Desecare – Drenaj [311230]
Desecare – Drenaj
1. Introducere. Definiții. Istorie. Probleme generale.
1.1 Introducere
Cursul de drenaje este un curs de specialitate de bază pentru formarea specialiștilor ce urmează să activeze în domeniul îmbunătățirilor funciare. Se ocupă de măsurători și lucrări necesare combaterii excesului de umiditate (afectat temporar sau permanent ) de pe terenurile agricole.
Drenajele fac parte din categoria lucrărilor de îmbunătățiri funciare sau hidroameliorații. Originea noțiunii vine de la „drainage”, care în limba română înseamnă „drenaj”. În țara noastră noțiunea de drenaj a fost înlocuită la început cu cea de desecare care reprezintă colectarea și evacuarea apei de suprafață de pe terenurile agricole fiind prima etapă a drenajului. [anonimizat] a fi amenajată și a rezultatelor cercetărilor științifice obținute în domeniu. Cele mai multe proiecte au fost realizate de ISPIF București care își are originea în Institutul de Proiectări pentru Agricultură (IPA) înființat în 1950 și care a funcționat în cadrul departamentului de îmbunătățiri funciare. Din acesta în 1953 se înființează Divizia de Studii de Teren și Laborator care în urma reorganizării din anii 1959, 1963, 1966 și 1971 în domeniul g ospodăririi apelor a primit denumirea actuală de ISPIF în 1969.
În 2002 a avut loc aniversarea semicentenarului ISPIF marcată printr-o sesiune științifică jubiliară.
ICITID a [anonimizat], din 2002 sub forma unei stațiuni de cercetare. Coordonarea activității de îmbunătățiri funciare în prezent la nivelul țării este realizată de SNIF.
1.2 [anonimizat], desecări – drenaje și lucrări de CES. (engleză – „Land Reclamation and Improvement”, franceză – „Hydraulique agricole”).
Îmbunătățirile funciare sau ameliorațiile agricole sau hidroameliorațiile reprezintă știința care are ca obiect studierea teoretică și aplicarea în practică a [anonimizat], lucrări și intervenții tehnice adecvate pentru valorificarea în folosul agriculturii a [anonimizat].
[anonimizat]:
îndiguiri pentru combaterea inundațiilor
irigații pentru combaterea secetei
desecări și drenaje pentru combaterea excesului de umiditate
lucrări de CES pentru prevenirea și combaterea eroziunii solului
ameliorarea sărăturilor
corecția cursurilor de apă
regularizarea și utilizarea unor surse locale de apă
plantarea perdelelor de protecție
organizarea teritoriului
amenajări piscicole și stuficole
Prin lucrări de îmbunătățiri funciare se asigură:
[anonimizat] (redarea suprafețelor degradate în agricultură)
mijlocul de obținere a unor mari și constante producții agricole de calitate
Drenajul (Desecarea) este o lucrare de reglare a cantității de apă din sol prin evacuarea celei în exces și realizarea în profilul de sol activ a [anonimizat] – sol optim dezvoltării culturilor agricole.
Sistemul de desecare – drenaj reprezintă un ansamblu de construcții hidrotehnice și echipamente hidromecanice destinate evacuării apelor de suprafață și freatice în exces pentru menținerea umidității în profilul activ al solului în intervalul umidității active (I.U.A.), adică între plafonul minim (pmin) și capacitatea de câmp (Cc).
1.3 Istoric și probleme generale
Atât pe plan mondial cât și la noi în țară primele lucrări hidrotehnice au fost „combaterea excesului de umiditate pe terenurile agricole”: asanare bălți, îndiguiri, desecare cu canale deschise și în etapa a doua rețelele de drenaj. În vederea înlăturării excesului de umiditate din sol și de la suprafața solului în țara noastră s-au realizat în ultimii 40 de ani numeroase lucrări de desecare și drenaj.
Primele lucrări de hidroameliorații s-au executat în țara noastră în secolul al XIII- lea de către cavalerii Teutoni pentru asanarea unor terenuri din depresiunea “Țara Bârsei” cu scopul amplasării viitoarelor centre populate: Prejmer, Hărman, etc.
În Moldova primele lucrări, semnalate de Dimitrie Cantemir, datează din anul 1500 și au avut ca scop realizarea unor acumulări în interes pișcicol.
Eruditul venețian Francesco Griselini, în lucrarea “Încercare de istorie politică și naturală a Banatului Timișoarei” (publicată în Ed. Facla 1984) arată că: “E adevărat că și în vremuri mai vechi pământul din apropierea Mureșului și cel de-a lungul Tisei de la Seghedin și până dincolo de Titel, era mlăștinos. Aceste mlaștini nu se întindeau însă atât de mult, precum fură găsite în anul 1717. Mlaștina de la Aranca ajunsese, peste Kiskanizsa, până la Mokrin. În afară de aceasta apele râurilor Beghei, Timiș, Birda, Bârzava, împreună cu o mulțime de pâraie și scurgeri ale izvoarelor, fuseseră lăsate în voia soartei. Nimeni nu știu să se folosească de mijloacele puse la îndemână de hidrostatică. Cred că este suficient dacă voi aminti numai patru din aceste mlaștini de odinioară. Două dintre ele se întindeau de la Beghei până la Kikinda, ajungând de acolo doar la mică depărtare de Becicherul Mare. Celelalte două mlaștini de la Ilanca și de la Alibunar, se întindeau de la malul de miazăzi al Timișului, cale de mai multe mile, pierzându-se într-un strat nisipos din apropiere de Palanca Nouă. Mlaștinile pontice, atât de renumite în vechea și noua Romă, nu pot fi comparate de loc cu cele din Banat”.
În intervalul 1717 – 1800 s-au redat agriculturii întinse terenuri inundabile și mlăștinoase din Câmpia Banatului, s-au construit canale de desecare în jurul orașului Timișoara și în bazinele hidrografice ale râurilor Timiș și Bârzava și a început amenajarea canalului Bega în scop de navigație.
Începând din anul 1847, în Câmpia de Vest, s-a regularizat albia râului Someș și s-au efectuat lucrări în scopul desecării terenurilor dintre Crișuri și Mureș.
În secolul XX, s-au executat în vestul țării lucrări de refacere și completare a vechilor sisteme de îndiguiri și desecări bazate pe principiile tehnicii moderne.
Excesul de umiditate constituie un factor limitativ al productivității solurilor și totodată poate să creeze un mediu de viață insalubru și poluat. Prin exces se înțelege acea cantitate de apă care aduce solul într-o stare necorespunzătoare de lucrare și cultivare. Excesul determină reducerea sau chiar calamitarea recoltelor, prin stânjenirea sau întreruperea vegetației plantelor. Formele de manifestare a excesului de apă pot fi: de băltire la suprafața terenului și de îmbibație în profilul solului.(Oprea, 1974 citat de Oncia Silvica și colab, 2004)
În legătură cu cea de a doua formă de manifestare a excesului, se consideră umiditate în exces acea mărime a umidității care depășește capacitatea de câmp pentru apă a solului, precum și limita inferioară de plasticitate, de la care solul nu mai poate fi lucrat în vederea cultivării. Starea de exces de umiditate este corelată cu porozitatea și starea de tasare. Astfel într-un sol cu porozitate bună, poate fi supraumezire fără a fi saturat, în timp ce într-un sol tasat chiar la subumezire se poate realiza saturație în apă.
Definirea noțiunii de exces de apă cunoaște mai multe moduri de abordare a problemei. În accepțiunea agronomică, excesul de apă apare când conținutul de umiditate, w depășește 30 % din volumul total al solului, atunci când plantele suferă ca urmare a lipsei aerului din sol. Din punct de vedere hidroameliorativ, se consideră drept apă în exces, apa care depășește capacitatea de câmp CC și care se scurge spre dren. [7, 15, 80, 144]
În pedologie se vorbește de exces de umiditate în sol din momentul în care conținutul de apă al solului depășește conținutul corespunzător capacității de câmp (CC) o perioadă suficient de lungă pentru a produce pierderi producțiilor agricole. În prezent, pornind de la aprecierea energetică (prin pF) a umidității, se poate accepta noțiunea de interval al umidității excesive, definit de capacitatea de câmp (CC) și capacitatea de saturație (CS), adică apa reținută în sol cu un pF mai mic de 2,53. [5, 12, 74, 88, 94]
Cantitatea de apă care datorită timpului relativ scurt în care ocupă porii gravitaționali, corespunde unui pF mai mic de 1,78, care definește capacitatea de capilaritate, corespunde umidității drenabile. La capacitatea de capilaritate solul are consistență plastic-adezivă, iar apa este cedată cu ușurință spre dren.
Excesul de umiditate dintr-un anumit tip de sol este corelat cu porozitatea și starea de tasare. Astfel într-un sol, cu porozitate bună, poate exista exces de umiditate chiar dacă solul nu este saturat cu apă, în timp ce într-un sol cu porozitate scăzută, tasat, chiar la un conținut de apă sub coeficientul de saturație, se poate manifesta excesul de apă. În solurile tasate, cu porozitate scăzută, atingerea coeficientului de capilaritate, deci pierderea apei prin drenare este foarte lentă, apa din pori fiind adsorbită de argilă, care o cedează greu.
Pentru un anumit teritoriu, și un anumit interval de timp, excesul de umiditate este definit prin bilanțul hidric pozitiv, adică, excesul de umiditate se manifestă atunci când, pentru un anumit interval de timp aportul de apă din acel teritoriu depășește pierderile de apă din teritoriul considerat.
Dacă considerăm că pentru țara noastră capacitatea maximă a solului de înmagazinare a apei accesibile plantelor este în medie 134 mm, orice aport absolut de apă din precipitații sau alte surse (inundații, irigație etc.), care depășește această valoare, din punctul de vedere al bilanțului hidrologic produce exces de apă în sol.
Studiile și cercetările cu privire la situația terenurilor agricole afectate de exces de umiditate au arătat că acestea cuprind o suprafață de 5,53 milioane de hectare, din care 2,53 milioane de hectare sunt situate în luncile inundabile ale râurilor interioare, iar 3 milioane de hectare reprezintă terenuri grele și areale depresionare cu drenaj natural neasigurat. Sunt amenajate 3,5 mil.ha, din care 3,117 cu canale de desecare. Acestea au 70000 km canale deschise, 4000 km drenuri subterane, stații de pompare cu un debit de 1000 m3/s. Amploarea acestor lucrări arată importanța acestor probleme. Nefuncționarea acestora face imposibilă efectuarea lucrărilor agricole.
1.4 Cauzele și inconvenientele excesului de umiditate
Prezența excesului de umiditate într-o anumită zonă cauzează pagube a căror mărime depinde de natura și durata excesului, precum și de folosința terenului. Pagubele produse agriculturii de excesul de umiditate constau din: neexecutarea la timpul optim a lucrărilor agricole, scumpirea costului lucrărilor ca urmare a creșterii consumului de energie, calamitarea parțială sau totală a producției agricole.
La aceste pagube se pot adăuga cele provenite din deteriorarea drumurilor de acces, a infrastructurii construcțiilor agricole și a altor amenajări teritoriale. Pe lângă pierderile materiale amintite, excesul de umiditate, determină și efecte negative cu aspect social. Este vorba de migrarea spre zone favorabile a forței de muncă și chiar depopulări de zone din cauza productivității reduse din agricultură și a lipsei de rentabilitate. Excesul de umiditate din sol și de la suprafața solului influențează în mod negativ atât evoluția solurilor, cât și creșterea și dezvoltarea plantelor.
Principalele cauze ale excesului de umiditate sunt:
– panta de scurgere a terenului, către emisar necorespunzătoare (există o diferență de cotă mică);
– stratul impermeabil se află la adâncime mică față de suprafață;
– terenul este greu (pelisoluri, gleiosoluri cernice, argilă cu capacitate mare de reținere a apei);
– existența unor ape străine (scurgeri de pe versanți, infiltrații prin corpul digului, inundații, topirea zăpezilor).
Principalele inconveniente ale excesului de umiditate pot fi evidențiate prin efectele negative cauzate, cum ar fi:
– suprafața desecată este brăzdată de canale deschise cu densitatea de 25 – 30 m/ha, împiedicând mecanizarea lucrărilor agricole;
– aceste soluri sunt mai reci decât cele drenate, primăvara au o culoare mai închisă la suprafață în zonele nedrenate;
– evaporație mai intensă;
– îngheață tare iarna;
– se dezgheață cu întârziere de 18 – 20 zile;
– prin uscare devin compacte formând crăpături;
– produc asfixierea plantelor, datorită aerației insuficiente;
– îngreunează efectuarea lucrărilor agricole, crescând costul acestora;
– au nivel freatic foarte ridicat, motiv pentru care, stratul activ de sol are grosime mică;
În diminețile de primăvară concentrația de valuri de ceață delimitează zonele cu exces de umiditate. Recunoașterea terenurilor se poate face după flora spontană (rogoz, papură, pipirig) au culoare gălbuie și sunt mai mici ca talie.
1.5 Sursele excesului de umiditate
Sursele cauzatoare ale excesului de umiditate sunt multiple și acționează, după caz, individual sau asociat. Factorii naturali care generează excesul de umiditate pot fi externi sau interni, ei intervenind în procesele de hidromorfism atât pe calea regimului hidric al solului, cât și pe cea a drenajului natural. Principalii factori externi sunt cei climatici, hidrogeologici, hidrologici și geomorfologici, iar factorii interni sunt cei de natură pedolitologică. (Figura III.1.)
Factorul climatic reprezentat de precipitații, temperatură, evapotranspirație, vânt, umiditate atmosferică etc. acționează în declanșarea sau accentuarea excesului de apă din sol sau de la suprafața solului.
Precipitațiile reprezintă principala sursă a excesului de apă, atât prin cantitatea totală anuală, cât și prin repartizarea lor sezonieră, lunară, decadală sau chiar zilnică. Apele din precipitații căzute pe sol se fragmentează în: ape care se reîntorc în atmosferă prin evaporație și transpirație; ape care se scurg la suprafața terenului, concentrându-se spre cursurile de apă și ape care se infiltrează în sol, contribuind la formarea terenurilor umezite și înmlăștinite și a pânzei freatice.
Temperaturile condiționează dezvoltarea culturilor, și prin aceasta mărimea cantității de apă evaporate la suprafața solului și mărimea consumului de apă al culturilor.
Evapotranspirația reprezintă consumul productiv prin transpirația plantelor și pierderile prin evaporație de la suprafața solului.
Dacă nu există date determinate direct asupra consumului total de apă evapotranspirația se poate stabili indirect folosind diferite relații de calcul, dintre care cea mai cunoscută este relația Thornthwaite.
Rolul factorului climatic este determinant în apariția excesului de umiditate, Florea și colab, 1988 folosind diferențele Precipitații – Evapotranspirație (P-ETP) raionează teritoriul țării noastre în patru zone climatice de umiditate: călduroasă-secetoasă, moderat clăduroasă-semiumedă, răcoroasă umedă și rece foarte umedă. (Tabelul I.1).
Tabelul I.1.
Principalele caracteristici ale zonelor pedoclimatice
(după Florea și colab. 1988)
Factorul hidrologic – hidrografic este reprezentat de afluxul superficial de apă atât sub forma scurgerilor de pe versanți, de afluxul subteran de apă provenit de pe terenurile înalte învecinate, cât și sub forma inundațiilor cauzate de revărsarea cursurilor de apă și a torenților.
Factorul hidrogeologic dat de nivelul ridicat al apei freatice, temporar sau permanent reprezintă o altă sursă a excesului de umiditate. Apa freatică cu nivel ridicat liber creează un exces de umiditate ce se manifestă în zona rădăcinilor plantelor, sau ajungând chiar deasupra nivelului terenului, sub formă de luciu de apă afectează luncile și câmpiile joase.
Factorii favorizanți rezidă în elementele cadrului natural al zonei, la care se adaugă contribuția factorului antropic.
Factorul geomorfologic, prin intermediul reliefului și microreliefului teritoriului sunt factori favorizanți în producerea excesului de umiditate. Zonele de luncă și câmpie joasă caracterizate printr-un relief depresionar sau plat, cu pante mici, insuficiente pentru a asigura un drenaj extern eficient, sunt predispuse la exces de umiditate.
Factorul pedolitologic este strâns legat de drenajul intern al unor soluri determinat de textura straturilor care imprimă o anume permeabilitate pentru apă. Astfel, cu cât solul este mai argilos (mai greu), cu atât drenajul intern este mai redus, excesul de umiditate mai frecvent, cu o durată mai mare, care poate să apară chiar și la cantități reduse de precipitații.
Este cazul solurilor din clasa luvisoluri care au ca diagnostic un orizont B greu permeabil împiedicând pătrunderea apei în adâncime. În aceeași situație sunt hidrisolurile sau pelisolurilor, care datorită conținutului ridicat de argilă pe primii 50-60 cm ai profilului de sol au drenajul intern neasigurat, favorizând apariția excesului de umiditate.
Factorul antropic, prin intervențiile neraționale ale omului prin care se provoacă intensitatea excesului de umiditate sunt următoarele:
– aplicarea unei agrotehnici necorespunzătoare, prin executarea arăturilor la aceeași adâncime și tasarea excesivă a solului prin treceri repetate cu utilaje grele;
– execuția sau exploatarea defectuoasă a unor lucrări hidrotehnice și hidroameliorative, cum sunt lacurile de acumulare și amenajările piscicole, unde prin infiltrare pot influența terenurile situate în apropiere;
– irigații excesive fără asigurarea unui drenaj suplimentar al solului;
– reducerea capacității de colectare și transport a albiilor naturale și a canalelor prin neglijarea lucrărilor de întreținere;
– bararea scurgerilor de suprafață către rețeaua hidrografică prin amplasarea unor ramblee de drumuri, căi ferate, diguri.
La acestea se adaugă cauzele de natură agrofitotehnică reprezentate de categoria folosințelor și de intensitatea cultivării care pot modifica regimul de apă din sol prin consumuri specifice diferite.
Intervențiile raționale ale omului pot genera reduceri ale efectelor negative ale excesului de umiditate.
1.6 Clasificarea excesului de umiditate
Excesul de umiditate se clasifică după mai multe criterii:
A. după durata excesului de umiditate: exces de umiditate cvasipermanent, periodic, temporar.
B. după sursa de apă: precipitații abundente, apă freatică cu nivel ridicat sau apa râurilor revărsată peste maluri (inundații);
C. după surse, în raport cu suprafața considerată (climat convențional):
1. Apele de suprafață pot fi:
– interne din precipitații sau irigații;
– externe din revărsări (inundații), scurgeri de pe terenurile învecinate;
2. Apele freatice, la rândul lor pot fi:
– interne nivel freatic din precipitații, izvoare de coastă;
– externe infiltrații din cursuri naturale de apă, infiltrații din acumulări de apă, aport freatic de pe versanți;
Terenurile cu exces din precipitații, în funcție de durata și intensitatea perioadei de supraumezire se împart în trei grupe principale:
a) Umezirea excesivă prelungită, este caracteristică terenurile plane, depresionare, cu orizonturi argice și puternic stagnice, formate pe materiale parentale cu textură fină. Durata perioadei de exces depășește 180 zile, încât solurile nu pot fi cultivate fără măsuri speciale de combatere a excesului de umiditate. Se ajunge ca apa din precipitații să determine apariția înmlăștinirii de suprafață.
b) Umezirea excesivă de durată mijlocie, caracterizează terenurile plane sau slab ondulate cu soluri argice, moderat-puternic stagnice, formate pe depozite cu textură mijlocie-fină sau cu pelisoluri stagnice. Excesul de apă este periodic, durează 90-180 zile și vara alternează cu perioadele secetoase.
c) Umezirea excesivă de durată scurtă, este specifică terenurilor pe care excesul de apă se manifestă numai în anii ploioși, creind probleme producțiilor agricole. Se întâlnește pe solurile slab stagnice, formate pe depozite cu textură mijlocie-fină și pe pelisolurile din regiunea semiumedă-semiaridă. Umezirea excesivă de scurtă durată include crovurile și padinile din zona semiaridă, arealul cernoziomurilor cambice.
Terenurile cu umezire excesivă din inundații sau infiltrații din râuri, sunt întâlnite în luncile și câmpiile joase, fiind rezultatul inundațiilor periodice și în special al apelor ce stagnează după retragerea viiturilor. Durata umezirii este determinată de nivelul apei din râu care alimentează prin infiltrații laterale nivelul apelor freatice. De asemenea se pot separa trei situații:
a) Umezirea excesivă de durată mijlocie-prelungită este specifică pentru luncile râurilor mari (Dunăre, Siret, Olt) și luncile unor râuri din zone de podiș, umede-semiumede, cum ar fi Bârladul, Prutul, Jijia, Bahluiul, etc. Terenurile din aceste zone sunt afectate atât de apa de inundație cât și de cea freatică.
b) Umezirea excesivă de durata scurtă, este specifică terenurilor pe care durata excesului de apă este egală cu durata viiturilor, manifestându-se mai ales cursul superior al râurilor.
c) Umezirea excesivă variabilă ca durată, apare în luncile înguste, durata fiind dependentă de debitul viiturii.
Terenurile cu umezire freatică permanentă, sunt întâlnite atât în zona semiaridă-semiumedă cât și în zona umedă, acolo unde apa freatică se află la o adâncime mai mică decât adâncimea critică de înmlăștinire.
În funcție de unele însușiri ale învelișului de sol, relieful zonei climatice si materialele parentale, se pot separa următoarele unități principale de terenuri cu exces de apă din freatic:
a) Umezire puternic-excesivă, când adâncimea apei este mai mică de 1-2 m, orizonturile inferioare ale solurilor sunt permanent saturate cu apă iar orizonturile superioare au saturare prelungită (gleiosouri, gleiosoluri cernice). Deseori apa freatica este sub presiune.
b) Umezire moderat-puternică, unde apa freatică este la 1,5-3 m, iar învelișul solului este dominat de solurile saline și alcalice. Și în această zonă apa freatică este deseori sub presiune.
c) Umezire moderată, pe terenurile unde apa freatică este la 2-3,5 m și numai orizonturile de la baza profilului de sol au umezire în exces.
d) Umezirea slabă, este întâlnită în cazul unor ape freatice la adâncimea de 3-5 m, care pot provoca foarte rar exces, mai ales în anii ploioși sau la irigarea excesivă.
e) Umezirea excesivă locală, este determinată de izvoarele de coastă sau pânze locale de apă, situate la baza versanților. Sunt larg răspândite pe terenurile ocupate de fostele soluri negre clinohidromorfe și de solonețurile de pe versanți.
Având în vedere condițiile naturale care determină apariția excesului de umiditate și săruri din sol, Haret și Stanciu, 1978, împart terenurile agricole din România în patru grupe mari, (Figura I.2.) după cum urmează [36]:
Figura I.2. Zonarea teritoriului agricol al României în funcție de condițiile naturale care favorizează formarea excesului de umiditate și săruri (după Haret și Stanciu, 1978)
Grupa I. Terenuri cu exces de umiditate temporar, cu caracter stagnant, cauzat de precipitații, în condițiile unui relief plan, cu pante mici, de 1-2 % sau slab ondulat, cu pante sub 4-5 %, situate pe terase, câmpii înalte piemontane, culmi deluroase și podișuri din zonele climatice umedă și subumedă, cuprinzând soluri argiloiluviale, puternic pseudogleizate sau pseudogleice, slab permeabile (K < 0,1 m/zi), având apa freatică cu caracter permanent, în general ne mineralizată, la adâncimi mai mari de 3-5 m. Aceste terenuri reprezintă o suprafață de aproximativ 4200000 ha.
Grupa II. Terenuri cu exces de umiditate periodic (cu caracter temporar, pe alocuri permanent), cauzat în principal de ridicarea nivelului apei freatice alimentată din precipitații, infiltrații din râuri sau din zonele înalte învecinate, eventual prin contribuția irigației, cu sau fără pericol de salinizare secundară.
Aceste terenuri sunt situate în lunci și câmpii de divagare cu pante mai mici de 0,5 % din zonele climatice umedă, subumedă și secetoasă, cuprind aluviuni sau soluri aluviale, cu apa freatică diferit mineralizată, aflată la adâncimi medii de 1-3 m sau sunt situate în câmpii loessice, terase și câmpii de divagare cu pante mai mici de 1 %, din zonele climatice secetoasă și subumedă, cuprinzând cernoziomuri levigate freatic umede, cernoziomuri freatic umede și local soluri bălane și soluri brune freatic umede, cu apa freatică diferit mineralizată la adâncimi medii de 2-6 m. Terenurile din această grupă reprezintă o suprafață de aproximativ 3370000 ha.
Grupa III. Terenuri cu exces de umiditate cu durată prelungită, datorat predominant apei freatice diferit mineralizată, aflată la adâncimi medii mai mici de 1-1,5 m, cu sau fără pericol de salinizare, situate în câmpii de divagare joase sau depresiuni intramontane joase, cu relief plan sau ușor depresionar, cu pante mici, de 0,5 –1 ‰ răspândite în zonele climatice umedă, subumedă și secetoasă, cuprinzând soluri gleice, humicogleice, lacoviști și soluri turboase. Aceste terenuri ocupă o suprafață de aproximativ 550000 ha.
Grupa IV. Terenuri sărăturate cu exces de umiditate de durată prelungită, datorită îndeosebi apei freatice puternic mineralizate, aflată la adâncimi medii de 1-3 m, în condițiile unui relief plan sau ușor depresionar cu pante sub 0,5 %, situate în câmpii de divagare joase, în lunci și în depresiunile din câmpiile loessice, din zonele climatice secetoasă și subumedă, cu soluri saline (solonceacuri), soluri alcalice (solonețuri), soluri salinizate și soluri solonetizate. Pe soluri greu permeabile excesul de umiditate cauzat de apa freatică se asociază frecvent cu excesul temporar de umiditate stagnant, provenit din precipitații. Suprafața ocupată de aceste terenuri reprezintă aproximativ 500000 ha.
Din punct de vedere ameliorativ, solurile pot fi grupate în trei categorii:
-solurile cu exces de apă din precipitații și/sau inundații, care necesită ca lucrare de bază drenajul de suprafață (desecarea).
-solurile cu exces de apă din freatic, care necesită ca lucrare de bază drenajul subteran.
-solurile cu exces de apă mixt, care implică măsuri complexe de eliminare a excesului de apă.
Pentru prevenirea și combaterea excesului de umiditate, un rol important îl au lucrările de hidroameliorații, agropedoameliorative și de gospodărire a apelor.
1.7 Studii necesare pentru proiectarea sistemelor de desecare-drenaj
Studiile sunt necesare pentru fundamentarea soluțiilor de proiectare și cuprinde: studii topografice (planul de situație scara 1:5000 – 1:10000 pentru rețeaua de canale de desecare; 1:25000 planul de ansamblu pentru localizarea zonelor, 1:500 – 1:2000 rețeaua de drenaj ), studii climatice, hidrologice, hidrogeologice, pedologice, geotehnice , privind flora și fauna zonei, situația social-economică a zonei. Pe baza acestor studii se întocmește documentația de promovare și executare a acestor amenajări. Documentație de promovare și executare a investițiilor se întocmesc conform ordinului MLPAT nr 32 din 1993 și a Legii 50 care stabilesc normele metodologice privind investițiile ce se finanțează de la bugetul de stat, integral sau parțial, sau de la bugetele locale, din fondul extrabugetar sau din credite garantate de stat respectiv pentru autorizarea, executarea și recepția lor.
Conform ordinului MLPAT 32 / 93 aceste documentări cuprind fazele:
1. Studiul de prefezabilitate
2. Studiul de fezabilitate
3. Caietul de sarcini și proiectul tehnic
4. Detalii de execuție
Pentru realizarea unei amenajări de desecare – drenaj ca investiție nouă se urmează etapele: efectuarea studiilor, întocmirea documentației, promovarea documentației, executarea lucrărilor, recepția lucrărilor, întocmirea regulamentului de exploatare și întreținere al amenajării realizate.
1.8 Concepții de amenajare și metode de combatere a excesului de umiditate
Pentru eliminarea excesului de umiditate de pe terenurile agricole se folosesc următoarele metode:
– metoda de desecare prin canale deschise care urmărește eliminarea excesului de umiditate de la suprafața terenului;
– metoda drenajului pentru eliminarea excesului de umiditate din profilul solului;
– evacuarea apei prin scurgere la suprafața terenului și drenarea stratului radicular, care constă din aplicarea concomitentă a desecării prin canale deschise și a drenajului;
– desecarea biologică a apei în exces care constă din folosirea de culturi și plantații cu un consum mare de apă și cu rezistență ridicată la excesul de umiditate;
– colmatarea terenului cu nivel freatic ridicat, prin depunerea materialelor solide în zonele joase în scopul ridicării cotei terenului și realizării în felul acesta a adâncimii de drenaj;
– drenaje frontale care constau din șiruri de puțuri amplasate după diferite scheme.
Desecarea prin canale deschise se recomandă în zonele în care excesul de umiditate este de natură pluvială. Cantitățile de precipitații provoacă băltirea apei la suprafața terenului precum și umezirea excesivă a stratului superior al solului. Această metodă constă din rigole, șanțuri și rețea de canale de colectare și evacuare care preiau apa în exces, eliminată din câmp și o transportă în afara teritoriului amenajat până la cel mai apropiat curs de apă natural. În zonele în care microrelieful terenului determină un drenaj natural extern slab, iar solul are un drenaj intern neasigurat, se pot recomanda lucrări de nivelare în pantă și de modelare a terenului care îmbunătățesc scurgerea apei. De asemenea, se pot recomanda lucrări pentru favorizarea circulației apei pe verticală cum sunt: subsolajul și afânarea adâncă a solului, lucrări care au rolul de a preveni o acumulare de apă în exces, fie la suprafața terenului, fie în sol, pe o durată de timp mai mare decât rezistența plantelor la excesul de umiditate.
Drenajul se aplică în zonele cu nivel freatic la mică adâncime, cu scopul coborârii și menținerii acestuia sub stratul radicular al plantelor. Constă din drenuri orizontale, verticale și din canale deschise adânci. În zonele fără pericol de sărăturare și înmlăștinare a solului rețeaua de drenuri, ca și cea de canale deschise poate fi folosită și pentru aplicarea subirigației.
Evacuarea apei prin scurgere la suprafața terenului și drenarea stratului radicular se realizează prin aplicarea concomitentă a celor două soluții. Se practică pe suprafețe unde excesul de umiditate are o proveniență atât pluvială, cât și freatică.
Desecarea biologică a terenurilor cu exces de umiditate, metodă cunoscută și sub numele de biodrenaj, se bazează pe transpirația ridicată a unor specii (pomicole, silvice sau chiar culturi agricole), însoțită de evaporația apei de la suprafața terenului.
Colmatarea naturală sau hidromecanizarea este procedeul care constă din supraînălțarea nivelului terenului prin depuneri de pământ în mod natural (folosind aluvionările) sau artificial (preluând material din gropi de împrumut). Colmatarea artificială devine economică atunci când se folosește pământul rezultat din săparea unor canale magistrale, sau din lucrările de regularizare a cursurilor de apă. Poate fi realizată și prin hidromecanizare.
Drenurile frontale se prevăd pentru preluarea infiltrațiilor rezultate din surse de apă cu niveluri mai ridicate decât cotele terenului supus ameliorării. Drenajul frontal alcătuit din puțuri forate, colectori și stații de pompare captează debitul infiltrat din surse exterioare (infiltrații din lacurile de acumulare, râuri și canale cu nivele ridicate sau debite afluente subterane) și le evacuează prin pompare, menținând nivelul subteran sub al normei de desecare.
Trebuie menționat faptul că pe lângă măsurile tehnice care se iau pentru ameliorarea solurilor cu exces de umiditate, se impun și măsuri agrofitotehnice specifice, adică o agrotehnică adaptată noilor condiții create prin aplicarea măsurilor hidroameliorative. Această adaptare se referă la soiuri, asolamente, îngrășăminte și amendamente, la modul de executare a lucrărilor solului, la un sistem de mașini agricole potrivite situației create și altele.
1.9 Rețele de canale
Rețeaua de canale de drenaj are rolul de a regla nivelul apei freatice la adâncimea necesară asigurării capacității de câmp în stratul activ de sol. La noi în țară se realizează în varianta drenaj orizontal închis (cu tuburi), dar poate fi realizat și în varianta de canale deschise. Din punct de vedere funcțional, rețeaua de canale a sistemului de desecare – drenaj, poate fi sistematică și nesistematică (Figurile I.3. și I.4.) și trebuie să realizeze:
1. oprirea pătrunderii apelor exterioare în perimetrul sistemului, fie prin dirijarea lor în exterior, fie prin captarea și transportul lor pe anumite trasee (canale de intercepție de coastă);
2. colectarea apelor din scurgerile de suprafață de pe teritoriul sistemului; dirijarea acestor scurgeri este asigurată de lucrările de nivelare – modelare a suprafeței terenului dintre canalele de desecare, cu pante către acestea; în plus, nu este deloc neglijabil și efectul drenant al canalelor de desecare asupra interspațiului dintre acestea; (Figura I.5)
3. transportul gravitațional în avalul sistemului, până la centrul de evacuare în emisar, atât al apelor rezultate din desecare, cât și ale celor colectate și descărcate în acestea de către rețeaua de drenaj, canale terțiare (3) – CT, secundare (2) – CS, de evacuare (1) – CE, și principale de evacuare – CPE).
Figura I.3. Rețea nesistematică de canale de desecare
Figura I.4. Rețea sistematică de canale de desecare
Eliminarea apelor de suprafață provenite din precipitații, topirea zăpezilor, scurgeri de pe terenurile învecinate mai înalte, irigații etc. se realizează printr-o rețea de canale deschise. Principalele elemente ale acestui tip de amenajare sunt: canalele terțiare, secundare și principale, construcțiile hidrotehnice de pe rețeaua de canale și drumurile de exploatare hidrotehnică și agricolă.
Canalele terțiare (CT) sunt cele mai mici elemente ale rețelei permanente de desecare și au rolul de a colecta apele ce se scurg la suprafața terenului. Pentru o bună interceptare a apelor de scurgere canalele se amplasează aproximativ perpendicular pe linia de cea mai mare pantă sau cu o înclinare față de curbele de nivel, astfel încât să li se asigure o pantă de minim 0,5 ‰. Traseul canalelor terțiare va trebui să traverseze pe cât posibil zonele depresionare pentru a colecta apele care stagnează în aceste locuri. Dacă se urmărește obținerea unor sole dreptunghiulare, pentru ușurința executării lucrărilor agricole, canalele se vor trasa paralel între ele la o distanță de 300 – 600 m, de regulă 400 m, cu o lungime de 800 – 1500 m. În acest caz trebuie realizate lucrări de nivelare și chiar nivelare a terenului dintre canale pentru asigurarea scurgerii apelor spre canal.
Figura I.5. Profil longitudinal pentr-o luncă desecată
Canalele secundare (CS), au rolul de a prelua și conduce, cu viteză sporită, apele din canalele terțiare. Se amplasează pe linia de cea mai mare pantă. Lungimea canalelor secundare este de 1200 – 2500 m în funcție de panta terenului și organizarea teritoriului. Pot avea acțiune unilaterală sau bilaterală.
Canalele principale (CP) și colectoare de evacuare (CE), preiau apa din canalele de ordin inferior și o evacuează în emisar. Se amplasează pe cotele cele mai joase ale terenului, urmărindu-se respectarea organizării teritoriului și să aibă cât mai puține frânturi pe traseul lor. Astfel se realizează o colectare bună a apelor cu lucrări minime de terasamente. Canalele de evacuare au rolul de a îndesi rețeaua hidrografică naturală. De regulă influențează pozitiv nivelul freatic limitrof deoarece au adâncimi mari.
Canalele sunt kilometrate, iar lungimea unuia poate varia între 1000 – 1200 m. Cele acționate unilateral au lungimi de până la 200 m iar cele bilaterale de până la 400 m. Dimensionarea canalelor se face de la ultimul ordin CT (canal terțiar) spre canalul principal CP. Traseul rețelei de canale trebuie să parcurgă, cu precădere, zonele cu cotele cele mai joase, iar direcția lor să fie (pe cât posibil) paralelă cu curbele de nivel, astfel ca efectele de colectare și drenaj să fie maxime. Regimul variabil al nivelurilor și debitelor în aceste canale favorizează împotmolirea (colmatarea) și creșterea vegetației.
Pentru prevenirea colmatării și eroziunii malului în zona de descărcare a apelor dintr-un canal în altul, racordarea în plan a canalelor se face sub un unghi de 60 sau sub forma unei curbe cu raza de 5 – 10 ori lățimea la partea superioară a canalului respectiv. Rețeaua de colectare a apelor din scurgeri de suprafață de pe terenurile învecinate mai înalte este alcătuită din canale colectoare de centură situate la limita unității ameliorative. Traseul canalului de centură trebuie să urmărească linia de separație și să culeagă succesiv scurgerile ce vin prin talvegurile terenurilor înalte și chiar de pe teren. În cazul în care există un aport freatic mai mare decât debitul de suprafață, canalele de centură pot intercepta aceste ape, adâncimea lor fiind în aceste cazuri mai mare, de până la 2 – 2,5 m și pot fi construite închise, sub forma unor canale umplute cu piatră.
În practică, amenajarea cu canale deschise prezintă cea mai mare răspândire. Lucrările de desecare prin canale deschise au avantajul unor execuții ușoare, cu materiale de construcție puține, și cu posibilitatea executării mecanizate. În ceea ce privește exploatarea și întreținerea lucrărilor, acestea nu ridică probleme deosebite. Scoaterea unei suprafețe relativ mari de teren din cultură și o întreținere costisitoare reprezintă dezavantajul major al acestei metode.
Forma și dimensiunile secțiunii transversale ale canalelor diferă funcție de importanța acestora în cadrul sistemului. Rețeaua de canale, creată artificial, folosește forme geometrice simple și regulate, cel mai adesea trapezoidală și/sau triunghiulară. Secțiunile transversale ale canalelor colectoare și de evacuare (C.S., C.P., C.P.E.) au forme trapezoidale simple sau compuse (Figurile I.6. – I.9). Capacitatea de transport gravitațional a rețelelor de canale este asigurată de panta longitudinală a acestora, în plus, valoric, panta longitudinală trebuie să asigure transportul apei cu viteze cuprinse între v = (0,4 … 0,8) m/s, pentru a preîntâmpina împotmolirea (v > 0,4 m/s) și eroziunea malurilor (v < 0,8 m/s).
Figura I.6. Secțiune transversală trapezoidală a canalului de desecare, elemente geometrice
Figura I.7. Secțiunea compusă are avantajul că mărește capacitatea de transport a canalului pe aceeași adâncime.
Figura I.8. Secțiune cu mai multe înclinări în funcție de coeficientul de coeziune al terenului
Dimensionarea secțiunii transversale (determinarea dimensiunilor necesare acesteia) a canalelor de orice ordin, se efectuează în regim hidraulic permanent și uniform, cu ajutorul relației lui Chezy și a ecuației de continuitate având la bază următoarele date:
– debitul maxim de evacuat, debitul provenit din scurgerile de suprafață de pe terenurile învecinate (ape externe din zona înaltă, dacă este cazul), din precipitațiile căzute direct pe teritoriul amenajat, prelevări din diverse folosințe (irigații, amenajări piscicole etc.), din aportul freatic al teritoriilor învecinate (eventual), din precipitațiile atmosferice locale (din teritoriul sistemului) și din infiltrațiile prin și sub digurile de apărare;
Figura I.9. Secțiunea tip chiuvetă la debite mici avem viteza de scurgere a apei optimă
– durata maximă pentru inundare a culturilor sau pentru exces de umiditate, în profilul activ de sol;
– suprafața bazinului de recepție (colectare a apelor) aferent tronsonului dimensionat, căruia îi corespunde un debit maxim și un timp de concentrare a apelor de evacuat din bazinul de recepție;
– orografia teritoriului (pante ale teritoriului), date geotehnice (stabilitatea taluzelor), date hidrologice (adâncimi ale stratului freatic).
Panta fundului canalului trebuie să fie de minim 0,002, iar viteza de scurgere de 0,5 m/s. Secțiunea transversală este în general de formă trapezoidală, având lățimea la fund de 0,5 m, adâncimea de 0,6 – 1,2 m, înclinarea taluzului amonte de 1/1,5 – 1/2 pentru a nu fi erodat (de obicei este înierbat), iar cel aval de 1/1 – 1/1,5. Pentru mărirea capacității de transport a canalului, se recomandă ca din pământul rezultat din săpătură să se realizeze în aval un diguleț la o distanță de minim 0,5 m de la marginea canalului.
Dimensionarea este considerată ca fiind corespunzătoare dacă viteza de scurgere a apei pe tronsonul rezolvat este cuprinsă în intervalul valoric menționat. (0,4 – 0,8 m/s). Buna și corecta funcționare a rețelelor de canale aferente sistemelor de desecare-drenaj, este asigurată de aceleași construcții hidrotehnice (stăvilare, podețe, căderi, subtraversări, etc.) față de care este diferit doar regimul de funcționare și exploatare.
1.10 Scheme de amenajare pentru desecare-drenaj
Ansamblul de lucrări și măsuri tehnice aplicat pe o anumită suprafață de teren, în scopul colectării și îndepărtării apelor în exces constituie sistemul de desecare-drenaj. Principalele părți componente ale sistemului sunt rețeaua de canale și drenuri discutată anterior și care poate regulariza regimul de umiditate sau de colectare și evacuare a apelor în exces, construcțiile hidrotehnice, recipientul – emisarul și suprafața propriu-zisă amenajată.
În cadrul sistemului de desecare-drenaj (Figura I.10.) pot fi folosite atât rețele de canale deschise, cât și rețele de drenuri subterane, ori numai unele din acestea, după cum pot interveni și unele construcții și amenajări speciale, sau construcții și instalații pentru exploatare. Lucrările hidrotehnice de desecare-drenaj se aplică eficient numai în asociere cu lucrările agropedoameliorative.
Sistemele de desecare drenaj se clasifica astfel:
După modul de evacuare a apei în emisar distingem:
– sisteme cu evacuare gravitațională;
– sisteme de evacuare mecanică (prin pompare);
– sisteme cu evacuare mixtă;
În funcție de modul de transport al apei se întâlnesc:
– sisteme deschise;
– sisteme închise;
– sisteme mixte.
Figura I.10. Sistem de desecare – drenaj
1 – emisar; 2 – canal de evacuare sau colectorul principal; 3 – canal principal;
4 – canal secundar; 5 – canal terțiar; 6 – canal de colectare a apelor scurse de pe versanți
(de centură); 7 – drenuri absorbante; 8 – limita sectorului de desecare
După posibilitatea de reglare a regimului de apă sistemele de desecare se clasifică în:
– sisteme simple când se urmărește doar evacuarea surplusului de apă;
– sisteme complexe cu posibilități de reglare a regimului de apă.
După poziția în plan a elementelor de desecare se diferențiază:
– sisteme de tip orizontal;
– sisteme de tip vertical;
– sisteme de tip radial, mixt.
După modul în care sunt descărcate apele colectate în emisar, sistemele de desecare-drenaj pot fi:
– directe, când apele sunt descărcate direct în emisar;
– indirecte, când canalul de evacuare descarcă apele într-unul din elementele altui sistem, respectiv indirect în emisar.
Schema de amenajare reprezintă de fapt rețeaua de drenaj orizontal care este alcătuită din punct de vedere funcțional din drenuri absorbante ce formează elementele de regularizare a regimului de apă în sol și drenuri de colectare-evacuare care preiau apa din mai multe drenuri absorbante și o evacuează într-un emisar. Ansamblul rețelei de regularizare și a celei de colectare-evacuare, împreună cu construcțiile hidrotehnice de pe rețea constituie sistemul de drenaj. Elementele de regularizare a regimului de apă în sol au rolul de a capta apa în exces și de a o transporta într-un colector. Funcție de situația din teren rețeaua de drenaj poate avea diferite forme în plan.
Amplasarea drenurilor absorbante pentru captarea apei freatice se face sub forma unor șiruri paralele, echidistante, perpendicular sau sub un anumit unghi față de colector în diferite scheme (Figura I.11.).
În figurile de mai jos sunt redate cele mai întâlnite scheme în amenajările de drenaj.
Figura I.11. – Schema funcțională a unui sistem de desecare – drenaj
Figura I.12. Schema unui sistem de desecare-drenaj sistematic: 0(SP) – stație de pompare; 1(CE) – canal de evacuare; 2(CP) – canal principal; 3(CS) – canal secundar; 4(CA sau SR) – canal absorbant sau șanț de regularizare (canal terțiar); 5(Da) – drenuri absorbante; 6(De) – drum de exploatare; 7(P) – podeț; 8(St) – stăvilar; 9(CI) – canal de infiltrație; 10(Dc) – drenuri colectoare.
Cele mai întâlnite scheme în amenajările de drenaj sunt următoarele:
Schema longitudinală, (Figura I.13.a.) prevede amplasarea drenurilor absorbante, paralel cu linia de cea mai mare pantă, colectoarele fiind aproximativ pe direcția curbelor de nivel. Se aplică pe terenurile cu pante mici sub 0,005. Drenurile absorbante fiind dispuse paralel cu direcția de scurgere a apelor subterane au o capacitate de absorbție mică și ca atare distanța dintre drenuri trebuie micșorată și costul investiției este mare.
Figura I.13. Rețele de drenaj sistematic a – drenaj transversal; b – drenaj longitudinal; 1 – dren absorbant; 2 – dren colector; 3 – canal de desecare; 4 – cămin de racord
Schema transversală, (Figura I.13.b.) constă în amplasarea drenurilor absorbante paralel cu direcția generală a curbelor de nivel, iar colectorul pe linia de cea mai mare pantă. Se aplică pe terenuri cu pantă mai mare de 0,01. Rețeaua de regularizare fiind amplasată perpendicular pe direcția de scurgere a apei, aceasta circulă cu o viteză mai mare către drenuri, sporind capacitatea de captare și eficiența acestora.
Schema în spic, (Figura I.14.) se folosește pe terenuri cu panta cuprinsă între 0,005 și 0,01. Amplasarea drenurilor absorbante se face sub un unghi față de direcția curbelor de nivel.
Figura I.14. Rețea de drenaj în formă de spic. a – drenuri absorbante;
b – drenuri colectoare; c – cămin de vizitare; d – canal de desecare,
Schema de amenajare cu lucrări de desecare-drenaj, pentru o vale este prezentată în Figura I.15.
Figura I.15. Rețea de drenaj pentru văi
1 – drenuri absorbante; 2 – drenuri colectoare; 3 – cămine de racord
1.11 Procedee de desecare-drenaj a terenurilor cu exces de umiditate
A. Drenaj orizontal
A1. Desecare cu canale deschise
Ele au rolul de a prelua, transporta și evacua în emisar apele de suprafață
A2. Rețele de drenaj pentru reglarea nivelului freatic cu drenuri absorbante și colectoare
Drenurile absorbante sunt realizate prin săparea unei tranșei de drenaj, în care se pozează tuburile de dren, din ceramică sau PVC, fără filtru sau cu filtru din materiale geotextile și/sau materiale locale. (Figura I.16.)
Figura I.16. Dren fără filtru, cu filtru și combinat cu materiale locale
Descărcarea apelor colectate de drenurile absorbante se poate face fie direct în rețeaua de canale de desecare (Figura I.17.a.) fie într-un colector de drenaj (Figura I.17.b.), care transportă aceste ape în cel mai apropiat canal de desecare.
a b
Figura I.17. Rețele de drenuri absorbante;
a – cu vărsare în canale de desecare; b – cu vărsare într-un dren colector
Vărsarea apelor transportate de drenurile absorbante în canale sau drenuri colectoare se poate face pe o singură parte (unilateral) sau pe ambele maluri sau părți (Figura I.18.) situație în care avem descărcare bilaterală.
a
b
Figura I.18. Detalii de vărsare bilaterală ale drenurilor absorbante;
a – în canale de desecare; b – în drenuri colectoare;
B. Drenaj vertical sau fântâni de pompare
Drenajul vertical constă în realizarea unor foraje sau fântâni, tubate cu țeavă perforată, din care, pentru coborârea nivelului apei freatice se pompează un anumit debit Qp, realizându-se astfel curba de depresiune sau conul de depresiune al nivelului apelor freatice, de rază ra. (Figura I.19.)
Dacă fântâna este forată până la adâncimea stratului impermeabil de la baza freaticului, forajul se numește perfect (Figura I.19.a.) iar dacă acesta nu ajunge până la adâncimea stratului impermeabil se numește foraj imperfect. (Figura I.19.b.)
a b
Figura I.19. Fântâna de pompare: a – perfectă; b – imperfectă
C. Puțuri absorbante
Puțurile absorbante sunt folosite pentru descărcarea apelor colectate de rețeaua de canale sau drenuri colectoare, acolo unde emisarul este prea departe în raport cu suprafața amenajată, iar nivelul apelor freatice este suficient de adânc pentru ca prin ridicarea lui să nu creeze exces de umiditate în stratul activ de sol.
Puțurile absorbante sunt drenuri verticale perfecte (Figura I.20.) sau imperfecte (Figura I.21.) în care se introduce apa de desecare-drenaj, determinând ridicarea nivelului apei freatice pe o distanță R în jurul forajului.
D. Drenaj vertical de intercepție în fântâni auto-deversante
Drenajul vertical de intercepție este utilizat pentru colectarea apelor infiltrate prin și pe sub diguri, la lacurile de acumulare, având ca rol coborârea curbei de presiune din corpul digurilor, descărcarea lor într-un canal de intercepție și transportul acestora în emisar, într-un punct amplasat în aval de baraj. (Figura I.22.) Dacă nivelul apei în râul îndiguit este mare, apa infiltrată este sub presiune, iar apa din forajul vertical se descarcă fără pompare în canalul de intercepție trasat la baza digului.
Figura I.22. Schema de drenaj vertical de intercepție cu fântâni auto-deversante
E. Fântâni cu drenuri orizontale radiale
Fântânile cu drenuri orizontale radiale reprezintă o combinație între un dren vertical, reprezentat de o fântână în care se descarcă mai multe drenuri absorbante orizontale, dispuse radial. Rolul drenurilor orizontale radiale este de a mări raza conului de depresie realizat de forajul vertical.( Figura I.23.)
a
b
Figura I.23. Fântâni cu drenuri orizontale radiale: a – schema de calcul pentru fântână imperfectă; b – vedere în plan și pofil prin fântâna perfectă.
F. Fântână cu drenuri radiale diagonale
Fântânile cu drenuri radiale sunt utilizate și pentru captarea apelor subterane în scopul utilizării lor la alimentarea cu apă a centrelor populate. Pentru mărirea debitului de apă captat drenurile radiale pot fi amplasate înclinat. Fântânile sunt realizate din chesoane prefabricate, având un cuțit de atac la partea inferioară, care permite coborârea în adâncime datorită greutății proprii din care se forează apoi drenurile radiale diagonale.(Figura I.24.).
Figura I.24. Fântână cu drenuri radiale diagonale
G. Drenajul punctiform (fitil)
Drenajul punctiform sau fitil se aplică în cazul zonelor izolate, în micro-depresiuni mici ca suprafață și în cazul izvoarelor de coastă. Din punct de vedere constructiv, el este compus dintr-o fântână, dren vertical imperfect, căptușit cu material filtrant geosintetic, numit fitil, având în interior material filtrant granular.Ca principiu, modul de funcționare este similar cu cel al drenajului absorbant, apa colectată fiind descărcată într-un emisar.
H. Drenajul biologic
Drenajul biologic constă în eliminarea excesului de umiditate din anumite perimetre prin cultivarea acestora cu plante hidrofile. Acest tip de drenaj are rolul de a elimina excesul de umiditate prin intermediul plantelor care au transpirație mare. Se aplică ca o completare a rețelei de canale de desecare.
Ca specii folosite pe soluri cu acest tip de drenaj amintim: cânepa, vița de vie, ierburile perene (în perioadele de vegetație), pomi: nuc, păr, cais, măr și din punct de vedere silvicultural fâșii de protecție sau împăduriri masive cu: eucalipt, arțar roșu, etc. Se mentionează in acest sens faptul că un fir de porumb elimină prin transpirație de la răsărire (15 mai) până la 15 septembrie cca. 210 l apă, ceea ce conduce la un consum de apă de cca. 3.200 m3/ha fără a se lua în considerare evaporația directă la suprafața solului și consumul buruienilor. Există deci pierderi importante de apă din sol datorită fenomenului de evapotranspirație.
Există unele specii forestiere mari consumatoare de apă folosite în unele țări în zonele cu exces de apă, dintre care se menționează arțarul roșu care consumă cca. 7.200 m3/ha de plantație.
Se poate aprecia că, dacă în sol există multă apă, plantele suferă și transpirația scade. Același lucru se întâmplă când în sol există puțină apă. Se desprinde de aici necesitatea menținerii umidității solului între plafonul minim al umidității solului (Pmin) și capacitatea de câmp pentru apă a solului Cc (intervalul umidității optime), impunându-se măsuri de evacuare a apei dacă umiditatea solului este la Cc sau măsuri de aplicare a udării (irigație) dacă umiditatea solului este la Pmin.
2. Hidrografele scurgerilor pentru bazine hidrografice mici de diferite forme. Durata excesului de umiditate
Apariția undelor de viitură în bazine hidrografice de diferite forme
2.1.1. Bazin de formă dreptunghiulară cu o înclinație uniformă
Se consideră ipoteza că solul este impermeabil, asupra suprafeței cad precipitații și vom analiza debitul pe ultima linie de curgere, iar panta terenului este uniformă.
Pentru suprafața dreptunghiulară a bazinului hidrografic din fig. 1
Fig. II.1.
S – suprafața bazinului
S1, S2, S3, S4 – suprafețele egale ale celor 4 sectoare, de pe care se consideră că se scurge debitul Q1, Q2, Q3, Q4 în timpul de 4xT/4 –T
Se alege:
S1= S2 = S3 = S 4 și
Q1 = Q2 = Q3 = Q4
Unitatea de timp →
Notând T – durata scurgerii, t – durata ploii avem:
– durata de scurgere a unei picături de apă de la 1 -2 (de la punctul cel
mai îndepărtat până la punctul unde măsurăm)
unde: v = 0,5 unde: I = panta terenului
(ex. 8‰ → v = 1,1 m/s)
Se alege:
S1= S2 = S3 = S 4 și
Q1 = Q2 = Q3 = Q4
Avem următoarele situații:
Unitatea de timp →
T – durata scurgerii
t – durata ploii
Caz 1.a. t = T, când durata ploii este egală cu durata scurgerii
Hidrograful scurgerii pentru acest caz este reprezentat în fig. 2.
Fig. II.2. Hidrograful scurgerii pentru bazinul hidrografic sub formă dreptunghiulară, cazul t = T
Caz 1.b. t > T, când durata ploii este mai mare decât durata scurgerii
Hidrograful scurgerii pentru acest caz este reprezentat în fig.
Fig. II.3. Hidrograful scurgerii pentru bazinul hidrografic sub formă dreptunghiulară, cazul t > T
Caz 1.c. t < T, când durata ploii este mai mică decât durata scurgerii
Hidrograful scurgerii pentru acest caz este reprezentat în fig. 4.
Fig. II.4. Hidrograful scurgerii pentru bazinul hidrografic sub formă dreptunghiulară, cazul t < T
Obs. Valoarea debitului maxim se obține, în cazul 1.a. sau 1.b. când t ≥ T.
Acest lucru este foarte important pentru a stabili ploaia de calcul pentru că este suficient (t=T) pentu a obține hidrograful cu debit maxim ploaia de calcul putând fi stabilită deoarece se poate calcula funcție de I, L.
T = τ → durata de scurgere (sau timpul de compsumpțiune), care se calculează cu relația lui Pasini: S – suprafața bazinului hidrografic (km2)
l – parcursul cel mai lung al apei din bazin
i – panta generală a parcursului cel mai lung „L” (km)
→ Te = T + t – durata viiturii, valabilă în toate cazurile.
2.1.2. Bazin de formă triunghiulară (sector de cerc)
(suprafață plană, cu o pantă continuă, etc)
Se alege:
S1 < S2 < S3 < S4 și
Q1< Q2 < Q3 < Q4
Caz 2.a. t = T, când durata ploii este egală cu durata scurgerii
Hidrograful scurgerii pentru acest caz este reprezentat în fig. 5.
Fig. II.5. Hidrograful scurgerii pentru bazinul hidrografic sub formă triunghiulară, cazul t = T
Caz 2.b. t > T, când durata ploii este mai mare decât durata scurgerii
Hidrograful scurgerii pentru acest caz este reprezentat în fig. 6.
Fig. II.6. Hidrograful scurgerii pentru bazinul hidrografic sub formă triunghiulară, cazul t > T
Caz 2.c. t < T, când durata ploii este mai mică decât durata scurgerii
Hidrograful scurgerii pentru acest caz este reprezentat în fig. 7.
Fig. II.7. Hidrograful scurgerii pentru bazinul hidrografic sub formă triunghiulară, cazul t < T
2.1.3. Bazin sub formă de frunză
Se alege:
S1 = S4 S3 = S2 și
Q1= Q4 Q3 = Q2
Caz 3.a. t = T, când durata ploii este egală cu durata scurgerii
Hidrograful scurgerii pentru acest caz este reprezentat în fig. 8.
Fig. II.8. Hidrograful scurgerii pentru bazinul hidrografic sub formă de frunză, cazul t = T
Caz 3.b. t > T, când durata ploii este mai mare decât durata scurgerii
Hidrograful scurgerii pentru acest caz este reprezentat în fig. 9.
Fig. II.9. Hidrograful scurgerii pentru bazinul hidrografic sub formă de frunză, cazul t > T
Caz 3.c. t < T, când durata ploii este mai mică decât durata scurgerii
Hidrograful scurgerii pentru acest caz este reprezentat în fig. 10.
Fig. II.10. Hidrograful scurgerii pentru bazinul hidrografic sub formă de frunză, cazul t<T
Obs. Pentru bazinele hidrografice din natură vom asimila hidrograful cu o funcție sinusoidală.
3. Debitul de drenaj
Calculul debitului specific (qsp) de desecare-drenaj se face la asigurarea de 5 % stabilindu-se și pierderile de recoltă în funcție de numărul de zile de inundare. Pentru determinarea debitului specific qsp se pleacă de la întocmirea bilanțului apei în sol. Presupunem cunoscută umiditatea solului după eliminarea băltirilor, respectiv rezerva de apă din sol.
3.1. Bilanțul apei în sol
Bilanțul apei în sol se calculează pe un șir de 20 – 25 de ani, cuprinzând perioade anuale de exces de umiditate (2 – 3 luni/an). Calculul constă în evaluarea volumului de apă în exces care trebuie evacuat. Mărimea excesului de apă și perioadele din an în care el se produce pot fi determinate prin metoda bilanțului apei, atunci când se dispune de date pe o perioadă îndelungată de timp.
Forma generală a ecuației bilanțului apei este:
; [III.1.]
unde:
Ve – cantitatea de apă în exces ce trebuie evacuată prin sistemul de desecare, în m3/ha; Ri – rezerva de apă în sol la începutul perioadei considerate, în m3/ha;
P – precipitațiile căzute în perioada considerată; în mm;
Af – alimentarea stratului activ al solului cu apă freatică, în m3/ha;
As – afluxul de ape străine, în m3/ha;
(e+t) – consumul de apă prin evapotranspirație, în m3/ha;
Calculul bilanțului apei se face lunar, pentru fiecare an din perioada analizată, iar pentru unul sau doi ani caracteristici se întocmește și decadal pe perioada de vegetație. Pe această bază se determină pentru fiecare lună din șirul de ani analizați, frecvența apariției excesului de umiditate, reținând cazurile când în stratul activ al solului se realizează valori ale umidității mai mari decât capacitatea de câmp pentru apă. (Figura III.25.)
Figura III.25. Intervalul umidității active. Scara umidității în sol
De asemenea, se calculează durata intervalelor cu exces de umiditate și mărimea acestora, precum și valorile de o anumită asigurare (50 %, 10 %, 5 %, 3 % și 1 %). Din curba de asigurare se alege valoarea Ve pentru drenaj corespunzător asigurări de 5 %.
Dacă nu dispunem de datele necesare din anuarele hidro-meteorologice pe ultimii 25 de ani, calculul se poate face printr-o metodă simplificată pe baza relației:
Ve = 10 P σ; (m3/ha) [III.2.]
unde:
P – precipitațiile (mm);
σ – coeficient de scurgere care se poate aprecia conform datelor din tabelul III.2. funcție de modelul de folosință al terenului, panta generală a acestuia, și textura solului.
Tabelul III.2.
Coeficienți de scurgere a terenului în pantă
Valorile coeficientului σ pot fi calculate și cu relația:
σ = ; [III.3.]
unde:
F – [mm] este cantitatea de apă infiltrată în sol în timpul procesului de scurgere;
z – [mm] este apa reținută la suprafața solului, depinde de tipul culturii și a categoriei
de folosință a terenului.(arabil sau fâneață ) [cu valori între 5 și 10 mm ca variație];
P – [mm] – ploaia de calcul care se poate determina cu relația:
P = a tb ; [III.4.]
unde:
t – durata ploii;
a și b – coeficienți care depind de caracterul climatic al zonei;
Valorile coeficienților a și b se pot determina dacă există înregistrări din zonă privind mărimea precipitațiilor maxime în 5 zile consecutive. (Tabelul III.2.)
Tabelul III.3.
Ploaia cumulată pe 5 zile consecutive
Exemplu: Pentru valorile din tabelul III.3. se procedează astfel:
se reprezintă grafic aceste valori folosind o scară dublu logaritmică, rezultând figura III.26.
curba rezultată este o dreaptă având ecuația:
log P = log a + t log b; [III.5]
valorile a și b se pot citi din grafic, acestea având semnificația din relația III.4.
Pentru acest exemplu rezultă următoarele valori: a = 20, b=1/3, astfel că relația de calcul a lui P devine:
P = 20 t 1/3; [III.6.]
Se observă că relația lui P = a tb reprezintă corelația dintre P [mm] și durata t în [ore, zile], corelație care se numește și probabilitate climatică.
Figura III.26. Variația log P funcție de log t
a) pentru exces de umiditate temporar, cu caracter stagnant, cauzat de precipitații, pe terenuri cu pante mici și cu microdenivelări locale, ecuația bilanțului are următoarea formă:
; [III.7.]
unde:
P – precipitațiile căzute în perioada considerată, în mm;
∑(e + t) – consumul prin evapotranspirație, în m3/ha;
S – apa scursă la suprafața terenului, m3/ha;
i – apa infiltrată în profunzime sub zona rădăcinilor plantelor;
Wmax – cantitatea maximă de apă pe care o poate înmagazina solul în zona rădăcinilor plantelor, fără a diminua porozitatea de aerație minim necesară pentru respirația normală a rădăcinilor plantelor și microorganismelor aerobe.
Această formă simplificată a ecuației bilanțului este suficient de completă în ceea ce privește factorii naturali care determină excesul de umiditate în vederea stabilirii lucrărilor necesare pentru prevenirea și combaterea acestuia.
Situația este specifică pentru majoritatea terenurilor agricole cu soluri argiloase permeabile din zonele umede și subumede, cu soluri argiloase greu permeabile situate pe terase, câmpii înalte, culmi deluroase și podișuri și pentru o bună parte din crovurile din Câmpia Română.
Astfel volumul apei în exces este:
; [III.8.]
b) pentru excesul de umiditate cauzat de apa freatică cu nivel liber, alimentată din precipitații, scurgeri din zona înaltă, infiltrații din râuri și din lacuri de acumulare etc., relația bilanțului este:
; [III.9.]
unde:
Iinf – infiltrațiile din râuri, lacuri, bazine piscicole.
În acest caz volumul apei în exces Ve corespunde volumului porozității de aerație minim necesară pentru respirația rădăcinilor plantelor și microorganismelor, PAmin, din spațiul delimitat de nivelurile Nz și N.
; [III.10.]
unde:
N – nivelul ridicat al apei freatice;
Nz – nivelul apei freatice corespunzătoare normei de drenaj z.
c) pentru excesul de umiditate cauzat de precipitații și de apa freatică cu nivelul ridicat, ușor ascensional, alimentată din precipitații, infiltrații, scurgeri subterane și eventual pierderi de apă de la irigații în condițiile solurilor argiloase slab permeabile.
Bilanțul apei pentru perioadele cu exces de umiditate este dat de relația:
; [III.11.]
3.2. Debitele de desecare-drenaj
Pentru a determina debitul sistemelor de desecare – drenaj este necesar a cunoaște planul de situație al terenului ce urmează a fi amenajat, orografia acestuia, datele hidrologice, vecinătățile. Calculul se va face la asigurarea de 5 %, pentru care, în tabelul III.4 sunt date pierderile de recoltă funcție de numărul de zile de stagnare a apei.
Tabelul III.4.
Pierderile de recoltă funcție de numărul de zile de stagnare a apei.
Pentru calculul debitului de desecare este necesar a se face bilanțul apei în sol (reprezintă o însumare a cantităților, volumelor, de apă ce intră în sol pe unitatea de suprafață [ha]). Pentru a putea face un bilanț corect al apei în sol trebuie să cunoaștem umiditatea acestuia după eliminarea băltirilor.
Rezerva de apă din sol Ru la umiditatea U(%) se calculează cu relația:
(m3/ha) [III.12.]
unde:
H – adâncimea stratului activ de sol (m);
Gv – greutatea specifică a solului t/m3
10000 H Gv – greutatea volumului de sol considerat;
Rezultă:
Ru = 100 H Gv U ; (m3/ha) [III.13.]
Exemplu numeric:
Pentru U = 20 %, H = 1 m , Gv = 1,5 t/m3
Ru = 100 x 1,5 x 20 x 1 = 3000 m3 / ha
Valorile debitului de desecare care s-au obținut pentru zona de vest a României, pentru bazine hidrografice de 100 – 150 km2 sunt următoarele:
– zona Someș – Crasna – q = 0,25 – 0,5 l/s.ha
– zona Câmpia Crișurilor – q = 0,4 l/s.ha
– zona Câmpia Banatului – q = 0,25 – 0,4 l/s.ha.
Volumul de apă necesar a fi evacuat de pe o suprafață desecată servește la calcului debitului specific mediu. (qmed). Relația de calcul a lui qmed este:
(m3/ha.zi) [III.14.]
unde:
T – durata de evacuare a apei în exces; (zile)
Durata de evacuare a apei în exces este:
T = t + τ; [III.15.]
unde:
t – durata ploii de calcul; (zile)
τ – durata scurgerii apelor din precipitații; (zile)
Relația de calcul a duratei scurgerii a fost stabilită de Passini de forma:
[III.16.]
unde:
S – suprafața de colectare ce urmează a fi desecată ( km2);
L – parcursul cel mai lung al apei din punctul cel mai îndepărtat al suprafeței până la emisar;
I – panta generală ca valoare medie ponderată a parcursului cel mai lung.
Dacă suprafața bazinului hidrografic considerat este de 1 km2, pentru a se obține debitul specific mediu în l/s și km2, în relația III.14. volumul evacuat Ve se introduce în m3, precipitațiile P în mm coloană de apă pe suprafața de 1 km2 și timpul T în zile, rezultând:
(l/s și km2)
Cunoscând qmed specific se poate determina debitul mediu total Qmed, necesar de evacuat de pe suprafața S, conform relației:
Qmed = qmed x S; (l/s) [III.17.]
unde:
Qmed – debitul de evacuat de pe suprafața S (l/s);
q med – debitul specific mediu (l/s și km2)
S – suprafața amenajată cu canale de desecare (km2).
Exemple:
a) Pentru o suprafață din județul Timiș se cere a se calcula qmed pentru situația unor ploi abundente de vară cu durata de 5 zile consecutive însumând un Ptotal = 60 mm, coeficientul de scurgere σ = 1/3 și cu condiția ca excesul de apă să fie eliminat în 3 zile. τ = 3 zile.
b) pentru precipitațiile căzute în una din lunile de iarnă P = 100mm se pune condiția ca apa să fie eliminată în 15 zile, coeficientul de scurgere ales fiind σ = ½ :
l/s.km2 = 0,40 l/s.ha;
c) Să se determine qmed pentru precipitațiile P = 340 mm căzute în lunile de îngheț (5 luni iarnă). σ = ⅓ , T = 30 zile.
Modulul de scurgere qmed, reprezintă o medie pe durata de evacuare T admisă și nu este utilizată la dimensionarea sistemelor de desecare decât în cazul suprafețelor mici. De obicei acest debit are valori cuprinse între 0,3-1 l/s.ha. Debitul poate fi:
– specific maxim se determină la dimensionarea sistemului de desecare, ținându-se cont de valoarea maximă a scurgerii generată de precipitațiile cu asigurarea adoptată. De regulă, valorile cele mai mari ale scurgerii sunt produse de ploile de durată (3 – 5 zile) în cazul suprafețelor mari și de ploile torențiale în cazul suprafețelor mici.
3.3. Metode de calcul ale debitului specific maxim de desecare-drenaj
Apele provenite din precipitațiile căzute direct pe suprafața ce urmează a fi desecată sunt preluate de către rețeaua de canale deschise de desecare. Debitul specific de dimensionare a rețelei de canale de desecare se calculează diferențiat astfel:
1. Prin metoda capacității de absorbție a apei în sol și de înmagazinare a apei în canalul de desecare (Metoda grafică) – pentru canalele de desecare de ultimul ordin (denumite și terțiare sau de ordinul III);
2. Prin metoda dinamicii scurgerii – pentru canale de evacuare, principale (de ordinul I) și secundare (de ordinul II).
3.3.1. Metoda capacității de absorbție a apei în sol și de înmagazinare a apei în canalul de desecare (Metoda grafică)
Metoda grafică se folosește la dimensionarea canalelor de ultim ordin (III), denumite canale absorbante sau terțiare amplasate la distanțe medii de 400 m, având lungimea de 1000 – 1200 de metri. Suprafața desecată de un canal terțiar variază între 40 și 60 de hectare.
Metoda consideră că volumul precipitațiilor ce cad pe suprafața desecată se va scurge pe suprafața solului către canalul de desecare, numai cantitatea rămasă după satisfacerea capacității de absorbție și înmagazinare a apei în sol.
Pentru aplicarea metode este necesară cunoașterea capacității de înmagazinare a apei în sol, și a precipitațiilor maxime înregistrate în cinci zile consecutive cu asigurarea de 5 %.
Capacitatea de înmagazinare a apei în sol (Cs) poate fi determinată cu relația:
Cs = 100 γv H (Cs – pmin ); [III.18.]
Având în vedere că din precipitațiile maxime căzute în intervalul de cinci zile consecutive, o parte se pierd prin evaporație la suprafața solului se pleacă de la cunoașterea diferenței dintre precipitații și evaporație (P-E)
Pentru determinarea debitului maxim conform acestei metode trebuiesc parcurse următoarele etape de calcul:
1. se reprezintă grafic dependența P – E = f(t) folosind informațiile oferite de datele de bază, obținând astfel în graficul din figura III.27. curba 1;
Figura III.27. Reprezentarea grafică a modului de calcul,
a debitului specific din precipitații prin metoda grafică.
2. considerându-se că solul ajunge la capacitatea de înmagazinare (la umiditatea corespunzătoare Cs ) la începutul zilei a doua, se reprezintă pe grafic curba 2.;
3. cantitatea de apă care se scurge la suprafața solului este reprezentată de diferența dintre P-E și apa înmagazinată în sol. Pe grafic această cantitate va fi reprezentată prin curba 3 obținută prin scăderea valorilor curbei 2 din valorile curbei 1;
4 din cantitatea de apă ajunsă în canalul de desecare considerat, o parte este înmagazinată în secțiunea canalului și numai cantitatea rămasă este evacuată către canalele de ordin superior și apoi către emisar;
Cunoscându-se elementele secțiunii trapezoidale ale canalului de desecare considerat (Figura III.28.) se determină suprafața secțiunii transversale din secțiune în care se înmagazinează apa:
– înălțimea de înmagazinare a apei Hînmag = Nmax – Nmin.,
unde: Nmin – nivelul minim de drenaj;
Nmax – Nivelul maxim de înmagazinare a apei;
Nivelul maxim de desecare corespunde capacității totale de evacuare a canalului CTe mai puțin garda de siguranță Δh, care este de aprox 30 cm.
Nmax = CTe – Δh (Δh ~ 0,3 m); [III.19.]
Figura III.28. Secțiune transversala prin canalul de desecare
cu evidențierea ariei și volumului de înmagazinare.
Nivelul minim al suprafeței de înmagazinare a apei este dată de capacitatea de transport inițială a canalului care asigură norma de drenaj a drenurilor absorbante cu descărcare în canal:
Nmin = CTi – ( z + h + iB + 0,1); [III.20.]
unde : CTi – capacitatea de transport inițială;
h – pierderea de sarcină la mișcarea apei prin sol către drenul absorbant sau colector;
z – norma de drenaj care depinde ca valoare de cultura din zonă;
B – lungimea drenului; (Figura III.29.)
i – panta longitudinală a drenului
Aria de înmagazinare a apei în secțiunea canalului este:
(m2) [III.21.]
unde:
bî – baza mică, corespunzătoare nivelului minim Nmin;
Bî – baza mare, corespunzătoare nivelului maxim Nmax;
hî – înălțimea trapezului secțiunii de înmagazinare, hî = Nmax – Nmin;
Figura III.29. Detaliu vedere în plan canal absorbant (de ordinul III) de desecare.
Dacă luăm în considerare o lungime de canal ΔB = 1 m, volumul de apă înmagazinat pe lungimea de 1 m de canal este reprezentat de aria de înmagazinare:
Vînmag = ωînmag ΔB; (m3) [III.22.]
Pentru a putea reprezenta grafic volumul de apă înmagazinat în secțiunea canalului este necesară transformarea acestui volum din m3 în mm strat de apă care se scurge spre canal (Figura III.29)
Suprafața deservită de un canal terțiar Sc este:
Sc = B Lc; (m2) [III.23.]
unde:
B – lungimea canalului (m);
Lc – lățimea suprafeței deservite de un canal sau distanța dintre canale (m)
Volumul de apă înmagazinat într-un metru lungime de canal se colectează de pe suprafața S:
S = Lc ΔB (m2) [III.24.]
Înălțimea medie a stratului de apă ce se scurge către canal I pe această suprafață se obține cu relația:
I = (m) [III.25.]
5. Debitul de apă ce trebuie evacuat de canalul terțiar este reprezentat în figura III.27. prin curba 4, obținută prin scăderea din curba 3 a înălțimii de apă I, exprimate în mm, înmagazinate în secțiunea canalului;
Calculul debitului specific maxim de desecare se calculează folosind tangenta unghiului de pantă pentru curba 4 în ziua a doua a precipitațiilor:
qmax = tg α = [III.26.]
Debitul maxim de desecare de pe suprafața deservită de canalul considerat se calculează cu relația:
Qmax = qmax Sc; (l/s) [III.27.]
Exemplu de calcul: Precipitațiile minus evapotranspirația cumulată în decurs de 5 zile cu asigurarea de 5 % pentru zona proiectată sunt: 56 mm în prima zi, 75 mm în a doua zi, 85 mm în a treia zi, 88 mm în a patra zi și 90 mm în a cincea zi, valori care se reprezintă grafic, rezultând curba 1.
Cunoscând capacitatea maximă de înmagazinare a apei în sol, funcție de umiditatea momentană considerată și capacitatea de saturație a solului, în valoare de 40 mm, cu ipoteza că aceasta este atinsă în prima zi de ploaie, putem reprezenta curba 2 și care scăzută din curba l reprezintă apa care se scurge pe terenul agricol spre canal, curbă notată cu 3.
Considerând că acest volum de apă se înmagazinează în sol abia în ziua a doua de ploaie, se scade valoarea I = 4,64 mm din curba 3, obținându-se curba 4, adică mișcarea apei în canalul de desecare reprezentată prin debitul specific calculat din triunghiul hașurat (Figura III.27).
q = tg α = 19 mm/1 zi = 2,2 l/s/ha; [III.28.]
3.3.2. Metoda dinamicii scurgerii apelor
Metoda dinamicii scurgerii este specifică dimensionării canalelor de ordin superior I și II (principale și secundare), fiind propusă de Kosteakov. Metoda ia în considerare hidrograful debitelor (Figura III.30.) într-o secțiune de formă oarecare, considerând ca suficient pentru dimensionarea canalelor de desecare situația particulară în care durata ploii (t) este egală cu durata scurgerii (τ) rezultând:
T = t + τ; [III.29.]
Figura III.30. Hidrograful scurgeri pentru un bazin de formă oarecare pentru cazurile:
t < τ; t = τ; t > τ
Pentru o amenajare de desecare (Figura III.31.) la dimensionarea rețelei de canale de desecare, se iau în considerare secțiunile caracteristice de pe traseul cel mai lung: secțiunea 0 pentru canalele terțiare de ordinul III, secțiunile 1, 2 și 3 pentru canalele secundare de ordinul II și secțiunile 4, 5, 6 pentru canale principale de ordinul I.
Durata scurgerii (τ) pe parcursul cel mai lung al bazinului hidrografic (sistemul de desecare) se poate calcula cu relația:
τ = τ0 + Στc; [III.30.]
unde:
τ0 – durata scurgerii pe suprafața terenului;
Στc – durata totală a scurgerii pe canale pe traseul celui mai lung parcurs;
τ0 = ; [III.31.]
unde:
L0 reprezintă lungimea traseului de scurgere a apei către canal;
v0 este viteza de scurgere pe suprafața terenului;
[III.32.]
unde:
I0 – panta medie a terenului L0;
C0 – coeficient de rugozitate cu valori între 5 și 40. Valorile mai mici se iau pentru suprafețe denivelate, cu culturi dense, valori mai mari pentru suprafețe netede, lipsite de vegetație sau de culturi.
Figura III.31. Secțiunile de dimensionare ale rețelei de canale de desecare.
Durata totală a scurgerii apei pe canale, pe traseul cel mai lung se obține prin însumarea:
Στc = ; [III.33.]
unde:
L1, L2, … ,Ln – lungimile tronsoanelor de canal cuprinse între secțiunile de calcul pe parcursul cel mai lung;
v1, v2, …, vn [m/s] – vitezele scurgerii pe tronsoanele L1, L2, …,Ln
Pentru a obține debitul specific mediu se pleacă de la ipoteza că durata ploii t este egală cu durata scurgerii τ:
T = τ → T = t + τ = 2 τ; [III.34.]
Debitul specific maxim se obține prin multiplicarea debitului specific mediu cu un coeficient de multiplicare K1:
qmax = K1 qmed; [III.35.]
unde:
K1 este o valoare ce depinde de forma hidrografului scurgerii astfel:
K1 = 2 pentru hidrograf de formă triunghiulară;
K1 ≤ 2 pentru hidrograf de formă trapezoidală;
K1 = 2 … 4 pentru hidrograf de formă oarecare;
În urma inundațiilor din 2005 s-a constatat o capacitate redusă de pompare a stațiilor de pompare pentru desecare care au fost dimensionate pe baza debitului specific la care s-a luat K1 = 2. De aceea sa convenit la propunerea Prof. Dr. Ing. A Wehry să se ia la calculul debitului specific de desecare K1 = 4 ceia ce conduce la dublarea debitului de dimensionare al stațiilor de pompare de desecare.
Cum:
[III.36.]
rezultă:
[III.37.]
Se introduce următoarea notație:
K2 = ; [III.38.]
Având în vedere că T = t + τ se înmulțește relația III.37 cu raportul t/t rezultând:
[III.39.]
Cu notația III.38. relația III.39. devine:
[III.40.]
Semnificația coeficientului K2 poate fi dedusă din relația III.38. ținând seama că T = t + τ, rezultă:
K2 = [III.41.]
În care raportul t/τ este reprezintă factorul de întârziere a scurgerii pe canale φ. Dacă ținem seama de acest factor rezultă:
[III.42.]
Observație: Pentru a obține pe qmax în l/s și ha în relația III.40. precipitațiile fiind introduse în mm P(mm), timpul în ore t(ore) și suprafața de 1 ha în m2 rezultă:
(l/s și ha) [III.43.]
În literatura tehnică de specialitate a fost demonstrată corelația existentă între coeficientul de întârziere a scurgerii apei pe canale K2 și suprafața bazinului de pe care se colectează apele de desecare S exprimată în ha:
K2 = ; [III.44.]
Dacă înlocuim relația III.44. în relația III.43. rezultă:
[III.45.]
Pentru aceeași suprafață și aceleași condiții de scurgere a apei pe canale, numărătorul este constant:
C = 2,8; [III.46.]
Cu notația din relația III.46. relația de calcul a debitului specific maxim devine:
qmax = ; (l/s și ha) [III.47.]
unde: C și x sunt coeficienți constanți care țin seama de forma și mărimea bazinului hidrografic;
Pentru determinarea valorii coeficienților C și x specifici bazinului hidrografic considerat se logaritmează relația III.47. prin logaritmare:
log qmax = log C – log S; [III.48.]
Prin reprezentarea grafică într-un sistem de axe dublu logaritmic a relației III.48. se obține o dreaptă de ecuație:
qmax = a – bS; [III.49.]
Pentru reprezentarea grafică se cunoaște:
a = 2,8; [III.50.]
unde:
K1 = 2 ;
σ – coeficient de scurgere funcție de categoria de folosință a terenului;
P – precipitațiile, P = a tb ;
t – durata ploii de calcul t = τ;
Pentru obținerea valorii coeficientului b este necesară culegerea de informații hidrogeologice din punctele de control sau informații privind debitul pompat în secțiunea i, de pe suprafața Si cunoscut din măsurători experimentale anterioare.
qi = ; [III.51.]
Pentru sistemul de desecare din figura III.31. se determină debitul q pentru fiecare secțiune de control:
q1 = q2 = q3 = …….. [III.52.]
unde.
qi – debitul specific din secțiunea de control i;
Si – suprafața de colectare a apelor până la secțiunea de control i;
Debitul specific q și suprafața de colectare a scurgerii S sunt mărimi invers proporționale. Când suprafața S crește debitul specific q se reduce.
S1 < S2 < … < S6; și q1 > q2 > … > q6;
Pentru condițiile sistemului de desecare-drenaj din bazinul hidrografic Valea Ier, județul Bihor s-a obținut următoarea reprezentare grafică a funcției q = f(S) într-un sistem de axe dublu logaritmic. [90] (Figura III.32.)
Figura III.32. Reprezentarea debitului specific q = f(S)
din sistemul de desecare Valea Ier, județul Bihor
(după Sabău N.C. – 1997)
Pentru fiecare bazin hidrografic în care va fi amplasat sistemul de desecare trebuie calculate valorile lui C și x pentru a determina astfel debitul specific maxim de desecare-drenaj. Coeficientul C se determină cu relația III.47. Valoarea x se determină scriind tangenta unghiului de pantă α a dreptei din graficul în scară dublu logaritmică:
x = tg α = [III.53.]
Folosind reprezentarea grafică de mai sus, valorile obținute în bazinul hidrografic Valea Ier sunt C = 1,4 și x = 4,15 relația de calcul a debitul specific maxim fiind:
(l/s și ha) [III.54.]
Debitul maxim pentru dimensionarea hidraulică a secțiunilor de control amplasate pe traseul canalelor de diferite ordine se determină cu relațiile:
Qmax1 = q1 S1; Qmax2 = q2 S2 ; Qmax3 = q3 S3; …………..QSPE = q6S6; [III.55.]
unde:
S6 – suprafața totală amenajată (ha);
3.4. Aspecte economice ale proiectării sistemelor de desecare – drenaj (determinarea debitului economic)
Se referă la determinarea debitului de dimensionare a lucrărilor hidrotehnice, necesar captării apelor de suprafață și freatice aflate în exces, care să realizeze un optim tehnico-economic. Prin optim tehnico-economic se înțelege minimul sumei P + I, unde P reprezintă pagubele produse și I investițiile necesare realizării lucrărilor de desecare – drenaj. Calculul debitului economic constă în stabilirea unei asigurări de calcul pentru acesta care să înregistreze valori P + I minime.
Dacă luăm în considerare hidrograful debitelor, Q = f(t) cu diferite asigurări de calcul, de 1, 5 și 10 %, folosite frecvent pentru dimensionarea rețelei de canale de desecare, se remarcă faptul că pentru debitele cu cea mai mare asigurare de 1 %, rețeaua de canale va avea secțiunea direct proporțională cu mărimea debitului. (Figura III.33.)
Figura III.33. Hidrograful debitelor cu asigurările de calcul de 1, 5 și 10 %.
Reducerea debitului, prin creșterea asigurării la 5 și respectiv 10 %, conduce la reduceri corespunzătoare ale secțiunilor transversale ale canalelor, la o rețea de canale mai puțin densă, având avantajul unor investiții I mai mici, și respectiv la prelungirea perioadei de evacuare a apei în exces, cu dezavantajul producerii unor pagube P mai mari ale producțiilor agricole.
Dimensionarea canalelor la debitul cu asigurarea de 1 %, conduce la o rețea de canale de desecare densă, cu secțiuni transversale mari, ceea ce conduce la investiți I mari, dar și la reducerea corespunzătoare a perioadei de eliminare a excesului de umiditate și respectiv a pierderilor P de producții agricole datorate excesului de umiditate.
Dacă se reprezintă grafic evoluția investiției I în funcție de asigurarea debitelor de dimensionare se observă că acestea sunt mici pentru debitul cu asigurarea de 10 %, cresc pentru debitul cu asigurarea de 5 % și au cele mai mari valori pentru debitele cu asigurarea de 1 %. (Figura III.34.)
Figura III.34. Determinarea debitului economic in funcție de
costul investiției și debitul instalat
Evoluția pierderilor P datorate mărimii perioadelor cu exces de umiditate este inversă, pierderile de producție P sunt mari pentru debitul de dimensionare cu asigurarea de 10 % și se reduc proporțional cu asigurarea, tinzând spre un minim pentru debitul cu asigurarea de 1 %.
Prin însumarea grafică a curbelor investiții I și pierderi P se obține curba P + I care are forma unei curbe polinomiale de gradul doi. Analizând această curbă se observă faptul că valoarea minimă a Σ(P+I), pentru care se obține debitul de dimensionare economic, corespunde debitului cu asigurarea de 5 %.
În cazul dimensionării rețelei de canale de desecare la debitul cu asigurarea de 5 % o parte din debitul corespunzător diferenței dintre debitul cu asigurarea de 1 % și cel cu asigurarea de 5 %, corespunzător înălțimii hidrografului debitelor hechvalent, va fi descărcat de rețeaua de canale proiectată, dar va duce la prelungirea perioadei t, necesare pentru evacuarea excesului de umiditate. (vezi figura III.33.)
Pentru fiecare amenajare sau sistem de desecare-drenaj proiectat se impune calculul indicatorilor tehnico-economici dintre care cei mai importanți sunt investiția specifică și timpul de recuperare a investiției.
Investiția specifică Is reprezintă raportul dintre investiția necesară pentru amenajarea cu lucrări de desecare a întregii suprafețe amenajate și suprafața totală amenajată.
(lei/ha) [III.56.]
unde:
I – investiția totală pentru amenajarea unei suprafețe cu lucrări de captare, transport și evacuare a apei în exces (lei);
S – suprafața totală amenajată (ha);
Observație: Există limite de variație a investiției specifice pentru diferite categorii de amenajări. (numai cu canale deschise, evacuare gravitațională, rețea de canale deschise și stație de pompare, rețea cu evacuare gravitațională și stație de pompare, rețea plus drenuri, alte combinații).
Timpul de recuperare a investiției Tr reprezintă timpul exprimat în ani în care cheltuielile de amenajare sunt acoperite prin efectele economice produse de sistemul de desecare.
(ani) [III.57.]
unde:
E – efectul economic realizat de sistemul de desecare (lei/ha și an)
Efectul economic se poate calcula pentru fiecare an după amenajare cu relația:
E = Va – Vi; [III.58.]
unde:
Va – venitul anual realizat din producția agricolă obținută după amenajare, mai puțin cheltuielile de producție (lei/ha și an);
Vi – venitul anual realizat din producția agricolă, mai puțin cheltuielile de producție, înainte de amenajare (lei/ha și an);
Observație: O investiție se consideră corespunzătoare pentru amenajări de desecare – drenaj dacă timpul de recuperare Tr este de 2 – 3 ani.
3.5. Metoda debitelor diferențiate
Metoda standardizată din țara noastră, pentru determinarea debitului de desecare, numită și metoda debitelor diferențiate, constă în însumarea debitelor provenite din cele șapte surse menționate anterior, pentru perioada în care acestea se suprapun.
1. Debitul specific provenit din precipitații pe terenuri plane se determină prin cele două metode prezentate anterior, metoda capacității de absorbție a apei (grafică) pentru canale terțiare (vezi paragraful III.9.3.1.) și metoda dinamicii scurgerii, pentru canale secundare și principale (vezi paragraful III.9.3.2.)
2. Debitul specific provenit din precipitațiile căzute în zona înaltă limitrofă se interceptează și se înlătură ori de câte ori este posibil înainte de a pătrunde în incinta sistemului de desecare-drenaj cu ajutorul canalelor de centură și de coastă fiind evacuat gravitațional în emisar.
În situația existenței unei rețele sistematice de colectare a apelor de pe versanți debitul maxim de calcul se determină conform metodei lui Kosteakov. (Figura III.35.)
Observație: În realitate zonele limitrofe ale versanților sistemele de desecare au pante foarte mici, terenul fiind aproape orizontal, care se neglijează, α ≈ 0.
În secțiunea curentă x viteza de scurgere poate fi scrisă pe baza relației lui Chezy:
vx = C ; [III.59.]
unde:
R – raza hidraulică este similară , pentru secțiuni foarte largi (1m) cu înălțimea stratului de apă ce se scurge pe versant: R = y;
Rezultă:
[III.60.]
Conform relației lui Cerkasov.
C = m; [III.61.]
unde:
m – coeficient de rugozitate a terenurilor agricole, (Tabelul III.5.)
Rezultă:
vx = m [III.62.]
Figura III.35. Schema de calcul a debitului specific pentru terenurile în pantă
Tabelul III.5.
Valorile coeficienților de rugozitate “m” ale terenurilor agricole, după Cerkasov
în care:
[III.63.]
Debitul în secțiunea x, cu lățimea de 1 m, scris pe baza ecuației de continuitate este:
[III.64.]
Variația stratului de apă scursă pe versant este y = 0, pentru x = 0 și ymax = h, pentru xmax. În secțiunea x + dx înălțimea stratului de apă ce se scurge pe versant este y + dy. Debitul care se scurge pe 1 m din această secțiune este:
Qx+dx = C0 (y + dy)2; [III.65.]
Variația debitului dQ pe lungimea elementului dx va fi:
dQ = Qx+dx – Qx = C0(y+dy)2 – C0 y2 = C0y2 + 2C0ydy + C0dy2 – C0y2 = 2C0ydy;[III.66.]
Variația debitului dQx mai poate fi scrisă și sub forma:
dQ = (Pi – K)·dx ·1m; [III.66.]
unde:
Pi – K reprezintă diferența dintre ceea ce plouă și ceea ce se infiltrează sau scurgerea ce se produce mai departe în secțiunea x+dx;
Egalând expresiile III.65. și III.66. se obține:
2C0ydy = (Pi – K)dx ; [III.67.]
Prin integrarea expresiei anterioare rezultă:
C0y2 = (Pi – K)x + C’ [III.68.]
Pentru a obține valoarea constantei C’ se pun condițiile de margine: dacă x = 0 și y = 0 atunci C’= 0
Cu valoarea C’ astfel calculată se obține ecuația suprafeței apei:
[III.69.]
Relația III.69. prezintă legea de variație a înălțimii stratului de apă scurse pe versant în timpul producerii ploii. Durata scurgerii unei particule până în secțiunea x poate fi scrisă astfel:
tx = [III.70]
Durata scurgerii până în secțiunea x = l va fi:
[III.71.]
Debitul maxim colectat în secțiunea aval x = l și y = h va fi:
Qmax = vx Sx = (C0 h)(h 1m) = C0h2; [III.72.]
Dar
Qmax = vx Sx = ; [III.73.]
Având pentru Qmax expresiile III.72. și III.73. și egalându-le se obține:
[III.74.]
Din care rezultă înălțimea maximă de apă:
[III.75.]
După oprirea ploii pe teren se mai găsește un volum de apă V care se va evacua de pe fâșia cu lățimea de 1m în timpul de scurgere τ. Vom scrie expresia volumului de apă menționat în următoarele două forme:
V = [III.76.]
Dar volumul V se poate scrie și astfel:
V = τ (Q0 + K0l); [III.77.]
unde:
V – debitul ce se infiltrează în procesul de scurgere;
Q0 este debitul mediu al scurgerii și este de forma:
Q0 = C0 y02; [III.78.]
unde:
și n = 0,75 (determinat experimental)
K0 –este coeficientul de filtrație mediu pentru perioada τ;
Egalând cele două relații ale volumului rezultă:
[III.79.]
Durata scurgerii după oprirea ploii, τ, se determină din relația III.79. în care K0 este conductivitatea după oprirea ploii.
τ = [III.80.]
Cunoscând durata scurgerii τ, durata ploii egală cu durata scurgerii (t) putem calcula și durata evacuării apei în exces T = t + τ și respectiv debitul maxim Qmax.
3. Debitul specific provenit din stratul freatic aflat la mică adâncime se determină prin calculul de drenaj și servește la evaluarea debitului maxim transportat de către rețelele de drenuri și la dimensionarea acestor lucrări. (determinarea diametrelor, distanța dintre drenuri, lungimea drenurilor)
Pentru țara noastră debitul specific de drenaj q = 7 – 10 mm/zi – funcție de zona pedoclimatică și de starea de afânare a solului.
4. Debitul specific al afluxului subteran din versanții limitrofi poate fi captat cu ajutorul lucrărilor de drenaj pentru a împiedica pătrunderea acestuia în perimetrul sistemului de desecare-drenaj amenajat. Acest debit poate fi determinat cu relația lui Darcy:
v = k i; [III.81.]
Deci:
; (m3/s; l/s) [III.82.]
în care:
H – grosimea stratului acvifer din versant, în m;
i – panta nivelului apei freatice;
L –lungimea frontului de apariție a apei freatice la contactul dintre versant și suprafața desecabilă,
K – coeficient de filtrație al stratului acvifer, în m/s.
5. Debitul de evacuat din sistemele de irigații rezultă din norma de spălare, pierderile de apă prin infiltrație datorate neetanșeității rețelelor de canale și conducte, norma de udare aplicată peste capacitatea de câmp a solului.
Debitul depinde de tipul de amenajare și de metoda de udare, ele pot fi evaluate procentual astfel:
pentru amenajări de irigații cu rețele de conducte sub presiune, udare prin aspersiune, pierderile pot fi considerate practic nule;
pentru amenajări cu rețele de canale sau jgheaburi și udare prin aspersiune: 2 și 5 %;
pentru amenajări cu rețele de canale sau jgheaburi și udare prin submersie: 15 și 30 %
6. Debitul provenit din infiltrații prin și pe sub dig în zonele apărate sunt debite ce apar în perioada de viitură, afluxul de apă pe sub corpul digului se datorează diferenței de sarcină dintre nivelul apei din emisar și cel din zona apărată (luncă) și contribuie la ridicarea nivelului freatic care trebuie drenat.
7. Debitul de evacuare din amenajărilor stuficole și piscicole aferente provine din apa ce trebuie evacuată de la amenajările piscicole și stuficole pentru reîmprospătarea lor, schimbul de apă în cazul îmbolnăvirii peștilor, etc.
Mărimea lui variază în decursul anului în funcție de regimul de exploatare. Hidrograful debitelor de evacuare se stabilește prin proiectul amenajării piscicole.
Debitul total de evacuare se calculează prin însumarea în timp, lună de lună a debitelor parțiale provenite de la diverse surse. Debitul total din luna cu valoarea cea mai mare se adoptă ca debit maxim de dimensionare.
3.6. Dimensionarea rețelei de canale de desecare
După stabilirea traseului rețelei de canale și a debitelor de evacuat se trece la dimensionarea lor, adică se stabilește pentru fiecare canal în parte, forma secțiunii transversale și elementele geometrice ale acesteia, panta fundului canalului, viteza medie de curgere a apei în canal, cotele fundului canalului și ale nivelului apei. Forma secțiunii transversale a canalelor de desecare deschise se stabilește în funcție de mărimea și rolul acestora. Din punct de vedere hidraulic, forma optimă este semicirculară, dar practic este greu de realizat și de întreținut în special la canalele din pământ. De aceea se folosesc pentru rețeaua de desecare forme triunghiulare, parabolice și trapezoidale. Cel mai frecvent folosită este secțiunea trapezoidală.
Rigolele de colectare, cu caracter provizoriu și canalele terțiare amplasate la mică distanță între ele, pentru a fi traversate de mașinile agricole se execută cu secțiunea transversală triunghiulară cu taluzuri de 1/4 – 1/6, ca de altfel și rigolele de scurgere a apei din crovuri în rețeaua de canale aferentă.
Relațiile pentru calculul elementelor secțiunii transversale de diferite forme a canalelor de desecare, sunt prezentate în tabelul III.6. Lățimea la fund a canalelor se alege astfel încât să permită executarea și întreținerea canalelor cu mijloace mecanice. Din motive constructive lățimea la fund a canalului nu se alege sub 0,5 m. Înclinarea taluzurilor canalelor se stabilește în funcție de caracteristicile geotehnice ale pământului, de adâncimea apei și a canalului, de poziția apei freatice și caracterul acesteia. Valoarea înclinării taluzurilor poate să fie de 1 : 1 până la 1 : 3,5, valorile mai mari de 1 : 2 se folosesc pentru adâncimi ale canalului mai mari de 3 m.
Tabelul III.6.
Relații pentru calculul elementelor constructive și hidraulice ale canalelor
cu diferite secțiuni transversale
Adâncimea canalelor este determinată de debitul canalului, înălțimea de siguranță și asigurarea descărcării apei din canale de ordin superior. Adâncimea canalelor terțiare este în funcție de lucrările de drenaj și agropedoameliorative executate. Înălțimea de siguranță constituie o rezervă pentru o eventuală colmatare sau o depășire a asigurării luate în calcul. Se evită inundarea terenului din vecinătatea canalului. Are valori cuprinse între 0,2 – 0,5 m. În cazul modelării în benzi cu coame și a rigolelor adâncimea poate fi de 0,6 – 0,8 m, iar în cazul afânării adânci sau a drenajului cârtiță adâncimea este de 1,2 – 1,5 m.
Pentru asigurarea descărcării apei din canalele de ordin inferior în canalele de ordin superior, nivelul apei din canalul receptor trebuie să fie mai coborât cu 10 – 20 cm decât nivelul apei în canalul afluent.
Viteza de scurgere a apei trebuie să fie în limitele de neeroziune și neîmpotmolire. Limita inferioară pentru a nu se produce împotmolirea este de 0,25 m/s pentru apele tulburi, mâloase, 0,3 – 0,4 m/s pentru ape care transportă nisip fin și 0,5 m/s pentru nisip mare, iar pentru evitarea dezvoltării vegetației acvatice viteza apei nu trebuie să scadă sub 0,5 m/s.
Relațiile folosite pentru dimensionarea canalelor de secțiune trapezoidală au fost prezentate în paragraful II.3.3.4.a. În practica dimensionării canalelor de desecare se întâlnesc cel mai frecvent următoarele trei tipuri de probleme:
Cazul 1: Se cunosc Q, i, n, m; se impune b și cu diverse valori ale lui h se obține debitul modul Q*
[III.83.]
După întocmirea graficului h = f(Q*) se obține valoarea lui h și apoi se verifică viteza de curgere a apei v, care trebuie sa fie cuprinsă între limitele admise (valoarea minimă de neînămolire și valoarea maximă de neeroziune), v = 0,4 – 0,8 m/s. În limite mai largi viteza este cuprinsă între 0,2 – 0,3 m/s (viteză de neînămolire) și 1,0 – 1,2 m/s (viteza de neeroziune)
Cazul 2: Se dau: Q, i, m, n și se cere determinarea elementelor secțiunii trapezoidale pentru funcționarea canalului de desecare la optimul hidraulic.
Profilul hidraulic optim pentru canalele trapezoidale se obține când perimetrul udat P este minim. Punând această condiție rezultă valoarea coeficientului βo
; [III.84.]
Înălțimea apei în canal se determină cu relația:
[III.85.]
Dar coeficientul β reprezintă raportul dintre baza b și înălțimea de apă h, de unde se oține:
b0 = β0 h0;
Valoarea bazei mici b se rotunjește la multiplu de 0,5 m și se face calcul iterativ al adâncimii apei h. Se compară debitul modul al iterației i Qi* cu debitul modul optim Qo* și dacă calculul este gata.
Cazul 3: Verificarea capacității de transport a canalelor proiectate în exploatare. Se cunosc: ω (b, h și m), Qpr, I. Se care să se verifice viteza apei în secțiunea proiectată, la diferite grade de infestare cu vegetație acvatică.
Qpr = v ω; [III.86.]
Viteza de curgere a apei, în condiții de proiectare este determinată cu relația Manning, și este mai mare decât în condiții de exploatare datorită faptului că secțiunea este curată, fără vegetație acvatică. Pentru a se evita eroziunea canalului este bine ca viteza apei în canal să nu depășească valorile prezentate în tabelul III.7.
Tabelul III.7.
Valorile vitezelor maxime în canal și înclinarea taluzurilor
Dacă în relația lui Manning se notează cu KM = 1/n, unde n este coeficient de rugozitate se obține:
v = KM R2/3I1/2; [III.87.]
unde: KM – coeficientul lui Manning, ale cărui valori țin seama de mărimea vegetației pe canalele de desecare. (Tabelul III.8.)
Tabelul III.8.
Valorile coeficientului de rugozitate Manning (KM)
Cu aceste notații debitul transportat de canal, în condiții de exploatare capătă forma:
(m3/s) [III.88.]
Panta longitudinală a canalelor de desecare se stabilește în raport de panta generală a terenului și viteza admisibilă de curgere a apei în canal. Pentru terenuri cu pante reduse valoarea medie a pantelor este de 0,0003 – 0,0005. La canalele cu debite de peste 3 m3/s panta minimă poate să fie chiar de numai 0,0002 – 0,00015.
Datorită faptului că rugozitatea canalelor în exploatare este mai mică decât la proiectare, viteza de scurgere se reduce corespunzător, prin urmare debitul transportat Qexpl este mai mic.
3.6.1. Verificarea capacității de transport a canalelor în condiții de exploatare curentă.
Elementele hidraulice ale canalelor (secțiunea transversală, profilul longitudinal și viteza de scurgere a apei) proiectate asigură o anumită capacitate de transport. Această capacitate de transport a apei trebuie menținută în permanență în perioada de exploatare. În același timp nivelul apei în canal corespunzător debitului maxim trebuie să se găsească cu 0,2 – 0,7 m sub nivelul terenului respectiv să fie păstrată în permanență înălțimea de siguranță. În cazuri excepționale se poate admite în exploatare într-o perioadă de câteva ore (max. 24 ore) ca înălțimea apei în canalul colector să ajungă până la nivelul terenului. În general trebuie urmărit însă ca nivelul apei în exploatarea canalelor colectoare să fie cu 15-20 cm sub nivelul apei din canaluri de ordin imediat superior în scopul realizării unei scurgeri optime a apei în întreaga rețea.
Viteza apei în canale trebuie menținută între anumite limite pentru a nu se produce împotmolirea canalelor sau eroziunea lor și în același timp să nu permită dezvoltarea vegetației acvatice pe cât posibil.
În general, aceste limite ale vitezei apei în canalele colectoare trebuie menținută între 0,4 – 0,8 m/s. Aceste limite sunt viteza minimă de neîmpotmolire și viteza maximă de neeroziune.
La proiectare, când s-a determinat capacitatea de transport a canalelor, s-a folosit pentru calculul vitezei medii a apei relația lui Chezy.
Pe parcursul exploatării rețeaua de canale se colmatează și se înburuienează. Canalele de desecare evacuează în perioade diferite ale anului debite de apă ce variază între limite foarte mari. Din această cauză regimul hidrologic al canalelor aflate în exploatare este diferit de cel luat în considerare la proiectarea canalelor. În această situație pentru verificarea capacității de transport a canalelor în exploatare este recomandată relația lui Fernarii și/sau Manning:
a) Relația Fernarii: v=k×δ1/3×Rm×I1/2 [1.8]
unde:
v – viteza apei în canal;
k, m – coeficientul variabil în funcție de rugozitate (după Bazen), tabelul III.9.;
δ – raportul între lățimea canalului la nvelul apei și perimetrul udat;
R – raza hidraulică;
I – panta fundului canalului.
Tabelul. III.9. Valorile k și m după Bazen [39]
La adâncimi mici de apă în canal scurgerea are loc cu viteze reduse, ceea ce favorizează dezvoltarea vegetației acvatice și depunerea particulelor în suspensie din apa drenată.
Aceste fenomene de dezvoltare a vegetației acvatice și de împotmolire a rețelei de canale se condiționează reciproc, fapt ce duce la accelerarea micșorării capacității de transport.
Instalarea vegetației determină micșorarea secțiunii și o viteză de scurgere a apei în canale și ca o consecință împotmolirea lor.
b) Relația Manning
În Olanda la Universitatea Agricolă din Wageningen au fost efectuate cercetări asupra canalelor infestate și colmatarea stabilindu-se influența lor asupra coeficientului de rugozitate.
În baza acestor cercetări a fost stabilită valoarea:
[1.9] având următoarele valori:
KM = 45 – 30 pentru canalele foarte curate;
35 – 20 canale curate având pe platforma de fund vegetație ce câțiva centimetri;
25 – 15 canale cu vegetație redusă având ierburi cu înălțimea de 10-15 cm și alge pe fundul canalului;
20 – 15 canale moderat infestate de vegetație;
15 – 10 canale infestate cu vegetație acvatică ce ocupă 50 % din secțiunea de scurgere;
< 10 canale infestate puternic de vegetație acvatică ce ocupă cca. 80 % din secțiunea canalului.
Cunoscând aceste valori, viteza de scurgere a apei în canale se poate calcula cu relația lui Manning astfel:
v=KM×R2/3×I1/2 [1.10]
Semnificația elementelor din relația de mai sus sunt aceleași cu cele din formula lui Chezy.
Calculul de verificare a capacității de transport a canalelor de desecare înierbate aflate în exploatare curentă se poate face folosind cele două relații: Manning sau Fernarii după care se calculează debitele transportate pe baza vitezelor obșinute, comparând atât vitezele obținute, cât și debitele cu cele de la proiectare.
Raportul lor arată gradul de reducere al capacității de transport al canalelor de desecare în exploatare datorită vegetației dezvoltate în secțiunea lor.
4. Tehnica drenajului
Drenajele sunt lucrări de desecare pentru eliminarea excesului de apă din sol și menținerea nivelului freatic impus de cerințele culturii agricole și ale solului, pentru a nu se depăși norma critică de salinizare sau pentru realizarea unei norme de drenaj corespunzătoare.
Norma de drenaj se notează cu Z iar cu ajutorul ei se creează condiții corespunzătoare de dezvoltare a plantelor. Norma de drenaj reprezintă adâncimea la care trebuie coborât nivelul freatic inițial, în vederea creierii unor condiții corespunzătoare de dezvoltare a rădăcinilor plantelor. (Figura III.36.).
Având în vedere caracterul variabil al pânzei freatice se consideră că nivelul freatic aflat la suprafața solului trebuie coborât cu 50 cm în primele 2 zile de la oprirea ploii din care 30 cm în prima zi. Coborârea nivelului apelor freatice se realizează folosind drenajul orizontal cu tuburi. (Figura III.37.)
Rețeaua de drenaj, prin elementele sale de regularizare și colectare-evacuare, trebuie să asigure coborârea și menținerea nivelului apei freatice la o adâncime care să nu dăuneze plantelor și solului.
Condițiile cerute de plante, numite și criterii de drenaj sunt puțin studiate până acum; cercetările s-au referit mai mult la nivelul freatic și regimul de variație al acestuia precum și la salinitatea solului în zona rădăcinilor plantelor. În interacțiunea dintre plantă și mediu mai sunt și alți factori care pot fi exprimați cantitativ și care ar putea constitui criterii de drenaj (aerația, temperatura, umiditatea solului etc.).
Adâncimea de coborâre a apelor freatice față de nivelul terenului numită și normă de drenaj sau adâncime de drenaj este funcție de cultură, natura solului, gradul de mineralizare a apei freatice și zona pedoclimatică. Stabilirea adâncimii apei freatice la care se asigură producția optimă s-a făcut pe bază de cercetări experimentale cu scăderi previzibile de producție pentru diferite adâncimi ale apei freatice în perioada de vegetație și pentru diferite grupe de soluri. Scăderea producției la niveluri mari se datorează lipsei aerului din sol, iar la niveluri mici lipsei de apă din sol.
Figura III.36. Norma de drenaj Z
Figura III.37. Coborârea nivelului freatic prin drenaj
Literatura de specialitate indică pentru zonele umede adâncimea minimă de drenaj de 0,40 – 0,50 m și cea maximă de 0,70 – 0,90 m (putând ajunge până la 1,25 m), iar în zonele secetoase adâncimea apei freatice nu trebuie să fie mai mică de 1,8 – 1,5 m și nici mai mare de 3,0 – 3,5 m. Adâncimea de 2,0 – 2,4 m apare ca optimă în solurile medii.
La noi în țară rezultatele obținute la Hălchiu arată că cea mai bună producție de sfeclă de zahăr se obține când adâncimea apei freatice nu trece de 0,60 – 0,70 m, nici primăvara nici vara, iar în zonele secetoase sunt considerate corespunzătoare, din punct de vedere tehnic și economic, adâncimi între 1,5 și 1,8 m.
De asemenea, observațiile efectuate de I.C.I.T.I.D. Băneasa, Giurgiu în Lunca Dunării arată că producțiile de porumb, floarea-soarelui, grâu și sfeclă de zahăr nu sunt diminuate dacă adâncimea apei freatice în perioada de vegetație este de 1,0 – 1,2 m și de 0,75 m în perioada de primăvara – iarnă.
Debitul de calcul pentru drenaj (q) se stabilește în câmpuri experimentale în funcție de condițiile pedoclimatice. Valorile acestui debit sunt între 7 – 50 mm/zi în funcție de zona în care s-au făcut cercetările, cel mai frecvent fiind de 9 mm/zi. În țara noastră debitul specific de dimensionare este de 10 – 15 mm/zi în funcție de zona pedoclimatică.
4.1. Criterii de drenaj
Stabilirea criteriilor de drenaj se face pe baza analizei efectului precipitațiilor și evaporației asupra nivelului apei și a reacției plantei și solului față de acest nivel. În tabelul III.10. se prezintă valorile debitului specific de drenaj (q) și a normei de desecare (Z) după Wesseling folosite în drenajul terenurilor olandeze pentru diferite culturi.
Tabelul III.10.
Debitul specific și norma de drenaj (după Wesseling)
Principalele criterii de drenaj sunt:
– determinarea adâncimii nivelului apei freatice care asigură producția optimă;
– stabilirea reducerilor producției agricole, când nivelul apei freatice depășește nivelul optim pentru diferite durate și alegerea duratei limită;
stabilirea frecvenței duratei limită, folosind SEW.
Menținerea unei adâncimi constante a nivelului apei freatice este imposibil. Pentru evaluarea pierderilor de producție, din perioadele în care nivelul apei freatice se află deasupra nivelului impus prin norma de drenaj se folosește indicele SEW 30 (SEW = numărul de zile cu adâncime a apei mai sus de 30 cm x adâncimea apei < 30 cm). Acest indice calculat prin înmulțirea numărului de zile în care nivelul apei freatice este mai sus de adâncimea de 30 cm cu adâncimea efectivă (SEW 30 = 3 x 27 + 5 x 28 + 8 x 29 = 453 cm) este corelat cu pierderile de producții agricole datorate excesului de umiditate freatic.
Rolul drenajului pe teren irigat este menținerea nivelului apei freatice la o adâncime de la care transportul prin capilaritate este mai mic de 1 mm/zi (adâncime critică). Valorile recomandate pentru norma de drenaj Z sunt 0,4 – 0,8 m.
Între adâncimea de pozare a drenului (H) și distanța între drenuri (L) există o interdependență, astfel, se poate realiza aceiași normă de drenaj Z cu drenuri la distanța L1 și adâncimea H1 , respectiv distanța L2 și adâncimea H2 . (Figura III.38.)
Figura III.38. Realizarea normei de drenaj z cu drenuri amplasate
la diverse distanțe și adâncimi de pozare
4.2. Tipuri de drenuri și drenaje
În funcție de modul de captare, conducere și evacuare a apei în exces, distingem trei tipuri de drenaj: orizontal, vertical si mixt.
Drenajul orizontal constă într-o rețea de drenuri absorbante și colectoare care captează și transportă apa gravitațional în emisar.
Drenajul vertical reprezintă o serie de fântâni (puțuri) care asigură coborârea nivelului freatic fie prin pompare fie prin evacuare gravitațională în straturile acvifere libere profunde.
Drenajul mixt este o combinație între cel vertical și cel orizontal.
Drenajul orizontal poate fi executat cu materiale locale sau cu ajutorul tuburilor. Drenajul orizontal din materiale locale a fost folosit din timpuri îndepărtate. Constă din șanțuri înguste și adânci a căror cavitate se umple în partea inferioară cu materiale filtrante sau se lasă libere (Figura III.39.) Cavitatea drenantă a șanțului se poate realiza din fascine, bolovani, lespezi sau din piatră spartă.
Figura III.39. Forme constructive de drenuri executate din materiale locale: a – dren din fascine; b,c,d – drenuri din piatră cu cavitate de scurgere a apei; e, f – drenuri cu umplutură din piatră (fără cavitate); 1- fascine; 2 – brazde de iarbă; 3 – lespezi din piatră; 4 – filtru; 5 – umplutură din piatră; 6 – geotextil de protecție
Drenurile din fascine (Figura III.39.a.) – Fascinele sunt mănunchiuri de nuiele legate din 50 în 50 cm cu sârmă moale, de 2 – 3 m grosime. Nuielele sunt curățate de frunze deoarece acestea putrezesc și reduc de la început secțiunea de scurgere. Lungimea fascinelor poate fi de 2 – 5 m, iar diametrul de 0,25 – 0,30 m. Pentru realizarea fascinelor folosite pentru drenaj se evită materialul uscat. Ele se dispun în tranșee cu capetele groase în aval, neîntrerupte la lungime și se protejează împotriva colmatării cu brazde de iarbă așezate răsturnat. Drenurile din fascine au o comportare bună în terenurile cu tasări și deplasări mari.
Drenurile din piatră cu cavitate liberă (Figura III.39. b, c, d) se execută din lespezi de piatră, așezate în așa fel încât să creeze o cavitate pentru scurgerea apei captate. Trebuie prevăzut cu un filtru din piatră spartă, sau pietriș sortat pentru reducerea colmatării. Execuția acestui tip de dren necesită un volum mare de manoperă, în special pentru sortarea și montarea pietrei.
Drenurile din piatră, fără cavitate (Figura III.39. e, f) se pretează la o execuție mecanizată. Prin folosirea geotextilelor acestea pot fi protejate împotriva colmatării. Materialul cel mai indicat pentru umplerea drenurilor este piatra spartă sau naturală cu diametrul d17 = 20 mm (d17 este diametrul corespunzător procentului de 17 % al curbei granulometrice) și cu un coeficient de neuniformitate de U = 1 – 10.
Durata de funcționare a drenurilor din materiale locale este în funcție de natura materialului din care sunt construite și de cea a materialului filtrant. Astfel drenurile din piatră au o durată de 20 – 30 ani (și chiar mai mult), iar cele din lemn de 5 – 6 ani la o umectare intermitentă și de 10 – 15 ani la o umectare permanentă. Pentru a evita colmatarea lor și prelungirea duratei de funcționare panta acestor drenuri trebuie să fie de aproximativ 0,01 și adâncimea de amplasare mai mare de 0,5 m pentru a preveni pătrunderea rădăcinilor.
Scheme actuale de drenaj, propuse de E.T, Man și colab.,- 1988, 1999, 2002, 2003 și 2004 [2, 51, 119, 129, 130, 133] urmare a studiilor de drenaj efectuate pentru principalele soluri cu exces de umiditate din vestul României (Județele: CS, TM, AR, BH, SM și MM), cuprind (Figurile III.40. – III.42.):
Drenaj orizontal închis cu tuburi fără filtru sau cu filtru din geotextil înfășurat pe tubul de dren.
Figura III.40.Schema dernajului orizontal închis cu tuburi fără filtru sau
cu filtru din geotextil înfășurat pe tubul de dren
2. Drenaj orizontal închis cu tuburi și filtru din materiale granulare (organice sau deșeuri textile), respectiv cu materiale organice (deșeuri sintetice sau geotextile) acoperite cu un strat de material filtrant granular (pietriș sortat, balast, nisip grosier, ZGF).
Figura III.41. Schema drenajului orizontal închis cu tuburi și filtru din materiale granulare (organice sau deșeuri textile), respectiv cu materiale organice (deșeuri sintetice sau geotextile) acoperite cu un strat de material filtrant granular (pietriș sortat, balast, nisip grosier, ZGF).
3. Drenaj orizontal închis cu tuburi + diferite materiale filtrante și afânare adâncă, respectiv drenajul încrucișat (dren orizontal + drenaj cârtiță + afânare adâncă).
Figura III.42. Schema drenajului orizontal închis cu tuburi + diferite materiale filtrante și afânare adâncă, respectiv drenajul încrucișat
(dren orizontal + drenaj cârtiță + afânare adâncă).
4.3. Materiale de drenaj
Pentru execuția sistemelor de drenaj pe lângă materialele de construcție clasice (ciment, oțel beton, agregate pentru betoane, confecții metalice și din lemn, etc.), ponderea cea mai mare o au: tuburile de drenaj și materialele filtrante. Caracteristicile acestora sunt legate de însușirile fizice, chimice și hidrofizice ale solului, cât și de parametrii fizico-chimici și hidraulici ai apei freatice, ce va fi captată de drenuri. De alegerea corectă a materialelor de drenaj depinde atât funcționarea sistemului cât și durata și costul exploatării.
4.3.1. Tuburile de drenaj
Tuburile de drenaj folosite la execuția rețelelor de drenaj absorbant sunt: tuburile de ceramică și din mase plastice, iar la realizarea drenurilor colectoare s-au folosit și drenuri din beton.
Tuburile ceramice de drenaj se realizează cu diametre interioare de 50, 70, 80 și 100 mm pentru drenurile absorbante și 125, 150, 200 și 250 mm pentru cele colectoare. Pentru a asigura rezistența la compresiune, tuburile au grosimea peretelui (funcție de diametru) între 8 și 30 mm iar lungimea de 330 mm pentru diametre mai mici de 125 mm și de 50 – 80 mm pentru diametre mai mari de 125 mm.
Secțiunea interioară a tubului este circulară iar cea exterioară este circulară, hexagonală sau octogonală (Figura III.43.)
Figura III.43. – Tuburi ceramice de drenaj
a – tub cilindric; b – tub cu profil exterior hexagonal; c – tub cilindric cu mufă
La Jimbolia a fost produs, în anii `80, la propunerea unui colectiv de cercetare al Universității Politehnica Timișoara și al ICITID Băneasa – Giurgiu, un dren nou de ceramică „Drenul Timiș” cu talpă, caneluri longitudinale și orificii, iar pentru a se putea îmbina a fost realizată o pisa de îmbinare din plastic, la care se putea atașa și material filtrant geotextil (Figura III.44.)
Figura III.44. Vedere dren ceramica “Timiș” cu talpă, caneluri,
orificii și piesă de îmbinare din plastic.
Tuburile de drenaj din plastic Primele tuburi de drenaj de material plastic realizate din policlorură de vinil și polietilenă de mare densitate au apărut în anii 1960 în Olanda și Australia, SUA, Marea Britanie, Franța, Olanda, Germania, etc. unde peste 90 % din aceste lucrări se execută cu tuburi din material plastic.[98, 112, 124]
Principalele avantaje ale tuburilor din plastic sunt:
– capacitate de transport a apei mai mare cu 20 – 30 % față de liniile de drenuri din ceramică, datorită rugozității mult mai reduse, cât și continuității pantei drenului;
– liniile de drenuri din plastic, fiind continue, sunt puțin afectate de tasările și eventualele deplasări ale terenului;
– greutate mică, cheltuieli de încărcare și transport mai reduse;
– gradul mare de mecanizare în execuție.
Tipurile constructive de tuburi din mase plastice utilizate în drenaj sunt tuburile rigide cu pante netede (sau lise) și tuburi flexibile cu perete ondulat (tuburi riflate).
Tuburile lise au lungimi de 4 și 6 m, îmbinându-se între ele cu mufă și cep. Accesul apei în dren se face prin fante distribuite perpendicular pe ax, înclinate față de axul tubului sau longitudinal (Figurile III.45. și III.46.).
Figura III.45. Tuburi de drenaj din material plastic, rigide. a – îmbinare cu mufă, fante perpendicular pe axul tubului; b – fante înclinate față de axul tubului; c – fante paralele cu axul tubului
Tuburile rigide de drenaj prezintă dezavantajul că pozarea lor nu este integral mecanizată, utilizarea lor fiind astfel restrânsă, recomandându-se la construirea drenajului pentru turbării, a colectoarelor de tip închis și la execuția drenurilor verticale și a piezometrelor de observație.
Figura III.46. Tuburi de drenaj din material plastic, rigide
Tuburile riflate, sunt tuburi de drenaj flexibile care au condus la introducerea metodei de pozare cu utilaje specializate, fără tranșee. Diametrul tuburilor este între 50 și 200 mm. Intrarea apei are loc prin orificii sau fante executate în adânciturile peretelui ondulat.
Cercetările de laborator și teren au confirmat comportarea mai bună a fantelor, comparativ cu orificiile (circulare) de intrare a apei, atât din punct de vedere hidraulic cât și al fiabilității (colmatarea în perioada de exploatare), rezultând o suprafață a perforațiilor necesare de 1 – 1,5 % din suprafața totală desfășurată a tubului de dren (E.T. Man, 1983). Fantele de intrare a apei sunt distribuite pe 4 până la 8 generatoare ale tubului. [44, 106,122]
Fitingurile pentru rețeaua de drenaj servesc la execuția unor detalii constructive, folosirea lor contribuind atât la obținerea unor lucrări de calitate, cât și la reducerea manoperei aferente.
Cele mai utilizate sunt (Figura III.47.): piese, pentru racordarea pe aliniament a tuburilor de drenaj cu diametre diferite (reducții) sau cu același diametru (mufe) (a și b); bușoane de capăt pentru obturarea la capătul amonte a liniei de dren în vederea protejării împotriva colmatării (c); ramificații în formă de T sau Y utilizate la racordarea drenului absorbant cu drenul colector (d); cot, pentru racordarea drenului absorbant la drenul colector (e).
Figura III.47. Fitinguri de drenaj
a – reducția 1; b – mufă 2; c – bușon de capăt 3; d – ramificație 4 ; e – cot 5
4.3.2. Materiale filtrante pentru drenaj
Materialele filtrante folosite la drenaj pot avea un rol protector și/sau filtrant – drenant. În cazul solurilor bine structurate, cu bună textură și stabilitate hidrică drenajul poate fi realizat și fără material filtrant. Materialele filtrante sunt necesare pentru a mări perimetrul udat al drenului și afluxul de apă spre dren. Astfel, materialele filtrante pentru drenaj îmbunătățesc condițiile hidraulice de pătrundere a apei în dren și protejează drenurile împotriva colmatării. Pentru a reduce la minim rezistența hidraulică a complexului filtru – dren, se recomandă ca permeabilitatea transversală a filtrului să fie de cel puțin 100 de ori mai mare decât cea a pământului în care se introduce, iar în urma colmatării în exploatare să rămână mai mare de cel puțin 10 ori.
După natura, proveniența lor și gradul de prelucrare, materialele filtrante pentru drenaj se clasifică astfel (Man, T. E.):
materiale granulare: pietrișul sortat (sort 3-7 mm), zgura granulată de furnal, nisipul grosier, balastul, zgura uscată de termocentrală, scoici, etc.
materiale organice: fibra de cocos, turba, pleava de orez, paie (ovăz, orz, grâu, secară, etc.), tulpini de in, puzderie de cânepă, talaș de lemn și crengi tocate, rumeguș, coceni de porumb, vegetația uscată, etc.
materiale sintetice produse sau deșeuri textile, dintre care pot fi amintite: vata minerală și de sticlă, împâslitura din fibre de sticlă, granule de polistiren înfășurate în folii de polietilenă perforată, deșeuri textile de la fabrici sau ateliere textile, etc.
Materialele filtrante granulare sunt cele mai populare, putând fi folosite la drenajul solurilor cu structură instabilă și nivelul freatic ridicat, în toate condițiile de climă.
Dezavantajul acestor materiale este costul ridicat al transportului și al manipulării, având o greutate mare.
Avantajele materialelor granulare constau din faptul că: pot fi realizate în sorturi diferite, funcție de textura solului ce urmează a fi drenat, deci se pot utiliza în orice condiții de sol și de mineralizare a apei freatice; au o porozitate drenabilă mare; formează și mențin în timp un filtru voluminos ce oferă secțiune mare la intrarea apei; colmatarea în timp este redusă; rezistă și nu se deformează în timp, au o durată de serviciu îndelungată.
Materialele filtrante organice au fost folosite pentru prima dată, cu rezultate satisfăcătoare, în zonele de deltă din nordul și vestul Europei. Cercetările efectuate până în prezent permit evidențierea următoarelor aspecte:
– în stare afânată materialele organice sunt voluminoase, cu o permeabilitate bună, în timp se tasează, determinând o reducere a permeabilității și porozității;
– în condiții aerobe are loc o degradare mai accentuată decât în condiții anaerobe, recomandându-se în special în zonele umede cu nivel freatic permanent ridicat.
Utilizarea tulpinilor de plante este legată de rezistența lor la putrezire în perioada de exploatare a drenului. Astfel sunt recomandate: pleava de orez, tulpinile de in semincer, paiele de ovăz, orz, grâu, secară.
Rumegușul de lemn utilizat ca filtru trebuie să aibă dimensiunea de 1 – 3 mm, iar dacă se folosesc așchiile de lemn acestea trebuie să fie cât mai mici.
Materiale filtrante geosintetice. În prezent cel mai des folosite, geosinteticele permit preînfășurarea lor prealabilă pe tubul de dren în cadrul unor poligoane în care se realizează linii tehnologice de preînfășurare mecanizată. Livrarea lor făcându-se în colaci, asigurându-se o productivitate mult mărită la execuția drenurilor.
Cele mai cunoscute materiale geotextile pentru protecția drenurilor produse la noi în țară sunt filtexul, terasinul, madritexul, etc Pe plan mondial există în prezent o foarte mare varietate de tipuri de geosintetice.
Au dezavantajul unui preț de cost ceva mai ridicat și a unei colmatări mai pronunțate în anumite soluri. Trebuie să prezinte o rezistență la eforturi (ruperi), la acțiunea soluțiilor de sol acide și bazice, să nu se degradeze în timp și să aibă o bună permeabilitate și porozitate.
4.4. Drenajul orizontal – Metode de calcul a distanței dintre drenuri
Adâncimea de pozare și distanța dintre drenuri se corelează astfel încât să asigure coborârea și menținerea nivelului freatic la valoarea adâncimii de drenaj Z. Sub acțiunea drenurilor, apa în exces circulă în sol din punctele mai înalte ale suprafeței libere spre punctele mai joase datorită diferenței de presiune (Figura III.48.)
Figura III.48. Reprezentarea pierderilor de sarcină la mișcarea apei spre dren
Apa se scurge spre dren atâta timp cât pânza freatică la mijlocul distanței între drenuri are o înălțime (față de planul drenurilor) mai mare decât pierderea de sarcină hidraulică, necesară pentru a învinge rezistențele opuse de sol la mișcarea apei. Când în coborâre stratul de apă freatică a atins valoarea pierderilor de sarcină scurgerea spre dren încetează. În acest moment forma suprafeței libere a nivelului freatic este curbă, datorită înălțimii coloanei de apă care crește odată cu depărtarea față de dren. Adâncimea minimă de amplasare a drenurilor este determinată de adâncimea de îngheț a solului, respectiv 0,7 – 0,8 m, iar adâncimea maximă este impusă de aspectul economic.
Pentru țara noastră, se recomandă, pentru zona umedă, adâncimi de amplasare a drenurilor de 1,0 – 1,5 m, pentru zona subumedă adâncimi între 1,2 – 1,6 m, iar pentru cea secetoasă între 1,5 – 1,8 m. Pentru solurile predispuse la sărăturare, unde nivelul freatic trebuie menținut la adâncimea critică de salinizare (1,5 – 2,0 m) adâncimea de amplasare a drenurilor este de 2,5 – 3,0 m.
Distanța între drenuri depinde, în principal, de permeabilitatea solului, panta terenului, adâncimea drenurilor, schema de amplasare și regimul de scurgere. Fiind influențată de un număr mare de factori este indicat să se stabilească pe baza unor cercetări efectuate direct pe terenurile propuse pentru drenaj.
Dacă nu este posibil, distanța între drenuri se poate determina folosind formulele elaborate de Donnan, Hooghoudt, Ernst, Kirkham în cazul regimului de scurgere permanent și de Glover – Dumm, Kraijenhoff Van Der Leur și Maasland în cazul regimului de scurgere nepermanent.
Regimul permanent se întâlnește în zonele caracterizate prin precipitații de lungă durată și cu intensitate redusă. Problema principală care trebuie rezolvată în acest caz constă din evacuarea, prin sistemul de drenaj, a unui debit constant egal cu afluxul meteoric, astfel încât nivelul freatic să se mențină permanent la aceeași cotă.
Regimul nepermanent (variabil) se întâlnește în zonele cu precipitații de scurtă durată și de intensitate mare, precum și pe terenurile irigate. În aceste zone stratul freatic, după ploi sau irigații, atinge un nivel ridicat, ce trebuie coborât în timpul util la un nivel acceptat de plante.
4.4.1. Calculul distanței între drenuri în regim permanent
4.4.1.1. Metoda Donnan pentru soluri cu profil omogen
Schema de calcul a drenajelor prin metoda Donnan pentru un profil de sol omogen este prezentat în figura III.49.
Figura III.49. Schema de calcul a drenajului pentru un profil de sol omogen.
Cu notațiile din schema de calcul se scrie debitul drenat în secțiunea x, astfel:
[III.89.]
care poate fi scrisa și astfel:
[III.90]
Separând variabilele și integrând între limitele 0 – L/2, respectiv D + h și D, avem:
; [III.91.]
; [III.92.]
; [III.93.]
; [III.94.]
De unde explicitând distanța dintre drenuri L se obține:
; [III.95.]
Relația obținută III.95. este relația lui Donnan de calcul a distanței dintre drenuri pentru un profil de sol omogen.
4.4.1.2. Metoda Hooghoudt pentru soluri cu profil stratificat
Se consideră că linia drenurilor se află pe linia de separație a celor două straturi de sol, ca în figura III. 50.
Figura III.50. Schema de calcul a drenajului pentru un profil de sol stratificat.
Se notează cu: d – grosimea stratului de sol echivalent, calculată cu relația:
d = ; [III.96.]
unde:
Rh este rezistența orizontală,
Rr este rezistența radială,
Rezistențele hidraulice orizontale și radiale se calculează cu relațiile:
; și ; [III.97.]
Folosind relațiile de mai sus Horghoudt a calculat valorile stratului echivalent d, în funcție de distanța dintre drenuri L și grosimea stratului cu conductivitatea hidraulică K2 notată cu D.(Tabelul III.11)
Expresia debitului drenat în secțiunea x este de forma următoare:
[III.98.]
Separând variabilele și integrând avem:
[III.99.]
[III.100.]
; [III.101.]
Tabelul III.11.
Valorile stratului echivalent “d”
[III.102.]
de unde:
[III.103.]
unde:
L este distanța între drenuri pentru un profil de sol stratificat.
Pe baza acestei relații a fost întocmită nomograma de proiectare expeditivă a distanței dintre drenuri {Figura III.51.)
Notă: Din relația lui Hooghoudt prin particularizare K1 = K2 și D = d se obține relația lui Donnan.
Exemplu de calcul 1: Să se calculeze distanța dintre drenuri cunoscând:
h = 0,6 m;
K1 = 0,5 m/zi;
D = 3m;
K2 = 1m/zi;
r = 0,1m;
Se calculează:
; și ;
; și ;
Din nomograma lui Hooghoudt, pentru D = 3m rezultă L = 47,5 m.
Figura III.51. Nomograma de calcul a distanței între drenuri după Hooghoudt.
Exemplu de calcul 2: Cunoscând debitul din precipitații q = 0,5 mm/zi, distanța dintre drenuri L = 40 m și lungimea firului de dren absorbant B = 100 m, să se calculeze debitul specific (l/s și ha).
(l/s)
Suprafața deservită de dren este S = L x B (ha) = 40 x 100 = 4000 m2 = 0,4 ha;
Debitul pe 1 m de lungime de dren este:
Q = q x L (l/s și m) = 0,005 m3/zi x 40 m = 0,2 m3/zi și m
Debitul evacuat de dren este:
Qdren = Q x B (l/s) = 0,2 x 100 = 20 m3/zi = 0,23 l/s
qs =
Exemplu de calcul 3: Să se calculeze distanța dintre drenuri într-un sol cu stratificația pe verticală D = 3m; K1 = 0,5 m/zi; K2 = 1 m/zi; q = 0,005 m/zi; dorim să avem h = 0,6m.
Se alege un dren cu r = 0,1m.
Se ia din tabel valoarea lui d și impunem L = 40m; rezultă din tabel d = 2,16
rezultă:
1600 = 2080 + 144;
Se observă că L a fost ales prea mic;
Impunem L = 50 m, rezultă d = 2,29 și 2500 = 2344 deci L este prea mare;
Se alege L = 45 m, rezultă d = 2,23 și egalitatea 2025 = 2280 deci L este prea mic;
Pentru L = 48 m, rezultă d = 2,26 și 2304 = 2322, se alege L = 48 m.
4.4.1.3. Metoda lui Ernst
Se bazează pe calculul pierderilor de sarcină în lungul firelor de curent către drenuri luând în considerare pierderile pe verticală, orizontale, radiale, la intrare. În calcul pierderile la intrare sunt neglijate.
Pierderea totală (Figura III.52.) de sarcină hidraulică cuprinde pierderea de sarcină la mișcarea pe verticala orizontală, radiară și la intrarea apei în tubul de dren fără filtru, se calculează astfel:
h = hv + ho + hr + hi; [III.104.]
unde:
hv- pierderea de sarcină verticală;
ho – pierderea de sarcina orizontală;
hr – pierderea de sarcina radială;
hi – pierderea de sarcina la intrare.
Figura III.52. Schema de calcul a drenajului pentru un profil de sol, după Ernst.
Debitul de drenaj q, ce trece printr-o secțiune unitară, conform relației lui Darcy are expresia: q = v x 1m2 , unde v = k x i, în care i reprezintă panta hidraulică.
Analizând mișcarea după verticală avem debitul curentului vertical:
; [III.105.]
Relația debitului după direcția orizontală este:
;
Prin separarea variabilelor și integrare se obține:
;
; [III.107]
Analizând mișcarea radială a apei spre drenul de rază r se consideră că absorbția apei în dren se face pe jumătate din perimetrul udat U = πr. Funcția care descrie liniile echipotențiale este:
[III.108.]
unde Qa = 2qL;
Pentru curentul de apă subteran, care se îndreaptă spre dren, liniile de curent sunt descrise de familia de curbe echipotențiale de absorbție:
φ = KH + c; [III.109.]
în care:
H = hr (pierderea de sarcină hidraulică radială;
Egalând valorile funcției φ se obține:
; [III.110.]
Înlocuind valoarea Qa și integrând între raza minimă r și raza maximă D0/π rezultă:
[III.111.]
unde: U este perimetrul udat, U = πR
Cu valorile pierderilor de sarcina orizontală, verticală și radială determinate, relația de calcul a pierderi de sarcina totală devine:
; în care hi a fost neglijat (hi = 0) [III.112.]
Cazuri particulare ale formulei lui Ernst:
1. Profil omogen și D0 < L/4
Deoarece L este necunoscut, urmând a fi calculat se face un foraj în zonă pentru determinarea lui D0 și dacă stratul impermeabil se află la mică adâncime atunci ne încadrăm în acest caz. Având în vedere grosimea mică a stratului de sol se poate neglija hv (Dv mic) respectiv pierderile de sarcină la intrare (hi).
[III.113.]
unde: D1 = D0 + h/2
Aceste cazuri pot fi rezolvate practic prin calculul distanței între drenuri folosind nomograma Ernst din figura III.53.1.
2. Profil cu două straturi de sol, la care planul de separare intersectează drenul (Figura III.54) Pot exista trei posibilități:
a) K1 ≈ K2 se poate neglija pierderea de sarcină verticală (K1 – valoare foarte mare și hv foarte mic) și se poate neglija pierderea de sarcină la intrare.
[III.114.]
unde:; și ,
Figura III.53. Nomogramă de calcul a distanței între drenuri după Ernst.
Figura III.54. Schema de calcul la pofilul de sol cu două straturi,
când planul de separare intersectează drenul
b) K1 << K2 În acest caz stratul superior este din materiale aluviale cu structură foarte fină. Nu se pot neglija pierderile verticale.
; [III.115.]
c) K1 >> K2 Se recomandă formula lui Hooghoudt:
; [III.116.]
3. Profil cu două straturi de sol, la care planul de separare fiind sub linia drenurilor Drenul fiind amplasat în stratul cu conductivitatea hidraulică K1, rezultă
D0 = H – h + z;
D1 = D0 + h/2;
[III.117.]
unde:
a – coeficient de corecție a rezistenței radiale deoarece mișcarea radială se petrece aici în K1 dar este păstrată și în K2 ;
Coeficientul a se poate determina folosind funcția:
a = f; [III.118]
reprezentată grafic în nomograma din figura III.55.
Figura III.55. Nomogramă pentru determinarea coeficientului de corecție „a”
la solul stratificat
4. Profil omogen, la care D > L/4 este întâlnit în cazul în care stratul impermeabil se află la adâncime mai mare de L/5, situație în care se pot neglija pierderile de sarcină hidraulică orizontale și verticale. Relația de calcul a pierderilor totale de sarcină va fi de forma:
[III.119.]
Notă: David I analizând relațiile anterioare, consideră necesară corectarea pierderilor de sarcină radiale cu coeficientul α, determinat cu relația:
[III.120.]
Pentru solurile stratificate la care intră în calcul și pierderea de sarcină radială aceasta se determină astfel:
; ; [III.121.]
Exemplu de calcul 1: Pentru cazul solului omogen D0 < , se cunosc: q = 0,005m/zi; h = 0,6 m; K1 = 0,5 m/zi; D0 = 3m; U = 0,75m.
Se calculează: D1 = D0 + 0,5 h = 3 + 0,5 x 0,6 = 3,3 m; K1D1 = 0,5 x 3,3 = 1,65 m2/zi;
Rezultă rapoartele: ; ;
În partea de jos a nomogramei din figura III. 53. pentru ;
Cu pierderea de sarcină radială se obține rezistența radială:
În aceiași nomogramă, unind cu o dreaptă K1D1 = 1,65 cu h/q = 120 și apoi mergând pe curba Rr = 0,88 se citește sus distanța între drenuri L = 34 m.
Observație: Nomograma din figura III.53. poate fi utilizată și când raportul h/q > 300;
Exemplu: ; KD = 20; Rr = 1,8; În acest caz se împart rapoartele cu o cifră (ex: 4), rezultând: ; KD = 5; Rr = 1,8;
Unind cu o linie dreaptă aceste valori și citind pe curba Rr = 108 se obține distanța dintre drenuri L’ = 60 m. Distanța reală dintre drenuri este: Lreal = L’ x 4 = 240 m;
Exemplu de calcul 2: Se cere distanța dintre drenuri, pentru un sol stratificat, când planul de separație intersectează drenul sau canalul K1K2;
Se cunosc: q = 0,005 m/zi; h = 0,6 m; K1 = 0,5m/zi; K2 = 1m/zi; D0 = D2 = 3m; U = 0,3
Se calculează: D1 = 0,5 x 0,6 = 0,3 m KD = K1D1 + K2D2 = 0,5 x 0,3 + 3 x 1 = 3,15 m2/zi
; ;
Din nomogramă ; Rr = ; rezultă L = 47 m;
Impunem L = 47m ;
Înlocuim în relație
Exemplu de calcul 3: Se cere distanța dintre drenuri, pentru un sol stratificat, când planul de separație dintre straturi se află sub dren.
Se cunosc: q = 0,01 m/zi; h = 1,2m; D0 = 0,6 m; U = 0,9m; D2 = 3 m; K1 = 0,2 m/zi; K2 = 2m/zi;
Se calculează: Dv = 1,2 + 0,2 = 1,4 m;
hv =
Calculăm: h0 + hv = H – hv = 1,2 – 0,07 = 1,13 m;
D1 = D0 + 0,5 h = 1,2 m; U = 2 x 0,2 + 0,5 = 0,9 m; KD = K1D1 + K2D2 = 0,2 x 1,2 + 2 x 3 = 6,24 m2/zi;
Se calculează rapoartele: ; ;
Din nomogramă (figura III.54.) se determină a = 4,3; rezultă:
;
Rr = ;
Din nomogramă (figura III.53.), pentru KD = 6,24 rezultă L = 43 m
5. Metoda Ernst – David cu considerarea pierderilor de sarcină la intrarea apei prin filtru și dren. Pierderea de sarcină hidraulică totală h se consideră suma pierderilor de sarcină verticală hv, orizontală ho, radială hr și a rezistenței drenului la intrarea apei în el hi. (relația Ernst)
În cazul drenurilor prevăzute cu filtru, pierderea de sarcină hidraulică la intrarea apei în filtru este similară cu pierderea de sarcină radială hr . Rezistența hidraulică a complexului dren – filtru este hR = hr + hi, și poate fi calculată cu relația:
[III.122.]
unde:
ζrad – coeficientul pierderilor de sarcină radiale, la intrarea apei în filtru;
ζi – coeficientul pierderilor de sarcină la intrarea apei în dren;
ζrad + ζi = ζif – coeficientul pierderilor de sarcină ale complexului dren – filtru;
Cu aceste notații, pentru dimensionarea drenurilor prevăzute cu filtru, David I., consideră necesară utilizarea relației:
[III.123.]
Valorile coeficientului pierderilor de sarcină la intrarea apei în complexul dren – filtru ζi+f au fost determinate experimental, prin cercetările efectuate în timp de Laboratorul pentru Irigații și Drenaje de la Universitatea “Politehnica” Timișoara, Facultatea de Hidrotehnică. (Man T.E. –1983) [44], permițând o clasificare hidraulică a variantelor testate.
Sintetizând rezultatele cercetărilor experimentale efectuate de-a lungul anilor David I., [106] folosind notațiile din figura III.56. propune pentru determinarea analitică a coeficientului pierderilor de sarcină ζif următoarea relație:
[III.124.]
Figura III.56. Scheme caracteristice ale dispunerii fantelor și șlițurilor pe tubul de dren
unde:
– lungimea șlițurilor în lungul generatoarei (respectiv lățimea fantelor pe circumferință);
b – lățimea șlițurilor în lungul generatoarei (respectiv lungimea fantelor pe circumferință);
B – distanța între șlițuri (fante în lungul generatoarei);
n – numărul șlițurilor (fantelor) pe circumferință;
do – diametrul exterior al tubului de dren;
df – diametrul exterior al filtrului;
kfc – coeficientul de permeabilitate al materialului filtrant;
ksol – coeficientul de permeabilitate a solului studiat;
δ – grosimea materialului filtrant.
[III.125.]
în care:
Kfc – conductivitatea hidraulică a filtrului colmatat;
K1 – conductivitatea hidraulică a solului de sun dren;
[III.126.]
[III.127.]
[III.128.]
[III.129.]
[III.130.]
Cazul a. Pentru cazul drenurilor din PVC cu orificii dreptunghiulare având latura lungă orientată după generatoare, l > b (Figura III.55.a.) avem:
și [III.131.]
Cazul b. Pentru drenuri din PVC cu orificii dreptunghiulare, având latura scurtă orientată după generatoare l < b (Figura III.55.b.) avem:
și [III.132.]
Pentru cazul drenurilor din PVC fără filtru χ = 1, iar relația 124 capătă forma:
[III.133.]
Cazul c. Pentru tuburi din ceramică, la care intrarea apei în tub se face pe lungimea l a circumferinței (Figura III.55.c.) relația 124 devine:
[III.134.]
Pentru drenurile din ceramice fără filtru, când χ = 1, relația de mai sus devine:
[III.135.]
Notă: cu valorile () calculate cu relația I.David pe baza rezultatelor studiilor de drenaj de laborator se face calculul tehnico – economic al distanței între drenuri conform metodologiei cunoscute în literatura de specialitate și prezentată la paragraful 10.6.1. [44, 106, 130]
4.4.1.4. Metoda Töksöz și Don Kirkham
Este o metodă care se pretează la calculul distanței dintre drenuri când solurile au profil stratificat și planul de planul de separație al straturilor este sub drenuri. Pentru calcul au fost întocmite 14 nomograme (Figura III.57.)
Nomogramele țin seama de rapoartele K1/K2 și D0/D, în funcție de care se alege graficul folosit pentru determinare.
Pentru determinarea distanței dintre drenuri se calculează rapoartele D0/2r și R = h/D0. Intrând cu valorile acestor rapoarte într-unul din cele 14 grafice se obține raportul L/D0. Cunoscând D0 din această valoare se obține distanța dintre drenuri L.
Exemplu de calcul: Se cere să se calculeze distanța dintre drenuri L, pentru un sol bistratificat, când planul de separație dintre straturi se află sub drenuri.
Se cunosc: K2 = 0 m/zi; K1 = 1,2 m/zi; q = 6mm/zi = 0,006 m/zi; h = 0,6m; D0 = 1,6m; 2r = 0,2 m;
Pentru K2 = 0, avem strat impermeabil, utilizându-se graficul din figura III.56.a.
Se calculează rapoartele:
; și ; [III.136.]
Din nomograma din figura III.56.a. intrând pe axa verticală cu R = 71,6, la intersecția cu curba D0/2r = 8, se citește pe axa orizontală raportul L/D0 = 22.
Cunoscând adâncimea D0, distanța dintre drenuri se calculează cu relația:
4.4.2. Verificarea distanței dintre drenuri in regim nepermanent de functionare
Calculul distanței între drenuri se face în regim permanent iar verificarea distanței în regim nepermanent după mai multe metode cum ar fi: Glover-Dum, Krajenhoff van der Leur Maasland, etc. Se verifică durata coborârii nivelului apei freatice de la oprirea precipitațiilor, care nu trebuie să fie mai mare de 2 zile, din care 60 % din z în prima zi și 40 % din z în a doua zi (Figura III.57.).
Pentru situația D < ¼ L și h0 = 0,9 h, considerând că nivelul apei freatice scade de la h0 la ht în perioada de timp t, iar raportul ht/h0 < 0,8 se poate aplica, la verificarea dimensionării drenurilor în regim nepermanent metoda Glover – Dumm.
Pentru acest caz relația lui Glover – Dumm este o soluție dată prin integrarea relației lui Boussinesq:
ht = 1,16 h0 e-t/j; [III.137.]
în care:
; [III.138.]
unde:
a – este factorul intensității de drenaj (zile-1);
j – inversul lui a;
p – porozitatea drenabilă (%)
Figura III.57.a – j. Nomograme de calcul a distanței între drenuri după Toksoz – Kirkham.
Figura III.57.k – n. Nomograme de calcul a distanței între drenuri
după Toksoz – Kirkham.
Figura III.58. Schema de calcul (verificare) a drenajelor
în regim nepermanent de funcționare
Observație: Dacă nu se cunoaște porozitatea drenabilă p (%) din determinări de laborator ea poate fi calculată cu relația: p=, unde K se introduce în cm/zi.
iar:
[III.139.]
Din relația III.137. rezultă:
; [III.140.]
Din egalarea relațiilor III.138. cu III.140 rezultă:
[III.141.]
Distanța dintre drenuri, în regim nepermanent se calculează cu relația:
[III.142.]
Pentru verificarea distanței dintre drenuri în regim nepermanent se utilizează nomograma din figura III.59. Dacă coborârea nivelului apei freatice nu se face în condițiile prezentate anterior se redimensionează distanța dintre drenuri reducându-se valoarea acesteia.
Figura III.59. Nomogramă pentru calculul (verificarea) drenurilor
în regim nepermanent
Exemplu de calcul: Să se verifice funcționarea în regim nepermanent a drenajului proiectat, impunându-se ca după oprirea ploii, nivelul apei freatice să fie coborât de la h0 = 1,20 m la ht = 0,6 m, în t = 2 zile.
Se cunosc: K = 0,25 m/zi, p = 5 %, D0 = 5 m, L = 32,4 m.
Se calculează: ht/h0 = 0,6 /1,2 = 0,5; din nomograma reprezentată în figura III.58. rezultă raportul t/j = 0,84; rezultând j = 2 / 0,84 = 2.38 zile.
D = D0 + ¼(h0+ht) = 5 + ¼(0,6+1,2) = 5 + ¼ x 1,8 = 5 + 0,45 = 5,45 m;
KD = 0,25 x 5,45 = 1,36 m2/zi;
Distanța între drenuri pentru coborârea freaticului în 5 zile este:
Cum L este mai mic decât L propus în regim permanent de funcționare, se va alege
L = 25 m care va asigura coborârea nivelului freatic în cca. 2 zile de la oprirea ploii.
B. În regim nepermanent se face verificarea distanței L între drenuri. În literatura de specialitate sunt cunoscute 4 metode:
1. Metoda Glover-Dumm;
2. Metoda Dumm;
3. Metoda Krajenhof van der Leur Maasland.
4. Ecuatia De Zeeuw-Heelinga
Fig. III.60. Nomograma utilizata la calculul distantei intre drenuri cu metoda caietului [101]
Ecuatiile regimului nepermanent [77]
Abordarea regimului permanent descrie doar o relatie simplificata, constanta intre nivelul freatic si debit. In realitate, reincarcarea nivelului freatic variaza functie de timp si, in consecinta, debitul subteran catre drenuri nu este constant. Pentru a descrie fluctuatiile nivelului freatic ca functie de timp, se foloseste abordarea regimului nepermanent al scurgerii. Ecuatiile aferente se bazeaza pe ecuatiile diferentiale ale scurgerii nepermanente. Ambele abordari (atat cea permanenta cat si cea nepermanenta) sunt bazate pe presupunerile Dupuit-Forchheimer. Unica diferenta este reprezentata de reincarcare care in cazul regimului nepermanent este variabila in timp.
Ecuatia Glover-Dumm este utilizata pentru a descrie un nivel freatic in scadere dupa o ridicare brusca datorita unei reincarcari instantanee. Aceasta este situatia tipica in zonele irigate unde nivelul freatic se ridica deobicei brusc in timpul aplicarii unei norme de irigatie pentru ca ulterior sa scada mai incet.
Ecuatia De Zeeuw-Hellinga este utilizata pentru a descrie un nivel freatic fluctuant. In aceasta abordare o reincarcare neuniforma este impartita in perioade mici de timp pe durata carora aceasta reincarcare poate fi acceptata ca fiind constanta. Situatia este specifica zonelor umede cu o intensitate a precipitatiilor ridicata, concentrata in furtuni.
Ecuatia Kraijenhoff van de Leur-Maasland, care este utilizata la descrierea scurgerii nepermanente catre drenuri si cu o reincarcare constanta in locul uneia instantanee, este folosita in principal in activitatea de cercetare.
Ecuatia Glover-Dumm [77, 82, 98, 99]
In cazul debitului nepermanent, acesta nu este constant si prezinta schimbari in timp functie de aportul de apa de la suprafata sau din debitul eliberat de sol. Schimbarile din inmagazinare sunt reflectate in ridicarea sau coborarea nivelului freatic. Si in aceasta situatie se pot folosi teoriile Dupuit-Forchheimer pentru derivarea ecuatiei diferentiale a scurgerii nepermanente. Se considera o coloana de sol limitata de nivelul freatic la suprafata si un strat impermeabil la fund. Daca nu exista reincarcare a apei, variata acumularii din profilul de sol este data de:
unde:
– variatia in acumularea de apa pe unitatea de suprafata pe durata de timp considerata
– porozitatea drenabila
– variatia nivelului freatic pe durata de timp considerata
Modificarea inmagazinarii considerata pe o perioada de timp infinit de mica, dt, este:
Principiul continuitatii impune ca diferenta totala dintre iesirile si intrarile de debit pe directiile x si y sa egalizeze modificarea aferenta inmagazinarii. Prin urmare, ecuatia poate fi scrisa astfel:
Fig. III.61. Metoda Glover-Dumm pentru calculul distantei intre drenuri [77]
Aceasta ecuatie poate fi simplificata considerand ca h va fi foarte mare in comparatie cu modificarea suferita, astfel ca h este constanta D, reprezentant grosimea medie a stratului prin care se misca apa. Mai mult, intrucat consideram o scurgere unidirectionala, ecuatia precedenta ne da mai departe urmatoarea expresie, diferentiala, a scurgerii nepermanente:
Dumm a utilizat aceasta ecuatie diferentiala pentru a descrie coborarea nivelului freatic dupa ce s-a ridicat instantaneu la o inaltime h0 deasupra nivelul drenurilor. Solutia lui, care este bazata pe o formula dezvoltata de Glover, descrie coborarea unui nivel freatic initial orizontal functie de timp, spatiu, distanta intre drenuri si proprietatile solului.
(*)
unde (**)
Termenii de mai sus reprezinta:
h(x,t) – inaltimea nivelului freatic la distanta x si timpul t (m)
h0 – inaltimea initiala a nivelului freatic la timpul t=0 (m)
– factorul de reactie (d-1)
K – conductivitatea hidraulica (m/d)
d – adancimea echivalenta a profilului de sol sub nivelul drenurilor (m)
– porozitatea drenabila
L – distanta intre drenuri
t – intervalul dupa cresterea instantanee a nivelului freatic (d)
Inaltimea nivelului freatic la mijlocul distantei intre drenuri poate fi obtinuta facand substituirea in ecuatia (*)
unde ht reprezinta inaltimea nivelului freatic la mijlocul distantei intre drenuri la timpul t>0
Daca >0.2 , termenul al doilea precum si ceilalti termeni ai ecuatiei precedente au valori foarte mici si pot fi neglijati. In aceasta situatie ecuatia se reduce la:
(****)
In situatia in care, nivelul freatic initial nu are o forma orizontala ci una conforma unei parabole de gradul patru, ecuatia de mai sus devine:
Inlocuind ecuatia (**) in ecuatia precedenta gasim expresia distantei intre drenuri:
, cunoscuta ca si ecuatia Glover-Dumm.
Debitul scurs la timpul t, exprimat pe unitatea de suprafata, poate fi calculat utilizand Legea lui Darcy:
(***)
unde: qt = debitul descarcat pe unitatea de suprafata la t>70
Prin diferentierea ecuatiei (*) in raport cu x, neglijand toti termenii n>1, facand inlocuirea x=0 si combinand cu ecuatia (***) rezulta:
Inlocuind ecuatia (****) obtinem:
Aceasta ecuatie este similara cu ecuatia Hooghoudt descriind scurgerea sub nivelul drenurilor, exceptand factorul 8 care este inlocuit cu Pentru o parabola de gradul 4, devine 6,89. Se poate observa faptul ca debitul descarcat din drenuri, qt, depinde direct de adancimea nivelului freatic, ht. Aceste inlocuiri devin importante cand se analizeaza date din campuri experimentale.
Ecuatia originala a lui Glover-Dumm se bazeaza doar pe scurgerea orizontala si nu ia in considerare rezistenta radiala a scurgerii catre drenuri care nu atinge nivelul impermeabil. Prin similaritate cu abordarea regimului permanent, in orice caz in introducerea conceptului Hooghoudt privind adancimea echivalenta d, se ia in calcul si rezistenta cauzata de scurgerea convergenta catre drenuri.
Ecuatia De Zeeuw-Hellinga [32, 77, 98, 99]
Pentru reprezentarea descarcarii drenurilor pe un interval de timp cu o distributie neuniforma a reincarcarii, perioada de timp este impartita in intervale de lungime egala. De Zeeuw si Hellinga au descoperit ca, daca reincarcarea R in fiecare perioada de timp este presupusa a fi constanta, schimbarile in descarcarea drenurilor sunt proportionale cu reincarcarea in exces (R-q), proportionalitatea constanta fiind factorul de reactie .
Integrand intre limitele t = t: q = qt si t = t – 1: q = qt-1 obtinem:
unde: intervalul de timp in care reincarcarea se presupune a fi constanta
Se poate simula adancimea nivelului freatic prin introducerea ecuatiei simplificate Hooghoudt care neglijeaza scurgerea deasupra nivelului drenurilor:
Tinand cont de cele prezentate la ecuatia Glover-Dumm, putem face inlocuirea cu iar ecuatia precedenta devine:
Inlocuind ecuatia de mai sus in obtinem:
Putem folosi ecuatiile si pentru a simula descarcarea drenurilor si fluctuatiile nivelului freatic pe baza unei distributii critice a intensitatii precipitatiilor obtinute din date din arhive.
Discutii asupra ecuatiilor regimului nepermanent [32, 77, 82, 98, 99]
La o prima vedere abordarea acestor ecuatii ofera avantaje majore in comparatie cu regimul permanent dar varietatea de presupuneri utilizate restrang aria de folosire a acestor ecuatii. In primul rand, atat ecuatia ecuatia Glover-Dumm cat si ecuatia De Zeeuw-Hellinga pot fi aplicate doar in cazul solurilor cu profile omogene. In al doilea rand, scurgerea in regiunea de deasupra drenurilor nu este luata in considerare. Cand adancimea nivelului freatic deasupra nivelului drenurilor (h) este mare in comparatie cu adancimea pana la nivelul impermeabil (D), o eroare poate fi introdusa in calcule. Cea mai mare restrictie insa este reprezentata de introducerea porozitatii drenabile in calcule. Exceptand faptul ca aceasta proprietate a solului este dificil de masurat, aceasta variaza spatial. Introducand o valoare constanta pentru porozitatea drenabila putem ajunge la erori considerabile. Ca si o consecinta, ecuatiile regimului nepermanent sunt foarte rar si foarte greu de utilizat in proiectarea sistemului de drenaj subteran. Acestea se folosesc doar in combinatie cu ecuatiile regimului permanent. Cu toate acestea, ecuatiile regimului nepermanent sunt instrumente utile in studiul variatiei in timp a unor parametrii precum cresterea nivelului freatic, descarcarea drenurilor ca rezult al irigatiilor sau precipitatiilor.
Comparatii intre ecuatiile regimului permanent si ecuatiile regimului nepermanent [77]
Folosirea unor anume ecuatii pentru calculul distantei intre drenuri depinde in special de disponibilitatea datelor necesare. Tabelul urmator sintetizeaza parametrii necesari pentru cele doua abordari.
Tabelul 3.1 Comparatii intre ecuatiile regimului permanent si ecuatiile regimului nepermanent [77]
Pentru aplicarea ecuatiilor este necesar sa simplificam profilul de sol. S-a mentionat deja ca ecuatiile regimului nepermanent pot fi aplicate doar in cazul solurilor cu profil omogen; pentru un profil cu mai multe straturi trebuie utilizate ecuatiile regimului permanent. In ambele cazuri insa trebuie cunoscuta conductivitatea hidraulica, care este considerata a fi constanta pentru fiecare strat al profilului. Deoarece este mai dificil de masurat porozitatea drenabila (necesara regimului nepermanent) decat conductivitatea hidraulica, aplicarea ecuatiilor regimului nepermanent este limitata.
In abordarea regimului nepermanent, criteriul agricol se bazeaza pe raportul scaderii nivelului freatic h0/ht in locul unui raport nivel freatic – descarcare q/h ca in cazul regimului permanent. Criteriile agricole se bazeaza in general pe relatii care iau in considerare doar adancimea respectiv variatiile adancimii nivelului freatic. Iata deci ca desi pe de o parte abordarea regimului permanent necesita putine date despre sol, pe de alta parte criteriile agricole iau in considerare destul de des variatiile adancimii nivelului freatic. Din fericire este posibil sa combinam cele doua abordari deoarece criteriile corespondente pot fi transformate reciproc.
Considerand ecuatia Hooghoudt si presupunand doar scurgerea de sub nivelul drenurilor:
In ecuatiile regimului nepermanent, criteriile de proiectare sunt exprimate in factorul de reactie:
Combinand cele doua ecuatii si eliminand pe L obtinem:
Cu ajutorul ultimei ecuatii este posibil sa stabilim criteriile regimului nepermanent (scoborarea necesara a nivelului freatic intr-o anumita perioada de timp) pentru cercetari la scara pilot. Aceste criterii pot fi apoi convertite in criterii ale regimului permanent, care pot fi aplicare la scara de proiect. Astfel nu mai apare necesitatea masurarii porozitatii drenabile pentru aplicarea la scara de proiect, in practica fiind aproape imposibil de realizat.
4.5. Calculul diametrului și lungimii tubului de dren
După determinarea distanței dintre firele de dren L se pune problema determinării diametrului tubului de dren, cunoscând lungimea firului de dren B, panta i și debitul specific qspec.
Deosebim doua tipuri de drenuri: absorbante (Figura III.60.) care se varsă direct în canale deschise și colectoare (Figura III.61.) care colectează apa de la mai multe drenuri absorbante și o descarcă într-un canal deschis.
Figura III.62. Rețea drenuri absorbante cu vărsare în canalele de desecare
Figura III.63. Rețea drenuri absorbante cu vărsare în drenuri colectoare
Între diametrul drenurilor absorbante și lungimea lor B există o legătură directă prin intermediul debitului Q și a suprafeței deservite S:
Q = qspec · S = qspec · B · L; [III.143.]
Pe de altă parte debitul unui dren absorbant este dependent de panta longitudinală a firului de dren i, rugozitatea pereților tubului C și aria secțiunii transverdale A :
Q = A · C; [III.144.]
unde :
= ; C = ; R = ;
Relațiile de determinare a diametrului tubului de dren absorbant și respectiv ale drenurilor colectoare sunt relațiile lui Wesselling și Manning.
Calculul diametrului drenului absorbant se face pentru tuburi PVC riflate, cele ca re sunt folosite în acest sens, în ipoteza funcționării în regim liber, din punct de vedere hidraulic. Debitul drenului absorbant se calculează cu relația rezultată din prelucrarea relației III.144.:
Q = 0,312 kM D2,67 i0,5; [III.145.]
Relația III.145. este reprezentată grafic în figura III.62. fiind folosită pentru determinarea diametrului drenurilor absorbante din tuburi riflate, pentru curgere plină în regim uniform, cu panta longitudinală medie i. Panta longitudinală a drenurilor absorbante este de 1 – 5 ‰, fiind recomandată panta de 2 ‰
Figura III.64. Diagrama pentru calculul tuburilor de drenaje riflate în regim uniform.
Pentru un debit Q(m3/s) și o pantă longitudinală medie i(%) se determină diametrul interior d(mm) al tuburilor de dren riflate, funcționând în regim liber și având o capacitate de curgere de 100 %, pentru drenurile cu secțiune curată sau 75 %, pentru drenurile aflate în exploatare, la care se consideră că 25 % din secțiunea de scurgere este colmatată.
Valorile frecvente ale diametrului tubului de dren absorbant pot fi: 50, 65, 80, 100, 110 mm.
Drenurile colectoare executate din tuburi netede, se dimensionează pornindu-se de la aceleași principii, adică dacă se cunoaște debitul transportat, în regim laminar, uniform, cu secțiunea plină Q(m3/s) și panta longitudinală medie i(%) se poate determina diametrul tubului, folosind relația:
Q = 50 d2,714 i0,572; [III.146.]
Reprezentarea grafică a relațiilor dintre debite, pante și diametre a condus la diagrama din figura III.62., folosită pentru determinarea diametrelor, tuburilor de dren netede, în regim de curgere unoform, cu secțiune curată (100 % din capacitatea de transport) sau secțiune colmatată în proporție de 25 % (75 % din capacitatea de transport)
În practică, diametrele interioare ale drenurilor colectoare, din tuburi netede, cu funcționare în regim unifor sunt cuprinse între 150, 200 și 250 mm
Figura III.65. Diagrama pentru calculul tuburilor de drenaje netede în regim uniform.
În realitate funcționarea drenurilor absorbante și colectoare este neuniformă, debitul Q fiind dependent de suprafața deservită (relația III.143.) acesta având valoarea zero, pentru suprafața S = 0, adică în capătul amonte, și crescând proporțional cu suprafața, înspre capătul aval.
Din acest motiv, dar și pentru a preîntâmpina colmatarea secțiunii de transport, drenurile absorbante se dimensionează pentru curgerea la mică presiune în secțiunea aval a tubului de drenaj folosindu-se nomograma din figura III.64., utilizată și pentru determinarea suprafețelor de colectare a debitelor S și implicit a lungimii firului de dren B.
Exemplu de calcul: Să se determine lungimea maximă a firului de dren absorbant, realizat din tub riflat, cu diametrul interior de 60 mm, cu panta medie i = 0,1 % și regim de curgere sub mică presiune. Se cunosc debitul specific de drenaj qsp = 7 mm/zi și distanța dintre firele de dren L = 30 m.
Din diagrama din figura III.63. rezultă, pentru funcționare cu secțiune curată (100 %) suprafața drenată S = 0,82 ha, pentru 75 % S = 0,75 ha și pentru 60 % s = 0,5 ha. Alegând varianta cu funcționare la 25 % din secțiune activă colmatată rezultă Bmax = S/L = 7500 m2/30 m = 250 m.
Drenurile colectoare, executate din tuburi netede se dimensionează pe tronsoane, în regim de curgere neuniform sub mică presiune, cunoscând debitul Qi din secțiunea de calcul i, prin cumularea debitelor drenurilor absorbante care se descarcă până în această secțiune și panta medie a tronsonului considerat. Pentru aceasta se folosește nomograma din figura III.64.
Exemplu de calcul: Să se determine lungimea unui dren colector executat din tuburi netede, având trei tronsoane, cel amonte cu diametrul de 20 cm, median 25 cm și tronsonul aval cu diametrul de 30 cm, știind că în el se descarcă pe ambele părți drenuri absorbante cu lungimea Babs.= 250 m. Se mai cunosc: panta medie i = 0,05 %, debitul specific qsp = 5 mm/zi și regimul de funcționare la mică presiune cu 75 % din secțiunea de transport.
Pentru tronsonul cu diametrul de 200 mm, rezultă din diagramă suprafața drenată S1= 19 ha = 190000 m2; Lățimea suprafeței drenate fiind de 2 x 250 m = 500 m, rezultă lungimea tronsonului 1, B1 = 380 m; Pentru tronsonul 2 cu diametrul de 250 mm, suprafața S2 = 35 ha = 350000 m2; B2 = 700 m; Pentru tronsonul aval, cu diametrul de 300 mm, S3 = 48 ha = 480000 m2; B3 = 960 m.
Figura III.66. Nomograma pentru calculul suprafețelor drenate cu tuburi de drenaj riflate funcționând sub mica presiune
Figura III.67. Nomograma pentru calculul suprafețelor drenate cu tuburi de drenaj netede funcționând sub mica presiune
Lungimea totală a drenului colector executat din tuburi netede în trei tronsoane, cu diametre diferite și funcționare la presiune mică este: Bt = B1 + B2 + B3 = 2040 m.
4.6. Studii de drenaj pentru proiectarea amenajărilor de drenaj
Proiectarea drenajelor se bazează pe întocmirea unui studiu de drenaj prin care se stabilește distanța dintre drenuri – L, funcție de caracteristicile tubului de dren și ale materialului filtrant folosit, indicii fizico-chimici ai solului, etc. [17]
Întocmirea unui studiu de drenaj constă în întocmirea studiului de fundamentare a soluției de amenajare pentru drenaj, care cuprinde:
studii topografice (planuri de situație)<
studii hidrologice și hidrogeologice (izofreate);
studii pedologice [1, 2] (textura, conductivitatea hidraulica, indicele de stabilitate și de plasticitate, indicele micro-structural, etc.);
studii de amenajare agricolă;
prognoza evoluției solurilor;
studii de drenaj în laborator.
Studiile topografice cuprind planuri de situație la scara de 1:2000 cu echidistanța curbelor de nivel la 0,5 sau 1 m, care să permită trasarea pantelor drenurilor și întocmirea profilelor topografice;
Studiile hidrologice și hidrogeologice au rolul culegerii datelor necesare pentru determinarea debitului specific de drenaj qsp. și trasarea izofreatelor nivelului apei freatice;
Studiile pedologice constau în recoltarea și analize de probe de sol pentru determinări ale proprietăților fizico-chimice, ale texturii, indicelui de stabilire a drenajului cârtiță Idc; indicelui de plasticitate, Ip = Wl – Wp 22; indicelui micro-structural R = M/G 0,3 și ale conductivității hidraulice K, în laborator sau pe teren prin metoda “auger-hole”, etc.
Studii de amenajări agricole prin care se stabilesc categoriile de folosință ale terenului, organizarea teritoriului, asolamentul propus în concordanță cu măsurile hidroameliorative de eliminare a excesului de umiditate, etc.
Studii de prognoză a evoluției solurilor și pentru monitorizarea acestora în timp.
Studii și cercetări de laborator pentru determinarea caracteristicilor hidraulice ale tuburilor de dren, a materialelor filtrante, respectiv ai complexului tub de dren cu diferite materiale filtrante cum ar fi: determinarea coeficientului de rezistență hidraulică și determinarea gradului de colmatare în timp în contact cu solul.
Principalele criterii de alegere a materialului filtrant pentru dren sunt:
– criteriul hidraulic;
– metoda analitică;
– metoda experimentală (testarea materialului filtrant în laborator).
Determinarea coeficientului de rezistență hidraulică la intrarea apei în tubul de dren fără filtru (i ) sau în complexul dren plus filtru ( if ).
Coeficientul de rezistență hidraulică la intrarea apei în drenul fără filtru (i ), respectiv în complexul dren plus filtru ( if ) se determină pe standul având drenul așezat vertical (Figura III.66.)
Coeficientul de rezistență la intrare (i, if) se calculează cu relațiile:
; și ; [III.147.]
unde:
Wi, – rezistența la intrarea apei în tubul de dren fără filtru (zile/m);
Wif – rezistența la intrarea apei în complexul tub de dren plus filtru;
Figura III.68. – Schema de ansamblu a standului având drenul așezat vertical,
pentru determinarea coeficientului de rezistență la intrare.
Acestea se calculată cu relațiile:
; și ; [III.148.]
în care:
h0 – nivelul apei în interiorul tubului de dren;
hi , hif – înălțimea piezometrică la limita exterioară a tubului de dren;
q – debitul scurs din stand prin dren (prin sifonare, pe unitatea de lungime a drenului);
kn – coeficientul de filtrație a nisipului din stand, calculat cu relația:
[III.149.]
unde:
h0, H – înălțimea piezometrică citită la tabloul de piezometre corespunzător piezometrelor montate la distanțele r0 și R de axul tubului de dren.
Determinarea gradului de colmatare în timp a complexului tub de dren cu filtru, în contact cu solul ce urmează a fi drenat.
Pentru determinarea gradului de colmatare în timp a complexului tub de dren plus filtru, este necesară determinarea prealabilă a coeficientului de permeabilitate inițială necolmatată (K) a materialelor filtrante.[42, 54, 114, 126]
Aceasta se realizează pe standul de tip Darcy (Figura III.67.) în care se introduce materialul filtrant, se umple cu apă, se reglează alimentarea cu apă și evacuarea pentru a se realiza un regim permanent de scurgere a apei.[54]
Urmează efectuarea de măsurători volumetrice, de debit la o sarcină constantă (h) înregistrată la tabloul de piezometre.
Figura III.69. Secțiune transversală prin standul de tip Darcy folosit pentru determinarea permeabilității inițiale, necolmatate a materialelor filtrante
Relația de calcul a permeabilității inițiale (Kfo) în stare necolmatată a materialului filtrant este:
; (mm/zi) [III.150.]
unde :
Q – debitul calculat cu relația:
[III.151.]
Vol – volumul de apă măsurat în timpul (t );
t – timpul în care s-a măsurat volumul de apă;
h – diferența de sarcină citită la tabloul de piezometre între două puncte: sub și respectiv deasupra materialului filtrant;
l – grosimea materialului filtrant pus în stand;
S – secțiunea standului (10 x 10 cm = 100 cm2 )
În continuare se va determina gradul de colmatare în timp a complexului tub de dren cu diverse materiale filtrante în contact direct cu solul ce urmează a fi drenat. Materialele filtrante folosite la drenaj au în momentul inițial o permeabilitate specifică, de regulă mare (mult mai mare decât a solului drenat), care în timp se reduce datorită fenomenului de colmatare cu particule de sol antrenate de apa drenată.
În același timp are loc și o tasare a lor sub încărcarea pământului de umplutură din șanțul de drenaj așezat peste tubul de drenaj și filtru. În plus la drenul fără filtru poate apărea obturarea găurilor de intrare cu particule de sol și depunerea în interiorul său a particulelor de sol care au pătruns prin găurile de intrare a apei în tubul de dren.
Toate aceste fenomene produc în timp colmatarea tubului de dren și respectiv a filtrului.
Pentru proiectarea corectă tehnico-economică eficientă a rețelelor de drenaj este necesar ca în calculul distanței dintre drenuri să se ia în considerare permeabilitatea materialului filtrant după colmatarea acestuia cu particule de sol (K) așa cum va funcționa în realitate în câmp.
Gradul de colmatare în timp a complexului tub de dren cu diferite materiale filtrante în contact cu solul ce urmează a fi drenat se determină pe standul având drenul așezat orizontal. (Figura III.68.)
Figura III.70. Secțiune transversală prin standul având drenul așezat orizontal
Pe standul de acest tip se poate măsura debitul drenat zilnic, se dispune de debitul din prima zi (qi) și după cca. 30 zile de funcționare cu întreruperi săptămânale, cu debitul stabilizat notat (qc), se observă că debitul a scăzut din prima zi până în ultima de mai multe ori, datorită colmatării. [40, 113, 114, 126, 128]
Notând cu η coeficientul de colmatare al materialului filtrant, care reprezintă raportul dintre debitul inițial (qi) și cel stabilizat după colmatare (qc), avem:
; [III.152.]
Conform relației lui Darcy, în același raport cu debitele sunt și valorile coeficientului de permeabilitate ale materialului filtrant pentru drenaj (Kfi și Kfc), putându-se scrie:
; [III.153.]
Dispunând de valorile Kfc se poate calcula analitic valoarea coeficientului de rezistență hidraulică la intrarea apei în complexul de dren plus material filtrant, coeficient care permite calculul de proiectare tehnico – economică eficientă a distanței dintre drenuri L.
Pentru caracterizarea influenței materialului filtrant a fost introdusă noțiunea de coeficient de eficiență hidraulică, definită astfel:
; [III.154.]
Coeficientul de eficiență hidraulică este criteriul de apreciere al efectului materialului filtrant asupra funcționării în timp a drenului dat de următoarele limite de valori:
Ceh >> 1 – efect deosebit de favorabil;
Ceh > 1 – efect favorabil;
Ceh = 1 – fără efect;
Ceh < 1 – efect defavorabil.
4.6.1. Calculul tehnico – economic al distanței între drenuri pentru proiectarea amenajărilor de drenaj pe baza rezultatelor obținute din studiile de drenaj
Proiectarea hidraulică rațională a drenajelor impune completarea formulei clasice tip Ernst de calcul a drenajelor cu termenul adițional hif pierderea de sarcina la intrarea apei în tubul de dren cu material filtrant (E.T. Man, 1983) [44]
Relația generală de calcul pentru un profil de sol stratificat (fig.III.69) este:
[III.155.]
unde: [III.156.]
Figura III.71. – Schema de calcul a drenajelor în cazul unui profil de sol stratificat, în condițiile folosirii materialului filtrant
Valoarea(if)se calculează analitic cu relația determinată de I.David (rel.1’), funcție de valoarea Kfc determinată experimental, de geometria orificiilor tubului de dren, de conductivitatea hidraulică a solului ce urmează a fi drenat.
Rezolvarea calculului distanței dintre drenuri (L), se poate face utilizând nomograma tip Ernst, impunând h între 40 – 120 cm, funcție de textura solului și determinarea într-o primă aproximație a distanței dintre drenuri, pentru : hit= horiz+ hrad = h – (hrad + hif), ca element hidraulic de intrare în nomogramă.
Cunoscând valoarea lui (if) calculată, se determină distanța dintre drenuri (L) prin rezolvarea ecuației de gradul doi prezentată în relația 8.
Cu această distanță se calculează lungimea de dren ce revine amenajării unui hectar de teren (fig.III.70).
Figura III.72. Schema amenajată cu drenaje a unei suprafețe de 1 hectar.
Numărul de linii de drenuri pe o lățime de 100 m: L
Lungimea de dren necesară amenajării unui hectar va fi: Lx100m = 10.000 : L (m/ha) .
Dacă se determină costul unui kilometru de dren pozat în teren, conform calculelor de deviz cu prețurile și tehnologiile existente în vigoare la data respectivă, se obține investiția specifică (Is) astfel:
Is = costul ( lei / km ) 10 : L( km / ha ) = –( lei/ ha ) .
În acest mod se analizează toate variantele de tub de dren și materiale filtrante testate pentru profilul de sol respectiv, alegându-se astfel soluția tehnico-economică optimă corespunzătoare investiției specifice minime.
Pentru efectuarea rapidă a calculului distanței între drenuri conform acestei metodologii [44, 51, 106, 130] a fost realizat un program de calcul DrenVSubIR [BC-4, 16] ce este prezentat în cap. IV – 16.2. pag. 346 vol. II.
Observație:
Pentru cazurile de soluri grele (slab permeabile) care au o conductivitate hidraulică Ksol < 0,3-0,4 m/ zi
Calculul prezentat în acest paragraf conduce la distanțe mici între drenuri, sub 10- 20 m de aceea în această situație în funcție de conținutul de argilă al solului, se poate determina soluția de drenaj încrucișat folosind nomograma specială de calcul pentru soluri grele, stabilindu-se distanța L între colectorii de drenaj închis în tranșeea filtrantă și distanța dintre drenurile cârtiță.
Pentru asigurarea unei evacuări corespunzătoare a apei pe aceste soluri se impune modelarea terenului și afânarea adâncă a profilului de sol, asigurându-se astfel o infiltrație mai rapidă a apei înspre drenul colector.
4.7. Drenajul vertical (fântâni de pompare)
4.7.1. Probleme generale. Avantaje. Dezavantaje
Drenajul vertical se realizează cu fântâni sau foraje de pompare. Fântânile de pompare pot fi folosite nu numai pentru obținerea apei potabile industriale (ex. zona Brașov) și pentru irigații ci și pentru scoborârea nivelului apei freatice.
Tehnica fântânilor este relativ nou dezvoltată iar numărul proiectelor realizate pentru desecare-drenaj este relativ redus.
În California în 1918 Peterson execută primele foraje. În Vestul Pakistanului au fost instalate fântâni pentru controlul nivelului apei subterane și al salinității solului. În Uzbekistan primele foraje au fost realizate în 1926. În zona Ararat 2000 ha au fost drenate cu 25 fântâni de pompare.
Drenajul vertical este realizat prin fântâni forate cu diametru mic și adâncime mare din care se pompează apa (pompe sau sifonare) și care este trecută apoi în emisar sau la diferite utilizări. Principalele tipuri de stratificare pentru drenajul vertical sunt:
Fig.III.73. Stratificații acvifere tipice pentru drenajul vertical
strat acvifer sub presiune, limitat, când la suprafața terenului avem strat impermeabil
strat acvifer sub presiune, semilimitat, când în stratul semipermeabil de la suprafață se poate neglija curentul de apă orizontal. Se evidențiază un nivel piezometric al stratului acvifer și un nivel freatic interesat în lucrările agricole.
strat acvifer liber semilimitat, când stratul de la suprafața solului are o permeabilitate mică dar curentul orizontal de apă nu se poate neglija
strat acvifer liber nelimitat
Avantaje:
pe terenurile denivelate care nu au pantă naturală pentru descărcarea apei, care au depresiuni locale se folosește sistemul cu fântâni de pompare unite între ele cu conducte de legătură. Costul de întreținere al sistemului de conducte de legătură între fântâni este mai redus decât costul de întreținere al canalelor de desecare deschise care ar fi și foarte adânci.
Nu ocupă teren agricol
Au un cost de investiții mai redus
Dacă apa pompată are calitate bună poate fi folosită la irigații, alimentări cu apă
Dezavantaje:
Este o lucrare mai tehnică folosită pentru desecare
Necesită energie de pompare și instalații de pompare
Nu este economică pentru suprafețe mici, are influențe pe o suprafață întinsă, colectează și apa subterană din zonele învecinate care sunt în legătură cu zona propusă spre drenaj
Fântânile pot fi folosite cu succes în zone cu caracteristicile stratului acvifer favorabile (transmisivitate hidraulică mare)
Nu sunt recomandate fântânile de pompare dacă stratul acvifer are presiune arteziană ridicată și infiltrații mari
Tipuri de fântâni de pompare :
Fântâni în strat liber acvifer nelimitat și regim permanent
Fântâni în strat acvifer liber nelimitat și regim nepermanent
Fântâni în strat acvifer sub presiune, semilimitat și regim permanent
Fântâni în strat acvifer sub presiune, semilimitat și regim nepermanent
4.7.2. Tipuri de fântâni de pompare
4.7.2.1. Fântâna de pompare perfectă în strat acvifer liber nelimitat și regim permanent
Ipoteze necesare pentru studiu:
se consideră că solul este omogen și izotrop în strat acvifer care se extinde în lateral la infinit
stratul acvifer este orizontal
mișcarea are loc în stratul acvifer
Fig.III.74. Schema de calcul la pomparea din strat acvifer liber nelimitat, fântâtă perfectă
Q care se pompează în condițiile ipotezelor simplificatoare:
Pentru r=r1 h=h1 și pentru r=r2 h=h2
Integrând expresia debitului și punând condițiile de margine se obține:
Din figură: h1 = D – S1 și h2 = D – S2 h1 + h2 = 2D h2 – h1 = S1 – S2
Înlocuind în relația de mai sus se obține:
Dacă r2 = re S2 = 0 și dacă r1 = ri S1 = S
relația pentru scoborârea apei în fântână calculată în m
Exemplu numeric 1 (Aplicația 1):
Într-un strat acvifer cu transmisivitatea hidraulică KD=1200m2/zi se pompează în regim permanent dintr-o fântână perfectă un debit Q=1500m3/zi. Presupunând că raza de influență a fântânii este re=500m și ri=0,3m se cere să se calculeze următoarele:
coborârea de nivel S în fântână
coborârea de nivel la 30m de fântână
Rezolvare:
a)
b)
Observație: Dacă re =300m,
ri = 5’’=0,12m →
Dacă avem o fântână interioară de 7’’:
ri = 7’’ → ,
Media: care se poate adopta →
sau unde
Fig. III.75. Scoborârea funcție de raza de influență a forajului
→ dacă: →
4.7.2.2. Fântână perfectă în strat acvifer liber nelimitat și regim nepermanent
FigIII.76. Variația scoborârii de nivel în timp
La începutul pompării regimul este nepermanent o anumită perioadă de timp scoborârea de nivel în fântână crescând în timp. După o anumită perioadă de pompare (~1 săptămână) regimul devine permanent scoborărea de nivel în fântână menținându-se aproximativ constantă conform figurii. Theisse (1935, Germania) și Edelman (1936,Olanda) au considerat un inel de înălțime dh denumit torr(fig.5) pentru care gradientul debitelor Q1 și Q2 la intrare și respectiv la ieșirea din torr sunt:
Fig. III.77. Torr
(gradientul debitului Q1)
(gradientul debitului Q2)
Variația debitelor în secțiunea de intrare este egală cu variația volumelor în timp:
(*)
unde:
Înlocuind aceste valori în relația (*) se obține:
Neglijând ∞ mici de ordinul 2 se obține după ordonarea factorilor relația:
Relația reprezintă ecuația diferențială în regim nepremanent pentru o fântână perfectă în strat acvifer. Punând condițiile de margine:
t = 0 h = h0 0 < r < ∞ h0=D – adâncimea apei în fântână înainte de pompare
t > 0 h = h0 r = ∞
Theisse în 1935 dă soluția acestei ecuații diferențiale de forma următoare:
(1)
Notă: Edelmann în 1936 regăsește ecuația în care W(u) reprezintă funcția lui Theisse care este dată tabelar și în graficul de bază.
Valorile funcției W(U) și Ko(x)
Tabelul 1
unde: p = porozitatea stratului de sol;
h = adâncimea apei din fântână sau la o anumită distanță r după
timpul t de la începerea pompării
.
Calculul acestei funcții a fost făcut în 1945 de Yahnke și Emde, care au făcut următoarele considerații: – funcția a fost dezvoltată în următoarea serie:
dacă u < 0,01 (Coopen și Iacob în 1946) face următoarea aproximație: – se rețin doar
primii doi termeni din dezvoltarea în serie:
W(u) = – 0,5772 – lnU.
În acest caz rezultă că:
sau
Această formulă aproximativă care se aplică numai pentru u < 0,01 nu mulțumește. Pentru cazul general u este dat în graficul de bază sau în tabel.
Dar: 0,5772 poate fi scris ca 2,3 x 0,25 ~ 2,3 log 1,75
→ (2) formulă aproximativă transformată
Fig.III.78. Graficul de bază
Valorile funcției W(u) după Theisse tabelul 1
La limita exterioară a fântânii pentru r → ∞, S = 0, iar la limita inferioară când în fântână oprim pomparea S = 0 la un moment t = t0.
Ne propunem să găsim pe t0 = ?
1. Teoretic: S = 0
(3)
rezolvarea ecuației logaritmice conduce la:
(3’)
(4)
Practic construim o diagramă de forma următoare:
Fig.III.79. Diagrama de funcționare
Luăm fracțiunea pentru ca . Scăzând din relația 2 relația 3
Exemplu numeric 2 (Aplicația 2):
Într-un strat acvifer cu transmisivitatea KD = 1200 m2/zi se pompează din fântână
Q = 1500m3/zi în mod continuu. Porozitatea stratului este p = 0,1.
Se cere:
a) Care este scoborârea S la 30m de fântână după 2 zile de pompare continuă?
b) Care este timpul necesar pentru a obține un regim permanent (ca în exemplul 1)
S30 = 0,56 m la ri=0,3m ?
c) Care este distanța de la fântână unde S = 0?
Rezolvare:
Se pleacă de la relația:
Se calculează:
a) S30 la t=2 zile
b)
c) S=0
Dacă ≠ 0
rezultă că
4.7.2.3. Fântână de pompare perfectă într-un strat acvifer semilimitat și regim permanent
Fig.III.80. Schemă funcțională
K’<<K coordonate cilindrice (h, r)
Într-o secțiune r viteza de coborâre a nivelului freatic este:
unde: c – rezistența verticală a stratului semipermeabil
Stratul de grosime D’ este saturat cu apă.
Debitul care vine spre fântână în stratul acvifer, infiltrat din zona vecină este: (1) debitul din mișcarea radială.
Fig.III.81. Torr
Debitul elementar care se scurge spre canal (se calculează din suprafața torr-ului):
– secțiunea de curgere
= vz
Dar (2)
Scriind diferențiala ecuației (1) obținem:
(1’) .
Egalându-se ecuațiile (1’ ) cu (2) și împărțind cu 2π·KD·r se obține ecuația diferențială a unui foraj de pompare perfect în strat semi-acvifer și regim permanent:
(3).
Punem condițiile de margine:
r = ∞, h = h’
∞ > r > 0, h’ = constant
Soluția ecuației diferențiale a fost dată de DE GLEE (1930) și are forma: unde: .
Notăm cu:
Funcția K0(x) este funcția Bessel modificată de Hankel și în 1956 Hantush face următoarea aproximație:
Pentru
Aceasta deoarece K0(x) = I0(x)
unde: . din care se reține doar primul termen.
Valorile exacte ale lui K0(x) sunt date în tabelul 1 sau în graficul de bază.
Valorile lui K0(x) = f(x)
Exemplu numeric 3 (Aplicația 3):
Un strat semiacvifer are transmisivitatea hidraulică KD=2500 m2/zi, stratul semipermeabil de la suprafață este saturat cu apă pe o grosime D’= 11m+0,1n și are K’=0,02m/zi. Debitul pompat constant este Q=1800+ n m3/zi.
Se cere:
a) coborârea de nivel (S) la distanța r = 50m de fântână
b) care este viteza de infiltrație a apei (vz) din stratul superior în cel inferior la aceeași distanță r=50m de fântână.
c) (cât este) raza de influență a fântânii (rc)
Rezolvare:
a) formula de calcul
Pentru: r = 50m, .
K0(0,043) = 3,28 (din tabel)
b) vz = ?
vz = 0,67·10-3 m/zi
c) S = 0
4.7.2.4. Fântânâ perfectă în strat semiacvifer și regim nepermanent.
În acest caz ecuația diferențială a fenomenului este de forma:
,
unde: p* – capacitatea de înmagazinare sau cedare a apei din stratul KD (porozitate echivalentă), cu valori între 10-4 – 10-2
unde: p – densitatea apei;
Ea – modulul de elasticitate al apei;
Em – modulul de elasticitate al mediului acvifer.
Se pun condițiile de margină:
t = 0 r > 0 h(r, t) = h’
t > 0 r = ∞ h(r,t) = h’= constant, următoarea soluție, pentru ecuația diferențială de mai sus, a fost obținută de Hantush și Iacob (1955):
Valorile funcției W(U) și Ko(x)
Tabelul 2
Valorile funcției W
Hantush si Jacob (1955)
unde:
Kruseman si Ridder (1970) dă o altă relație:
Exemplu numeric (Aplicația 1)
Într-un foraj hidrogeologic au fost întâlnite următoarele straturi:
0 – 12m nisip fin cu nivelul apei freatice la 2m adâncime
12 – 20m nisip fin către foarte fin cu ușoare intercalări de argilă și lut
20 – 40m strat de nisip obișnuit și moderat de fin
> 40m strat impermeabil de argilă
De la acest foraj au fost extrase probe de sol care au arătat că strat 2 este semipermeabil K foarte mic și stratul al treilea de bază este permeabil și transportă apă subterană. Se instalează o pompă în fântâna de pompare la 40m adâncime și piezometre în primul și al treilea strat. După 3 zile de pompare se ajunge la un debit constant de 50m3 pe oră obținându-se astfel un regim permanent, piezometrul în stratul 3 în acest timp indicând următoarele scoborâri.
După 3 zile de pompare piezometrele așezate în stratul superior au arătat o scoborâre de 3,3 cm. Este evident că stratul 2 are o permeabilitate scăzută și problema poate fi studiată ca în cazul unui strat semiacvifer 20 – 40 m.
Se cere:
a) schița profilului
b) să se calculeze constantele hidrologice: KD, c, λ
c) se cere: c2 și K2
d) debitul infiltrat prin stratul acvifer în zona dintre 60 și 120m, 120 și 240m, 240 și 300m, 300 și 600m.
e) scoborărea de nivel la 50, 100, 200, 400, 600m de la foraj, precum și debitul pompat de 75 m3/h.
Rezolvare:
a) Schița profilului este:
Fig.10 Schița profilului
b) Reprezentăm în scară dublu logaritmică funcția S=S(r) având în ordonată
S(m)→(0,01; 0,1; 1,0) și în abscisă distanțele r(m) →(1, 10, 100, 1000). Se reprezintă în această scară datele din tabel. Se suprapune această diagramă (pe hârtie transparentă) peste graficul de bază și se trasează curba care acoperă bine toate punctele.
Se alege un punct arbitrar P – pe graficul de date și se înțeapă cu un ac și graficul de bază.
Punctul P are următoarele coordonate:
P în graficul de bază x=0,45 K0(x)=1 [Fig.6]
P în graficul de date r=130m, S=0,25m
Fig. 11 Graficul de date
După DeGlee avem:
Cunoscând pe KD și D3 se poate determina K3 astfel:
c – valoare ponderată a rezistenței verticale pentru primele 2 strate de la suprafață
c) ; Se face următoarea aproximare: K1=K3=0,38m/zi
d) Calculul scoborârii de nivel pe zone între r2 și r1 se va face calculând mai întâi raza medie:și apoi cu această valoare a lui r0 se va calcula S din grafic:
Astfel:
Între 60 – 120m
120 – 240m 240 – 300m
300 – 600m
Debitul eliminat din stratul freatric prin infiltrația în adâncime și apoi spre fântână în aceste zone este:
Zona 60 – 120m
120 – 240m
240 – 300m
300 – 600m
Reprezentând grafic se obține o curbă de forma:
Fig.12 S=f(q)
e) care ar fi coborârea de nivel S la distanțele 50, 100, 200, 400 și 600 m într-un regim permanent dacă s-ar pompa constant un debit Q=75m3/h, KD=765m2/zi, λ=300.
Relația de calcul este: (*)
Se calculează pentru fiecare distanță r valoarea raportului (r/λ) = x și se citește din tabel sau din grafic valoarea lui K0(x) corespunzătoare. Apoi cu relația (*) se calculează scoborârea S în fiecare punct astfel:
din tabel(grafic);conform relației(*) S50=0,71m
În mod similar se calculează x100, x200, x400 și x600:
Observație: Deoarece debitul forajului este 75m3/h sau ori debitul inițial, scoborârea nivelului în foraj va fi de 1,5 ori mai mare decât în timpul primului test de pompare cu debitul de 50m3/h.
Exemplu numeric 5:
La un alt foraj de pompare s-au găsit următoarele profile:
0 – 20m nisip mediu și grosier
20 – 25m argilă grea
> 25m nisip grosier
Din măsurători de laborator a fost gășit pentru stratul de argilă o valoare foarte mică pentru coeficientul de permeabilitate K putând fi considerat acest strat impermeabil. Pentru determinarea constantelor hidrogeologice se face o pompare experimentală și se instalează piezometrele la distanța r de foraj pentru măsurarea scoborârii de nivel în piezometre la diferite intervale de timp datorită pompării apei din puț. Valorile găsite pentru scoborârea de nivel în timp a acestui test de pompare cu un debit constant de 1500m3/zi sunt date în tabelul următor:
Se cere:
a) constantele hidrogeologice KD și porozitatea p după ce în prealabil a fost efectuată schița profilului.
Rezolvare:
1. Schița profilului:
Fig.13 schita profilul real
2. Datele din tabelul dat în enunțul problemei le prelucrăm în următoarele tabele:
3. Reprezentăm aceste valori din ultimele 5 tabele în scară dublu logaritmică în coordonate: S=S(r2/t) având în abscisă r2/t (102, 103, 104, 105) iar în ordonată S(m) (0,001; 0,01; 0,1; 1,0). Graficul se execută pe hârtie transparentă.
4. Suprapunem această coală peste graficul de bază a funcției W(u) și trasăm curba care acoperă bine majoritatea punctelor.
5. Se alege un punct Q arbitrar și i se citește coordonatele atât în graficul de bază cât și în graficul de date.
Q Grafic de bază (Fig.6): U=0,265 W(u)=1
Fig. 14 Graficul de date de la exemplul numeric 2
Grafic de date: (r2/t)=5,3*103 S=0,20
6. Pentru a calcula valorile lui KD folosim următoarea relație:
7. Având în vedere că:
și înlocuind termenii cu valorile lor avem:
Exemplu numeric 6:
În timpul unui test de pompare într-un strat acvifer într-un piezometru așezat la distanța de 25m de foraj s-a înregistrat la un debit constant de 150m3/h următoarea scoborâre de nivel în decursul primei ore de pompare:
Se cere să se calculeze valorile lui KD și p ale stratului acvifer când debitul fântânii este de 150m3/h.
Rezolvare:
Reprezentăm în scară semilogaritmică valorile S=S(t) având în abscisă t=zile în scară logaritmică (10-4, 10-3, 10-2, 10-1) iar în ordonată S=cm (0, 10, 20, 30, … ,80) Prelungim linia dreaptă obținută prin unirea punctelor până intersectăm abscisa și rezultă punctul t0=t ,S=0. Din grafic se observă t0=4,2×10-4(zile).
Fig.15 S=S(t)
Se alege o unitate logaritmică (10-3, 10-2) pentru care corespunde un ΔS=0,44m. Cu aceste date se observă că: iar
Se știe că:
Deci:
4.7.3. Considerații generale de sinteză.
Dacă considerăm – debitul din precipitații sau excesul apei de irigații pe un teren semiacvifer avem următoarele caracteristici:
– rezistența verticală a stratului semipermeabil;
– transmisivitatea stratului permeabil;
– porozitatea efectivă
Fig.16 Schemă de calcul
Deci: Valorile rezonabile ale rezistențelor verticale pentru desecarea verticală are valoarea și KD corespunzător stratului.
4.7.4. Capacitatea maximă a unei fântâni
4.7.4.1 Capacitatea maxima a unei fântâni în regim permanent
O fântână forată sau cu diametru mare are debitul extras funcție de nivelul S din fântână. La valori S mari se antrenează particule de sol în fântână. Solul se tasează și apar colmatări ale fântânii. Datorită vitezei de antrenare a particulelor fine de sol în fântână trebuie limitată viteza maximă a apei.
Dacă 40% din particule au diam ≤ 1mm va ≤ 0,002 m/s
40% din particule au diam ≤ 0,5mm va ≤ 0,001 m/s
40% din particule au diam ≤ 0,25mm va ≤ 0,0005 m/s
Fig.17 Schemă de calcul pentru capacitatea maximă a unei fântâni în regim permanent
Debitul scos se poate exprima pentru cilindrul de rază r astfel:
Arealul care alimentează o fântână asigură un debit capabil notat Qcap în regim permanent.
Fig.18 Regim permanent
Qcap = v ∙ S v = j ∙ K S = B ∙ H (strat liber nelimitat)
Qcap = B ∙ M ∙ j ∙ K (strat sub presiune)
M – înălțimea stratului acvifer ce curge
(m) (Sichardt)
Se poate scrie și o altă relație pentru calculul debitului funcție de precipitații:
A – suprafața aferentă ce alimentează fântână [km2]
qs – debit cu următoarele valori:
0,4m/s/ha – desecare – 40 l/s/km2
0,5 – 3l/s/km2 – fântâni cu alimentare cu apă
Numărul de fântâni posibil de amplasat notat cu n se calculează din raportul:
. Pentru a calcula Qmax_adm_fânt se pleacă de la:
.
Condiții de limită: pentru r=R h=H și pentru r=ri h=H-S
Înlocuind obținem: deci
(1) (ecuația unei curbe)
Debitul maxim aspirat de către fântână funcție de viteza admisă de antrenare a particulelor este la marginea fântânii. (2) (ecuația unei drepte)
Reprezentăm grafic cele 2 ecuații astfel:
Fig.19 Reprezentarea grafică a celor 2 ecuații
Notă: Intersecția celor 2 ecuații ne dă valoarea debitului maxim admis la o fântână care se obține corespunzător scoborârii în fântână la nivelul valorii S optim.
Notă: Pentru stratul sub presiune se procedează cu calculele în mod asemănător cazului precedent obținând relații de calcul similare lui 1 și 2 adică 1’ și 2’.
4.7.4.2 Capacitatea maximă a unei fântâni pentru straturi sub presiune
Fig.20 Schemă de calcul pentru strat sub presiune
Relațiile de calcul pentru cazul stratului sub presiune se obțin astfel. Se pleacă de la:
Se pun condițiile de margine: Pentru r=ri h=H-S și pentru r=R h=H
Se înlocuiesc și se scad: .
Debitul maxim al fântânii funcție de viteza de antrenare:
Ambele ecuații sunt ecuațiile unor drepte și care reprezentate grafic ne dă un grafic de forma următoare:
Fig.21 Reprezentarea grafică a celor 2 ecuații
4.7.5. Fântâni de pompare într-un strat acvifer cu limitarea zonei de canale deschise
Uneori în apropierea fântânilor de pompare se află un canal de desecare a cărui nivel de apă face alimentarea stratului. Problema se rezolvă prin problema imaginii sau „SUPER POSITION” care a fost rezolvată de Muscat în 1937.
Fig.22 Schemă de calcul
Δh – scoborârea reală a nivelului apei la punctul P. În puncul P avem montat un piezometru. Δhr – este scoborârea într-un punct P la un foraj de pompare în zona nelimitată. Δhi – cota față de nivelul inițial al apei în punctul P dată de un puț. (fântână absorbantă în care se introduce debitul Q).
Considerăm situația unei fântâni reale fără limitare și pentru un punct P de coordonate carteziene P(xi,yi) vom avea denivelarea următoare:
(relație determinată similar ca în cazurile precedente și reprezintă scoborârea în fântâna reală unde re este raza de influență exterioară a fântânii)
Adunând cele 2 relații:
Relația ne dă valoarea scoborârii pentru fiecare punct P a cărui distanță față de fântâna reală și imaginară este rr și ri. Fântâna imaginară fiind simetrică fântânii reale față de canal pentru verificare Δh=0. Un punct ales pe canal va avea ri=rr.
. Această relație este scrisă în coordonate polare. Pentru calcul se obișnuiește utilizarea în plan a coordonatelor carteziene ale punctului P notate astfel: Pi (i = 1, 2, 3, … ).
Fig.23 Schemă de calcul
Pentru punctul P în acest caz cu aceste elemente vom avea scoborârea de nivel conform relației: ;
unde G(x,y) = funcția lui Green
Se prezintă în continuare următoarele cazuri particulare:
4.7.5.1 Fântână așezată în apropierea unui cot de canal
Fig.24 Schemă de calcul
Rezolvarea problemei: Față de canal se ia la distanța a o fântână imaginară.
În acest caz .
Obsevație: În acest caz se observă că s-a luat o fântână imaginară față de axa x și față de axa y iar pentru compensare, o fântână reală.
4.7.5.2 Fântână între 2 canale
Fig.25 Schema de calcul
Condiție: ri > 100rr
4.7.5.3 Fântână înconjurată în 3 părți de canale
Fig.26 Schema de calcul
Exemplu numeric:
Considerăm stratul acvifer cu KD=1200m3/zi (spre comparare, primul exemplu numeric din desecare verticală). Se pompează în regim permanent Q=1500m3/zi și avem un canal la 100m. Raza interioară a forajului este ri=0,3m.
Se cere:
scoborârea în fântână
scoborârea într-un punct de coordonate P(200,0)
În fântână scoborârea va fi:
. Dacă P este în fântână avem: rr=0,3m și ri=200m.
Fig.27 Schemă de calcul
Dacă P(200,0) avem:
Fig.28 Schemă de calcul
4.7.6. Fântână de pompare în strat acvifer cu alimentare din precipitații sau surplus de apă din irigații în regim permanent
Fig.29 Schema de calcul în cazul alimentării stratului freatic din precipitații
Debitul într-o secțiune curentă r este: Qr = π(re2 – r2 )q (Darcy) (1)
Pentru regim permanent debitul poate fi scris: Q=πre2q → Qr=Q – πr2q (2)
Egalând și integrând apoi relațiile (1) și (2) rezultă
pentru r=rf avem h=hf și pentru r=re avem h=he=D
. Punem condițiile de margine și eliminăm constanta c:
dar
Exemplu numeric
O suprafață de 1 km2 (100 ha) irigată are strat acvifer în grosime de D=20m și care are un coeficient de filtrație K=30m/zi. Excesul apei de irigație de 2mm/zi trebuie eliminat din subteran cu o fântână de 0,4m. Considerăm că scoborârea maximă posibilă este de 4m (sarcină de aspirație). Se cere să se încerce dacă problema poate fi rezolvată din punct de vedere tehnic cu o singură fântână.
Fig.30 Schemă de calcul
KD = 30∙20=600 m2/zi re = 500m rf = 0,2m.
q=2mm/zi=0,002m/zi Q=qπre2 = 1570m3/zi
, deci problema este posibilă tehnic.
4.7.7. Interferența fântânilor de pompare
Pentru un strat acvifer liber nelimitat se analizeaza:
Regimul permanent.
Se utilizează metoda imaginilor și se ajunge la relația :
unde : – înălțimea inițială a apei
– raza de influență a dif. fântânii.
– distanța de la punctual p la fântâna i
– nivelul apei în punctual p
Dacă:
unde: Q – debitul total al tuturor fântânilor ( )
N – 5 fîntăni
Notăm:
– distanța echivalentă de la punctual p la fântână.
Obținem astfel relația lui Bear (1968)
Exemplu numeric:
7 foraje de pompare perfecte în strat aquifer de foraje 70l/s și nu o rază de influență și grosimea .
Distanța de la un punct p (unde dorim să calculăm scoborârea) până la cele 7 foraje este:
Calculăm:
Deci scoborârea în dreptul punctului p va fi:
(aceasta ținând seama că fiecare fântână dă 70l/s).
4.7.8. Regimul nepermanent pentru interferarea fântânilor de pompare
Două fântâni perfecte, în strat aqvifer cu distanța între ele și după timpul t de la începutul pompării având același diametru al fântânii și aceeași scoborâre în fântână „S”, astfel rezultă cele 2 debite:
– după Hantush (1964)
unde: W – este funcția lui Theisse
p – porozitatea
4.7.8.1 Trei fântâni de pompare așezate într-un triunghi echilateral:
Fig.31 Schemă așezată în triunghi echilateral, în plan orizontal, a trei fântâni de pompare
Dacă este îndeplinită condiția că debitele vor fi :
4.7.8.2 Trei fântâni așezate în linie:
Fig.32 Schemă așezată în linie, în plan orizontal, a trei fântâni de pompare
Dacă: avem:
4.7.8.3 Patru fântâni așezate în pătrat.
Fig.33 Schemă așezată în pătrat, în plan orizontal, a patru fântâni de pompare Dacă : avem:
unde:
Exemplu numeric :
Trei foraje de pompare perfecte în strat aquifer cu o conductivitate , K=40m/zi,sunt așezate pe o linie dreaptă cu distanța între ele L=100m. La început avem deasupra nivelului stratului impermeabil. Porozitatea efectivă . După 20 de zile de pompare continuă se observă o coborâre de 3 m în foraj. Care sunt debitele pompate după acest timp.
4.7.8.4 Fântâni așezate în linii paralele
Fig.34 Schemă de fântâni așezate în linii paralele
Se vede că:
Debitul maxim pe care îl vom putea extrage dintr-o fântână pentru desecare (sau irigație) este :
– pentru o fântână în zonă nelimitată: și în cazul nostru avem debitul
La noi:
Se mai notează de obicei cu debitul distribuit.
Dacă și
Vom considera pierderea de sarcină spre fântână doar dintr-o pierdere de sarcină orizontală :
Pentru pierderea radială avem relația: Fig.35 Schemă de calcul
Suprapunem efectul de drenaj, dezvoltat pe direcția 0, cu efectul de fântână. Însumându-le obținem:
unde: dh – denivelarea pe randul fantanilor.
4.7.9. Drenaj vertical de interceptare cu fântâni autodeversante în canale cu efect drenant.
Debitele de desecare-drenaj provenite din infiltrația apei pe sub diguri în zonele apărate, pot fi interceptate în imediata apropiere a digului cu ajutorul unor lucrări special destinate acestui scop, și anume drenajul vertical de intercepție cu fântâni autodeversante în canale cu efect drenant. În componența lor după cum se poate observa din fig.36 intră :
un șir de fântâni care interceptează apa infiltrat ăpe dig ;
canalul de colectare a apelor deversate de șirul de fântâni
Modelul matematic, soluția acestuia, au fost alcatuite și rezolvate prin calcule analitice și verificări experimentale prin metode de analogie elctrohidrodinamică de un colectiv al CHIF In 1973.
Problema se rezolvă utilizând funcțiile potențialului de viteză ale șirului de puțuri (primul termen) la care se adaugă efectul drenant al canalului (al doilea termen din functia φ).
Condițiile de limită sunt următoarele:
malul de alimentare: x=0, y=0 deci φ= – K∙H0 + c; h=H0
conturul fântânii: x=0, y=Lf – re deci φ= – K∙Hf + c; h=Hf
conturul canalului: x=0, y=Lc deci φ= – K∙Hc + c; h=HC
Cu aproximație:
Lf >>r0 Lc >> D
Se obține în final un sistem de 2 ecuații cu 2 necunoscute Qf și Qc
unde α, β, λ, μ sunt coeficienți adimensionali având expresiile:
Obs. Cu ajutorul acestui sistem se pot determina valorile Qf și Qc funcție de sarcina de autodeversare ΔH a fântânii. Pentru canalul colector cu efect drenant putem avea cazurile 1, 2 și 3.
Fig.37 Profile transversale
I. canalul pătrunde în stratul acvifer; are efect drenant
II. canalul este la limita stratului acvifer
III. canalul este realizat doar în stratul semipermeabil și o tranșee de drenuri pătrunde în stratul acvifer.
12.1 Exemplu de calcul:
Lp=50m, Lc=52m, r0=0,1m, b=0,2m, D=10m, 2d=10m, a=0.
H0=32m
Hp=12m
Dăm valori lui Hc și calculăm Qp, Qc, știind că debitul total de pe 1m în lungul digului este .
Concluzie:
Pentru o sarcină Δh de autodeversare de 0,5m, debitul captat de canal din subteran este 26% din debitul total.
Problema a fost rezolvată și prin analogie electrohidrodinamică cu un model de ceară în 2 direcții într-un electrolit la scara 1:100, rezultatele înscriindu-se foarte bine pe dreapta teoretică din figură.
4.7.10. Puțuri absorbante
Pot fi folosite în vederea stocării sau evacuării apei în exces într-un strat acvifer liber de adâncime dacă profilul hidrogeologic permite pentru următoarele situații:
când apa în exces colectată de o rețea de canale de desecare sau drenuri nu pot fi evacuate într-un emisar sau când soluția este prea costisitoare
când dorim stocarea apei excedentare dintr-o anumită perioadă a anului și folosirea acestora în perioadele secetoase pentru irigații.
Deosebim 2 tipuri constructive:
4.7.10.1 Puț perfect
Fig.39 Schemă de calcul
Debitul de suprafață colectat de un canal colector sau de un dren colector notat cu Q se evacuează în puțul perfect și de aici în stratul subteran liber acvifer. Într-o secțiune curentă x debitul se poate scrie astfel:
. Integrăm și separăm variabilele:
4.7.10.2 Puț imperfect
Fig.40 Schemă de calcul
Pentru puțuri absorbante imperfecte debitul evacuat Q este alcătuit din suma a două debite infiltrate. Primul Q1 prin coloana laterală a puțului cu înălțimea h sau iar al doilea Q2 prin suprafața de fund a puțului.
Q = Q1 + Q2 Q1 conform relației lui Darcy:
Condițiile de margine:
Pentru x=r avem y=h și pentru x=R avem y=H
Debitul infiltrat prin suprafața de fund a puțului absorbant va fi: Q2=vS=πr2Ki
Din studiile anterioare s-a stabilit că panta hidraulică i într-un strat subteran:
Cunoscând din măsurătorile hidrogeologice și de la executarea valorilor și din măsurătorile experimentale h, R pe baza relațiilor stabilite pentru Q1 și Q2 putem efectua calculele:
Caz 1:
Pentru verificare: Q = Q1 + Q2
Caz 2:
Pentru verificare:
Acest sistem cu puțuri absorbante se recomandă a fi folosit în practică pentru debite mici și transmisivitate KH și Kh foarte bune.
4.7.11. Fântâni cu drenuri radiale pentru captarea apelor subterane în scop de drenaj sau pentru alimentări cu apă sau irigații
Pentru captarea apelor subterane libere și sub presiune se utilizează captări de mare capacitate, fântâni cu drenuri radiale care prin conul propriu de depresiune și prin rețeaua de drenuri radiale sau diagonale realizează coborârea nivelului piezometric și implicit norma de drenaj necesară. Funcție de condițiile hidrogeologice, de soluțiile constructive, tehnologia de execuție la o asemenea fântână cu drenuri radiale se poate obține debite de până la 80 – 120m/s.
Funcție de tehnologia disponibilă se alege tipul constructiv care de obicei prezintă următoarea soluție: – fântână realizată din cheson de beton deschis cu diametru mare care se lansează treptat sub greutatea proprie. După ce se ajunge la cota finală se vor înfige drenurile radiale sau diagonale cu filtru într-o conductă de protecție.
Ulterior conducta de protecție se extrage. Deosebim următoarele tipuri constructive.
4.7.11.1 Fântâni cu drenuri radiale orizontale
Fig.41 Schemă de calcul
Fig.42 Vedere în plan și profil transversal
Pentru a calcula debitul și denivelarea într-o fântână cu n drenuri orizontale se folosește relația:
R – raza de influență a fântânii și care se sporește cu lungimea drenului radial
re – raza echivalentă
A – coeficient care se poate calcula în diferite ipoteze astfel:
După Schneebeli:
După David:
După Lass: (pentru n=3 – 4 )
O relație îmbunătățită prin care se cuprind mai bine convergențele liniilor de curent în plan vertical este:
unde
Dacă drenurile au lungimi diferite se calculează media aritmetică:
4.7.11.2 Fântâni cu drenuri radiale diagonale
Fig.43 Schemă de calcul
Debitul fântânii și denivelarea în fântână pentru cazul unei fântâni cu n drenuri radiale:
4.7.12. Drenaje speciale:
4.7.12.1 Drenaje de ventilație:
a – plan, b – sectiune, c – tub vertical de aerisire.
1 – recipientul, 2 – drenul colector, 3 – drenul absorbant, 4 – drenul colector de centură, 5 – puț de ventilatie umplut cu piatră, 6 – tub de aerisire.
Pentru aceste soluri, drenajul de ventilare este soluția tehnică cea mai indicată. El modifica și stimulează procesele fizice, chimice și microbiologice din sol, îmbunătățind structura glomerulară a acestuia chiar și in straturile cele mai adânci.
Drenajul de ventilare constă din amplasarea în sol a unor șiruri de drenuri formate fie din tuburi de ceramică, fie din galerii de tip cârtiță, la distanța de 2-6 metri și la adâncimea de 40-70 centimetri.
4.7.12.2 Drenuri pentru captarea izvoarelor.
a – tipuri de izvoare: concentrate ți disperse, b – cameră de captarea izvoarelor, c – captarea izvoarelor prin tuburi verticale de ceramică perforate
Dacă apele unor izvoare ascendente servesc la alimentarea unor centre populate se iau măsuri speciale de protecție pentru a se preântâmpina infectarea lor. În acest scop, după ce a fost înlăturat stratul de pământ se acoperă izvorul până la roca din care iese acesta, se construiește o cameră de captare de forma unui cheson deschis, cu fundul până la ieșirea izvorului.
a – izvor ascendent concentrat, b – izvoare răspndite dealungul versantului, c – izvoare pe lungimea „L”
4.7.12.3 Drenajul plantațiilor
a – în apropierea liniilor de copaci, b – drenaj Rerolle (1 – îmbinarea prin manșoane, 2 – îmbinarea prin mufe)
4.7.13. Concluzii și recomandări
Colectarea și evacuarea excesului de apă din sol se realizează eficient prin drenaje verticale, aplicând tehnica fântânilor. Studiile de caz prezentate demonstrează eficacitatea fântânilor sau asocierilor de fântâni pentru scoborârea nivelului apei freatice. Se recomandă:
utilizarea drenajelor verticale în scop profilactic în zone unde există posibilitatea ca nivelul apei freatice să crească până la adâncimi mai mici de 1m. Fiabilitatea drenajului crește dacă se utilizează asocieri de fântâni ca în cazurile prezentate pentru fiecare tip de teren și în funcție de debite.
extinderea drenajului vertical absorbant pentru evacuarea apelor în exces din amenajările locale.
utilizarea drenajului vertical ca una dintre măsurile de remediere a alunecărilor de teren prin folosirea de fântâni forate cu diamentru mic dar cu drenare liberă.
modernizarea lucrărilor de îmbunătățiri funciare cu drenaje verticale ținând cont de scopul multiplu al acestora.(drenaj, alimentare cu apă, irigații.)
4.8. Infiltrația apei în zonele apărate de diguri
4.8.1. Metoda: Dupuit completată cu teoriile lui Wesselling-Pietraru
4.8.1.1 Zone semiacvifere și regim permanent Fig 1. Zone semiacvifere și regim permanent
Ipoteza lui Dupuit se poate aplica in situatia considerarii liniilor de curent paralele orizontale care se poate admite in situatia din figura.
Exemple :
pentru K2 >>K1 … inseamna ca si θ2>θ1
Daca K2/K1 >100 avem ca :
θ°1 20 10 5l
θ°2 88 87 84
Infiltrațiile se consideră ca o mișcare orizontală liniile de curent fiind paralele între ele. În practică s-a dovedit că într-un strat semiacvifer este suficient pentru a se putea considera ipoteza lui Dupuit de curgere sub diguri impermeabile sub forma unor linii orizontale paralele.
Stabilirea ecuației diferențiale ale infiltrației în zona dig-mal unde avem o mișcare descendentă și respectiv în zona apărată unde avem o mișcare ascendentă.
Fig 2.Mișcarea descendentă
Fig 3 . Mișcarea ascendentă
4.8.1.1.1 Mișcarea descendentă
Ecuația diferențială pentru această mișcare se scrie astfel:
Într-o secțiune oarecare qx’’ = vz ∙ dx ∙ 1m = vzdx
Fig 4 .
Ecuația de continuitate se scrie astfel:
Se introduce următoarea notație:
(rezistența verticală a stratului )
Înlocuind în ecuația de continuitate avem:
Efectuând calculele (se observă că se simplifică -Kd·dy/dx) rezultând în final ecuația:
notăm
Înlocuind notația, obținem :
(1)
(ecuația diferențială pentru mișcare descendentă)
Mișcarea ascencendentă
Se procedeaza analog si pentru zona în care mișcarea este ascendentă și se obține ecuația diferențială pentru mișcarea ascendentă de forma următoare:
(2)
Integrând ecuațiile (1) și (2) care sunt ecuații liniare și omogene se obțin soluțiile de următoarea formă:
Constantele c1, c2, c3, c4 se determină din condițiile de margine din cele 3 fragmente și anume:
Fragmentul I: porțiunea dig-mal (de lungime infinită)
Fragmentul II: porțiunea de sub dig (mișcare orizontală)
Fragmentul III: porțiunea din zona apărată (de lungime infinită)
Caz I: Lungimi infinte ale zonei dig-mal și zonei apărate
Fig 5 .Lungimi infinite ale zonei dig-mal și zonei apărate
Când în zona apărată avem o rețea de canal situatia se prezintă astfel:
Figura 6. Zonă apărată cu rețea de canal
În cazul în care în zona apărată exista diguri și bazine de contra presiune (amenajări piscicole) situatia este ca in figura 7.
Fig 7. Zonă apărată cu diguri cu bazine de contrapresiune
Vom nota zona de la râu la dig – Fragmentul I
Condițiile de margine din Fragmentul I:
x=0; y=y1.
În acest caz avem:
y0 – y1 = c1 + c2
x=-∞; y=y0
rezultă din (1’) că: c1 = y0 – y1
În acest caz din (1’) se obține:
sau:
– ecuația liniei piezometrice în fragmentul I
Fragmentul III
x=0; h=h1.
Înlocuind în (2’) obținem:
x=∞; h=h’
Ecuația (2’) devine în acest caz:
sau
Notăm: D’+D=h’ (din figură)
Rezultă:
– ecuația liniei piezometrice din fragmentul III
În fragmentul III ecuația: se poate logaritma și avem:
unde
Luând într-un sistem de axe semilogaritmic în ordonată axa logaritmică (logΔh) și în abscisă x se obține o dreaptă. Tangenta unghiului α este tocmai: .
Fig 8
În fragmentul III se va infiltra un debit în zona apărată:
Dar debitul infiltrat se poate scrie după Darcy:
vz se poate calcula și direct din figură:
sau .
Rezultă deci:
Gradientul liniei piezometrice se obține prin derivarea ecuației lui h, după înlouirea lui vz cu valoarea sa:
.
În ecuația lui Darcy qx devine: – este ecuația diferențială a debitului cu soluția generală: .
Urmeaza a se determina „a”; pentru aceasta derivăm soluția: .
Dar:
Astfel înlocuind mai sus se obține:
Sau .
În soluția generală înlocuind pe a cu valoarea sa se obține:
.
Punem condițiile de margine:
Pentru x→∞ avem qx=0
Pentru x=0 avem qx = q0 deci q0 = c6e0 rezultă c6 = q0
Ecuația devine: qx = q0 e-x/λ
Determinarea lui q0:
.
Derivăm soluția: și obținem:
sau
Pentru condiții de margine: x=0, h=y0
(expresia debitului infiltrat pe sub dig la intrarea în fragmentul III).
Fragmentul II.
Presupunând că în fragmentul II mișcarea are loc numai în stratul acvifer KD, deci neavând mișcare ascendentă sau descendentă debitul q0 se poate scrie direct din figură:
(*)
Avem 3 necunoscute: q0, y1, h1 și 2 relații ale lui q0 până în prezent. Vom mai scrie încă 2 relații astfel ne rămâne o ecuație pentru verificare.
Se va scrie expresia debitului Q la ieșirea din fragmentul I și intrarea în fragmentul III.
Înlocuind pe se obține:
(**)
(***)
Egalând cele trei forme (*), (**), (***) se obține:
Din aceste 3 ecuații vom deduce cele 2 necunoscute y1, h1. (a 3-a ecuație fiind pentru verificare).
Egalând forma (**) cu (***) se obține:
Egalând forma (*) cu (**) se obține:
Egalând forma (*) cu (***) se obține:
Dacă notăm: înlocuind în expresia lui q0 se obține:
Cu relația (****) se poate determina q0 funcție de elementele din figură.
Cunoscând pe q0 se poate calcula qx în zona apărată la diferite distanțe ;
calculând q200, q400, q600 (valori descrescătoare) diferența dintre 2 valori consecutive fiind debitul care trebuie evacuat din zona apărată datorită curentului ascendent cu canale deschise sau drenuri.
Această formulă (****) arată că expresia debitului q0 se poate obține considerând că mișcarea are loc numai la stratul de bază al ipotezei lui Dupuit și admițând că cele 2 fragmente laterale în care nu avem mișcare ascendentă sau descendentă au fiecare o lățime echivalentă egală cu λ. În acest caz linia piezometrică este o dreaptă. (o linie piezometrică fictivă). Față de linia piezometrică fictivă, liniile piezometrice reale sunt mai coborăte în fragmentul I și mai ridicate în fragmentul III.
Ecuațiile liniilor piezometrice reale devin după înlocuirea lui y1 și h1 în expresiile generale ale liniilor piezometrice generale din fragmentele I, II, III următoarele:
Fragmentul I:
Fragmentul III:
Formula debitului se poate generaliza notând cu λ pe ΔL și ΔL’ și avem:
4.8.1.3 Cazuri particulare:
4.8.1.3.1 Fragmentul dig – mal de lățime finită
Fig 9.Fragment dig-mal de lungime finită
Se pornește de la ecuația:
Condițiile de margine:
x = 0; y = y1
și x = -B; y = y0
Înlocuind în ecuația de mai sus se obține:
c1 și c2 fiind determinate se poate scrie ecuația generală a liniei piezometrice din fragmentul I. Ne propunem să calculăm pe ΔL pentru a putea construi linia piezometrică aproximată ca o linie dreaptă.
Considerând linia piezometrică o linie dreaptă pe lungimea ΔL debitul q0 care se infiltrează pe sub dig se poate scrie direct:; în formulă nu cunoaștem valoarea lui ΔL.
scriem a doua formă a lui q0 după Darcy:
Înlocuind pe c1 și c2 cu valorile lor se obține:
Înlocuind această valoare în ecuația lui q0 (Darcy) se obține:
(**)
Comparând relația (*) cu relația (**) se observă că:
unde
Având valoarea ΔL numită și lățime echivalentă care se vede că nu depinde de y0 și y1 astfel că poate fi considerată o caracteristică hidrogeologică a zonei mal – dig, fragmentul I real poate fi transformat într-un fragment I echivalent unde pe lungimea (ΔL + B0) nu avem mișcare ascensională deci doar o mișcare orizontală cu debit constant.
Caz real:
Fig 10
Echivalent:
Fig 11
4.8.1.3.2 Fragmentul dig – mal de formă oarecare
În paragraful precedent s-a studiat un fragment dig – mal de lungime finită și structură uniformă, în realitate acest fragment I este neuniform având gropi de împrumut din care se execută digurile și strate de grosimi și permeabilități variabile, astfel că problema se complică într-o oarecare măsură.
Pentru început fragmentul I se consideră cu K=constant și D=constant și se împarte în mai multe sectoare Bi unde i=1, 2, 3, …n, fiecare cu caracteristicile λi
(i = 1, 2, 3, … ,n) constante în interiorul unui sector „i”.
Fig 12. Fragment dig-mal de o formă oarecare
Primul sector cu lățimea B1 se echivalează cu lățimea echivalentă ΔL1 după procedeul prezentat anterior.
Fig 13. Schemă de calcul pentru stabilirea formulei de recurență
Această schemă se utilizează pentru stabilirea formulei de recurență la fragmentele dig – mal de formă oarecare și pornim tot de la ecuația de formă generală a liniei piezometrice din fragmentul dig – mal.
.
Pentru x=0 și y=y2 avem:
Gradientul: .
Se calculează c1 și c2 și în final obținem:
Relația generală a lui ΔLi pentru sectorul „i” este:
( formula de recurență)
Particularizări ale formulei de recurență
Dacă: ΔLi-1 = 0 →
Dacă: Bi = ∞ →
Dacă:
Dacă: ΔLi-1 = ∞ (acest caz se poate stabili și direct și corespunde cazului unei albii care străbate incomplet stratul de la suprafață)
Fig 14
4.8.1.3.3 Fragmentul III din zona apărată de lățime foarte mare
S-a văzut pentru fragmentul I dig – mal, că poate fi echivalat cu un strat de suprafață (impermeabil de lățime ΔL) și ne propunem să studiem repartiția presiunilor în zona apărată din stratul inferior KD. Pornind de la ecuația dedusă din fragmentul III:
unde valoarea maximă se obține la x=0.
Fig 15
Ipoteza ΔL’ = λ trebuie demonstrată.
(*)
Plecăm de la ecuația:
x = ∞; Δh = 0;
Fig 16
Pentru a determina pe c4 se scrie și expresia pantei:
Dar se mai poate scrie:
Din cele 2 forme descrise ale pantei rezultă c4:
Din figură, geometric, se observă la x=0:
Înlocuind în expresia lui c4 se determină:
(este aceeași cu expresia (*)).
Ipoteza ΔL’ = λ este justă.
4.8.1.3.4 Fragmentul III de lățime finită
Fig 17
Se vor calcula: Δhmax și Δhmin pentru a cunoaște repartiția presiunilor în zona apărată. Se face ipoteza că linia dreaptă pe porțiunea L0 + ΔL’ este egală cu linia piezometrică.
Ecuația stabilită este:
Se vor scrie 2 forme ale pantei hidraulice:
Se egalează forma I cu forma II și se obține: (***)
Din această ecuație se vor determina c3 și c4.
Se mai scrie o ecuație pentru x = L. (deoarece linia piezometrică se consideră o linie orizontală în acea porțiune).
(****)
Facem următoarele notații: și .
În acest caz rezultă:De aici se calculează y1 și y2.
Deci: ecuația liniei piezometrice față de cota terenului (Δh) devine:
Din figură pentru x = 0 avem:
Fig 18
Prin asemănarea triunghiurilor conform teoremei lui Thales avem:
sau
Înlocuind aceasta expresie în relația lui Δh obținem:
Se face un artificiu de calcul și obținem:
Desfăcând fracția a doua se obține:
(ecuația generală a liniei piezometrice).
Valoarea maximă a lui Δh se obține pentru x = 0:
Valoarea minimă a lui Δh se obține pentru x = L:
4.8.1.4 . Aplicatii:
1. Se cere linia piezometrică pentru o îndiguire cu strat semiacvifer cu lungimea dig – mal infinită și lungimea apărată tot infinită, cunoscând:
Desenul se va face pe hârtie milimetrică la scară 1:1.
y0 = 5 + 3 + 7 = 15m
2. Se folosesc aceleași date ca în exemplul de mai sus. Zona dig – mal este B=20m. Se va calcula linia piezometrică.
– calculul fragmentului echivalent:
– se calculează în zona apărată Δhmax:
1,49m față de 1,38m din problema 1.
3. Într-o regiune îndiguită curge un râu, profilul de sol fiind constituit astfel: stratul superior este argilos semipermeabil având o grosime variind între 1 și 4m, acest strat fiind așezat pe un strat permeabil de 34 – 40m grosime. Perpendicular pe râu s-au instalat câteva serii de piezometre care pătrund până în stratul acvifer. Într-un rând de trei piezometre P1, P2, P3 au fost măsurate nivelurile apei subterane și deasemenea a fost măsurat nivelul apei din râu.
Distanțele piezometrelor de râu sunt: P1 =390m, P2=680m, P3=1080m.
Nivelele în piezometre corespunzătoare diferitelor nivele ale apei în râu sunt date mai jos:
Se cere:
Să se calculeze din datele de mai sus factorul
Presupunând că rezistența verticală a stratului de argilă este 1000 zile, să se calculeze valoarea coeficientului
Care este debitul infiltrat în zona apărată pe primii 100m de la dig, dacă diferența de nivel este H=1m, presupunând că nivelul apei în râu este cu 2m deasupra nivelului mării?
Rezolvare:
Se reprezintă grafic în scară semilogaritmică datele din tabel, având în abscisă în scară metrică distanțele x de la râu la piezometre și în ordonată în scară logaritmică Δh (nivelul apei). În acest fel se obțin 4 linii drepte.
a) Valoarea lui λ poate fi calculată din ecuația: unde:
h – nivelul apei în piezometre la distanța x de râu
y0 – nivelul apei în piezometre în râu.
Scriind astfel avem: sau
Luând o valoare arbitrară pentru x și valorile corespunzătoare pentru y0 și h din grafic se obține valoarea lui λ înlocuind în ecuația de mai sus.
Din exemplu: x=1000m, y0 =0,82m și h=0,40m.
Deci:
b) Dar:
sau
Calculul debitului infiltrat pe distanța x=0 și x=100m de la râu pentru
H = y0 – h’ = 1m:
Debitul infiltrat pe distanța x=0 și x=100m este:m3/zi/m de râu.
Observație: În acest fel se vor face calcule pentru x=200, 300, 400, … pentru diferite valori H=2, 3, … m cu scopul de a calcula în zona apărată debitul ascendent în teritoriul agricol care trebuie să fie evacuat de rețeaua de desecare. Debitul rezultat este pe 1m în lungul râului.
5. Zona interfluvii, stratificație semiacviferă și lungime finită
Fig 19
Soluția generală este: qx = eax . Această soluție se poate amplifica și prin e-x/x și ex/λ se ajunge la soluția generală:
(data de Mazure în 1936) [ pentru ]
Dacă această condiție nu este îndeplinită se va utiliza cazul când B=∞ (primul caz de la paragraful 1.). Pentru cazul nostru cu B finit se determină constantele c1 și c2 :
x=0; y=y0
x=0; y=yB
Fig 20
Debitul care se infiltrează în zona interfluvii B pe un metru în lungul râurilor se va calcula din relația q0 – qB pe diferite porțiuni asimilate cu o valoare B constantă.
4.8.2. Regimul nepermanent de infiltrații în strat acvifer
Se consideră o ridicare instantanee sau coborâre instantanee a nivelului în râu (prin coborârea datorită deschiderii unui stăvilar și ridicare prin închiderea unui stăvilar a nivelului apei într-un canal de desecare sau într-un râu în dreptul nodului hidrotehnic) și ne interesează să cunoaștem evoluția în timp a liniilor piezometrice.
Dy<<D
Fig 21
Pornind de la ecuația generală diferențială a lui Dupuit – Forcheimer:
unde: p – porozitatea
t = 0 ; h = y0 pentru 0 < x < ∞
t > 0 ; h = y0 ± ΔH la x = 0
Notăm: Se face o schimbare de variabilă pentru integrare:
T=
Înlocuind mai sus se obține:
Soluția este dată de Bolzman: unde:
De unde rezultă: unde: f0(U) este dată în tabele sau graficul de bază și au fost calculate în 1945 de Iahnke și Emde.
este debitul care se infiltrează din canal într-o parte a canalului. acă dorim să cunoaștem debitul infiltrat pe 1m lungime de râu în ambele maluri necăptușite se va lua q0.
Tabelul 1
Aplicație numerică:
Datorită creșterii nivelului apei într-un râu cu ΔH=0,8m, canalul de desecare care se vărsa gravitațional se umple și el pe o distanță de 2km tot cu 0,8m. Pentru determinarea debitului infiltrat din canal în stratul acvifer au fost instalate perpendiculare pe direcția canalului în câmp o serie de piezometre măsurând la diferite intervale de timp „t” valorile Δh în piezometre. Datele de la aceste piezometre au fost folosite pentru calculul valorilor . Valorile și valorile corespunzătoare lor sunt date în tabelul 1.
Figura 22
Tabelul 2. Valorile și valorile corespunzătoare
Se cere:
a) cu ajutorul datelor din tabelul 2 utilizând metoda grafică
b) Care este pierderea de sarcină din canal datorită mișcării (rezistenței) radiale?
c) Care este pierderea de apă (debitul infiltrat) în m3/zi/m.l.de canal după 5 zile, dacă ΔH=1m, presupunând că porozitatea efectivă a solului este p=0,1?
Rezolvare:
Reprezentând pe hârtie milimetrică în scară dublu logariotmică valorile în abscisă și în ordonată se obțin niște puncte. Suprapunând acest grafic peste graficul de bază f0(U) se obține o curbă care acoperă cel mai bine aceste puncte.
Alegând pe graficul de bază punctul P’ de coordonate f0(U)= – 1 și U=0,1, se va citi corespunzător pe graficul de date punctul P de coordonate:=0,8 și =10.
a) Folosim formula: sau
Înlocuind în această formulă elementele cu valorile lor se obține:
dacă p=0,1 rezultă că: KD=250m2/zi
b) Din grafic am găsit că pentru f0(U)=1 avem din această relație se observă că avem o pierdere de sarcină de 20% datorită mișcării radiale a curentului infiltrat din canal în stratul acvifer.
c) Debitul infiltrat se calculeaza cu relatia : , unde înlocuind pe T cu valoarea sa se obține:
Înlocuind pe KD=250m2/zi, t=5zile, p=0,1, ΔH=0,80m, se obține:
pe m de canal pe o parte a canalului.
Din canal pe ambele părți pe metru lungime de canal se va infiltra:
4.8.3. Concluzii si recomandari
În lucrare au fost analizate cazurile întâlnite la apariției infiltrației apei în strat acvifer în zonele apărate de diguri, atât în regim permanent cât și în regim nepermanent.
În cazul regimului permament au fost studiate:
Mișcarea ascendentă în regim permanent și zonă acviferă;
Mișcarea descendentă în regim permanent și zonă acviferă;
Cazurile particulare care au fost analizate sunt :
Fragmentul dig – mal de lățime finită
Fragmentul dig – mal de formă oarecare
Fragmentul III din zona apărată de lățime foarte mare
Fragmentul III de lățime finită
În lucrare au fost dezbătute aspecte teoretice de cercetare fundamentală, rezultând un material ce poate fi utilizat atât în activitatea didactică a studenților masteranzi cât și în proiectare sau de către persoanele specializate ce își desfășoară activitatea în domeniul drenajelor.
5. Lucrări agro-pedo-ameliorative pentru combaterea excesului de umiditate
Măsurile agropedoameliorative reprezintă un complex de lucrări tehnice executate pe terenurile desecabile în vederea creării și păstrării unui regim optim al apei, aerului și elementelor nutritive din sol.
Prin specificul lor și prin influența pe care o exercită asupra umidității solului sunt considerate o verigă între lucrările hidrotehnice de desecare-drenaj și cele agrotehnice. Măsurile agropedoameliorative devin obligatorii în cazul solurilor grele, slab permeabile, altfel lucrările de desecare-drenaj își pierd din eficiența lor asupra eliminării excesului de umiditate.
În țara noastră, terenurile agricole cu soluri argiloase compacte și deci cu permeabilitate redusă, interesate la lucrări agropedoameliorative ocupă o suprafață de 2,5 până la 3 mil. ha. Aceste terenuri sunt situate în zonele umede și subumede ale Banatului, Crișanei și Maramureșului, în Transilvania și în nordul Olteniei, în Muntenia, Moldova și în zona dealurilor subcarpatice.
Capacitatea redusă de înmagazinare a apei face ca aceste soluri să treacă extrem de rapid de la starea de supra-umezire la starea de uscăciune necesitând luarea de măsuri în vederea echilibrării elementelor bilanțului hidric.
5.1. Nivelarea terenului în pantă
Nivelarea terenului se execută în scopul realizării unor pante continui și cât mai uniforme care să permită scurgerea apelor înspre rețeaua de colectare. (Figura III.77.). Nivelarea poate fi: capitală (sau inițială) și curentă (sau de exploatare).
Figura III. 77. Nivelarea în pantă
Nivelarea capitală se execută pe bază de proiect, urmărindu-se ca volumul de săpătură să fie egal cu volumul de umplutură, evitându-se astfel aducerea de pământ din alte părți. Panta de nivelare se alege în așa fel încât să permită apelor de suprafață să se scurgă ușor dar să și permită o infiltrare bună. Este recomandată o pantă medie de 1,0 ‰, cu valori extreme de 0,5 și 5 ‰. Această lucrare prezintă și unele dezavantaje și anume, poate crea o neuniformitate în toate însușirile solului care se răsfrânge negativ în fertilitatea lui.
Grosimea stratului de sol decopertat nu trebuie să depășească 20 – 25 cm. Perioada optimă de execuție a nivelării este de obicei după recoltarea cerealelor, atunci când umiditatea solului este scăzută, sub 1/2 I.U.A.
După executarea nivelării capitale este bine să se facă o arătură adâncă, să se aplice îngrășăminte organice și amendamente pentru refacerea fertilității solului. Dacă terenul este tasat este util să se efectueze lucrări de afânare adâncă. Comportarea în timp a nivelării se verifică prin observații făcute în teren, atât primăvara timpuriu, când are loc topirea zăpezilor, cât și după căderea unor ploi mai importante cantitativ. Pentru ușurarea scurgerii apei din câmp, atât arătura, cât și rândurile culturilor se orientează de-a lungul liniei de cea mai mare pantă.
Nivelarea capitală a terenului se execută cu utilaje terasiere: buldozere, screpere, gredere sau nivelatoarele NT-2,8 și NT-4,25, în agregat cu tractoare. [37, 47, 65] Deplasarea utilajelor terasiere cu lamă, în timpul operației de nivelare a unei parcele se face după patru direcții, dintre care primele două sunt paralele cu diagonalele iar următoarele două sunt paralele cu laturile. (Figura III.78.)
Nivelarea curentă sau de finisare se execută după terminarea nivelării capitale, urmărindu-se deplasarea unor volume mici de pământ, pe distanțe mici, folosindu-se nivelatoarele sau periodic, anual sau o dată la doi ani, pentru întreținerea suprafeței nivelate, aflate în exploatare.
Nivelarea curentă se poate executa cu nivelatoarele, după schema din figura III.70, la care se poate renunța la deplasările II și III.
Nivelarea de exploatare sau de întreținere se poate executa și cu grapa cu discuri prevăzută cu bară nivelatoare, folosind o schemă de lucru asemănătoare cu cea de la nivelatoare. (Figura III.79.)
Figura III.78. Scheme de deplasare a utilajelor terasiere la nivelarea terenului; I și II – pe diagonale, III – paralel cu laturile și pe direcția de scurgere a apei; IV – paralel cu celelalte laturi;
Figura III.79. Schema de execuție a nivelării de exploatare
Pentru o parcelă de formă dreptunghiulară, operația se începe de la un colț al parcelei, pornind pe direcția pantei, se parcurge circuitul indicat și la terminare se iese prin colțul de jos al parcelei.
5.2. Rigole longitudinale
Rigolele se aplică în zonele climatice subumede, în special pentru cerealele de toamnă, la care în primăverile ploioase apar băltiri de apă. Rigolele nesistematizate se execută cu tractorul, folosind plugul cu un singur brăzdar, realizându-se niște șănțulețe care să conducă apa care băltește în cel mai apropiat canal de desecare.
Pentru suprafețele de teren cu pante relativ reduse, de 1 – 2 % se pot aplica rigolele longitudinale, reprezentate de șănțulețe trasate pe direcția de cea mai mare pantă, obținute prin executarea lucrărilor de arătură în fâșii. Distanța dintre rigolele de scurgere astfel rezultate este de 18 – 26 m, multiplu al lățimii utilajelor agricole. (Figura III.80.)
Modelarea terenului cu rigole largi însămânțate, constă în realizarea unor planuri cu diferite înclinări, de lățimi diferite, în funcție de configurația terenului, mărginite de rigole largi, care pot fi traversate de utilajele agricole.
Figura III.80. Rigole longitudinale
Rigolele largi se folosesc pe terenurile cu pante mai mari din zonele subumede. Datorită faptului că pentru execuție sunt necesare volume mari de pământ deplasat și se realizează cu utilaje terasiere, buldozere, screpere, gredere, sunt mai scumpe și mai puțin utilizate în practică.
5.3. Modelarea terenului în benzi cu coame
Modelarea terenului constă în realizarea pe linia de cea mai mare pantă a unor benzi cu coame de lățimi diferite, delimitate de rigole de scurgere. (Figura III.81.). Poate fi aplicată în zonele cu climat umed, pe suprafețe plane și soluri grele cu permeabilitate foarte redusă chiar de la suprafața terenului. Aceste lucrări creează un microrelief nou, mai favorabil, cu pante mai mari decât panta inițială a terenului și o rețea de rigole cu condiții mai bune de scurgere.
Figura III.81. Modelarea terenului în benzi cu coame
Modelarea suprafeței terenului în benzi cu coame se realizează cu plugul obișnuit prin arătură la cormană executată doi ani la rând, în primul an fiind necesare trei arături iar în al doilea două. (Figura III.82.) Este considerată cea mai veche lucrare pentru eliminarea apei în exces din precipitații, de pe terenurile agricole plane, cu soluri grele, metoda având avantajul menținerii stratului fertil la suprafață.
Lucrările de modelare au cunoscut aria cea mai mare de aplicare datorită multiplelor avantaje pe care le prezintă și anume :
– se execută ușor, folosind utilaje simple;
– nu necesită materiale de construcții, iar investiția este mică;
– există posibilitatea adoptării pentru coame a unei game largi de lățimi, lungimi și pante transversale;
– are o durată mare de folosință.
Figura III.82. Execuția benzilor cu coame prin arături succesive
Pe lângă avantajele prezentate modelarea în benzi cu coame prezintă și unele dezavantaje și anume:
– randament scăzut al mașinilor agricole ca urmare a vitezelor mici de deplasare când lucrează terenul;
– rezerva de apă din sol este mai mică, deoarece o mare parte din apa din precipitații este evacuată;
– umiditatea solului este diferită, fiind mai ridicată în zona rigolelor de scurgere și mai scăzută în zona coamelor.
La noi în țară, modelarea în benzi cu coame se recomandă în zona umedă, pe terenurile cu pante sub 5 – 10 ‰ cu următoarele elemente tehnice: lățimi multiplu al lățimii utilajelor agricole, de 18 – 36 m, lungimi de 200 – 500 m, pante transversale 1 – 3 ‰.
Pentru condițiile unor soluri grele, benzile cu coame pot fi combinate cu drenuri absorbante trasate pe sub rigole și cu alte lucrări pedoameliorative, menite să îmbunătățească condițiile de infiltrare a apei în adâncime ca drenajul cârtiță și afânarea adâncă.
5.4. Drenajul cârtiță
Drenajul cârtiță constă din executarea în sol, la o anumită adâncime a unor galerii prin care se elimină excesul de umiditate. Se aplică pe terenuri bine nivelate, cu soluri slab permeabile, (0,25 m/zi) și slab aerate, cu valori ale porozității de aerație mai mici de 10 – 12 %, cu o textură luto-argiloasă sau argiloasă, cu un conținut de argilă de cel puțin 35 – 40 % și de nisip de cel mult 20 %. O condiție esențială pentru aplicarea drenajului cârtiță este stabilitatea hidrică a agregatelor structurale din sol mare.
Elementele tehnice ale drenajului cârtiță sunt: adâncimea, diametrul galeriei, panta, traseul, lungimea și distanța dintre galerii.
Adâncimea drenului cârtiță trebuie să fie suficient de mare pentru a-l proteja împotriva uscăciunii, înghețului și tasării. Durata de funcționare este cu atât mai mare cu cât adâncimea la care au fost executate este mai mare. Odată cu adâncimea crește însă și costul lucrării. Se consideră optimă adâncimea de 0,5 – 0,7 m față de suprafața terenului.
Diametrul galeriei cârtiță este de 8 – 10 cm pentru solurile minerale și 10 – 15 cm pentru solurile bogate în materie organică.
Panta drenului cârtiță poate fi între 0,1 și 4 %, iar panta optimă de 1 – 2 %. Drenul trebuie să aibă pantă continuă spre gura de descărcare a apei. Lipsa pantei, panta insuficientă și contrapantele sunt de cele mai multe ori cauza distrugerii galeriilor. De aceea terenul trebuie bine nivelat în sensul pantei, drenorul copiind linia suprafeței terenului.
Drenurile cârtiță se execută cu ajutorul plugului special de drenaj cârtiță (Figura III.83.). Acest utilaj este prevăzut cu o bârsă sub formă de lamă de cuțit care în mișcare taie solul. La capătul bârsei se află un drenor care execută galeria subterană, de care este fixat un dilatator, în formă de pară, cu diametrul mai mare care compactează pereții galeriei. Plugul lucrează tractat, deschiderea drenurilor se face din aval spre amonte.
Figura III.83. Execuția drenajului cârtiță (a), forma galeriei și sistemul de fisuri (b)
Distanța dintre galeriile cârtiță se alege astfel încât sistemul de fisuri realizat la suprafața terenului să se întrepătrundă, realizându-se și afânarea adâncă a profilului de sol de deasupra galeriilor. În practică distanța dintre galerii este de 1 – 2 m.
Perioada cea mai potrivită pentru executarea drenajului cârtiță este iunie–octombrie, când subsolul este umed și suprafața terenului destul de zvântată pentru a nu se produce tasări. Nu se recomandă executarea drenajului cârtiță în timp de secetă, deoarece subsolul fiind uscat, fără plasticitate, nu permite formarea galeriilor. După execuția drenajului cârtiță se recomandă o arătură superficială sau o discuire, transversal pe direcția drenurilor, pentru închiderea fantei rezultate și preîntâmpinarea colmatării galeriilor.
Drenurile cârtiță se pot descărca direct într-un canal de desecare sau în drenuri colectoare, prin intermediul unei tranșei filtrante din materiale granulare. Distanța dintre drenurile colectoare este dependentă de lungimea drenurilor cârtiță și se stabilește în funcție de permeabilitatea solului, pentru soluri cu permeabilitate bună aceasta este de 50 – 150 m pe când pentru solurile cu permeabilitate slabă ea se reduce la 30 – 40 m.
Dacă solul este compact, slab aerat, drenajul cârtiță să poate asocia cu afânarea adâncă a stratului de deasupra galeriei.
În general durata de funcționare a drenurilor cârtiță este de 2 – 3 ani în solurile minerale arabile și de 3 – 5 ani în celelalte soluri.
5.5. Afânarea adâncă a solului
Această lucrare constă în mobilizarea masei solului până la adâncimea de 40 – 80 cm de la suprafața terenului, fără inversarea straturilor de sol. În funcție de scopul urmărit, aceasta poate fi considerată o măsură agro-pedo-ameliorativă de îmbunătățire a condițiilor de aerație a solului sau hidro-ameliorativă, de îmbunătățire a drenajului intern al solului. Prin aplicarea lucrării de afânare adâncă se rezolvă însă ambele aspecte.
Afânarea adâncă se aplică pe terenurile cu soluri argiloase, compacte, slab aerate, cu un grad de tasare de peste 10 %, greu permeabile K 0,1 – 0,4 m/zi, cu panta sub 15 %, care să nu fie afectate de apa freatică în perioadele cu exces de umiditate și să nu se sprijine pe un substrat care să favorizeze alunecările.
Afânarea adâncă se poate aplica singură sau în asociere cu alte lucrări de accelerare a scurgerii sporindu-le eficacitatea, în funcție de condițiile locale astfel:
a) Ca măsură singură se poate aplica numai pe terenuri cu pantă continuă bine nivelate, cu strat argilos greu permeabil de grosime mică (0,6 – 0,8 m) încât să fie mobilizat în întregime, așezat pe straturi suficient de permeabile, nesaturate cu apă (Figura III.84.);
Figura III.84. Afânarea adâncă pe terenuri cu strat argilos greu permeabil situat la mică adâncime; a – înainte de afânare; b – după afânare.
b) Asociată cu lucrări de nivelare, modelare rigole sau drenaj cu tuburi, în funcție de climă, relief, sol, se aplică pe terenurile cu strat argilos greu permeabil, de grosime mai mare de 0,6 – 0,8 m care nu poate fi mobilizat în întregime (Figura III.78. a și b);
c) În asociere cu drenajul cu tuburi sau drenajul cârtiță, pe terenurile cu ape freatice, drenajul având rolul de a coborî nivelul freatic la adâncimi, sub adâncimea la care se execută afânarea. (Figura III.78.c).
Elementele tehnice ale afânării adânci sunt: adâncimea de afânare, lățimea de lucru a unei piese active a scarificatorului, distanța dintre piesele active și orientarea urmelor de afânare în raport cu panta terenului.
Adâncimea de afânare (h) se stabilește în raport poziția orizontului compactat, cu conductivitate hidraulică mică pe profilul de sol. În funcție de poziția orizontului pe profilul de sol se alege utilajul folosit pentru afânare [95].
Dacă prin afânare se urmărește spargerea hardpanului, a orizontului compact format la adâncimea de 20 – 40 cm ca urmare a arăturilor repetate la aceiași adâncime se va alege plugul prevăzut la ultimul brăzdar cu o gheară numită subsolier.
Dacă orizontul ce urmează a fi afânat se află la adâncimea de 40 – 60 cm se va alege mașina de afânat solul MAS – 60, care lucrează în agregat cu tractorul U 650.
Dacă orizontul ce urmează a fi afânat are adâncimea până la 80 cm, se va folosi scarificatorul care este acționat de buldozerul S 1500.
Figura III.85. Afânarea adâncă pe terenuri cu strat argilos greu permeabil de grosime marea – înainte de afânare; b – după afânare; c – după afânare și drenare;
dc – dren cârtiță; Dc – dren tubular colector.
Lățimea dintre piesele active depinde de adâncimea de lucru (h) și de forma bulbului afânat rezultat în vecinătatea unei piese active. (Figura III.79.) Lățimea l a bulbului de sol afânat este aproximativ dublul adâncimii de acțiune a piesei active a utilajului folosit.
Distanța dintre piesele active de afânarea sau dintre urmele liniilor de afânare (d) se alege în funcție de lățimea bulbului de afânare, astfel încât să se realizeze întrepătrunderea bulbilor vecini. (Figura III.87.) Datorită faptului că lățimea bulbului de afânare este aproximativ dublul adâncimii, distanța dintre piesele active d se va alege mai mică decât lățimea l a bulbului afânat (d = 0,5 – 0,7 l).
De regulă distanța dintre urmele piesei active a MAS – 60 se alege la 0,5 – 1,0 m pe când distanța dintre ghiarele scarificatorului variază, în funcție de compactarea solului de la 1,0 m până la 2,0 m.
Perioada cea mai potrivită de efectuare a afânării adânci a solului este iulie – septembrie și chiar octombrie, dacă nu intervin ploi. Pe parcursul exploatării efectul afânării se stinge treptat și solul ajunge la starea inițială după 4–6 ani când afânarea trebuie repetată din nou.
Utilizarea amendamentelor cu calciu și a fertilizării ameliorative conduce la prelungirea duratei de efect a lucrărilor de afânare adâncă. După refacerea afânării adânci perioada de efect crește la 7-8 ani.
Afânarea adâncă prin scarificare asociată cu drenajul cârtiță descărcat în drenuri absorbante, prin intermediul tranșeelor drenante, este cunoscută în literatura de specialitate sub denumirea de drenaj încrucișat, și se aplică pe solurile cu permeabilitate redusă, cu scopul asigurării infiltrării apei din precipitații până la drenurile absorbante. (Figura III. 88.)
Dimensionarea distanțelor dintre drenurile absorbante și drenurile cârtiță se realizează folosind nomograma din figura III.89.
Figura III.87. Alegerea distanței dintre piesele active ale utilajului pentru afânarea solului
Figura III.88. Drenajul Încrucișat
Exemplu de calcul:
Se cere dimensionarea drenajului, pentru un sol greu, argilos, cu un conținut de argilă coloidală, având o granulație mai mică de 0,0002 mm de 63 % și o adâncime de la suprafață mai mare de 1,50 m. Coeficientul de filtrație K = 4 x 10-6 cm/s reprezintă 0,004 m/zi.
Cu valoarea coeficientului de filtrație de mai sus se intră în nomograma pentru dimensionarea drenajului, rezultând următoarele posibilități:
rețea sistematică de drenuri absorbante, la adâncimea de 1,0 m și distanța dintre drenuri L = 9 m;
rețea de drenuri absorbante cu h = 1,0 m asociate cu drenaj cârtiță trasat transversal pe direcția drenurilor absorbante, cu adâncimea h = 0,8 m și distanța dintre galerii de 1,4 m, descărcate în drenurile absorbante prin intermediul unei tranșei filtrante, conduse la distanțe între drenurile absorbante L = 8 m;
rețeaua de drenuri absorbante la h = 1,0 m și drenaj cârtiță încrucișat, pe două direcții perpendiculare, cu adâncimea h = 0,8 m și distanța dintre galerii de 2,1 m determină creșterea distanței dintre drenuri la L = 9 m;
rețea de drenuri absorbante, cu h = 1,0 m, drenaj cârtiță încrucișat la h = 0,8 m și distanța între galerii de 4,2 m și afânare adâncă la adâncimea de 0,6 – 0,7 m, crește distanța dintre drenuri la L = 15 m.
Afânarea adâncă se poate realiza și folosind pluguri speciale, realizând arăruri cu adâncimi de 0,6 – 0,8 m. Această operație se numește desfundare și se aplică la înființarea plantațiilor viti-pomicole.
Figura III.89. Nomogramă pentru dimensionarea drenajului încrucișat
6. Regulamentul de exploatare și întreținere al amenajărilor de desecare-drenaj
Prin exploatarea unui sistem de desecare-drenaj se înțelege ansamblul de măsuri pentru menținerea la parametri proiectați a tuturor elementelor componente ale sistemului pe toată durata de folosință, iar prin lucrările de întreținere se înțeleg activitățile de intervenție ce se execută pentru buna funcționare a elementelor care colectează, transportă și evacuează excesul de apă de pe un perimetru desecabil.
Obiectivele activităților de exploatare și întreținere sunt următoarele:
– realizarea producției agricole programate;
– recuperarea investițiilor la termenul stabilit;
– evacuarea excesului de apă în timp util;
– menținerea și sporirea fertilității solurilor;
– îmbunătățirea parametrilor tehnico-economici proiectați.
Activitatea de întreținere cuprinde următoarele: supravegherea tehnică a amenajării, revizia tehnică și specială, lucrările propriu-zise de întreținere și reparații.
Supravegherea tehnică se referă la măsurile de observare și control tehnic al lucrărilor, precum și la urmărirea lor în timpul exploatării.
Revizia tehnică reprezintă operația de examinare sistematică, la anumite termene, a lucrărilor, iar cea specială se efectuează în urma unor defecțiuni grave.
Lucrările de întreținere se execută periodic în scopul menținerii elementelor tehnice ale sistemului de desecare-drenaj în stare de funcționare.
Lucrările de reparații pot fi curente, capitale sau accidentale. Lucrările de reparații se execută la intervale de 1-3 ani și cu scopul readucerii elementelor amenajării la parametrii inițiali sau îmbunătățiți. Lucrările de reparații capitale se execută la intervale de timp mai mari (20 – 25 ani), elementele uzate pot fi înlocuite parțial sau total. Lucrările de reparații accidentale se efectuează în cazul avariilor.
Activitatea de exploatare a rețelei de canale din sistemul de desecare-drenaj, impune executarea următoarelor operațiuni:
– verificarea generală a stării tehnice a canalelor, îndeosebi a elementelor geometrice;
– supra-reglarea continuă a evacuării apei;
– îndepărtarea corpurilor plutitoare sau a obstacolelor;
– înregistrarea nivelurilor și debitelor de apă, etc.
În afara operațiunilor curente, se mai efectuează și unele observații care stau la baza programelor de întreținere și anume:
– comportarea în timp a parametrilor tehnici și funcționali ai rețelei de canale;
– identificarea, pe teritoriul desecabil, a zonelor joase unde se menține un exces de umiditate în permanență;
– depistarea punctelor de strangulare a secțiunii canalelor datorită unor colmatări sau surpări neprevăzute.
După executarea rețelei de desecare-drenaj și a construcției hidrotehnice aferente acesteia, vor intra în exploatarea propriu-zisă fiind predate beneficiarului; se va întocmi regulamentul de exploatare și întreținere, document de bază ce cuprinde descrierea părților componente, plus măsurile necesare exploatării raționale.
La bază, regulamentul-cadru va cuprinde:
1. Generalități.
2. Descrierea lucrării.
3. Organizarea tehnico-administrativă (dotări).
4. Exploatarea lucrării (elementele hidraulice).
5. Lucrările de întreținere (regulamentul tehnic obligatoriu).
6. Folosirea rețelei de desecare pentru irigații.
7. Urmărirea efectului amenajării.
8. Măsurarea, observarea și interpretarea datelor.
9. Indicații finale.
10. Anexe.
11. Planșe: plan de situație, profile grafice, diagrame.
Pe lângă regulamentul general pot exista regulamente specifice pentru diferite părți componente (pentru stații de pompare S.P., stăvilare, noduri de distribuție etc.). În exploatarea suprafeței amenajate se deosebesc: suprafața brută, totală de suprafața netă utilizată pentru culturile agricole.
Sbr = Snet + Scanale, drum etc.; [III.212.]
Indicatorii tehnici de producție se raportează la suprafața netă. Trebuie cunoscute cerințele culturilor agricole pentru umiditatea din sol.
Exploatarea rețelelor de canale este bună dacă se cunosc cauzele care provoacă degradarea lucrărilor executate și se intervine cu remedieri în vederea prelungirii duratei de funcționare cât mai mult. În sistemele de desecare-drenaj noi executate, până nu se realizează rigole și lucrări agro-pedo-ameliorative este posibilă menținerea excesului de apă în zonele depresionare.
Măsurile pregătitoare speciale pentru o amenajare sunt: identificarea zonelor joase din incintă cu exces de apă, marcarea sectoarelor de canale susceptibile de degradări, depistarea punctelor de strangulare a secțiunii canalelor datorită colmatării, evidența mașinilor și utilajelor de intervenție din dotarea sistemului, măsuri de înlăturare, rigole de scurgere a apei spre canalul de desecare, dacă se constată deteriorări ale fundului sau taluzelor canalului acestea se remediază cu materiale locale, pentru menținerea la parametrii proiectați se impun măsuri restrictive.
Sunt interzise: accesul și pășunatul animalelor pe taluze, adăpatul animalelor din canalul de desecare cu executarea vadului de trecere, circulația vehiculelor și utilajelor pe canale, evacuarea dejecțiilor în canale, manevrarea stavilelor cu excepția personalului autorizat, plantare de arbori în zona de protecție a canalului (0,5 – 1,0 m).
Rigolele se refac anual, când sunt executate mecanizat, în zona de protecție se face manual. Drumurile de exploatare sunt menținute la nivelul proiectat, fără gropi, pentru a asigura scurgerea. Stația de Pompare să fie în bună stare de funcționare, să fie afișate cotele de comandă, iar nivelele să fie marcate pe mire.
6.1. Întreținerea rețelelor de canale de desecare
Lucrările de întreținere și de reparații au în vedere aducerea elementelor funcționale ale canalelor la parametri proiectați. Pentru aceasta, în lucrările de întreținere sunt incluse: curățirea de vegetație, executarea unor mici reparații la taluzuri, curățirea de aluviuni, înlăturarea obstacolelor, întărirea consolidărilor, combaterea rozătoarelor etc., iar în cele de reparații capitale sunt cuprinse: redimensionări, reprofilări și completări ale rețelei de canale, potrivit cu modificările survenite în timp în regimul de scurgere. Cel mai des întâlnite lucrări de întreținere la canale sunt: combaterea vegetației și despotmolirea secțiunii de scurgere.
6.1.1. Metode de combatere a vegetației de pe canale
Vegetația își găsește pe canale condiții favorabile de creștere și dezvoltare. Datorită vegetației spontane rugozitatea albiei se mărește, viteza de scurgere a apei se micșorează, iar capacitatea de transport a canalelor se reduce cu 50 – 70 %. Viteza redusă favorizează la rândul ei depunerile de aluviuni care modifică albia în profil longitudinal și transversal. Vegetația de pe canale poate contribui totodată la îmburuienarea suprafețelor limitrofe prin împrăștierea semințelor pe calea apei și vântului.
Vegetația de pe canale se combate prin mai multe metode: manuală, mecanică, chimică și prin ardere.
Metoda manuală se practică pe canale mici, prin cosirea vegetației folosind coase manuale. Se execută de cel puțin trei ori pe an, prima cosire până la 15 iunie, înainte de formarea semințelor și ultima, până la 15 septembrie pentru a nu fi surprinsă de ploile de toamnă. Cosirea pe un canal se face din aval spre amonte, pentru ca masa vegetală să nu bareze acțiunea de scurgere.
Metoda mecanică este des utilizată la curățirea de vegetație a oricăror canale, indiferent de mărimea lor. Această metodă folosește diverse tipuri de cositori mecanice, unele care acționează prin tăiere având organe de lucru cu mișcare alternativă, altele prin biciuire având organe rotative de mare turație.
Metoda chimică folosește diferite tipuri de erbicide. Deși este o metodă eficientă (mai ieftină și mai rapidă decât celelalte metode) trebuie practicată cu multă grijă. Astfel, aplicată pe întreaga secțiune a canalului prezintă dezavantajul că, în timpul ploilor mari, taluzurile lipsite de covor vegetal pot fi erodate prin șiroire. Totodată trebuie avută în vedere poluarea cu erbicide a apei din canale și pericolul acesteia asupra mediului înconjurător. Astfel dacă apa din canale este folosită la irigații, sau este populată cu pești, se va renunța la metoda de combatere chimică a vegetației.
Metoda de combatere prin ardere se folosește în sezonul rece a anului când vegetația este uscată și poate fi arsă cu ajutorul aruncătoarelor de flăcări. În SUA metoda se utilizează chiar la arderea vegetației verzi. În acest caz vegetația se stropește cu petrol, benzină sau cu gaze lichefiate, folosindu-se autocisterne speciale prevăzute cu duze de pulverizare. Metoda arderii are dezavantajul unui consum ridicat de energie și combustibil. De asemenea necesită un control sever care se prevină extinderea focului în zonele învecinate.
6.1.2. Despotmolirea rețelelor de canale de desecare
Unul dintre procesele fizice care determină degradarea canalelor de desecare, până la scoaterea lor din funcțiune, este colmatarea (împotmolirea) acestora cu depuneri de aluviuni (de mâl). Despotmolirea canalelor se poate executa manual și mecanic [37].
Despotmolirea manuală se folosește la canalele mici, care au un volum redus de depuneri, sub 150 m3/km și an. Această lucrare se execută cu diferite unelte (cazmale, lopeți etc.) de către muncitori echipați cu cizme de cauciuc. Pentru 120 m3/km canal în 8 ani secțiunea canalului se împotmolește complet.
Despotmolirea mecanică se execută cu diferite mașini și echipamente montate pe tractor cum sunt: echipamentul de curățat canale ECC-R, freza de curățat canale care lucrează din mers și echipamentul E.I.I.F. prevăzut cu dispozitive pentru despotmolit. Se mai pot folosi echipamente de tip Herder, Barford, mașini cu cupe multiple etc.
Cubajul specific mic de, 0,05 – 0,6 m3/ml – reprezintă principala greutate pentru mecanizarea acestui gen de lucrări, știut fiind că excavatoarele folosite la execuție cu randament bun, necesită volume de 3 – 5 ori capacitatea cupei. Cea mai mică cupă este de 0,25 m3 rezultând un randament scăzut, fiind necesare utilaje specializate.
Mașinile utile la despotmolirea canalelor colmatate sunt:
1) Mașini cu funcționare neîntreruptă: cupe multiple, freză, rotor.
2) Mașini cu mișcare ciclică: excavator, draglină.
3) Mașini ce excavează mâlul prin hidromecanizare: drăgi, amfidrăgi.
Pentru calcularea volumului de săpat din despotmolire sau reprofilarea canalului și împrăștierea deponiilor trebuie întocmite fișe de gabaritaj (săpat și împrăștiat).
La lucrările de reprofilare, volumul de pământ săpat este mai mare decât la despotmolire astfel că:
– la canale cu 0,25 – 2 m3/ml h va fi 1,5;
– la canale cu 0,5 – 5,5 m3/ml h va fi 2 m;
– la canale cu 1,2 – 15 m3/ml h va fi > 3,5.
Menționăm că pe plan mondial există o gamă foarte variată de mașini pentru despotmoliri sau reprofilări de canale. Productivitatea acestor mașini și echipamente este de 1 – 3 km/zi.
6.2. Întreținerea rețelelor de drenaj
În timpul exploatării, mai ales după perioadele ploioase, se verifică funcționalitatea fiecărui dren, luându-se măsuri de remediere atunci când se constată o diminuare a capacității de captare și transport. Lucrările de întreținere constau, în principal, din decolmatarea drenurilor de mâl, nisip, resturi vegetale și de compuși minerali de fier, mangan, etc.
Pentru curățirea drenurilor sunt folosite metodele hidraulică și chimică.
Metoda hidraulică constă în spălarea în primi ani după execuție a secțiunii interioare a drenului cu jeturi de apă sub presiune folosind instalați specializate de spălare care cuprind o moto pompă de înaltă presiune (10 – 25 atm.), folosind un debit de apă de 50 -70 l/min, furtun flexibil (200 m lungime) și tubul de jet.
Tuburile de jet pot fi: cu acțiune frontală pentru spargerea jdepunerilor, tubul de jet cu acțiune posterioară sau laterală pentru spălarea depunerilor de pe pereții tuburilor de dren.
Există următoarele tipuri constructive ale instalațiilor de spălare: cisternă autotractată; motopompă pe 3 roti cu pneuri tractată de un alt mijloc de locomoție și motopompă așezată în caroseria unei furgonete (autocamion sau tractor).
Metoda chimică constă din introducerea în dren a unei soluții de acid sulfuric și bisulfit de sodiu (concentrație 0,2 – 3 %) sau a unei soluții de bioxid de sulf gazos 2 % care acționează asupra compușilor de fier și mangan putând fi astfel îndepărtați odată cu apa de drenaj. Soluția de acid sulfuric și bisulfit de sodiu se introduce în dren și se ține închisă cel puțin 24 ore, până ce depunerile se dizolvă. După îndepărtarea soluției, drenul se spală cu apă. Curățirea drenurilor se recomandă să se efectueze când solul este saturat cu apă, în acest fel pierderile de soluție fiind minime.
Lucrările de întreținere mai constau din curățirea de aluviuni și corpuri străine a căminelor de vizitare și a gurilor de evacuare a drenurilor.
Reparațiile curente ale rețelei de drenaj cuprind: refacerea și înlocuirea unor tuburi de dren, a gurilor de evacuare, repararea căminelor și a consolidărilor taluzurilor canalelor în sectoarele în care se varsă drenurile.
7. Construcții aferente amenajărilor de desecare-drenaj (lucrări de artă)
Asigurarea scurgerii normale a apei și a circulației agregatelor, vehiculelor și oamenilor în toate sectoarele suprafeței de desecare impune executarea unor construcții hidrotehnice pe rețeaua de canale. Aceste construcții trebuie să fie rezistente, stabile, să asigure ușurință și eficiență în execuție și exploatare, să fie confecționate din materiale locale și să permită mecanizarea și industrializarea în execuție.
Principalele construcții hidrotehnice de pe rețeaua de canale de desecare sunt: stațiile de pompare, stăvilarele, căderile, podețele, construcțiile de subtraversare și lucrările de consolidare.
Lucrările hidrotehnice din sistemele de desecare au rolul de a dirija scurgerile de apă pe canale (cum sunt stăvilarele), de a racorda biefurile (pantele forțate și căderile) și de a asigura circulația pe teritoriul desecat (podețele, vadurile de trecere etc.). De buna întreținere a acestor lucrări depinde funcționalitatea rețelei de canale și ca urmare, exploatarea suprafețelor amenajate.
Se examinează gradul de degradare, de uzură și de fisurare a construcțiilor, desfacerea rosturilor, deformarea fundațiilor prin tasare, apariția eroziunilor în zonele amonte și aval ale consolidărilor, înnămolirea construcțiilor care poate reduce capacitatea de scurgere a apei.
Lucrările de întreținere constau din:
– înlăturarea corpurilor și murdăriilor plutitoare care influențează scurgerea apei prin stăvilare și podețe ;
– etanșarea stavilelor și curățirea grătarelor ;
– curățirea și ungerea mecanismelor de ridicare, a lanțurilor, tijelor, cablurilor etc. ;
– îndepărtarea zăpezilor și spargerea ghețurilor formate în timpul iernii ;
– curățirea aluviunilor de pe corpul construcțiilor ;
– vopsirea părților lemnoase și metalice împotriva putrezirii, ruginii ;
– întreținerea podețelor și pasarelelor care deservesc stăvilarele.
În cadrul lucrărilor de reparații curente se prevăd: repararea construcțiilor, înlocuirea panourilor (obloanelor) de lemn degradate ș.a., iar ca lucrări de reparații capitale, refacerea construcțiilor hidrotehnice uzate (deteriorate).
7.1. Statii de pompare de desecare cu infrastructură și suprastructură echipate cu pompe centrifugale.
Stațiile de pompare sunt complexul de construcții, instalații de forță și echipamente hidromecanice, care soluționează ridicarea mecanică a apei (pomparea) în cazurile când transportul gravitațional nu mai este posibil sau economic.
Cel mai des întâlnit tip constructiv de stații de pompare de desecare realizat în România este prezentat în figura III.90.
Figura III.90. Vedere în plan și profil longitudinal prin bazinul de aspirație, construcția și bazinul de refulare al unei stații de pompare de desecare echipată cu pompe centrifugale orizontale.
Evacuarea apei de desecare, din canal în emisarul reprezentat de un curs natural de apă, se poate face gravitațional când nivelul apei în emisar este redus și prin pompare în conducta de refulare, montată în corpul digului, pentru niveluri mari, specifice perioadelor cu viituri, în emisar.
Stațiile de pompare pot fi echipate cu una sau mai multe pompe centrifuge montate în poziție orizontală, care pot funcționa fiecare separat sau concomitent.
7.2. Stații de pompare de desecare-drenaj echipate cu pompe submersibile.
Apariția pompelor performante submersibile, de mare capacitate a condus la folosirea lor în echiparea stațiilor de pompare de desecare – drenaj, care sunt construcții mai simple, fără suprastructură (cel mai adesea), deosebind mai multe tipuri constructive [96]:
– stație de pompare submersibilă cu refulare într-un canal cu perete deversor; (Figura III.91)
Figura III.91. Stație de pompare submersibilă cu refulare într-un canal cu perete deversor.
stație de pompare submersibilă, cu refulare într-un canal liber; (Figura III.92.)
Figura III.92. Stație de pompare submersibilă, cu refulare într-un canal deschis
– stație de pompare submersibilă cu refulare într-un canal închis; (Figura III.93.)
Figura III.93. Stație de pompare submersibilă cu refulare într-un canal închis
– stație de pompare submersibilă, cu pompare într-un canal, cu clapetă de reținere; (Figura III.94.)
Figura III.94. Stație de pompare submersibilă, cu pompare într-un canal, cu clapetă de reținere
– stație de pompare submersibilă cu refulare în sifon prevăzut cu ventil de aerisire și oprire; (Figura III.95.)
Figura III.95. Stație de pompare submersibilă cu refulare în sifon prevăzut
cu ventil de aerisire și oprire;
Pentru pomparea apelor este preferabilă soluția stațiilor de pompare echipate cu pompe cu ax vertical. Aceasta pentru că amplasarea bazinului de aspirație (recepție) sub sala motoarelor de antrenare, cu pompele în lichid, elimină neajunsurile create de infiltrații. Exigențele cerute de etanșeitate sunt mult diminuate în acest caz. (Figura III.96.)
Figura III.96. Soluții constructive conducte de refulare și tub (coloană) verticală.
Dezavantajul principal al acestei soluții constă în condițiile dificile de control și întreținerea pompelor.
La alegerea amplasamentului stațiilor de pompare trebuie să se țină seama de:
– condițiile generale topografice și de pantele disponibile ale sistemului de canalizare;
– poziția relativă a colectoarelor secundare și a celui principal față de emisar;
– existența surselor de alimentare cu energie electrică a stației;
– posibilitatea instituirii unei zone de nocivitate în jurul stației.
O problemă importantă este asigurarea, în amplasamentul ales a posibilității de descărcare, în caz de avarie, a apelor uzate, care curg spre stația de pompare (descărcare într-un emisar apropiat sau într-un colector situat într-o zonă de cotă inferioară).
Lucrările de exploatare a stațiilor de pompare trebuie să asigure funcționarea tuturor instalațiilor aferente la parametrii proiectați și în condițiile cele mai economice. Astfel, personalul stației are obligația să cunoască regulamentul de exploatare, măsurile de protecția muncii, de pază și stingerea incendiilor.
Lucrările de întreținere se referă la situația pompelor și motoarelor, a instalațiilor auxiliare, a conductelor și a construcției stației de pompare. Ele au drept scop prevenirea avariilor și menținerea utilajelor în stare bună de funcționare. Întreținerea agregatelor de pompare constă din ungerea lagărelor, verificarea presetupelor la pompe, a vanelor, a clapetelor de reținere, vopsirea agregatelor, precum și curățirea grătarelor și a sitelor la aspirații. Pe lângă lucrările de întreținere se mai execută și lucrări de reparații curente și anume: recondiționarea și ajustarea pieselor uzate, strângerea îmbinărilor, separarea dispozitivelor de protecția muncii.
În cadrul lucrărilor de reparații capitale se pot demonta, înlocui și recondiționa instalațiile sau subansamblele uzate. Pentru stabilirea operațiilor ce vor fi efectuate în perioada reparațiilor capitale se va executa o revizie tehnică. Reparațiile se eșalonează în perioada iulie – septembrie când debitele de apă din sistemele de desecare-drenaj sunt reduse.
7.3. Stăvilare
Pentru reglajul nivelurilor și debitelor în și spre diferite sectoare ale rețelei se întrebuințează diferite tipuri de stăvilare: stavile plane, stăvilare tubulare, stăvilare cu timpan, distribuitoare, regulatoarele cu acționare hidraulică și flotor.
Cel mai utilizat este stăvilarul deschis din beton, cu oblon din lemn (Figura III.97.)
Figura III.97. Stăvilar plan
Stavila plană verticală este o construcție de control și reglaj neautomatizat, al debitului tranzitat Qtr printr-o secțiune (derivație) către unul sau mai mulți consumatori aferenți unui bief al rețelei (în regim hidraulic permanent și uniform, cu nivel liber).
Debitul tranzitat prin secțiunea de curgere (cu dimensiunile b și d) este dependent de adâncimile ham, hav, deschiderea stavilei d și tipul regimului hidraulic din bieful aval de secțiunea controlată de stavilă. Reglajul debitului este realizat prin manevrarea oblonului stavilei, cu ajutorul mecanismului cu șurub. (Figura III.98.)
Figura III.98. Stavilă plan verticală
1 – tăblier stăvilar, 2 – mecanism de manevră, 3 – cadru suport, 4 – prag de acces cu „mână curentă”,5 – timpan de beton, 6 – nișă de culisare tăblier, 7 – fundație
Reglajul acelorași parametri (niveluri și debite) se poate realiza mult mai precis și eficient (funcționarea automatizată), prin utilizarea regulatoarelor (stavilelor) hidraulice cu plutitor (flotor). Principala lor caracteristică constă în aceea că utilizează atât în procesul de măsură, cât și în cel de comandă și execuție, energie hidraulică (a apei în mișcare), adică tocmai o energie a mediului asupra căruia acționează.
Funcție de poziția plutitorilor (flotorilor) în raport cu elementul de execuție, stavilele automate cu acționare hidraulică se împart în două mari grupe:
– cu comandă din amonte, realizând menținerea constantă a nivelului apei în bieful amonte (ham = ct.), regularizarea și controlul debitelor tranzitate Qtr. către bieful aval (Stavila cu corpuri plutitoare, Stăvilarul AMIL);
– cu comandă din aval, care mențin constant nivelul apei în bieful aval (hav = const.) realizând concomitent regularizarea și controlul debitului tranzitat Qtr. către același bief (Stăvilarul AVIS, Stăvilarul AVIO);
– cu comandă mixtă, amonte-aval (Stăvilarul RHN – 1 tip IEELIF Tulcea)
Stavila cu corpuri plutitoare [79, 110, 118, 120, 125, 133] poate fi folosită pentru menținerea nivelului apei constant în amonte (limitat în aval) fiind compusă (figura III.99.) din: tăblier (1), plutitori (2) solidarizați de tăblier, contragreutățile (3) aflate la celălalt capăt al plutitorilor, cadrul de fixare al plutitorilor (4), dispozitivul de solidarizare al plutitorilor cu stavila tăblier (5), cablurile de ancoraj (6) legate de bornele fixe (7) amplasate pe cele două maluri ale canalului, având rolul de fixare în poziție de lucru.
Figura III.99. Stavilă cu corpuri plutitoare (după Orlescu M.-1996)
La creșterea nivelului apei în amontele unei stavile cu corpuri plutitoare, fixate în poziție de lucru pe un tronson de canal, plutitorii se ridică comandând creșterea deschiderii tăblierului și descărcarea în aval a unui debit de apă suplimentar, astfel încât nivelul în amonte rămâne constatnt.
Stăvilarul AMIL este un regulator hidraulic de debit tranzitat, prin intermediul nivelului apei în amontele canalului, ham = ct. (Figura III.100.)
Figura III.100. Stăvilar hidraulic regulator de nivel amonte AMIL
Din punct de vedere constructiv, stăvilarul AMIL este compus dintr-un plutitor (1) montat în partea amonte a obturatorului secțiunii canalului, reprezentat de un tăblier curb (2), fixat la un capăt al unui ax vertical, care se poate roti în jurul articulației (3) și având la celălalt capăt cu o contragreutate glisantă (4).
Dacă nivelul apei în amonte are tendința să scadă, plutitorul comandă închiderea treptată a obturatorului și invers, dacă același nivel are tendință de creștere, vana se deschide distribuind în aval un debit mai mare, proporțional cu deschiderea obturatorului.
Stăvilarele AVIS și AVIO sunt regulatoare de debit prin intermediul nivelului apei în bieful aval al canalelor, hav = ct. (Figura III.101.)
Figura III.101. Stăvilarele regulatoare de nivel aval AVIS și AVIO
Regulatoarele de nivel AVIS și AVIO sunt asemănătoare din punct de vedere constructiv cu stăvilarul AMIL, având aceleași părți componente: plutitor montat în capătul aval al axului vertical (1), în celălalt capăt fiind montat obturatorul format dintr-un tăblier curb (2). Axul vertical fiind articulat în punctul 3, care permite rotirea lui și având o greutate culisabilă în lungul axului (4).
Diferența între regulatoarele AVIS și AVIO constă în faptul că deși ambele se folosesc pentru reglarea nivelurilor de apă aval, în primul caz stăvilarul obturează secțiunea transversală a canalului pe când în al doilea caz este obturat, parțial sau total un orificiu dreptunghiular.
Regulatorul hidraulic de nivel (RHN – 1) tip IEELIF Tulcea [86] înglobează într-un singur stăvilar, caracteristicile funcționale ale stăvilarelor AMIL și AVIS, asigurând un nivel amonte constant și un nivel în canal aval constant. (Figura III.102.)
Figura III.102. Schema funcțională a regulatorului hidraulic de nivel (RHN – 1)
tip IEELIF Tulcea
Stăvilarul regulator de nivel RHN – 1, se aseamănă constructiv cu stăvilarele AMIL și AVIS, având în plus plutitorul montat pe tăblier prevăzut cu un orificiu prin care intră apa, a cărui dop este deschis de o tijă, comandată prin intermediul unei articulații de o cumpănă care asigură echilibrul între nivelul amonte și aval, prin intermediul a doi cilindri, construiți lateral de canal, care comunică, unul cu bieful amonte (L1) și celălalt cu bieful aval (L2). În cei doi cilindri se mișcă doi plutitori legați de cele două capete ale cumpenei prin două tije metalice.
Dacă nivelul de apă scade în bieful amonte, plutitorul 2 coboară, comandând prin intermediul cumpenei, deplasarea tijei în sensul 1, situație în care dopul plutitorului 1 de pe tăblier permite intrarea unui volum de apă în plus, care duce la închiderea stavilei, reducerea debitului tranzitat și implicit la creșterea nivelului în bieful amonte.
Dacă în bieful aval nivelul de apă scade, plutitorul din cilindrul 3 coboară, acționând celălalt capăt al cumpenei și deplasarea tijei dopului în sensul 2, această deplasare determină golirea unui volum de apă corespunzător din plutitorul 1, ridicarea tăblierului, creșterea debitului descărcat și refacerea nivelului de apă corespunzător biefului aval.
Stăvilarul flexibil autoreglabil (SFA), tip IEELIF Arad, realizare relativ recentă a colectivului de cadre didactice de la Universitatea “Politehnica” Timișoara, este foarte răspândit în Japonia, Australia, etc. (Brevet OSIM nr. 91040 din 1986) Studiile teoretice au fost realizate la București și Timișoara, pe modele, iar studiile experimentale de teren la IEELIF Arad, de unde provine și numele. [108, 110, 117]
Stăvilarul flexibil, realitzat din cauciuc pânzat, cu simplă curbură sau dublă curbură este montat în secțiunea transversală a canalelor, pentru a reține apa în bieful amonte, lucrează în stadiul de membrană, umplută cu aer sau apă. (Figura III.103.)
Stăvilarul flexibil este legat la o pompă de aer sau la un vas de expansiune (VE) din care este umplut cu aer sub presiune sau apă.
Figura III.103. Stăvilar flexibil autoreglabil, umplut cu apă, tip IEELIF Arad
Creșterea nivelului de apă în amonte conduce la creșterea sarcinii deversorului și implicit la turtirea stăvilarului flexibil care permite descărcarea unui debit suplimentar, necesar pentru echilibrarea nivelului de apă aval de stăvilar.
La reducerea nivelului de apă din amonte, sarcina deversorului se reduce proporțional, volumul stăvilarului flexibil crește, reducându-se debitul de apă deversat și astfel este determinată reținerea unui volum de apă în bieful amonte, corespunzător diferenței de nivel ce trebuie echilibrată.
7.4. Trepte de căderi pe canale
Treptele de căderi se mai numesc și ruperi de pantă și sunt soluții tehnice de reducere a pantei longitudinale a traseului canalelor colectoare, pe porțiuni scurte (în plan) și cu diferențe mari de nivel. Se pot realiza cu una sau mai multe trepte, în funcție de mărimea diferenței de nivel. (Figura III.104.)
Figura III.104. Trepte de cădere pe canale
Pentru disiparea energiei apei în avalul ruperilor de pantă (mai ales în cazul unei singure trepte cu pantă mare) se pot prevedea macro-rugozități pe profilul canalului și/sau bazin de disipare.(Figura III.105).
Figura III.105. Treaptă de cădere realizată din prefabricate, cu bazin de disipare a energiei
Pe canalele mici cu debite mai mici de 1 m3/s și diferență de nivel sub 1 m, se pot folosi căderi de construcție simplă din materiale locale (Figura III.106.), (suluri de fascine și pari, bușteni de lemn și blocuri de piatră ori pavaje de piatră și pari).
Figura III.106. Ruperi de pantă pe canalele executate din materiale locale
7.5. Cămine de vizitare
Căminele de vizitare sau control sunt construcții care se prevăd în punctele de racordare a mai multor drenuri colectoare, în punctele de schimbare pronunțată a pantei sau direcției în plan, sau pe traseul drenurilor colectoare foarte lungi, distanțate la cca. 500 m între ele. (Figura III.107.)
Figura III.107. Cămine de vizitare sau control cu regulator de nivel sau cu nișă batardou
Căminele se construiesc cu secțiune circulară sau pătrată, de regulă din tuburi prefabricate de beton cu diametrul de 0,8 ± 0,10 m, având cota radierului la minimum 0,30 m sub drenul cel mai coborât.
7.6. Guri de evacuare sau de vărsare a drenurilor
Gurile de evacuare sunt elemente constructive locale din beton, cu rol de protecție antierozională a taluzului canalului în care își descarcă apele colectate drenurile absorbante și colectoare, având forma și componența prezentate în figura III.108.a,b.
Figura III.108. Guri de vărsare a drenurilor
Descărcarea trebuie făcută la minimum (0,8 1,00) m sub nivelul terenului pentru a feri tubul de îngheț și la cel puțin 0,20 m deasupra nivelului minim al apei din canalul de desecare.
În figura III.109. se prezintă o vedere de ansamblu a unei guri de vărsare a drenurilor realizată prefabricat din beton. Aceste guri de vărsare sunt realizate în alte țări mai simplu sub forma de jgheaburi din plastic care se fixează pe taluzul canalului în capătul de vărsare al tubului de dren.
Figura III.109. Vedere de ansamblu a unei guri de vărsare a drenurilor
realizată prefabricat din beton. (foto: E.T. Man)
7.7. Lucrările de consolidare ale canalelor
Lucrările de consolidare pe canalele de desecare se execută fie pentru protejarea fundului și taluzurilor, fie pentru a combate prăbușirea taluzurilor și deformarea secțiunii. Fenomenele de eroziune sunt mai rar întâlnite pe canalele de desecare și sunt, de regulă, localizate pe sectoarele de traversare a unor terenuri nisipoase, sau mâloase, unde viteza curentului depășește viteza limită de neeroziune.
Fenomenele de instabilitate a taluzurilor sunt frecvente pe sectoarele cu adâncime mare, când canalul pătrunde în pământuri slab coezive. Fenomenul este agravat în cazul în care există un aflux subteran către canal, sau când coborârea bruscă a nivelului apei în canal creează un gradient hidraulic mare în maluri.
Consolidarea se poate realiza cu diverse materiale și tipuri de lucrări (Figura III.110.): cu fascine lestate și pereu de piatră (a), saltea de nuiele fixată cu fascine și anrocamente (b), cu prăjini de lemn (c), fascine lestate cu piatră (d), plăci de stufit fixate cu pari (e), combinația fascine lestate, nelestate și piatră (f) și fascine lestate, pereu de piatră, pereu din dale de beton perforate și brazde de iarbă (g).
Figura III.110. Lucrări de consolidare a secțiunii canalelor: 1 – suluri de fascine lestate, 2 –anrocamente, 3 – fascine, 4 – piatră spartă, 5 – trunchiuri de lemn, 6 – dale de beton perforate, 7 – brazde de iarbă, 8 – plăci de stufit.
7.8. Lucrări de artă
Stații de pompare – pentru desecare:
verticale – cu pompe axiale verticale dezvoltate pe înălțime și posibil de realizat unde terenul este sănătos;
orizontale – pentru a distribui greutatea pompelor – în cuve uscate din beton armat.
Verticale
desen
Orizontale – se fac pe terenurile mai slabe în cuvă uscată
Evacuarea gravitațională
Podețe
desen
Calculul hidraulic
Caz. A.
Podețe cu scurgere liberă
Caz. I. hcr > h
T.B. 1 – 2
,
unde H – nivelul apei în canal după execuția podețelor
α = 1,1
Notăm:
→
Din teoria mișcării neuniforme la hidraulică s-a dedus ecuația:
dar de unde se obține:
Înlocuind aceasta în relația lui Ho se obține:
Caz practic: secțiune dreptunghiulară
Notăm:
H0 = k0 ∙ hcr
ξ = ξi + ξe
ξi = 0,5 (pentru muchii ascuțite)
ξi =0,3….0,1 (pentru muchii rotunjite)
Lab. Exemplu
Caz. 2. h > hcr
unde: h – înălțimea apei din canal înainte de a …..podețul
v- viteza apei din podeț la nivelul „h” (poate să difere de viteza din aval)
Podeț dalat
Podețele libere sunt de obicei sub forma unor podețe dalate.
Dimensionarea se face impunând o viteză în podeț cu 5- 10% mai mare ca viteza în canal. Se alege secțiunea podețului, se verifică H și se calculează curba de remu pentru a vedea zona de influență.
Caz B.
Podețe sub presiune
Caz. 1.
Caz. 2.
Caz. 3.
h > d…………. podeț înecat în aval
T.B. 0-1
h’
Obs. Aceste relații sunt valabile și pentru cazurile 1 și 2.
;
Q=S∙v
Dacă se impune v se calculează:
Practic – se impune v = 0,8-1,2 m/s, se determină secțiunea tubului S pentru a fi capabil să transporte Q și se calculează H.
Caz. 3.
Podeț înecat în aval
unde
; Q = S∙v
Podețele înecate au fost îmbunătățite din punct de vedere hidraulic prin realizarea unor întrări rotunjite:
(nomograme vol.I)
Aceste podețe pot fi îmbunătățite și mai mult dacă în aval se introduce un tub divergent pentru disiparea energiei.
TB. 1-2
dar:
(crește până la 70%)
Ruperi de pantă
Pentru a nu depăși vitezele admise datorită pantelor mari se realizează construcții de ruperi de pantă.
Treaptă de cădere realizată din prefabricate, cu bazin de disipare a energiei
TB.1-2
Subtransversările
Desen
Q = v ∙A
Alte tipuri de podețe (arc, etc.)
Desen
Stăvilarele
Se folosesc pentru reținerea apei în cazul cand prognoza anunță un an secetos.
Se folosesc pentru reținerea apei în zonele superioare ale rețelei de desecare cand stația de pompare nu poate evacua întregul debit colectat.
(relație valabilă când stăvilarul controlează secțiunea de scurgere)
(când stăvilarul este complect ridicat)
Important pentru desecări este cazul când stăvilarul este închis și reține apa.
Desen
??????????????? de infiltrație trebuie să fie mai mare decât C.H.
pentru ca să nu se antreneze particulele fine de sub stăvilar.
c – este funcție de teren:
Evacuările în recipient – (evacuări gravitaționale)
calculul este similar cu al podețelor sub presiune înecate în aval.
Evacuările în sifon
condiții de evacuare în sifon – pompă de vid și ventil de aerisire
T.B. intrare – ieșire rezultă că:
T.B. A-C
unde: A – altitudinea locului „m”
unde: ΔHp – varia’ia presiunii barometrice
Înlocuind se obține:
8. Tasarea (subsidența) terenurilor drenate
8.1. Stabilirea conținutului de apă în sol funcție de conținutul de argilă și materie organică
Solurile periodic inundate ale albiilor râurilor (sedimente aluviale) au o caracteristică principală – porozitate mare și permeabilitate mică. În timpul inundațiilor porii sunt plini cu apă și funcție de conținutul de argilă (<0,002 mm) și materia organică se poate stabili conținutul de apă în sol pe baza relației de calcul următoare:
W=20+n(c+b*H)
W – conținutul de apă în sol (%)
20 – constantă care reprezintă conținutul de apă pentru un nisip pur saturat
c – conținutul de argilă în % din greutate
H – materia organică în %
n, b – factori caracteristici pentru orice tip de sedimente (n pentru apă, b pentru material)
[ Figura 1 ]
Graficul reprezintă conținutul de apă în sol funcție de conținutul de argilă. Sedimentele organice dintr-o albie se schimbă într-un sol normal fenomen ce se dato-rează schimbării nivelului freatic. Pierderea apei din sol are următoarele consecințe:
descreșterea conținutului de apă
creșterea permeabilității
scăderea cotei, tasare
apariția crăpăturilor
aerarea solului
8.2. Cauzele subsidenței. Efecte și factori de influență ai subsidenței
8.2.1 Cauze
a) scăderea greutății respectiv a presiunii solului prin drenarea apei. Pentru fiecare metru de nivel freatic coborăt presiunea scade cu 0,1 kgf/cm2
b) contracția solului datorită forțelor capilare ce apar după drenarea solului saturat (contracția orizontală duce la crăpături, cea verticală la tasare)
8.2.2 Efectele subsidenței
Coborârea nivelului solului face necesară drenarea mai adâncă a apei freatice. Se realizează o compactare a stratului de suprafață drenat. Se subțiază stratul de suprafață, se produce tasarea construcțiilor.
8.2.3 Factorii de influență
– coborârea nivelului freatic
– pierderea apei prin evapotranspirație
– conținutul de argilă, materie organică, adâncimea stratului de profil, culturile agricole, volumul specific inițial, condiții de drenaj, condiții climatice, grosimea stratului compresibil
8.3. Calculul tasării
8.3.1 Metoda I sau metoda din mecanica solurilor
Tasarea se face folosind următoarea formulă:
unde P1 este presiunea inițială înainte de drenare (greutatea stratului superior în kg/cm2 și dacă este sub apă greutatea materialului solid sub apă în kg/cm2); P2 este presiunea finală după coborârea nivelului freatic; S este subsidența în cm; T este grosimea stratului de pământ; c este constanta de compresiune a pământului.
P2 = P1 + L unde L este creșterea presiunii la coborârea nivelului freatic (0,1kg/cm2 la 1m)
l = coborea de nivel în m
L = 0,1*l
P2 = P1 + 0,1*l
Dificultățile metodei: fluctuațiile nivelului freatic la ploaie și secetă; constanta de compresiune depinde de viteza de coborâre a nivelului freatic; subsidența este posibilă dacă se poate drena apa.
Exemplu numeric 1:
Având un profil de sol din figura următoare în care la suprafață:
de la 0 la 1 m avem nisip γv = 1,6 t/m3
de la 1 la 3 m avem turbă γv = 1,04 t/m3
de la 3 la 5 m avem argilă γv = 1,2 t/m3
[ Figura 2 ]
Să se calculeze care va fi tasarea solului. Din geotehnică se știe: pentru nisip c=∞, pentru turbă c=5, pentru argilă c=8.
Rezolvare:
Calculăm P1 la adâncimea de 1m (presiunea inițială)
P1 = h(γv – γa) = 1 *0,6= 0,6 t/m2 = 0,06 kg/cm2
La adâncimea de 3m: P1 = 0,06 + 0,2*(1,04 – 1)= 0,068 kg/cm2
În centrul de greutate al stratului avem:
La 2 m adâncime: P1 = 0,06 + 0,1*(1,04 – 1)= 0,064 kg/cm2
La 4 m adâncime: P1 = 0,068 + 0,1*(1,2 – 1)= 0,088 kg/cm2
P2 = P1 + 0,1*1
Tasarea la turbă este:
Tasarea la argilă este:
8.3.2 Metoda II
Pe baza volumului specific înainte și după tasare
La tasare volumul porilor scade deci scade și volumul specific. Volumul specific este volumul de sol uscat netulburat ce cântărește 1g. VS = 1cm3/gr
Neglijând acoperitor contracție orizontală și adăugând în totalitate la cea verti-cală se obține tasarea (subsidența solului).
[ Figura 3 ]
Subsidența este 50%. Plecând de la raportul:
T1 – grosimea inițială; T2 – grosimea după tasare; VS1 – volumul specific inițial; VS2 – volumul specific după tasare.
Pentru sedimente minerale neaerate avem:
la 100 g material mineral fără pori
2,65 g/cm3 este greutatea specifică a materiei minerale din sol
Deoarece volumul porilor este egal cu volumul apei din sol putem spune că 100g sol uscat împreună cu porii iau volumul egal cu 38.
Vol = 38 + W (unde 38 – partea solidă și W – partea lichidă )
= 58 + nc (cm3) deci VS = 58 + nc (S-a neglijat materia organică.)
Aceasta este definiția volumului specific și pentru 1g rezultă pentru solurile minerale cu porii umpluți cu apă VS în cm3/g.
VS = 0,58 + 1,01nc = 0,38 + 0,01W
Observație: Aceasta este metoda cea mai utilizată pentru calculul tasării sau subsidenței.
Exemplu numeric:
Un profil omogen de 1m adâncime având c=30% argilă, factorul de apă n=2,9 are după subsidență volumul specific final astfel:
VS2 = 0,78 cm3/g pentru stratul de la 0 la 20 cm
VS2 = 0,81 cm3/g pentru stratul de la 20 la 30 cm
VS2 = 0,855 cm3/g pentru stratul de la 30 la 40 cm
VS2 = 0,89 cm3/g pentru stratul de la 40 la 50 cm
VS2 = 0,93 cm3/g pentru stratul de la 50 la 60 cm
VS2 = 0,95 cm3/g pentru stratul de la 60 la 70 cm
Să se determine subsidența.
Rezolvare:
Calculăm: W = 20 + nc = 20 + 2,9 * 30 = 107%
VS1 = 0,58 + 0,01nc = 0,58 + 0,01 * 2,9 * 30 = 1,45cm3/g
Stratul de la 0 la 20 cm după tasare a fost inițial de grosimea:
Stratul de la 20 la 30 cm după tasare a fost inițial de grosimea:
Stratul de la 30 la 40 cm după tasare a fost inițial de grosimea:
Stratul de la 40 la 50 cm după tasare a fost inițial de grosimea:
Stratul de la 88 la 100 cm inițial va fi după tasare:
[ Figura 4 ]
Exemplu numeric:
Se cere subsidența pentru un profil neomogen cu diferite procente de argilă care înainte de tasare are următoarea stratificație:
[ Figura 5 ]
Observație: Se cunoaște factorul de apă n=2,8.
După tasare se determină VS2 pentru diferite strate și rezultă:
Stratul inițial de la 0 la 30 cm va fi după tasare:
[ Figura 6 ]
După tasare stratul de la 16,5 la 20 cm a fost inițial:
Stratul de la 35,2 la 50 cm va fi după tasare:
După tasare stratul de la 50 la 60 cm va fi:
După tasare stratul de la 37,2 la 40 cm a fost inițial:
După tasare stratul de la 40 la 50 cm a fost inițial:
După tasare stratul de la 50 la 60 cm a fost inițial:
Stratul de la 97,1 la 100 cm va fi după tasare:
Reprezentând succesiv aceste tasări în desenul de mai sus se obține o subsidență S = 100 – 62 = 38cm
8.3.3. Metoda III sau Metoda „La drenuri”
[ Figura 7 ]
Din literatura tehnică de specialitate se cunoaște că:
ts + Hf = td + Hi deci: Hi = ts – td + Hf
Pierderea adâncimii drenate: Pa = Hi – Hf = ts – td
T – grosimea stratului de turbă[m]; a – adâncimea nivelului apei realizată; VS(%) – volumul substanței; c – coeficient = 0,8 pentru turbă; d = coeficient = 0,67 pentru turbă.
Acestea sunt tasări finale. Pentru a avea tasarea la un moment dat funcție de cea finală se folosesc relațiile:
w – coeficient funcție de conținutul de apă al loess-ului turbos
t – numărul de ani după care calculăm tasarea
Exemplu numeric:
Cunoscând scoborârea nivelului freatic prin drenare a=0,8m, grosimea stratului de turbă T=1,8m, Hf = 1,2m se cere să se calculeze tasarea la t=2ani de la punerea în funcțiune a amenajării.
Observație: Valoarile lui w funcție de conținutul W(%) apă se iau din tabelul următor:
Rezolvare:
Pentru W=80% și VS=10% din tabel rezultă w=0,103
Se calculează td, ts și pa folosind relațiile de mai sus:
sau se poate calcula:
9. Perspectiva lucrărilor de desecare-drenaj în concordanță cu legislația de protecția mediului
Dacă în perioada anterioară anului 1989 au fost amenajate cu lucrări de desecare-drenaj 3,2 mil ha de teren, aceste investiții fiind alocate de la bugetul de stat, costul lucrărilor fiind foarte ridicat, după această dată suprafețele amenajate au fost nesemnificative, având caracter local, datorită lipsei subvențiilor de stat.
În plus, după integrarea României în Comunitatea Europeană, punându-se un accent deosebit pe principiile dezvoltării durabile, conform cărora resursele naturale trebuie gospodărite rațional, astfel încât ele să fie asigurate și pentru generațiile viitoare și având în vedere costurile foarte mari ale lucrărilor de desecare-drenaj, se pune problema păstrării zonelor afectate de exces de umiditate, mai ales atunci când investițiile necesare amenajării cu lucrări de desecare nu se justifică, și introducerea zonelor umede în circuitul rezervațiilor naturale. [21, 56, 100, 105]
Pentru a realiza tranziția de la actualul model de dezvoltare la un model de dezvoltare durabilă sunt necesare cercetarea, cunoașterea, experimentarea și popularizarea teoriilor pentru implementarea conceptului de dezvoltare durabilă dar și educarea populației pentru ca aceasta să înțeleagă mai bine acest concept. Atât evaluarea și monitorizarea stării patrimoniului natural, cât și dezvoltarea cunoașterii se pot realiza în cadrul unor zone pilot cum sunt rezervațiile naturale sau ariile protejate.
Potrivit O.U.G. 195 din 22 decembrie 2005 (ultima lege a mediului apărută în România și valabilă la ora actuală), definiția unei arii protejate este: zonă terestră, acvatică și/sau subterană, cu perimetru legal stabilit și având un regim special de ocrotire și conservare, în care există specii de plante și animale sălbatice, elemente și formațiuni biogeografice, peisagistice, geologice, paleontologice, speologice sau de altă natură, cu valoare ecologică, științifică sau culturală deosebită. Ariile protejate, prin valoarea lor naturală și gradul redus al intervenției umane pe teritoriul lor, sunt sistemele ecologice naturale și seminaturale cele mai bune conservate. [27, 60, 63, 142]
Resursele naturale regenerabile (inclusiv apa și solul) și neregenerabile (petrol, cărbune), precum și serviciile (controlul climei, al calității apei și aerului etc.) asigurate de către componentele patrimoniului natural constituie câțiva dintre factorii cheie ai funcției de producție a sistemelor economice și de suport al dezvoltării sistemelor socio-economice.
Patrimoniul natural și componentele sale au o anumită capacitate productivă, care trebuie cunoscută pentru a evita supraexploatarea, și o anumită capacitate de suport (parametru esențial pentru a dimensiona corect presiunea antropică și pentru a evita deteriorarea).
Conservarea patrimoniului natural presupune în principal menținerea unui raport acceptabil între ecosistemele naturale, seminaturale și antropizate, cu menținerea eterogenității în cadrul fiecărui tip de ecosisteme și asigurarea conectivității între aceste ecosisteme.
Astfel, rolul ariilor protejate în dezvoltarea durabilă poate fi exprimat prin faptul că ariile protejate sunt exponente ale ecosistemelor naturale și seminaturale care pot fi evaluate și monitorizate, exprimând într-o anumită măsură starea acestora la un moment dat sunt zone în care se dezvoltă cunoașterea necesară pentru asigurarea tranziției la un model de dezvoltare durabilă și reprezintă adevărate "săli de clasă în aer liber" în care oamenii pot fi educați cu privire la rolul naturii și necesitatea conservării naturii și a dezvoltării durabile.
9.1. Scurt istoric al legislației în domeniul protecției mediului.
Reglementările juridice referitoare la protecția naturii pot fi grupate din punct de vedere cronologic în mai multe etape.
Prima perioadă cuprinde Evul Mediu și secolele civilizației moderne până în 1928. La început noțiunea de protejare nu se referea în sens propriu la păstrarea resurselor naturale ci mai mult la împiedicarea străinilor de a le exploata. Merită menționate la capitolul „monumente” câteva elemente naturale cu valoare istorică cum ar fi stejarul din Borzești sau gorunul lui Horea.
Braniștile sunt primele forme de arii protejate existente în spațiul românesc. Acestea erau locuri în care, fără permisiunea proprietarului, erau interzise defrișările, cositul, pescuitul, pășunatul sau vânatul. Brăniștile erau forme de proprietate domnească, clerică sau boierească și erau protejate de pedepse foarte aspre.
În secolul XVII apar „cărțile de pădure„ care cuprindeau măsuri de conservare a pădurilor și erau eliberate de cancelaria domnească.
Reglementări pentru evitarea distrugerii fondului forestier apar și în prima jumătate a secolului XIX, mai întâi în Moldova (1843) și apoi în Țara Românească (1847).
Finalul secolului XIX aduce cu el înființarea școlilor cu profil forestier și a parcurile dendrologice pe lângă aceste unități de învățământ, parcuri cu rol atât educativ cât și științific. Codul penal român apărut în anul 1864 prevedea pedepse pentru acțiuni antropice de distrugere a naturii (otrăvirea apelor și a fondului piscicol, incendierea pădurilor și a fânețelor).
Legea pentru poliția rurală din 1868 include prevederi care interzic și condamnă distrugerea cuiburilor și ouălor păsărilor de interes cinegetic.
În 1872 se promulgă prima lege a vânătorii care interzice vânatul unor specii și interzice acest tip de activitate timp de 4 luni pe an.
Între 1873 și 1918 va funcționa Societatea de Științele Naturii a Ungariei de Sud care în cadrul activităților sale își propunea descoperirea sub aspectul naturalistic a Banatului, înainta propuneri pentru păstrarea patrimoniului natural în Muzeul de Științele Naturii, păstrarea pădurilor seculare, ocrotirea speciilor de floră și faună deosebite (rare), a peșterilor, amenajarea râurilor, etc.
Noțiunea actuală de conservare a biodiversității a început să fie promovată la începutul secolului XX de botanistul D. Grecescu, balneologul I. Bernath, pictorul N. Grigorescu care propuneau păstrarea unor peisaje neinfluențate antropic. Grigore Antipa propune în 1913 ocrotirea egretei. Ulterior, sunt propuse pentru protejare și alte specii și se încearcă și înființarea de rezervații de dimensiuni reduse.
Anul 1920 aduce nașterea primei asociații cu implicații în problemele de protejare a naturii – „Hanul Drumeților” care ulterior se va transforma în „Societatea pentru turism și pentru protecția naturii”.
Se creează Comisia Monumentelor pentru Natură și sunt trecute în regim de ocrotire în perioada 1920 – 1928 mai multe areale între care amintim: Sărăturile de la Turda, Munții Rodnei, Munții Retezatului, Pădurea Letea, Dunele de la Agigea, etc.
Personalitățile care au avut preocupări în crearea unui cadru legislativ de protejare a naturii sunt: Emil Racoviță, Alexandru Borza, Emil Pop, Victor Stanciu și mulți alții.
A doua perioadă începe cu anul 1928, când s-a organizat primul congres al naturaliștilor din România la Cluj, și ține până în 1944. În cadrul acestui congres, Dionisie Lința înaintează propuneri pentru crearea unui cadru legislativ și propuneri pentru denumirile păsărilor. La propunerea lui Emil Racoviță, peste 2 ani va apare Legea 213 din 1930 pentru protecția monumentelor naturii. Sunt declarate prin lege primele monumente ale naturii: floarea de colț și nufărul termal de la Băile Felix, județul Bihor.
În 1935 se creează primul parc național, Parcul Național Retezat.
Această perioadă de pionierat s-a remarcat prin crearea unui cadru legislativ și instituțional în fază incipientă și prin formarea primelor arii protejate, desigur într-un număr destul de limitat. Efortul depus în administrarea eficientă a acestor arii a fost unul aproape inexistent.
Cea de-a treia perioadă se întinde din 1944 până în 1989. În acești 45 de ani, măsurile de protecție a naturii continuă prin susținerea eforturilor făcute în cea de-a doua perioadă de Alexandru Borza și Emil Racoviță.
În anul 1972, existau 190 de obiective protejate cu o suprafață de aproximativ 100.000 ha, măsurile de protecție rezumându-se doar la declararea arealelor protejate nu și la administrarea lor.
În această perioadă, cu toate că Delta Dunării avea statut de arie protejată, fiind considerată una dintre cele mai întinse zone umede de pe Pământ și printre primele din Europa, un adevărat “rai” pentru numeroase specii de păsări protejate prin lege, s-a intervenit cu lucrări de desecare-drenaj, cu scopul redării circuitului agricol a unor importante suprafețe de teren mlăștinoase.
În 1973 apare Legea 9 (Legea Mediului) care includea prevederi legate de protecția rezervațiilor și monumentelor naturii dar fără să prevadă reglementări privind administrarea acestora.
Totuși, în 1979 Retezatul și Pietrosul Rodnei sunt recunoscute la nivel internațional ca și Rezervații ale Biosferei sub auspiciile programului UNESCO.
9.2. Legislația actuală privind ariile protejate
Cadrul legislativ în domeniul protecției mediului, al constituirii și conservării ariilor protejate s-a dezvoltat mai ales după 1990, odată cu conștientizarea necesității existenței acestuia. Aderarea României la convențiile internaționale referitoare la biodiversitate a impus adoptarea unor legi conforme cu legislația internațională în domeniu și în interesul integrării la structurile europene din domeniu și nu numai.
După 1990, cadrul legislativ românesc a devenit mult mai sensibil la problemele de mediu. Perspectiva integrării în structurile politice și social-economice europene a adus un suflu nou în problema protejării patrimoniului natural, prin aderarea la convențiile internaționale și adoptarea reglementărilor propuse de acestea dar și prin implementarea unor legi create de specialiștii români din domeniu, conforme cu situația din țară.
Un aspect important în acest domeniu privește zonele umede. Legislația în domeniu reprezintă în multe cazuri subcapitole ale unor legi cu aplicabilitate mult mai largă dar există și reglementări specifice zonelor umede atât la nivel național cât și internațional.
Convenția de la Ramsar (Iran) din 1971 și adoptata și de România prin legea 5 din 1991 reprezintă primul document care se înscrie pe linia conservării patrimoniului național, în special a componentei reprezentate de zonele umede. Definiția aleasă în urma conferinței pentru zonele umede este: „Zonele umede sunt întinderi de bălți, mlaștini, turbării, de ape naturale sau artificiale, permanente sau temporare, unde apa este stătătoare sau sărată, inclusiv întinderile de apă marină a căror adâncime la reflux nu depășește 6 m”.
Se remarcă faptul că “întinderile”, suprafețele considerate de definiție ca zone umede reprezintă suprafețe de teren afectate de exces de umiditate, permanent sau temporar, care înainte de 1989 făceau obiectul amenajărilor cu lucrări de desecare-drenaj.
Obiectivul declarat al convenției a fost acela de a conserva zonele umede, fauna și flora care servesc ca habitat al păsărilor acvatice, iar pe de altă parte acestea constituie cele mai importante resurse de valoare economică, naturală, științifică și recreativă, a căror pierdere ar fi ireparabilă.
Zonele umede sunt habitate naturale cu funcții vitale în rețeaua naturală a apelor de suprafață și subterane. Sunt deosebit de utile în perioada cu extreme hidrologice, înmagazinând apa în cazul inundațiilor respectiv eliberând-o treptat în perioadele de secetă. Totodată, aceste zone au o semnificație deosebită din punct de vedere biogeografic și ecologic la nivelul ecosferei, o bună parte din formele de viață depinzând de aceste areale. Plantele acvatice, avifauna și ihtiofauna conviețuiesc permanent sau temporar în aceste ecosisteme, prezentând forme și faze de evoluție diferențiată ale raporturilor dintre organismele vii și habitatele lor.
Alegerea acestor zone se bazează pe rolul internațional din punct de vedere ecologic, botanic, zoologic, limnologic, hidrologic, ținând seama de importanța lor la nivel mondial pentru păsările acvatice în toate anotimpurile. Convenția stabilește pentru statele părți cerința de a elabora și aplica planurile de amenajare, astfel încât să se favorizeze conservarea acestor zone prin crearea de rezervații și utilizarea rațională a rezervelor lor.
Până în prezent au fost înscrise pe lista Uniunii Internaționale pentru Conservarea Naturii și a Resurselor Naturale (I.U.C.N.) peste 300 zone umede. Convenția prevede în mod obligatoriu compensarea oricaror pierderi de resurse din zonele umede prin creare de noi areale protejate. Prin aceasta, țări cu tradiție în domeniul amenajărilor de desecare-drenaj din Comunitatea Europeană, printre care și Olanda, cu tradiții istorice în redarea unor terenuri mlăștinoase, ocupate de apa mărilor în circuitul agricol sunt obligate să reconstruiască ecologic zonele amenajate prin transformarea lor în zone umede.
Prin Legea 5/1991 s-au recunoscut funcțiile ecologice fundamentale ale zonelor umede care sunt de reglare a regimului apelor, reprezentând habitate ale faunei și florei caracteristice. S-a conștientizat totodată valoarea economică a zonelor umede din punct de vedere economic și importanța conservării și protejării resurselor naturale. Consecința a adoptării acestei legi a fost vasta campanie de recenzare a zonelor umede, fiind identificate și inventariate pe teritoriul României 185 tinoave, 215 mlaștini eutrofe, 3450 lacuri și peste 120.000 km ape curgătoare.
În 1993, în România se adoptă Legea 13 pentru aderarea la convenția de la Berna privind conservarea vieții sălbatice și a habitatelor naturale în Uniunea Europeană. S-a recunoscut valoarea de patrimoniu a florei și faunei sălbatice, importanța lor din punct de vedere științific, cultural, economic precum și necesitatea protejării în vederea transmiterii lor generațiilor viitoare. Totodată se scoate în evidență rolul major al florei și faunei sălbatice în menținerea echilibrului ecologic și necesitatea conservării habitatelor în scopul protejării acestora. S-a prevăzut acordarea unei atenții deosebite zonelor importante pentru speciile migratoare, situate pe traseul de migrare.
România ratifică prin Legea 58/1994 Convenția de la Rio din 1992 privind biodiversitatea. Sunt punctate o serie de principii privind dreptul internațional în domeniul protecției mediului făcându-se referire specială la biodiversitate. Legea recunoaște diminuarea biodiversității ca urmare a activității umane precum și necesitatea prevenirii și eliminării din fază primară a cauzelor reducerii și pierderii acesteia. Se cere ca biodiversitatea să fie conservată „în situ”.
Tot în 1994, România aderă prin Legea 69 la Convenția de la Washington privind comerțul internațional cu specii sălbatice de faună și floră pe cale de dispariție.
În 1995 apare Legea Mediului (Legea 137/1995) care a cunoscut completări ulterioare prin legea 159/1999 și O.U. 91/2002.
Legea pentru aderarea României la Convenția privind conservarea speciilor migratoare de animale sălbatice, semnată la Bonn în 1979, și ratificată în România prin legea 13/1996, prezintă cauzele dispariției unor animale sălbatice, impunând măsuri pentru realizarea unei cooperări internaționale în scopul protejării arealelor de migrare.
Un document legislativ deosebit de important pentru zonele umede, în contextul conservării habitatelor, florei și faunei sălbatice, îl reprezintă O.U.G. 236/2000 aprobată ulterior prin Legea 462/2001. Această ordonanță preia în dispozițiile sale prevederile Directivelor „Habitate” și „Păsări” ale Uniuniii Europene, transpunând în acest mod legislația europeană în cea românească. De asemenea, se completează și dezvoltă prevederile referitoare la protecția mediului incluzând dispoziții pentru eliminarea cauzelor prin care se produc deteriorări diversității biologice și cadrului natural. Anexa numărul 2 a acestei ordonanțe se referă la tipurile de habitate ce trebuie conservate și totodată declarate arii speciale de conservare. Au fost incluse printre altele habitate costiere, marine și de dune, habitate de ape dulci, habitate de turbării și mlaștini, etc. Din această categorie face parte și Rezervația Naturală “Pădurea Rădvani” de la Cefa, județul Bihor, care împreună cu zonele umede de peste frontiera cu Ungaria reprezintă un habitat natural al numeroaselor specii de păsări protejate de lege.
Ultima apariție în cadrul legislativ, referitoare la protecția mediului, este O.U.G. 195/2005 care abrogă Legea 137/1995 cu completările sale, și reprezintă în acest moment stâlpul pe care se sprijină activitățile de protejare și conservare a patrimoniului natural.
La nivelul anului 2000, conform Legii 5/2000 privind amenajarea teritoriului național, în România suprafața totală a ariilor protejate se întindea pe mai mult de 1,2 milioane hectare (5,18 % din suprafața țării). Studii efectuate prin programul CORINE Biotops au identificat și caracterizat la nivel național un număr de 783 habitate de diferite tipuri. Dintre acestea 89 sunt de zone umede, 13 habitate de coastă și 54 de mlaștină. Conform acestor studii, 47 % din teritoriul țării reprezintă ecosisteme naturale și seminaturale. De asemenea s-au mai identificat 44 de zone de importanță acvifaunistică cu o suprafață totală de 6.557 kmp, reprezentând 3 % din suprafața României.
9.2.1. Legislația și politica în domeniul mediului [BC: 12,13,14]
Legislația în domeniul mediului
Criteriile generale pentru elaborarea legislației
Principiile rezultate din Declarația de la Rio.
Criterii: legitimitatea; eficacitatea; eficiența; capacitatea de implementare; proporționalitate; coordonarea.
Strategie de mediu: PNP, Programul Operațional Sectorial (POS) – infrastructura de mediu
dreptul mediului – instrument juridic de protecție a mediului înconjurător
Dreptul mediului este un drept cu caracter orizontal, acoperind sectoarele clasice ale dreptului:
dreptul privat;
dreptul public;
dreptul internațional
dreptul mediului înconjurător face referire la: patrimoniul natural; patrimoniul cultural; patrimoniul geologic; patrimoniul construit; patrimoniul arhitectural și urban; patrimoniul rural.
Nivelele legislative:
Constituția – obligațiile statului, art. 135, 136
OU – 195/22.12.2005 – privind protecția mediului
Legislația Europeană în domeniul mediului
inițiată cu prilejul Conferinței privind mediul uman (ECO I) de la Stocholm, octombrie 1972
Consiliul Europei a adoptat „Programul Comunitar de politici și măsuri în legătură cu mediul și dezvoltarea durabilă” pe 15 și 16 decembrie 1992.
În februarie 2000 erau în vigoare 708 acte normative comunitare privind protecția mediului: 266 directive, 124 reglementari și 318 decizii.
Tipuri de legislație UE
actele juridice fundamentale (izvoare primare ale dreptului comunitar)
ex. Tratatele constitutive, Actul Unic European, Tratatele de la Maastricht, Amsterdam, Nisa etc.)
izvoare (acte derivate ale dreptului comunitar: regulamente, directive, decizii)
Acquisul Comunitar cuprinde: tratatele comunitare și legislația secundară UE, jurisprudența Curții de Justiție a Comunității Europene, actele internaționale la care Comunitatea este parte.
Obs. Din cele 300 de acte normative UE pe linie de mediu Acquisul Comunitar cuprinde: 74 directive, 21 reglementări.
Legislația din România:
Planul Național de Dezvoltare 2007-2013 (PND)
Structuri naționale și internaționale specializate în protecția mediului
a) Parlamentul (Senat, Camera Deputaților)
b) Guvernul
c) Ministerele și alte organe centrale ale administrației publice: Ministerul mediului și gospodăririi apelor (MMGA); Ministerul agriculturii, pădurilor și dezvoltării rurale; Ministerul administrației și internelor; Ministerul Apărării Naționale; Ministerul integrării europene; ministerul finanțelor publice; Ministerul Economiei și Comerțului; ministerul justiției; Ministerul Educației și Cercetării; Ministerul transporturilor, construcțiilor și turismului; Ministerul Sănătății.
d) Organe ale administrației publice locale
e) Alte instituții cu rol în informarea stării mediului
Inspectoratul general pentru situații de urgență – protecție civilă și pompieri;
Comisia Națională pentru Controlul Activităților Nucleare – CNCAN;
Institutul de Biologie București;
Institutul de Cercetări pentru Pedologie și Agrochimie;
Institutul de Cercetări și Amenajări Silvice;
Institutul de Sănătate Publică;
Institutul de Fizică;
Institutul Național de Statistică;
Registrul Auto Roman;
Administrația Fondului pentru Mediu;
Autoritatea Națională pentru Protecția Consumatorilor.
f) Organizații nonguvernamentale (ONG-uri)
g) persoane fizice și juridice
9. Ministerul Mediului și Gospodăririi Apelor (MMGA) cuprinde următoarele unități:
a) cu finanțare internă:
Agenția Națională pentru Protecția Mediului (ANPM)
Administrația Rezervației Biosferei "Delta Dunării" – Tulcea
Garda Națională de Mediu (GNM)
b) cu finanțare externă + buget:
Unități de management al proiectului (UMP)
Unități de implementare a proiectului (UIP)
Alte unități ale MMGA sunt:
Administrației Naționale de Meteorologie (ANM)
Institutul Național de Cercetare, care cuprinde:
Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Protecția Mediului – ICIM București
Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare Marină “Grigore Antipa” – INCDM Constanța
Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare “Delta Dunării" – INCDDD Tulcea
Administrația Fondului pentru Mediu (AFM)
Administrația Națională “Apele Române” (ANAR)
10.Structura UE este o structură instituțională la nivel supranațional și cuprinde:
Comisia Europeană,
Consiliul Uniunii Europene (Consiliul Miniștrilor)
Parlamentul European
Acest triunghi este flancat de alte organisme deosebit de importante:
Curtea Europeană de Justiție
Consiliul Europei.
9.3. Indicatori și criterii utilizate pentru evaluarea impactului asupra factorilor de mediu [BC: 14]
Analiza și elaborarea unor modele de evaluare a sistemelor ecologice și în continuare a sistemelor ecologico-economice se poate face pe baza identificării indicatorilor care caracterizează sistemul, ce cuprinde următorii factori de mediu: apă; aer; sol; biodiversitate;
sănătate umană.
Factorii de mediu sunt caracterizați de indicatori primari cu caracter general:
indicatori organoleptici;
indicatori fizico-chimici;
indicatori bio-bacteriologici;
indicatori radioactivi.
9.3.1. Indicatori și reglementări care caracterizează factorul apă
– Normativele care delimitează calitatea apelor sunt: STAS 4706-88 Ape de suprafață, NTPA 001, NTPA 002 și STAS 1342-91 Apă potabilă.
9.3.1.1. STAS 4706-88 Ape de suprafață. Norme de calitate
Acest standard stabilește categoriile de calitate pentru apele de suprafață și, în funcție de tipul calității acesteia, domeniile de utilizare. Astfel, o sursă de apă de suprafață care se încadrează în categoria I de calitate pentru toți indicatorii fizico-chimici, biologici și bacteriologici prevăzuți poate fi folosită la: alimentarea centralizată cu apă potabilă și, pentru unele procese tehnologice, la alimentarea cu apș a întreprinderilor din industria alimentară, amenajări piscicole, salmonicole, bazine nautice și ștranduri, pentru irigarea culturilor agricole.
Folosințele pentru categoria a II-a de calitate sunt: alimentări cu apă ale unităților piscicole, cu excepția celor salmonicole, alimentări cu apă ale unor procese tehnologice industriale și de agrement. Folosințele pentru categoria a III-a de calitate sunt: alimentări cu apă ale sistemelor de irigație, alimentări cu apă ale industriilor pentru scopuri tehnologice.
În acest standard indicatorii de calitate ai apei sunt clasificați astfel: indicatori organoleptici (gust și miros); indicatori fizici (conductivitate, temperatură, pH); indicatori chimici generali (indicatori ai mineralizării, indicatori ai încărcării organice, indicatori ai regimului de nutrienți, gaze dizolvate); indicatori toxici (microelemente, pesticide); indicatori radioactivi, indicatori biologici.
STAS-ul 4706-88 cuprinde un număr de cca. 45 indicatori pentru care se dau limite admise pentru fiecare categorie de calitate. Valorile cele mai scăzute sunt indicate pentru categoria I de calitate, iar pentru celelalte două categorii sunt admise valori din ce în ce mai mari.
9.3.1.2. STAS 1342-91 Apa potabilă
Apa potabilă nu trebuie să conțină subsțante chimice sau microorganisme care să aducă prejudicii sănătății omului.
STAS-ul 1342-91 are următoarea structură: indicatori sau proprietăți organoleptice, indicatori fizici, indicatori chimici, indicatori biologici, bacteriologici și radioactivi și cuprinde un număr de peste 60 indicatori de calitate.
Indicatorii chimici se clasifică privind compoziția naturală a apei, cu referire la factori indezirabili, factori toxici.
Pentru fiecare indicator sunt stabilite valorile admisibile și concentrațiile maxim admisibile.
Indicatorilor biologici și mai ales celor bacteriologici trebuie să li se acorde o atenție deosebită deoarece aceștia pot provoca discomfort ajungând până la deteriorarea sănătății. Dintre indicatorii bacteriologici amintim: numărul total de bacterii care se dezvoltă la 37oC, număr probabil de bacterii coliforme totale și număr probabil de bacterii coliforme fecale.
Indicatorii radiologici corespund unei doze maxime de iradiere de 5 mrem/an, la consum de 2 litri /zi.
9.3.1.3. NTPA – 001/1997
Acest normativ stabilește limitele de încărcare cu poluanți a apelor uzate evacuate în resursele de apă.
Normativul prezintă pentru 45 indicatori de calitate limita maximă admisibilă pe care trebuie să o respecte o apă uzată înainte de a fi evacuate într-o resursă de apă.
Dacă o apă conține substanțe poluante peste limita indicată, este obligatorie epurarea ei.
Valorile limită se referă la un debit de calcul – debit lunar minim, anul cu probabilitatea de 95% al resursei de apă – de trei ori mai mare decât debitul apelor uzate evacuate. Pentru grade de diluție mai mici de trei se vor reduce limitele proporțional până la limitele categoriei a II-a din STAS 4706-88 la un raport de diluție de 1:1.
În normative sunt prezentate și anumite substanțe poluante cu grad ridicat de toxicitate a căror prezență este interzisă iî apele uzate care se evacuează.
9.3.1.4. NTPA – 001/1997
Acest normativ stabilește condițiile de evacuare a apelor uzate în rețelele de canalizare ale localităților.
Astfel se asigură o protecție și o funcționare normală a canalizărilor, protejarea stației de epurare și, în consecință, protejarea mediului de efectele descărcărilor de ape uzate.
Normativul prezintă pentru 23 indicatori de calitate valoarea limită admisibilă (VLA) care trebuie respectată în cazul evacuării în canalizarea localităților a apelor uzate.
În normativ sunt prevăzute restricții pentru evacuarea apelor uzate care conțin o categorie mare de substanțe (toxice, nocive, explosive), care au un grad mare de periculozitate.
Normativul se folosește la proiectarea, avizarea și autorizarea lucrărilor de canalizare, la stabilirea gradelor de preepurare a unor ape uzate încărcate, la acordul de racordare etc..
9.3.2. Indicatori și reglementări care caracterizează factorul sol
Principalii indicatori și reglementările prin care se limitează anumite concentrații în funcție de categoriile de calitate sunt redate în cele ce urmează:
– STAS 9450-88 – Calitatea apei pentru irigarea culturilor agricole; considerații privind influența substanțelor toxice asupra procesului de fermentare în sol;
– Ordinul 756/97 – Evaluarea poluării mediului.
9.3.3. Indicatori și reglementări care caracterizează factorul aer
Activitatea de control și protecție a atmosferei este reglementată prin Ordinul nr. 462/01.07.93.
În norme se limitează următorii indicatori:
– pulberi totale
– substanțe anorganice sub formă de pulberi
clasa 1: cadmiu, mercur, taliu
clasa 2: arsen, cobalt, nichel, selenium, telur etc.
clasa 3: antimoniu, crom, cianuri, cupru, staniu etc.
– substanțe anorganice sub formă de gaze sau vapori:
clasa 1: fosgen, hidrogen fosfat etc.
clasa 2: brom,clor,fluor,hidrogen sulfurat
clasa 3: amoniac, compuși clorurați
clasa 4: oxizi de sulf, oxizi de azot
– substanțe organice sub formă de gaze, vapori sau pulberi
– substanțe cancerigene.
9.3.4. Principalii indicatori și reglementări care caracterizează factorul aer
Biodiversitatea este variabilitatea dintre organismele vii provenite din ecosistemele acvatice și terestre, precum și dintre complexele ecologice din care acestea fac parte; cuprinde diversitatea din interiorul speciilor, dintre specii și ecosisteme.
Indicele este coeficientul caracteristic variațiilor în timp și spațiu ale unei mărimi direct măsurabile sau observabile, precum și ale unui ansamblu compus dintr-un anumit număr de mărimi simple considerate ca reprezentative pentru ansamblul dat – mult mai vast, direct măsurabil.
Indicele de diversitate este raportul dintre numărul total de specii și numărul de indivizii dintr-o biocenoză.
Studiul cantitativ al diversității specifice se poate face cu ajutorul indicilor de diversitate a căror formulare este mai mult sau mai puțin complexă.
Prima condiție este aceea de a se lua în calcul numai densitatea specifică. Indicele cel mai simplu, denumit “varietate specifică” apreciază numărul de specii observate într-o populație, pentru unitatea de suprafață.
Acesta nu poate fi utilizat în scopuri comparative decât în cazul în care este calculat pe eșantioane de “volum” apropiate sau identice.
Alți indici de diversitate specifică exprimă “varietatea specifică” printr-un simplu raport între densitatea specifică S și numărul total de indivizi N.
Se poate da ca exemplu indicele lui Meinhinick și cel al lui Sorensen.
Totuși, în ciuda utilității lor, astfel de indicii nu sunt total satisfăcători deoarece nu țin seama de densitatea relativă a fiecărei specii, aceasta constituind a doua dimensiune fundamentalî a diversității, denumită “echitabilitate”.
9.3.5. Indicatori pentru sănătatea populației
Indicatori generali ca cei menționati în Anuarul Statistic al României:
nr. de medici;
nr. personalului sanitar mediu;
nr. născuți vii în unitățile de ocrotire a sănătății;
asistența medicală de urgență;
activitate de recoltare și conservare a sângelui.
Eventual, într-o mai strânsă corelație cu starea de calitate a celorlalți factori de mediu la care pot fi menționați în plus și indicatorii:
speranța de viață la întreaga populație;
speranța de viață pentru populația de peste 60 de ani;
riscul de mortalitate la adulți;
boli profesionale etc.
10. Indicatori de exprimare a eficienței unei amenajări de desecare-drenaj
Aprecierea performanței (A.P.) a sistemelor de irigații și drenaje a fost un subiect important de cercetare și dezbatere în ultima perioadă. Definițiile A.P. sunt foarte variate dar în general descriu A.P. ca „o metodologie de investigare, utilizând un număr limitat de indicatori, nivelul de funcționare al sistemului instalat”, părând a fi ceea ce cercetătorii și practicienii A.P. consideră a fi atributele esențiale.
Aprecierea eficienței este un concept care a devenit foarte folosit în special în ultimele decade. Deteriorarea tot mai accentuată a sistemelor mari de drenaj din anii 60 – 70 a impus abordarea reabilitării și modernizării acestora. Pentru majoritatea specialiștilor implicați în problema drenajelor, aprecierea eficienței este un termen foarte familiar. Ținând cont de faptul că un număr tot mai mare de sisteme de drenaj au ajuns la vechimea garantată de proiectant, este necesar să le fie apreciată eficiența actuală. Această situație este mai des întâlnită în Egipt, unde sisteme de drenaj funcționează de 30 până la 40 de ani. Reabilitarea acestora este deasemenea un termen foarte utilizat în ultimii ani și care a devenit tot mai relevant ținând cont de situația fizică a acestor amenajări.
Pe plan internațional, termenii de eficiență și reabilitare, din punct de vedere al definirii, cunosc o mare variabilitate. În urma workshop-ului organizat pe tema Aprecierea performanțelor sistemelor de drenaj (Cairo, 1996), s-a stabilit că aprecierea eficienței nu este un termen care poate fi utilizat singular ci o metodologie pentru aprecierea funcționării unui sistem de drenaj. O formulare clară a scopului proiectării și implementării acestui tip de sistem este necesară pentru proiectant, astfel încât acesta să aleagă metode și soluții eficiente.
Participanții la Workshop au revăzut definițiile unor noțiuni ca: aprecierea eficienței, indicatori de eficiență, reabilitare, reabilitare parțială, reînnoire, întreținere și au recomandat ca interpretările locale ale acestor termeni să fie înlocuite de terminologii acceptate internațional. Această decizie va ajuta specialiștii din întreaga lume să interacționeze mai ușor.
Următoarele definiții au fost acceptate la această întâlnire:
Aprecierea eficienței drenajelor: determinarea modului de funcționare a sistemului de drenaj prin comparație cu criteriile de drenaj stabilite, și identificarea cauzelor oricărei defecțiuni;
Întreținere: păstrarea sau restabilirea sistemului de drenaj la o funcționare bună, ordonată prin măsuri aflate în capacitatea grupurilor de întreținere
Reabilitare: noi construcții realizate de contractori pentru a readuce sistemul de drenaj existent la o bună funcționare
10.1. Particularitățile A.P. a drenajului
Modul în care aprecierea performanței drenajului se aplică în sectorul drenajului nu este foarte clar. Aceasta se poate datora diferitelor grade de dezvoltare a drenajelor sau diferitelor contexte tehnice și social-economice in care sunt stabilite programele de drenaj. Legăturile între A.P. irigațiilor și drenajelor sunt clare [Smedema, 1996 #17]; mai ales în ceea ce privește criteriul salinității. Câteva diferențe trebuie totuși subliniate.
Importanța drenajului în combaterea salinizării și a saturării cu apă nu este evidentă pentru utilizatorii sistemelor de irigații. Funcționarea drenajului de subsuprafață nu este ușor de perceput de către fermieri. Imaginea drenajului este chiar negativă ca “îndepărtare a apei din sol” și efectele apar opuse celor ale irigației.
Cedarea sistemelor de irigații este ușor de detectat în timp ce cele ale drenajului sunt mai puțin evidente. În plus, consecințele scăderii performanței drenajelor trebuie apreciate pe termen lung în timp ce ale irigațiilor sunt observabile imediat în dezvoltarea culturilor.
Programele de apreciere a performanței drenajelor pot avea obiective diferite: viabilitatea metodei de proiectare și construcție, aprecierea necesității reabilitării sau a relevanței investițiilor. Aceste obiective pot cere diferite metode și indicatori.
Este imposibil să construiești un program de apreciere a performanțelor drenajului fără o implicare activă a fermierilor, deoarece fermierii pot oferi indicatori siguri pentru performanța sistemelor de drenaj.
Aprecierea performanței este o parte esențială a managementului. Fiecare organizație are obiective pe care dorește să le atingă și este esențial să determine cum aceste obiective sunt îndeplinite (eficacitate) și de câte resurse este nevoie pentru aceasta (eficiență).
Conform Bos, 1996, și după cum se poate observa din figura anterioară, performanța poate fi definită și apreciată dintr-o dublă perspectivă:
gradul prin care produsele și serviciile unei organizații răspund la nevoile utilizatorilor și clienților;
gradul în care organizația folosește resursele pe care le are la dispoziție.
Aceste două definiții se referă la două tipuri de apreciere a performanței: operațională și strategică. Caracteristicile acestora sunt prezentate în tabelul următor:
Aprecierea performantei: operationala versus strategica
Aplicat drenajului, performantele operationale se refera la nivelul de conformare a unui system cu criteriile de proiectare in timp ce performantele strategice se refera la output-urile sistemului (la rezultatele acestuia). In practica, la nivelul terenului, performantele operationale sunt referitoare la indepartarea corespunzatoare a apei de suprafata dupa ploi sau aplicarea irigatiilor cu un control potrivit a nivelelor apei freatice. La nivel de system, se refera la indepartarea coerspunzatoare a apei descarcate de system. Performantele strategice sunt legate de rolurile diferite ale drenajului in cresterea si regularizarea productiilor. Cuprinde controlul salinitatii in zona radacinilor, contributia la dezvoltarea rurala si efectele drenajului asupra sanatatii si mediului.
Performantele si functiile drenajului
Performantele sistemelor de drenaj sunt rezultatele catorva procese care apar la diferite scari spatiale si temporale. La scari mici (planta, plot) procesele bio-fizice sunt predominante. La scari intermediare (camp, ferma) predomina aspectele tehnice. La scara mare sunt predominante aspectele politice si socio-economice.
Water Table Management Systems – sub această denumire specialiștii din Europa și Statele Unite abordează problema îmbunătățirilor funciare, în special a drenajelor și a irigațiilor.
Dispunând de numeroase date statistice precum și de o bogată experiență practică, cercetători din domeniile menționate anterior au dezvoltat programe de simulare și modelare a fenomenelor hidrice și nu numai.
Începând cu utilizarea sistemelor GIS de realizare a hărților digitale și terminând cu supravegherea automatizată a exploatării sistemelor de îmbunătățiri funciare, în țările dezvoltate economic, noțiunea de eficiență domină la toate capitolele. Erorile sunt evitate datorită unor sisteme de detectare a anomaliilor, ținând seama de bazele de date și de o anumită statistică acceptată ca termen de referință. Datele fizice de introdus în program sunt obținute de asemenea cu aparate specializate și care lucrează cu valori exacte, aproximările fiind acceptate doar în cazuri speciale, și acelea riguros structurate.
Programele de modelare sunt capabile să ofere prognoze pe diferite termene referitoare la variația nivelului freatic și să ofere soluții de hidroameliorare în cazul în care acestea se impun. Deasemenea, lucrările propuse spre proiectare au mai multe scopuri, nefiind specializate pe un singur obiectiv.
A câștigat foarte mult teren în sectorul drenajelor așa numitul drenaj controlat, cu rol și în subirigație. Pe lângă faptul că acest tip de lucrare își îndeplinește rolul de coborî nivelul freatic, prin structura lui poate reține azotul și fosforul în rețeaua de drenuri și colectare a apelor aduse de sistemul de drenaj evitând astfel eutrofizarea râurilor și a lacurilor care preluau aceste debite.
În perioade ploioase urmate de cele secetoase, drenajul controlat joacă rol de captator și apoi de rezervor (perioadele cu exces de umiditate) pentru ca apoi, funcție de necesarul culturilor, să întoarcă volumele reținute în profilul activ al solului.
Conform Universității din Ohio, în termini simplii, managementul nivelului freatic este definit ca managementul, control și/sau regularizarea condițiilor sol-apă din profilul solurilor agricole. În esență, excesul și deficitul de apă din profilul de sol pot fi ajustate pentru a oferi condiții bune de creștere plantelor și să asigure cadrul necesar obținerii unor producții sporite.
Prin implementarea unor practici manageriale și strategii potrivite condițiilor din teren, se poate aduce și o îmbunătățire a mediului înconjurător, inclusiv prin evitarea eutrofizării.
Eficiența tehnico-economică în cadrul amenajărilor de desecare-drenaj din România este o necesitate în condițiile unei economii de piață, bazate pe concurențialitate și care dorește să poată supraviețui și chiar afirma într-o piață europeană, deja eficientă prin infrastructura tehnică existentă și prin prețurile practicate.
Este cunoscut faptul că aceste amenajări au fost realizate tocmai în ideea de a eficientiza agricultura din țara noastră și că, la data proiectării lor, au fost considerate niște construcții care îndeplineau condiția de mai sus. Totuși, îndelungata funcționare marcată de o uzură morală accentuată precum și schimbările climatice din ce în ce mai evidente au dus la reconsiderarea acestei noțiuni.
Pentru aprecierea din punct de vedere tehnico-economic al eficienței unui sistem de desecare-drenaj au fost elaborate noi definiții (prezentate în referatul 2) dar și o serie de indicatori pentru o evaluare mai ușoară statistico-matematică.
Acești indicatori au fost obținuți în urma unor studii realizate atât de instituții de nivel mondial (Banca Mondială) cât și de diferiți cercetări preocupați de eficiența sistemelor de desecare-drenaj dar și de alt gen de lucrări cu scop hidroameliorativ. Acești indicatori au fost împărțiți pe mai multe secțiuni, fiecare secțiune având specificul și eu și un anumit domeniu de aplicabilitate.
1. Secțiunea A cuprinde indicatori de grad general, dar aplicabili cu menționarea caracteristicilor specifice fiecărui proiect. De acest tip sunt indicatorii de intrare și prelucrare precum:
– numărul de construcții pe componenta de proiect;
– aria impusă pentru acoperirea obiectivului;
– costul echipamentelor;
– pregătirea personalului (săptămâni/ persoană);
– asistența tehnică (săptămâni/ persoană);
– bugetul pentru costuri de exploatare și întreținere.
2. Indicatorii randamentului, indicatori de ieșire (Secțiunea B) se referă la performanța hidraulică a sistemelor de drenaj:
– eficiența transportului apei;
– eficiența distribuției drenurilor;
– eficiența totală din punct de vedere hidraulic.
Tot în această categoria de integrează indicatori ce țin de echitatea sistemului de drenaj (în câmpurile drenate cu monoculturi, intensitatea acesteia este un bun indicator al echității) precum și de siguranța acestuia.
Alți indicatori de ieșire care pot fi utilizați în aprecierea eficienței unui sistem de drenaj sunt:
Gradul de acoperire al terenului de planta cultivată;
producția obținută;
nivelul freatic obținut;
durata pentru obținerea nivelului freatic dorit.
3. Secțiunea C include indicatorii care se referă la impactul acestor sisteme hidroameliorative asupra mediului înconjurător.
– calitatea apei evacuate;
– cantitatea apei evacuate;
– evoluția în timp a cursului de apă care preia aceste debite din punct de vedere al eutrofizării.
4. Indicatorii care se referă la factorul risc și la problemele de implementare a unui sistem de desecare-drenaj din punct de vedere legislativ se încadrează în categoria D. Aici pot fi incluși și indicatorii economici care se referă la impactul sistemelor de desecare-drenaj în economia locală, cu legături și în ramura socială.
Indicatorii de risc se referă la calitatea proiectării, a superzivării acestei operațiuni, la erorile și accidentele care pot să apară în timpul execuției, la deficiențele materialelor care intră în componența acestor amenajări precum și la problemele din timpul exploatării și întreținerii.
Indicatorii de implementare au la bază politica socio-economică și de mediu a zonei, angajamentul beneficiarilor în managementul integrat al apei din zona lor, costurile pe care le presupune proiectarea și punerea în operă a unui sistem de desecare-drenaj, lipsa susținerii financiare din partea autorităților sau inexistența unor mecanisme financiare care să permită agricultorilor să adopte aceste măsuri hidroameliorative, inexistența unui concept de durabilitate în exploatarea și întreținerea acestor sisteme.
Deasemenea sunt luați în considerare indicele sărăciei pentru a se observa dacă aceste sisteme au un efect în economia locală, daca prin adoptarea lor în zonele în care se impun se îmbunătățește calitatea vieții locuitorilor.
Indicele managementului financiar durabil se calculează atât pe termen scurt cât și pe termen lung și poate fi susținut în aprecierea investiției de către indicele recuperării costurilor de întreținere și exploatare, respectiv de indicele costului pentru reabilitarea unui sistem de desecare-drenaj.
Pentru acești indicatori dar și pentru alții au fost propuse o serie de formule de calcul, cu intervale de valori pentru definirea eficienței.
1. RSF – norma de evacuare a sistemului de drenaj definită conform ecuației de mai jos:
NS – numărul de zile necesar ca picătura de apă drenată din capătul extrem al rețelei de drenaj să ajungă la structurile de evacuare;
NT – numărul de zile al funcționării sistemului de drenaj necesar pentru a coborî nivelul freatic cu valoare dorită.
Valoarea ideală este 1 sau foarte apropiată de 1. Se pot face măsurători zilnice pe rețeaua de drenaj absorbantă sau rețeaua de ordin inferior, respectiv se poate măsura debitul la stația de pompare pentru evacuare, sau la evacuarea gravitațională.
2. Uniformitatea ariei drenate (UA) este deasemenea un indicator important și se calculează cu următoarea formulă:
ASD – adâncimea nivelului freatic în zona cea mai slab drenată;
AM – adâncimea medie a nivelului freatic de pe întreaga zonă acoperită de sistemul de drenaj.
Și în acest caz este de preferat ca raportul să fie cât mai apropiat sau egal cu 1. Indicatorul poate fi influențat de tipul de sol din zona drenată astfel că utilizarea acestui indice nu este întotdeauna relevantă.
3. Gradul de evacuare în timp util a apei
Np – numărul de ploturi drenate de pe care excesul de apă a fost eliminat în timp util
Ntp – numărul total de ploturi ce trebuie drenate în timp util de același sistem
Rata de evacuare trebuie să fie 1 sau cât mai apropiată de această valoare.
4. Gradul capacității de transport a canalelor
CA – capacitatea actuală de transport a rețelei de canale
CP – capacitatea de transport prevăzută în proiect pentru rețeaua de canale
Valoarea RCTC trebuie să fie cât mai aproape de 1. Nu sunt dorite nici debite transportate mai mari decât cele prevăzute în proiect deoarece pot produce defecțiuni pe rețeaua de canale.
5. Gradul structurilor deficitare
NSD – numărul structurilor deficitare din sistem
NTS – numărul total al structurilor din sistem
Rata ideală este 0 sau aproape de 0, adică numărul structurilor deficitate trebuie să fie minim.
6. Norma bugetului de întreținere
CAI – Media anuală a cheltuielilor pentru întreținere
CAEI – Media anuală a cheltuielilor de exploatare și întreținere
Acest indicator este folosit pentru a observa sistemele unde întreținerea este neglijată. Valoarea optimă variază de la o regiune la alta.
7. Norma costurilor de personal
CP – cheltuielile de personal
CT – cheltuielile totale ale sistemului
Indicatorul este folosit pentru a se urmări nivelul cheltuielilor de personal care tind să devină foarte mari comparativ cu celelalte cheltuieli. O valoare optimă este cuprinsă între 50 și 60%.
8. Norma forței de muncă
NA – numărul angajaților din sistemul de desecare-drenaj
AD – aria acoperită de sistemul de desecare-drenaj
Rata variază de la o regiune la alta și de la un sistem la altul, datorită unor factori ca intensitatea drenajului sau productivitatea acestuia.
9. Suficiența autofinanțării
V – veniturile obținute ca urmare a valorificării apei drenate, a recoltei obținute și valorificate, etc.
C – cheltuielile totale ale sistemului
Nivelul acestui indicator este recomandat să fie cât mai aproape de 1. Întrucât, cheltuielile de întreținere pot fi de multe ori suportate de la bugetele de stat sau cele ale autorităților locale, acest indicator nu reflectă întotdeauna realitatea din teren
Indicatori care se referă la sustenabilitatea sistemelor de desecare-drenaj
10. Sustenabilitatea ariei drenate
ADA – aria desecată-drenată actuală
ADC – aria desecată-drenată la finalizarea dezvoltării și modernizării sistemului
Și în acest caz se recomandă ca valoarea indicatorului „Sustenabilitatea ariei drenate” să fie aproape de 1. Acest indicator integrează efectul mai multor variabile care afectează sustenabilitatea.
11. Adâncimea relativă a nivelului freatic
AAF – adâncimea actuală a nivelului freatic
ANF – adâncimea minim necesară a nivelului freatic raportată la culturile cele mai sensibile
Indicatorul trebuie să aibă valori mai mari de 1. Dacă nu este așa, sunt necesare îmbunătățiri ale sistemului de desecare-drenaj sau trebuie redus nivelul irigațiilor. Pot apare valori cuprinse într-un interval foarte mare.
12. Indicatorul Suprafață/Infrastructură
A – aria totală acoperită de sistemul de desecare-drenaj
Lcd – lungimea drenurilor și a canalelor din cadrul sistemului
Indicatorul prezintă în ce grad suprafața amenajată pentru desecare-drenaj poate acoperi costurile infrastructurii necesare. Variația acestui indicator este deasemenea foarte mare datorită valorii culturii respectiv intensității drenajului.
În decursul anilor au fost propuși zeci de indicatori ai eficienței pentru sistemele de desecare-drenaj. Din păcate, acești indicatori sunt mult mai mult folosiți de către cercetători decât de beneficiarii sistemelor respectiv de administratorii acestor amenajări.
Investitorii și toți cei interesați de problema desecării și a drenajelor trebuie să selecteze un grup de indicatori cheie care sunt utilizați mai des, și să stabilească valori de referință pentru aceștia. Molden a dezvoltat o întreagă serie de indicatori pentru sistemele de îmbunătățiri funciare, irigații și desecare-drenaj în mod special.
Indicatorii cheie cu cea mai mare relevanță în calculul eficienței sistemelor de desecare-drenaj sunt:
Uniformitatea ariei drenate;
Gradul capacității de transport a canalelor;
Sustenabilitatea ariei drenate;
Indicatori care pot fi folosiți și de proiectanții, personalul de exploatare-întreținere respectiv administratorii sistemelor de desecare-drenaj.
Informațiile de bază în aprecierea performanțelor unui sistem de desecare-drenaj sunt numite “parametrii”. Aceștia pot fi obținuți prin măsurători sau prin observații din câmp. Astfel, un parametru poate fi încadrat în categoria celor cantitativi sau a celor calitativi.
Performanța unui sistem trebuie apreciată utilizând un set de indicatori asociați cu criteriile de drenaj și respectiv cu obiectivele sistemului de drenaj. Combinațiile parametrilor duc la obținerea indicatorilor. Criteriile sunt intervalele valorilor unui indicator folosite pentru a clasifica valorile acestuia în acceptabile respectiv ne-acceptabile. O valoare nominală împreună cu o marjă de variație acceptabilă definesc nivelul țintă.
Provocarea majoră a aprecierei performanței este de a stabili criteriile cu nivelurile și variațiile țintă acceptabile și mai puțin în definirea indicatorilor. Valorile țintă trebuie sau e nevoie să fie obținute din studii de caz.
Proprietățile indicatorilor de performanță
Indicatori de apreciere a performanței sistemelor de desecare-drenaj trebuie să fie caracterizate de următoarele (Bos et al. 1994):
Bază științifică – indicatorul trebuie să fie bazat pe un model cauzal, testat statistic și empiric cuantificabil, parte a procesului sistemului pe care îl descrie. Discrepanțele între bazele teoretice și cele empirice ale unui indicator trebuie explicitate. Pentru a facilita o comparație internațională a studiilor referitoare la aprecierea performanței, indicatorii trebuie formați cât mai asemănători sau analogi posibil. (Bos and Nugteren, 1990, Wolters 1992).
Indicatorii trebuie să fie cuantificabili – datele necesare cuantificării unui indicator trebuie să fie disponibile sau măsurabile cu tehnologia disponibilă. Măsurătorile subliniate trebuie să fie reproductibile.
Referințe către un criteriu – este evident din definitia indicatorilor de performanta. Prin relevanta si însușirile criteriului, valorile tinta si tolerantele pot fi stabilite pentru indicator. Valorile tinta (si marginile de deviatie) trebuie sa fie corelate cu nivelul tehnologic si cu managementul. (Bos et all 1991).
Oferirea de informații nepărtinitoare – ideal, indicatorii de performanță nu ar trebui să fie formulați dintr-o perspectivă etică îngustă. În realitate, realizarea acestui deziderat este foarte dificilă.
Oferirea de informații asupra proceselor reversibile și manageriale – această cerință pentru un indicator de performanță este delicată în special pentru managerul sistemului
Natura indicatorului – un factor important care influențează selecția unui indicator este natura acestuia: indicatorul poate descrie o activitate specifică sau poate descrie media sau transformarea unui grup de activități. Indicatorul ideal oferă informații asupra unei activități actuale către o valoare țintă. Conform Smedema și Vlotman (1996) un indicator poate fi direct sau indirect. Un indicator direct este, de preferat, o funcție de un parametru, fară să depindă și de alți indicatori. De exemplu, nivelul freatic poate fi atribuit exclusiv ca fiind controlat de un sistem de drenaj chiar dacă este afectat de precipitații și de pierderile din irigații. Salinitatea solului și a apei nu pot fi niciodată funcție numai de nivelul freatic dar depind mult de regimul managementului apei și de calitatea apei. În general, indicatorii direcți sunt indicatori operaționali în timp ce indicatorii strategici sunt în general indicatori indirecți.
Ușurință în folosire și relația cost-eficacitate – În special pentru managementul zilnic (de rutină) indicatorii de performanță trebuie să fie technic realizabili (posibili) și ușor de folosit de către personal în concordanță cu pregătirea lor tehnică. Costul utilizării indicatorilor in termeni financiari, ai echipamentelor, angajării resurselor umane, trebuie să fie în mare măsură în resursele agenției.
Pentru a alege cel mai potrivit indicator trebuie definite scopul și relevanța aprecierii performanței. Este relevantă operațional sau strategic în natură? Relevanța aprecierii performanței unui sistem începe cu o întrebare. Ca și exemple:
Funcționează sistemul în conformitate cu criteriile de proiectare?
Relevanța întrebării este de tip operațional. Indicatori potențiali primi pot fi:
– gradul de coborâre al nivelului freatic (drenaj de suprafață și subsuprafață);
–
– întinderea și durata excesului de umiditate după căderea precipitațiilor (în primul rând drenajul de suprafață);
Este necesară reabilitarea sistemului?
Este de tip strategic. Majoritatea indicatorilor pot fi de tip tehnic, statistic sau financiar. Autoritatea responsabilă trebuie să decidă dacă sistemul trebuie să fie înlocuit sau dacă este acceptabilă continuarea întreținerii acestuia: Indicatori primi:
Nivelul freatic ca funcție de timp;
Nivelul freatic ca funcție de spațiu;
Schimbări în numărul reclamațiilor;
Schimbări referitoare la costurile întreținerii și frecvența lucrărilor de întreținere;
Schimbări ale coeficienților Manning/Strickler.
Care este impactul sistemului de drenaj asupra raportului producția recoltei/fermier?
Este drenajul responsabil pentru creșterea producției? Dacă da, la ce valori? Trebuie considerată ca și întrebare strategică dar din punctul de vedere al managerului sistemului nu necesită o apreciere a performanței. Din punctul de vedere al agenției finanțatoare este o întrebare de mare relevanță, dar necesită mai mult cercetări decât aprecierea performanței. Se impune un studiu comparativ.
Care este cea mai potrivită distanță între drenuri, adâncimea lor sau volumul descărcat?
Relevanța activității de apreciere a performanței este de a îmbunătăți criteriile de proiectare. Nivelul este operațional. Nu se află sub jurisdicția operatorului sau a managerului de sistem ci a cercetătorului din domeniu.
Funcționează bine filtrul drenului?
Un manager de sistem nu e interesat în mod direct de această problemă deoarece poate fi cauza slabei performanțe a sistemului de drenaj datorită poziționării în spațiu. Este de tip operațional și ca indicatori primi și direcți avem:
rezistența la intrarea în dren;
norma de coborâre de nivelului freatic.
Care este cel mai bun material filtrant pentru a fi selectat? Această întrebare nu este de tip aprecierea performanței ci ține de domeniul cercetării.
Indicatori potentiali pentru aprecierea performantei unui sistem de desecare-drenaj
Terminologia utilizată în aprecierea performanței este prezentată în tabelul următor:
Valoarea critică a unui parametru cheie este utilizată dacă procesul analizat este fizic determinabil sau prezintă un comportament similar. În general, acești indicatori descriu un parametru specific. Cei mai mulți dintre indicatorii din acest grup pot fi sau sunt utilizați în aprecierea performanței strategice.
Valoarea dorită a fi obținută pentru un parametru este utilizată dacă decizia umană este implicată în setarea acestei valori. Indicatorul descrie adeseori media sau transformarea unui grup de activități de bază. Majoritatea indicatorilor din acest grup pot fi sau sunt utilizați în aprecierea performanței operaționale.
Valoarea actuală (input-ul) unui parametru cheie este utilizat la cuantificarea unei fracțiuni din performanța actuală a tuturor resurselor disponibile. Acest grup se aseamănă cu eficiența clasică a utilizării apei.
Valoarea totală a unui parametru cheie este utilizată la cuantificarea fracțiunii performanței actuale a tuturor resurselor disponibile. Acești parametrii intră în sfera socio-economică a managementului drenajelor.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Desecare – Drenaj [311230] (ID: 311230)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.