Bazin de drenaj

Schema unui bazin hidrografic

Animația bazinului râului Latorița, România

Bazinul hidrografic (sau bazinul hidrografic, din latină Imber, ploaie) este zona topografic ( de obicei , identificabile într - o vale sau un simplu ) , delimitată de o topografic bazinelor hidrografice (orografic sau superficiale) pentru colectarea apelor care curg pe suprafața sol confluent către un corp de apă de primire specific ( râu , lac sau mare interioară ) care își dă numele bazinului însuși (de exemplu „bazinul hidrografic al rîului delle Amazzoni ”).

Definiție

Bazinul hidrografic este o porțiune de teritoriu care, datorită conformației sale orografice, colectează apele meteorice sau apele provenite din topirea ghețarilor sau câmpurilor de zăpadă care curg toate împreună către un șanț de impluvium care dă naștere unui curs de apă , sau către un bazin sau depresiune care dă ridicați-vă spre un lac sau o zonă mlăștinoasă . Se deosebește de bazinul hidrogeologic prin faptul că acesta din urmă nu ia în considerare doar ieșirea apelor de suprafață, ci și fluxul de infiltrație care depinde de stratigrafie și conformația geologică a subsolului.

Dacă apele colectate sunt doar cele datorate precipitațiilor, vorbim despre o zonă de captare . Într-un bazin hidrografic de vale este posibilă identificarea unui loc de convergență a apelor, numit „secțiunea de închidere”, prin care trece întregul volum al apei colectate la suprafață. Altitudinea la care se află secțiunea de închidere este altitudinea de referință în măsurătorile de altitudine referitoare la bazin.

Perimetrul limită al fiecărui bazin, odată ce secțiunea de închidere a fost identificată, este recunoscută prin cartografierea liniei dincolo de care apele curg pe sol începând de la secțiunea de închidere, urmând o altă cale care îi conduce să se colecteze într-un bazin hidrografic diferit, acest linia se numește „linia bazinului apei” sau pur și simplu „ bazinul apei ”. Bazinul hidrografic poate fi definit pe o hartă topografică prin conectarea vârfurilor de altitudine maximă cu o linie mereu perpendiculară pe liniile de nivel , având astfel direcția versorului pantei maxime. Cel mai de jos punct al bazinului hidrografic se numește „incil”.

Când luăm în considerare apele bazinului hidrografic care se varsă în subsol, bazinul hidrografic nu mai coincide cu cel superficial identificat cu metode topografice prin care este mult mai ușor să îl delimităm dar trebuie să luăm în considerare diverse aspecte care îi modifică cursul și forma. Unul dintre aceste elemente foarte importante de luat în considerare este mișcarea filtrării apei, o mișcare care se dezvoltă în principal pe căi orizontale, efectuată de apă într-o zonă saturată a solului deasupra unui strat inferior impermeabil. Un bazin ale cărui ape care curg sub suprafața pământului sunt de asemenea considerate este un bazin hidrogeologic , datorită componentei subterane a apei este mult mai dificil de identificat bazinul hidrografic și, prin urmare, delimitează bazinul hidrogeologic decât cel hidrografic.

Descriere

Poate fi schematizat cu o linie închisă (în cazul bazinelor fluviale montane sau deluroase) sau cu o linie deschisă (în cazul bazinelor care se scurge direct în mare, lac sau lagună ); perimetrul său se termină pe linia de coastă. În primul caz, linia bazinului hidrografic intersectează cursul principal al râului într-un punct dat; intersecția se numește secțiunea de închidere a bazinului în sine. Această secțiune are o importanță fundamentală în hidraulică , deoarece în corespondență cu aceasta se colectează debitul global al bazinului și, prin urmare, cel al cursului de apă relativ.

Majoritatea bazinelor hidrografice principale sunt formate prin unirea mai multor sub-bazine reprezentate de bazinele hidrografice ale afluenților unici ai cursului principal de apă. Pentru bazinele închise (lacuri sau mări interioare) bazinul hidrografic coincide cu suma tuturor bazinelor hidrografice aflate, direct sau indirect, în lacul sau marea considerate. Zonele fără circulație a apei de ploaie sunt definite areiche .

Caracteristici geometrice

Extinderea suprafeței este o caracteristică importantă pentru a înțelege cum se comportă bazinul în urma precipitațiilor semnificative ( timpul de scurgere ): timpul de deplasare al apelor de suprafață depinde în principal de lungimea căii pe care trebuie să o ia apa și de panta sa ^[1] . Cu aceeași pantă, dacă bazinul este mic, timpii de călătorie sunt în ordinea orelor (cazul tipic al unui bazin de vale de munte), în timp ce pentru un bazin mare sunt mai mari (de asemenea, pot fi evaluați în zile ca în cazul Po bazin), cu creșterea consecventă și în perioadele de formare a inundațiilor.

Proiecția orizontală a suprafeței teritoriului delimitat de linia bazinului hidrografic se numește „suprafață de drenaj”, în timp ce lungimea liniei bazinului hidrografic este perimetrul (P) bazinului. Lungimea L a bazinului este definită ca o primă aproximare ca lungimea „arborelui principal al râului”, adică a canalului de colectare cu cel mai mare debit care corespunde, în cazul bazinelor de mare altitudine, văii podea.

Formă

Două bazine diferite, în ciuda suprafețelor de drenaj din aceeași zonă, pot avea forme diferite și variază în morfologie de la compact la alungit. Diferența dintre diferitele bazine este evaluată cantitativ prin calcularea anumitor parametri.

Metoda de comparare a zonei bazinului cu un cerc permite identificarea raportului sau „factorului de circularitate” $R_{c}$ ${\ displaystyle R_ {c}}$ ${\ displaystyle R_ {c}}$ care este definit ca raportul suprafeței de drenaj ( $LA$ ${\ displaystyle A}$ $LA$ ) și suprafața cercului având perimetrul $P.$ ${\ displaystyle P}$ $P.$ egală cu lungimea liniei bazinului hidrografic al bazinului considerat:

factor de circularitate $R_{c}=4{\pi }{\frac {A}{P^{2}}}$ ${\ displaystyle R_ {c} = 4 {\ pi} {\ frac {A} {P ^ {2}}}}$ ${\ displaystyle R_ {c} = 4 {\ pi} {\ frac {A} {P ^ {2}}}}$ ;

„Raportul de uniformitate” $R_{u}$ ${\ displaystyle R_ {u}}$ $R_u$ este definit ca raportul dintre perimetrul pelvisului și perimetrul cercului de referință cu condiția ca suprafața pelvisului să fie egală cu cea a cercului:

„raport de uniformitate” $R_{u}={\frac {P}{2{\sqrt[{}]{{\pi }{A}}}}}$ ${\ displaystyle R_ {u} = {\ frac {P} {2 {\ sqrt [{}] {{\ pi} {A}}}}}$ ${\ displaystyle R_ {u} = {\ frac {P} {2 {\ sqrt [{}] {{\ pi} {A}}}}}}$

Raportul dintre zona bazinului și cea a unui pătrat având latura $L$ ${\ displaystyle L}$ $L$ egală cu lungimea bazinului se numește „factor de formă”:

„factor de formă” $F={\frac {A}{L^{2}}}$ ${\ displaystyle F = {\ frac {A} {L ^ {2}}}}$ ${\ displaystyle F = {\ frac {A} {L ^ {2}}}}$ ;
"raport de alungire" $E={\frac {2{\sqrt[{}]{A}}}{L{\sqrt[{}]{\pi }}}}$ ${\ displaystyle E = {\ frac {2 {\ sqrt [{}] {A}}} {L {\ sqrt [{}] {\ pi}}}}}$ ${\ displaystyle E = {\ frac {2 {\ sqrt [{}] {A}}} {L {\ sqrt [{}] {\ pi}}}}}$ ;

Unul dintre parametrii foarte importanți prin care se caracterizează forma bazinului hidrografic este coeficientul Gravelius (Φ) raportul dintre perimetrul P al bazinului și perimetrul cercului de zonă egală (A). În funcție de valoarea la care tinde coeficientul, forma bazinului apare diferit:

Φ → 1 formă rotunjită
1 <Φ <1,25 rotund-oval rotund
1,25 <Φ <1,5 alungit rotund-oval
1,5 <Φ <1,75 alungit oval-alungit dreptunghiular

Caracteristici altimetrice și planimetrice

Bazinul râului Po

Într-un grafic cartezian, înălțimile (în raport cu secțiunea de închidere) sunt prezentate pe ordonată și procentele (crescătoare) ale suprafeței totale a unui bazin pe abscisă. „Curba hipsografică” este definită ca ansamblul de puncte de pe grafic care reprezintă, pentru fiecare cota, procentul suprafeței bazinului care se află deasupra cotei respective. Pentru a determina curba hipsografică a unui bazin, este necesar să existe o cartografie la scară mică, cu rețeaua hidrografică și o altimetrie detaliată (identificată cu o bună aproximare prin liniile de nivel).

După cum este definit, curba hipsografică este o curbă descrescătoare monotonă (pot exista curse orizontale) și oferă o indicație a cât de abrupt poate fi bazinul.

Altitudine medie

Altitudinea mediană este acea valoare a altitudinii care corespunde cu jumătate din suprafața bazinului din graficul curbei hipsografice.

Altitudine medie

Altitudinea medie este altitudinea care reprezintă media integrală a diagramei, prin urmare reprezintă înălțimea unui dreptunghi, pe baza procentelor suprafeței totale, a cărei suprafață este echivalentă cu cea subtinsă de curba hipsografică.

Având în vedere taxa $h$ ${\ displaystyle h}$ $h$ graficul curbei hipsografice în funcție de abscisă, e $S.$ ${\ displaystyle S}$ $S.$ la fel ca inversul său (h este inversabil, deoarece este monoton), avem:

Altitudine medie

={\frac {\int _{0}^{S_{tot}}h(s)ds}{S_{tot}}}={\frac {\int _{0}^{h_{max}}S(h)dh}{S_{tot}}}

{\ displaystyle = {\ frac {\ int _ {0} ^ {S_ {tot}} h (s) ds} {S_ {tot}}} = {\ frac {\ int _ {0} ^ {h_ {max }} S (h) dh} {S_ {tot}}}}

{\ displaystyle = {\ frac {\ int _ {0} ^ {S_ {tot}} h (s) ds} {S_ {tot}}} = {\ frac {\ int _ {0} ^ {h_ {max }} S (h) dh} {S_ {tot}}}}

Altitudinea medie coincide cu cea mediană dacă curba hipsografică este o linie dreaptă.

Pantă

Unul dintre cei mai utilizați parametri pentru estimarea pantei unui bazin (o caracteristică evident relevantă pentru determinarea debitului apei) este panta medie , de obicei calculată conform formulei Alvar-Horton:

I_{m}=\lim _{D_{h}\rightarrow 0}{\frac {D_{h}L_{v}}{A}}

{\ displaystyle I_ {m} = \ lim _ {D_ {h} \ rightarrow 0} {\ frac {D_ {h} L_ {v}} {A}}}

{\ displaystyle I_ {m} = \ lim _ {D_ {h} \ rightarrow 0} {\ frac {D_ {h} L_ {v}} {A}}}

in care $L_{v}$ ${\ displaystyle L_ {v}}$ ${\ displaystyle L_ {v}}$ este lungimea totală a liniilor de nivel ale diferenței de înălțime atribuite $D_{h}$ ${\ displaystyle D_ {h}}$ ${\ displaystyle D_ {h}}$ .

Considerând bazinul ca graficul unei funcții f în două variabile spațiale, panta medie nu este altceva decât valoarea medie a integralei modulului gradientului de f extins pe întreaga suprafață de drenaj.

În practică, pentru a estima manual și, prin urmare, aproximativ acest parametru, o grilă pătrată este suprapusă pe harta topografică a bazinului și raportul dintre diferența de înălțime dintre cele două cele mai apropiate linii de contur și distanța dintre ele este calculat la fiecare nod. În acest fel, se obțin pante locale în raport cu nodurile, a căror medie aritmetică oferă o estimare a pantei medii, cu cât este mai precisă cu atât este mai densă grila și cu atât mai numeroase sunt liniile de contur de pe hartă. Cantitățile care descriu tendința planimetrică a bazinului hidrografic sunt: A = Proiecție ortogonală a suprafeței incluse în bazinul hidrografic. P = Perimetrul bazinului, care corespunde lungimii bazinului hidrografic. LP = Lungimea arborelui principal de ploaie. L = Lungimea totală a rețelei de drenaj. D = Densitatea drenajului.

Caracteristici topologice

Schema clasică a graficului arborescent „ordonat” folosită pentru a descrie ierarhia dintre un râu (ordinul „1”) și afluenții și subafluenții acestuia

Descrierea bidimensională a unei rețele hidrografice se realizează pe baza reprezentării sale în plan; această reprezentare se bazează pe anumite proprietăți topologice care pot fi ușor descrise și clasificate. Indiferent de tipul de schemă adoptată, este posibil să se identifice definiții topologice generale:

„noduri externe” (sau surse) sunt definite ca acele noduri din care provine un singur membru;
„noduri interne” (sau joncțiuni) sunt definite ca acele noduri constituite din punctele în care converg mai multe tije;
„ramuri interne” sunt definite ca elementele care conectează nodurile interne și joncțiunile sau nodurile interne;
„ramuri externe” sunt definite ca elementele care conectează un nod intern imediat în aval cu o sursă;
„mărimea rețelei” este definită ca numărul total de surse;
„distanța topologică” este definită ca numărul de ramificații dintre distanța de la sursă la priza de rețea;
„nivel topologic” este definit ca distanța topologică dintre nodul din amonte și ieșirea de rețea;
distanța topologică maximă este definită ca „diametrul rețelei”.

Sistem de sortare Horton-Strahler

Clasificarea propusă de Strahler

Singurul mod în care curge apa și forma rețelei de apă stabilesc o relație ierarhică între diferitele ramuri care alcătuiesc rețeaua în sine. Primul care a propus în mod sistematic o analiză geomorfologică cantitativă a rețelelor hidrografice și a bazinelor de drenaj aferente a fost în 1933 ER Horton; care fundamentează această analiză pe ierarhizarea elementelor constitutive ale rețelei conform anumitor reguli. Clasificarea lui Horton a fost reluată în 1952 de Strahler, care a propus o procedură de clasificare bazată în esență pe cinci reguli simple:

„canale de prim ordin” sunt definite ca elementele care provin din surse;
din unirea a două ramuri de ordine "n" se derivă una de ordine "n + 1";
din unirea a două ramuri de ordin diferit, confluentul cu ordinul cel mai înalt va fi secțiunea canalului imediat în aval;
succesiunea a două sau mai multe ramuri, caracterizate prin aceeași ordine „n”, constituie canale de aceeași ordine;
canalul caracterizat de ordinul cel mai înalt „N” determină aceeași ordine a bazinului.

Sistem de sortare Shreve

Spre deosebire de sistemul de comandă Horton-Strahler, care se referă puternic la canale, inovațiile propuse de Shreve în 1967 privesc introducerea de noi caracteristici topologice pentru a determina ordinea ramurilor. Aceste inovații se referă în esență la atribuirea unei variații de ordine fiecărei joncțiuni și introducerea termenului de magnitudine μ conform următoarelor reguli simple:

1. fiecare sursă este caracterizată printr-o magnitudine μ egală cu una;

2. din unirea a două ramuri caracterizate respectiv prin magnitudine μ ₁ și μ ₂ , următoarea ramură în aval va avea o magnitudine egală cu μ ₁ + μ ₂ .

În lumina acestei clasificări este posibil să se afirme că magnitudinea μ _i , caracteristică fiecărei ramuri, reprezintă numărul total de surse în amonte de ramura în sine; numărul de ramuri care se referă la o ramură generică va fi în schimb determinat în funcție de relația 2μ _i -1. Cantitatea de informații hidrologice furnizate de Shreve este, în unele privințe, mai mare decât cea obținută prin clasificarea Horton-Strahler.

Timpuri caracteristice

Timp de corecție

Același subiect în detaliu: timpul de corecție .

Timpul de coroziune, o caracteristică morfologică și hidrologică suplimentară, reprezintă timpul necesar pentru ca particula de apă hidraulic cea mai dezavantajată, adică cea care cade în punctul cel mai îndepărtat de secțiunea de închidere, să ajungă la secțiunea însăși. Timpul de coroziune ( t _c ), măsurat în ore, este determinat în esență prin utilizarea diferitelor formule analitice:

„Formula lui Giandotti” $t_{c}={\frac {4\cdot {\sqrt[{}]{S}}+1,5L}{0.8\cdot {\sqrt[{}]{H_{m}-h_{0}}}}}$ ${\ displaystyle t_ {c} = {\ frac {4 \ cdot {\ sqrt [{}] {S}} + 1,5L} {0,8 \ cdot {\ sqrt [{}] {H_ {m} -h_ { 0}}}}}}$ ${\ displaystyle t_ {c} = {\ frac {4 \ cdot {\ sqrt [{}] {S}} + 1,5L} {0,8 \ cdot {\ sqrt [{}] {H_ {m} -h_ { 0}}}}}}$ ;

Unde S indică suprafața bazinului exprimată în km², cu L lungimea arborelui principal exprimată în km, cu H _m altitudinea medie a bazinului, exprimată în m, raportată la nivelul mediu al mării și cu h ₀ altitudinea din secțiunea de închidere, de asemenea în m, întotdeauna referită la nivelul mediu al mării. Această formulă se aplică bazinelor hidrografice de peste 100 km²

"formula lui Viparelli" $t_{c}={\frac {L}{V}}$ ${\ displaystyle t_ {c} = {\ frac {L} {V}}}$ ${\ displaystyle t_ {c} = {\ frac {L} {V}}}$ ;

Unde L indică lungimea arborelui râului și V viteza particulelor de apă; viteza, stabilită la 5,4 km / h, este determinată cu ajutorul unui abac care propune o relație între viteza apei, pantele medii ale versanților și tipul de teren care caracterizează bazinul.

„Formula lui Pezzoli” $t_{c}=0,055{\frac {L}{\sqrt[{}]{p}}}$ ${\ displaystyle t_ {c} = 0,055 {\ frac {L} {\ sqrt [{}] {p}}}}$ ${\ displaystyle t_ {c} = 0,055 {\ frac {L} {\ sqrt [{}] {p}}}}$ ;

Unde L indică lungimea arborelui principal, în timp ce p indică panta medie a albiei râului.

Curgeți la vârf

Pentru bazinele mici (S <10 km²), debitul din vârful inundației Q _c poate fi calculat cu formula rațională:

"Gamă completă" $Q_{c}={{\phi }iS}$ ${\ displaystyle Q_ {c} = {{\ phi} iS}}$ ${\ displaystyle Q_ {c} = {{\ phi} iS}}$

Termenul S indică aria bazinului, termenul i intensitatea ploii durând egal cu timpul de funcționare t _c , în timp ce termenul φ indică coeficientul de scurgere, adică randamentul ploii, a cărui valoare depinde de permeabilitatea și tipul de acoperire vegetativă a bazinului. Dacă doriți să exprimați debitul în m ³ / s, iar suprafața bazinului este exprimată în km², iar intensitatea precipitațiilor i în mm / oră, împărțiți valoarea Q _c obținută la 3,6.

Întârziere

Într-o zonă de captare, timpul de întârziere este definit ca intervalul de timp care separă centrul de greutate al distribuției ploii proiectate de centrul de greutate al hidrogramei de scurgere a suprafeței. În diverse aplicații inginerești și în modele de transformare (fluxuri - fluxuri) se crede că aceasta este o valoare caracteristică a bazinului care nu depinde de evenimentul particular.

Timp de vârf

„Timpul de vârf” este timpul în care se atinge panta maximă.

Timp de raspuns

„Timpul de răspuns” este intervalul de timp care se scurge între începutul precipitațiilor și momentul în care este atins punctul de inundație al secțiunii de închidere.

Curge în bazine hidrografice

Debitul este definit ca mișcarea apei, generată de acțiuni gravitaționale, care are loc în bazinele hidrografice. Scurgerea de suprafață a unui curs de apă într-o secțiune este determinată în funcție de cele trei tipuri diferite de debit:

$Q={Q_{s}+Q_{i}+Q_{b}}$ ${\ displaystyle Q = {Q_ {s} + Q_ {i} + Q_ {b}}}$ ${\ displaystyle Q = {Q_ {s} + Q_ {i} + Q_ {b}}}$

„Debitul de suprafață Q _s ”: apare deasupra suprafeței topografice urmând liniile de pantă maximă și continuând în rețeaua fluvială, constituind contribuția principală și cea mai rapidă a inundației.
„Debitul subteran (sau adânc) Q _b ”: apare în acviferele care se formează deasupra straturilor impermeabile ale subsolului; este fluxul de apă care ajunge la secțiunea de închidere prin procese de filtrare lentă în straturile mai adânci ale solului. Această contribuție la hidrograma inundațiilor este minimă, deoarece este un fenomen care nu este puternic influențat de fenomenele de ploaie.
„Debitul hipodermic Q _i ”: apare în stratul cel mai superficial al subsolului. Acesta este generat de rata precipitațiilor infiltrate în stratul imediat sub suprafață și este cauzată în general de straturi nepermeabile care îl împiedică să se percoleze în adâncime. În general, timpii caracteristici de alunecare hipodermică sunt de același ordin de mărime ca și cei de alunecare de suprafață, motiv pentru care în multe aplicații se acumulează cele două alunecări.

Suprafețe mari de captare

Subdiviziunea bazinelor fluviale ale lumii, în ceea ce privește prezența la prezența în principalele oceane și mări. Zonele cenușii sunt teritorii endoreice , fără o scurgere de suprafață definită spre mare

Bazinele Europei

Râul Amazon-Ucayali 7 050 000 km²
Congo 4 374 000 km²
Mississippi-Missouri 3 778 000 km²
Nil 3 254 555 km²
Rio de la Plata-Paraná 3 140 000 km²
Volga 1 360 000 km²
Orinoco 990 000 km²
Dunărea 817 000 km²
Huang He 752 000 km²

Notă

^ În plus față de ușurința sau dificultatea pe care o pot avea apele în scurgerea suprafeței înainte de a se aduna într-un pat natural.

Bibliografie

Ardito Desio, Geologie aplicată ingineriei: mijloace și metode de explorare subterană, hidrogeologie, geomorfologie aplicată, geologie a construcțiilor, geologie minieră , Milano, Hoepli, 1973, ISBN 978-88-203-0333-4 .
Mario Panizza, Geomorfologie , Bologna, Pitagora Editrice, 2007, ISBN 978-88-371-1657-6 .