației

1. 1. Istoricul cercetării evaporației la nivel internațional

Teorii asupra evaporației au apărut în literatura internațională, încă din secolul al XVII-lea. Printre primele informații în acest domeniu se regăsesc în lucrarea lui Dalton în anul 1802, acesta considerând evaporația ca fiind un proces influențat de viteza vântului (și presiunea de saturație a vaporilor după temperatura apei (eo) și a aerului (ea): (Jensen, 2010).

Într-o primă fază, lucările elaborate la nivel internațional au surprins diferite metode de estimare a evaporației, respectiv măsurarea directă la nivelul bazinelor evaporimetrice, metoda bilanțului radiativ, a bilantului hidrologic, metoda difuziei și combinată: Grunsky, 1931; Thornthwaite et al., 1939; Penman, 1954); Sermer, 1963; Morton, 1982; Allen et al., 1998; Xu et al., 2002. Studiile au vizat totodată și testarea diferitelor aparaturi utilizate pentru măsurarea directă a evaporației (evaporimetrul GGI 20 – suprafața 19.6 m2, dezvoltat de Uniunea Sovietica; Sunken – suprafața 10.5 m2, dezvoltat si utilizat în Istrael; evaporimetrul GGI 3000 – suprafața 0.3 m2, dezvoltat in Uniunea Sovietică, utilizat până în prezent și în România;evaporimetrul Classa A pan și evaporimetrul Colorado sunken pan – utilizate in Statele Unite ale Americii). Ulterior, estimarea evaporației de la suprafața lacurilor în baza măsurătorilor directe efectuate cu evaporimetrele mai sus menționate se va face prin aplicarea unor corecții, funcție de caracteristicile evaporimetrului și ale lacului aflat în proximitate: Young, 1947; Kohler et al. 1967; Jensen, 2010.

În America, pe baza rezultatelor obținute în lucrările elaborare până în anii ’80 a fost realizat "Atlasului evaporației din cele 48 de state", ce cuprinde harta evaporației de la suprafața lacurilor determinată cu ajutorul unui coeficient de transmitere a evaporației măsurată la evaporimetru, la nivelul întregii suprafețe a lacului. Acest coeficient variază între 0,65 – 0,85 (în funcție de zonalitatea climatică, respectiv coeficient mai mare în climatul umed și mai mic în climatul arid și secetos) (WMO, 2008; Jensen, 2010; Lenters, 2013).

La nivelul Europei, primele studii referitoare la procesul de evaporație au apărut din anii ’50, când s-a ridicat problema estimării evaporației. Printre primii cercetători ce au analizat acest procesul se numără Penman (1954), care a valorficat date climatice măsurate la 31 de stații meteorologice (precum Londra, Glasgow, Upsaala, Moscova, Paris, Agnes, Roma, Atena s.a.) în vederea estimării evaporația potențiale și actuale, luând în calcul precipitația, durata de strălucire a Soarelui, viteza vântului și temperatura aerului. Acesta, a demonstrat că pe baza principiilor fizicii se poate estima evaporația la nivelul uscatului și a unui corp de apă, însă trebuie să se țină cont de anumite anomalii, pentru care trebuie aplicate corecții, de exemplu la altitudini mari corecție pentru zăpadă (Penman, 1954).

Studiile recente privind evaporația vizează fie testarea metodelor indirecte de estimare a evaporației (ecuațiile Priestly-Taylor, Penman s.a.) și relația dintre aceasta și factorilor climatici: Wallace, 1995; Walkusz et al., 2009; Kovacs, 2011; Jhajharia et al., 2006; Dąbrowski, 2007; Al Domany et al., 2013; fie evaluează impactul pe care acest parametru îl are asupra resurselor de apă din lac, respectiv asupra ecosistemelor acvatice și societății umane: Remini, 2005; Touchart, 2006.

Legătura dintre evapotranspirație și lacuri este realizată prin prisma vegetației acvatice dezvoltate pe malurile corpurilor de apă. Astfel, s-a demonstrat că la nivelul bilanțului hidrologic este necesară și cunoașterea transpirației plantelor acvatice, ca parte principală a pierderilor totale de pe suprafața cuvetelor lacustre acoperite cu stuf, plaur etc. Transpirația plantelor, împreună cu evaporația de la suprafața apei care se găsește între plante, precum și cea a apei reținute de plante prin precipitații, constituie în condițiile vegetației acvatice, valoarea globală a pierderilor de apă, ce mai este denumită și evapotranspirație sau evaporație totală.

Deși în calculul bilanțului de apă al lacurilor este necesară cunoașterea valorii acestei evaporații totale, datorita condițiilor foarte complicate de măsurare a acesteia, în majoritatea cazurilor s-au facut încercări de determinări practice numai a valorii transpirației plantelor. Astfel, în ceea ce privește evapotranspiratia masurată la nivelul plantelor acvatice, studiile au vizat măsurătorile efectuate la nivelul stufului, plantă cunoscută ca fiind cea mai productivă, în raport cu condițiile meterologice (Herbst and Kappen, 1993; Brix, 1999; Acreman et al., 2003; Xu et al., 2011; Irmak et al., 2013; Anda et al., 2014; Anda et al., 2015). O serie de lucrări au avut ca obiectiv fie compararea valorilor evaporației de la suprafața apei cu valorile evapotranspirația determinată la diferite plante acvatice: Wallace,1995; Boyd et al., 1987; Grundwell, 1986; Herbst and Kappen, 1993; Rashed, 2014; Anda et al., 2015; fie identificarea impactului pe care acești parametri îl are asupra resurselor de apă înmagazinate în lac: Remini, 2005; Touchart, 2006; Al Domany et al., 2013. De aceea, experimental și chiar expediționar s-au amplasat în stufărișurile de pe marginea unor lacuri din Ungaria – Balaton (Andra et al., 2015), Egipt – delta râului Nile (Rashed, 2014), Germania – lacul Bornhoved (Herbst and Kappen, 1993) sau Statele Unite ale Americii – Jackson Meadow și Jones County (Wallace, 1995), aparate speciale denumite evapotranspirometre și s-au efectuat campanii de măsurători sistematice, ce s-au extins între 2 și 4 sezoane. S-a demonstrat că prezența vegetației acvatice pe luciul de apă al unui lac are o influența dublă asupra valorii pierderilor de apa prin evaporație și anume: micșorează cantitatea de apă ce se evaporă de pe suprafața apei dintre plante, prin umbrirea acestei suprafețe, precum și reducerea vitezei vântului în stratul de aer adiacent suprafeței apei, iar pe de alta parte mărește valoarea pierderilor totale de până la 3 ori față de evaporație (Herbst et al., 1999; Al Domany et al., 2013), prin procesul transpirației plantelor, precum și prin evaporarea precipitațiilor reținute pe plante.

Studiile anterioare au indicat o dependența a evaporației față de caracteristicile fizice ale apei, printre care amintim suprafața corpului liber de apă, volumul, adâncimea și gradul de acoperire cu vegetație acvatică (Stan et al., 2016), la care se adaugă elementele climatice cu un deosebit impact, respectiv: radiația solară, viteza vântului, precipitațiile, temperatura aerului și umezeala relativă.

Factorii care influențează evaporația:

i) factori climatici – radiația solară, temperatura aerului, presiunea atmosferică, umezeala relativă a aerului, viteza vântului;

ii) factori fizici și geomorfologici – adâncimea apei, temperatura apei, suprafața corpului de apă, altitudinea corpului de apă, vegetația acvatică, volumul corpului de apă.

Importanței energiei solare față de evaporație, este resimțită la nivel global, o dată cu latitudinea, astfel apar diferențieri ale valorilor de evaporație de la o regiune la alta, de la o țară la alta:

Statele Unite ale Americii – în partea de Nord-Est 2.25 mm/zi ceea ce înseamnă circa 600 mm/an (Rosenberry et al., 2006);

China – în regiunea aridă și semiaridă 1455 mm/an (Li et al., 2013);

Australia – în partea centrală circa 3000 mm/an (http://www.bom.gov.au/watl/evaporation/);

Coreea de Sud – 1087 mm/an (Aydin et al., 2015);

Franța – în regiunea Masivului Central Francez circa 850 mm/an (Al Domany et al., 2013);

România – în partea de sud-est relativ 950 mm/an (Stan et al., 2016).

Modul de acoperire al terenului joacă un rol important, astfel caracteristicile reflectorizante ale suprafeței de teren au efect asupra gradului de evaporare: păduri de conifere sau câmpurile de lucernă reflectă aproximativ 25% din energia solară, păstrând energie termică substanțială pentru asigurarea transpirația, în timp ce, zonele deșertice pot reflecta peste 50% din energia solară (Hanson, 1991; Rosenberg, 1986).

Viteza vântului afectează evaporația prin intensificarea energiei termice și prin îndepărtarea vaporilor de apă (ridicarea lor în atmosferă). Studiile au arătat că un vânt cu viteza de 8 km/oră poate determina creșterea evaporației cu până la 20%, în timp ce un vânt cu viteza de 24 km/oră va intensifica procesul cu până la 50% (Hanson, 1991; Chow, 1964).

O serie de alte lucrări internaționale au surprins relația strânsă și directă existentă între evaporație și temperatura aerului, astfel cu cât aceasta se intensifică, cu atât gradul de evaporare crește (Al Domany et al., 2013; Jhajharia et al., 2006; Malekineyhad, 2012).

În concluzie evaporația și evapotranspirația sunt componente principale ale bilanțului hidrologic, alături de precipitație, infiltrație și debite afluente și defluente. Cele două procese variază regional și sezonier, în perioadele secetoase fiind stric dependente de condițiile meteorologice (Hanson, 1991). Abordarea pluridisciplinară permite analiza acestor parametrii ca și componente climatologice – caracterizează un anumit tip de climat și favorizează intensificarea secetei (Păltineanu et al., 2012; Lenters et al., 2013), precum și componente hidrologice majore – parametru ce influențează direct bilanțul apei și potențialul hidrologic al unei regiuni (Gâștescu, 1963; Preoteasa, 1984; Alexe, 2010). Astfel, în vederea gestionării corespunzătoare a resurselor de apă exitente la un moment dat într-un teritoriu, este necesară cunoașterea acestor componente ale ciclului apei în natură.

1. 2. Istoricul cercetării evaporației în România

În România, încă din anul 1951 s-a pus problema măsurării sistematice a evaporației, astfel că, având la bază studiile și cercetările anterioare din alte țări, în 1954 s-a început organizarea unei rețele de stații evaporimetrice. Primele stații evaporimetrice au fost instalate pe lacuri. Între anii 1954 și 1959 s-au înființat opt posturi evaporimetrice (Cădărușani, Amara, Bistreț, Păltiniș, Târgu Mureș, Timișoara, Cefa, Mamaia Sat), iar din anul 1960 la rețeaua existentă s-au adăugat și stații instalate pe sol, ajungând în 1970 să fie formată din 52 de stații. În anul 2001 numărul stațiilor evaporimetrice era de 61, iar în 2002, odată cu descompunerea Institutului Național de Meteorologie și Hidrologie în Institutului Național de Hidrologie și Gospodărire a Apelor (INHGA) și Administrația Națională de Meteorologie (ANM), multe stații evaporimetrice au fost desființate, majoritatea din bazinele hidrografice ale râurilor Crișuri, Argeș, Vedea și din regiunile Banat și Dobrogea (Rusu et al., 2006).

În prezent, la nivelul țării, rețeaua este formată din 53 de stații evaporimetrice (fig. 1), trei dintre acestea fiind stațiile evaporimetrice experimentale: Căldărușani, Voinești și Poiana Brașov (Neculau et al., 2014; Neculau et al., 2016).

Fig.. 1. Rețeaua națională actuală (2015) de stații evaporimetrice din România

În ceea ce privește stațiile evaporimetrice (SE) amplasate la suprafața lacurilor, așa numitele plute evaporimetrice, de-a lungul timpul în România au existat 21 de plute, 7 dintre acestea fiind desființate începând cu anul 1997, și anume: Siutghiol, Jirlău, Cefa, Teascu, Bistreț, Stânca și Dridu. Rețeaua actuală de stații evaporimetrice de lac cuprinde 14 plute evaporimetrice (fig. nr. 2).

La nivel național, lucrări ce au vizat în mod direct evaporația de la suprafața apei lacului, fie au avut scop metodologic, fie au vizat analiza variației evaporației. Studii cu caracter metodologic au fost elaborate de: Bădescu, 1974; Bădescu et al., 1975; Șerban et al., 1989; Vladimirescu, 1978; prezentând corecții ce sunt necesare în vederea determinării evaporației reale. Cercetările ce au avut ca și obiectiv analiza variația evaporației la nivelul țării ,,au arătat faptul că de la an la an evaporația de la suprafața apei este dependentă de modul în care variază factorii climatici și elementele hidrometeorlogice. Astfel, caracteristicile variației interanuale se bazează în mare parte pe rezultatele coeficienților modului anuali maximi și minimi, precum și a coeficienților de variație (Gâștescu, 1963; Bădescu, 1974; Preoteasa, 1984; Rusu et al., 2006; Neculau et al., 2016).

Alte studii elaborate la nivelul României îi au ca autori pe: Stoenescu et al., 1962; Tibacu, 1973; Bogdan, 1973, Stan et al., 2014a; Stan et al., 2015b; Stan et al., 2015, în cadrul acestora a fost dezvoltată ideea identificării metodelor empirice de estimare a evaporației de la suprafața lacurilor, precum și posibilitățile de reducere a pierderilor de apă cauzate de evaporația de la suprafața lacurilor (fig. nr. 3). Printre cele mai dezvoltate și aplicate ecuații la nivel național se numără: Vikulina, Horton, Dalton (Șerban, 1989), Davydov, Zaikov (Stoenescu et al., 1962), Penman, Penman Monteith, FAO (Păltineanu et al., 2007, Stan et al., 2015, Neculau et al., 2016) s.a.

Întrucât obiectul studiul în face analiza evaporației la suprafața lacurilor, în cadrul prezentei lucrare o atenție deosebită va fi acordată și caracteristicilor morfometrice și fizico-chimice ale lacurilor ce vor fi analizate. Astfel, printre primele informații referitoare la caracteristicile lacurilor, descrierea detaliată a rețelei de lacuri din țară, geneza cuvetei lacustre, bilanțul hidrologic și proprietățile fizice ale acestora, au fost punctate în lucrări elaborate de: Ujvári, 1959, 1972; Gâștescu, 1963, 1971, 1979, 2006; Pișota et al., 1971; Breier, 1976; Chiriac et al., 1976; Drobot, 1999; Zaharia et al., 2008; Teodor et al., 2014 s.a. În ultimele decenii, această aboradre a fost preluată de tineri cercetători și dezvoltată în teze de doctorat sau studii de sine stătătoare: Brețcan, 2007; Șerban, 2007; Csaba, 2008; Vartolomei, 2009; Dumitran et al., 2010; Alexe, 2010; Fodorean, 2010; Telteu, 2012; Vuță, 2012; Pandi et al., 2012; Gavrilescu, 2013; Croitoru et al., 2013, Axinte et al., 2015; Barbulescu et al., 2015 s.a.

1. 3. Referințe cu caracter metodologic privind cercetarea evaporației

1.3.1. Metode directe de măsurare a evaporației

La nivel modial au fost utilizate o serie de metode directe (aparate) în vederea măsurării evaporației și evapotranspirației, precum evaporimetrele Classa A, GGI-3000, Colorado, Sunken și lizimetrele G1 și Z-500 (Morton, 1982; Allen et al., 1998; Xu et al., 2001; Jensen, 2010). În multe situații este dificil de realizat astfel de măsurători, de aceea cel mai adesea s-a apelat la determinarea indirectă a evaporației și evapotranspirației, pe baza bilanțului radiativ, bilanțului hidrologic, a metodei difuziei și a celei combinate, metode complexe ce cuprind o serie de parametrii climatici și factori radiativi (Thornthwaite et al., 1939; Penman, 1954; Sokolov, 1974; Rosenberry et al, 2007; Walkusz et al., 2009; Malekineyhad, 2012; Helfer et al., 2012; Hassan, 2013; Aydin et al., 2015; Vitkova et al., 2015).

În prezent, în cadrul României pentru măsurarea evaporației la nivelul plutei, a fost instalat un evaporimetru de tip GGI-3000 (fig. 2 și 3,), cu o suprafață de 3000 cm2 (0,3 m2), umplut cu apă, ce prezintă fixat în centrul lui, un ax metalic în care se introduce tija biuretei volumetrice cu ajutorul căreia se determină nivelul apei din evaporimetru. Măsurătorile sunt efectuate zilnic la orele 7 și 19, în perioada libera de gheață (fig. 4), respective în intervalul lunar aprilie – noiembrie. Pentru calcularea evaporației zilnice se însumează valorile măsurate pe un interval de 24 ore. Măsurătorile evaporimetrice efectuate la nivelul plutelor sunt însoțite de complexul de măsurători efectuat zilnic la 3 termene orare: 7, 13 și 19, cuprinzând: temperatura aerului umed și uscat și viteza vântului la diferite înălțimi 0,2 și 2 m.

1.3.2. Corecții ale valorilor evaporației măsurate direct

Din cauza efectului de „oază” (influența inerției termice a cazanului), evaporația măsurată în cadrul bazinelor evaporimetrice nu generează o valoare reală, ci o valoare mult mai mare, drept pentru care valorile măsurate trebuie să fie corectate (Șerban et al., 1989), aduse de la fapt la o evaporație reală.

Corecțiile se aplică funcție de tipul evaporimetrului la nivelul căruia se face măsurătoarea. Astfel, în cazul evaporimetrului tip Class A cu suprafața de 20 mp (ecuația 1), corecțiile sunt funcție de adâncimea și suprafața lacului (Bădescu et al., 1975):

(1)

Unde: E – evaporația reală de la suprafața lacului; Ka – corecție în funcție de adâncimea lacului; Ks – corecție în funcție de suprafața lacului; E20 – evaporația determinată la bazinul de 20 mp.

Această corecție se aplică lacurilor de dimensiuni mici, în cazul celor de dimensiuni medii (suprafețe mai mari de 5 km și adâncimi mai mari de 20 m) nefiind necesară aplicarea ei (Bădescu et al., 1975). Masele de apă cu adâncime mică evaporă o cantitatea de apă mai mare, decât suprafețele de apă cu adâncime mare (Vladimirescu, 1978).

Pentru determinarea evaporației reale de la suprafața lacurilor, se mai recomandă aplicarea unor corecții, respectiv o corecție instrumentală () și o corecție în funcție de temperatura apei în lac și evaporimetru (β) (Bădescu et al., 1975).

Corecția instrumentală are o valoare constantă de 0,88, iar corecția funcție de temperatura apei din lac și evaporimetru, este definită ca raport între deficitul calculat după temepratura apei din lac și cea din evaporimetru.

Luând în calcul aceste corecții, evaporației reală de la suprafața apei (ecuația 2) lacului va avea următoarea formă (Bădescu et al., 1975):

(2)

Unde: E – evaporația reală de la suprafața apei; Eev – evaporația măsurată la nivelul evaporimetrului plutitor; e200 – tensiunea vaporilor de apă din aer la înălțimea de 200 cm de la suprafața apei, la instalația evaporimetrica plutitoare; e’o si eo – tensiunea maxima a vaporilor de apa calculata pentru temperatura apei din lac si respectiv din evaporimetru sau exprimat prin deficitul de umiditate.

De asemena, dacă pluta evaporimetrică nu este amplasată în centrul lacului, evaporației măsurate i se va mai aplica o corecție funcție de vitezei vântului, definită ca raport între viteza medie a vântului pe suprafața lacului (w’) și viteza vântului în punctul de instalare al evaporimetrului (w): w’/w. Aceasta corecție este în general necesară pentru lacurile cu dimensiuni mari și formă alungită, cum este cazul lacului Izvorul Muntelui (Bădescu et al., 1975).

În cadrul Institutului Național de Hidrologie și Gospodărire a Apelor toate aceste corecții necesare în vederea determinării valorilor reale ale evaporației, sunt incluse într-un program numit EVAPO, ce este utilizat anual de către toate Administrațiile Bazinale de Apă pentru validarea și corectarea măsurătorilor efectuate de observatori.

1.3.3. Metode directe de măsurare a evapotranspirației plantelor acvatice

Problema studierii evapotranspiratiei vegetației palustre în condițiile țării noastre a fost punctată încă din anii 60, când sub egida Institutului de Studii și Cercetăr Hidrologice, a fost înființată o stație experimentală cu apartura și metode usor accesibile, amplasate la nivelul Deltei Dunarii, la Maliuc, în cadrul căruia s-au facut determinări ale evaporației și evapotranspirației pe suprafețe acvatice acoperite de stuf (Rudescu et al., 1965). În acea perioadă s-a considerat că stuful este planta palustră cu cea mai pare importanță economică la nivelul țării, aceasta fiind materia primă în industria celulozei. Rezultatele de atunci au fost considerate neconcludente(Rudescu et al., 1965). Întrucât nu am avut acces la datele și rezultatele obținute atunci, aceastea nu au putut fi valorificate în prezenta teză. Având la bază metodologia utilizată în anii ’60, începând cu anul 2009, la nivel exeprimental a fost montat un evapotranspirometru pe malul lacului Căldărușani (fig. 5), fiind gestionat de INHGA, respectiv de Statia Evaporimetrică Experimentală Căldărușani. Alegerea acestui lac, ca punct de studiu, a fost în strânsă legătură cu dezvoltarea intensă a suprafeței acoperite de vegetație acvatică a lacului. Astfel, în luna mai a anului 2009 a fost instalat un evapotranspirometru pe malul lacului, în interiorul suprafeței acoperite cu stuf, care să permita determinarea evapotranspirației totale în paralel cu determinarea evaporației de la suprafața apei libere de vegetație.

Evapotranspirometrul este un aparat compus dintr-un vas principal în care se măsoară pierderile totale de apă (fig. 5); acesta este confecționat din tablă, cu forma cilindrică, suprafață de 3000 cm2 (suprafața lui fiind egală cu cea a evaporimetrelor instalate pe plutele evaporimetrice folosite în rețeaua națională evaporimetrică) și înălțime de 110 cm. În evapotranspirometru s-a introdus pamânt de cca 50 cm și s-a plantat stuf, apoi vasul s-a umplut cu apă din lac (Stan et al., 2015). Aparatul este susținut la suprafața apei de flotori confecționați din vase cilindrice, dând posibilitatea evapotranspirometrului ăa plutească în funcție de variația nivelului apei din lac, partea sa superioara ramânând întotdeauna deasupra apei cu circa 7cm. S-a urmărit ca nivelul apei din vas ăa fie aproximativ același cu cel din lac. Stuful este plantat în evapotransporimetru în general în luna aprilie, de aceea nu are o dezvolare asemănătoare cu cea a stufului natural din împrejurimi, dar s-a ăncearcat respectarea densității vegetației naturale (Stan et al., 2015).

În lunile iunie și iulie, plantele din evapotranspirometru au în medie înălțimi de 1,75-2 m în timp ce, cele din jur ating chiar și 3,0 m; cu toate acestea se consideră că în evapotranspirometru condițiile de dezvoltare ale stufului, sunt medii. Citirile de nivel în cadrul bazinului evapotranspirometru s-au realizat de două ori pe zi, la orele 7 și 19, iar pentru obținerea valorilor zilnice, s-au calculat sume pe 24 ore, exact ca în cazul măsurătorilor de evaporație de la nivelul plutelor.

Pe baza datelor obținute din 2009 și până în anul 2014 au fost efectate cercetări, valorificate în articole ce îi au ca autori pe Stan Florentina, Neculau Gianina, Zaharia Liliana, Toroimac-Ioana Gabriela și Mihalache Sorin (Stan et al., 2015; Stan et al., 2016).

CAPITOLUL 2

Baza de date și metodologia

2. 1. Baza de date utilizată

Pentru realizarea studiului se va folosi o bază de date diversificată. Aceasta va fi analizată și prelucrată cu tehnici și metode specifice atât clasice, dar și moderne.

Fondul de date va fi alcătuit în principal din:

a) date cartografice – hărți topografice(scara 1:25.000, Direcția Topografică Militară DTM 1982), harta geologică și harta pedologică (scara 1:200.000);

b) date numerice privind principalii parametri climatici, hidrologici și hidrochimici obținuți de la Institutul Național de Hidrologie și Gospodărirea a Apelor (INHGA), Administrația Națională "Apele Române" (ANAR), Administrația Națională de Meteorologie (ANM), dar și din baza de date European Climate Assessment&Dataset (ECA&D);

c) date în format vector și raster, preluate de la Institutul Național de Hidrologie și Gospodărire a Apelor (ca de exemplu modelul digital al terenului, cu o rezoluție spațială de 30 m);

f) imagini și produse satelitare pentru dinamica spațială a evapotranspirației potențiale și reale – MOD16 (PET și ET) cu o rezoluție de 1 km2, la pas de timp din 8 în 8 zile;

g) date și informații din lucrări științifice (articole, cărți, rapoarte, atlase) din literatura de specialitate națională și internațională, preluate de pe site-urile de specialitate sau de la instituțiile de specialitate, biblioteci.

La baza realizării lucrării se află date măsurate la un număr de 21 de lacuri (tabelul 1), în cadrul cărora s-au făcut de-a lungul timpului măsurători și observații asupra evaporației de la suprafața apei și a principalilor parametrii climatici.

Întrucât, pentru realizarea unui studiu corect din punct de vedere științific se impune ca stațiile analizate să aibă perioadă cât mai lungă de timp, iar pentru efectuarea de comparații se recomandă ca perioadă de analiză fie comună stațiilor, se va pune accent pe analiza stațiilor, respectiv a lacurilor cu observații evaporimetrice mai lungi de 30 de ani (ca de exemplu lacul Căldărușani, lacul Bistreț, lacul Izvorul Muntelui, lacul Fântânele s.a.). Deoarece evaporația de la suprafața apei se determină doar în lunile cu suprafață liberă, fără gheață (martie – noiembrie), în prezentul studiu se va face referire doar la acest interval, valorile anuale constituind suma celor din intervalul menționat.

Tabelul 1. Stațiile evaporimetrice amplasate la suprafața lacurilor din România

* sursă: Atlasul Cadastrului Apelor din România, 1992.

2. 2. Metode și tehnici aplicate

Baza de date utilizată va fi analizată și prelucrată cu tehnici și metode atât clasice, dar și moderne, specifice studiilor geografice, climatice și hidrologice.

Metodele clasice specifice cercetării geografice sunt bazate în mare parte pe analiza cauzală și statistică simplă (corelații liniare și neliniare), precum și pe comparații și observații pe teren.

Metode moderne sunt bazate pe tehnici noi ce presupune utilizarea de softuri dedicate:

reprezentări cartografice și analize spațiale (bazate pe diferite metode de interpolare) realizate în mediul SIG, cu ajutorul programului ArcGIS 10;

analize statistice bazate pe aplicarea unor teste de ipoteză, ca de exemplu: Bravais-Pearson pentru identificarea semnificativității statistice a coeficienților de corelație liniară (Nurmi, 2003; Angel et al., 2005; Wilks, 2005; Estevez et al., 2011; Iriza, 2013), Mann-Kendall în vederea identificării tendințelor liniare; testele Pettitt, Lee and Heghinian, Hubert pentru variabilitatea seriilor de date (Paturel et al., 1996); regresia liniară simplă sau multiplă pentru integrarea tuturor parametrilor climatici în ecuația de regresie; precum și analiza matricelor de corelații. Aplicarea testelor statistice și regresiei liniare multiple presupun utilizarea unor soft-uri adecvate, precum Makesens 1.0, Khronostat, SPSS, RStudio. Aceste metode pot descrie relația între evaporație și diferiți factori care influențează procesul, fie luând în calcul fiecare parametru în parte, fie întregul complex de măsurători (Matalas et al., 1967; Hassan, 2013; Malekineyhad, 2012; Milano et al., 2016);

metode indirecte de estimare a evaporației potențiale și a evapotranspirațieipotențiale (FAO, Penman-Montheit, Penman Open Water, Davydov, Zaikov s.a.), pentru care se vor utiliza soft-urile CropWat și Dailyet.

metoda de extrapolare a evaporației (ecuația 3) de la nivelul bazinului evaporimetric plutitor la suprafața lacului și estimarea volumului de apă pierdut prin prisma acestui proces se va realiza pe baza ecuației propuse de Drobot și Șerban, 1999:

(3)

Unde: PE = pierderile lunare de apă prin evaporare; El = evaporația lunară în mm; A = suprafața oglinzii apei în km2.

Pentru transformarea volumului evaporat (din cadrul unei luni) în debit – QE în mc/s (ecuația 4), se aplică ecuația (Vladimirescu, 1978):

(4)

Unde: F = suprafata lacului in km2; Ea = evaporatia de la suprafata lacului in mm.

metoda bilanțului hidric al lacurilor pe baza ecuației propuse de Sokolov și Chapman, 1974 (ecuația 5) pentru estimarea cantitativă la un moment dat sau pe o anumită perioadă de timp a tuturor factorilor care intervin în creșterea, scăderea sau menținerea constantă a volumului de apă:

(5)

Unde: EL = evaporația de la suprafața lacului (mm);PL= precipitații căzute în lac (mm);ΔSL = variația apei stocate în lac (cm);ΔQS= (QsI-QsO) diferența dintre debitul afluent și efluent din lac (m3/s); ΔQU= (QuI-QuO) diferența dintre intrările și ieșirile provenite din ape subterane (m3/s).

CAPITOLUL 3

Caracteristici morfometrice ale lacurilor luate în studiu

3.1. Aspecte privind geneza lacurile din România

Lacurile, împreună cu bălțile formează formațiunile lacustre,ce reprezintă masa apelor acumulate în depresiunile terenurilor (Vladimirescu, 1978). Pe teritoriul României se regăsesc numeroase tipuri de lacuri naturale, a căror geneză depinde de tipul de relief sau originea depresiunii (lacuri glaciare), la care se adaugă lacurile antropice, fie ele iazuri sau de acumulare cu diferite funcții: energetică, alimentare cu apă, agrement, piscicol (Gâștescu, 2006). În 1959 la nivelul țării existau peste 2300 lacuri și 1150 iazuri (Ujvari, 1959), majoritatea lor având suprafețe mai mici de 1 km2; lacurile cu suprafețe mari de pe teritoriul României au fost legate genetic de Dunăre sau de Marea Neagră (ex. Complexul de lacuri Razim).

Suprafața ocupată de corpurile de apă, precum și numărul total al lacurilor, se află într-o dinamică continuă, bazată în special pe creșterea cerinței de apă a locuitorilor, precum și nevoia de protecție împotriva inundațiilor, ceea ce a dus fie la dispariția unor lacuri de luncă prin îndiguire (Gâștescu, 2006), fie prin proiectarea unor lacuri de acumulare (pentru atenuarea undelor de viitura). Astfel, în anul 2008 numărul lacurilor artificiale era estimat la circa 2100, acestea acoperind 1,9% din suprafața țării și deținând în total 13 miliarde m3 de apă (Zaharia et al., 2008).

Răspândirea lacurilor pe unitățile de relief la nivelul țării arată că numărul cel mai mare de lacuri se găsește în general în lunca și Delta Dunării, precum și în luncile Prutului, Siretului și în Câmpia Română (Gâștescu, 1963). În ceea ce privește lacurile artificiale, mai mult de jumătate dintre acestea sunt amplasate în regiunea de câmpie (Zaharia et al., 2008) și au funcții complexe: piscicultură, furnizare de apă pentru irigații și alimentarea localităților învecianate. În cadrul României se observă că suprafețele formațiunilor lacustre sunt reduse, comparativ cu marile lacuri existente la nivel global, iar cele mai mari lacuri naționale sunt strâns legate de rețeaua fluviatilă (excepție făcând complexul Razim-Sinoie).

Cercetările anterioare au arătat că formațiunile lacustre naționale se diferențiază în primul rând prin originea formării și structura lor morfologică, astfel geneza cuvetei lacustre este legată de morfometria reliefului, dar și de acțiunea factorilor externi și interni. În funcție de geneza lor, lacurile naturale au fost integrate într-o clasificare amănunțită realizată de Gâștescu în 1963 și adaptată ulterior de alți autori (Vladimirescu, 1978; Zaharia et al., 2008).

Potrivit clasificărilor efectuate de Gâștescu, Ujvari și Zaharia, geneza cuvetelor lacustre diferă de la o unitate de relief la alta. Astfel, în regiunile de câmpie predomină lacuri de luncă, rezultate prin procese de tasare de-a lungul râurilor, ce au suprafețe până la 15 km2 (Ujvari, 1959).

In zonele de deal și podiș (Piemontul Getic, Podișul Târnavelor și Podișul Sucevei), formarea lacurilor este defavorizată de permeabilitatea mare a nisipurilor și pietrișurilor, precum și de depozitele argiloase cu mică permeabilitate ce ușurează scurgerea precipitațiilor căzute pe suprafețele înclinate (Depresiunea Jijiei și Câmpia Transilvaniei). La nivelul Podișului Transilvaniei sau al Podișului Moldovei formarea cuvetelor este cel mai adesea pusă pe seama obturării albiilor de către conuri de dejecție sau de mase de pământ rezultate din alunecările malurilor (Vladimirescu, 1978).

Zonele montane și depresionare prezintă cel mai redus număr de lacuri (circa 300 de formațiuni lacustre), fapt datorat în mare parte condițiilor litologice și a celor climatice (Gâștescu, 1963, 2006). Se consideră că la nivelul acestor regiuni este necesară pentru formarea lacurilor de o intervenția a unei forțe externe care să sculpteze în roca de bază cuveta lacustră, (Ujvari, 1959). Din aceste motive în zonele montane au apărut în ultimele decenii o serie de fromațiuni antropice utilizate pentru alimentarea cu apă a localităților, irigări, hidroenergie sau atenuarea undelor de viitură (Gâștescu, 1963, 2006). Astfel, la nivel național formațiunilor lacustre naturale, li se adaugă lacurile antropice, rezultate din diferite acțiuni umane ce a dus la formarea lor (tabelul 2).

Pe lângă geneza acestora, lacurile se diferențiază și prin elementele morfometrice: adâncimea, lungimea, lățimea, suprafața lacului, forma acestuia și volumul masei de apă, toate acestea fiind evidențiate cu ajutorul batimetriilor.

Volumul de apă al lacurilor depinde de diversitatea surselor de alimentare: aportul apelor de suprafață din bazinul de recepție, aportul lacului din râurile învecinate (pe cale artificială prin canale de alimentare-evacuare), alimentare din apele Dunării sau a altor râuri mari, alimentare din ape subterane (ape carstice) și aport din precipitații (Ujvari, 1959).

Tabelul 2. Clasificarea lacurilor în funcție de geneza cuvetei lacustre (după P. Gâștescu, 1963)

3.2. Bilanțul hidrologic al lacurilor

Condiția esențială a existenței unui lac este ca volumul de apă intrat să fie cel puțin egal, dacă nu mai mare, decât volumul de apă care iese din respectivul lac (Gâștescu, 1963). Bilanțul hidric al unui lac este de fapt estimarea cantitativă la un moment dat sau pentru o anumită perioadă de timp a tuturor factorilor care intervin în fluctuațiile volumului apei (fig. 6), respectiv creșterea, scăderea sau menținerea constantă a acestuia (Alexe, 2010).

Factorii care intervin direct în modificarea cantitativă a volumului de apă din lac poartă denumirea de componentele bilanțului hidric (ecuația 6) de intrare și de ieșire (Pișota et al., 2005) și se înscriu într-o ecuație generală, sub forma unei sume algebrice, alcătuind modelul bilanțului hidric:

Y+U+X=Y1+U1+Z (6)

Unde: Y – afluxul superficial, U – afluxul subteran, X – precipitațiile căzute pe suprafața lacului, Z – evaporația de pe suprafața apei, Y1 – scurgerea superficială din lac și U1 – scurgerea subterană.

Alături de acești factori, în ecuația bilanțului hidrologic mai intervin și alții, dar care prin efectul lor minim pot fi neglijati atunci când se face o analiză mai generală a bilanțului.

Sursele de alimentare ale lacului sunt (Gâștescu, 1963):

Surse de alimentare generale – precipitații lichide și solide care cad direct pe suprafața lacului (X), cantitatea de apă provenită din bazinul de recepție al lacului (Y), scurgerea directă de pe versanți (în condițiile unui bazin de recepție redus la versanții cuvetei lacustre), rețeaua torențială directă, rețeaua hidrografică organizată (atunci când lacul se află în zonă cu umiditate excedentară sau chiar deficitară);

Surse de alimentare locală – alimentare subterană (U), alimentare prin izvoare de mal (pentru lacuri cu maluri abrupte), alimentare prin revărsarea râului, alimentare prin canale artificiale (Gâștescu, 1963).

Pierderi ale apei din lac sunt reprezentate de scurgerea subterană (U1), scurgerea superficială din lacuri (Y1) și evaporația apei (Z). Evaporația de la suprafața apei este influențată de temperatura apei și de temperatura și umiditatea aerului (fig. 6). Cu cât temperatura apei va fi mai mare cu atât mișcarea moleculară a apei, desprinderea moleculeor din masa de apă și trecerea în atmosferă va fi mai mare.

Evaporația reală reprezintă cantitatea de apă evaporată și condensată la suprafață în aceași unitate de timp. Evaporația influențează în mod direct bilanțul apei lacurilor (fig. 6), în special în regiunea de câmpie, respectiv în cazul lacurilor din crovuri, limane fluviatile, lacuri de luncă, lagune marine și iazurile din regiunea de deal și podiș (Gâștescu, 1963).

Fig. 6. Circuitul apei în natură și elementele componente ale bilanțuilui hidric

3. 3. Carcateristici morfometrice ale lacurilor luate în studiu

Lacul Căldărușani, lac tipic de vale, format la confluența văilor Cociovaliștea și Vlăsia, face parte din bazinul hidrografic al râului Ialomița. Potrivit ultimei batimetrii lacul are o lungime de 5,5 km, orientat de la vest spre est și o lățime cuprinsă între 0,15 și 0,5 km. Hidrometric, este cunoscut din 1954, când a fost instalată o miră de lac (,,o” miră = 69,50 m alt.abs.) și o platformă evaporimetrică. Acesta este localizat la o altitudine de 85 m, între localitățile Moara Vlăsiei și Grădiștea (Gâștescu, 1963). Nu sunt arhivate date privind volumul lacului Căldărușani din perioadele anterioare. Există o estimare a volumului lacului, și anume de 4,4 mil.m3, cu o suprafață de 224 ha, dar fără o cotă cunoscută a nivelului lacului (conform Atlasul Cadastrului Apelor din Romania, 1992). Astăzi, la volumul de 4,4 mil.m3. lacul prezintă o suprafață de 164 ha (cota 69,35 m. alt. abs.), respectiv cu 60 ha mai puțin față de estimarea amintită. Volumul de apă, în anul 2009, la cota 72,00 m. a fost de 9,78 mil. m3 (Figura nr. 5).

Se consideră că regimul hidrologic al lacului este influențat în mare parte de cantitatea de apă suplimentară pe care o primește din Ialomița, prin canalul Bilciurești-Colacu și prin canalul Cocani-Dîrza (ce leagă Crevedia de Cociovaliștea), nu se cunosc însă valori exacte ale aportului de apă.

Lacul Căldărușani face obiectul a numeroase cercetări științifice, pe lac făcându-se observații asupra variației nivelului apei, evaporației (fig. 7) și componentelor meteorologice, în timp ce pe mal se execută la nivelul unei stațiii evaporimetrice experimentale măsurătorile clasice ale parametrilor hidrometeorologici (temperatura aerului, umezeala relativă, direcția și viteza vântului, durata de strălucirea a Soarelui), precum și evaporația de la suprafața apei (măsurată la GGI-3000 și bacul mare) și evapotranspirația la nivelul solului liber si acoperit cu diferite culturi agricole (grâu, porumb, orz) (Gâștescu, 2006; Stan et al., 2012; Stan et al., 2015; Stan et al., 2016).

În ultimii ani s-a putut observa ca lacul Căldărușani se confruntă cu extinderea suprafeței acoperite de vegetație acvatică, aceasta putând reprezenta până la 1/3 din suprafața totală a lacului (Stan et al., 2016), drept pentru care începând din luna mai a anului 2009, un evapotranspirometru a fost instalat pe malul lacului (Figura nr. 7) în interiorul suprafeței acoperite cu stuf, pentru determinarea evapotranspirației totale, paralel cu determinarea evaporației de pe suprafața apei libere. Aceste măsurători sunt utile pentru estimarea volumului de apă pierdut prin evaporație și prin evapotranspirație, în vederea gestionării corespunzătoare a rezervei de apă înmagazinate în lac (Stan et al., 2015).

Acumularea Dridu, localizată pe râul Ialomița, a fost înființată în anul 1985, având un volumul total de 60 mil. m3, iar la NNR (nivelul normal de retenție) de 45 mil. m3. Suprafața lacului este de 996 ha. Aceasta acumulare a fost construită în scopul producerii energiei electrice, irigațiilor, atenuării undelor de viitură și alimentării cu apă a populației.

Lacul Jirlău este unul dintre cele mai mari limane fluviatile din cursul Buzăului, ce a fost amenajat în scop piscicol încă din anul 1960. La suprafața acestuia se fac observații și măsurători evaporimetrice la nivelul plutei încă din anul 1958. Vegetația acvatică de la suprafața lacului este abundentă, fapt ce accentuează procesul de eutrofizare. Nivelul lacului este maxim (peste 190 cm) în lunile aprilie-mai, respectiv la sfârșitul primăverii și începutul verii, iar în perioada septembrie-decembrie nivelul scade semnificativ (sub 175 cm).

Lacul Amara, situat în bazinul Ialomiței, în apropierea localității Slobozia, are origine fluviatilă. Lacul este izolat de rețeaua fluviatilă, bazinul sau de recepție cuprinzând doar două vâlcele care vin perpendicular din partea nordică. Lacul Amara este poziționat pe terasa fluviatilă a Ialomiței, dar nu departe de lunca acestuia, fapt ce a determinat ipoteza originii depresiunii drept un rezultat al proceselor de tasare, frecvente în depozitele loessoide. O altă ipoteză a formării lacului, constă în situarea acestuia într-un fragment de curs părăsit al Ialomiței (Gâștescu, 2006).

Lacul are o lungime de 4,0 km, orientat de la vest spre est și o lățime cuprinsă între 0,2 și 0,4 km. În ultimii ani, lacul este într-o continuă retragere, având o suprafață de 170 ha si un volum de 5,75 mil m3. la cota 23,20 m. alt.abs. Este un lac fără scurgere, sursa principală de alimentare fiind cea subterană, apoi urmând cea din precipitații. In condițiile unei evaporații semnificative, concentrațiile de săruri cresc, formând astfel nămolul cu calități terapeutice. Gradul de mineralizare al lacului depinde de condițiile climatice, mineralizarea actuală este de 15-20 g/l (Gâștescu, 2006). Potivit ultimei batimetrii efectuate de Administrația Bazinală de Apă Buzău – Ialomița, lacul Amara este colmatat, comparativ cu anii 1955, din cauza eutrofizării, respectiv extinderea și descompunerea vegetației reducând suprafața lacului, dar și spălărea malurilor și câmpurilor laterale ale lacului la ploi.

Acumularea Solești a fost realizată pe râul Vasluieț, în amonte de Vaslui și este folosită pentru irigații, piscicultură, alimentarea cu apă a localităților, dar și pentru combaterea inundațiilor. Aceasta a fost pusă în funcțiune în anul 1974, barajul având o lungime de 946 m și o înălțimea de 12,7 m. Volumul lacului la NNR este de 12,25 mil m3, în timp ce volumul total ajunge la 48,18 mil. m3. Măsurătorile evaporimetrice au început în anul 2004 și continua până în prezent.

Acumularea Stânca este situată pe râul Prut, la granița României cu Republica Moldova. Acumularea a fost înființată în anul 1978, prin construirea pe un fundament alcătuit din roci stâncoase, a unui baraj de greutate din pământ ce are o înălțime de 43 m și o lungime de 3000 m (Vartolomei, 2009). Volumul total al acestei acumulări este de 1 285 mil. m3, din care 225 mil. m3 utilizabil pe teritoriul României (Vartolomei, 2009). Suprafața acumulării este de 59 km2, iar adâncimea maximă ajunge la 41.5 m. Scopul înființării acestei acumulări este legat de: atenuarea undelor de viitură, alimentarea cu apă, irigațiile, producerea de energie electrică, precum și piscicultură.

Lacul de acumulare Bezid este situat pe valea Pârâului Cușmed, la 1,5 km amonte de confluența acestuia cu râul Tîrnava Mică (fig. 9). Acumularea a fost înființată în anul 1992, prin construirea pe un fundament alcătuit parțial din roci a unui baraj din pământ cu o înălțime de 29 m și o lungime de 670 m. Volumul total al acestei acumulări este de 31 mil. m3, volumul la NNR fiind de 14 mil. m3, în timp ce suprafața la NNR atinge 170 ha. Scopurile acumulării sunt: alimentarea cu apă, atenuarea undelor de viitură, producerea de energie electrică și piscicultură.

Acumularea Cinciș este situată pe râul Cerna, în bazinul hidrografic al Mureșului. Acumularea a fost înființată în anul 1964, în scopurile: alimentarea cu apă, activități de agrement și producerea de energie electrică. Volumul total al acestei acumulări este de 41 milioane m3 (la NNR de 26.8 mil. m3), iar suprafața la NNR este de 190 ha.

Acumularea Secu a fost înființată în anul 1963 în scopul alimentării cu apă și atenuării undelor de viitură. Aceasta este amplasată pe râul Bârzava și are o înălțime de 41 m, o lungime de 136 m, un volum total de 15,1 mil. m3 și un volum la NNR de 8 mil. m3 (atingând la NNR suprafața de 73 ha).

Lacul de acumulare Călinești-Oaș este situat pe râul Tur, aval de confluența cu Valea Rea. Acesta a fost construit în vederea atenuării undelor de viitură, în scop energetic, piscicol și de agrement. Volumul acumulării este în medie 7,2 mil. m3 (fig. 11), atingând maximul în lunile de iarna și la sfarșitul verii, respectiv începutul toamnei (> 8,5 mil. m3), în timp ce suprafața medie este de 358 ha (conform studiului hidrometric de lac efectuat pentru anul 2014).

Lacul Cefa este situat în Câmpia de Vest, are o suprafață de circa 0,6 kmp și o adâncime maximă de 2 m. Originea sa este antropică, fiind amenajat în scopl pisciol sub formă de heleșteie. Complexul lacustru Cefa cuprinde mai multe bazine pisciole, atât de reproducere, cât și de dezvoltare, amenajarea heleșteielor începând în anul 1904. Heleșteiele au fost construite pe locuri joase și mlăștinoase ale Câmpiei de Vest, reprezentând modul cel mai economic și practic de utilizare a acestor suprafețe de teren (Gâștescu, 2006).

Acumularea Valea de Pești este situată pe pârâul Valea de Pești, în bazinul hidrografic Jiu. Acumularea a fost înființată în anul 1972 și are un volumul total de 5 mil. m3, la NNR volumul fiind de 4,2 mil. m3 (Figura nr. 16), iar suprafață de 22 ha (la NNR). Scopurile principale ale înființării acestei acumulări sunt: alimentarea cu apă și producerea de energie electrică.

Lacul Bistreț localizat în sudul județului Dolj, în apropierea Dunării, este lacul cu cea mai mare suprafață din tot județul, respectiv 20.9 km2. Acesta îl are ca râu afluent pe Desnățui și ca râu defluent pe Gârla Boii. În cadrul acestuia se fac măsurători evaporimetrice încă din anul 1961, însă începând cu anul 2002 pluta evaporimetrică a fost desființată.

Lacul Teascu este amplasat în bazinul hidrografic al râului Jiu. Măsurătorile hidrometrice au încetat să se desfășoare din anul 1990. Datele hidrometrice sunt relativ puține fiind înregistrate în perioade de timp scurte. Măsurătorile evaporimetrice au încetat să se defășoare încă din anul 2002.

Acumularea Furculești este situată în județul Teleorman, în bazinul hidrografic al râului Urlui și prezintă o deosebită importanță piscicolă. În cadrul acestui lac sunt desfășurate observațiile hidrometrice ce cuprind măsurători asupra nivelului (la baraj și la stația hidrometrică de râul din aval) la orele 7:00 și 17:00, și suplimentar la viituri și deversări, precum și măsurători de debite, precipitații, fenomene de îngheț, temperatura apei, temperatura aerului și evaporația de la suprafața apei. Volumul mediu al acumulării este de 203 mil. m3 iar suprafața medie este de circa 20 ha (conform studiului hidrometric de lac din anul 2013 – s.h. Furculești, lac Furculești).

Acumularea Fântânele a fost construită cu scopuri multiple: irigații, piscicultură și atenuarea undelor de viitură. În vederea asigurării de apă pentru irigații a fost prevăzut să se acumuleze un volum de 11 mil.m3 de apă, disponibil pentru irigarea unei suprafețe de 2400 ha în aval de baraj. Pentru piscicultură se utilizează în medie un volum de apă de cca 11 mil. m3. In timpul sezonului de irigații dimensiunile lacului variază în funcție de cosumul de apă solicitat, respectiv la începutul sezonului volumul acumulat în lac este de 11,920 mil. m3, suprafața acestuia fiind de 322 ha, în timp ce la sfârșitul sezonului de irigații volumul lacului ajunge la 0,920 mil. m3 (corespunde volumului mort), iar suprafața la 144,8 ha.

O altă folosință a acestui lac o constituie atenuarea undelor de viitură. Combaterea inundațiilor se face prin reținerea volumului viiturii cu probabilitatea de depășire de 1% și atenuarea undelor de viitură cu probabilitatea de depășire de 1%.Volumul de acumulare pentru atenuarea undelor de viitură este rezervat deasupra nivelului maxim de exploatare irigații (94,80 m) și se compune din două părți, respectiv volum de siguranță 15,5 mil. m3 și volum de protecție 8,80 mil. mc.

În ceea ce privește complexul de observații și măsurători, acesta cuprinde atât observații hidrologice (nivel, volum, debite de apă, debite de aluviuni, temperatura apei), cât și observații hidrometeorologice (evaporația, precipitațiile, temperatura aerului).

Acumularea Vârșolț (fig. 12) a fost costruită în anul 1978, în cadrul bazinul hidrografic Crasna, în scopul atenuării undelor de viitură și alimetării orașelor Zalău și Șimleul Silvaniei. Volumul total al acesteia este de 47.8 mil. m3, iar suprafața atinge 3.2 km2. La nivelul lacului, a fost instalată o plută evaporimetrică în anul 1989. Pe baza analizei datelor măsurate s-a observat o intensificare a pierderilor de apă generate de evaporație în lunile de vară, atunci când volumul de apă pierdut este mai mare decât aportul de apă adus de râul Crasna (Pandi et al., 2012).

Fig. 12. Acumularea Vârșolț (anul 2017)

Acumularea Izvorul Muntelui a fost înființată în anul 1961 prin construirea pe un fundament alcătuit din roci stâncoase a unui baraj cu o înălțime de 127 m și o lungime de 430 m. Acesta este cunoscut și sub numele de lacul Bicaz (fig. 13), fiind cel mai mare lac artificial amenajat pe lacurile interioare din România. Volumul total al acestei acumulări este de 1 230 mil. m3, la NNR fiind de 1 130 mil. m3, în timp ce suprafața la NNR de 3 100 ha. Scopurile înființării acestei acumulări sunt: producerea de energie electrică și alimentarea cu apă. Situat pe cursul superior al râului Bistrița, lacul s-a format ca urmare a construirii barajului hidroenergetic cu același nume, din el alimentându-se centrala hidroelectrică Bicaz – Stejaru. La nivelul maxim de umplere, acesta are o lungime de circa 31 km. La suprafața acestui lac se fac măsurători evaporimetrice încă de la înființarea barajului, pluta evaporimerică fiind amplasată în partea centrală a acestuia.

Fig. 13. Acumularea Izvorul Muntelui și aparatura utilizată pentru măsurarea

evaporației și precipitațiilor

Lacul Siutghiol, situat la nord de Constanța într-un golf lagunar, separat de Marea Neagră printr-un perinisip care variază ca lățime între 300-600 m, are o suprafață de 19,6 km2 și o adâncime maximă de 17,1 m, fiind o lagună marină. Acesta este legat de lacul Tăbăcăriei, în partea de sud. Pin intermediul acestuia (lacul Tăbăcăriei), lacul Siutghiol se varsă în Marea Neagră (Gâștescu, 2006).

Spre deosebire de celelalte lacuri de pe litoral, acesta are apa dulce datorită alimentării puternice pe cale subterană cu ape din carst. Analizând bilanțul hidric alimentarea subterană este de 1,2 m3/s, foarte mare comparativ cu restul componentelor bilanțului (Gâștescu, 2006). Datorită alimentării cu apă dulce, culoarea apei lacului este un verde albicios. În anii ’70 din cauza folosirii excesive a apei din lac, nivelul acestuia scăzuse până sub nivelul mării.

Funcția principală a lacului este cea de agrement, pe malulurile sale găsindu-se numeroase debarcadere și ambarcațiuni cu motor. Totodată, lacul Siutghiol prezintă și interes pentru cercetările hidrologice, la nivelul său desfășurându-se observații de nivel, măsurători privind evaporația, temperatura aerului și a apei, valurile, iar prin amplasarea de foraje hidrogeologice pe cordonul maritim, se urmărește relația dintre ape dulci și sărate, la nivel subteran (Gâștescu, 2006).

Lacul Techirgiol (fig. 14) are o suprafață de 11,6 km2 și o adâncime maximă de 9,75 m, fiind de origine liman fluviatil. Acesta este cel mai sărat lac de pe litoralul românesc și printre cele mai importante din țară pentru calitățile sale balneoterapeutice (nămoluri). În cazul acestui lac scurgerea superficială este redusă, se manifestă doar în timpul ploilor torențiale, iar alimentarea din ape subterane este redusă. Lacul nu are scurgere spre mare, iar nivelul său este de obicei sub cel marin. Salinitatea ridicată restrânge asocaițiile floristice și faunistice, exceptând golfurile și porțiunile de țărm unde aportul de apă dulce permite dezvoltarea stufului (Gâștescu, 2006).

Pentru protecția calităților balneoterapeutice ale lacului, încă din 1975 s-au luat măsuri de delimitare a unei zone restrictive, iar pentru menținerea unui echilibru între presiunea apei sarate din lac și a celei dulci din subterane, s-a început pomparea apei din subterante pentru diferite folosințe industriale (Gâștescu, 2006). Cu toate acestea după anii ’90 nivelul lacului a început să crească, depășind nivelul mării, această creștere influențată de apele din sistemul de irigații, ducând la scăderea mineralizării apei, și afectând biotopul optim de formare a nămolurilor.

Fig. 14. Lacul Techirghiol și pluta evaporimetrică amplasată pe malul lacului (anul 2017)

PARTEA A II–A

CARACTERSITICILE EVAPORAȚIEI DE LA SUPRAFAȚA APEI LACURILOR DIN ROMÂNIA

CAPITOLUL 4

Variația spațială a evaporației de la suprafața apei lacurilor din România

4. 1. Repartiția stațiilor evaporimetrice în România

În vederea analizării variabilității spațiale a evaporației de la suprafața lacurilor au fost valorificate date măsurate la nivelul a 21 de stații (fig. 15), în cadrul cărora evaporația este măsurată zilnic (orele 7 și 19), începând cu lunile aprilie/mai și până în octombrie/noiembrie, respectiv imediat după dezghețul din primăvara, atunci când temperatura aerului este mai mare de 0°C timp de trei zile consecutive, și până toamna târziu, până la primul îngheț.

Fig. 15. Stațiile evaporimetrice amplasate la suprafața lacurilor în România

Din cele 21 de lacuri, mai bine de jumătate din ele sunt amplasate în zona de câmpie, la altitudini mai mici de 250 m. Zona de dealuri și podișuri nu este bine reprezentată din punct de vedere evaporimetric, drept pentru care în cadrul acesteia sunt monitorizate doar 3 lacuri (Bezid), iar în zona montană numai 6 lacuri prezintă plute evaporimetrice (Izvorul Muntelui, Vârșolț, Călinești).

Variația spațială a evaporației la nivelul lacurilor depinde atât de altitudinea la care este amplasat lacul, dar și de caracteristicile morfometrice ale lacului, drept pentru care un rol esențial în acest studiu îl dețin suprafața lacului, forma, adâncimea și altitudinea. Din cele 21 de lacuri analizate, 4 au suprafețe mai mici de 1 km2, 12 lacuri au suprafețe cuprinse între 1 și 10 km2, iar 5 dintre ele au suprafețe mari, de peste 10 km2 (fig. 16).

Fig. 16. Repartiția lacurilor luate în studiu pe trepte de relief (stânga) și în funcție de suprafețele acestora (dreapta)

Seriile de date privind evaporația de la suprafata apei lacurilor din România (măsurată direct la nivelul bazinului evaporimetric GGI-3000), nu sunt uniforme, nu se întind pe aceeași perioadă, astfel unele stații evaporimetrice și-au început activitatea în 1958 (Jirlău, Izvorul Muntelui), altele în 1961 (Cefa, Căldărușani, Amara), iar din 1998 rețeaua evaporimetrică s-a îmbogățit cu alte câteva stații (Valea de Pești, Călinești, Vârșolț).

4. 2. Distribuția spațială a evaporației medii multianuale la nivelul României

4.2.1. Spațializarea evaporației din perioada 1961-2012

Pe parcursul perioadei 1961-2012 măsurătorilor evaporimetrice au fost realizate la nivelul a șase statii evaporimetrice amplasate la suprafața lacurilor: Căldărușani, Amara, Cinciș, Furculești, Fântânele și Izvorul Muntelui (tabelul 3). Aceste lacuri sunt situate în regiuni geografice diferite, cu diferențe altitudinale de peste 500 m, și cu diferențe climatice resimțite în special în ceea ce privește temperatura aerului și umiditatea relativă. Pe parcursul perioadei 1961-2012 (fig. 18), evaporația medie anuală a fost cuprinsă între 600 -700 mm/an în regiunea montană și depresionară (lacul Izvorul Muntelui, lacul Cinciș) și a depășit 850 mm/an în zona de câmpie din sudul țării (lacurile Căldărușani și Amara).

Tabelul 3. Stațiile evaporimetrice de lac și perioadele comune de măsurători

Fig. 18. Evaporația medie multianuală măsurată la suprafața lacurilor din România în perioada 1961-2012

4.2.2. Spațializarea evaporației din perioada 1961-2002

Din cauza faptului că în anul 2002 anumite stații evaporimetrice s-au desființat, am stabilit ca a doua perioadă de analiză sa fie 1961-2002 (fig. 19), în aceasta perioadă funcționând stațiile: Căldărușani, Amara, Cinciș, Izvorul Muntelui, Furculești, Fântânele, Bistreț, Teascu, Siutghiol, Cefa și Jirlău. În acest caz, evaporația medie multianaulă a variat de la 600 mm/an în regiunea montană, și până la peste 900 mm/an în lungul bazinului fluviului Dunărea (lacurile Bistreț și Teascu) și în sud-estul Câmpiei Române (fig. 19).

4.2.3. Spațializarea evaporației din perioada 1998-2012

În anul 1998 au fost instalate plute evaporimetrice la suprafața lacurilor: Dridu, Bezid, Călinești și Valea de Pești (fig. 20). Perioda 1998-2002 rămâne cea mai importantă, întrucât în acest interval de timp au funcționat 20 de stații evaporimetrice amplasate la suprafața lacurilor, fiind localizate la altitudini cuprinse între 1 m și 850 m. Acest eșantion de timp, deși scurt ca durată, permite crearea unei imagini de ansamblu asupra distribuției spațiale a evaporației la nivelul României (fig. 20). Perioada de analiza 1998-2012, prezintă o valoare a evaporației medii între 150 mm/an pentru lacurile localizate la altitudini de peste 800 m (Valea de Pești) și circa 900 mm/an pentru lacurile amplasate în Câmpia Română (lacul Căldărușani).

4.2.4. Spațializarea evaporației din perioada 1998-2002

Potrivit măsurătorilor efectuate în perioada 1998-2002 evaporația medie anuală variază între 150 mm/an, la altitudini mari mai mari de 800 m (Valea de Pești), are valori cuprinse între 400 -700 mm/an în regiune deluroasă (în partea centrală și de vest a țării), și depășește 1000 mm/an în sudul-estul și sud-vestul țării (lacuri Jirlău, Bistreț, Teascu). Valorile medii ale evaporației mai mari de 1000 mm/an (fig. 21) se datorează influențelor climatice aride și mediteraneene, primite de România din estul și sudul Europei. Evaporația de la suprafața lacurilor, amplasate pe țărmul Mării Negre variază între 700 și 900 mm/an, din cauza umidității relative foarte ridicată. In cazul lacurilor Amara și Fântânele valorile evaporației s-au redus considerabil dupa anul 2002, din cauza diminuării perioadei intraanule de observații și măsurători, de la martie-noiembrie, la intervalul aprilie-octombrie.

4.2.5. Spațializarea evaporației din perioada 2004-2012

În cadrul ultimei perioade analizate, dar și cea actuală 2004-2012, programul de observații și măsurători evaporimetrice a cuprins lacurile Căldărușani, Amara, Cinciș, Izvorul Muntelui, Fântânele, Furculești, Dridu, Valea de Pești, Bezid, Vârșolț, Stânca, Solești și Călinești. Evaporația medie a fost cuprinsă în acest interval de timp între 130 mm/an și 970 mm/an (fig. 22), remarcându-se o omogenizare a datelor, cu diferențe mai mici de 200 mm/an între stațiile amplasate în regiunea montană și cele din sudul țării.

Distribuția spațială a evaporației la niveul țării depinde de variabilitatea latitudinală și logitudinală, ce atrage dupa sine regionalizări climatice, determinate de influențele climatice de vest, mediteraneene și de ariditate. Astfel, s-a observat că evaporația apei crește de la nord către sud și de la vest către est, pe fondul creșterii temperaturilor medii și scăderii stratului de precipitații, precum a umezelii relative.

Cele mai mari valori ale evaporației de la suprafața lacurilor se înregistrează în sudul și estul țării cu precădere în Câmpia Română, iar cele mai mici valori în zonele montane și la contactul cu dealurile și podișurile. Evaporația la nivelul României variază deci între 1048 mm la (SE) Bistreț și 151 mm la (SE) Valea de Pești, scade altitudinal în limite destul de largi: de la 150 mm/an în zona montană (SE Valea de Pești), până la circa 600 mm/an în Banat și Podișul Transilvaniei, ajungând până la circa 1000 mm/an în Câmpia Română și zona litoralului. Cele mai mari valori medii multianuale ale evaporației s-au înregistrat la nivelul lacurilor Bistreț (1048,0 mm/an), Jirlău (1042,0 mm/an), Teascu (1010,0 mm/an), Căldărușani (968,2 mm/an) și Amara (908,0 mm/an), localizate în Câmpiei Române, în regiunile aflate sub influența nuanțelor de ariditate, dar și a vânturilor foarte puternice (fig. 22).

Fig. 19. Evaporația medie multianuală măsurată la suprafața lacurilor din România

în perioada 1961-2002

Fig. 20. Evaporația medie multianuală măsurată la suprafața lacurilor din România

în perioada 1998-2012

Fig. 21. Evaporația medie multianuală măsurată la suprafața lacurilor din România

în perioada 1998-2002

Fig. 22. Evaporația medie multianuală măsurată la suprafața lacurilor din România

în perioada 2004-2012

CAPITOLUL 5

Variația temporală a evaporației de la suprafața lacurilor din România

5.1. Evaporația anuală

Punerea în evidență a caracteristicilor temporale privind evaporația de la suprafața lacurilor s-a făcut pe baza valorificării seriilor de valori multianuale și anuale de la 21 de lacuri luate în studiu (tabelul 4), acestea având perioade de observații cuprinse între 52 și 7 ani.

Variația evaporației de la un an la altul este reflexul modificărilor condițiilor climatice care acționează asupra acesteia. Pe lacurile luate în analiză, evaporația a cunoscut oscilații mai mari sau mai mici de la un an la altul, acestea fiind evidențiate de valorile anuale și de mediile glisante ale acestora, precum și de valorile coeficienților de variație (Cv) și de asimetrie (Ca).

În urma analizei valorilor multianuale ale evaporației au rezultat diferențe mari de la o stație la alta, de la 1048 mm la stația evaporimetrică (SE) Bistreț până la 151 mm la (SE) Valea de Pești. Cele mai mari valori ale evaporației anuale au fost observate pentru pe lacurile situate în sudul și estul țării, cu precădere în Câmpia Română (aceste stații aflându-se sub influența climatului temperat cu nuanțe de ariditate și a celui cu influențe mediteraneene), respectiv valori ce depășesc 1000 mm/an la nivelul lacurilor Căldărușani, Bistreț, Teascu, Jirlău și Amara. Cele mai mici valori ale evaporației se înregistrează pe lacurile situate în zona montană (Valea de Pești), la altitudini de peste 1000 m evaporația scade sub 300 mm/an, în timp ce la contactul cu dealurile și podișurile aceasta rar depășește 600 mm/an (Izvorul Muntelui, Călinești, Secu). Cuantificând în milimetri diferențele apărute de la un an la altul se poate preciza că acestea pot fi în jur de 100 -200 mm (Călinești, Cinciș, Căldărușani, Jirlău) sau chiar mai mari de 300 mm de la un an la altul (Amara, Furculești, Siutghiol, Valea de Pești, Bistreț).

O apreciere generală auspra variației evaporației anuale s-a făcut luând în considerare și coeficienții moduli maximi (Kmax=Emax/E, unde Emax este evaporația maximă anuală și E este evaporația medie multianaulă) și minimi (Kmin=Emin/E, unde Emin este evaporația minimă anuală și E este evaporația medie multianaulă), precum și raportul dintre ei, pentru a pune în evidență oscilația valorilor extreme ale evaporației pe teritoriul României.

Urmărind datele privind coeficienților moduli calculați pentru toate stațiile evaporimetrice din tabelul 4 se observă că valorile cele mai mari ale coeficienților Kmax și Kmax/Kmin apar la nivelul lacurilor cu perioade scurte de monitorizare a evaporației de circa 5-10 ani (Călinești, Secu, Surduc, Stânca) sau la nivelul cărora s-a redus semnificativ în ultimii 15 ani perioada de măsurare intraanuală (mai-octombrie), așa cum este cazul stațiilor Amara și Furculești. Concludent pentru această analiză, rămâne rezultatul Kmax și Kmax/Kmin obținut în zona montană la stația Valea de Pești, respectiv 2,11 și 4,41, datorită influenței variației mari de la un an la altul a precipitațiilor, asupra procesului de evaporație al apei.

Valorile Kmax și Kmin au o variație slabă la nivelul lacurilor amplasate în zonele de câmpie și deal și podiș, ce dețin perioade lungi și continuue de monitorizare, fără întreruperi sau modificări interanuale. Astfel, cele mai mici valori ale coeficienți fiind determinate pentru lacurile Căldărușani, Cefa, Cinciș, Fântânele și Teascu.

Tabelul 4. Date caracteristice asupra variației evaporației anuale la stațiile evaporimetrice din România

Analiza periodicității fenomenului de evaporație s-a realizat pe baza graficelor privind variația cronologică a valorilor mediilor glisante pe 5 ani, iar dintre graficele de variație cronologică a valorilor anuale ale evaporației realizate pentru toate cele 21 de lacuri luate în studiu sunt prezentate doar cele mai reprezentative. Dintr-o primă analiză a graficelor (fig 23-27) se remarcă faptul că perioadele de funcționare ale stațiilor prezintă atât ramuri de scădere cât și de creștere, în prezent ne aflăm pe o ramură de creștere (conform ultimilor 10 ani) în cazul lacurilor Căldăușani, Cinciș, și pe o ramură de scădere pentru lacurile Amara (fig. 23), Fântânele (fig. 24), Izvorul Muntelui (fig. 25).

Pentru o caracterizare mai precisă a variație evaporației medii anuale a fost calculat coeficientul de variație – Cv (ecuația 7) cu ajutorul relației (Neculau, 2010):

(7)

Unde: = coeficientul modul anual, obținut ca raport între evaporația medie anuală și evaporația medie multianuală ():; = numărul de ani din perioada analizată.

Astfel, în ceea ce privește valorile coeficienților de variație pentru evaporația măsurată la nivelul celor 21 de lacuri luate în analiză, acestea s-au încadrat între 0.09 și 0.50. Ele sunt realtiv scăzute pentru zona de câmpie 0,10 – 0,17, pentru zona de litoral 0,13 – 0,17, precum și pentru zona de deal și podiș 0,10 – 0,16 și mai ridicate în zona de munte 0,14 – 0,50. Potrivit coeficientului de variație cele mai mari diferențe de la un an la altul s-au remarcat pentru lacurile cu perioada scurta de monitorizare respectiv 1998 – 2012 (Solești, Stânca, Secu) sau fie în cazul lacurilor la nivelul cărora se pot identfica tendințe clare de scădere (fig. 23, 24 și 25) sau de creștere a evaporației (fig. 26 și 27).

Fig. 23. Variația evaporației anuale, media multianuală și mediile glisante ale acesteia pentru stația Amara

Fig. 24. Variația evaporației anuale, media multianuală și mediile glisante ale acesteia pentru stația Fântânele

Fig. 25. Variația evaporației anuale, media multianuală și mediile glisante ale acesteia pentru stația Izvorul Muntelui

Fig. 26. Variația evaporației anuale, media multianuală și mediile glisante ale acesteia pentru stația Cinciș

Fig. 27. Variația evaporației anuale, media multianuală și mediile glisante ale acesteia pentru stația Căldărușani

O altă caracteristică a șirului de date o reprezintă asimetria acestuia sau a modului de comportare a lui față de medie (ecuația 8). Se exprimă cu ajutorul formulei de calcul (Preoteasa, 1984):

(8)

Pentru determinarea acestuia este necesar un șir de date lung și complet, eroarea apărând odată cu reducerea numărului de termeni și cu cât valorile Cv sunt mai mici. De aceea trebuie precizat că rezultatele Cs pentru lacurile cu perioade de monitorizare a evaporației scurte de timp (mai mici de 15 ani) au caracter informativ.

În urma aplicării coeficientului de asimetrie s-a obținut o gamă de valori de Cs negative, pozitive și apropiate de zero (tabelul 4). Potrivit Cs seriile de date de la nivelul lacurilor Siutghiol, Bistreț, Solești, Amara (tabelul 4) și Vârșolț prezintă o puternică asimetrie de dreapta, în timp ce lacurile Techirghiol, Jirlău, Valea de Pești și Bezid prezintă serii de date asimetrice de stânga. Pentru restul seriilor de valori ale evaporației Cs a generat valori mai mici de 0,3, ceea ce indică serii de date ușor simetrice.

5.1.1. Valorile extreme (maxime și minime) ale evaporației anuale

În ceea ce privește anii în care s-au produs cele mai mari valori ale evaporației evaporației, aceștia au fost cuprinși în intervalul 1999-2002 (Amara, Fântănele) și 2007-2012 (Căldărușani), ani în care condițiile hidrometeorologice au favorizat aceste maxime: temperatură ridicată, valori mare ale deficitului de umiditate în sezonul de vară, precipitații scăzute. În funcție de condițiile climatice regionale au mai fost semnalați și anii 1963, 1986, 1992 ca având valori extreme ale evaporației.

Analizând șirurile de valori și reprezentările grafice am putut identifica și câteva perioade comune pentru cele 21 de lacuri analizate, în care evaporația a fost cu mult sub media multianuală înregistrată la fiecare stație în parte, și anume intervalul 1964-1967 (Cinciș, Bistreț, Jirlău) și 1998-2006 (Bezid, Fântânele, Vârșolț, Secu, Solești, Călinești, Căldărușani, Dridu, Siutghiol), aceste perioade fiind cunoscute în literatura de specialitate ca fiind intervale de timp cu manifestări puternice ale fenomenelor extreme (viituri, inundații).

5.2. Evaporația medie lunare multianuală

În ceea ce privește variația intraanuală a evaporației cele mai mari valori se înregistrează în lunile de vara, respectiv în iulie și august (fig. 28 și 29), atunci când temperaturile aerului ating valori maxime anuale, umezeala relativă indică cele mai mici valori medii lunare (sub 70%), iar durata de strălucire a Soarelui este maximă (peste 300 ore/lună). Din punct de vedere procentual valorile însumate în lunile de vară ocupă 50% din evaporația totală anuală, iar restul până la 100% se repartizează între primavară și toamnă, cu o pondere mai mare în sezonul de primavară cu 2-9%.

În regiunile joase, de câmpie evaporația poate să atingă în lunile iulie și august peste 180 mm (Căldărușani, Amara, Bistreț, Teascu), iar în lunile de primăvara și toamnă evaporația variază de la 30 la 120 mm/lună (fig. 30 și 31). Din cauza reducerii radiației, creșterii nebulozității și intensificării precipitațiilor, pe perioada lunilor de toamnă procesul de evaporație scade rapid ajungând la valori de 30 mm/lună (1 mm/zi).

Pentru lacurile amplasate la peste 1000 m (Valea de Pești) în lunile de vară evaporația poate să atingă maxim 50 mm/lună, în timp ce la începutul primăverii (martie-aprilie) și sfârșitul toamnei (octombrie-noiembrie) aceasta scade sub 15 mm/lună (fig. 32). În zonele depresionare, ce prezintă un climat mai blând, evaporația ajunge în lunile de vară 100 mm/lună, iar în restul anului variază între 30-80 mm/lună.

Lacurile amplasate în zona litorală (Techirghiol, Siutghiol) dețin un regim special, datorită umidității ridicate a aerului, dar și a temperaturilor aerului mai blânde în anotimpurile primăvara și toamnă, astfel în cazul acestora valorile evaporației pornesc de la 60 mm/lună și ating un maxim de 180 mm/lună (fig. 33).

În ceea ce privește valorile coeficienților Cv ai evaporației luare, în cazul acestora ecartul este cuprins între 0,11 – 0,77. Valorile numerice ale parametrului Cv lunar sunt mai mari, comparativ cu Cv anual, deaorece reflectă modul cum este influențat procesul evaporației de către diferiți factori hidrometerologici, influență care la nivel anual se atenuează (Preoteasa, 1984). Pentru toate stațiile analizate cele mai mici valori ale Cv apar în lunile de vară (fig. 34), îndeosebi în iulie 0,13 – 0,19 și sunt mai mari în lunile de primăvară și toamnă (0,30 – 0,77). Diferența cea mai mare dintre valorile extreme în cursul anului se semnalează la stațiile din regiunile montane, ca de exemplu Valea de Pești, Călinești (fig. 34).

Fig. 34. Variația lunară a Cv pentru câteva stații evaporimetrice reprezentative

5.3. Evaporația zilnică

Particularitățile variației zilnice și diurne ale evaporației, deși de o importanță deosebită, sunt puțin folosite în caracterizarea regimului meteorologic al diferitelor areale, sau în studii cu impact în domenii precum agricultură, hidroenergie sau schimbări climatice.

Pentru caracterizarea regimului zilnic al evaporației am analizat date provenit de la 9 stații evaporimetrice: Căldărușani, Amara, Dridu, Bezid, Cinciș, Solești, Stânca, Călinești și Vârșolț, pentru perioada 2008-2012.

Dintr-o primă analiză am putut observă că valoarea maximă anuală este în mod evident înregistrată la toate stațiile analizate în perioada de vară, aceasta oscilând între 9 – 10,5 mm în arealul geografic ocupat de câmpie (fig. 35, 36 și 37) și între 7 – 8 mm în arealul geografic ocupat de dealuri și podișuri (fig. 38 și 39). În acealși timp valoarea maximă din perioada de primavară este pentru majoritatea stațiilor evaporimetrice foarte apropiată ca ordine de mărime de cea din perioada de vară, maximul din toamnă fiind mai redus (6 mm/zi).

Fig. 35. Variația evaporației zilnice în perioada 2008-2012 la stația Căldărușani

Fig. 36. Variația evaporației zilnice în perioada 2008-2012 la stația Amara

Fig. 37. Variația evaporației zilnice în perioada 2008-2012 la stația Solești

În ceea ce privește data de producere a valorilor maxime, s-a observat că la majoritatea stațiilor evaporimetrice din centrul și sud-vestul țării, data medie de producere a valorilor maxime, are un devans față de cele din sudul și estul țării de aproximativ o decadă și chiar două. Totodată, urmărind intervalul anual de apariție a maximelor se observă că pentru majoritatea stațiilor maximul de primavară apare în decada a doua a lunii mai, cel de vară în luna iulie, iar cel de toamnă începând cu decada a doua a lunii septembrie.

Fig. 38. Variația evaporației zilnice în perioada 2008-2012 la stația Cinciș

Fig. 39. Variația evaporației zilnice în perioada 2008-2012 la stația Vârșolț

5.4. Evaporația orară

De mare interes sunt și analizele privind datele orare (obținute din observațiile de la stațiile evaporimetrice) folosite în vederea calculării evaporației zilnice (sume) și ulterior lunare și anuale. La nivelul țării determinarea evaporației de la suprafața apei se efectuează în mod curent la doua termene orare 7:00 și 19:00. Variația evaporației diurne este dată de variația factorilor genetici ai fenomenului evaporație (radiația solară, temperatura aerului și a apei, precipitațiile atmosferice, vântul), ca de exemplu, în regiunile joase de luncă și câmpie ale României, evaporația diurnă, oscilează sub forma unor unde simple, cu un minim care se produce în timpul răsăritului soarelui și un maxim care are loc între orele 13:00 -14:00 (fig. 40).

Fig. 40. Variația evaporației orare(7:00 și 19:00) în perioada 1 – 15 august 2014 la stația Căldărușani

Concluziile care s-au conturat dupa analiza succinta a evaporației orare, a fost că în toate anotimpurile, curbele evaporației diurne sunt asimetrice, astfel ele dețin un minim dimineața înainte de răsăritul soarelui (variabil pe parcursul anului, în funcție de echinocțiul de primăvară și cel de toamnă) și un maxim care se produce la orele amiezii, cu o întarziere de 1-2 ore fața de maxima temperaturii suprafeței subiacente (fig. 41).

In afara de trăsăturile comune redate mai sus, variațiile evaporației în 24 ore se diferențiază evident și în funcție de amplasarea stației evaporimetrice pe teritoriul țării, respectiv în funcție de latitudinală și altitudinală.

Fig. 41. Variația temperaturii orare a apei (1:00, 7:00, 13:00 și 19:00) în perioada 01 – 07 august 2014 la stația Căldărușani

5. 5. Tendințe ale evaporației anuale și lunare

Pentru a analiza variația temporală a evaporației de la suprafața lacurilor din România, au fost folosite teste statistice pentru identificarea tendințelor și rupturilor apărute în șirurile de date. Analiza statistică a tendinței evaporației la scara lunară și anuală a fost realizată prin aplicarea testului statistic nonparametric Mann-Kendall, rezultatele acestuia ajutând la identificarea tendințelor generale cu diferite niveluri de încredere (Neculau et al., 2016).

Pentru lacurile situate în sud-vestul țării (Fântânele, Furculești) testul Mann-Kendall a identificat o tendință generală de scădere a evaporației cu un nivel de semnificativitate de 0,001-0,05 (tabelul 5), în timp ce lacurile din sud-estul României au o tendință de creștere (Căldărușani, Jirlau) cu diferite grade de semnificativite cuprinse între 0,001 și 0,05 (Tabelul nr. 4).

Pentru lacurile localizate în zona montana (Izvorul Muntelui), a fost identificată o tendință de scădere a evaporației (0,05), cu grade scăzute de semnificativitate, în timp ce pentru lacurile situate în nord-vestul țării (Vârșolț, Călinești) testul Mann-Kendall a identificat o tendință generală de intensificare a procesului de evaporație (tabelul 5). În cazul lacurilor care au o perioadă redusă de observație, sub 15 ani (Secu, Surduc, Bezid) testul Mann-Kendall nu a identificat nici o tendință (fig. 42), rezultatele obținute pentru acestea fiind pur orientative.

Procesul de evaporație este strâns legat de variația parametrilor climatici. Astfel, dacă analizăm tendința evaporației, trebuie să luăm în calcul și tendințele parametrilor climatici, aceștia fiind deja analizați de către climatologici în lucrări de specialitate (Busuioc et al., 2010; Croitoru et al., 2013; Cheval et al., 2015; Dumitrescu et al., 2014; Bojariu et al., 2015, Dobrinescu, 2015; Marin, 2015).

Tabelul 5. Tendințe în variția lunară și anuală a evaporației medii, rezultate prin aplicarea testului statistic nonparametric Mann-Kendall

Semnificația simbolurilor: ***: α = 0,001; **: α = 0,01; *: α = 0,05; +: α = 0,1.În albastru, tendință de scădere și în roșu tendință de creștere.Absența simbolului indică absența tendinței.

Pe baza analizei datelor din perioada 1961-2012 (fig. 43) s-a observat o tedință de creștere a temperaturii aerului în toată țara, cu precădere în anotimpurile de vară și primăvară (Bojariu et al., 2015). In cazul precipitațiilor nu s-au remarcat tendințe semnificative, decât izolat, cu creșteri în partea de sud a Dobrogei, în Depresiunea Colinară a Transilvaniei, precum și în partea de nord a țării, în anotimpurile de toamna și primăvară.

Insificarea duratei de strălucire a Soarelui a fost observată pe perioada primăverii și toamnei la nivelul întregii țări, precum și în sezonul de iarna în sudul României (Bojariu et al., 2015). În paralel, viteza vântului prezintă o tedință generală de scădere, accentuată în sudul și estul României (fig. 43).

Astfel, putem asocia tendința de creșterea a valorilor medii ale evaporației în partea de nord-vest și sud a României, cu creșterea observată în rândul temperaturii aerului (fig. 43), și cu scăderea cantităților de precipitații (Croitoru et al., 2013).

In ceea ce privește scăderea evaporației pentru unele lacuri din sudul Româiniei, trebuie specificat ca, în cazul acestora, perioada de observații și măsurători evaporimetrice s-a redus din anul 2002, datorită reducerii personalului angajat. Astfel, dacă pana atunci la majoritatea stațiilor evaporimetrice masuratorile erau efectuate din martie până în noiembrie, după anul 2002 perioada s-a rezumat la iunie – octombrie (ex. Amara, Fântânele).

Fig. 42. Reprezentarea tendințelor evaporației medii multianuale măsurată la suprafața lacurilor în România

5.6. Rupturi în șirurile de date ale evaporației

Pentru a detecta rupturile în șirurile de date ale evaporației am utilizat softul Khronostat (1998), dezvoltat de IDR. Acesta oferă posibilitatea aplicării mai multor teste parametrice și nonparametrice statistice, așa cum este cazul testelor Pettitt, Hubert și Lee and Heghinian, în vederea identificării rupturilor în seriile de date (Paturel et al., 1996). O ruptură în seria de date este considerată ca o modificare în distribuția legii probabilității a seriei la un moment dat, de obicei necunoscut (Paturel et al., 1996).

Fig. 43. Tendințe ale temperaturii aerului, precipitațiilor, vitezei vântului și duratei de strălucire a Soarelui, preluate din Bojariu et al., 2015

Stabilitatea rupturilor este controlată prin aplicarea mai multor teste statistice pe același șir de date, dar si prin schimbarea perioadei de analiza. Astfel, au fost aplicate testele statistice nonparametric Pettitt, Lee and Heghinian și Hubert pentru perioadele 1961-2012 și 1961-2002. Stațiile evaporimetrice luate în analiză sunt Căldărușani, Amara, Cinciș, Furculești, Fântânele și Izvorul Muntelui.

În cazul primei perioade de analiză 1961-2012, au fost identificate pe baza testelor statistice rupturi ce corespund unei tendințe de creștere a evaporației în anii ’80 la stațiile Căldărusani, și Cinciș, dar și rupturi ce corespund scăderii valorilor începând cu anii ’90 la stațiile Amara, Furculești, Fântânele, scădere remarcată în special în timpul lunilor de vară (tabelul 6 și 7).

Pe parcursul intervalului de timp 1961-2002 un număr mai mare de stații evaporimetrice a funcționat conform programului stabilit de către instituțiile ce monitorizează acest proces, respectiv au fost analizate date măsurate la nivelul lacurilor: Căldărușani, Siutghiol, Bisțret, Teascu, Jirlău, Cinciș, Amara, Furculești, Fântânele, Izvorul Muntelui și Cefa. Rezultatele obținute sunt similare cu cele analizate anterior. A fost identificată ruptură în șirul de date al evaporației în jurul anilor ’70 (tendință de scădere) la stațiile Amara, Fântânele și Siutghiol, precum și în jurul anilor ’80 (tendință de creștere) (tabelul 7). În cazul evaporației măsurate la nivelul lacului Cefa, toate cele trei teste statistice de identificare a rupturilor șirurilor de date, au indicat absența unei rupturi.

Tabelul 6. Anii în care au fost identificate rupturi și media evaporației corespunzătoare perioadei înainte și după ruptură – testele Pettitt și Lee and Heghinian (perioada 1961-2012)

Tabelul 7. Anii în care au fost identificate rupturi și media evaporației corespunzătoare perioadei înainte și după ruptură – testul Hubert (perioada 1961-2012)

Analizând rezultatele obtinuțe în cazul ambelor perioade luate în studiu (1961-2012 și 1961-2002) am putut observa stabilitatea rupturilor la nivelul stațiilor evaporimetrice Căldărușani (1984), Cinciș (1989, respectiv 1981) și Furculești (1990). În cazul stației Fântânele, ruptura în șirul de date este accentuată in anul 1968, fiind identificată pe baza mai multor teste statistice. În ceea ce privește ruptura din anul 1997 identificată în șirurile de date măsurate la nivelul lacului Amara, aceasta corespunde reducerii perioadei de măsurători și observații efectuate în timpul anului, respectiv de la perioada martie/noiembrie, la mai/octombrie (tabelul 8 și 9). In cazul stației Izvorul Muntelui, ruptura accentuată a fost identificata în perioada 1966-1968.

Și în anii ’90 o serie de rupturi au fost identificate pentru restul stațiilor analizate, respectiv Jirlău (1991), Siutghiol (1975, 1997), Teasc (1999), Bistreț (1990). Sigura stație care nu prezintă ruptură potrivit testelor statistice Pettitt si Hubert este stația Cefa, însă testul Lee and Heghinian identifică chiar și în cazul ei o ruptura în anul 2001 (tabelul 8).

Rupturile identificate la nivelul observațiilor evaporimetrice, au fost comparate cu cele identificate la nivelul parametrilor climatici (Anexa 1): temperatura aerului, umezeala relativă, durata de strălucire a Soarelui și viteza vântului (tabelul 10). Astfel, am ajuns la concluzia că modificările apărute în decursul anilor ’70, ’80 și ’90 la nielul evaporației sunt strâns legate de evoluția în timp a parametilor climatici.

Tabelul 8. Anii în care au fost identificate rupturi și media evaporației corespunzătoare perioadei înainte și după ruptură (perioada 1961-2002) – testul Pettitt și testul Lee and Heghinian

Tabelul 9. Anii în care au fost identificate rupturi și media evaporației corespunzătoare perioadei înainte și după ruptură – testul Hubert (perioada 1961-2002)

Tabelul 10. Anii în care au fost identificate rupturi și media parametrilor climatici perioadei înainte și după ruptură – testul Pettitt (perioada 1961-2002)

CAPITOLUL 6

Influența diferiților factori asupra evaporației

de la suprafața apei

6. 1. Relația dintre evaporație și parametrii morfometrice ai lacului

În vederea identificării relației dintre evaporație și caracteristicile morfometrice și hidrologice ale lacurilor, au fost valorificate valori medii multianaule ale evaporație măsurată la nivelul a 21 de lacuri din România, la care am adăugat altitudinea la care sunt localizate, volumul, adâncimea, suprafața corpului de apă, informații culese din Atlasul Cadastrului Apelor din Romania (1992), dar și din baza de date GIS a Insitutului National de Hidrologie și Gospodărire a Apelor (tabelul 11).

Metodologia de lucru s-a bazat, în special, pe aplicarea metodelor statistice, astfel legătura dintre caracteristicile morfometrice ale lacurilor (suprafața, adâncimea, altitudinea la care este localizat s.a.) și evaporație s-a realizat pe baza corelațiilor simple și multiple (Excel – Data Analysis), în vederea determinării coeficienților de corelație Pearson (Nurmi, 2003; Estevez et al., 2011; Iriza, 2013). Pentru corelarea evaporației cu volumul de apă al lacurilor, a fost necesară extrapolarea evaporației de la nivelul bazinului evaporimetric, la întreaga suprafață a lacului, respectiv estimarea volumului de apă pierdut prin evaporație. Acest lucru a fost realizat prin aplicarea ecuatiei propuse de Drobot și Șerban, 1999.

6.1.1. Altitudinea

Distribuția spațială a parametrilor climatici este, în cea mai mare parte, determinată de relief, care constituie principalul factor ce determină particularitățile climatului local și regional (Ciulache, 2002, 2004). Dintre caracteristicile morfometrice ale reliefului, altitudinea are rolul cel mai important în condiționarea spațială a evaporației. Prin urmare, evaporația măsurată la suprafața lacurilor variază în limite destul de mari, de la 150 mm/an la nivelul lacurilor situate la altitudini de peste 1000 m (Valea de Pești), la 600 mm/an pentru lacurile situate în Banat (Secu, Surduc) și Podișul Transilvaniei (Bezid), ajungând până la peste 1000 mm/an pentru lacurile din Câmpia Română (Căldărușani, Amara, Bistreț, Fântânele).

Distribuția pe verticală a evaporației (fig. 44) este condiționată și de factorii climatici (radiația solară, temperatura și umiditatea aerului, viteza vântului), care la rândul lor sunt determinați de poziția geografică a lacurilor (Neculau et al., 2016). Astfel, la nivelul României, valorile evaporației cresc de la nord către sud, și de la vest către est, pe fondul creșterii temperaturilor medii și a scăderii stratului de precipitații, precum și a umezelii relative.

Tabelul 11. Date morfometrice ale lacurilor luate în studiu din cadrul țării

* Altitudinea la care este localizat corpul de apă, suprafața și volumul lacului, sunt preluate din Atlasul Cadastrului Apelor din România (1992), excepție făcând lacurile Furculești și Teacsu ale căror date morfometrice au fost preluate din baza de date GIS a INHGA.

Cele mai mari valori ale evaporației se înregistrează pe lacurile situate în sudul și estul țării, cu precădere în Câmpia Română (sub influența climatului temperat cu nuanțe de ariditate și a celui cu influențe mediteraneene), iar cele mai mici valori se înregistrează pe lacurile situate în zona montană și la contactul cu dealurile și podișurile (Neculau et al., 2016). Cel mai importat factor morfometric care influențează distribuția pe verticală a evaporației este altitudinea (fig. 44).

6.1.2. Volumul lacului

Alături de altitudine, evaporația de la suprafața lacurilor este condiționată și de principalele particularitățile morfometrice ale lacurilor: suprafață, volum și adâncime.

Astfel, analizând raportul dintre volmul mediu al lacurilor și volumul de apă cedat prin procesul de evaporație, putem preciza că, evaporația crește odată cu volumul de apă al lacului, și invers (trebuie să ținem cont și de condițiile climatice în care este încadrat lacul). În acest caz volumul unui lac poate reprezenta un factor favorabil în creșterea pierderilor de apă cauzate de evaporație. Pe baza corelațiilor s-a observat că între volumul mediu al lacurilor analizate și volumul de apă evaporat există o relație directă (fig. 45), coeficientul de corelație depășind 0.8 (Neculau et al., 2016).

Fig. 45. Corelația între volumul lacului si volumul de apă evaporat mediu multianual: E – f (W); lacuri cu volume mari de apă (a) și lacuri cu volume mici de apă (b)

6. 1.3. Suprafața lacului

În vederea determinării legăturilor dintre suprafețele corpurilor de apă și valorile evaporației măsurate la suprafața lacurilor, a fost necesară realizarea a două relații, prima între suprafețe mai mici de 1 km2 cu valorile evaporației și cea de-a doua între suprafețe de până la 10 km2 cu evaporația aferentă (fig. 46). Astfel, s-a observat că, cu cât suprafața lacului este mai mică cu atât corelația cu evaporația este mai strânsă (Neculau et al., 2016).

Fig. 46. Corelația între evaporația medie multianuală și suprafața lacului:E – f (F); lacuri cu suprafețe mici de 1 km2 (a) și cu suprafețe medii de până la 10 km2 (b)

Cantitatea de apă care se evaporă de la suprafața lacurilor diferă de la o unitate la alta sau în cadrul aceleași unități în funcție de caracteristicile climatice locale și de parametri morfometrici ai lacului. Relațiile dintre evaporație și caracteristicile morfometrice ale lacurilor (suprafața, adâncime, volum, altitudinea localizării lacului) sunt strânse, astfel cu cât volumul lacului este mai mic, cu atât pierderile de apă generate de evaporație vor fi mai mici, și invers, ținându-se cont și de altitudinea la care este localizat corpul de apă, precum și de condițiile climatice locale (Neculau et al., 2016).

6. 2. Relația dintre evaporație și principalii parametri climatici de la suprafața lacului

Evaporația este unul dintre cele mai complexe procese atmosferice, în primul rând pentru că aceasta este "invizibilă" și pentru că este condiționată de o serie de parametri climatici (viteza vântului, durata de stralucire a Soarelui, temperatura aerului, umezeala relativă s.a.), care se prezintă diferențiat de la o regiune climatică la alta (Lenters et al., 2013). Studiul amănunțit al acestui proces poate furniza și informații referitoare la schimbările climatice cu care umanitatea se confruntă în prezent. Încălzirea globală, considerată fără echivoc de al 5-lea raport IPCC (IPCC, 2013) are impact multiplu și complex asupra societății și mediului. O amenințare majoră se concentrează asupra resurselor de apă ce se pot diminua în zonele în care evaporația și implicit ariditatea cresc.

Studiile au arătat deja că la nivel global și regional, resursele de apă sunt în scădere din cauza schimbărilor climatice (IPCC, 2013). Mai mult decât atât, prognozele și scenariile viitoare indică scăderi semnificative ale resurselor de apă (până la 40%) și în general, o intensificare a ciclului hidrologic în natură (Giorgi et al., 2011), cu intensități ale ploii mai mari și perioade secetoase mai lungi. Acesta este și cazul jumătății sudice a Europei, și al României. La nivelul țării, în special în zonele extra carpatice, tendința de creștere a aridității a fost evidențiată prin studiile realizate până în prezent de: Busuioc et al., 2010; Păltineanu et al., 2012; MMP , 2012; Zaharia et al., 2012; Bârsan, 2013; Prăvălie et al., 2014; Dumitrescu et al., 2014; Bojariu et al., 2015.

Ținând cont că evaporația este strâns legată de variabilitatea parametrilor climatici, precum și a celor fizici ai apei (Jhajharia et al., 2006; Lenters et al., 2013; Al Domany et al., 2013), în cadrul acestui subcapitol au fost identificate legăturile existente între evaporația și principalii parametri explicativi (Dąbrowski, 2007): temperatura aerului și a apei, umezeala relativă, cantitatea de precipitații, durata de strălucire a Soarelui, viteza vântului și deficitul de umiditate după temperatura aerului. Am ales să analizez în același timp relația evaporației cu factorii climatici, precum și cu cei fizici ai apei, respectiv temperatura apei, cunoscând principiile și schimbul de căldură între temperatura aerului și apei.

Rezultatele obținute au ca scop identificarea unor metode pretabile de estimare indirectă a evaporației de la suprafața lacurilor (fie ea ecuația de regresie rezultată, sau ecuațiile Penman Open Water, Davydov s.a.), pe baza identificării celor mai strânse legături directe existente între evaporație pe de-o parte și parametrii explicativi de cealaltă parte. Studii privind analiza evaporației în raport cu factorii climatici, si ulterior testarea metodelor indirecte de estimare a evaporației au fost elaborate recent de: Walkusz et al. 2009; Kovacs, 2011; Jhajharia et al., 2006; Dąbrowski, 2007; Al Domany et al., 2013.

6.2.1. Metodologia folosită

Dependența evaporației față de parametrii climatici a fost pusă în evidență prin metoda regresiei liniare simple – ceea ce presupune utilizarea unui singur predictor (de ex. E = f – UR; E = f – W, E = f – Taer, E = f – DSS, unde: E – evaporația de la suprafața apei, mm; W – viteza vântului, m/s; Taer – temperatura aerului, °C; UR – umezeala relative, %; DSS – durata de strălucire a Soarelui, ore), precum și prin metoda regresiei multiple pentru a surprinde efectul combinat al tuturor elementelor asupra evaporației, la care s-au alăturat testele statistice Pearson, Kendall și Spearman (Chok et al., 2010; Cohen et al., 2003). În vederea aplicării metodelor precizate mai sus a fost utilizat soft-ul RStudio ce permite procesarea unui număr mare de date (fig. 48).

Corelațiile exprimă legătura între două sau mai multe variabile, intensitatea și sensul acestora fiind indicate de valoarea unui coeficient de corelație, de notație r, ce variază între 1 și -1 (semnul fiind dat de cel al covariației, deci fiind independent de unitățile de măsură ale variabilelor). În cazul în care valoarea coeficientului de corelație este apropiată de valoarea ± 1, atunci se consideră că se atinge un grad perfect de asociere între cele două variabile, legătura fiind strânsă. Dacă valoarea coeficientului de corelație se îndreaptă spre 0, relația dintre cele două variabile va fi mai slabă (Nurmi, 2003; Estevez et al., 2011; Iriza, 2013).

Un alt parametru statistic important în analiza corelației dintre două sau mai multe variabile, este gradul de semnificativitate statistică, care se stabilește adesea pe baza testelor statistice, printre care amintim : testului statistic Pearson, al lui Kendall și al lui Spearman.Testul statistic Pearson, încadrat în categoria testelor parametrice, este utilizat pe scară largă în domeniul statisticii, pentru a evalua gradul de asociere dintre două variabile liniare, pe baza determinării coeficientului de corelație Pearson (cor). Alternativa nonparametrică a acestuia este reprezentată de testele Spearman și Kendall, ai căror coeficienți de corelație ai rangurilor (rho, tau) testează gradul de corelare între două variabile calitative (Chok, 2010).

În cazul de față a fost considerată ca variabila dependentă evaporația, în timp ce variabilele independente au fost reprezentate de: temperatura aerului și a apei, precipitațiile, umiditatea relativă, viteza vântului, deficitul de saturație după temperatura aerului și durata de strălucire a Soarelui. Au fost folosite valori zilnice ale acestor parametri măsurați la nivelul lacurilor Căldărușani, Bezid, Cincis, Fântânele, Dridu și Amara, în perioada 1998 – 2012 (tabelul 12).

Tabelul 12. Stațiile evaporimetrice analizate și perioada aferentă studiului

6.2.2. Analiza coeficienților de corelație

Pe baza analizei valorile coeficienților de corelație obținuți în urma aplicării testelor statistice Pearson, Kendall și Spearman, s-a putut observa că evaporația este foarte bine explicată pe baza temperaturii aerului (cor 0.55 – 0.90) și a apei din lac (cor 0.61 – 0.86), astfel între aceștia legătura este una strânsă, dependentă și directă (fig. 49), cu cât temperatura aerului și a apei lacului cresc cu atât se intensifică procesul de evaporație.

Și în cazul legăturii evaporației cu radiația solară, respectiv durata de strălucire a Soarelui, aceasta este una strânsă și directă, coeficientul de corelație Pearson având valori mai mari de 0.5 pentru lacurile Căldărușani (fig. 49), Cinciș și Fântânele. Pentru lacurile Amara, Dridu și Bezid legătura dintre parametrii menționați anterior nu este foarte strânsă, însă este una directă, și în cazul acestora s-a putut observa că tendința evaporației este de a crește odată cu mărirea numărului de ore a stralucirii Soarelui din cadrul unei zile (fig. 49).

Potrivit testelor statistice legătura evaporație cu precipitațiile lichide și umezeala aerului este una slabă și inversă, valorile coeficienților de corelație fiind mai mici de -0.16 (tabelul 13), astfel cu cât valoarea precipitațiilor lichide și procentajul umezelii aerului cresc, cu atât procesul de evaporație se reduce.

Relația evaporației cu deficitul de saturație calculat după temperatura aerului este una directă, însă nu foarte stransă, astfel evaporația crește direct proporțional cu valoarea deficitului, în cazul acestora coeficientul de corelația variând între 0.35 – 0.79 (tabelul 13).

În cazul legăturii dintre evaporație și viteza vântului, pentru lacurile analizate, coeficientul de corelație prezintă valori apropiate de 0 (tabelul 13), ceea ce înseamnă ca acest parametru nu afectează semnificativ formarea procesului de evaporație. În ceea ce privește stațiile evaporimetrice Fântânele și Dridu, r are valoarea de -0.21, respectiv 0.17 (tabelul 13), acesta fiind unul din motivele pentru care am decis introducerea vitezei vântului în regresia liniară multiplă. De asemena, viteza vântului este unul din parametrii de bază în determinarea indirectă a evaporației și evapotranspirației, fiind introdus în ecuații încă din anul 1802, atunci când Dalton, a descris evaporația ca fiind un proces influențat în primul rând de viteza vântului (Jensen, 2010).

Tabelul 13. Coeficienții de corelație Pearson, Spearman și Kendall determinați pentru stațiile evaporimetrice luate în studiu

Unde : E – evaporație, P – precipitații, Tw – temperature apei, Ta – temperature aerului, d – deficitul de umditate după temperature aerului, UR – umezeala realtivă, DSS – durata de strălucire a Soarelui, W – viteza vântului.

6.2.3. Analiza matricelor de corelație

Utilizarea matricelor a permis identificarea de relații directe sau inverse între parametrii analizati, astfel în cazul tuturor lacurilor analizate valorile evaporației sunt strâns legate de temperatura aerului și a apei, în cazul lor norul de puncte prezintă o tendință ascendentă, astfel dacă temperaturile se intensifică (apa și aer) și valoarea evaporației va crește (fig. 50). În ceea ce privește relația evaporației cu umezeala relativă, aceasta este inversă, o umezeală ce depășește 60% determină reducerea procesului de evaporație cu până la 2 mm (Anexa 2). Între precipitații și evaporație, precum și între viteza vântului și evaporație, nu se pot identifica pe matrice tendințe sugestive.

Fig. 50. Matricea ce prezintă raportul evaporație față de parametrii hidrometeorologici – lacul Căldărușani

6.2.4. Analiza regresiei multiple

În ceea ce privește regresia multiplă aceasta a fost realizată luând în considerare variabila dependentă evaporația, funcție de variabilele independente temperatura aerului, umezeala relativă, precipitațiile, durata de strălucire a Soarelui și viteza vântului (acesta din urmă pe baza principiilor precizate mai sus). Deficitul de saturație nu a fost introdus în analiza regresia multiple, deoarece nu reprezintă un parametru meteorologic măsurabil, ci este generat pe baza tabelelor Savici, în funcție de temperatura aerului. Referitor la temperatura apei din lac, aceasta este o componentă hidrologică și este cel mai adesea folosită în vederea corectării valorilor evaporației, de aceea s-a decis eliminarea ei din regresia multiplă.

În urma aplicării regresiei liniare multiple (E~T+DSS+UR+P+W) s-au obținut valori foarte ridicate ale coeficienților de corelație 0.58 – 0.91 (tabelul 14), ceea ce indică dependența evaporației de respectivii parametri climatici.

Aceste rezultate permit o mai bună analiză spațială și temporală a evaporației, luând în calcul în special valori ale temperaturii aerului și duratei de strălucire a Soarelui, ca factori ce amplifică procesul și mai apoi precipitațiile și umezeala relativă ca factori restrictivi ai procesului (Cohen et al., 2003). De asemenea, ușurează decizia alegerii ecuațiilor privind estimarea indirectă a evaporației de la suprafața apei.

Tabelul 14. Parametrii statistici rezultați în urma regresiei multiple între evaporație și factorii determinanți

6. 3. Legătura dintre evaporație și proprietățile chimice ale apei

Proprietățile hidrochimie ale lacurilor fac trimitere la gradul de mineralizare total (mg/l) al apei, respectiv la compoziția sărurilor și cantitatea acestora dizolvată într-un volum de apă. Aceste proprietăți variază în timp și spațiu, de la o unitate acvatică la alta, în funcție de rocile predominante și de geneza lacurilor (Ujvari, 1959).

Legătura dintre compușii chimici și evaporația sau evapotranspirația potențială este puțin detaliată în lucrările de specialitate (Guo et al., 2012; Muskett, 2012; Ohyama et al., 2017). În studiile elaborate la nivel internațional s-a pus accentul pe utilizarea produselor satelitare și a bazelor de date gratuite în vederea extragerii compoziției chimice și a evapotranspirației, așa cum este și cazul GOSAT (Greenhouse gases Observing Sartellite) sau MODIS (Moderate Resolution Spectroradiometer) (Guo et al., 2012; Muskett, 2012; Ohyama et al., 2017). Cercetările au arătat că pentru partea de vest a Eurasiei corelațiile între evapotranspirația potențială și CH4 și între evapotranspirație și CO2 sunt strânse și inverse (Muskett, 2012). În cazul regiunilor în care se remarcă prezența lacurilor termocarstice și a permafrostul, cum este partea centrală a Podișului Siberian, nu au fost identificate relații între parametrii precizați anterior (Muskett, 2012).

La nivel național lucrările de specialitate vizează gradul de eutrofizarea al apei și gradul de transparență al acesteia, ce depind de materialul solid în suspensie, de concentrația de săruri și de asociațiile floristice și faunistice din apă (Gâștescu, 1963; Axinte et al., 2015; Gavrilescu, 2013; Vuță, 2012; Dumitran, 2010).

Eutrofizarea a fost văzută la începutul secolului XIX ca un proces de dezvoltare a zonelor umede, ulterior fiind legată de apariția lacurilor și a micronevertebratelor bentonice din apă (Schindler, 2006). În studiile recente acest proces este legat de creșterea conținutului de nutrienți din apă, apariția fenomenului de înflorire din caua dezvoltării algelor la suprafața apei și uneori chiar de distrugerea faunei piscicole din apă (Schindler, 2006). El se manifestă mai ales în apele stagnante, la suprafața cărora extinderea algelor conduce la scăderea transparenței și a oxigenului dizolvat din apă. Acesta apare cel mai adesea în mod natural, dar foarte lent, însă sursele antropice de poluare pot accelera procesul, ducând la degradarea mediului acvatic într-un timp foarte scurt (Gavrilescu, 2013). În prezent, eutrofizarea este văzută ca cel mai important aspect al poluării produse la suprafața apei (Vuță et al., 2012).

Pentru identificarea relației dintre chimismul apei și evaporația măsurată la suprafața lacurilor din România, au fost extrase din studiile realizate pe plan național datele privind ionii principali de Ca, Mg, Cl, SO4, HCO3, Na+K (Gâștescu, 1963; Dumitran et al., 2010; Vuță et al., 2012; Gavrilescu, 2013;Axinte et al., 2015). Valorile acestora au fost obținute pe baza măsurătorilor expediționare efectuate încă din 1959 și până în 2013 (tabelul 15).

Lacurile analizate sunt: Căldărușani, Amara, Jirlău, Siutghiol, Techirghiol, Izvorul Muntelui și Bistreț, iar datele extrase sunt prezentate în tabelul 15:

Tabelul 15. Date privind concentrațiile ionilor pirncipali din apa lacurilor analizate, precum și evaporația măsurată al suprafața acestora

Între evaporație și principalii ioni existenți în apele lacurilor nu au fost identificate relații strânse, doar în cazul corelației cu Mg și HCO3 coeficientul R2 a fost apropiat de valoarea de 0,3 (fig. 51). Față de ceilați compuși chimici din apă, evaporația pare a fi independetă, R2 fiind apropiat de valoarea 0 (fig. 51). Aceste rezultate au caracter informativ, întrucât nu pot fi validate din cauza lipsei unui număr mai mare de date și pentru un număr mai mare de lacuri.

Fig. 51. Corelațiile realizate între evaporație și principalii ioni din apa lacurilor analizate

Cu toate acestea ceea ce a atras atenția au fost valorile mari ale Na+K și Cl pentru lacul Amara (5395.75mg/l și 5836.7 mg/l). Studii privind conținutul de fosfor, azot și de biomasa a fitoplanctonulu, într-un cuvânt cercetări ce țin de gradul de eutrofizare al lacului Amara, au fost elaborate la nivel național de autori precum Axinte et al., 2015, rezultatele demonstrând caracterul eutrof al acestuia. Lacul Amara reprezintă un punct de atracție pentru cercetători, datorită celor 54 de specii de păsări protejate existente în arealul lacului și datorită nămolului care se găsește pe fundul acestuia (Axinte et al., 2015). Fiind puțin adânc și înconjurat de stepă și de teren agricol (Axinte et al., 2015), acest fapt a permis dezvoltarea stufului și reducerea suprafeței de apă liberă. Astfel, analizând comparativ valorile biomasei totale din perioada 2004 -2013 cu valorile evaporației măsurate în același interval de timp, se observă că anii în care s-au înregistrat valori mari ale biomasei fitoplanctonului, corespund celor cu valori mai reduse ale evaporației (571 – 723 mm/an) (fig. 52 și 53), și invers, în intervalul 2006 – 2008 când biomasa medie nu a depășit 2 mg/l (Axinte et al., 2015) evaporația a variat de la 737 mm/an la 814 mm/an (fig. 52 și 53). Astfel, se poate concluziona că la o creștere a biomasei toatale cu 1 mg/l, evaporația poate să scadă cu circa 100 mm/an.

În cazul lacului Amara, ca și pentru lacul Căldărușani, transparența apei este foarte scăzută la finalul lunilor de vară și început de toamnă când vegetația de tip mătasea broaștei formază o peliculă la suprafața apei. Pe timpul verii aceasta poate să fie de 2,5 m (Gâștescu, 1963), însă poate să se micșoreze până la numai 1,2 m, din cauza vitezei vântului și a valurilor (Gâștescu, 1963). Pentru lacul Căldărușani ce intra în clasa lacurilor bicarbonatate, având un conținut de HCO3 de 336 mg/l, transparența este redusă datorită vegetației de tip brădiș dezvoltate pe fundul lacului (Gâștescu, 1963).

În esență lacurile cu adâncime mică, cum este cazul lacurilor Bistreț, Amara, Căldărușani, Techirghiol, Siutghiol, dețin cel mai scăzut grad de transparență, aceasta fiind dată de pătrunderea energiei luminoase prin refracție în apă, intensitatea lumnii scăzând odată cu creșterea adâncimii (Gâștescu, 1963). Dezvoltarea vegetației acvatice la suprafața lacurilor poate avea atât avantaje, cât și dezavantaje, astfel aceasta va limita schimbul între aer și apă, dar prin prisma vegetației, va spori totodată procesul de transpirație al plantelor acvatice.

În cazul lacurilor din zona montană, datorită cantităților mici de materie în suspensie, de zooplanctonului și fitoplanctonului, acestea dețin o transparență ridicată (până la 10 m), ceea ce va atrage după sine valori ale evaporației omogene la nivel anual, fară diferențe semnificative între valorile maxime și minime. Studiile efectuate (Dumitran et al., 2010) pentru lacul Izvorul Muntelui au indicat o variație a cantității de zooplancton cu două perioade de vârf: prima ce apare la sfârșitul lunii mai, ca urmare a unei creșteri ridicate a fitoplanctonului datorită creșterii duratei de strălucire a Soarelui și a intensității acesteia, precum și datorită creșterii temperaturii apei (fig. 54), ce favorizează și intensificarea evaporației, iar cel de-al doilea vârf ce apare toamna în luna septembrie și este care este legat de cantitate maximă de alge existentă în lac (Dumitran et al., 2010), ceea ce va determina și scăderea intensității procesului de evaporație (datorită suprafeței mari de acoperire cu alge).

Fig. 54. Variația anuală a evaporației de la suprafața lacului Izvorul Muntelui și perioadele de vârf privind creșterea fitoplanctonului

Pentru lacurile de acumulare, biomasa algelor scade dinspre coada lacului spre baraj, în partea de sud a lacului, în timp ce alegele vii cresc tot dintre coada lacului spre partea centrală a acestuia și pănă înspre baraj (Vuță et al., 2012). În cazul acumulării Stânca Costești, suprafața mare și volumul considerabil, favorizează apariția și stagnarea procesului de eutrofizare. Principale cauze ale dinamici verticalității fitoplanctonului pot fi temperatura apei din lac și transparența acesteia (Ryabov et al., 2010). Gradul de acoperire cu alge al suprafeței apei unui lac este maxim în anotimpul de vară și continuă până la începutul toamnei (iunie-octombrie), determinând valori mari ale evaporației vara și scăderi treptate în senzonul de toamnă.

Pe lângă gradul de eutrofizare și de transparență al apei, evaporația poate fi direct influențată de nămolurile existente în apele lacurilor. Unul dintre cele mai cunoscute lacuri cu nămoluri terapeutice sapropelic este Techirghiol (fig. 55). La nivelul acestuia nămolul s-a format din resturi de cochilii distruse, ce s-a depus ca prim strat pentru închiderea limanelor prin cordoane litorale, ducând la creșterea concentrației de săruri din apă și implicit a evaporației, distrugând fauna marină existentă (Gâștescu, 1963).

Fig. 55. Acoperirea cu alge a acumulării Stânca Costești dinspre coada lacului spre baraj, surprinsă în Google Earth

6. 4. Influența vegetației acvatice asupra evaporației și evapotranspirației

În vederea realizării analizelor de bilanț de la nivelul lacurilor, este necesara cunoasterea valorii evaporatiei totale care cuprinde atât componenta apă, cât și transpirația plantelor acvatice. Transpirația plantelor împreună cu evaporația de pe suprafața apei dintre plante și cea a apei reținute pe plante din precipitații, constituie în condițiile vegetației acvatice valoarea globală a pierderilor de apa denumita evapotranspiratie sau evaporatie totala. Datorită conditiilor foarte complicate de măsurare, în majoritatea cazurilor s-au facut încercări de determinare experimentală a acesteia, respectiv a valorii transpirației plantelor, cu ajutorul evapotranspirometrelor.Astfel, transpiratia plantelor acvatice constituie o parte principala din pierderile totale de apă de pe suprafața cuvetelor lacustre acoperite cu vegetație.

Determinarea transpirației plantelor contribuie la stabilirea influenței vegetației asupra evaporației, precum și la cunoașterea necesităților de alimentare cu apa a plantelor acvatice cultivate în condiți dirijate (cultura stufului in zone lacustre). Prezența vegetației acvatice pe luciul de apă al unui lac are o influența dublă, mărind valoarea pierderilor totale prin procesul transpiratiei plantelor, precum și prin evaporarea precipitațiilor reținute pe plante și totodată având efectul de a reduce viteza vântului în stratul de aer adiacent suprafeței apei. În trecut transpirația plantelor a fost studiată de biologi ca proces fiziologic al plantelor.

Studiile privind evapotranspirația plantelor acvatice s-au concentrat asupra măsurătorilor efectuate la nivelul stufului, în relație cu condițiile meteorologice (Herbst et al., 1999; Acreman et al., 2003; Brix et al., 2011; Xu et al., 2011; Anda et al., 2014). De asemenea au fost dezvoltate o serie de cercetări pentru compararea evaporației de la suprafața apei cu măsurătorile evapotranspirație de la diferite plante acvatice, precum trestia, plaurul, stuful (Boyd, 1987; Herbst et al., 1999; Wallace, 1995; Grundwell, 1986; Rashed, 2014; Anda et al., 2015). Totodată, s-au făcut mai multe încercări pentru a evalua impactul evaporației și evapotranspirației asupra apei stocate în lacuri, asupra ecosistemelor acvatice și asupra societății (Al Domany, 2007; Remini, 2006; Touchart, 2006).

În România, studii anterioare s-au concentrat pe analiza variației spațiale și temporale a evaporației măsurate la suprafața lacurilor (Stoenescu et al., 1962; Bădescu et al., 1964; Bădescu et al., 1975; Vladimirescu, 1978; Preoteasa, 1984; Rusu et al., 2006; Neculau et al., 2014; Stan et al., 2014; Stan et al., 2015). În ceea ce privește evapotranspirația plantelor acvatice, problema studierii acesteia în condițiile țării noastre a fost pusă în perioada 1957-1959, când s-a impus efectuarea unor determinări directe în cadrul unor stații experimentale, cu apartura și metode ușor accesibile. Astfel, primele măsurători au fost efectuate în cadrul Deltei Dunării, la Maliuc unde s-au urmărit procesele de evaporație și evapotranspirație pe suprafețe acvatice acoperite de stuf, considerând ca această plantă este de o importanță economica deosebită, fiind materie prima în industria celulozei. Studii recente ce vizează evapotranspirația plantelor acvatice au ca metoda de analiză a evapotranspirației palustre imaginile și produsele satelitare la diferite rezoluții (Rudescu et al., 1965, Gâștescu et al., 1997; Covaliov et al., 2010; Stan et al., 2015; Stan et al., 2016). În prezent, măsurătorile privind evapotranspirația plantelor acvatice se efectuează doar pe Lacul Căldărușani (începând cu anul 2009).

În continuare am analizat variației temporale a evaporației și a evapotranspirației plantelor acvatice măsurate la nivelul lacului Căldărușani, în raport cu variația parametrilor climatici, am comparat intensitatea celor două procese și am identificat relația dintre acestea pentru a surprinde impactul vegetației asupra rezervei de apă din lac.

6.4.1. Arealul de studiu (lacul Căldărușani)

Lacul Căldărușani, situat în partea de sud a României (fig. 56), în Câmpia Română, la aproximativ 85 m.a, s-a format la confluența râurilor Cociovaliștea și Vlăsia, în bazinul râului Ialomița. Suprafața lacului este de 239 ha, lungimea de 6 km, lățime de 100-200 m, iar adâncimea maximă ajunge la 5 m (Gâștescu, 2006), în timp ce volumul total al acestuia este de 9,78 mil. m3 (conform batimetriei din 2009 realizată de Administrația Bazinului Apelor Ialomița-Buzău).

La suprafața apei din Lacul Căldărușani, în anul 1954 a fost instalată o plută evaporimetrică (figura 2), echipată cu bazin evaporimetric și cu aparatură necesară pentru măsurarea vitezei vântului, a precipitațiilor, a temperaturii aerului uscat și umed (psihrometru) precum și a temperaturii apei din lac (la diferite adâncimi) și din bazinul evaporimetric.

Fig. 56. Localizarea stațiilor evaporimetrice amplasate la suprafața lacului Căldărușani și extinderea suprafeței de apă libere și acoperite cu vegetație (delimitarea suprafețelor a fost realizată pe baza ortofotoplanului din 2008)

Întrucât la nivelul lacului Căldăurșani s-a observat de-a lungul timpului o creștere a suprafaței de apă ocupată de vegetație (pe baza analizei ortofotoplanurilor), în anul 2009 în luna mai a fost instalat un evapotranspirometru pe malul lacului (fig. 57).

Fig. 57. Evaporimetrul instalat în partea centrală a lacului (stâmga) și evapotranspirometrul montat pe mal (dreapta)

6.4.2. Analiza comparativă între evaporație și evapotranspirație

În prezentul subcapitol au fost utilizate seriile de date zilnice ale evaporației și evapotranspirației de la nivelul vegetației acvatice, precum și ale principalilor parametri climatici în intervalul 2009-2014.

În perioada studiată (2009-2014), la nivelul lacului Căldărușani, evaporația de la suprafața apei libere (4,3 mm/zi) a fost mai mică decât evapotranspirația plantelor acvatice (10,3 mm/zi). Aceste rezultate confirmă studiile anterioare efectuate la nivel internațional, subliniind faptul că evapotranspirația plantelor acvatice este mai mare decât evaporația apei, chiar dacă stuful plantat în evapotranspirometru nu atinge dezvoltarea completă a capacității sale, conform lui Walkovszky în 1973.

Comparând valorile evaporației măsurate la suprafața lacului Căldărușani cu cele măsurate în alte țări, am observat că acestea sunt apropiate de măsurătorile efectuate în Polonia de 3,3 mm/zi (Walkusz et al., 2009) sau în Franța de 4-5 mm/zi (Al Domany et al., 2013). De asemenea, valorile evapotranspirației vegetației acvatice înregistrate la nivelu lacului Căldărușani, pot fi echivalate cu măsurătorile efectuate în Spania în sezonul de vegetație al stufului și plaurului de 7,7 mm/zi (Sanchez Carrillo et al., 2004). Totodată, acestea sunt similare cu rezultatele expuse în studiile efectaute în Nebraska, SUA unde evapotranspirația plantelor acvatice variază între 0,3 și 11,0 mm/zi (Irmak et al., 2013), sau în Sicilia – Italia de la 0,8 la 8,0 mm/zi (Borin et al., 2011), sau chiar la nivelul lacului Ferto din Ungaria cu valori ale evapotranspirației cuprinse între 0,2 și 7,0 mm/zi (Walkovsky et al., 1973).

Diferențele dintre valorile măsurate în România și cele înregistrate la nivel mondial sunt atribuite condițiilor climatice diferite, astfel evaporația și evapotranspirația măsurate pe lacul Căldărușani au fost identificate în special în studiile dezvoltate în regiunile cu climat continental (fig. 58).

Amplitudinea dintre valorile evapotranspirației de la suprafata apei acoperite cu vegetație și a celei libere de apă este mare în lunile de vară, fapt explicat de ciclul de maximă dezvoltare vegetală la care a ajuns stuful, respectiv la cea mai mare suprafața evaporanta de la nivelul frunzelor (fig. 59). Influența dezvoltării vegetației de la planta mica din luna aprilie la planta matură în luna iulie –august și apoi planta spre ofilire din septembrie – octombrie, se observă și în creșterea succesivă a evapotranspirației și apoi descreșterea ei, asemănătoare cu evoluția vegetației.

Pe parcursul perioadei 2009-2014, valorile evapotranspirației au variat de la 1200 mm/an (în anul 2009, când precipitațiile au însumat 428,0 mm, iar temperatura medie a fost de 13,9șC) și 3000 mm/an (în 2012, un an caracterizat prin temperaturi medii ridicate în valoare de 15,0șC și precipitații de 391,1 mm) (fig. 58). Pe parcursul unui an, cele mai mari cantități de apă evaporată de la nivelul apei sau plantelor acvatice (> 160 mm/luna) se înregistrează în lunile iulie și august (fig. 59), când temperaturile medii lunare ale aerului și a apei sunt peste 20°C și durata radiației solare atinge maximul (> 300 ore/lună).

Valorile lunare ale evapotranspirației sunt influențate de ciclul vegetativ al plantelor, respectiv al stufului: plantarea stufului în luna aprilie, creșterea și dezvoltarea plantei în lunile iunie și iulie, ajungerea plantei la maturitate în august și apoi ofilirea ei (fig. 60). In timpul verii, mai ales în lunile iulie și august, evapotranspirație depășește 20,0 mm/zi, datorită condițiilor climatice care favorizează producerea de vapori de apă, precum și a suprafaței extinsă a frunzelor plantei.

În ultimii ani cercetătorii (Walkusz et al., 2009) au arătat că diferențele apărute între evaporație și evapotranspirație se datorează factorilor radiativi, ce pot intensifica procesul de transpirație al plantei cu până la 30-40%.

Fig. 60. Evaporația și evapotranspirația zilnică de la nivelul lacului Căldărușani, anul 2014

6.4.3. Corelarea evaporației cu evapotranspierația plantelor acvatice și legătura lor cu ceilalți parametrii climatici

Până în secolul al XVIII-lea, procesele de evaporație și evapotranspirație au fost considerate ca fiind direct influențate de viteza vântului și de presiunea vaporilor de saturație. Studiile publicate în ultimul deceniu au arătat că evaporația și evapotranspirația depind de întregul complex de parametri meteorologici (Jhajharia et al., 2006; Stan et al., 2016).Potrivit regresiilor liniare multiple realizate între evaporația și evapotranspirația de la nivelul lacului Căldărușani cu toți parametrii meteorologici considerați (aer, umiditate relativă, deficit de umiditate, viteza vântului, precipitații) și implicit cu temperatura apei, s-a putut observa că în lunile mai (coeficientul de determinare mai mare de 0,68) și septembrie (coeficientul de detrminare mai mare de 0,71) factorii restrictivi (Ta, Tw, UR, W, P, DS, D, D1) pot explica cel mai bine procesele analizate (tabelul 16).

Tablul 16. Coeficienții obținuti pe baza aplicării regresiei multiple între evaporație sau evapotranspirație și câțiva factori ce influențează aceste procese

E –evaporația de la suprafața apei (mm), ET –evapotranspirația (mm), Ta–temperature aerului (⁰C), Tw–temperatura apei (⁰C), UR–umiditatea relativă (%), W – viteza vântului (m/s), DS –durata de strălucire a Soarelui (hours/day), P –precipitații (mm), D –deficitul de umiditate după Ta (mb), D1 –deficitul de umiditate Tw (mb).

Figura 62 prezintă corelația dintre evapotranspirația vegetației acvatice și a evaporației cu temperatura aerului pe de o parte și cu temperatura apei din lac pe de altă parte.

Rezultatele indică legături strânse și directe între acestea, coficientul de determinare fiind cuprins între 0,61 și 0,76. Umiditatea relativă joacă și ea un un rol important în formarea vaporilor de apă, însă doar în sezoanele umede (atunci coeficientul de determinare ajunge la 0,86 – luna septembrie), în timp ce viteza vântului poate fi un factor important în ridicarea și transportul vaporilor de apă în atmosferă, dar numai dacă acesta depășește 1,2 m/s/zi (Stan et al., 2016).

În ultimii câțiva ani, în Câmpia Română, lacurile formate de-a lungul văilor sunt supuse colmatării și eutrofizării. Creșterea suprafeței de apă acoperită de vegetația acvatică este doar una din cauzele acestor procese. Prin reducerea sau chiar menținerea suprafeței apei acoperite de vegetația acvatică în limitele normale, putem reduce gradul de eutrofizare, acest lucru este esențial în contextul actual al încălzirii globale, care are drept consecință intensificarea evaporării și evapotranspirației.

Fig. 62. Corelații între evaporație, evapotranspirație și temperature aerului și a apei

CAPITOLUL 7

Estimarea evaporației și evapotranspirației potențiale

7. 1. Ecuații pentru estimarea indirectă a evaporației și evapotranspirației

La nivelul României au fost preluate cu succes metodele de estimare a evaporației și evapotranspirației potențiale utilizate la nivel internaționale, ce au la bază parametrii meteorologici: temperatura aerului, umiditatea și deficitul de umiditate după temperatura aerului, durata de strălucire a Soarelui și viteza vântului (tabelul 17), printre acestea amintim: Davydov și Zaikov (Stoenescu, 1962), Penman (Penman, 1948), Penman Monteith, Thornthwaite, FAO (Allen et al., 1989; Păltineanu et al., 2012; Donciu, 1965; Șerban et al. 1989).

În anii ’70 ecuațiile Davydov și Zaikov aplicate în vederea determinării evaporației pe teritoriul european al Rusiei (Walkusz et al., 2009), au fost utilizate și de Stoenescu (1962), pentru determinarea evaporației în Câmpia de Vest și Depresiunea Jijiei. Acestea au la bază deficitul de umiditate, factor destul de complex ce reflectă influența atât a temperaturii aerului, precum și a stării de umiditate asupra evaporației.

Cea mai utilizată ecuație, la nivel mondial, în vederea estimării evaporației de la suprafața corpurilor de apă, a fost ecuația Penman (tabelul 17) sau așa cum mai este cunoscuta Penman Open Water (Penman, 1948; Xu, 2002). Succesul său atunci când este aplicată în mai multe locații diferite, este atribuită bazei sale fizice. Potrivit lui Allen et al. (1989) și Păltineanu et al. (1999) cea mai precisă și mai apropiată metodă de determinare a evapotranspirației potențiale de valorile reale, este metoda Penman Monteith, bazată pe complexul de măsuratori climatologici, precum și pe principiile fizice ale atmosferei. Totodată, această metodă este consideră de unii autori neadecvată (Donciu, 1965), aceasta ducând la supraestimarea evapotranspirația potențială în anotimpurile sau climatele umede și subestimarea evapotranspirației în timpul anotimpurilor sau climatelor uscate.

În cazul în care măsuratorile meteorologice sunt limitate, metoda Thornthwaite, bazată pe temperatura aerului și pe durata teoretică de insolație, poate fi aplicată, însă potrivit studiilor aceasta este generatoare de valori supraestimate în anotimpul cu deficit de precipitații și subestimate în anotimpul umed (Donciu, 1965; Stan et al., 2014).

În ultimii ani ecuația propusă de FAO (tabelul 17), a luat amploare, fiind utilizată atât în determinarea evapotranspirației pe baza imaginilor satelitare (MOD16), precum și în modele hidrologice. În esență FAO propune modificarea ecuației Penman-Monteith, simplificarea ei, ulterior studiile aratând că aceasta oferă cele mai bune rezultate, cu eroare minimă posibilă (Allen et al. 1989, Stan et al., 2015).

Tabelul 17. Ecuații utilizate în literatura națională și internațională pentru determinarea evaporației și evapotranspirației potențiale

7. 2. Identificarea ecuațiilor cu cele mai bune rezultate (cele mai mici erori)

Datorită complexității ecuațiilor prezentate anterior, am decis ca în prezentul subcapitol să aplic doar ecuațiile ce includ parametrii cu puternică influență asupra procesului de evaporație respectiv temperatura aerului, durata de strălucire a soarelui, deficitul de umiditate și umezeala realtivă. Astfel au fost selectate ecuațiile: Davydov, Zaikov, Penman Open Water, FAO, Penman Montheith, Thornthwaite. Primele trei ecuații au ca rezultat valori potențiale ale evaporației, în timp ce următoarele trei, valori ale evapotranspirației potențiale. Aceste ecuații au fost aplicate pe valori medii lunare multianuale măsurate la nivelul lacurilor Amara, Căldărușani, Jirlău, Bistreț, Furculești, Izvorul Muntelui și Siutghiol.

Scopul este acela de a valida una din ecuațiile propuse și de a aplica ulterior aceasta metoda pe lacuri nemonitorizate din punct de vedere evaporimetric, dar care dețin o deosebită importanță în sectorul economic, de apărare împotriva inundatiilor, sau chiar de protecție avifaunistică.

În urma aplicării metodelor indirecte de calcul a evaporației și evapotranspirației potențiale, s-a dovedit ca la nivel anual metoda FAO supraestimează evaporația (tabelul 18 și fig. 63), însă oferă rezultate bune, cu erori de sub 10% în cazul stațiilor Jirlău, Bistreț și Amara (tabelul 19 și fig. 64).

În același timp tendința metodelor Zaikov, Davydov și Thornthwaite este de a subestima valorile lunare ale evaporației de la nivelul lacurilor (tabelul 18 și fig. 65), ajungând la nivel anual la diferențe de până la -50%, excepție face ecuația Davydov în cazul lacurilor Furculești (eroare de -4,6%) și Izvorul Muntelui (eroare de-2,0%) (tabelul 19 și fig. 66). Totodată, dacă în sezonul de primăvara și cel de toamnă metoda Davydov generează valori apropiate de cele măsurate, în lunie de vară ecuațiile Penman Open Water (subestimează) și FAO (supraestimează) sunt cele care dau cele mai apropiate valori de măsurătorile efectuate la nivelul bazinelor GGI-3000 (fig. 63 și 65).

Tabelul 18. Valorile medii multianuale ale evaporatiei și evapotranspirației potențiale determinate pe baza diferitelor modele

Tabelul 19. Erorile* rezultate între evaporația masurata si cea calculata prin diferite metode pe diferite lacuri din Romania *x100

Astfel am concluzionat că la nivel anual valorile cu cele mai mici erori ale evapotranspirației potențiale în raport cu evaporația reală, au fost rezultate prin aplicarea modelului FAO, iar în ceea ce privește determinarea evaporației potențiale au fost identificate metodele Davydov și Penman Open Water. Întrucât, metoda Davydov implică utilizarea deficitului de umiditate care este un parametru mai greu de determinat, pentru lacurile necontrolate se vor utiliza metodele FAO și Penman Open Water ce au la bază complexul de parametrii climatici efectuat la toate stațiile meteorologice și care se regăsesc și în baze de date gratuite, disponibile online (ROCADA, ECAD).

7.3. Aplicarea ecuațiilor în vederea estimării evaporației și evapotranspirației pentru lacurile nemonitorizate evaporimetric

7.3.1. Prezentarea lacurile pentru care se determină evaporația și evapotranspirația potențială

Unul din obiectivele principalele ale tezei este de a calcula evaporația și evapotranspirația potențială pentru lacuri necontrolate din punct de vedere evaporimetric. De aceea, în continuare am aplicat metodele FAO și Penman Open Water ce au generat rezultate bune ale evapotranspirației și evaporației potențiale, cu erori minime, în raport cu evaporația măsurată la nivelul bazinul evaporimetrci GGI-3000.

Lacurile luate în studiu sunt atât lacuri naturale, cât și acumulări cu diferite folosințe: producerea de energie electrică, alimentarea cu apa a populației, atenuarea viiturilor, irigații, agrement s.a. În alegerea lacurilor am ținut cont de gradul de acoperire cu stații evaporimetrice la nivelul României și am încecercat sa pun accent pe zone defavorizate din punct de vedere al măsuratorilor evaporimetrice (zone greu accesibile pentru efectuarea măsurătorilor), așa cum este cazul lacurilor glaciare și acumulărilor amplasate în regiunile montane înalte: Bucura, Zănoaga, Sfânta Ana, Vidraru, Siriu, Firiza. De asemenea, am ținut cont de apropierea față de localități și de importanța rezervei de apă din lac în vederea desfășurării normale a activităților economice și a alimentării cu apă a populației: Podul Iloaiei, Lacul Morii, Gozna, Poiana Uzului, Mihailești. Celelalte lacuri au fost alese în funcție de geneza lor, având proprietăți morfometrice și fizico-chimice deosebite: Mostiștea, Greaca și Ursu.

7.3.2. Baza de date utilizată pentru estimarea evaporației și evapotranspirației

Pentru aplicarea metodelor Penman Open Water și FAO am utilizat ca date de intrare temperatura maximă și minimă a aerului, umezeala relativă, viteza vântului și durata de strălucire a Soarelui. Proveniența datelor o reprezintă baza de date gridată ROCADA, excepție face viteza vântului, ce a fost preluată de la stațiile evaporimetrice din apropierea lacurilor analizate. Baza de date gridadă ROCADA (ROmanian ClimAtic DAtaset) a fost realizată utilizând circa 150 de stații meterologice și cuprinde valorile zilnice ale parametrilor climatici (temperatura minimă, maximă și medie a aerului, precipitațiile, umezeala relativă, durata de strălucire a Soarelui, nebulozitatea, temperatura solului) pentru perioada 1961-2013. Pentru fiecare parametru, datele au fost mai întâi omogenizate (folosind softul MASH-Multiple Analysis of Series for Homogenization). Aceasta bază de date este rezultatul unui proiect cu implicare internațională (România, Slovacia, Ungaria, Ucraina, Serbia, Polonia, Cehia, Croația și Albania), respectiv proiectul CARPATCLIM. Baza de date gridată rezultată este disponibilă pe portalul PANGAEA (doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.833627).

În vederea obținerii valorilor parametrilor climatici necesari pentru aplicarea modelelor FAO și Penman Open Water, au fost descărcate fișierele NetCDF de pe portalul PANGAEA și procesate cu ajutorul extensiei Multidimension Tools (Make NetCDF Raster Layer și Make NetCDF Table View), ajutându-ne de latitudinea si longitudinea la care sunt localizate lacurile luate în studiu (fig. 67).

Într-o primă fază au fost descărcate valorile zilnice ale fiecărui parametru pentru perioada 1961-2013, din care au fost determinate mediile lunare multianuale (tabelul 20). Viteza vântului a fost extrasă din baza de date a INHGA, măsurată la stațiile evaporimetrice învecinate lacurilor.

Fig. 67. Captura ArcGIS, Multidimension Toolbox, tmax_layer (baza de date ROCADA)

Tabelul 20. Lacurile ce vor fi analizate pentru determinarea evaporației de la suprafața apei

Sursa datelor Atlasul Cadastrului Apelor din România, 1992

7.3.3. Rezultatele obținute

Pentru o imagine de ansamblu a evapotranspirației și evaporației potențiale pe teritoriul României, am realizat corelații între valorile obținute și altitudinea lacului pentru care s-a calculat. Astfel, am putut remara că există o corelație bună între acestea, cu excepția lacurilor Bâlea și Zănoaga amplasate la peste 1800 m care ies din tipar (fig. 68). O cauză a valorilor supraestimate ale evaporației și evapotranspirației pentru aceste două corpuri de apă (Bâlea și Zănoaga) ar putea fi valorile mari ale vitezei vântului, ce fac ca ecuațiile FAO și Penman Open Water să considere că vaporii de apă se înalță de la suprafața lacurilor. Acest fapt mă duce cu gândul că ambele ecuații aplicate sunt sensibile la parametrul viteza vântului, sumbinând puțin ceilalați factori declanșatori ai procesului de evaporație și evapotarnspirație. Analizând cele două corelații putem identifica zonalitatea verticală a proceselor de evaporație și evapotranspirație.

Fig. 68. Corelația evapotranspirației (stânga) și a evaporației potențiale (dreapta) cu altitudinea lacurilor analizate

Cele mai mari valori ale evapotranspirației potențiale de peste 850 mm/an (ex. lacurile Greaca, Mostiștea, Mihăilești, Podul Iloaiei) sunt identificate în regiunile de câmpie la altitudini mai mici de 250 m (fig. 68). Pentru zonele colinare și montane joase cuprinse între 300 -700 m, evapotranspirația scade sub 600 mm/an (ex. lacul Gozna, Siriu, Ursu). La peste 800 m evapotranspirația ar trebui să scadă sub 450 mm/an potrivit măsurătorilor directe și studiilor efectaute până în prezent (Stan et al., 2015; Neculau et al., 2016), însă acest lucru nu este surprins în corelațiile realizate cu altitudinea (fig. 68), ceea ce înseamnă că valorile generate de FAO pentru lacurile Sfanta Ana, Bâlea, Zănoaga sunt supraestimate.

În ceea ce privește evaporația potențială aceasta variază între 650 -750 mm/an la altitudini sub 250 m și scade până la 500 mm/an pentru altitudini de 800 m. Valorile rezultate pentru lacurile amplasate la peste 1800 m sunt supraestimate (tabelul 21). Singurul lac amplasat la circa 1000 m altitudine la nivelul căruia evaporația potențială este apropiată de măsurătorile directe este lacul Vidraru. Acest fapt a fost demonstrat prin compararea evaporației estimate la nivelu lacului Vidraru cu măsurătorile efectuate la stația evaporimetrică Arefu, aflată în apropierea corpului de apă. Valoarea evaporației medii multianuale măsurată la stația Arefu a fost de 517 mm/an, în timp ce valorile estimate prin metoda Penman Open Water s-au ridicat la 460 mm/an (tabelul 21). Ținând cont că la stația Arefu bazinul evaporimetric este amplasat la nivel solului, ceea ce determină o creștere mult mai rapidă a evaporației, consider că diferențele apărute între valori (de circa 50 mm/an) se justifică prin diferențele apărute între temperatura apei din lac și cea a solului (în care este montat evaporimetrul).

Tabelul 21. Date privind localizarea lacurilor la nivel național și caracteristicile climatologice

Unde: L – Lac; SE – Stația evaporimetrică învecinată; Lh – Altitudinea lacului; Llat – Latitudinea lacului; Llong – Longitudinea lacului; Tmax – Temperatura maximă a aerului; Tmin – Temperatura medie a aerului; UR – Umezeala relativă; V – Viteza vântului; DSS – Durata de strălucire a Soarelui.

Pentru toate cele 14 lacuri evapotranspirația potențială prezintă valori mai mari decât evaporația potențială, de exemplu evapotranspirația potențială estimată pentru lacul Mihailești este de 860 mm/an, în timp ce evaporația potențială este de 727 mm/an (tabelul 21 și fig. 70). Acest fapt poate fi explicat de însuși definiția de bază a evapotransirației, ca proces atmosferic ce are loc atât la nivelul apei, cât și a solului și a vegetației, ceea ce face ca adesea, evaporația să fie considerată parte componentă a evapotranspirației, alături de transpirația plantelor. Diferențele între valorile evaporației potențiale și evapotranspirației potențiale sunt cuprinse între 25 mm (lacul Siriu) și 135 mm (lacurile Greaca și Mostiștea) (fig. 69).

Fig. 69. Evapotranspirația potențialăși evaporația potențială estimate pentru cele 14 lacuri analizate

Analizând valorile evaporației și evapotranspirației potențiale pe luni, observăm că perioadele cu cantitate maximă de apă evaporată sunt iulie și august. De exemplu, pentru balta Greaca evaporația în luna iulie este de 141 mm, în timp ce evapotranspirația ajunge la 170 mm (tabelul 22 și fig. 70). Valori lunare asemănătoare cu cele obținute la nivelul bălții Greaca, s-au observat pentru lacurile Mihăilești, Lacul Morii și Mostiștea, acestea fiind localizate în partea de sud și sud-est a Câmpiei Române, regiune cunoscută ca având un deficit de umiditate semnificativ și temperaturi ale aerului extreme, ce favorizează intensificarea proceselor de evaporație și evapotranspirație.

Cantitatea de apă lunară care se evaporă de la suprafața lacurilor diferă de la o unitate de relief la alta, și în cadrul aceleași zone, în funcție de lungimea, lățimea, adâncimea sau chiar gradul de acoperire cu vegetație de la nivelul lacului. De exemplu, în cazul lacurilor Poiana Uzului și Sfânta Ana (fig. 71) localizate în aceeași regiune a țări și sub dominarea acelorași influențe climatice, valorile lunare și anuale ale evaporației și evapotranspirației sunt ușor mai mari în cazul lacului Sfânta Ana. Explicația este strâns legată de legile fizicii, respectiv un volum de apă mai mic se încălzește mai repede decât un volum de apă mai mare, ceea ce atrage după sine si creșteri mai rapide ale ratelor de evaporație. Lacul Sfanta Ana comparativ cu Poiana Uzului prezintă o suprafață, o adâncime și un volum de apă mai mic, favorizând astfel valori mai mari ale evaporației.

La nivel general evaporația și evapotanspirația cresc în timpul lunilor de primăvară (de la 30 mm/lună), ating un maxim vara (peste 100 mm/lună) și scad pe perioada lunilor de toamnă (ajungând în luna noiembrie la valori mai mici de 16 mm/lună) (tabelul 22).

Tabelul 22. Valorile lunare și anuale ale evapotranspirației și evaporației potențiale

Fig. 70. Variația lunară a evaporației și evapotranspitației potențiale pentru lacurile Lacul Morii, Mihailești, Mostiștea și Greaca (sudul României)

Fig. 71. Variația lunară a evaporației și evapotranspitației potențiale pentru lacurile Poiana Uzului, Sfanta Ana și Podul Iloaiei (estul României)

7.3.4. Validarea rezultatelor

Pentru validarea datelor de evaporație obținute prin metoda Penman Open Water, determinate pentru cele 14 lacuri luate în studiu, am folosit hărțile cu distribuția anuală a evaporației în România, realizată în cadrul temelor de cercetare din către specialiști ai INHGA (2015), Colectivul de Evaporație al Secției Hidrologie Experimentală (fig. 72).

Pe baza analizei hărților am putut identifica intervalul de valori de evaporație corespunzător fiecărui lac analizat, după cum urmează:

Vidraru 400-450 mm/an,

Lacul Morii >750 mm/an,

Siriu 450-500 mm/an,

Poiana Uzului 550-600 mm/an,

Podul Iloaiei 650-700 mm/an,

Gozna 600-650 mm/an,

Mostiștea > 750 mm/an,

Mihăilești > 750 mm/an,

Bâlea< 400 mm/an,

Zănoaga < 400 mm/an,

Sfânta Ana 500-550 mm/an,

Greaca > 750 mm/an,

Ursu 550-600 mm/an,

Firiza 550-600 mm/an.

Diferențele dintre valorile potențiale (tabelul 22) și spațializările efectuate la nivel național (fig. 72) sunt de circa 50 mm/an și sunt specifice în esență lacurilor amplasate la peste 500 m altitudine, deaorece în cazul acestora, procesul de evaporație este mai influențabil, mai sensibil vis-à-vis de direcția și viteza vântului, precum și de apropierea de o zonă împădurită sau de un oraș, de gradul de umbrire al versanților etc. Cele mai mari diferențe apar în cazul lacurilor amplasate la altitudini mai mari de 1800-1900 m, întrucât nici măsurătorile directe nu sunt numeroase.

Rezultatele au fost comparate și cu hățile privind evaporația de la suprafața lacurilor din România elaborate de Ujvari (1959) și Gâștescu (1963), astfel se poate preciza că valorile obținute pentru cele 14 lacuri se încadrează în ecarturile propuse în hărțile tematice realizate până în prezent, excepție fac lacurile Bâlea și Zănoaga, la nivel cărora potrivit Gâștescu, 1963, evaporația însumează anual circa 400 mm.

7.4. Utilizarea ecuației regresiei multiple pentru estimarea evaporației la nivelul lacului Căldărușani

În ceea ce privește regresia multiplă, aceasta este adesea folosită atât în studiile hidrologice, cât și în cele climatologice în vederea identificării variabilelor independente și multiple față de o variabilă dependentă (Chirila, 2010; Chendeș, 2011; Telteu, 2012; Minea, 2012; Dumitrescu, 2012; Bîrsan, 2014; Marin, 2015; Dobrinescu, 2015).

În cazul de față a fost realizată regresia multiplă luând în considerarea variabila dependentă evaporație, funcție de variabilele independente: temperatura aerului, umezeala realtiva, precipitațiile, durata de strălucire a Soarelui și viteza vântului. În urma determinării regresiei multiple a rezultat ecuația 19:

(19)

Aceasta a fost aplicată pe valori zilnice măsurate la nivel lacului Căldărușani pentru perioada 1 aprilie – 31 octombrie 2012 (fig. 73). Rezultatele au indicat o tendință de supraestimare a evaporației pe tot parcursul anului, cu precădere în lunile de primăvară și toamnă. Diferența între valorile estimate și cele măsurate este de circa 1,3 mm/zi, la nivel anul ridicându-se la peste 200 mm.

Fig. 73. Variația valorilor estimate și măsurate ale evaporației la nivelul lacului Căldărușani, anul 2012

7.5. Extragerea evapotranspirației din produsele satelitare MODIS

7.5.1. Descrierea produsului satelitar MOD16 (ET si PET)

În ultimul deceniu, au fost dezvoltate o serie de studii privind evapotranpirația la nivelul vegetației determinată pe baza imaginilor satelitare (Cleugh H. et al. 2007, Kim et al. 2007, Hosoda et al. 2007, Ramoelo et al., 2014; Ruhoff et al., 2013; Ruhoff et al., 2012), algoritmul de calcul cuprinzând atât date meteorologice zilnice, cât și produse satelitare, precum NDVI, LAI (Mu et al., 2007) (fig. 74).

MOD16 Global Terrestrial Evapotranspiration (MOD16) este un produs NASA ce permite estimarea evapotranspirației de la nivelul solului, având la bază date satelitare. MOD16 poate să fie utilizat în vederea estimării rezervei de apă existentă la un moment dat într-o regiune. Acesta conține evapotranspirația globală sau reală (ET), fluxul de căldură latentă (LE), evapotranspirația potențială (PET), precum și fluxul de căldură potențială (PLE). Produsul evapotranspirația reprezintă cuantumul evaporației și transpirației plantelor, fiind exprimat în mm/8zile/km2.

Evapotranspirația reală reprezintă cantitatea de apă transformată în vapori de apă de la nivelul unui anumit timp de vegetație, de cultură. Lipsa aparaturii, dotărilor la nivel internațional, nu permit determinarea directă a acestei componente. Acest concept permite cuantificarea transferului de apă în ecosistem, în vederea determinării necesarului de apă pentru culturile agricole.

În paralel s-a dezvoltat noțiunea de evapotranspirație potențială, calculată pe baza diferitelor formule matematice, apărute încă din anul 1802 – Dalton, preluată ulterior de Thornthwaite în 1948, și apoi de Penman în 1954, ce au definit-o ca și : «evaporația unei suprafețe întinse de iarbă, căruia îi este furnizată apă în mod corespunzător». Astfel, această componentă, evapotranspirația potențială, indică o alimentare cu apă a plantelor apropiată de nivelul ideal (WMO, 2008).

Fig. 74. Schema algoritmului de determinare a evapotranspirației

Revenind la algoritmul (ecuația 20) pentru determinarea evapotranspirației, acesta a fost realizat de Mu și colaboratori (2007, 2011) și are la bază ecuația lui Penman-Monteith (Monteith, 1965) :

Studii referitoare la validarea datelor de evapotranspirație au fost realizate pentru emisfera nordică, având în vedere valorile zilnice și lunare, din 2000 până în 2010, precum și pentru emisfera sudică, respectiv Africa de Sud (Cleugh H. et al. 2007, Kim et al. 2007, Hosoda et al. 2007) sau Brazilia (Ruhoff et al., 2013; Ruhoff et al., 2012). Valorile evapotranspirației măsurate sunt în general mai mari decât MOD16, mai ales în timpul lunilor de vară (decembrie-februarie) (Ramoelo et al., 2014). De exemplu analizând hărțile rezultate în cadrul cercetărilor internaționale (Australia, Brazilia, SUA), ce surprind evapotranspirația potențială (PET) am observat creșteri ale acesteia dinspre uscat spre zonele costiere (Ramoelo et al., 2014), precum și de la ecuator la poli.

Până în prezent la nivelul României nu au fost realizate studii și cercetări privind analiza produselor satelitare MODIS – evapotranspirație reală și potențială.

7.5.2. Metode statistice folosite în vederea validării produselor satelitare MOD16

Testul statistic Pearson, încadrat în categoria testelor parametrice, este utilizat pe scară largă în domeniul statisticii, pentru a evalua gradul de asociere dintre două variabile liniare, pe baza determinării coeficientului de corelație Pearson (cor).

Parametru statistic eroarea medie (bias) reprezintă media erorilor valorilor estimate, și poate avea un interval infinit cuprins între – și + (ecuația 21), valorile apropiate de 0 indicând o estimare fără erori, perfectă.

Eroarea medie nu măsoară amplitudinea erorii și nici corespondența între estimat și măsurat, pentru o progronză greșită se pot obține scoruri perfecte (aproape de 0) dacă erorile sunt compensatorii una față de cealaltă. Din acest motiv, această eroare a fost utilizată în vederea estimării direcției "predicției" ( respectiv supraestimării și subestimării (Iriza, 2013):

(21)

Unde: MET = valorile înregistrate automat; FET = valorile măsurate de observator ; N = numărul perechilor de valori comparate.

Eroarea medie pătratică (RMSE) este o măsură a amplitudinii medii a erorilor de estimare, valorile se încadrează între 0 și +, scorul perfect fiind indicat tot de valoarea 0 (Iriza, 2013). Această eroare răspunde la întrebarea "Care este mărimea erorii de predicție", dar nu indică direcția acesteia ( Aceasta este determinată pe baza ecuației (Nurmi, 2003):

(22)

Unde: MET = valorile înregistrate la senzori; FET = valorile măsurate de observator ; N = numărul perechilor de valori comparate.

Fig. 76. Etapele procesării produselor MOD16

În urma analizei valorilor măsurate (E) și estimate (ET si PET) am putut observa ca variația temporală a evapotranspirației potențiale (PET) este mai apropiată de variația evaporației măsurate la suprafața lacurilor (E). Astfel, aceasta crește începând cu lunile aprilie și mai, atinge un maxim în sezonul de vară (iunie-august) și apoi scade începând cu luna septembrie (fig. 77, 78 și 79).

Fig. 77. Distribuția temporală a E, ET și PET, perioada 2010-2012, SE Căldărușani

Fig. 78. Distribuția temporală a E, ET și PET, perioada 2010-2012, SE Cinciș

Totodată am putut observa că PET supraestimează valorile (fig. nr. A4.6.3.4), în special în perioadele de maximă vegetație, respectiv între lunile iunie și august (diferențe de până la 40 mm/8zile) (fig. 77 și 78). Decalajul apărut în perioada aprilie – iunie (fig. 77), între valorile măsurate în evaporimetru față de cele rezultate din imaginile satelitare, se datorează inerției evaporimetrului, acesta reacționează mai lent în aceasta perioadă cu temperaturi moderate și radiatie solară cu intensitate scăzută, în timp ce, în luna iulie valorile măsurate în evaporimetru sunt mai mari față de cele rezultate din MOD16 ca urmare a intensității fluxului termic convectiv produs în acesta și a cedării mai rapide a căldurii de pe o suprafața mică (evaporimetru), pentru ca în perioada de toamnă valorile să fie foarte apropiate (fig. 79).

Fig. 79. Distribuția temporală a E, ET si PET, perioada 2010-2012, SE Solești

În ceea ce privește evapotranspirația reală aceasta reprezentând practic evapotranspirația la nivelul covorului vegetal, observăm că nu generează valori apropiate de măsuratorile efectuate la pluta evaporimetrică, ba mai degrabă se apropie de evapotranspiratia măsurată la diferite culturi agricole (tabelul 23). În urma analizării rezultatelor obținute la cele trei lacuri, am obsevat că ET extras din MODIS are valori subestimate comparativ cu evaporația măsurată, diferențele între acestea putând atinge 40 mm/8zile pentru lacurile situate în zonele de campie, cum este cazul lacurilor Căldărușani și Solești, în timp ce pentru lacurile amplasate în regiunile montane diferențele între măsurat și estimat nu sunt atât de mari, respectiv 10-20 mm/8zile (tabelul 23).

Tabelul 23. Valorile E, PET, ET și ETc de la SE Căldărușani

E – evaporația, PET – evapotranspirația potențială, ET – evapotranspirația reală, ETc – evapotranspirația la cultură, toți parametrii sunt exprimați în mm

Pe malul lacului Căldărușani este amplasată o stație experimentală la nivelul căruia sunt efectuate măsurători pentru determinarea evapotranspiratiei la nivelul culturilor de mazăre și porumb (fig. 80). Produsul satelitar MOD16 – ET prezintă un maxim în special în luna iunie, fapt ce se regăsește și la evapotranspirația la culturile de mazăre, porumb sau grâu determinată direct la nivelul lizimetrelor din cadrul SEE Căldărușani (fig. 80). Comparând valorile evapotranspirației reale cu cele ale evapotranspirației la cultură, observăm diferențe lunare de până la 50 mm (tabelul 23).

Fig. 80. Distribuția temporală a evapotranspirației la mazăre și porumb, măsurată la SEE Căldărușani și a ET rezultatădin MOD16

Corelații strânse (R2>0.65) au fost obținute între evaporația măsurată și evapotranspirația potențială (PET) (fig. 81). În ceea ce privește RMSE, diferențele intre valorile măsurate direct și cele estimate pe baza MODIS, sunt în medie 10 mm/8zile (tabelul 24). Potrivit bias, valorile evapotranspirației potențiale sunt supraestimate (tabelul 24), iar pentru anii 2011 si 2012 diferențe semnificative au fost remarcate la stațiile Cinciș (13.4 mm/8zile) și Solești (17 mm/8zile).

Fig. 81. Corelatiile liniare intre E – ET (MOD16), E-PET (MOD16), lacurile Căldărușani (a), Cinciș (b) și Solești (c)

Tabelul 24. Validarea produsului MOD16, utilizand parametrii statistici R2, RMSE si BIAS

7.5.3. Distribuția evapotranspirației potențiale la nivelul României pe baza produselor satelitare MOD16

Valorile evapotranspirației potențiale – PET mm/8zile la nivelul României variază de la 800 în zonele montane, pănă la 1600 în zonele de câmpie (fig. 82). Rezultatele sunt supraestimate comparativ cu hărțile tematice ce cuprind evaporația și evapotranspirația la nivel național realizate în cadrul INHGA (Neculau et al., 2016). De aceea, consider că momentan aceste date nu pot fi folosite în studiile și cercetările naționale, fiind necesare analize ulterioare privind raportul dintre acest parametru (PET) și valorile măsurate la nivelul României.

Fig. 82. Evapotranspirația potențială PET mm/8zile – MOD16

7.5.4. Distribuția spațială a evapotransporației potențiale la suprafața lacurilor Căldărușani, Cinciș și Solești

Analizând imaginile privind distribuția spațială a evapotranspirației potențiale extrase pe baza produselor stelitare MOD16 de la nivelul lacurilor Căldărușani, Solești și Cinciș, s-a putut observa că cele mai mari valori ale evapotranspirației sunt identificate în zona lacului cu cea mai mare lățime, acolo unde și volumul de apă este semnificativ mai mare, dar și în regiuni acoperite cu vegetație acvatică abundentă.

În cazul lacului Solești putem considera amplasamentul plutei evaporimetrice din apropierea barajului ca fiind reprezentativ pentru valoarea medie a evaporației, iar în ce privește variația spațiala a PET, aceasta este maximă în partea centrală a lacului, acolo unde volumul de apă este semnificativ mai mare (fig. 82). In partea de nord a lacului valorile nu sunt constante, iar în urma analizării imaginilor din Google Earth, precum și a hărților privind modul de utilizarea al terenului (CLC 2012) am observat că la coada lacului există vegetație acvatică abundentă, ce poate avea rolul fie de a accentua procesul de pierdere a apei, fie de a bloca în anumite perioade ale anului schimbul atmosferic între apă și aer.

Fig. 82. Distributia spatiala a evapotranspiratiei potentiala la nivelul lacului Solești

În ceea ce privește distribuția spațială a PET în cazul lacului Căldărușani, aceasta prezintă valori maxime în partea de vest a lacului unde lățimea lacului este maximă iar volumul de apa este semnificativ mai mare comparativ cu alte zone ale acestuia (fig. 83). Valorile medii ale evapotranspirației apar în partea centrală a lacului, în timp ce, cele mai mici valori corespund zonei de vărsare a celor doi alfuenți în lac (Cociovaliștea și Vlăsia).

În cazul lacului Cinciș nu s-au putut trage concluzii clare, întrucât din cauza formei alungite a lacului și a lățimii reduse a acestuia, valorile evapotranspirației generate pe baza imaginilor satelitare sunt influențate de modul de utilizare al terenului, în general păduri, culturi agricole și livezi (fig. 84). Putem considera că valorile sunt mai ridicate în apropierea barajului (fig. 84), însă rezultatele algoritmului de calcul pot fi foarte usor influențate de pădurea de conifer sau de orașele ce se regăsesc pe o raza de 1 km2.

Fig. 83. Distribuția spațială a evapotranspirației potențiale la nivelul lacului Căldărușani

Fig. 84. Distribuția spațială a evapotranspirației potențiale la nivelul lacului Cinciș

Anexa. 1.

Rupturi identificate în șirurile de date ale principalilor parametrii climatici

Anexa. 2.

Relația dintre evaporație și principalii parametrii hidrometerologici reprezentată prin intermediul matricelor

Fig. 120. Matricea ce prezintă raportul evaporație față de parametrii hidrometeorologici – lacul Amara

Fig. 121. Matricea ce prezintă raportul evaporație față de parametrii hidrometeorologici – lacul Bezid

Fig. 122. Matricea ce prezintă raportul evaporație față de parametrii hidrometeorologici – lacul Fântânele

Anexa. 3.

Volumul de apă cedat prin evaporație de la suprafața apei

Tabelul 28. Volumul de apă pierdut prin evaporație (mil mc) de la suprafața lacurilor, sursa datelor INHGA

* W – volumul lacului (mil mc); E – evaporatia de la suprafata apei lacului (mm/luna); PE – pierderi de apa prin evaporatie (mil mc); % – procentul lunar al pierderilor de apa generate de evaporatie din volumul lacului.