Granulometria depozitelor de albie in lungul unor rauri carpatice

GRANULOMETRIA DEPOZITELOR DE ALBIE IN LUNGUL UNOR RAURI CARPATICE

1.INTRODUCERE

Reteaua hidrografica a Romaniei are o lungime totala de 76 000 km , drenand o suprafata de 238 391km². Este tributara in proportie de 97.8 % Dunarii, are un debit mediu anual de 1300 m³/s si in proportie de peste 80% izvoraste din Muntii Carpati. In Romania, interesul pentru studiul albiilor cu pietris este relativ recent. El a fost impus de nevoia cunoasterii impactului antropic foarte puternic asupra raurilor prin amenajarea a 260 lacuri de baraj, realizarea a cca. 500 km derivatii si aductiuni; indiguirea si regularizarea albiilor pe 16 000 km din lungimea raurilor etc. Toate acestea au indus schimbari dramatice, in primul rand, la nivelul efluentei aluviunilor, al variabilitatii depozitelor de albie si in regimul dinamicii actuale a albiilor.

Se pune problema in contextul identificarii unor particularitati de evolutie a raurilor, al relatiilor dintre variabilitatea depozitelor de albie si unii factori de control specifici acestei regiuni din punct de vedere morfogenetic. In plus, se are in vedere gasirea unor elemente care sa permita reconstituirea regimului morfodinamic, inclusiv, ale unor particularitati de relief, din perioade care au generat bordura piemontana a Carpatilor (cu incepere din Miocen).

2.ZONA DE STUDIU

Cercetarile prezentate in continuare au in vedere opt rauri din Romania (tabel 1) a caror bazine hidrografice insumeaza 55 178 km², reprezentand 23,15 % din teritoriul tarii. Noi le consideram cazuri reprezentative pentru conditiile morfodinamice din aceasta regiune, atat ca raportare la conditiile naturale, dar si la impactul antropic, in principal, prezenta barajelor si exploatari de balast.

Tabel 1. Date asupra raurilor studiate Data on the studied rivers

Raurile studiate dreneaza versantul estic al Carpatilor Orientali (Suceava, Moldova, Trotus,Siret), versantul sud-estic al Carpatilor de Curbura (Putna, Buzau, Ialomita) si, respectiv, versantul sudic al Carpatilor Meridionali (raul Oltet) (tabel 1). Privind pozitia acestor rauri se impune observatia ca peste 50% din lungimea albiilor lor se dezvolta in afara ariei carpatice, dar depozitele pastreaza caracteristicile induse de aria montana.

3.DATE SI METODE DE LUCRU

Fondul de date privind analiza depozitelor de albie a rezultat in intregime din observatii si masuratori. Sectiunile de albie din care s-au esantionat depozitele au fost situate in lungul fiecarui rau la o distanta de 8 - 10 km una de alta. In total, s-au investigat peste 190 sectiuni de albie pentru care sau facut si masuratori ale pantei raului. Prelucrarea datelor experimentale s-a facut pe baza metodelor statistice, iar rezultatele obtinute au permis abordarea distincta a urmatoarelor probleme:

a) determinarea tendintelor de variatie a dimensiunii materialului de albie in lungul raului;

b) spectrul granulometric al materialului de albie explicat in relatie cu unele variabile ale bazinului hidrografic;

c) explicarea segregarii granulometrice prin evaluarea contributiei a doua procese fluviale: sortarea hidraulica si uzura;

d) evidenta empirica a distributiilor granulometrice in profil longitudinal si problema aparitiei bimodalitatii acestora.

GRANULOMETRIA MATERIALULUI DE ALBIE IN LUNGUL RAURILOR

Analiza depozitelor de albie minora a fost realizata prin esantionarea materialului de albie in trei

optiuni:

• ca proba de suprafata (fiind reprezentat numai stratul de pavaj hidraulic a carei grosime este egal cu diametrul celui mai mare galet);
• ca proba de subsuprafata(fiind reprezentat materialul aflat sub stratul de pavaj hidraulic) si ca
• proba globala (prin insumarea celor doua categorii anterioare). Prin sitarea materialului din probele astfel colectate am obtinut 14 clase granulometrice separate la interval de 1 phi.

Aceste clase au fost grupate in cinci trepte de dimensiuni (conform scarii granulometrice Wentworth), 3 descrise in urmatorii termeni:

• silt (<4 phi sau 0,063 mm) ;
• nisip (intre 4 phi sau 0,063 mm si -1 phi sau 2 mm) ;
• pietris (intre -1 phi sau 2 mm si - 6 phi sau 64 mm) ;
• bolovanis (intre - 6 phi sau 64 mm si - 8 phi sau 256 mm) ;
• blocuri (peste -8 phi sau 256 mm).

Valorile procentuale obtinute au stat la baza unor prelucrari ulterioare privind tipul de distributie, tendinte de grupare in lungul raului, matrici de corelatie, evaluarea   modalitatii distributiilor.

1.Tendinte de variatie a dimensiunii materialului de albie in lungul raului

Reducerea dimensiunii materialului de albie in profil longitudinal al raurilor a fost observata si exprimata printr-o relatie empirica inca din 1875 de catre Sternberg, care arata ca particulele din albie isi reduc dimensiunea proportional cu lucrul mecanic efectuat impotriva frecarii in lungul raului. Relatia este de tip exponential si reda proportionalitatea intre granulometria materialului de albie si panta profilului longitudinal. Cercetari ulterioare au stabilit numeroase situatii cand relatia lui Sternberg nu are caracter general. Sunt situatii generate de : aparitia unor discontinuitati in panta profilului longitudinal ; perturbarea produsa de aportul cu aluviuni din afluenti ; prezenta unor sectoare de albie caracterizate prin mare energie, avale de o puternica sursa de aluviuni si altele.

Investigatiile asupra celor 8 rauri carpatice au avut in atentie, in primul rand, stabilirea tipului de variatie in profil longitudinal al diametrului median al depozitelor de albie.Tendinta generalizata este, intr-adevar, de tip exponential, dar intensitatea corelatiei are o mare varietate de la un rau la altul. Se pare ca materialul de albie al raului Ialomita prezinta o descrestere care urmareste foarte apropiat legea lui Sternberg. De asemenea, si raurile Oltet, Putna, Buzau, Moldova si Suceava. La capatul opus, adica diminuarea exponentiala a particulelor din albie este profund afectata, se afla raurile Trotus si Siret datorita unor « evenimente » geomorfologice majore in cursul acestor rauri.

2. Spectrul granulometric al materialului de albie explicat in relatie cu unele variabile ale bazinului hidrografic

Ponderea procentuala cumulata in lungul raurilor a claselor granulometrice majore reda mult mai sugestiv « accidentele » care intervin in dispunerea exponentiala a dimensiunii materialului in profil longitudinal .

O distributie procentuala cumulata ideala a materialului de albie in lungul raului este aceea in care clasele de dimensiuni din ce in ce mai mici se succed in mod uniform in directia curgerii. Dintre cazurile luate de noi in studiu, raurile Ialomita si Oltet, apoi Suceava si Moldova se apropie mai mult de aceasta tendinta. Pentru raurile Trotus, Putna, Buzau si Siret amestecul claselor granulometrice devine neobisnuit, aparind si disparand categorii intregi de clase granulometrice. De exemplu, in cazul Siretului clasa dominanta este cea a pietrisului, iar undeva in mijlocul profilului apare cu o pondere de aproape 20% clasa bolovanisurilor. Este evidenta influenta aportului principal de aluviuni prin raurile carpatice (Suceava, Moldova, Bistrita, Trotus). In cazul raului Buzau, spre obarsie albia tinde sa aiba un pat cu material mult mai fin decat in avale ; cauza este discontinuitatea de evolutie a profilului longitudinal prin diminuarea

pantei in zona Depresiunii Intorsura Buzaului si cresterea pantei in zona de defileu. In cazul raului Putna, interceptarea de catre rau a marelui con aluvial relict (probabil Holocen) al carui apex este la km 85 aval de izvoare a determinat o aparitie a clasei granulometrice a blocurilor in plina zona de dominare a pietrisurilor si bolovanisurilor.

3. Segregarea granulometrica in profil longitudinal

Reprezentarile grafice in diagrame triangulare a claselor granulometrice dominante in lungul raurilor a pus in evidenta un alt aspect pe care trebuie sa-l mentionam si anume o tendinta de grupare a acestor clase care urmareste indeaproape marile unitati geomorfologice strabatute de rauri.

Diagramele triangulare arata cum are loc selectarea materialului bolovanos (> - 6 phi) de cel format din pietrisuri (- 1 - 6 phi) si cel din nisipuri si silturi(< - 1 phi). Clusterele formate sunt aproximativ conforme cu prezenta urmatoarelor unitati geomorfologice:

i)   aria Carpatilor, unde se grupeaza sectiunile cu material de albie din clasa bolovanisurilor si blocurilor in proportie de 60 - 80 %;

ii)      aria Subcarpatilor si Podisului, din care provine mult material scheletic cu matrice nisipo - lutoasa datorita alunecarilor de teren. Aceasta arie este traversata de rauri cu material reprezentat in proportie dominanta de clasa pietrisurilor;

iii)    aria Campiei se grupeaza in coltul din stanga al diagramelor, unde se afla clasa materialelor fine, sub -1 phi. Aceasta segregare a materialului de albie in relatie cu unitatile geologice- geomorfologice s-a realizat printr-un proces extrem de indelungat de competitie intre sortarea si uzura pietrisurilor, in care rezistenta rocilor, patul albiei, puterea raului au intervenit fiecare, definitivand particularitatile unui rau.

Cat priveste importanta unuia sau altuia dintre cele doua procese (sortare sau abraziune) in aceasta segragare granulometrica si a diminuarii fractiunilor spre aval, opiniile sunt impartite. Kodama (1991) face o trecere in revista a studiilor care argumenteaza unul sau altul dintre cele doua procese ca fiind determinante in diminuarea materialului de albie. Dintre cei care pun accentul pe importanta uzurii particulelor multi sunt geologi - sedimentologi: Sneed si Folk (1958); Ikeda (1970, 1985); Ibbeken (1983); McBride si Pickard (1987). O alta grupa de autori sunt in special hidraulicieni, care sustin ca reducerea in lungul raului a materialului de albie se datoreste procesului de sortare: Knighton (1980, 1982); Brierley si Hickin (1985); Stih si Koman (1990 a, b). Prin urmare, si intr-un caz si in celalalt, punctele de vedere sunt expresia globala a domeniului de abordare. Argumentele sunt deopotriva de convingatoare si de o parte si de cealalta si consideram ca rezolvarea sustinuta de Plumley inca din 1948 este de preferat, si anume:

diminuarea materialului de albie in lungul raurilor se datoreste atat transportului selectiv, cat si uzurii.

Proportia cu care participa fiecare dintre aceste procese este variabila pentru fiecare rau, dificultatea constand in stabilirea raportului dintre ele. De exemplu, Plumley in 1948 arata ca in cazul raului Rapid Creek, transportul selectiv participa cu 75% si uzura cu 25%; Bradley et al. (1972) a conchis ca sortarea este responsabila pentru 90-95% din diminuarea pietrisurilor pe un sector al raului Knik. Kodama (1991) arata ca pentru raurile din Japonia de pe conurile aluviale uzura este responsabila pentru 90% din diminuarea materialului de albie.

Aprecierea raportului dintre sortare si abraziune pentru raurile studiate s-a facut pe baza intensitatii corelatiei in lungul raurilor a coeficientului de sortare Folk - Ward si, respectiv, a indicelui de rotunjire Cailleux (acesta din urma evaluat pentru galetii cu diametre cuprinse intre 16 - 64 mm, grupare dominanta in lungul raurilor studiate). Rezultatul este redat mai jos, valorile procentuale avand un caracter orientativ.

Tabel 2. Ponderea aproximativa a procesului de sortare hidraulica si uzura mecanica in reducerea dimensiunii materialului de albie (Approximate weight of the hydraulic sorting and mechanical abrasion in the size diminution of the bed material)

Se constata ca, intr - adevar, raportul celor doua procese este variabil, chiar si pentru rauri din mediul fizico - geografic apropiat, cum sunt cele de mai sus. De exemplu, Suceava si Moldova, a caror dimensiuni ale bazinelor hidrografice, forma a profilului longitudinal, compozitie petrografica a bazinelor sunt foarte apropiate, proportia in care participa sortarea hidraulica si uzura mecanica la diminuarea materialului de albie nu este catusi de putin asemanatoare. Aceeasi situatie pentru raurile Putna si Buzau.

Siretul este singurul rau in care uzura are pondere maxima, nu pentru ca este un rau mai mare, ci pentru ca este alimentat de raurile carpatice cu material foarte bine prelucrat (Ichim and Radoane, 1991).

5.ASUPRA BIMODALITATII DISTRIBUTIILOR GRANULOMETRICE

O alta posibilitate de analiza a repartitiilor granulometrice este interpretarea histogramelor deteminate pentru fiecare punct de esantionare in lungul raului. Cele mai evidente observatii in legatura cu forma histogramelor sunt asupra caracterului unimodal in unele sectoare ale raului si bimodal in altele.

Cercetarile de pana acum (Yatsu,1955; Pettijohn,1957; Ibbeken,1983; Kodama, 1991, Sambrook Smith, 1996 etc.)au aratat ca unimodalitatea este caracteristica cursurilor superioare ale raurilor, iar bimodalitatea cursurilor mijlocii si inferioare. Dar cauzele pentru care se manifesta o asemenea tendinta sunt inca putin intelese. In special, fenomenul care nu si-a gasit inca o explicatie este de ce materialul de albie in lungul raurilor trece abrupt de la clasa pietrisurilor la cea a nisipurilor, existand o lipsa de material in categoria pietrisului marunt, respectiv, fractiunea 1-20 mm. Lipsa acestei clase determina aparitia fenomenului de bimodalitate in depozitele de albie.

Cercetarile asupra bimodalitatii distributiilor granulometrice au fost abordate distinct pentru stratul de pavaj, stratul din subpavaj si proba globala, toate acestea considerate in profilul longitudinal al raurilor. Numarul de mode ale distributiei granulometrice permite sa cuantificam fenomenul de bimodalitate intr-un sistem de corelatii pentru a observa care variabile exercita influenta. Astfel, daca distributia este unimodala, atunci modalitatea este 1, pentru distributia bimodala, modalitatea este 2; pentru distributia polimodala (cazuri mai rare), modalitatea este 3,4,,n. Astfel a fost posibila introducerea bimodalitatii intr-o matrice de corelatie in care au mai intrat urmatoarele variabile: lungimea raului de la obarsie, panta raului, diametrul median al materialului de albie, valorile procentuale ale siltului, nisipului, pietrisului, bolovanisului, blocurilor si fractiunii 1-20 mm.

Matricea de corelatie a fost asamblata pentru toate raurile studiate, pe baza careia am putut extrage cateva observatii generale:

1.Bimodalitatea creste in lungul majoritatii raurilor, adica ea tinde sa apara nu in cursul superior al raurilor, ci mai degraba spre cel mijlociu si inferior. Acasta tendinta a fost observata la rauri din diferite medii fizico-geografice, cum sunt cele din Italia (Ibbeken si Schleyer,1991) sau Japonia (Kodama, 1991), Canada si Scotia (Sambrook Smith, 1996).

2. Bimodalitatea este in relatie inversa cu panta raului. Adica, pe masura ce panta raului se diminueaza exista o probabilitate mai mare de aparitie a fenomenului de bimodalitate, dar aceasta este valabila numai pe sectoarele in care exista un amestec de pietris-nisip. La pante foarte mici unde raul transporta numai materialul fin, apare din nou distributia unimodala a materialului de albie.

3. Bimodalitatea este cel mai bine descrisa prin participarea a trei categorii de fractiuni ale materialului de albie: nisipul, pietrisul si fractiunea 1-20 mm. Astfel, bimodalitatea este in relatie directa cu ponderea procentuala a nisipului si pietrisului in proba globala si in relatie invers proportionala cu ponderea fractiunii 1-20 mm. Gradul de explicare a bimodalitatii functie de ponderea nisipului si pietrisului in proba globala este diferit pentru raurile studiate. El este mai mare pentru Siret si Buzau, unde se realizeaza un echilibru al mixajului pietris-nisip, si mai mic pentru celelalte cazuri studiate, unde echilibrul mixajului este mai putin relevant. In schimb, toate raurile raspund in aceeasi maniera in ceea ce priveste fractiunea 1-20 mm, adica exista o crestere a sansei de aparitie a bimodalitatii cu scaderea ponderii acestei fractiuni.

Modalitatea distributiilor granulometrice este diferita pentru probele de suprafata si de subsuprafata: primele sunt dominant unimodale, iar ultimele sunt accentuat bimodale. Stratul de aluviuni pe care albia minora il expune este de regula spalat de materialul fin de sub 2 mm, respectiv nisipul, ceea ce ramane fiind in proportie covarsitoare (90-95%) pietris, bolovanis si blocuri. In aceasta situatie distributiile sunt unimodale, cu o mare asimetrie de dreapta. In probele de subpavaj, unde materialul fin este abundent, distributiile isi pierd caracterul unimodal, intrucat intervalul granulometric1-20 mm (intre 0 si - 4 phi) are o pondere foarte redusa si creste cantitatea in intervalul sub 2 mm. Rezultatul este o bimodalitate mult mai accentuata decat in cazul probei globale si se manifesta la o distanta mai apropiata de obarsia raului,. Aceasta maniera de esantionare si prelucrare a datelor intareste observatia ca fractiunea cuprinsa in intervalul 1-20 mm este foarte putin prezenta in depozitele de albie minora, fiind exclusa posibilitatea neidentificarii din cauza metodelor de esantionare.

In concluzie, bimodalitatea caracterizeaza acele sectiuni in care exista mixaje de pietris + nisip.

Valorile medii ale acestor mixaje pentru raurile studiate de noi sunt prezentate in tabelul 3.

Tabel 3. Valori medii ale ponderilor modelor dominant alcatuite din nisip si dominant alcatuite din pietris si a fractiunii de 1 - 20 mm in materialul de albie al raurilor studiate (Average values of the sand and gravel modes and of 1 - 20 mm fraction in the bed material)

Pe baza acestuia putem conchide ca valorile mixajelor sunt in general de 70% pietris si 30% nisip, ceea ce corespunde unui mixaj ideal propus de Ibbeken (1983) pentru aluviunile de la gura raurilor calabriene. Bimodalitatea este determinata de ponderea sub 35% (pentru raurile din Calabria) si sub 25% (pentru raurile din Romania) a fractiunii 1-20 mm, element care este definitoriu pentru formarea distributiilor depozitelor fluviale. Problema cruciala care se pune este ce fenomen anume controleaza aparitia sau disparitia acestui interval granulometric din albiile de rau. Speculatiile facute pana acum se concentreaza pe raspunsul destul de vag al competitiei dintre sortare si atritie care se desfasoara in lungul raului.

CONCLUZII

Este pentru prima data cand se realizeaza un studiu de o asemenea anvergura asupra compozitiei granulometrice a depozitelor de albie, bazat pe metode stadardizate de esantionare si care are in vedere intregul curs al riurilor, de la obarsie la confluenta. Si intrucat studiul se refera la opt rauri mari ale Romaniei, de ordinul VII, VIII si IX, putem afirma ca rezultatele obtinute sunt reprezentative pentru a sustine o serie de concluzii cu caracter general.

Studierea depozitelor actuale ale raurilor este relevanta pentru cunoasterea potentialului economic al sistemului aluviunilor din Romania, cunoscandu-se faptul ca albiile de rau sunt mari rezervoare de  materiale de constructii (Calinou et al., 1988), dar si de bogatii minerale rare (Hadnagy, 1988). Exploatarea acestor resurse impune o cunoastere profunda a legitatilor de formare si regenerare a materialelor de albie, de repartitie in lungul raurilor, o cunoastere a raspunsului albiilor cand exploatarile de materiale depasesc rata de regenerare. In aceasta lucrare ne-am axat in principal pe definirea tendintelor cu caracter general care controleaza distributia dimensiunii materialului de albie in cazul celor opt rauri studiate de noi si nu ne-am propus sa evaluam efectul impactului antropic asupra depozitelor actuale ale raurilor.

Cea mai importanta observatie este ca Muntii Carpati care detin 21% din suprafata Romaniei, dau 66% din volumul mediu anual al scurgerii lichide si impun influenta montana asupra faciesului depozitelor de albie in lungul raurilor pe o mare distanta in afara ariei carpatice, uneori, pana la varsarea acestor rauri in Dunare. De aceea, exceptand raurile care izvorasc din regiunile colinare si de campie, noi consideram ca Romania are o retea hidrografica carpatica, atat ca regim al curgerii lichide, cat si ca facies al depozitelor de albie, in care dominanta o reprezinta albiile cu pat de pietris.

Pe ansamblu, materialul de albie dominant in cazul raurilor studiate (cu exceptia raului Buzau, unde depozitele de albie sunt mai grosiere) este cel al pietrisurilor, adica clasa cuprinsa intre 2-64 mm.

Diminuarea materialului de albie in profil longitudinal urmareste legea exponentiala, dar cu o mare variabilitate de la un rau la altul. Efectul Carpatilor ca sursa a materialului de albie grosier se extinde mult dincolo de aria geografica montana. Exemplul cel mai graitor este raul Siret care, exceptand zona de obarsie se afla in afara ariei carpatice, ca facies de albie este un rau carpatic pe mai mult de 85% din lungimea lui. Putem aprecia, fara teama de exagerare, ca procesul de formare si dezvoltare a piemontului pericarpatic este continuu si in prezent.

In ce priveste problema mecanismelor care stau la baza maruntirii materialului de albie in profil

longitudinal am aratat ca in cazul raurilor studiate, cele doua procese fundamentale - sortarea hidraulica si uzura mecanica - se afla intr-un oarecare echilibru, sortarea hidraulica fiind usor dominanta. Competitia dintre cele doua procese fluviale se afla la originea fenomenului de bimodalitate a distributiilor depozitelor de albie. Aceasta nu inseamna ca s-a dat si raspunsul la intrebarea de ce fractiunile cuprinse intre 1- 20 mm sunt atat de putin reprezentative in albiile de rau. Multi autori sunt de parere ca avem de a face cu un fenomen de prag in lumea reala care trebuie luat ca un dat, fara sa-l mai incercam sa-l explicam. Dar suntem convinsi, ca toata lumea stiintifica de altfel, ca acolo unde persista semnele de intrebare, acolo este cel mai fascinant loc pentru cercetare stiintifica adevarata.