Probabilitatea de satisfacere a folosințelor sau gradul de siguranță în gospodărirea apelor (numită uneori, în mod impropriu ‘’’asigurare’’’) reprezintă un indicator al siguranței în funcționare a sistemelor de gospodărire a apelor sau al riscului ca aceste resurse să fie insuficiente pentru a permite funcționarea nerestricționată a folosințelor.
Istoric
Primii cercetători care au scos în evidență faptul că procesele de gospodărire a apelor sunt procese stohastice au fost cercetătorii ruși S. N. Krițki și M.F. Menkel. Крицкий С. Н. Менкель М. Ф.- Водохозяйственные расчеты 1952 în anii 1930. Ei au arătat că din cauza variației debitelor cursurilor de apă, nu poate exista o garanție că ele vor fi suficiente pentru satisfacerea unui anumit necesar de apă. Există posibilitatea de a determina o anumită probabilitate cu care necesarul de apă va fi satisfăcut, care în anumite condiții poate fi foarte mare, dar nu poate în niciun caz fi o certitudine. Ei au numit această probabilitate grad de siguranță (rusă обеспечение). Acest termen a fost inițial impropriu tradus prin asigurare.
Deoarece caracterul stohastic al proceselor de gospodărire a apelor decurge din caracterul stohastic al fenomenelor hidrologice și, în general, aceste fenomene sunt caracterizate printr-o ciclicitate anuală, în aplicațiile lor S.N. Krițki și M.F. Menkel au adoptat același criteriu anual pentru gospodărirea apelor. După cum în hidrologie se operează cu debite maxime, medii și minime anuale ei au adoptat ca criteriu pentru probabilitatea de satisfacere a folosințelor numărul anilor în care folosințele sunt integral satisfăcute.
Trebuie ținut seama de faptul că, în anii 1930 când au emis acest principiu, majoritatea folosințelor erau satisfăcute în regim natural al cursurilor de apă. Numărul lacurilor de acumulare pentru regularizarea cursurilor de apă era redus iar situațiile în care existau mai mult decât un lac pentru satisfacerea nevoilor dintr-un bazin hidrografic era cu totul neglijabil. De aceea, probabilitatea de satisfacere a folosințelor era legată de probabilitatea de depășire a unui debit minim annual dat. De aceea, determinarea gradului de risc era legată practic exclusiv de prelucrările datelor hidrologice privind debitele minime, fie pe bază de înregistrări directe, fie prin metode indirecte în amplasamentele unde nu existau date hidrologice suficiente.
Metoda avea o ipoteză implicită care a fost frecvent ignorată în evoluțiile ulterioare. Dacă se lua în considerare exclusiv regimul natural al cursurilor de apă, și probabilitatea era legată de debitele minime ale cursurilor de apă, chiar dacă apăreau ani în care debitele cursurilor de apă scădeau sub aceste valori minime, ducând la întreruperi ale folosințelor, aceste întreruperi erau relativ scurte ca durată, iar gradul de restricție al folosințelor era de asemenea limitat.
Noțiunea de probabilitate de satisfacere a folosințelor a continuat să fie aplicată, chiar în momentul în care s-a trecut la sisteme de gospodărire a apelor complexe, cu multe lacuri de acumulare, care modificau în mare măsură regimul natural de scurgere. În asemenea condiții, ipoteza inițială a lui S. N. Krițki și M.F. Menkel nu mai era valabilă, perioadele de restricții putând fi mult mai lungi decât cele care apăreau în regim natural iar gradul de restricționare putea fi mult mai mare, ajungând chiar la restricționare totală. Totuși, în practica gospodăririi apelor, noțiunea de probabilitate de satisfacere a continuat să fie utilizată.
Un alt element nou a apărut în momentul în care lucrările de gospodărire a apelor au început să fie utilizate pentru irigații. Necesarul de apă pentru irigații este și el o variabilă stohastică, depinzând de variațiile precipitațiilor și temperaturii din zone în care sunt amplasate terenurile irigate. Deși există unele corelații dintre regimul cursurilor de apă și necesarul de apă al irigațiilor, această corelație nu este foarte strânsă. Regimul cursurilor de apă nu depinde decât în mică măsură de precipitațiilor din zonele irigate și este influențat într-o măsură mult mai mare de precipitațiile din zona de formare a debitelor (în general zonele montane și colinare) care, în special în cazul bazinelor hidrografice mari, pot diferi în foarte mare măsură de cele din zona de șes unde sunt localizate irigațiile. Drept consecință, în cazul bazinelor amenajate și în special a celor în care irigațiilor sunt un consumator de apă important, probabilitatea de satisfacere a folosințelor nu mai poate fi legată probabilistic doar de datele hidrologice. În asemenea cazuri apare necesitatea analizei probabilităților în condițiile suprapunerii a două sau mai multe fenomene stohastice diferite.
Probabilitatea de satisfacere a folosințelor de apă Tipuri de probabitate de satisfacere a folosințelor
Odată admis caracterul stohastic al proceselor de gospodărire a apelor, au fost utilizate în diferite țări diferite moduri de definire a gradului de satisfacere a folosințelor. Dintre acestea, cele mai uzuale sunt :
limita raportului dintre numărul de ani în care cerințele sunt integral asigurate (m) și numărul total de ani analizați (n), când numărul total de ani tinde spre infinit:
(1)
limita raportului dintre durata de funcționare fără întreruperi (t) și durata totală luată în calcul (T), când durata totală tinde spre infinit:
(2)
limita raportului dintre volumul de apă care este prelevabil de către o folosință (vT) și volumul total necesar (VT) pe aceeași perioadă, când durata perioadei T tinde spre infinit:
(3)
Principial ar putea fi luate în considerare și alți indicatori, de exemplu, limita raportului dintre producția efectiv realizabilă într-un anumit interval de timp (în care în unele perioade s-au introdus restricții) și producția teoretic realizabilă în acel interval dacă nu s-ar fi introdus restricții. Totuși calcularea unor asemenea indicatori ar impune numeroase ipoteze discutabile, încât ei ar ajunge să nu fie foarte semnificativi.
Dintre indicatorii prezentați, în practică a fost utilizat numai primul criteriu. Pentru acest criteriu, în cazul unui șir finit de ani, probabilitatea de satisfacere a folosințelor mai poate fi definită ca reprezentând speranța matematică a raportului dintre numărul de ani în care folosințele sunt integral satisfăcute și numărul total de ani ai perioadei finite luate în considerare. În practică, aceasta înseamnă că dacă această speranță matematică este p - definită conform formulei (1), - raportul efectiv dintre anii cu necesarul de apă integral satisfăcut și numărul total de ani:
(4)
poate fi mai mare sau mai mic decât speranța matematică p, abaterile având posibilitatea de a fi cu atât mai mari cu cât durata de calcul este mai mică.
Probleme de eșantionaj
Calculele de gospodărire a apelor se efectuează pornindu-se de la datele hidrologice, iar în cazul necesarului de apă al folosințelor și de la datele meteorologice, înregistrate pe un anumit număr de ani din trecut. Se admite în general că aceste șiruri de date sunt reprezentative din punct de vedere statistic, În ultimii ani, această ipoteză a fost contestată de specialiștii care susțin existența unor schimbări climatice, care au demonstrat că, cel puțin în unele cazuri, mediile glisante ale datelor termice pe un șir dat de ani arată o anumită tendință de creștere a temperaturilor. Influența acestor schimbări asupra datelor hidrologice nu este încă suficient documentată.
Ipoteza de bază admite că, dacă șirul de ani pe care există date hidrologice, care din punct de vedere statistic reprezintă un eșantion al populației totale, este reprezentativ, atunci datele statistice ale eșantionului pot fi considerate o estimare a datelor statistice pentru întreaga populație. De asemenea, cunoscând tipul de funcție de distribuție a datelor hidrologice (de obicei o distribuție de tip Pearson de gradul III), se poate stabili lungimea eșantionului necesar pentru ca rezultatele obținute să se încadreze într-un interval de încredere dat. Ca ordin de mărime, pentru datele hidrologice, lungimea acestui eșantion trebuie să fie de ordinul a 50 – 70 ani.
Această lungime a eșantionului de calcul caracteristic a fost considerată valabilă și pentru calculele de gospodărire a apelor. Această ipoteză nu a fost demonstrată niciodată și este în sine discutabilă. Dificultatea rezultă din cauza faptului că în hidrologie parametri statistici se referă de cele mai multe ori la valori izolate, ceea ce în gospodărirea apelor este valabil numai pentru gospodărirea apelor în regim natural, fără lucrări de regularizare a debitelor. În cazul calculelor de gospodărire a apelor în sisteme cu lacuri de acumulare, factorul caracteristic îl constituie succesiunile de debite. În principiu, succesiunile de debite mici sunt reprezentative pentru perioadele deficitare, în care lacurile de acumulare trebuie golite pentru acoperirea cerințelor de apă ale folosințelor, iar succesiunile de debite mari sunt reprezentative pentru cele excedentare, în care excedentele servesc la umplerea lacurilor de acumulare. Pentru a fi reprezentative și a da rezultate statistic valabile, lungimea eșantioanelor utilizate în studiile de gospodărire a apelor trebuie să fie sensibil mai mare decât cea pentru prelucrarea unor valori izolate. În asemenea cazuri elementul care este prelucrat statistic îl constituie ciclul de umplere și golire al lacurilor de acumulare. În cazurile extreme, al unor lacuri de regularizare superanuală, eșantionul de calcul de 50 –70 de ani ar putea să nu cuprindă decât un număr foarte redus de asemenea cicluri, insuficient pentru o prelucrare statistică.
Concluzia este că, chiar dacă se acceptă noțiunile de probabilitate de satisfacere a folosințelor, determinarea practică a acestor valori este legată de probleme de eșantionaj. În majoritatea situațiilor practice, aceste probleme de eșantionaj sunt neglijate. De aceea calculele făcute pe baza unor șiruri de valori hidro-meteorologice din trecut, sunt valabile pentru acest șir, dar valabilitatea extrapolării lor la șirurile din viitor este din punct de vedere statistic foarte discutabilă.
Probabilități normate
Valori ale probabilităților uzuale în România pentru satisfacerea flosințelor de apăTeodorescu, I., Filotti, A., Chiriac, V. s.a. – Gospodărirea apelor - 1972 Tipul folosințeiProbabilitateae normată desatisfacere CENTRALE ELECTRICE Centrale hidroelectrice 90 – 95% Termocentrale 95 – 97% ALIMENTĂRI CU APĂ INDUSTRIALĂ Întreprinderi industriale de interes național95 – 97%Întreprinderi industriale de interes local 90 – 95% ALIMENTĂRI CU APĂ POTABILĂ Orașe industriale95% Orașe mijlocii90% Centre populate în mediul rural80% IRIGAȚII Culturi de legume80% Culturi de câmp75% AMENAJĂRI PISCICOLE Pepiniere85% Alte amenajări piscicole75% CAI NAVIGABILE Căi navigabile magistrale95% Căi navigabile secundare85 – 90% Odată acceptat principiul că procesele de gospodărire a apelor sunt procese stohastice, se punea problema de a defini ce probabilitate de satisfacere a folosințelor este acceptabilă și cum trebuie determinată această probabilitate.