ION ZVOIANU

HIDROLOGIE Ediia a IV-a

Descrierea CIP a Bibliotecii Naionale a Romniei ZVOIANU, ION

Hidrologie / Ion Zvoianu. Ediia a IV-a, Bucureti, Editura Fundaiei Romnia de Mine, 2006 256p., 20,5 cm. Bibliografie

ISBN (10) 973-725-716-2 (13) 978-973-725-716-1

556

Editura Fundaiei Romnia de Mine, 2006

UNIVERSITATEA SPIRU HARET FACULTATEA DE GEOGRAFIE

Prof.univ.dr. ION ZVOIANU

HIDROLOGIE Ediia a IV-a

EDITURA FUNDAIEI ROMNIA DE MINE Bucureti, 2006

5

C U P R I N S PREFA.... 9 I. NOIUNI INTRODUCTIVE

Hidrologia ca tiin ............................................................. 11 Scurt istoric al dezvoltrii hidrologiei..................... 12

Apa ca element al vieii......................................................... 14 Structura molecular a apei .................................... 14 Caracteristicile fizice i chimice ale apei................ 15 Importana apei pentru via ................................... 21 Poluarea resurselor de ap ...................................... 25

Circuitul i bilanul apei n natur ....................................... 26 Factorii de care depinde circuitul apei.................... 27 Ciclul hidrologic ..................................................... 29 Bilanul apei............................................................ 34 Resursele de ap dulce ale Terrei ........................... 35

II. NOIUNI DE HIDROGEOLOGIE

Apele subterane..................................................................... 41 Proprietile hidrologice ale rocilor ........................ 42

Apa n scoara pmntului.................................................... 47 Formele de ap din roci .......................................... 47 Zonele de umiditate pe vertical............................. 49 Circulaia apelor subterane ..................................... 52 Metode de determinare a circulaiei apelor subterane ... 53 Stratele acvifere ...................................................... 57 Izvoarele ................................................................. 64 Clasificarea izvoarelor............................................ 64

Izvoarele minerale .................................... 69 Izvoarele radioactive ................................ 70

Rspndirea izvoarelor minerale n Romnia ......... 71

6

III. HIDROLOGIA RURILOR (POTAMOLOGIA) Bazinul hidrografic ............................................................... 74

Elementele morfometrice ale bazinului hidrografic .............................................. 75 Dispunerea suprafeelor fa de axa de drenaj........................................................... 81

Reeaua hidrografic ............................................................ 83 Categoriile morfologice generate de scurgerea lichid ..................................................... 83 Categoriile hidrologice de scurgere a apei.............. 85 Elementele unui curs de ap ................................... 87

Configuraia planic a reelei hidrografice ........................ ..92 Sisteme de clasificare a reelei de ruri ................ ..92 Elementele reelei hidrografice............................. ..95

Vile rurilor ......................................................................101 Elementele vilor..................................................102 Forma i elementele albiei minore........................104 Albia minor n profil transversal.........................106

Dinamica i hidrometria fluvial ........................................107 Factorii care determin dinamica fluvial.. ................................................107 Curenii din albia rurilor .....................................108

Hidrometria rurilor...........................................................109 Nivelurile..............................................................110

Construcii pentru msurarea nivelurilor ..............................111 Prelucrarea i reprezentarea grafic a nivelurilor ................................115

Msurarea adncimilor i a vitezelor ....................117 Msurarea adncimilor ...........................117 Determinarea elementelor seciunii active de scurgere.. .................................119 Viteza de curgere....................................121 Calculul vitezei medii.............................125

Debitul rurilor .....................................................129 Metode de determinare a debitului lichid....................................129 Debite caracteristice ...............................134 Prelucrarea debitelor de ap ...................135

7

Regimul hidrologic al rurilor............................................138 Factorii care influeneaz scurgerea rurilor..................................................138

Factorii neclimatici.................................138 Factorii climatici ....................................144

Sursele de alimentare a scurgerii rurilor .............151 Sursele de alimentare superficial .............................................151 Sursele de alimentare subteran .............153 Determinarea ponderii surselor de alimentare.............................155

Caracteristicile generale ale scurgerii rurilor din Romnia..............................157 Scurgerea medie ...................................................161 Scurgerea maxim ................................................167 Scurgerea minim .................................................172 Tipurile de regim ..................................................177 Bilanul hidrologic................................................180 Scurgerea de aluviuni ...........................................183

Procesul de eroziune...............................184 Deplasarea aluviunilor............................186 Instrumente pentru recoltarea probelor de aluviuni n suspensie ..............................187 Tipuri de msurtori de aluviuni n suspensie..........................189 Determinarea turbiditii ........................190 Metode de calcul a debitelor de aluviuni ............................191 Debitele de aluviuni trte......................196 Metode de determinare a debitelor de aluviuni trte .....................198

Scurgerea de aluviuni pe rurile din Romnia......198 Regimul termic al apei..........................................202

Variaia temperaturii apelor curgtoare..203 Fenomenele de nghe.............................205 Fenomenele de nghe pe rurile din Romnia................................210

Chimismul apei rurilor........................................210 nsuirile fizico-chimice ale apelor ........215 Clasificarea apelor naturale din punct de vedere chimic.....................218 Chimismul apei rurilor din Romnia ...........................................220

8

IV. GLACIOLOGIA

Formarea gheii n natur ....................................................224 Limita zpezilor persistente ................................................225 Structura i proprietile gheii............................................226 Dinamica ghearilor ............................................................227

Procesele de eroziune, transport i acumulare ale ghearilor .......................................229

Clasificarea ghearilor.........................................................231 V. LIMNOLOGIA

Clasificarea lacurilor dup geneza cuvetelor lacustre .........236 Lacuri generate de aciunea factorilor interni .......236 Lacuri generate de aciunea factorilor externi .....238

Morfologia i morfometria lacurilor ...................................241 Dinamica apelor din lacuri..................................................242 Bilanul i regimul hidric al lacurilor..................................244 Regimul termic al apei lacurilor..........................................245

Regimul de nghe i dezghe................................247 nsuirile fizico-chimice ale apei lacurilor..........................248 Sedimentele din lacuri.........................................................250 Lacurile din Romnia..........................................................251

Lacurile artificiale ................................................253 Bibliografie .......................................................................................254

9

P R E F A Apa, ca element al vieii pe Terra, a intrat n preocuparea multor

discipline, dar rmne obiectul de studiu al hidrologiei. Ea este cea care studiaz proprietile generale ale apelor din natur, legile proceselor interne i interdependena cu celelalte componente ale mediului nconjurtor.

Pn nu demult considerat ca o resurs banal, apa a nceput s fie apreciat i ca factor indispensabil civilizaiei i dezvoltrii durabile viitoare. Fapt pe deplin justificat, dac avem n vedere resursele de ap dulce, limitate la 2,53% din totalul resurselor de ap ale planetei i faptul c, chiar dac acestea au capacitatea de a se regenera, repartiia lor spaial i regimul de scurgere difer foarte mult de la un loc la altul. Sunt, astfel, pe glob, areale n care apa lipsete i este venerat, sau teritorii unde fiind n exces este nedorit. Cantitatea de ap i regimul ei de variaie n timp i n spaiu determin att peisajele aride i dezolante ale Saharei, ct i jungla amazonian cu cea mai bogat biodiversitate de pe Terra. Apa, generator de via, civilizaie i prosperitate este, n acelai timp, i un purttor de germeni patogeni, provocnd multe molime n istoria omenirii.

Prezentul curs i propune a realiza o prim iniiere a studenilor n problemele hidrologiei generale, urmrind o succesiune logic de la simplu la complex i de la particular la general n studierea resurselor de ap dulce.

Dup o serie de noiuni introductive, necesare familiarizrii cu apa ca obiect de studiu, cu proprietile ei fizice i chimice i cu mecanismul de regenerare, se ajunge la evaluarea global a resurselor planetei, cu evidenierea resurselor de ap dulce, care pot fi folosite. Se prezint succint apa din scoara pmntului, dinamica ei n stratele acvifere, metodele de evaluare a bogiei acestora i apariia la zi sub forma izvoarelor.

O atenie deosebit se acord rurilor, ca artere prin care circul sngele pmntului, pornind de la bazinul hidrografic la categoriile morfologice i hidrologice de scurgere a apelor, cu caracteristicile lor morfometrice, de la ru n ansamblu la albia lui minor. Hidrometria rurilor are la baz metodologia elaborat n cadrul Institutului Naional de Hidrologie i Gospodrirea Apelor att pentru determinarea debitelor de ap, ct i a celor de aluviuni n suspensie,

10

ca indicator al strii de degradare a terenurilor. Se au, apoi, n vedere caracteristicile scurgerii rurilor, sursele de alimentare, tipurile de regim, termica i chimismul, de fiecare dat punndu-se accentul, n primul rnd, pe situaia existent n Romnia.

n partea a doua a lucrrii se dau informaii privind lacurile ca rezervoare acvatice cu proprieti i caracteristici distincte, ca i asupra ghearilor n care sunt stocate 68,7% din resursele de ap dulce ale planetei.

Fa de ediia anterioar, dei pstreaz aceeai structur, cursul a fost redus ca urmare a renunrii la o serie de noiuni, formule i figuri cu caracter prea elevat fa de necesitile de pregtire a studenilor geografi.

Prin modul de structurare, prezentul curs se adreseaz, n primul rnd, studenilor de la facultile de geografie, care nu pot realiza o bun cunoatere a mediului nconjurtor, fr cunotine de hidrologie, apa fiind implicat nu numai n geneza peisajelor, dar i n existena, dinamica i evoluia acestora. Lucrarea poate, de asemenea, interesa cadrele didactice din nvmntul preuniversitar i universitar i pe toi cei preocupai de studierea apei ca element esenial al existenei vieii pe Terra, ca factor al civilizaiei, progresului i al dezvoltrii durabile viitoare.

Autorul

11

I. NOIUNI INTRODUCTIVE

HIDROLOGIA CA TIIN

Etimologic, prin hidrologie se nelege tiina apei. Termenul

deriv din cuvintele greceti hydros - ap - i logos - tiin. Ea se ocup cu manifestrile apei de la suprafaa uscatului, verig important a ciclului hidrologic. Ca disciplin a apelor, i s-au dat mai multe definiii, care, dei nu difer semnificativ, se impune a fi cunoscute.

-Hidrologia este tiina care studiaz proprietile generale ale apelor din natur, ale unitilor acvatice (oceane, mri, ruri, mlatini, lacuri i gheari), legile generale care dirijeaz att procesele din hidrosfer, ct i influena reciproc dintre hidrosfer, atmosfer, litosfer i biosfer (Davdov, 1953).

-Hidrologia este tiina apelor pmntului, a formrii, distribuiei i circulaiei, a proprietilor lor fizice i chimice i a interaciunilor lor cu mediul, inclusiv cu fiinele vii (Chow, 1964).

-Hidrologia este tiina care studiaz geneza i regimul apelor de la suprafaa pmntului (STAS 5032 - 55).

-Hidrologia este tiina care se ocup cu studiul apelor de suprafa i de sub suprafaa a Pmntului: cu formarea, circulaia i distribuia lor n timp i spaiu, cu proprietile lor fizice, chimice i biologice, precum i cu interaciunea lor cu mediul, inclusiv relaia cu lumea vie (Intenaional Glosary of Hydrology, 1992, UNESCO, OMM).

Dup obiectele acvatice pe care le studiaz, hidrologia general a fost divizat n trei ramuri:

1. Oceanologia este tiina care studiaz, oceanele i mrile. 2. Hidrogeologia se ocup de studiul apelor subterane. 3. Hidrologia uscatului studiaz apele uscatului continental i care,

la rndul ei, pe msur ce cunotinele s-au dezvoltat i s-au aprofundat, s-a divizat n:

Potamologie sau hidrologia rurilor (n limba greac potamos-ru), care studiaz apele curgtoare continentale.

Limnologie (limnos - lac) sau hidrologia lacurilor.

12

Telmatologie sau tiina care se ocup cu studiul formrii, cu caracteristicile i proprietile hidrologice ale mlatinilor.

Glaciologie care studiaz ghearii i zpezile, din punct de vedere hidrologic.

n ansamblul hidrologiei, se disting dou discipline importante, cu ajutorul crora se obine volumul informaional absolut necesar.

Hidrografia care se ocup cu descrierea general a obiectelor acvatice, cu caracterizarea lor, din punct de vedere calitativ i cantitativ, cu reliefarea dimensiunilor, a condiiilor locale specifice etc.

Hidrometria reprezint un ansamblu de metode i mijloace folosite pentru obinerea datelor necesare caracterizrii regimului hidrologic i pentru prelucrarea informaiilor.

Scurt istoric al dezvoltrii hidrologiei Primele cunotine de hidrologie le ntlnim la Aristotel (384

322 . Hr.), care n tratatul su Meteorologica recunoate procesul de evaporare i de condensare. Filosofii Greciei antice au emis dou teorii asupra ciclului hidrologic. Prima, admitea c apa de mare este condus prin canale subterane n muni, unde este purificat i apoi trece n izvoare. Cea de a doua afirma c n peterile ntunecoase i reci din muni, atmosfera subteran i chiar pmntul sunt schimbate ntr-o mixtur care formeaz izvoarele.

O nelegere mai apropiat de realitate o ntlnim la filosoful roman Lucreius (99-55 . Hr.), care afirma c apa se evapor din mare, de pe pmnt i se ntoarce napoi sub form de ploaie. Corect nelegea fenomenul i Marcus Vitruvius (sec. I . Hr.) care, n lucrarea lui De Arhitectura, n 10 volume, explica faptul c munii primesc o mare cantitate de ploaie i zpad care ptrunde prin roci spre poalele munilor unde apare sub form de izvoare. Julius Frontinius (97 d. Hr.) n cele dou cri publicate dovedete c, dei romanii acordau o mare valoare apei prin construirea remarcabilelor apeducte, metodele de estimare a scurgerii se bazau pe suprafaa seciunii i pe o vag cunoatere a vitezei.

Dup gnditorii antichitii, timp de peste un mileniu, tiina, cunoaterea i gndirea uman nu au mai nregistrat nici un progres semnificativ. O corect nelegere a ciclului hidrologic apare de-abia la marele pictor, sculptor, arhitect, om de tiin i gnditor al Renaterii italiene, Leonardo da Vinci (1452 1519). Concepia lui poate fi sintetizat astfel: apa alearg din ruri n mare i din mare n ruri.

13

Bernard Palissy (1510 1589), care a murit nchis la Bastilia ca hughenot, n lucrarea Discursuri admirabile despre natura apelor i a fntnilor pmntului, explic faptul c apa de ploaie intr n pmnt, trece prin roci i curge pn ntlnete o ieire i se descarc prin izvoare. Dup un lung pionierat, tiina hidrologiei a nceput cu lucrrile francezilor Pierre Perrault (1608 1680), Edm Mariott (1620 1684) i ale astronomului englez Edmund Halley (1656 - 1742), care pun hidrologia pe baze cantitative (Meinzer, 1942).

Perrault a calculat, pe baza msurrii ploilor timp de trei ani, cantitatea de ap czut n bazinul Senei i apa scurs, remarcnd c apa czut sub form de ploaie i de zpad este de ase ori mai mare ca debitul rului. Face cercetri asupra evaporaiei i asupra capilaritii. Mariott calculeaz debitul Senei la Paris prin determinarea adncimii, a limii i vitezei rului cu flotori. Halley studiaz rata de evaporare i estimeaz c evaporaia de pe Marea Mediteran este suficient pentru a alimenta rurile care se scurg n ea.

Fundamentul hidraulicii moderne este pus ns de Jean Bernoulli i Daniel Bernoulli (tat i fiu), care descopr n 1738, ecuaia vitezei:

n 1732, Henri Pitot scrie: experimente pentru msurarea vitezei n diferite pri ale seciunii transversale, iar n 1775, Antoine de Chzy precizeaz c viteza unui ru variaz cu panta suprafeei lui i gsete bine cunoscuta-i formul, care d hidrologilor o nou baz de estimare a curgerii apei.

n secolul XIX i apoi XX, numrul celor care i-au nscris numele n istoria hidrologiei a crescut nencetat n toate rile, tezaurul prezent al hidrologiei fiind impresionant.

n Romnia, primele descrieri hidrografice sau observaii hidrologice apar n lucrrile lui Dimitrie Cantemir, Constantin Cantacuzino i Alexandru Ipsilanti. n secolul XX, se remarc lucrrile lui Gr. Antipa, care n anul 1924 public Chestiunea Dunrii, ale lui Vidracu, Lunca Dunrii i regimul apelor ei (1888), Ionescu-Siseti, Lunca Dunrii i punerea ei n valoare (1933), G. A. Vasilescu, Debitul solid al Dunrii (1929) . a. De mare valoare sunt studiile efectuate de D. Leonida, Dorin Pavel, Iacobi Robert, Gh. Bal, Iulian Rick .a., care au efectuat o serie de lucrri legate de resursele de ap ale Romniei.

Dup cel de al doilea rzboi mondial, s-a nfiinat Institutul de Studii i Proiectri Energetice (ISPE), Direcia General Hidrometeo-rologic (DGH) nglobat, n anul 1957, n Comitetul de Stat al Apelor mpreun cu Institutul de Proiectri i Amenajare a Cursurilor

ghV 2=

14

de Ap (IPACA). Prin reorganizare, activitatea hidrologic a trecut n 1957 la Institutul de Studii i Cercetri Hidrotehnice (ISCH) care, prin cele ase direcii regionale, modificate n timp ca numr i areal de cuprindere, au meninut reeaua de posturi hidrometrice i au realizat studii hidrologice de mare valoare.

n prezent, activitatea de cercetare hidrologic i de management a resurselor de ap este condus de Ministerul Apelor i Proteciei Mediului, de Regia Apele Romne i Institutul Naional de Meteorologie i Hidrologie care, printr-o serie de uniti teritoriale, asigur att activitatea de cercetare, ct i pe cea de management i de supraveghere a calitii resurselor de ap.

APA CA ELEMENT AL VIEII Structura molecular a apei Dup Glosarul Hidrologic Internaional (1974) apa, ca obiect de

studiu al hidrologiei, este faza lichid a unui compus chimic care const din 2 pri hidrogen i 16 pri oxigen n greutate. n natur, ea conine cantiti mici de ap grea, gaze i materii solide n soluie sau suspensie.

Formula apei este H2O n care dispunerea atomilor de hidrogen, n raport cu cel de oxigen formeaz un triunghi n care cei doi atomi de hidrogen fac ntre ei un unghi de 104o30 (fig. 1).

Din punct de vedere teoretic, molecula de ap are un caracter de dipol electric, polul negativ fiind dat de atomul de oxigen, iar cel pozitiv (G), la egal distan ntre atomii de hidrogen (H) (Pieptea, 1992).

Greutatea molecular a apei este 18, atomul de oxigen avnd masa molecular de 16, iar cel de hidrogen de 1. La formarea greutii moleculare, oxigenul particip cu 88,89%, iar hidrogenul cu 11,11%. Cercetrile efectuate de Urey Levis i Mac Donald, n 1933, au dovedit c n apele naturale se gsete, ntr-o proporie foarte mic i apa grea (D2O) cu o greutate molecular de 20. Greutatea ei se datoreaz izotopului de hidrogen denumit Deuteriu (D), cu masa

Fig. 1. -Structura molecular a apei.

15

atomic de 2,0147. Aceast ap se gsete n apa de cristalizare, n cea de ploaie, n apa marin, n cea rezultat din topirea gheii i n cea din esuturile animale i vegetale ntr-o proporie foarte mic (1:6 000), dar foarte greu de separat (Gtescu, 1998). Exist i o ap semigrea, cu un atom de hidrogen i unul de deuteriu HOD.

Apa grea se poate obine prin electroliza i distilarea repetat a apei obinuite, dintr-o ton de ap obinndu-se 10 cm3 de ap grea. Intre apa obinuit i apa grea, folosit de regul ca moderator la reactorii nucleari, exist o serie de diferene (tabelul 1).

Tabelul 1

Diferenele dintre apa obinuit i apa grea (dup Piota, Buta, 1983) Proprieti Apa

obinuit Apa grea

Formula H2O D2O Densitatea la 4o C 1 1,107 Densitatea la 20o C 0,9882 1,1056 Densitatea maxim la temperatura 4o C 11,6o C Punct de topire 0o C 3,82o C Constant dielectric 80,75o C 81,5o C Punct de fierbere 100o C 101,42o C

n comparaie cu apa normal, reaciile chimice ale apei grele sunt

mult mai lente. Organismele animale i vegetale se comport diferit n raport cu apa grea. Astfel, seminele nu ncolesc, oarecii suport apa grea n organism n proporie de 40%, iar petii i organismele acvatice pn la 32%. Ulterior s-a mai gsit un izotop al hidrogenului denumit tritiu (T) care, combinat cu oxigenul, d apa hipergrea (T2O).

Dac la cele artate mai adugm faptul c i oxigenul are trei izotopi O16, O17 i O18, ne dm seama c materia pe care noi o denumim ap este foarte complex, nu numai prin proprietile sale fizice, dar i prin compoziia chimic.

Caracteristicile fizice i chimice ale apei Ca element indispensabil vieii pe Terra, apa se gsete n natur

sub trei stri de agregare: gazoas, lichid i solid. Transformrile de faz ale apei reprezint unul dintre cele mai

importante fenomene care se produc n natur, cu rol foarte mare n dinamica energiei calorice. Procesul implic toate cele trei stri de

16

agregare, care primesc energie din mediu, sau o cedeaz mediului nconjurtor.

Trecerea vaporilor de ap n atmosfer, prin procesul de evaporare, ca urmare a desprinderii celor mai mobile molecule de pe suprafeele de ap, sol umed, plante, animale, zpad, ghea, este cel mai important proces natural al ciclului hidrologic. Imensa lui importan const din faptul c prin trecerea n stare de vapori, apa se desalinizeaz n mod natural. Pentru trecerea n aceast stare de agregare, apa absoarbe din mediul nconjurtor, sub forma cldurii latente de evaporare, o cantitate de energie de 539,76 calorii pentru

fiecare gram de ap evaporat (fig. 2). Aceeai cantitate de energie va fi cedat mediului nconjurtor n procesul de con-densare, deci de trecere a apei din stare de vapori n stare lichid. Evaporarea apei con-sum energie din mediu, astfel c plantele, dar mai ales ani-malele au posibilitatea de auto-reglare a temperaturii corpului. n lipsa procesului de evaporare a transpiraiei i deci de scdere a temperaturii, cldura solar absorbit ar fi att de puternic, nct ar distruge esuturile. Fiind

direct legat de temperatur, evaporarea de pe suprafaa pmntului scade de la ecuator spre poli unde are cele mai mici valori.

La trecerea din starea lichid n cea solid, prin procesul de solidificare, apa cedeaz mediului 80 cal/g, deoarece n aceast stare de agregare, moleculele sale nu efectueaz dect micri oscilatorii care nu necesit mult energie. n schimb, n procesul de topire, moleculele de ap au nevoie de energie pentru micare i vor absorbi din mediu, pentru a trece n aceast stare, o cantitate de energie caloric, egal cu cea cedat prin procesul de solidificare. Topirea i solidificarea, ca i celelalte procese sunt fenomene inverse i se produc la aceeai temperatur, dac presiunea este aceeai.

n natur este prezent i procesul de sublimare, adic de trecere direct din stare solid n stare de vapori. Aceast transformare de faz, presupune un consum mare de energie i ca urmare, primete din mediu 620 cal/g. Procesul se produce ns i, invers, de trecere din stare de

Fig. 2. -Transformrile de faz ale apei: 1, cu eliberare de cldur (cal/g); 2, cu consum de cldur (cal/g).

17

vapori n stare solid prin desublimare, n care caz cedeaz o cantitate de cldur egal cu cea pe care a primit-o prin procesul de sublimare

n stare gazoas apa, constituit din molecule simple, provine din

evaporarea de la suprafaa Oceanului Planetar, din apele uscatului, de la suprafaa solului, din transpiraia plantelor i a animalelor. Sub form de vapori, ea se gsete n atmosfer n orice loc i n orice moment, dar concentraia variaz n funcie de condiiile climatice. n aceast stare de agregare, apa este invizibil, dar modific transparena aerului, absorbind din spectrul solar radiaiile infraroii.

Viteza de evaporare a apei depinde de temperatura suprafeei, de viteza vntului, de gradul de saturare a atmosferei, toate acestea favorizndu-o i de presiunea atmosferic care o mpiedic. Sub form de vapori nu-i pstreaz forma i volumul, vaporii rezultai dintr-un cm3 de ap putnd ocupa, la aceeai presiune de 760 mm Hg, un volum de 1653 cm3. Presiunea vaporilor de ap dintr-un spaiu dat crete o dat cu temperatura (fig. 3).

Fora elastic a vaporilor de ap este foarte mare, dar n istoria civilizaiei aceast proprietate a fost folosit foarte trziu. Prima ncercare de fo-losire a forei aburilor este menionat ca aparinnd lui Heron din Alexandria n secolul I d. Hr. n veacurile urmtoare nu s-a mai fcut nici o meniune pn n 1629, cnd Giovani Branca ncearc din nou s foloseasc aceast for. Primul pas ferm a fost ns fcut de inventatorul francez Denis Papin care, n 1707, experimenta n Germania un vapor cu aburi. Succesul deplin l-a obinut ns James Watt, inginer i inventator englez, care, n 1784, a brevetat o main cu aburi universal, realizare de vrf n istoria civilizaiei.

Higroscopicitatea sau proprietatea diferitelor substane de a absorbi vaporii de ap este specific i aerului, unde se afl cea mai mare cantitate de vapori.

Din graficul de sintez al trecerii apei prin cele trei stri de agregare vom constata c cele trei domenii au un punct de interferen numit punct ternar sau triplu, unde se ntretaie curbele (fig.4). Acest

Fig. 3. -Variaia presiunii vaporilor de ap n funcie de temperatur.

18

punct, dovedete c la presiunea de 4,58 mm Hg i la temperatura de 0,0075oC apa poate exista concomitent n toate cele trei stri de agregare. Pornind de la acest punct, graficul este disecat de trei curbe care delimiteaz strile lichid, solid i gazoas, n funcie de temperatur i de presiune. Astfel, curba OA, numit i curb de

sublimare, separ starea de vapori de cea solid, OC, sau curba de evapo-rare, pe cea lichid de starea de vapori i OB, sau curba de topire, pe cea solid de cea lichid.

n stare lichid apa

alctuiete hidrosfera sau nveliul de ap al Pmn-tului reprezentat de oceane, mri, lacuri, ruri i ape subterane. Din suprafaa Terrei, hidrosfera ocup 70,8%, cu o pondere mai mare (81%) n emisfera sudic i mai mic (60%) n cea nordic.

n aceast stare intervine n toate reaciile biologice, n cele fizice i chimice care au loc la suprafaa uscatului. n ciclul hidrologic, reprezint o verig important care ine de la condensarea n nori, la cderea precipitaiilor i scurgerea de suprafa pn la ntlnirea din nou a Oceanului Planetar. n stare lichid, apa i pstreaz numai volumul, forma fiind dat de concavitatea suportului solid pe care-l gsete. n comparaie cu alte lichide, apa prezint o serie de anomalii i proprieti fizice i chimice specifice.

Culoarea variaz n raport cu grosimea stratului, fiind incolor n straturi subiri i de culoare albstruie n straturi mai groase. Culoa-rea se datorete i unor substane dizolvate sau n suspensie. Prezena srurilor de fier d apelor o culoare verde-glbuie, a clorurilor una albstruie etc.

Transparena sau calitatea de a lsa s treac energia luminoas, se exprim prin distana n cm pn la care se pot distinge contururile unui obiect. Cel mai adnc ptrunde lumina albastr (220 m), fapt care i explic culoarea albastr a mrilor.

Fig. 4. Graficul trecerii apei prin cele trei stri de agregare.

19

Turbiditatea este dat de cantitatea de particule solide existente ntr-un volum de ap, la un moment dat i se exprim, de regul, n g/l sau kg/m3.

Densitatea maxim a apei nu este la punctul de nghe, ci la +4o,C, cnd are cea mai ridicat valoare 1,00 g/cm3 dup care o dat cu scderea temperaturii scade i densitatea, ajungnd ca la 0oC s aib o densitate de 0,917 g/cm3.

Acest fapt este esenial pentru viaa acvatic, deoarece gheaa, fiind mai uoar ca apa, se ridic la suprafa i formeaz un strat protector care face ca fauna i flora s nu nghee sub podul de ghea, unde temperaturile sunt ntre 0 i +4o C. Att deasupra, ct i sub aceast temperatur, densitatea apei este mai mic. n condiii normale, apa se solidific la 0o C, dar n condiii speciale poate rmne n stare lichid pn la 30oC. Pentru apa de mare, de exemplu, cu o salinitate de 35, punctul de ngheare este la 2oC. Apa este un foarte bun solvent pentru acizi, baze, sruri anorganice i chiar pentru multe substane organice. Dizolvarea multor corpuri solide i gaze, cu care vine n contact se face dup legi bine precizate, descoperite de Henry i Dalton. Dizolvarea gazelor din atmosfer i, n special, a oxigenului are o importan esenial pentru viaa organismelor i a microorganismelor din ap i pentru procesele de autoepurare. Spre deosebire de celelalte lichide, la creterea presiunii vscozitatea apei se micoreaz.

Temperatura apelor este un element important i depinde de cea a mediului nconjurtor. Aceasta presupune c ea variaz cu latitudinea, scznd de la Ecuator spre cei doi poli, cu altitudinea i cu expoziia bazinelor hidrografice n calea maselor de aer.

Cldura specific a apei, adic cantitatea de cldur necesar ridicrii cu 1oC a temperaturii unei uniti de mas (1 cm3) este foarte mare, n raport cu a altor substane, din care cauz a i fost luat ca etalon. Apa nmagazineaz cldura cu greu i tot aa o i cedeaz, fapt care explic rolul bazinelor acvatice pentru ponderarea climei regiunilor limitrofe.

Cldura latent sau cantitatea de cldur absorbit sau cedat n cursul procesului de schimbare a strii de agregare la presiune i temperatur constant, este, de asemenea, mare n raport cu a altor lichide. Se numete latent deoarece aceast cldur se absoarbe sau se degajeaz, la trecerea de la o stare la alta, fr a se nregistra o modificare a temperaturii sistemului. Cnd apa a ajuns la 100oC, ea consum energia termic pentru a-i modifica starea de agregare, temperatura rmnnd aceeai (fig. 5). Prin procesul de solidificare, se cedeaz mediului nconjurtor 80 cal/g, n timp ce pentru evaporare se

20

absoarbe din mediu 540 cal/g. Aceast nmagazinare de energie la evaporare, care se cedeaz la condensare, joac un rol foarte important n moderarea temperaturii atmosferei.

Dup mercur (Hg), apa are cea mai mare putere de adeziune la pereii vaselor, dar are i cea mai mare tensiune superficial. n virtutea acestor particulariti, exist fenomenul de capilaritate, cu un rol extrem de important n natur nu numai pentru circulaia ascendent a apei n sol, dar i pentru circulaia sevei n plante.

Conductibilitatea caloric a apei, ca proprietate de a mijloci transportul de cldur, este mai mare ca la alte lichide, dar cnd este n stare solid aceast particularitate este de ase ori mai mic. Apa se nclzete i se rcete de cinci ori mai ncet ca uscatul de unde i rolul foarte important al maselor de ap asupra ponderrii regimului termic al atmosferei.

Conductibilitatea electric sau nsuirea apelor de a fi bune conductoare de electricitate se datorete, n cea mai mare parte, impuritilor i srurilor dizolvate, fiind n raport direct cu concentraia acestora. Rezistivitatea apei pure este foarte mare, dar scade pe msur ce crete concentraia de sruri, proprietate care se folosete la aparatele de msur pentru determinarea cantitilor de sruri dizolvate.

Duritatea apei este determinat de coninutul de sruri de calciu i de magneziu i se exprim n grade de duritate (germane, franceze, engleze). Un grad german echivaleaz cu 17,9 grade franceze i cu 1,25 grade engleze.

Fig. 5. -Variaia temperaturii apei la trecerea de la o stare de agregare la alta (dup Pieptea, 1992).

21

n stare solid apa trece prin ngheare fie din stare lichid, cnd cedeaz mediului 80 cal/g, fie din stare de vapori prin procesul de desublimare, cnd cedeaz 620 cal/g (fig. 2). Sub form de ghea este cantonat cea mai mare parte a apei dulci de pe suprafaa pmntului n cele dou calote polare i n ghearii din regiunile nalte. La trecerea n aceast stare, apa cristalizeaz n sistemul hexagonal i i mrete volumul cu 1/11.

Fora expansiv a apei ngheate este considerabil. Aa se explic spargerea conductelor fie ele chiar metalice, dac apa din ele nghea. Din aceast cauz, plantele odat ngheate nu-i mai revin, deoarece prin dilatarea apei ngheate, se sparg vasele i membranele celulare ale esuturilor. n natur fora expansiv a apei ngheate st la baza proceselor de dezagregare a rocilor, prin care stncile crap i se frmieaz pn cnd apa n stare lichid are puterea de a le disloca i transporta n reeaua de albii.

Stratul de zpad sau ghea are o conductibilitate termic redus i reflect puternic razele solare. Prin faptul c zpada este ru conductoare de cldur ea protejeaz solul, n timpul iernii, de ngheul profund. n stare solid apa are punctul de topire la 0oC la presiune de 760 mm Hg, o mas specific de 0,917 g/cm3, o rezisten la rupere prin compresiune de 35 kg. cm2, prin ncovoiere de 20 kg/cm2 i la forfecare de 10 kg/ cm2.

Importana apei pentru via Pe Terra, nici un organism animal sau vegetal nu poate tri fr ap.

Aceast substan, pe ct pare de simpl, pe att este de important pentru compoziia chimic a esuturilor i pentru toate procesele vitale, care nu se pot produce dect ntr-un mediu umed. Fr ap, omul nu poate crete, deoarece muchii lui conin 3/4 ap. Sngele conine 4/5 ap i circul n organism, deoarece el pstreaz ntotdeauna aceeai cantitate de ap. Celulele tuturor organismelor nu pot tri dac nu conin ap, sau dac nu sunt ntr-un mediu lichid. n organismul uman nici un proces organic nu este posibil fr ap. Alimentaia, respiraia, digestia, asimilarea substanelor hrnitoare, activitile glandulare, circulaia normal a sngelui .a. nu pot fi concepute fr ap. n organismele vii apa acioneaz ca lubrifiant, confer flexibilitate muchilor, tendoanelor, cartilagiilor i chiar oaselor, avnd un rol esenial n metabolism, n reglarea temperaturii corpului i n hrnirea esuturilor. n structura organismelor apa are o pondere foarte mare. Din greutatea unui adult de

22

70 kg, 50 sunt ap. Dintr-o meduz de 500 gr, dup uscare nu rmne dect 3,2% din greutatea ei iniial, respectiv 16 gr.

n lumea vegetal, salatele, castraveii, spanacul, andivele conin 95% ap. Ciupercile, roiile, morcovii 90%, merele i perele 85%, cartofii 80%, pinea 33%, iar fasolea i mazrea uscat 10%. Rezult deci c apa este un lichid biologic prin excelen.

Nevoile biologice ale omului sunt de circa 2,5 l/zi om. n societatea primitiv omul avea nevoie de 5 pn la 25 de litri de ap pe zi, n timp ce azi pentru a-i satisface principalele scopuri de higien i sunt necesari 75 l/zi i OMS consider ca optim valoarea de 150 l/zi om. Dac am considera un nivel mediu de 200 l/zi om, la nivel mondial ar nsemna mai puin de 300 km3/an. n realitate, volumul este numai jumtate, ceea ce nseamn foarte puin, dac avem n vedere c Dunrea vars n Marea Neagr 203 km3/an.

n alimentarea cu ap a oraelor, dificultatea const n faptul c marile aglomerri s-au dezvoltat succesiv n jurul vechilor vetre, fr a ine cont de resursele de ap disponibile n viitor. Apoi, paralel cu dezvoltarea, a urmat cutarea resurselor de ap, care uneori s-au gsit numai la distane foarte mari. Pentru aprovizionarea cu ap a oraului Los Angeles, de exemplu, se aduc zilnic, pe un apeduct, circa 4 milioane m3 de la o distan de 500 km. Pentru alimentarea cu ap a oraului Craiova i a combinatului de la Ialnia se aduc 65 000 m3/zi de la o distan de 115 km, de la Izvarna-Costeni. n 1 950 din cele 152 de orae ale Romniei numai 80 erau alimentate cu ap i 60 dispuneau de canalizare, consumndu-se pentru nevoile zilnice 48 milioane m3/an. n prezent, volumul de ap folosit n acest scop a ajuns la dou miliarde m3/an i cifrele sunt n continu cretere.

Civilizaia modern cere din ce n ce mai mult ap i consumul pe cap de locuitor este n cretere. Numai pentru prelucrarea unei tone de lapte sunt necesari 5 m3 de ap, iar pentru fabricarea unei tone de zahr se consum 100 tone de ap.

n viaa social apa are funcii foarte importante. n primul rnd,

ea este condiia de baz ca societatea s existe, fiind principalul suport al vieii i al sntii indivizilor din societate. Este un factor de producie pentru toate domeniile vieii economice i ar trebui inclus n categoria materiilor strategice.

n istoria civilizaiei, naiunile i societile au crescut i au deczut, n funcie de modul de nelegere i de folosire a resurselor de ap. Mrturie ne stau vechile puuri foggara din regiunile aride, apeductele magistrale din timpul Imperiului Roman, care prin faptul c parial mai pot fi folosite

23

i azi, atest trinicia i importana care se ddea acestor construcii. Descoperirile arheologice din Valea Indului la Mohenjo-Daro dovedesc c ntre anii 2500 i 1500 . Hr. se folosea o surprinztoare varietate de lucrri hidrotehnice care constau din rezervoare de ap, sisteme de drenaj, de irigaie, bazine de not i de baie etc. Vechile popoare din Asiria, Babilon, Egipt, Grecia, Roma, China au avut realizri remarcabile n domeniul folosirii apelor cu mult nainte de era noastr. n China, de exemplu, cu 2 200 de ani n urm s-au construit diguri i baraje pe rul Min capabile s asigure irigarea a 200 000 ha.

n diferitele regiuni ale planetei, pn i modul de construire a caselor, stilul i modul de via al populaiilor au fost determinate de lipsa sau de abundena apei. Mrturie ne stau locuinele lacustre din zonele cu exces de ap, cele din regiunile aride, unde acoperiurile au pant mic sau din regiunile ploioase, unde au pant mare. n anumite comuniti, chiar i cstoria este influenat de dificultile de obinere a apei. ntr-o localitate rural din sud-estul Asiei, pentru a ajunge la cea mai apropiat surs de ap de but, un grup de puuri, trebuie parcurs o distan de circa 14 km. Obiceiul locului era ca soia s aduc apa n gospodrie. Practic, o femeie nu putea face mai mult de un drum pe zi i, dac apa adus era insuficient pentru necesitile familiei, brbatul putea s aib mai multe soii.

Implicaiile apei n viaa omului sunt foarte multe. Este de ajuns s ne gndim la apele care vindec prin calitile lor minerale sau termale, dar i la apele care omoar. Pentru c dac din ap omul i ia hrana, tot din ap poate lua i holera, dizenteria, febra tifoid, malaria .a. n decursul istoriei, catastrofele produse de astfel de maladii sunt destul de numeroase i chiar i azi mai fac o mulime de victime.

Nevoile agriculturii. Nevoile fiziologice ale plantelor sunt foarte variate, n funcie de condiiile de mediu n care triesc. Dintre acestea, plantele de cultur au nevoie de cantiti apreciabile. Grul, de exemplu, are nevoie, pentru a ajunge la maturitate, de un strat de ap cuprins ntre 366 i 760 mm, ceea ce nseamn ntre 3 660 i 7 600 m3/ha. Sfecla de zahr are nevoie de un strat ntre 700 i 900 mm, n timp de lucerna necesit ntre 823 i 914 mm. Pentru un hectar de orez sunt, ns, necesari 15 000 m3 / ha (Furon, 1967). n regiunile temperate aceste cantiti sunt asigurate total sau parial de ploi, dar n regiunile deficitare pluviometric, irigarea devine indispensabil pentru a se asigura recolte bune. Acest mijloc de stimulare a productivitii biologice este folosit de milenii i n acest sens sunt bine cunoscute regiunea Mesopotamiei i Valea Nilului.

24

Este, ns, absolut obligatoriu n cazul practicrii irigaiilor s se tie c apa, pe lng ameliorarea recoltelor, poate antrena i o serie de neajunsuri (de la boli, la efecte de salinizare secundar sau nmltinire) i n final la un proces de deertificare a unor terenuri care nainte erau foarte fertile.

Apa pentru irigaii se poate lua din ruri, lacuri sau din subteran, fiind necesare cantiti mari de ap, din care o bun parte se evapor. La nivel mondial se folosesc, n prezent, pentru irigare circa 2 000 km3 de ap, din care numai 30% ajung s se ntoarc n ruri sau n pnzele de ape subterane. n multe cazuri, rolul evaporaiei este foarte puternic. Din 8 pri de ap aduse de Nil n lacul de la Assuan, o parte dispare pe aceast cale i uneori pierderile ajung pn la 80%.

n lume, suprafeele irigate erau n anul 1975 de circa. 225 mil. ha, n 1985 de circa. 300 mil. ha, iar n anul 2000 de 400 mil. ha pentru a cror irigare au fost necesari 7 000 km3 de ap. Desigur c nu n toate regiunile globului sunt condiii optime pentru practicarea irigaiilor i nici resursele nu permit acest lucru. India, de exemplu, are n prezent peste 34 milioane ha irigate pentru care sunt necesari 370 km3 de ap. Prin posibilitile de care dispune poate iriga 100 milioane ha., dar nu are suficiente resurse de ap pentru a realiza acest plan. n Israel, aproape toate resursele de ap disponibile sunt folosite, ponderea fiind de 75% pentru irigare i restul pentru industrie i populaie.

n Romnia, la nivelul anului 1989 era amenajat pentru irigare suprafaa de 4 milioane ha, iar consumul de ap era de 9 miliarde m3, dup care a sczut la 2,37 n 1992, estimndu-se a se atinge valoarea din 1989 abia n 2005.

Nevoile industriei. Pentru orice dezvoltare economic industria este un element de baz i aceast ramur solicit resurse importante de ap de bun calitate. Anumite ramuri industriale sunt mari consumatoare de ap. Pentru splarea unei tone de crbune n Depresiunea Petroani se foloseau, n medie, 6 m3 de ap, dar pentru a se produce o ton de cauciuc sunt necesari 2 600 m3 de ap. Pe plan mondial, consumul de ap industrial este de circa 200 km3/an i se prevede s creasc n continuare.

n general, n industrie sunt trei categorii de folosine care necesit ape de fabricaie, de rcire i de nclzire. n foarte multe industrii volumele de ap implicate n procesul de producie, ca i gradele de poluare a apelor sunt foarte diferite de la o ramur industrial la alta. Cantiti mari de ap pentru rcire se consum n centralele termice, unde se poate consuma pn 60% din apa industrial. Aceast ap se

25

ntoarce n sursa din care a fost luat, n cea mai mare parte, dar cu temperatur crescut.

n prezent, peste tot n lume industria se dezvolt ntr-un ritm rapid i utilizarea apei are, n anumite regiuni, valori foarte ridicate. n rile avansate ale Europei, unde nu sunt nevoi pentru irigaii, apa industrial poate ajunge la 80% din prelevri. n rile care au nevoi n agricultur, ca SUA, Ungaria, Frana, consumurile industriale nu depesc 40-50% din prelevri.

n Romnia, consumul de ap n industrie era n 1989 de 8,17 miliarde m3 a sczut n 1993 la 5,5 i se prevede ca n 2005 s ajung la 8 miliarde m3.

Poluarea resurselor de ap Un efect foarte important al folosirii resurselor de ap este

deteriorarea calitii acestora. Degradarea poate avea intensiti diferite, n funcie de cantitatea de substane nocive deversate, de debitul cursurilor poluate i de natura poluantului. Pentru a vedea ct de mult este implicat reeaua de ruri n viaa comunitilor umane, este suficient a remarca faptul c din peste 70 000 km lungime ct se estimeaz a avea reeaua de ruri din Romnia pe 20 000 km exist folosine pentru alimentarea cu ap a populaei, pentru industrie, agricultur i uniti agrozootehnice.

Din studiile efectuate se apreciaz c anual se deverseaz n cursurile de ap ale Romniei mari cantiti de substane poluante printre care predomin n principal cloruri, materii n suspensie, substane organice, azotai, amoniac, hidrogen sulfurat, fenoli, detergeni, pesticide .a. care afecteaz calitatea apei i viaa faunei din acest mediu. n anul 1989, de exemplu, din cei 10,5 miliarde m3 de ape deversate n reeaua de ruri, circa 5 miliarde m3 necesitau epurare. Din acetia se epurau corespunztor numai 17%, insuficient 51%, iar 32% erau evacuai fr nici o epurare prealabil.

Dac cele circa 800 de staii de epurare ar funciona normal, impactul apelor uzate asupra rurilor i al apelor freatice ar fi mai mic. Din totalul staiilor de epurare, doar 22% funcioneaz bine i foarte bine (Cluj-Napoca, Satu Mare, Sfntu Gheorghe, Rmnicu Vlcea, Focani, Cmpulung Moldovenesc etc.), iar 47%, funcioneaz slab (Piteti, Constana, Botoani, Timioara etc.).

Supravegherea strii de calitate a apelor se face printr-o reea naional de 275 de staii, iar n 1996 s-a inventariat starea de calitate a apei pe 20 862 km de ruri (27,1% din lungimea total a reelei). Din

26

aceasta, 53% (11 162 km) se ncadreaz n categoria I, de bun calitate, 30% (6 285 km) n categoria a II-a, 5,7% (1 177km) de categoria a III-a i 10,7% (2 238 km) de categoria a IV-a, deci degradate. Bazinele cu cele mai lungi sectoare de ru cu ape degradate sunt: Ialomia (519 km), Mure (652 km), Prut (411 km), Siret (383 km), Olt (188 km) etc. Fa de anul 1989 se remarc an de an o continu cretere a sectoarelor de ru de prima categorie i o scdere a lungimii sectoarelor de ru cu ape degradate (Ilie, 1996).

CIRCUITUL I BILANUL APEI N NATUR Resursele de ap ale Terrei sunt estimate la circa 1 385 984 610 km3,

din care cea mai mare parte (96,5%) se afl n oceanul mondial, fiind srate i neutilizabile i numai 2,53% (35 029 210 km3) constituie rezerva de ap dulce a planetei (fig. 6). Din aceasta, 69% se afl cantonat sub form solid n gheurile polare, n gheari, n zpad i n regiunile cu permafrost ale planetei, n timp ce n ruri, lacuri i sub form de ap biologic nu se afl dect 0,3% din totalul cantitii de ap dulce.

Dac avem n vedere volumul de ap existent la suprafaa uscatului

planetar, vom constata c acesta nu reprezint dect 3,5% din totalul

Fig. 6. - Ponderea resurselor de ap dulce din apele planetei (dup Newson, 1994).

27

resurselor de ap (fig. 7). Din apa existent pe uscat, numai o mic parte (4%) se afl n faz lichid i din aceasta 44,7% se gsete n lacurile srate (fig. 7).

Aceste resurse de ap dulce, dei sunt reduse cantitativ, au marele avantaj c se pot regenera. Prin circuitul apei n natur nelegem totalitatea proceselor, n succesiunea lor, de evaporare i de transport a vaporilor de ap de la suprafaa planetei n atmosfer, de condensare a lor pentru a forma norii, de cdere sub form de precipitaii lichide sau solide i de scurgere a apei la suprafaa solului sau n subteran spre nivelul Oceanului Planetar.

Este unul dintre cele mai grandioase procese care au loc pe planeta noastr, de el depinznd viaa i existena peisajelor actuale. Reproducerea lui nentrerupt n timp i n spaiu asigur planetei resursele de ap dulce, att de necesare plantelor, animalelor i omului.

Factorii de care depinde circuitul apei Energia. Principalul factor capabil s realizeze continuitatea

circuitului apei este energia pe care pmntul o primete de la soare. Pentru estimarea acesteia, se folosete constanta solar, care reprezint intensitatea radiaiei solare, la o distan medie de soare, pe unitatea de suprafa aezat perpendicular pe direcia razelor solare i

Fig.7. Ponderea apelor uscatului i a apelor de suprafa n faza lichid (dup Newson, 1994).

28

care are valoarea de circa 2 calorii/gram/cm2 pe minut. Din aceast radiaie, 53% este reflectat n spaiu sau absorbit de atmosfer, restul de 47% strbate atmosfera i ajunge la suprafaa pmntului sub form de energie caloric, prin penetraie direct i radiaie difuz a cerului i constituie principala surs de cldur (Strahler, 1973).

Energia medie anual primit de la Soare variaz ntre 0,1 i 0,2 kw/m2, ceea ce reprezint 730 000 - 1 400 000 cal/m2 i asigur cldura necesar pentru evaporarea unui strat de ap cu grosime ntre 1,3 i 2,6 m. Cantitatea de energie pe unitatea de suprafa nu este ns uniform pe Pmnt din cauza curburii acestuia, fapt care face ca cea mai mare cantitate s fie recepionat ntre tropice i cea mai mic la cei doi poli.

La nivel planetar este evident c Pmntul trebuie s piard n spaiu tot atta energie ct primete, altfel temperatura suprafeei lui ar atinge valori ridicate sau prea coborte. n zona intertropical se primete mai mult energie dect se pierde, n timp ce la cei doi poli se pierde mai mult dect se primete. Cile de transfer ale surplusului energetic, n scopul tendinei de a se ajunge la un echilibru termic pe planet se realizeaz prin dinamica atmosferei i a hidrosferei. Dar pentru ca aceasta s existe, este necesar prezena unei diferene de potenial termic.

Suprafaa Pmntului red atmosferei energie caloric prin radiaia de unde lungi, prin transfer caloric (cldura latent de evaporare i de condensare) i prin conductibilitate. Vaporii de ap antrenai n pturile atmosferei, duc cu ei i cldura, pe care o vor elibera numai prin procesul de condensare, ridicnd temperatura atmosferei n alt parte a globului, dect acolo unde s-a produs procesul de evaporare. Cel de al doilea mecanism de transfer energetic este al conductibilitii directe prin care cldura trece de pe suprafaa uscatului sau a mrilor n ptura de aer din imediata apropiere i apoi, prin micri turbulente, se ridic spre straturile superioare. Privit mai atent, circuitul apei nu poate fi separat de cel termic, energia fiind strns legat de materie.

Un alt factor important este dependena proprietilor fizice ale apei existente n stare lichid, solid i de vapori, de temperatur. Aceasta, alturi de presiune, determin cantitatea de ap evaporat proporional cu creterea temperaturii, dar i pe cea condensat prin scderea ei. n procesul de evaporare fiecare gram de ap nmagazineaz 540 calorii sub form de cldur latent de evaporare. Procesul este nsoit de absorbire a energiei din mediu care se rcete, energie caloric, care va fi eliberat la condensare, cnd se observ creterea temperaturii mediului.

29

Fora gravitaional este un alt element esenial fr de care circuitul apei nu s-ar putea realiza. Ea se face simit mai evident, de ndat ce s-a produs condensarea i s-au format picturile de ap n nori. n virtutea ei, orice pictur, sau mas de ap, posed o cantitate de energie potenial proporional cu masa i nlimea la care se afl deasupra nivelului mrii. Prin cdere ea se transform n energie cinetic capabil de a efectua un lucru mecanic. Fora gravitaional este implicat n toate procesele care au loc n circuitul apei, de la formarea i cderea precipitaiilor pn la ajungerea apei la nivelul Oceanului Planetar prin procesele de scurgere superficial i subteran.

Tot n grupa factorilor care influeneaz circuitul apei trebuie s menionm structura rezervoarelor naturale implicate n acest grandios proces. Structura i dinamica atmosferei, n tendina ei de a ajunge la un echilibru termic, transport vaporii de ap, cu precdere de la oceane spre uscat. Forma, mrimea i relieful continentelor introduc variaii n condensarea i precipitarea vaporilor de ap prin efectele orografice.

Chiar i n interiorul continentelor, anumite verigi ale ciclului hidrologic pot fi influenate de morfologia uscatului, de geologie, de sol sau vegetaie. n Sahara i n alte regiuni deertice ale globului sunt cazuri cnd ploile nu ajung la suprafaa solului, picturile evaporn- du-se, nainte de cdere, din cauza aerului cald. Un covor vegetal bine dezvoltat, reduce scurgerea superficial i mrete evapotranspiraia.

Ciclul hidrologic ntreaga succesiune de faze pe care le parcurge apa trecnd prin

evaporare, de pe mri, oceane, continente i insule, n atmosfer i apoi, prin condensare i precipitare, din nou pe acestea, este cunoscut i sub numele de ciclu hidrologic. n raport cu energia disponibil i cu poziia geografic, apa mrilor, a oceanelor i cea de pe uscat i din atmosfer este n continu micare, urmnd o mulime de trasee, greu de urmrit n practic, dar uor de schematizat teoretic.

Cea mai simpl cale presupune plecarea vaporilor de pe suprafaa oceanului prin procesul de evaporaie i antrenarea lor spre pturile superioare ale atmosferei prin fenomenul de convecie termic. n drumul ascendent se produce o coborre a temperaturii masei de aer i prin aceasta o saturare cu vapori. Dac coborrea temperaturii ajunge la punctul de rou, adic la temperatura la care aerul umed devine saturat, ncepe s aib loc procesul invers de condensare i de precipitare att la suprafaa continentelor, ct i a oceanelor.

30

Volumul total al precipitaiilor czute anual pe suprafaa planetei noastre este de 577 000 km3. Aceast cantitate provine att din apa evaporat la suprafaa oceanului mondial (505 000 km3), ct i la suprafaa continentelor. Din aceast cantitate vehiculat prin atmosfer n decursul unui an, cea mai mare parte (458 000 km3) se rentoarcea din nou la suprafaa oceanelor, refcnd circuitul mic oceanic, ocean - atmosfer - ocean (fig. 8).

Fig. 8. - Circuitul apei n natur. Teoretic, circuitul mic s-ar putea considera i n cazul n care apele

evaporate de pe o serie de lacuri sau mri interioare, cum ar fi Marea Caspic sau marile lacuri americane, s-ar condensa i ar precipita tot deasupra lor, dar acest fapt este puin probabil i greu de urmrit.

Un circuit local poate avea loc i pe suprafaa continentelor, cnd apa evaporat de pe acestea se ridic n atmosfer, condenseaz i cade sub form de precipitaii tot pe uscat, ncheind circuitul mic continental - uscat - atmosfer - uscat.

Din cantitatea de ap transportat prin atmosfer, de la ocean spre continente, de circa 100 500 km3, cea mai mare parte (66 000 km3) precipit la suprafaa continentelor, intrnd n circuitul mare i restul de 43 500 km3 i continu drumul peste blocurile continentale i ntlnete din nou suprafaa oceanic. Aceast cantitate transportat de masele de aer, difer de la un bloc continental la altul, n funcie de mrimea

31

acestuia i de poziia catenelor muntoase n raport cu direcia dominant de deplasare a maselor de aer. Din cantitatea de umiditate de 10 100 km3 vehiculat de masele de aer deasupra Europei, 47 % trece mai departe i numai 5 300 km3 precipitat deasupra ei. Pentru Asia, din cei 20 100 km3 adui, numai 20 % (4 200 km3) trec mai departe, iar n cazul Africii din 24 600 km3 sosii, 38 % (9 500 km3) trec peste blocul continental fr a precipita. Cel mai mic procent de ap transportat peste un continent se ntlnete n cazul Americii de Sud, unde din cei 20 700 km3 vehiculai, numai 18 % (3 800 km3) trec mai departe. Peste America de Nord, din cei 12 300 km2 adui, numai 20 % (2 500 km3) trec mai departe. Cea mai mare cantitate de ap care trece deasupra unui bloc continental, fr s precipite, o are Australia, unde din cei 12 800 km3 purtai de masele de aer deasupra continentului 9 700 km3 (76 %) trec mai departe, cantitatea de ap precipitat fiind foarte mic.

Comparativ, de pe suprafaa continentelor se evapor anual 72 000 km3 de ap care reintr n circuitul general al atmosferei i precipit fie pe uscat, fie pe oceane.

Procentual, din ntreaga cantitate de ap evaporat de pe suprafaa planetei, 86 % provine de pe suprafaa oceanelor i numai 14 % de pe uscat, dar pe oceane nu cad dect 78 % din precipitaii, restul de 22 % fiind transportate i precipitate pe suprafaa continentelor.

Din cantitatea de 66 000 km3, care precipit la suprafaa continentelor, 19 000 km3 se evapor dup cdere fie de la suprafaa solului, fie de pe covorul vegetal, 47 000 km3 reprezint cantitatea care, prin scurgerea de suprafa (45 000 km3) sau subteran (2 000 km3), ajunge din nou n oceane unde nchide circuitul (fig. 8).

Durata de regenerare a apei, care urmeaz circuitul mare prin scurgerea fluviatil, este n medie de circa 16 zile, ceea ce presupune c acesta se poate repeta de 22,8 ori n decurs de un an.

Estimarea cantitilor de ap incluse n diferite verigi ale ciclului hidrologic difer de la un autor la altul, cu erori in jur de 10 %, n funcie de etapa evalurii, de metodologia de calcul i de gradul de cunoatere. Astfel, pentru scurgerea de suprafa, cea mai important verig a ciclului hidrologic Lvovici (1979) estimeaz 38 800 km3, fr a include scurgerea din ghearii polari. Analiznd mai n detaliu aceast component a circuitului mare, autorul menionat distinge resursele stabile (U) de circa 14 000 km3, reprezentate prin scurgerea minim a rurilor, pe care, din punct de vedere economic, se poate conta tot anul, fr intervenia omului. n principal, aceste resurse sunt asigurate de scurgerea subteran, care are o stabilitate pronunat. Pentru anumite regiuni aceste resurse sunt prea mici n comparaie cu

32

necesitile omului i atunci s-a ncercat mrirea lor prin construirea lacurilor de acumulare, care la nivel mondial stocheaz aproape 6 000 km3 pentru a putea fi folosii dup nevoi.

Cea de a doua parte a scurgerii fluviale o constituie resursele instabile (S) evaluate la circa 24 800 km3, generate de fluctuaiile debitelor, n special, prin creterea acestora n perioadele ploioase sau de topire a zpezilor i a ghearilor din regiunea munilor nali (fig. 9).

n activitatea lui, omul societii moderne intervine n aceast verig a ciclului hidrologic, folosind att resursele instabile, ct i pe cele stabile pentru practicarea irigaiilor, pentru navigaie, hidroenergie, piscicultur i recreere. O parte din aceste ape folosite se evapor i nu-i mai continu drumul spre ocean, iar o alt parte este redat circuitului fluvial. Din resursele stabile, omul i asigur apa pentru

Fig. 9. - Schema bilanului apelor continentale i a implicaiilor ciclului hidrologic n economie. 1, resurse instabile din scurgerea rurilor; 2, resurse stabile; 3, ape pierdute, folosite pentru necesiti economice; 4, ape murdare poluate; 5, ape revenite dup irigaii; R, scurgerea total a rurilor (dup Lvovici).

33

nevoile municipale, pentru industrie, pentru generatoarele de energie termic etc. Desigur c i n acest caz o parte din ap se ntoarce din drum prin evaporare, iar alta reintr n circuitul scurgerii, dar nu ntotdeauna curat pentru a putea fi refolosit, ci poluat (fig. 9).

Cile urmate de apa czut pe suprafaa uscatului sunt mult mai numeroase i cu multe relaii de interdependen. Dac dup cdere apa de ploaie nu se scurge i se infiltreaz n pmnt, contribuie la refacerea umiditii solului i n acest caz durata de regenerare se apreciaz la circa un an. Infiltrat mai n adnc alimenteaz pnzele subterane, de unde de asemenea poate urma mai multe ci. n cazul n care apare la suprafa sub form de izvoare, poate reintra n circuitul fluviatil i urmndu-l se rentoarce n ocean. Din umiditatea solului i din pnzele freatice poate intra prin sistemul radicular n circuitul biologic, contribuind la alctuirea masei organice sau prin transpiraie s reintre n atmosfer. Apa care ia parte la formarea masei vegetale parcurge un drum mai lung sau mai scurt, dup cum este sau nu inclus i n circuitul animal.

Drumul subteran poate continua de la apele freatice la cele mai adnci i atunci regenerarea lor se realizeaz n circa 330 de ani, sau dac ajung pn la apele subterane foarte adnci, regenerarea se poate efectua n circa 5. 000 ani.

n atmosfer exist o mare variabilitate a cantitilor de vapori de ap att n altiudine, ct i n latitudine. n altitudine, ei se gsesc n straturile inferioare, 70% din totalul masei de vapori de ap aflndu-se n primii 3,5 km de la suprafaa solului sau 90 % pn la 5 km nlime. n regiunea mrilor tropicale coninutul de vapori se estimeaz a fi de 25 g/kg de aer, pe cnd deasupra zonelor continentale arctice la aceeai cantitate de aer nu se ajunge dect la un gram. Dup condensare, cantitatea de vapori din atmosfer ar fi repartizat uniform la suprafaa globului ar forma un strat gros de 25 mm i ar reprezenta rezerva de ap dulce, pentru ntregul Pmnt, pe timp de 10 zile.

n drumul lor prin atmosfer o parte din vaporii de ap sunt purtai n regiunile muntoase foarte nalte i rmn acolo imobilizai n masa ghearilor, unde regenerarea este estimat la circa 1 600 ani. Dac orientarea este spre calotele glaciare, n zona celor doi poli, durata de regenerare ajunge la circa 9 700 de ani. Deci, durata de regenerare a resurselor de ap dulce variaz foarte mult, n funcie de cile urmate. Urmrind ciclul hidrologic mai n detaliu circuitul apei, se poate constata c, n timpul scurgerii fluviatile, evaporarea se poate produce pe tot traseul i la fel i procesele de infiltraie sau de apariie a apelor subterane n albie.

34

Bilanul apei Pe baza ultimelor cercetri s-a estimat c la nivelul ntregii planete,

cantitatea de ap evaporat este egal cu cea primit sub form de precipitaii. Diferena ntre uscat i ocean, n ceea ce privete evaporarea, apare mai clar dac analizm situaia pe cele dou emisfere, cu proporii diferite ale apei i uscatului, 67 % din suprafaa uscatului fiind n emisfera Boreal i numai 33 % n cea Austral. Aceasta presupune c o bun parte din vaporii de ap de pe oceanele din emisfera sudic sunt dui de curenii de aer spre cea nordic, reechilibrarea bilanului efectundu-se prin curenii oceanici.

Din cercetrile efectuate de Baumgartner i Reichel rezult c uscatul din emisfera Austral primete un strat de precipitaii de 888 mm, pe cnd cel din cea Boreal numai 678 mm. n emisfera sudic existnd o suprafa liber de ap mai mare i evaporaia este mai mare (572 mm) dect n cea nordic (435 mm), dup cum i scurgerea este mai mare n sud (316 mm) dect n nord (243 mm). La nivelul oceanelor se constat c pe suprafaa acestora n emisfera nordic cad 1 160 mm de precipitaii, dar se evapor 1 198 mm, de unde rezult un deficit de -38 mm, transferai pe suprafaa continentelor. Comparativ, pe oceanele din Emisfera sudic cantitatea de precipitaii este de 996 mm, dar se evapor 1160 mm deci un deficit de -64 mm, reechilibrat prin aportul curenilor oceanici. La nivelul oceanelor, cel mai bogat sub aspectul precipitaiilor primite este Oceanul Pacific (1 192 mm), ca evaporaie este cel Indian (1 294 mm), iar cu cel mai mare deficit Oceanul Atlantic (-372 mm).

Pe continente, cea mai mare cantitate de precipitaii o primete America de Sud (1 546 mm), iar cea mai mic Antarctida (169 mm) i Australia (447 mm). La evaporare, tot America de Sud deine primul loc (946 mm), n timp ce n Australia stratul de ap evaporat este de 420 mm, iar n Antarctida de numai 28 mm. Pentru Europa stratul de precipitaii este de 657 mm, cel evaporat de 375 mm, iar cel scurs de 282 mm.

Analiza bilanului hidric al continentelor impune a avea n vedere i regiunile cu scurgere endoreic sau areic ce nu au legtur cu oceanul planetar, avnd alte reguli de distribuie a scurgerii. Astfel, dac regiunile endoreice i areice reprezint 22 % din suprafaa uscatului, la schimburile hidrice ele nu particip dect cu 10 %, n timp ce spaiile exoreice dein 78 % din suprafaa uscatului i realizeaz 90 % din schimburile hidrice.

35

Pe teritoriul Romniei, s-a evaluat c precipitaiile czute ar forma un strat de 660 mm (157 km3), din care 120,5 km3 reprezint evapotranspiraia i 36,5 km3 scurgerea fluviatil (Ujvari, 1972).

Resursele de ap dulce ale Terrei Resursele de ap dulce ale planetei, cantonate n ruri, lacuri, mlatini,

gheari i n subteran, reprezint numai 2,53 % din resursele de ap ale Terrei. Dac ne referim la apele dulci, de pe suprafaa uscatului, acestea constituind resursa care prin calitile ei poate fi folosit, vom constata c din cantitatea total, 68,7% (24 364 100 km3) este stocat sub form de ghea sau de zpezi venice la cei doi poli i n regiunile muntoase nalte. Aceast ap este pstrat n frigiderul planetei, cea mai mare cantitate fiind n Antarctida (21 600 000 km3), n Groenlanda (2 340 000 km3), n insulele arctice (83 500 km3) i n regiunile de muni nali de pe glob (40 600 km3). Sub suprafaa topografic a pmntului calculele au dovedit c exist 23 416 500 km3, din care numai 10 530 000 km3 sunt ape dulci utilizabile. Umiditatea solurilor nsumeaz numai 16 500 km3 (tabelul 2).

Tabelul 2

Resursele de ap dulce ale Pmntului. Forma n care se afl apa Suprafaa Volumul de ap Ocupat (km2) Km3 % Gheari i zpezi venice 16 227 500 24 064 100 68.698 Gheaa din permafrost 21 000 000 300 000 0,856 Ape subterane 134 800 000 10 530 000 30,060 Umiditatea solului 82 000 000 16 500 0.047 Apa din lacuri 1 236 000 91 000 0,260 Apa din mlatini 2 682 000 11 470 0,033 Apa din ruri 148 800 000 2 120 0,006 Apa biologic 510 000 000 1 120 0,003 Apa atmosferic 510 000 000 12 900 0,037 Total ap dulce 35 029 240 100 Totalitatea apelor dulci de pe uscat este repartizat astfel: 91 000 km3

n lacuri cu ap dulce, 11 470 km3 n mlatini, 2 120 km3 n ruri, 1 120 km3 n ap biologic i 16 500 km3 n umiditatea solului.

Volumul scurgerii anuale prin toate rurile de pe uscat se ridic la circa 44 540 km3, dar debitul exploatabil este de circa 12 000 km3/an la care se mai adaug 2 000 km3, reprezentnd volumul regularizat n lacuri.

36

Pentru a avea o imagine mai clar asupra acestor resurse, trebuie s le analizm n raport cu nevoile noastre actuale i de perspectiv. Dac avem n vedere c n anul 1975 nevoile omenirii erau evaluate la 3 000 km3/an, iar pentru anul 2 000 se prevedeau 6 000 km3/an, la nivel planetar ne confruntm deja cu o penurie, deoarece cantitatea de ap dulce, de bun calitate, depete nevoile de perspectiv. Problema cea mai dificil o constituie ns repartiia extrem de variabil a resurselor de ap, att n timp, ct i n spaiu, nct cantiti foarte mari sunt n regiuni, care nu au nevoie de atta ap, dar ele nu pot fi folosite n alt parte din considerente economice. Nu putem folosi Amazonul la irigarea Saharei i nici mcar a regiunilor aride din Brazilia. Din aceast cauz cifrele analizate la nivel planetar nu sunt edificatoare, deoarece, economic, nu putem transfera surplusul de ap dintr-o zon n alta ndeprtat.

De altfel, problema apei trebuie tratat difereniat pentru diferite pri ale planetei, cu precdere n rile industrializate i n regiunile aride. n multe locuri s-a recurs la folosirea apelor subterane, dar aceasta trebuie fcut cu mare precauie din mai multe motive. n primul rnd, perioada de regenerare a acestor ape este cu att mai mare cu ct adncimea lor crete. Dac acviferele sunt ape arteziene profunde ele se rencarc foarte greu sau chiar deloc n cazul apelor fosile. Aceste acvifere se impune a fi protejate drastic de poluare, deoarece, n acest caz, ele pot deveni inutilizabile i practic scoase din circuit. n ultimul timp, folosirea apelor subterane a crescut foarte mult. n Frana, de exemplu, circa 60 % din apa utilizat provine din pnzele subterane i numai 40 % din apa rurilor.

Raportnd cantitile de ap dulce la populaie, se constat c Europa i Asia pot conta pe un debit exploatabil de circa 2 000 m3/an locuitor, n timp ce America de Sud dispune de peste 20 000 m3/an locuitor. Dar i n acest caz o situaie medie nu este concludent, studiile detaliate trebuind s fie efectuate la nivel regional. Analizate la nivelul continentelor, resursele de ap calculate de diferii autori difer foarte puin (2 - 3 %), dar valorile obinute sunt destul de concludente pentru a ne forma o imagine asupra resurselor de ap de care dispun continentele.

Europa. Dup datele UNESCO, Europa dispune de 3 210 km3 de ap stocat n rurile care o mpienjenesc. Cantitatea de ap nmagazinat la un moment dat n albiile rurilor din Europa este de 80 km3, iar n cele 3 000 de lacuri de acumulare sunt stocai 422 km3 de ap, din care 169 km3 se renoiesc anual. De aici rezult un volum de 250 km3 de ap, existent la un moment dat pe teritoriul Europei. Raportnd scurgerea anual a rurilor (3 210 km3) la cea existent la un moment dat pe

37

teritoriul Europei (250 km3), rezult c pe continentul nostru circuitul apei se reproduce de 12,8 ori pe an sau o dat la 28 de zile.

mprind volumul de ap la numrul de locuitori, vom obine 4 910 m3/an i locuitor, n timp ce valoarea medie a planetei este de 12 640 m3/an i locuitor. Urmrind aportul rurilor, se constat c cel mai mare volum al scurgerii este asigurat de Volga cu 254 km3, dup care urmeaz Dunrea cu 203 km3, Peciora cu 136 km3, Dvina de Nord cu 108 km3, Rinul cu 101 km3, toate acestea asigurnd 25 % din volumul scurgerii anuale.

Asia. ntinderea mare a continentului, face ca n interiorul lui s se gseasc 30,5 % din volumul total al lacurilor existente n lume i 27 % din volumul scurgerii fluviale. Rezervele de ap dulce vehiculate n ruri sunt estimate la 14 410 km3 (fig. 10).

Dac avem n vedere c volumul de ap care se regenereaz rapid din ruri este de 565 km3 sau de 1 060 km3, dac avem n vedere i apele uor regenerabile din lacuri, timpul de primenire al acestora este de 27 zile, ceea ce nseamn c n decursul unui an circuitul se repet de 13,5 ori. Raportat la numrul de locuitori, n Asia trind mai mult de jumtate din populaia globului, revine fiecruia un volum de 6 670 m3/an. n repartiia resurselor de ap dulce uor regenerabile, pe ntregul continent sunt foarte mari contraste. Pe circa 45 % din suprafaa continentului apa este n surplus, ceea ce face posibil ca n anumite regiuni deficitul s fie compensat prin lacuri de acumulare i canale magistrale.

Africa. Dei, ca mrime este al doilea continent dup Asia, din punct de vedere, a resurselor de ap, este unul din cele mai srace. La nord, de ecuator se afl Sahara, cel mai mare deert al globului i regiunea arid din peninsula Somaliei. La sud de ecuator, pe faada atlantic, se afl deertul Kalahari cu un climat tropical continental. Pe acest bloc continental, care se ntinde pe 8 000 km de la nord la sud i pe 7 500 km de la vest la est, sunt 22,4 % din teritoriile aride ale globului. Resursele de ap ale Africii se ridic la 4 200 km3 sau 4 570 km3 mpreun cu insula Madagascar. Volumul de ap existent la un moment dat n reeaua de ruri este de 195 km3 presupune o regenerare de 23,4 ori pe an sau odat la 16 zile. Aproape 50% din volumul de ap al continentului este furnizat de patru ruri care au debite mai mari de 1 000 m3/s (Zair, Nil, Niger i Zambezi). Raportat la populaie, cantitatea de ap pe cap de locuitor se ridic la 12 000 m3/an, foarte apropiat de cea calculat la nivel planetar (12 900 m3/an), dar cu variaii extrem de mari de la un loc la altul. Resursele de ap ale continentului sunt folosite, n primul rnd, pentru irigaii i la alimentarea cu ap a centrelor urbane i industriale.

38

Pe malurile Nilului se practic irigaii de peste 5 000 de ani, n prezent 2% din suprafaa continentului este irigat (9 000 000 ha) i valorile sunt n cretere.

America de Nord. Are resur-se de ap dulce n subteran, greu de exploatat i n gheari, care chiar dac conin mult ap dulce sunt o resurs pentru viitor, de-oarece n condiiile actuale ex-ploatarea lor este nerentabil, din punct de vedere economic. Sunt apoi apele lacurilor naturale, cu un volum de 25 600 km3, ale celor de acumulare cu 950 km3 i ale rurilor (250 km3), care sunt uor de utilizat.

Volumul anual al apei scurse pe rurile americane incluznd i insulele este de 8 200 km3, America de Nord fiind, din acest punct de vedere, pe al treilea loc

n lume, dup Asia i America de Sud. Din volumul de ap existent pe continent, 2 780 km3 reprezint apele drenate spre Oceanul Pacific, 3 380 km3 spre Atlantic i 2 040 km3 spre Oceanul Arctic.

Populaia continentului nord american reprezint10% din cea mondial, iar resursele de ap 17% din cele mondiale, revenind pe cap de locuitor circa 25 000 m3/an. Cele mai mari artere hidrografice sunt Mississippi, cu 18 400 m3/s, Sf. Laureniu, cu 14 000 m3/s, Mackenzie cu 10 800 m3/s, Columbia, cu 8 460 m3/s, Yukon, cu 6 560m3/s etc. Datorit faptului c epurarea apelor cost mult mai puin ca desalinizarea apei de mare, n regiunile din partea de sud a continentului, unde apa este n deficit ea este refolosit. n acest sens n orae ca New York, Boston, Philadelphia, Los Angeles i San Francisco 99,8% din apa folosit este purificat n aa fel nct s se poat refolosi. Inc din 1965 circa 100 milioane locuitori din Statele Unite utilizau ap care mai fusese refolosit. Pe rul Ohio, n perioada apelor mici ntreaga cantitate de ap se refolosete de trei ori.

America de Sud. Volumul scurgerii apei din ruri este de circa 11 750 km3, ceea ce face ca, din acest punct de vedere, s fie pe locul doi dup Asia. Cea mai mare parte din acest volum (59%) respectiv 6 930 km3 sunt asigurai de Amazon, debitul celui mai mare fluviu de pe

Fig. 10. - Repartiia resurselor de ap dulce pe continente (n km3 i %.

39

Terra fiind de circa 220 000 m3/s. Apa existent la un moment dat n rurile continentului este estimat la 1 000 km3 sau 1 120 km3, dac se are n vedere i apa uor regenerabil din lacuri. Aceasta presupune c, n medie, apa rurilor este supus procesului de regenerare de circa 10 ori pe an sau o dat la 35 de zile. n raport cu populaia, America de Sud dispune de un volum de 63 600 m3/an loc. Dei cifrele prezentate situeaz continentul pe primul loc, n multe privine exist diferene foarte mari de la un loc la altul. Pe litoralul nordic al continentului, n Platoul Brazilian, n Bazinul Paraguay, n Deertul Atacama, pe nlimile Patagoniei i n Cmpia Gran Chaco sunt resurse insuficiente, stratul scurs anual fiind n medie de 5 mm, n timp ce n bazinul Amazonului este de 1 000 mm.

Australia. Fr insulele din jur, este continentul care dispune de cel mai mic volum de ap, scurgerea rurilor fiind doar de 301 km3. Cu insulele din jur (Tasmania, Noua Zeeland, Noua Guinee), cantitatea crete substanial de peste 7 ori, ajungnd la 2 390 km3. Distribuia spaial are i n acest caz foarte mari inegaliti. Volumul scurgerii n Oceanul Indian este de 179 km3, n timp ce pe insulele acestuia este mai mult dect dublu (402 km3). n Oceanul Pacific, de pe continent se scurg 113 km3, n timp ce de pe insulele din jur 1 690 km3 deci de 15 ori mai mult. Regiunea estic i nordic a continentului, care ocup 25% din suprafa, furnizeaz 85% (256 km3) din resursele de ap, ceea ce nseamn un strat scurs de 135 mm. Regiunile aride din interiorul continentului, cunoscutele pustiuri australiene, chiar dac ocup 50% din suprafa nu pot furniza, din cauza climatului arid, dect 3% din totalul resurselor de ap. n lipsa resurselor de suprafa s-au cutat resurse de ap n subteran i se apreciaz c volumul scurgerii subterane reprezint 24% din volumul resurselor anuale. n plus, pe o treime din suprafaa continentului sunt 7 bazine arteziene, unde sunt mari rezerve de ape subterane. n Australia, sunt n prezent 200.000 de sonde i puuri arteziene care aduc apa de la civa metri i chiar de la 2.000 m adncime.

Raportnd volumul resurselor de ap la populaie, rezult c fiecare locuitor dispune teoretic de 27.400 m3/an sau dac am avea n vedere i insulele ar fi de 287.000 m3/an. Din pcate, transferul apelor de pe insule pe continent nu se poate realiza din cauza costurilor prea ridicate i a dificultilor tehnice.

Arctica. Insumeaz resursele de ap cantonate la Polul Nord, sub form de gheari, cifrate la 2 420 000 km3, din care 2 340 000 km3 se gsesc n Groenlanda i 80 000 km3 n gheari. Chiar dac volumul de ap stocat la Polul Nord este de 58 de ori mai mare ca volumul anual al tuturor rurilor globului, aceast ap nu se poate folosi din cauza

40

cheltuielilor prea mari legate de transportul ei. Resursele de ap dulce din marea de ghea a Oceanului Arctic sunt de circa 26 000 km3. Din acest volum circa o treime (7 200 km3) sufer vara un proces de topire i reintr n oceanul planetar. Circa 2 000 km3 circul sub form de iceberguri pn la latitudini joase n Oceanul Atlantic.

Antarctida. Continentul alb are 24 000 000 km3 de ghea, ceea ce reprezint 62% din volumul de ap dulce al Pmntului, dar i n acest caz nu se poate folosi. Pe ntregul continent, volumul precipitaiilor intrate anual este de 2 480 km3. Scurgerea anual de pe continent, sub form lichid sau solid este de 2 310 km3/an.

Dac avem n vedere volumul de ap existent la un moment dat n reeaua de ruri, n lacuri i mlatinile Terrei, se remarc faptul c cea mai mare cantitate se gsete n America de Sud, (1.000 km3), unde se afl i fluviul gigant, Amazonul. Pe cel de al doilea loc se situeaz Asia cu 570 km3, pe ultimul loc fiind Australia i Oceania (fig. 11).

Din statisticile efectuate, s-a constatat c sunt peste 80 de cursuri de ap cu bazine mai mari de 100.000 km2 i circa 200 al cror debit este mai mare de 300 m3/s. Dac se analizeaz cantitatea de ap adus n ocean de primele 260 de ruri, se constat c primele 10 nsumeaz 31% din volumul de ap i 30% din suprafaa bazinelor

hidrografice, iar primele 40 de cursuri de ap dau 48% din volumul de ap i 52% din suprafaa total.

Fig. 11. -Repartiia pe continente a cantitilor de ap existente la un moment dat n reeaua de ruri.

41

II. NOIUNI DE HIDROGEOLOGIE

APELE SUBTERANE Hidrogeologia este tiina care se ocup cu studiul originii, al

dinamicii, cu regimul i extensiunea teritorial, cu calitatea, cu starea de zcmnt i cu nsuirile fizico, chimice ale apelor subterane.

Originea i formarea apelor subterane a preocupat gndirea omeneasc din cele mai vechi timpuri. Primele fntni pentru ap potabil s-au efectuat n China antic i n Egipt. Geneza apelor subterane a incitat minile luminate ale antichitii i ale Evului Mediu. Astfel, Aristotel, inspirat de condensarea vaporilor de ap, susinea teoria condensrii apelor subterane, care producea cea mai mare parte din apa care se scurge prin izvoare. Filosofii Greciei Antice gndeau c apa de mare este condus prin canale subterane n muni i apoi purificat, apare sub form de izvoare. Familiarizai cu peterile din inuturile lor calcaroase, cu spaii subterane mari, reci i ntunecoase au gndit c n acestea se formeaz apa izvoarelor, concepie care a persistat i n Evul Mediu.

Teoria acceptat i acum, dup care apa din pmnt este rezultat din ploi i din zpezi prin infiltrare, este clar exprimat de Marcus Vitruvius care explica apariia izvoarelor de la baza masivelor muntoase prin infiltrarea apelor de la suprafa, fiind prin aceasta precursorul teoriei infiltrrii. Prima lucrare bazat pe observaii directe a aprut n 1580, cnd B. Palissy susinea c apele subterane provin din cele superficiale care se infiltreaz i apar sub form de izvoare. n continuare, descoperirile s-au ndesit i se poate consemna dovedirea experimental a infiltrrii prin lucrrile lui A. Mariott n 1686, apoi precizarea lui Lomonosov c mineralizarea apelor subterane rezult din interaciunea apei cu rocile. n secolul XVIII, Euler, n 1750, i D. Bernoulli, n 1783, au studiat micarea lichidelor, Chezy, n 1775, a determinat ecuaia micrii turbulente, iar Darcy, interesat de dinamica apelor subterane a elaborat legea circulaiei apelor n mediile poroase (tef, 1996). n ultimele dou secole, n studiul apelor

42

subterane, s-au obinut rezultate remarcabile, att din punct de vedere tiinific, ct i al prospectrii i exploatrii acestor resurse n scopul dezvoltrii societii.

n Romnia, prima lucrare hidrogeologic este cea a lui Vasile Pop care avea n vedere apele minerale din Transilvania, apoi a lui N. Drghiceanu i N. Cucu-Starostescu, care au abordat problema apelor subterane din zona oraului Bucureti. Prima hart a apelor freatice din Brgan a fost elaborat de G. M. Murgoci i E. Protopopescu Pache, ntre anii 1907 i 1910, iar pentru apele freatice din Dobrogea de G. Macovei (1911-1913). Intre cele dou rzboaie mondiale, s-au obinut rezultate bune n folosirea apelor subterane la alimentarea cu ap potabil a unor orae ca Iai, Ploieti, Craiova .a., iar dup 1950, pe lng ntreprinderile specializate n prospectare i exploatare, s-a format i un colectiv de cercetare n cadrul Institutului Naional de Meteorologie i Hidrologie.

Proprietile hidrologice ale rocilor Dup comportamentul lor n raport cu apa rocile care alctuiesc

scoara terestr, se pot mpri, n trei mari categorii: Rocile compacte, care prin coeziunea dintre particulele com-

ponente nu permit circulaia i depozitarea apei n masa rocii. n aceast categorie intr rocile eruptive, metamorfice, dar i cele sedimentare, de tipul marnelor i argilelor, care chiar dac nu au coeziunea primelor, nu permit formarea de acumulri de ap.

Rocile fisurate sunt consolidate, dar care din diferite cauze au fost fisurate sau fracturate. n cazul n care fisurile se produc n roci necalcaroase, lrgirea lor prin dizolvare este foarte lent, iar apele pot circula numai prin crpturile care apar n masa rocii sau pe planurile de sistuozitate. n cazul rocilor calcaroase, aceste fisuri (de regul microtectonice) reprezint un bun prilej ca apele din precipitaii s se infiltreze i s dizolve calcarul, lrgind fisurile pn devin goluri subterane, uneori cu dimensiuni impresionante.

Rocile poroase au spaii libere ntre granule i prezint interes, din punct de vedere hidrogeologic. Comportamentul acestor roci, n raport cu apa, depinde de mrimea granulelor i de modul de aranjare a acestora. Spaiile dintre granule pot varia de la ordinul micronilor la cel al centimetrilor, mai ales cnd este vorba de pietriuri. Aceste goluri pot fi ocupate cu aer, vapori de ap sau cu ap, iar granulele pot fi nelegate ntre ele, cum este cazul pietriurilor i nisipurilor, sau unite cu un liant.

43

innd cont de mrimea granulelor din care sunt alctuite, rocile necoezive au fost clasificate de Atterberg astfel:

Pietri d > 2 mm Nisip 0,02 < d < 2 mm Praf 0,002 < d < 0,02 mm Argil 0,00002 < d < 0,002 mm Coloide i soluii d < 0,00002 mm Particulele rocilor poroase sunt aezate dezordonat, dar n timp suport un

proces de ndesare i de micorare a spaiilor dintre ele. Gradul de ndesare natural (D) a rocilor exprim ntr-o oarecare msur i volumul porilor. Din acest punct de vedere, rocile se pot clasifica n:

-roci afnate, cu gradul de ndesare ntre 0,00 i 0,33; -ndesate, cu valori cuprinse ntre 0,33 i 0,66; -foarte ndesate, cu valori cuprinse ntre 0,66 i 1,00. Pentru a caracteriza mai bine comportamentul rocilor fa de ap,

este absolut necesar definirea porozitii i a permeabilitii. Porozitatea rocilor, definit ca proprietatea rocilor de a avea pori

n masa lor, se estimeaz prin raportul (n procente) dintre volumul golurilor dintre granulele unei roci n stare natural i volumul total al materialului (inclusiv porii). Volumul porilor depinde de tipul de granule care alctuiesc roca, de modul lor de sortare, de felul cum acestea sunt aranjate i dac sunt sau nu cimentate (fig. 12).

Porozitatea, care depinde de forma, dimensiunile i de modul de aranjare a particulelor, poate fi total i eficace (Preda, Marosi, 1971).

Porozitatea total, cnd se are n vedere volumul total al porilor i cel al rocilor, depinde de gradul de cimentare i de compactare a acestora i poate fi evaluat cu ajutorul coeficientului de porozitate (n) care reprezint un raport ntre volumul porilor (Vp) i volumul total al rocii (Vt) multiplicat cu 100.

n(%) = (Vp/Vt).100 Acest coeficient se determin i n laborator, folosind metoda

volumetric care presupune determinarea volumului total (Vt) al rocii i apoi pe cel al materialului solid (Vs). Dac avem ns n vedere c volumul porilor (Vp) reprezint diferena dintre volumul total i cel al materialului solid, ajungem tot la formula de mai sus;

n(%) = [(Vt-Vs)/Vt ]100 Porozitatea rocilor difer foarte mult n funcie de volumul porilor

din interiorul lor. Astfel, solul are porozitatea de 30-40%; argilele 10-50%; nisipul i pietriul 18-47%, calcarul 2,5-20%; gresia 5-15%; rocile eruptive 1%; cuaritele 0,5% .a.

44

Porozitatea eficace care se refer numai la volumul porilor prin care poate circula apa sub aciunea gravitaiei, se calculeaz ca un raport ntre volumul total al golurilor prin care apa se poate deplasa gravitaional i volumul total al rocii. Aceast nsuire, care reprezint numai circa un sfert din cea total, are o importan practic deosebit. Valoarea ei crete cu dimensiunea i cu modul de aranjare a granulelor, fiind evident c cea mai mare porozitate eficace o au pietriurile (25%), dup care urmeaz pietriurile i nisipurile (20%), nisipurile fine (10%) argilele (5%) etc.

Fig. 12. - Dependena porozitii rocilor de forma granulelor (A), de felul de aezare a acestora (B), de gradul de sortare (C) i de gradul lor de cimentare (dup Gtescu, 1998).

Dup modul de formare a rocilor, vom deosebi o porozitate

primar dat de golurile dintre granulele sedimentare, metamorfice i

45

de fisurile rocilor magmatice i una secundar, cnd rezult prin aciunea de dizolvare a materialelor dintre granule, prin procesele de cristalizare, deshidratare, eroziune eolian etc. (Gtescu, 1986).

Dup mrimea pe care o au, porii rocilor pot fi: - pori supracapilari, cu diametru ntre 0,5 i 1,2 mm, prin care apa

circul dup legi hidrodinamice. n cazul n care dimensiunea porilor este mai mare de 1,2 mm rocile se numesc macroporoase sau cavernoase. Intr n aceast categorie pietriurile, conglomeratele, nisipurile i gresiile;

- pori capilari, cu diametru ntre 0,5 i 0,0002 mm i se ntlnesc la marnele i argilele nisipoase. n aceste roci apa odat ptruns, este reinut de forele capilare i circul dup aceleai legi;

- pori subcapilari care au diametrul mai mic de 0,0002 mm i se ntlnesc n marnele i argilele fine i prin care apa odat ptruns nu poate circula, fiind cedat numai la temperaturi ridicate.

Permeabilitatea este proprietatea rocilor poroase de a permite

circulaia fluidelor prin golurile din structura lor. Ea este n funcie de dispunerea particulelor, de mrimea porilor, de temperatura i vscozitatea apei. Trecerea apei prin porii rocilor se face prin curgere gravitaional, cnd golurile sunt mari i tensiunea superficial are un rol redus (nisip, pietri). Permeabilitatea rocilor nu depinde de volumul total al porilor, ci de mrimea lor. De exemplu, argilele sunt roci foarte poroase i dei absorb ap mult, din cauza porilor foarte mici, aceasta nu poate circula i rocile devin practic impermeabile.

n raport cu aceast proprietate rocile sunt grupate n: Roci permeabile, care permit curgerea apei prin ele i care, la

rndul lor, pot fi: -granulare, formate din material grunos i, n general, neuniform; -fisurate, formate din roci impermeabile cu fisuri de diferite mrimi. Roci semipermeabile, prin care apa circul cu mare greutate. Roci impermeabile, care nu permit trecerea apei prin ele. Permeabilitatea poate fi omogen, cnd rocile au pori numeroi i

apa ptrunde cu uurin prin ei (nisipuri, pietriuri, gresii) i neomogen, cnd au pori puini i fr legtur ntre ei (roci eruptive, metamorfice). Ea se exprim n cm/s sau prin coeficientul de permeabilitate Darcy (K), obinut din formula debitului de filtrare (Qf) n timpul (t) sub un gradient hidraulic (I).

Qt = K S I t de unde: K = Qt / (S I t)

46

Deci permeabilitatea cuantific volumul de ap gravific care se infiltreaz n unitatea de timp (sec) pe unitatea de suprafa (cm2) sub un gradient hidraulic unitar la temperatura de 20oC. Unitatea de 1 darcy reprezint permeabilitatea rocilor care filtreaz 1 cm3/s ap, pe o suprafa de 1 cm2, la un gradient normal de 1 atm/cm. 1 darcy = 1.10-3 cm/s la 20oC (Preda, Marosi, 1971)

n raport cu permeabilitatea, rocile se mpart n trei categorii. Roci acvifere, care au pori supracapilari i capacitatea de a

nmagazina apa, dar i de a o ceda prin curgere, cum sunt straturile de pietriuri i nisipuri, gresii i conglomerate slab cimentate, bolovniuri i grohotiuri.

Roci acvilude, cu pori capilari i subcapilari, care au capacitatea de nmagazinare, dar avnd o porozitate capilar mic i o vitez de circulaie a apei redus i numai sub presiune, nu au capacitatea de cedare (argilele i marnele).

Roci acvifuge sunt rocile compacte n care apa nu poate ptrunde din cauza porozitii foarte reduse, cum se ntlnete la rocile eruptive, metamorfice sau sedimentare cimentate. n aceste roci apa nu poate circula dect prin fisuri.

Vscozitatea msoar rezistena pe care o opune la curgere un lichid ca urmare a frecrii interioare. Ea este numit i vscozitate dinamic (N). i variaz cu